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。     

基于线性核素链的燃耗算法与蒙特卡罗程序耦合计算

根据线性核素链原理和反应堆燃耗的特点,建立相应核数据库并采用回溯算法生成自适应核素链,完成核素的遍历和计算,形成多群点燃耗计算程序,能够独立进行燃耗计算并具有完整的输出结果形式。同时将所开发的燃耗计算程序与蒙特卡罗程序进行耦合,完成接口模块的设计,形成可用于研究堆和核电站的燃耗-输运耦合计算工具。将所开发的输运-耦合计算程序应用于中国实验快堆首炉堆芯燃耗的计算,将计算结果与现有设计数据进行比较。经过初步分析表明:新的燃耗计算程序能够精确计算锕系核素含量,包括易裂变核素和生成量很小的次锕系核素。对某些锕系核素如Pu241的计算结果还存在较大偏差,这需要对计算结果进一步分析,来确认偏差是来自计算过程还是相关的截面数据。整个燃耗-输运耦合计算系统对裂变产物的处理和反应性变化的计算也与现有的设计数据符合良好。     

径向和轴向倒料行波堆概念设计研究

给出了径向和轴向倒料行波堆堆芯的详细设计,通过燃耗计算软件MCORE对两种堆芯进行了分析计算。对于轴向行波堆,得到了稳定的核子密度分布和功率分布,并模拟出增殖-燃耗波。稳态时,kef f为1.065,波速约为5.0 cm/a,燃耗深度达到400.0 MWD/kg-HM。对于径向倒料行波堆,采用由外向内的倒料方案,经过一定倒料周期后功率分布趋于稳定。研究发现,渐进稳态kef f随倒料周期的增加呈抛物线变化,燃耗深度随倒料周期的增加线性增大。以最低功率峰为依据,确定倒料周期450 d为最佳倒料周期。此时,渐进稳态kef f为1.020,平均燃耗达到156.0 MWD/kg-HM。     

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。     

铅冷快堆M2LFR-1000堆芯燃料管理方案设计

堆芯燃料管理是反应堆设计中极为重要而且复杂的工作,直接影响着堆芯的经济性。目前国内外对于压水堆等传统热堆已有了较为丰富和成熟的燃料管理计算方法,但对于快堆,由于其中子能谱硬,与传统热堆相比有着不同的控制方式和功率分布,快堆的堆芯燃料管理缺乏系统研究。针对中国科学技术大学自主研发的强迫循环冷却的铅基快堆M2LFR-1000,应用SRAC/COREBN软件包进行堆芯燃耗计算,根据燃耗深度提取核素核子密度,计算伪平衡循环参数进行燃料管理预估,然后进行首循环装料、过渡循环和平衡循环燃料管理方案设计。结果表明:对M2LFR-1000堆芯外区燃料换料组件Pu的富集度进行优化,可以延长换料周期到540 d,提高平均卸料燃耗深度;伪平衡循环结果与平衡循环基本一致,伪平衡循环可以用于燃料管理预估。     

不同燃耗计算模型对商用压水堆乏燃料组件核素成分的影响分析

燃耗计算精度对提高乏燃料贮存效率有着重要影响,在应用燃耗信用制时,燃耗计算得到的核素成分偏差决定了乏燃料贮存的临界安全裕量。不同燃耗计算模型所得到的核素成分偏差各不相同,为提高燃耗计算精度,提出了一种装载不同燃料富集度的多组件燃耗计算模型,并使用不同燃耗计算模型分别对TMI-1反应堆NJ07OG组件中的6个样本进行了计算、对比和分析。结果表明,相比其他模型,考虑不同燃料富集度的多组件模型得到的²³⁵U、²³⁸U和²³⁹Pu等核素平均相对偏差更接近于零且6个样本的相对偏差分布更为平均。     

基于RMC的微观截面参数化北大核心CSCD

为了进行堆芯计算,需要通过组件计算提前构建少群截面参数库。传统确定论的组件截面参数化方法针对宏观截面进行截面参数化,但这种方式不仅需要考虑多种物理状态参数,而且需要考虑历史效应对截面的影响。提出了基于核素微观截面的蒙卡程序参数化方法,该方法可以消除燃耗历史的影响,且考虑的物理状态仅为燃耗深度以及材料温度。利用蒙卡程序产生组件截面参数库耦合堆芯程序进行堆芯计算,首先用蒙卡程序同时统计对应状态点下的核素密度以及核素少群微观截面,再利用核素微观截面进而获得宏观截面进行后续堆芯计算。为了验证方法正确性,构造了一个自定义的压水堆模型,计算结果与连续能量蒙卡计算结果符合良好。     

两种大规模燃耗链求解算法对比分析

为严格追踪裂变反应堆中核素成分随燃耗的变化，基于燃耗矩阵法求解燃耗方程，分别采用自主编写的Chebyshev有理近似方法(CRAM)程序和广泛应用的ORIGEN2程序进行大规模燃耗链的点燃耗计算，并对两种算法的相关参数进行对比分析。结果表明:在计算精度方面，CRAM与ORIGEN2程序获得的重要核素的核密度较为一致，个别核素相对误差较大；在计算效率方面，单步燃耗计算ORIGEN2略胜一筹，但CRAM耗时也非常短；在步长稳定性方面，CRAM具有显著优势，而ORIGEN2的统计结果受步长变化的影响较大。     

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.     

同一燃耗区域核燃料包壳破损建模分析

核反应堆燃料包壳是构成反应堆安全的重要屏障, 一旦发生破损,放射性裂变产物就会释放到一回路的冷却剂中。本文通过一回路134Cs/137Cs比值确定破损燃料棒所在燃耗区域,对该燃耗区域裂变产物的产生、裂变产物进入芯块间隙、一回路核素平衡分别进行建模,然后,利用建立的数学模型对破口处裂变产物向一回路释放过程进行分析,得出破口的大小和破损根数及所在燃耗区域,并以压水堆核电站燃料包壳破损的数据进行验证,证实了模型的合理性。     

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.     

Fuel cycle for a fusion neutron source

The concept of a tokamak-based stationary fusion neutron source (FNS) for scientific research (neutron diffraction, etc.), tests of structural materials for future fusion reactors, nuclear waste transmutation, fission reactor fuel production, and control of subcritical nuclear systems (fusion–fission hybrid reactor) is being developed in Russia. The fuel cycle system is one of the most important systems of FNS that provides circulation and reprocessing of the deuterium–tritium fuel mixture in all fusion reactor systems: the vacuum chamber, neutral injection system, cryogenic pumps, tritium purification system, separation system, storage system, and tritium-breeding blanket. The existing technologies need to be significantly upgraded since the engineering solutions adopted in the ITER project can be only partially used in the FNS (considering the capacity factor higher than 0.3, tritium flow up to 200 m³Pa/s, and temperature of reactor elements up to 650°C). The deuterium–tritium fuel cycle of the stationary FNS is considered. The TC-FNS computer code developed for estimating the tritium distribution in the systems of FNS is described. The code calculates tritium flows and inventory in tokamak systems (vacuum chamber, cryogenic pumps, neutral injection system, fuel mixture purification system, isotope separation system, tritium storage system) and takes into account tritium loss in the fuel cycle due to thermonuclear burnup and β decay. For the two facility versions considered, FNS-ST and DEMO-FNS, the amount of fuel mixture needed for uninterrupted operation of all fuel cycle systems is 0.9 and 1.4 kg, consequently, and the tritium consumption is 0.3 and 1.8 kg per year, including 35 and 55 g/yr, respectively, due to tritium decay.     

Advantages of Production of New Fissionable Nuclides for the Nuclear Power Industry in Hybrid Fusion-Fission Reactors

A concept of a large-scale nuclear power engineering system equipped with fusion and fission reactors is presented. The reactors have a joint fuel cycle, which imposes the lowest risk of the radiation impact on the environment. The formation of such a system is considered within the framework of the evolution of the current nuclear power industry with the dominance of thermal reactors, gradual transition to the thorium fuel cycle, and integration into the system of the hybrid fusion-fission reactors for breeding nuclear fuel for fission reactors. Such evolution of the nuclear power engineering system will allow preservation of the existing structure with the dominance of thermal reactors, enable the reprocessing of the spent nuclear fuel (SNF) with low burnup, and prevent the dangerous accumulation of minor actinides. The proposed structure of the nuclear power engineering system minimizes the risk of radioactive contamination of the environment and the SNF reprocessing facilities, decreasing it by more than one order of magnitude in comparison with the proposed scheme of closing the uranium–plutonium fuel cycle based on the reprocessing of SNF with high burnup from fast reactors.     

关于压水堆产武器级钚的模拟计算

防止核扩散是国际社会共同努力的目标,其中武器级核材料的防扩散是重中之重.钚是反应堆的副产品,如果不计较经济效益,利用铀为核燃料的反应堆都可以生产武器级钚.本文基于日本Takahama-3压水堆建立了五个模型,并进行中子和燃耗计算,得到两种燃料棒产武器级钚的条件、燃料棒轴向的燃耗分布、组件内燃料棒燃耗的变化区间和全堆芯燃料棒径向燃耗分布.基于上述模型和计算数据给出压水堆堆芯内含有武器级钚的准确位置和UO_2燃料棒中武器级钚的产量.这种低燃耗的乏燃料给国际核不扩散带来了巨大风险,国际社会应该加强对此类乏燃料的监管.     

Importance functions in calculation of fuel burnup in a VVER

Equations that describe fuel burnup in a VVER are given. Equations for the neutron flux density and the content of fission products are presented in the canonical Cauchy form. Such form of representation of equations lends itself well for their use in solving problems related to optimization of the process of fuel burnup in a nuclear reactor. Also given are equations for the importance functions of neutrons and fission products that correspond to the basic system of equation for phase variables.     

乏燃料中Pu同位素含量数值模拟

利用燃耗计算程序MCORGS模拟反应堆燃耗与乏燃料中Pu同位素含量之间的关系,通过对轴向上分为20段的重复栅元模型和组件模型进行的燃耗计算,得到压水堆中乏燃料中轴向不同位置燃耗的分布和Pu-239同位素含量的变化,模拟发现Pu-239同位素含量随着燃料棒在堆芯中的位置不同变化很大。同时,对VVER1000组件和压水堆1717组件也进行了燃耗计算,计算发现组件径向不同位置的燃耗有一定差别。轴向上和径向上不同位置的燃耗差别会导致同一批卸载的乏燃料中含有很多低燃耗的燃料区间,这种乏燃料给国际核不扩散带来了巨大的风险,应该加强监管。     

MCNP-FISPACT耦合燃耗计算程序开发与测试

反应堆堆芯的燃耗计算关系到堆芯的燃料管理,并直接影响堆芯的经济性评估,因此如何快速且准确地对堆芯进行燃耗计算一直是反应堆物理设计的研究重点之一。随着反应堆的发展,其几何结构和物理特性日渐复杂,现有的一维、二维耦合燃耗程序因其在几何处理上的限制,难以满足先进反应堆精细设计分析的要求。为对复杂反应堆堆芯的燃耗情况进行计算,结合粒子输运程序MCNP 处理复杂几何和燃耗程序FISPACT处理核素全面的特点,开发了接口程序耦合MCNP 和FISPACT来进行燃耗计算,并对耦合程序进行了计算验证。采用了IAEA 基准校核例题和CFETR中国聚变工程实验堆例题进行程序验证,经计算得出的有效倍增因子随燃耗的变化曲线和TBR等数据与标准例题的结果符合良好,其误差在可接受范围内。     

Substantiation of parameters of the geometric model of the research reactor core for the calculation using the Monte Carlo method

The choice of the spatial nodalization for the calculation of the power density and burnup distribution in a research reactor core with fuel assemblies of the IRT-3M and VVR-KN type using the program based on the Monte Carlo code is described. The influence of the spatial nodalization on the results of calculating basic neutronic characteristics and calculation time is investigated.     

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。