聚变-裂变混合堆系统在能源战略中的地位及其设计中若干问题的分析

简要描述聚变-裂变混合堆在长期能源发展战略中的地位,着重计算分析具有不同类型的聚变堆芯和包层的混合堆生产电能和可裂变核燃料的能力,研究不同类型聚变-裂变混合堆与其支持的卫星堆(如压水堆)组合燃料循环系统生产电能的能力.指出以天然铀或贫化铀为燃料,水冷却的包层设计是一种经济可行、技术风险较小的设计方案.     

Z箍缩聚变裂变混合堆包层中子学分析

作为一种有竞争力的能源系统,Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)正在开展概念研究,包层研究正是其中重要的一部分。建立了Z-FFR包层设计模型,分析了包层影响因素、中子平衡、通量与功率密度、燃耗等方面,表明该包层设计在50年内能量放大因子、氚增殖比和燃料增殖比的平均值分别为14.91,1.294和5.140,满足设计要求。针对聚变源的脉冲特性进行了包层的瞬态中子学分析,发现燃料区中子脉冲可分为聚变中子、瞬发裂变中子和缓发裂变中子脉冲三个部分,绝大部分热量约在0.01s内沉积。结果较完整地给出了Z-FFR包层的中子学参数,为概念研究提供了基础。     

ITER驱动混合堆次临界包层燃料区结构设计与分析

基于国际热核聚变实验反应堆磁约束聚变-裂变混合能源系统次临界包层的物理-热工设计结果,提出了聚变-裂变混合堆次临界包层燃料区结构设计方案,包括纵骨支撑结构、燃料区结构和锆包壳结构。运用Pro/e建模软件建立了次临界包层燃料区结构模型,并利用ANSYS-workbench mechanical有限元分析软件对纵骨式支撑结构开展了初步力学分析,得到了燃料部件和纵骨式多层支撑结构的最大Tresca应力值、应力分布云图和总变形量,其中最大应力为87.04 MPa,最大变形量为0.17mm。按照第3强度理论校核,计算结果表明纵骨式次临界包层结构各部件能够满足强度要求。     

惯性约束聚变－裂变混合堆及其包层中子学设计

对惯性约束混合堆的功率循环,氚钚生产的燃料循环和混合堆作为聚变能源的前期应用的可能性作了简要的介绍。对快裂包层和抑制裂变包层作了初步的中子学研究设计,指出了其优缺点和应用的前景。     

次临界能源堆物理设计进展

聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和次临界能源堆,主要目标是生产电能。回顾了国内外混合堆的发展历史,给出混合能源堆设计的边界条件和约束条件,说明次临界能源堆以铀锆合金为燃料、水为冷却剂的设计思想。利用输运燃耗耦合程序MCORGS计算了混合能源的燃耗,给出了中子有效增殖因数、能量放大倍数和氚增殖比等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。论述了混合堆的热工设计并进行了安全分析。对于燃耗数值模拟程序,通过多家对算,保证其计算结果的可信性。针对次临界能源堆的特点,利用贫铀球壳建立了贫铀聚乙烯装置和贫铀LiH装置,并且专门设计加工了天然铀装置,开展铀裂变率、造钚率、产氚率等中子学积分实验,验证了数值模拟的可靠性。     

聚变裂变混合堆处理高放超铀废物的研究

提出一个燃烧高放超铀废物的思路,即在外部聚变中子源驱动下,把燃烧超铀锕系元素和钍铀燃料循环相结合.并且设计相应的一维模型,使用开发的燃耗计算程序ONESN_BURN和新制作的数据库对模型进行计算和分析.通过计算,得到锕系元素的放射性,生物潜在危害因子,高放超铀锕系废物的密度和非常深的燃耗深度等.比较聚变裂变混合堆与传统的热堆,发现中子能谱越硬,对燃烧超铀锕系元素越有效.     

聚变-裂变混合堆──中国发展增殖堆的道路

核能是21世纪的替代能源,远期靠聚变能,前期靠裂变能.地球上天然铀储量不多,必须充分利用丰产核238U和232Th.裂变增殖堆(快堆)和聚变增殖堆(聚变-裂变混合堆)是利用238U和232Th的两条主要途径. 聚变-裂变混合堆概念早在五十年代初就已提出[1].1960年,英国J.W.Weale的DT中子在天然铀铀柱中的宏观实验[2],为混合堆奠定了实验基础.六十年代开展了大量混合堆包层中子学理论和实验研究.1965年美国L.N.Loutai第一个提出融盐增殖包层的概念设计[3].1969年美国 L.M.Lidsky第一个提出“混合堆-裂变堆共生系统”概念[4].1972年美国J.D.Lee第一…     

紧凑型聚变裂变混合堆参数优化及放电模拟

在聚变裂变混合堆大、小半径分别不变情况下,通过优化聚变裂变混合堆中心螺管尺寸,用聚变系统分析程序对紧凑型聚变裂变混合堆的参数进行了优化分析,给出了紧凑型聚变裂变混合堆的最佳设计点。利用TSC平衡演化程序以该设计点为基础进行了放电模拟研究,结果表明该堆具有良好的经济优势及可行性。     

Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。     

以锕系元素为燃料的先进型次临界增殖反应堆研究

以锕系元素为燃料的次临界增殖反应堆，在Ｄ－Ｔ聚变中子源驱动下，可以更有效地利用有限的铀资源；反应堆ｄｅｆｆ〈１，且功率密度较低，有较好的安全性，反应堆对Ｄ－Ｔ中子源要求低。５０ＭＷｔ￣１００ＭＷｔ的聚变功率即可满足１ＧＷｅ反应堆要求，包层可生产足够的氚供堆芯降聚使用，此外每年还可以增殖１０００ｋｇ左右可裂变元素供裂变堆使用，支持同等功率３￣４个裂变堆，反应堆每年燃料３￣４个裂变堆产生的锕系元素。     

HTR-PM中燃耗测量方法研究和测量系统原型研制

作为球床模块式反应堆中燃料元件循环的重要组成部分,燃耗测量系统必须对连续排出堆芯的燃料球进行非破坏性在线测量,以确定是作为乏燃料球退出循环,还是将其返回堆芯。137Cs的活度和燃耗值存在很好的单调对应关系,因此在高温气冷堆(HTR-PM)核电站示范工程中将利用高纯锗探测器测量燃料球中137Cs的活度,进而根据燃耗计算曲线确定其燃耗值。通过实验以及基于Geant4的蒙特卡罗全模拟,利用效率传递方法准确得到了系统刻度的修正因子。同时发展了快速自动的谱寻峰和峰面积分析程序用于双源实验和MCNP模拟的γ谱分析,结果表明,尽管有干扰峰的影响,该系统预计对137Cs的活度测量相对不确定度依然可以控制在3.0%以内。在以上工作基础上成功研制并测试了一套全尺寸的燃耗测量系统原型。     

Activation Characteristics of Fuel Breeding Blanket Module in Fusion Driven Subcritical System

Shortage of energy resources and production of long-lived radioactivity wastes from fission reactors are among the main problems which will be faced in the world in the near future. The conceptual design of a fusion driven subcritical system (FDS) is underway in Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences. There are alternative designs for multi-functional blanket modules of the FDS, such as fuel breeding blanket module (FBB) to produce fuels for fission reactors, tritium breeding blanket module to produce the fuel, i.e. tritium, for fusion reactor and waste transmutation blanket module to try to permanently dispose of long-lived radioactivity wastes from fission reactors, etc. Activation of the fuel breeding blanket of the fusion driven subcritical system (FDSFBB) by D-T fusion neutrons from the plasma and fission neutrons from the hybrid blanket are calculated and analysed under the neutron wall loading 0.5 MW/m2 and neutron fluence 15 MW.yr/m2. The neutron spectrum is calculated with the worldwide-used transport code MCNP/4C and activation calculations are carried out with the well known European inventory code FISPACT/99 with the latest released IAEA Fusion Evaluated Nuclear Data Library FENDL-2.0 and the ENDF/B-V uranium evaluated data. Induced radioactivities, dose rates and afterheats, etc, for different components of the FDS-FBB are compared and analysed.     

Fuel breeding in a hybrid muon catalyzed fusion reactor

We discuss the processes of nuclear fuel burnup and plutonium breeding in the uranium blanket of a hybrid mesocatalytic reactor. The time dependence of the nuclear fuel isotopic concentrations was calculated by the BURNFL code. Using a three-dimensional Monte Carlo MORSE-H code the plutonium and tritium breeding coefficients, the fission rates of uranium and plutonium and a specific power distribution in the blanket were computed. The total fusion energy multiplication factor was obtained as a function of the fuel residence time using results of a detailed calculation of the mesocatalytic channel and estimations of the electronuclear channel.     

超高燃耗常规快堆堆芯物理概念设计

为了比较常规快堆与行波堆的堆芯特性,以最大卸料燃耗300 000 MWd/tHM为目标,设计了高燃耗快堆 (HBFR),给出了堆芯的物理学设计方案。采用六批换料方式补偿燃耗反应性损失。选择NAS程序计算了冷停堆状态、热停堆状态和满功率状态三种不同堆芯状态,分析了临界参数、功率分布、DPA特性、温度和功率反应性特性、控制棒价值等堆芯参数。设计结果表明,HBFR的燃料组件最大卸料燃耗接近300 000 MWd/tHM,平均卸料燃耗219 000 MWd/tHM,单循环燃耗反应性损失3.7%(k是有效增殖因子,k是有效增殖因子的变化量),可以通过补偿棒实现反应性控制,HBFR的各参数满足设计目标与设计限值,可以为下一步与行波堆的比较研究提供参考堆芯。     

美国激光惯性约束聚变能源研究综述

简要地介绍了美国激光惯性约束聚变能源( LIFE ) 的研究现状与发展前景。基于美国国家点火装置( NIF ) 的近期进展,美国利弗莫尔实验室提出了激光惯性约束聚变能源设想,并开始了分解研究。设想用新型二极管泵浦固体激光器产生1.4~2.0 MJ 的激光能量,靶丸聚变增益25~30,打靶频率10~15Hz,实现350~500 MW聚变功率,相当于聚变中子源强1.3×1020 ~1.8×1020 n/s。以此驱动次临界裂变包层,使能量再倍增4~10 倍,实现1 GW电功率的输出。采用创新设计的燃料元件,包层可达到90%以上的燃耗深度,形成一个安全、无碳、燃料资源丰富、核废料少、可持续发展的新型核能源系统。In this paper the present study situation and prospect of the American laser-based Inertial Confinement Fusion Energy ( LIFE ) are briefly introduced. It is based on recent progress of National Inertial Facility ( NIF ) and related research have begun. On the assumption of using laser energy of 1.4 to 2.0 MJ, the target fusion gain G=25~30, the repetition rate 10 to 15 Hz, the fusion power of 350 to 500 MW or neutron source power of 1.3×1020 to 1.8×1020 n/s could be achieved. For a sub-critical fission blanket driven by this fusion neutrons power, energy multiplication M of 4~10 and several GW of thermal power could be obtained. By novel design on fuel pins, burnup more than 90% would be achieved for heavy metals in the blanket. Inertial Confinement Fusion-fission energy is a promising concept, which characterized by inherent safety, richness in nuclear fuel resources, minimization of nuclear waste, non-CO2 emitting ,and it is a sustainable energy source.     

不同类型核燃料对热管冷却反应堆燃耗性能的影响

热管冷却反应堆采用固态反应堆设计理念,具有功率密度高、结构紧凑、固有安全性高等特点,在深空探索、深海勘探、偏远地区等场景中具有广阔的应用前景。核燃料作为热管冷却反应堆的重要组成部分,不同类型核燃料在堆芯燃耗分析时会呈现不同的中子学性能。基于美国爱达荷国家实验室(INL)提出的热管冷却反应堆INL Design A,利用清华大学蒙特卡罗中子输运程序RMC (Reactor Monte Carlo code)建立堆芯物理模型,选取UO₂,(U_0.9Pu_0.1)O₂,U-10Zr,U-8Pu-10Zr,UN,UC这6种核燃料开展燃耗计算,分析了不同核燃料、不同功率水平对热管冷却反应堆堆芯燃耗性能的影响。计算结果表明:在堆芯燃耗深度相同情况下(20.8 GW·d·t?1),装载U-8Pu-10Zr燃料的堆芯所需235U富集度最低(9.8%),具有较好的U-Pu增殖性能。堆芯功率处于5 MW的热管冷却反应堆,燃料中241Pu的存在不仅没起到增大堆芯燃耗深度的作用,反而导致堆芯剩余反应性和堆芯寿期末次锕系核素(MAs)的产量增大,影响反应堆的安全性与经济性。因此,对于装载含有Pu燃料的小功率长寿期热管冷却反应堆,需重点关注241Pu对堆芯燃耗性能的影响。     

加速器驱动快/热耦合次临界系统的概念设计

对加速器驱动快／热耦合次临界系统进行了概念设计研究。在该系统中,内区的快包层和外区的热包层是相互独立的,快、热包层之间为空腔和B4C包层以实现单向耦合。快包层装以合金（MA＋Pu）Zr为燃料,热包层初始循环装以氧化物（Th＋Pu）O₂为燃料,平衡循环装以（Th＋^233 U＋Pu）O2为燃料。^99Tc,^129I和^135Cs分别以单质、NaI和CsCl的形式装入热包层。该系统具有较高的能量放大倍数、嬗变效率和燃料转换比:系统能量放大系数不低于320;锕系元素（MA）和裂变产物（FP）的嬗变支持比分别为1个和2个压水堆;热包层的燃料转换比为0．715。 Accelerator driven coupled fast/thermal subcritical system is conceptually designed. In the system, the inner/fast blanket and the outer/thermal blanket are separated each other by large vacuum and B4C coating for on edirection coupling. The metal type fuel （MA ＋ Pu）Zr is loaded into the fast blanket. The oxide type fuels （Th ＋ Pu） O2 and （Th ＋ ^233U ＋ Pu）O2 are loaded into the thermal blanket during the initial cycle and the equilibrium cycle, respectively. ^99Tc, ^129I and ^135Cs are loaded respectively in the form of pure technetium metal, sodium iodide and cesium chlorine into the thermal blanket. The system has good transmutation efficiency, high energy amplification factor and good fuel conversion ability: the energy amplification factor is above 320; the transmutation support ratios of MA and FP are about 1.0 and 2.0 PWRs respectively; the fuel conversion ratio in the thermal blanket is about 0. 715.