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次临界乏燃烧焚烧堆中子学设计研究

王明煌  
【摘要】:核资源短缺、乏燃料处理、安全问题和防核扩散问题是影响核能发展的重要问题,因此也是目前核能研究的重点,与其他反应堆堆型相比较,次临界堆在安全、乏燃料处理等方面具有特有的优势。 本文在充分调研和分析现有次临界堆目前研究现状的基础上,开展了集核废料嬗变、核燃料增殖和能量生产多种功能于一体的次临界乏燃料焚烧堆的中子学设计研究,并结合理论分析方法针对聚变驱动次临界堆和加速器驱动次临界堆开展了比较研究。次临界乏燃料焚烧堆以压水堆等产生的乏燃料作为燃料,基于相对要求简单的乏燃料分离技术,采用相对较易实现的技术参数,尽量考虑现实可行性的要求。本文主要开展的研究工作具体包括: 1)两类次临界乏燃料焚烧堆(聚变驱动乏燃料焚烧堆和加速器驱动乏燃料焚烧堆)的堆芯中子源分析和包层设计与优化,其中以包层设计优化为重点开展了燃料成分优化、结构优化、贫铀层优化和运行模式优化,并在优化方案的基础开展了燃耗分析、活化特性分析和材料辐照损伤的分析工作; 2)采用理论分析的方法比较了聚变驱动次临界堆和加速器驱动次临界堆在能量平衡、安全特性方面的不同并针对各自特有的安全问题开展了讨论,同时基于设计的聚变/加速器驱动乏燃料焚烧堆开展了中子学性能比较工作。 研究表明,在满足一系列安全限值和工程参数限值的条件下,所设计的聚变驱动乏燃料焚烧堆10年连续不换料运行,能够维持10.2GW热功率运行,氚增殖率为2.36,核裂变燃料增殖支持比为2.12,年产氚能力865g,核废料嬗变支持比为3.76,寿期内次锕系核素嬗变份额为19.3%,寿期末燃耗深度为83.8GW.d/t,所设计的加速器驱动乏燃料焚烧堆10年连续不换料运行,能够维持432MW热功率运行,核燃料增殖支持比为0.19,寿期内次锕系核素嬗变份额为30.7%,核废料嬗变支持比为0.16,寿期末燃耗深度为91.1GW.d/t。聚变驱动次临界堆比加速器驱动次临界堆具有更好的能量平衡能力,但是后者在安全设计潜力方面更有优势。两类次临界乏燃料焚烧堆比较,两者在中子能谱、重要锕系核素俘获/裂变截面比、重要锕系核素有效半衰期方面具有相似的性能,但是加速器驱动乏燃料焚烧堆在生物危害因子,中子平衡和源中子效率、增殖特性、未来扩张能力和次锕系核素损失率方面具有较大的优势。


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