聚变堆水冷回路中多物相活化腐蚀产物计算分析

聚变堆水冷回路中结构材料与冷却剂接触后产生的腐蚀产物随冷却剂流经堆芯辐照区时,极易被中子活化,活化后的腐蚀产物形成一个辐射场,在反应堆维护及检修过程中会对工作人员产生较大的职业照射剂量。在活化腐蚀产物源项分析程序CATE V2.1的基础上,对计算模型进行改进,开发出基于四物相三节点模型的活化腐蚀产物源项分析程序CATE V3.0,全面考虑了活化腐蚀产物的多种物质形态(氧化层、沉积层、离子、颗粒)在水冷回路中的主要行为,从而可以更加准确地评估活化腐蚀产物导致的迁移源项。使用活化腐蚀产物源项程序CATE V3.0对国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)的偏滤器水冷回路进行建模仿真,计算得到了活化腐蚀产物的成分和放射性活度在偏滤器水冷回路中的分布以及随时间的变化规律,并将CATE V3.0模拟得到的放射性活度通过点核积分程序计算出反应堆正常运行1.2 a的剂量率。结果表明:辐照区的放射性活度主要来自氧化层,非辐照区的放射性活度主要来自沉积层;在反应堆运行期间,放射性活度主要来自短寿命核素64Cu和60Com,但剂量率主要来自长寿命核素58Co和60Co;停堆后,短寿命核素会迅速衰变消失,长寿命核素成为水冷回路中的放射性活度和剂量率主要贡献者。     

“华龙一号”堆型一回路系统58Co和60Co源项分析方法研究

压水堆核电厂一回路活化腐蚀产物源项是确定集体剂量和进行辐射防护优化的重要基础，也是反应堆审查取证的重要环节。本文阐述了“华龙一号”反应堆的设计特点，对比了与参考反应堆型的设计改进。通过分析中广核集团在运CPR1000/M310机组数十个循环的运行反馈数据特点及长期趋势，获得了冷却剂58Co和60Co源项的对数正态分布，以此为基础确定了“华龙一号”反应堆在稳态、瞬态和冷停堆工况下的一回路冷却剂⁵⁸Co和⁶⁰Co源项以及主管道的58Co和60Co沉积源项。结合反应堆的设计特点，使用中广核集团自主开发的CAMPSIS程序分别计算了“华龙一号”和CPR1000的一回路⁵⁸Co和⁶⁰Co源项，进而得到了调节系数对运行反馈统计结果进行了修正。本研究确定的以同类机组的源项运行数据反馈和机理分析相结合的方法，为新型反应堆研发中源项分析提供了重要参考价值。     

初始腐蚀产物对水冷聚变堆源项影响的研究

水冷聚变反应堆在首次临界之前,会经历一段时间的热工水力和水化学参数的调试,称为预运行阶段。在此期间,冷却回路的金属材料与高温高压且非中性的冷却剂接触过程中,会被氧化而产生初始的腐蚀产物。这些腐蚀产物会沉积在回路内表面,在反应堆物理启动后被中子活化形成活化腐蚀产物(简称ACPs),进而影响反应堆正式运行期间的放射性源项。本文首先依托ACPs源项分析程序CATE和ITER包层冷却回路例题,对初始腐蚀产物的影响进行了定量分析,结果表明:初始腐蚀产物含量越多,反应堆运行相同时间后产生的ACPs比活度越大;与非辐照区的初始腐蚀产物相比,辐照区的初始腐蚀产物对ACPs影响更大。随后,基于经典的浓度差驱动模型,推导了ACPs比活度与初始腐蚀产物的解析关系式,揭露了不同区域初始腐蚀产物对ACPs的影响机理,得到以下定性分析结论:辐照区与非辐照区的初始腐蚀产物对ACPs比活度有一定影响,但影响程度不同,验证了数值解的结论。     

水冷聚变堆主回路活化产物源项计算分析

水冷聚变堆中结构材料活化腐蚀产物和冷却剂活化产物是正常运行工况下的最主要放射性来源,也是反应堆运行及维护过程中工作人员辐照剂量的直接来源。本文使用CATE V2.1程序对国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)LIM-OBB(Limiter-Out-Board Baffle)冷却回路的活化腐蚀产物和水活化产物进行模拟计算,并根据CATE模拟得到的放射性活度通过点核积分程序分别计算正常运行1.2 a及停堆15 d的剂量率。计算结果表明,反应堆运行期间冷却剂活化产物比活度和剂量率远大于结构材料活化腐蚀产物,而停堆后冷却剂活化产物迅速衰变完,结构材料的活化腐蚀产物成为比活度和剂量率的主要来源。     

压水堆核电厂乏燃料水池γ剂量率变化分析

⁵⁸Co是压水堆核电厂活化腐蚀产物的核心γ源项核素,受p H值和温度变化影响,含⁵⁸Co的活化腐蚀产物溶解度将持续发生变化。福清核电厂在执行某次机组调停小修过程中,一回路冷却剂中的⁵⁸Co活度浓度,随冷却剂温度下降而持续上升;在完成某次换料大修卸料工作后,乏燃料水池水温上升,池内⁵⁸Co活度浓度也随之升高,导致乏池表面最高γ剂量率达到了设计值的10倍左右。通过分析两个案例中,⁵⁸Co活度浓度、γ剂量率水平和温度变化趋势,对比工艺系统的运行记录,可以确认:两次⁵⁸Co活度浓度的升高,均与溶液温度密切相关。分析结果表明,在酸性环境下,含⁵⁸Co的活化腐蚀产物,其溶解度在一定温度范围内具有正温度系数,溶解度将随温度上升而增大;达到最大值后,溶解度表现出负温度系数,溶解度随温度上升而减小。根据该结论,通过启动乏燃料水池备用冷却回路,降低乏池温度,成功减小了池内的⁵⁸Co活度浓度,乏池表面γ剂量率迅速恢复至正常水平,避免了...     

水冷聚变堆活化腐蚀产物源项分析程序开发

对于采用水冷方式的聚变堆,主要的放射性源项是水冷回路中的活化腐蚀产物,它会对反应堆的屏蔽设计、人员防护以及事故后果产生重要影响。本文为水冷聚变堆开发活化腐蚀产物源项分析程序CATE,该程序基于两项均匀模型构建浓度平衡方程组,全面考虑了活化腐蚀产物在水冷回路中的主要行为,包括腐蚀、释放、溶解、沉积、活化、衰变、净化等,并采用Runge-Kutta方法对浓度平衡方程组进行数值求解。使用CATE程序对国际热核聚变实验堆(ITER)的偏滤器冷却回路进行建模仿真,计算得到了活化腐蚀产物的成分和放射性活度在冷却剂中和管壁上的分布以及随时间的变化规律。与国际上同类程序PACTITER和TRACT相比,CATE程序的计算结果无论是在数值上还是趋势上都是合理的,可为ITER和CFETR(中国聚变工程实验堆)等的技术评审提供源项数据支持,在增加相应数据库后,还可应用于液态金属冷却反应堆的源项分析。     

水辐解对反应堆材料SS316腐蚀速率的影响研究

水作为反应堆的主要冷却剂之一,在经过堆芯的辐照区时会产生辐解,生成具有强氧化性的O_2、H_2O_2等产物,这些产物会对材料的腐蚀速率造成影响,进而影响反应堆的活化腐蚀产物源项。在已有理论和模型的基础上,将水辐照分解计算和材料腐蚀速率计算结合起来,以评估水辐照分解对反应堆材料腐蚀速率的影响。根据反应堆的运行工况,计算出冷却回路中水辐解的主要产物O_2和H_2O_2的产额在0.1～10μmol·L~(-1)之间,结合电化学中的混合电位理论,进一步计算得出SS316材料的电化学腐蚀速率在0.012～0.026 g·m~(-2)·h~(-1)范围内。     

压水堆核电厂源项控制实践与改进

本文分析了福清核电厂1号机组停堆沉积源项调查发现的一回路管道内壁⁵⁸Co和⁶⁰Co表面活度水平、剂量率贡献以及随机组运行时间发生的变化情况,并介绍了压水堆核电厂活化腐蚀产物的形成、沉积及存在形式。通过分析201大修主泵停运对氧化运行效果及蒸汽发生器(SG)下封头辐射水平的影响,结合酸性氧化环境下腐蚀产物溶解度变化的特点,提出改进主泵停运时机以提高氧化运行效果的建议。另外,还分析了阀门密封面维修导致向一回路系统引入含钴金属颗粒对机组源项的影响,建议严格控制阀门维修过程以减少⁵⁹Co进入一回路系统。     

退役反应堆放射性活化源项计算

本文建立了退役反应堆活化源项的计算模型,通过临界计算验证了模型的正确性。介绍了对于距堆芯较远的区域采用分层计算和分步计算的重要意义,通过MCNP和ORIGEN程序相结合,计算了距堆芯较远处的支撑裙、铅支撑筒内侧和外侧钢板样品和一次水箱外筒的预留样品⁶⁰Co比活度,计算值与测量值的偏差满足退役工程设计需求,表明本文所建立的退役反应堆放射性活化源项计算方法和模型是适用的。     

SCAS-蒸汽活化产物源项程序的开发和验证

SCAS是中国核动力研究设计院编制的反应堆二回路蒸汽活化产物源项程序。为了使SCAS程序同时具有计算主回路冷却剂中^16N和^17N源项的功能，特建立了两种不同的几何模型，并以两种不同的方式验证了程序的可靠性。结果表明，SCAS程序不仅能用于计算无堆芯系统二回路工质中^16N,^17N的源项。还能计算含堆芯系统主回路冷却剂中的^16N,^17N的源项。     

一回路注锌对腐蚀产物的影响分析

目前的压水堆中多采用注锌技术来降低一回路腐蚀产物的源项,然而关于注锌对腐蚀产物影响的理论机理以及计算分析研究较为欠缺。基于此,本文从理论机理、程序开发、数值计算分析和实验验证的角度论证分析注锌对一回路腐蚀产物以及源项的影响。理论计算表明：注锌能明显降低基体金属中镍和钴的溶解;随着运行时间的增加,注锌对一回路冷却剂中的⁵⁸Co和⁶⁰Co呈现出抑制作用;注锌实验结果与理论计算分析的比值在0.5～2.0范围内,符合情况良好。本研究能为核电厂合理地采取注锌技术提供理论支撑。     

LOCA源项与放射性后果计算影响因素分析

建立了冷却剂丧失事故（LOCA）源项与剂量分析模型,研究堆芯持续释放时间、喷淋作用、母核衰变对LOCA源项及放射性后果的影响。结果表明：堆芯瞬时释放情况下,释放到环境中的累积活度高于持续释放,尤其是短半衰期核素差异显著,如¹³⁵Xe^m和¹³⁸Xe。事故前期,喷淋对^131~135I影响显著,碘向环境的释放量及剂量随喷淋去除常数的减小而增大。母核衰变对剂量结果影响很小。各种情况下,非居住区边界和规划限制区外边界剂量均满足接受准则的要求。考虑喷淋时效且堆芯释放按照时间无关过程（瞬时释放）来估计事故源项与辐射剂量具有保守性。     

新型熔盐快堆中辐照熔盐靶件生产238Pu的物理分析

以氯化物熔盐为靶基质对新型熔盐快堆中²³⁸Pu的生产进行了分析,使用SCALE6.1（Standardized Computer Analyses for Licensing Evaluation Version 6.1）程序,对比了不同靶基质与靶件半径在²³⁸Pu生产中²³⁷Np的转换率与利用率,分析了反射层的能谱分布、不同位置辐照孔道的²³⁷Np反应截面、靶件插入对堆芯反应性的影响以及生成²³⁶Pu杂质浓度,并计算了²³⁸Pu的纯度及产量随辐照时间的变化。结果表明:NpCl₄纯盐靶基质的²³⁷Np转换率较高,减小靶件半径可提高²³⁷Np利用率;远离堆中心位置的辐照孔道热中子份额较高,且靶件插入对堆芯反应影响较小;辐照孔道内靶件的²³⁶Pu浓度可减小至1×10^-7以下,²³⁸Pu纯度超过98%;当辐照周期为40 d时,     

氟盐冷却高温堆主冷却剂系统16N源项分析

基于SCALE6.1程序包中的三维蒙特卡罗输运程序KENO-Ⅵ对氟盐冷却高温堆（FHR）堆芯中子能谱进行计算,利用Mathematica程序建立了¹⁶N源项在主冷却剂系统内的流动模型,对FHR的主冷却剂系统¹⁶N源项进行定量分析,对不同流速情况下主冷却剂系统不同区域¹⁶N源强分布进行研究。结果表明：当冷却剂体积流量大于4.15×10² cm³•s^-1、小于4.15×10⁶ cm³•s^-1时,流动效应对主冷却剂系统内¹⁶N源项浓度分布影响显著,在FHR的设计基准流量（4.15×10⁴ cm³•s^-1）情况下,堆芯中¹⁶N源项占总¹⁶N源项的76.98%,上腔室为18.89%,其余区域放射性活度占¹⁶N总量的4.13%。所建立分析方法及结论可为FHR的工程设计、辐射防护设计及源项的精确分析等提供参考。     

压水堆核电站一回路~(16)N源项计算模型的优化

~(16)N是压水堆一回路冷却剂中的主要活化产物,也是一回路中的主要辐射源。本文在传统~(16)N源项计算模型的基础上,根据堆芯内冷却剂的流向,考虑堆芯区域以及下降段区域的中子通量差异,将堆芯划分为活化区域以及反射区域,并建立了相应的计算模型,以典型三代压水堆核电站为例进行了计算与验证,计算结果与技术文件吻合良好,偏差在10%以内,验证了模型的正确性。最后分析了一回路典型部位的~(16)N平衡放射性活度浓度,发现在反应堆堆芯出口处最高,随着冷却剂流向逐步减少。研究结果表明,优化的计算模型可更准确计算压水堆核电站冷却剂的~(16)N源项,为分析反应堆一回路的辐射源项提供参考依据。     

正电子湮没寿命测量中干扰信号对谱仪和测量结果的影响

正电子湮没信号的精准采集与关联符合技术是寿命谱灵敏表征材料微观缺陷的基础。测量环境中放射性射线对正电子湮没信号采集的影响,制约着寿命谱方法在复杂辐射背景中应用,特别是在核结构材料中子辐照损伤研究中,中子活化诱发的放射性核素形成的γ射线本底,将影响正电子寿命谱仪的测量结果。为探究γ本底对正电子湮没寿命测量的影响规律,本文基于⁶⁰Co、¹³⁷Cs源设计了辐射背景仿真实验,结果显示：⁶⁰Co源产生的双高能γ射线是影响寿命谱形状及湮没寿命的主要因素;通过对比高、低两种典型活度比(⁶⁰Co/²²Na为3.3和1.9)下的测量结果,并经活化反应堆压力容器钢样品放射性本底真实情况检验,结果发现：在低活度比下,辐射本底导致的偶然符合概率增大,寿命谱峰谷比显著变差;在高活度比下,除偶然符合外,信号错误符合概率急剧增加,谱形明显畸变且寿命值迅速减小。基于本文辐射背景放射源模拟方法及干扰γ的影响规律,可进一步探索正电子湮没寿命测量中γ本底排除的新技术和新方法。     

85 气体射流反冲传输装置的建立

为了对短寿命裂变产物核素进行连续收集，我们在中国原子能科学研究院重水反应堆上建立了一套气体射流反冲传输装置。该装置能将短寿命裂变产物从辐照靶所在的高辐射场区快速而有效地传输到远离靶的低本底区进行测量或进一步分离。该装置的特点是：辐照靶可反复使用，且不需对靶进行处理；传输快，适宜对裂变产物进行在线分离采集。气体射流反冲传输装置的原理基于轰击粒子（或裂变过程）使反应产物原子得到足够的反冲动能而与固体靶实现瞬间物理分离.     

某辐照厂废放射源治理

某辐照厂于2012年开展了对于⁶⁰Co废放射源的治理工作,主要包括源项调查、回取前准备、废源回取、回取后检查、废源装入铅罐及废源送贮等。经核查,共有⁶⁰Co废源166 枚,总活度6.39×10¹⁴ Bq,分别装入3个铅罐中,并完成废源送贮。     

蒸汽冷凝回流模型

蒸汽冷凝回流冷却是压水反应堆发生失水事故时的一个重要堆芯冷却模式，是当前核反应堆热工水力学研究的一个热点。反应堆主冷却剂系统出现中小破口时，堆芯内的热量主要由三种方式导出：蒸汽发生器(SG)的二次侧；破口流量热释放(早期)；应急堆芯冷却系统的再循环(中后期)。但是，如果反应堆冷却剂系统的破口尺寸大到一定的程度时，应急堆芯冷却系统注入的冷却剂不能使燃料元件完全淹没，堆芯上部裸露的燃料元件的温度就会升高甚至损坏。对于裸露的燃料元件来说，除了向上自然流动的少量蒸汽能够带走热量以外，堆芯燃料元件还有一种重要的冷却方式，即冷凝回流成为一种有效的热导出方法。蒸汽在流动过程中夹带有液体，当蒸汽通过狭窄流通或者受到冷却时，如流经堆芯上支撑板和蒸汽发生器入口时，就会发生蒸汽的冷凝回流。这些冷凝回流的冷却剂重新流回堆芯，会大大降低裸露燃料元件的温度，可使它们不会受到损坏。当蒸汽的流速大到一定程度时，就台发生回流极限(counter-current flow limitation，以下简称CCFL)。     

热中子诱发239Pu裂变的85Krm、87Kr和88Kr产额测量研究

中子诱发²³⁹Pu裂变的⁸⁵Kr^m、⁸⁷Kr和⁸⁸Kr的产额是重要的核参数,目前国外实验数据较少而国内尚未见实验报道。基于西安脉冲堆跑兔系统辐照Pu靶开展了热中子诱发²³⁹Pu裂变的⁸⁵Kr^m、⁸⁷Kr和⁸⁸Kr的产额测量研究。纯化后的钚溶液通过滴定后阴干的方式制靶,靶辐照后结合γ无损分析和气-固分离制源测量等方式测量裂变产物。采用有机玻璃扁平面源等效石英管源、不锈钢大面源等效气体源,并结合蒙特卡罗模拟实现了3类实验样品的γ能峰探测效率曲线的等效法刻度。以相同方式制备的²³⁵U靶开展气-固分离制源实验验证了钚靶中⁸⁵Kr^m、⁸⁷Kr和⁸⁸Kr气体释放率的一致性。根据实测目标产物与⁹⁹Mo的相对产额,以ENDF/BⅧ.0评价数据库中^...