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《中国工程物理研究院》 2010年
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聚变裂变混合能源堆包层中子学概念研究

师学明  
【摘要】: 提高铀资源的利用率、大幅提高核能在能源供应中的比例是核能可持续发展中面临的重大挑战。聚变裂变混合堆是解决这一问题的途径之一。传统的混合堆可分为增殖堆与嬗变堆两类。增殖堆面临核不扩散或对聚变功率要求高的制约;而嬗变堆则面临易裂变材料装量巨大的困难。开展以能源供应为主要目的并能克服上述困难的聚变裂变混合能源堆(简称能源堆)概念研究具有重要意义。 本文参考国际热核聚变试验堆(ITER)的聚变堆芯参数,开展了能源堆包层中子学研究,提出了一种新的、有发展前景的包层设计概念。该包层采用天然铀(或压水堆乏燃料)的锆合金为裂变燃料、轻水作冷却剂、Li4SiO4为氚增殖剂,后处理以干法为主且不用分离铀和钚。这种设计可以实现较高的包层能量放大倍数(M),降低对聚变功率和聚变增益(Q)的要求;有利于扩大能源规模,提高经济性和防核扩散能力。 针对能源堆包层几何结构和能谱都非常复杂、包层成分随燃耗变化的特点,开发了MCNP与ORIGENS相耦合的计算程序MCORGS。它能计算核素含量、放射性、停堆余热等随时间的变化;还能进行指定时刻的中子平衡分析。MCORGS利用MCNP计算出重要核素的转换截面,提供给ORIGENS进行燃耗计算;参加输运计算的核素与需要更新的转换截面由宏观总截面大小动态决定。利用MCORGS计算了多个压水堆基准题和ADS(加速器驱动的次临界系统)基准题,验证了程序的可靠性。 利用MCORGS开展了能源堆包层中子学概念研究。首先采用中子平衡分析的方法给出了一个以天然铀为燃料的全覆盖概念模型。利用概念模型研究了铀水体积比和燃料区厚度对中子学性能的影响;模拟了干法结合简单湿法对燃料进行后处理、将处理后的乏燃料添加适量贫化铀来实现铀资源利用的可能性;研究了放射性和停堆余热随时间的变化特性。考虑了包层覆盖率并采用燃料和冷却剂打混的方式给出了一个均匀化模型;研究了均匀化模型径向和周向核素成分随时间的变化。简要研究了以乏燃料为燃料时铀水比的影响并初步探讨了能源堆中利用钍的可能性。最后简单比较了驱动源对包层中子学的影响。 定态计算表明铀水比对易裂变燃料产生率(F)和消耗率(B),包层能量放大倍数(M),氚增殖比(TBR)有显著影响。铀水比增大,F/B增大,但M和F+B+TBR减小;铀水比减小F/B减小,但M和F+B+TBR也增大。F与TBR之间是竞争关系,要保证氚自持,需要权衡铀水比、燃料区厚度等因素;而寿期初的F/B值则决定了M和TBR的变化趋势。 初步研究显示:能源堆若以天然铀启动,铀水比取2:1为宜,寿期初M=5-10,TBR1.15, F/B=2.72,系统可维持100年以上;减小铀水比会使M增大,但寿期初无法实现氚自持。如果以乏燃料启动,铀水比的选择余地更大。铀水比取2:1,M-16,TBR1.32,F/B=1.7,系统可维持100年以上;铀水比取1:1,M29,TBR1.15,F/B=1.02,系统可维持5年;铀水比取2:3, M50, F/B=0.75, TBR1.31,系统也可维持5年,但易裂变燃料是消耗的。能源堆换料周期可选5年,每次添加5吨贫化铀或钍,实现铀或钍资源的充分利用。也可将能源堆卸出的乏燃料与等量贫化铀掺混,掺混的燃料性能和天然铀相当,有利于扩大能源规模。停堆时刻能源堆的总放射性与停堆余热与同功率压水堆相当,对余热排出系统的设计不会增加困难,但须对燃料复用过程中乏燃料的储存和制造的面临放射性的问题加以特别关注。
【学位授予单位】:中国工程物理研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TL613

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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【二级引证文献】
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【二级参考文献】
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