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钍基次临界氯盐堆概念设计

杨璞  
【摘要】:熔盐堆作为第四代先进核反应堆的六种候选堆型之一,具有燃料形式简单灵活,中子经济性较好等优点,在实现钍资源高效利用方面有着巨大的潜力和优势。钍基熔盐堆的研究起始于上世纪50年代,但由于燃料盐在线处理技术要求过高,石墨寿命限制、缺少研发经费等问题,钍基熔盐堆的研发进入低潮期。2010年以后,对钍基熔盐堆的兴趣开始复苏,2011年,中国科学院启动了钍基熔盐堆专项先导项目(TMSR),TMSR提出了一条三步发展路线,最终在熔盐堆上实现钍铀循环。此外,许多私人公司也开始加入钍基熔盐堆的研发行列,如泰拉能源公司、ThorCon USA公司等。钍基熔盐堆经过将近70年的发展,目前其设计理念也出现了很大的变化,比如:不再追求高增殖能力以避免复杂的燃料在线后处理流程;尽量采用简化的堆芯设计,降低系统复杂度,避免新技术的研发,加快商业部署。在上述设计理念下,本文基于次临界氯盐快堆的物理方案,提出了钍基熔盐能量放大器(Thorium-based Molten Salt Fast Energy Amplifier,TMSFEA)的概念设计,TMSFEA采用简单的堆芯设计,堆芯中的熔盐即作为燃料也作为散裂靶,通过引入加速器提供的外中子源来补偿燃耗过程中裂变产物对中子的吸收,从而简化了燃料处理流程。基于较低的加速器束流功率需求和无需任何燃料在线处理的条件下,研究了在TMSFEA上高效钍利用的可行性。鉴于TMSFEA属于次临界堆,其堆内的中子通量密度分布与临界堆有着很大的不同,一般的燃耗计算程序无法直接用于其燃料循环方案的计算分析,因此,本文首先在现有的燃耗计算程序的基础上进行了二次开发,发展出了专门用于次临界装置燃耗计算的程序MOADS,可以用于计算次临界堆的有效增殖因数、燃耗区核素质量、外源中子效率以及外中子源强度等随燃耗的演化。MOADS的准确性已在IAEA公布的IAEA-ADS基准题模型中得到验证。TMSFEA利用加速器产生的高能质子与散裂靶发生散裂反应,产生外源中子来驱动整个次临界熔盐堆,维持链式裂变反应,并持续不断地产生能量。因此,对散裂反应的模拟以及散裂靶中子学性能分析是TMSFEA设计的基础。散裂反应包括靶核的激发过程和靶核的去激发过程,激发过程可以用核内级联模型来描述,去激发过程则可通过蒸发和裂变模型来描述。本文采用核内级联模型Bertini和蒸发模型Dresner对高能质子轰击液态铅、LBE、氯盐以及氟盐靶产生的散裂中子产额、散裂中子能谱以及能量沉积分布进行了计算,并采用核内级联模型INCL4和蒸发模型ABLA模型对上述散裂反应过程产生的散裂产物进行分析,结果表明,液态铅和LBE靶的中子产额最大,氯盐靶中子产额适中,氟盐靶的中子产额最小。相比于液态铅和LEB靶,高能质子在熔盐靶内的能量沉积分布的梯度较小,有助于热量导出。此外,采用熔盐靶无需特殊的结构材料将靶与次临界堆芯分开,有助于简化整个堆芯的结构,降低系统复杂性。TMSFEA采用单流、无慢化体的简单堆芯设计,选择具有钚-钍溶解度高,熔点合适以及散裂中子产额较高的三元氯盐NaCl-PuCl_3-ThCl_4作为散裂靶和燃料盐。首先通过研究质子能量和入射位置同系统能量增益的关系,发现当质子入射位置在中心偏上位置时,系统的能量增益达到最大;此外,1000 MeV是更合理、更经济的入射质子能量;其次,通过对不同材料反射层的对比分析,发现液体铅反射层对堆芯中子能谱的软化作用较小,有助于获得较大的转换比;之后又通过对不同堆芯尺寸和熔盐配比的遍历搜索最终得到TMSFEA的详细堆芯设计参数;最后,在初始束流强度小于最大束流强度4 mA的限定条件下,选定TMSFEA的系统总功率为300 MW_(th)。在上述设计方案下,TMSFEA的初始转换比(CR)可以达到1.19,初始能量增益达到117。TMSFEA的寿期可以达到39年。到燃耗寿期结束时,有57%的钚和16%的钍被消耗,~(233)U的裂变份额可以达到70.9%,表明了TMSFEA在无需燃料在线处理的条件下,能够高效利用钍资源。最后,为了实现核能系统的可持续发展目标,即核燃料利用率的最大化和核废料的最小化,本文结合多循环演化的概念,研究了基于离线燃料后处理的方案下的TMSFEA从初循环到第四循环的燃耗演化、中子物理性能及乏燃料特性等。研究结果表明,多循环演化过程中,系统的初始CR和钚的裂变率份额逐循环下降,与此相反,~(233)U的裂变率份额逐循环上升,从第一循环TMSFEA启堆时的0%增长到第四循环结束时的90.4%。堆内的钚装量单调下降,到第四循环运行结束,堆内~(238)Pu、~(239)Pu、~(240)Pu、~(241)Pu和~(242)Pu的质量和第一循环的初装堆相比,分别下降了6.17%、90.43%、41.48%、91.04%和29.22%。第一循环、第二循环以及第三循环运行过程中的~(233)U再生比始终大于1,第四循环则是在大部分运行时间内都大与1。因此,初循环到第四循环都实现了钍-铀增殖,经过共四个循环的演化,TMSFEA的~(233)U总净累积产量为2832.7 kg。钍的利用效率基本随燃耗线性增长,四个循环寿期末的Th利用率分别可达11.38%、18.53%、23.42%和26.49%,钍的能量贡献从初循环寿期初的0%增加到第四循环寿期末的66.9%,而第四循环的乏燃料放射性毒性比初循环堆降低了63.7%。因此,多循环演化的燃料循环方案可以明显提高TMSFEA对钍的利用效率,降低核废料的放射性毒性水平。


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