核电站乏燃料对生物圈的影响及ADS 对策

介绍了核电发展状况和核电产生的乏燃料中的锕系及长寿命裂变产物核素, 在毒性方面评述了这些核素对生物圈的影响, 最后提出用加速器驱动的次临界系统嬗变核废物的对策, 以减轻或消除核废物对生物圈的影响。 The current status of nuclear power development and the actinides and some Long Lived Fission Products (LLFPs) in nuclear power spent fuel have been introduced. The radiation effect of spent fuel on biological circle in the viewpoint of Biological Hazard Potential (BHP) and Annual Limit of Intake were evaluated. The Accelerator Driven Sub critical System （ADS） as a strategy to transmute Minor Actinides (MAs) and LLFPs was recommended in order to reduce or eliminate the radiation effect of spent fuel on biological circle.     

用于洁净核能源的ADS-EA方案

加速器驱动系统 (ADS)是一种新型的洁净能源装置 ,它采用加速器提供的强流高能量质子束驱动次临界的核反应堆 ,既有安全可靠和产生核废料少的优点 ,还可以处理传统反应堆留下的核废料 .能量放大器是一个基于回旋加速器组合的 ADS方案 ,由三级回旋加速器组成的加速器系统可以产生流强为12 m A和能量为1 .2 Ge V的质子束 (束流功率1 4.4MW) ,用以驱动1500 MW的核反应堆. Accelerator Driving System (ADS) is a new device for cleaning energy. A high intensity, high power proton beam provided by accelerators is used to drive a sub critical nuclear reactor. It is safe, reliable and can produce less nuclear waste, and also can be used to treat the nuclear waste from the classical reactor. An Energy Amplifier (EA), which is composed of three cyclotrons, is one type of ADS. It will be used to produce 14.4 MW proton beam (12 mA, 1.2 GeV) and to operate a 1 500 MW nuclear reactor.     

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采用球形托卡马克(ST)等离子体位形,对氦冷嬗变包层、钠冷嬗变包层、氟锂铍(FLiBe)熔盐冷嬗变包层三种嬗变包层中子学方案进行了初步计算分析,并就各自的中子学特性进行了比较.结果表明,从嬗变长寿命放射性锕系核素237Np的角度考量,FLiBe冷却嬗变包层的嬗变性能最优.对氦冷嬗变包层的计算结果表明,通过改变初装料时237Np在次锕系元素中的成分比例,可使包层在比较长的运行时间(9.62年)内,保持稳定有效增殖系数、稳定功率、稳定产氚率.     

驱动堆中长寿命核废料碘的嬗变研究

利用理论模拟和实验手段对加速器驱动的快中子堆消除常规反应堆排放的核废料碘进行了研究.实验中,利用加速器加速质子使其能量达到1.0GeV,并轰击重金属铅靶,利用靶中产生的次级中子诱发核废料¹²⁹I的嬗变,使其嬗变为稳定同位素¹³⁰Xe.对实验嬗变效率进行了理论模拟验证,进而拓宽到研究的驱动堆体系中.堆芯区的核燃料为乏燃料铀和钚,靶和初级热交换剂为液态铅.     

E_p≤3GeV质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟(英文)

加速器驱动次临界系统(ADS)液态Pb-Bi散裂靶的设计中,需要可靠的理论计算工具精确地预言几个GeV能量范围的质子引起的散裂反应产生的各种粒子和核素。利用蒙特卡罗模拟软件包Geant4计算研究了800 MeV至3 GeV质子入射铅、铋材料引起的中子产生双微分截面。比较了Geant4不同物理模型得到的模拟结果与现有的实验数据。其中,Geant4的QGSP BERT和QGSP INCL ABLA物理模型模拟结果很好地再现了实验数据。本工作证实了Geant4蒙特卡罗模拟软件包适合用于能量高达3 GeV的质子入射铅、铋引起的中子产生双微分截面的模拟计算。     

ADS瞬态分析中的概率论-确定论耦合方法

针对加速器驱动次临界系统(ADS)瞬态问题,采用预估校正改进准静态方法(PCQS)处理时空中子动力学方程中的时间自变量,采用蒙特卡罗方法处理相应的空间-角度-能量自变量,重点解决了低次临界度下模拟计算不稳定的问题,验证了TWGIL-Seed-Blanket动力学基准问题和小型模拟ADS问题,得到瞬态过程的功率变化结果,与基于其他方法的程序比较,经初步验证取得了较好结果,证明了该耦合方法可行。     

世界上第一座加速器驱动的核反应堆投入运行

 比利时核子研究中心(SCK·CEN)第一次将粒子加速器与核反应堆成功地联合运行。演示模型GUINEVERE现在投入运行, 表明了加速器驱动的核能系统(ADS)的可行性。使用ADS 系统, 加速器停止运行, 反应堆也就立刻停止工作了。这个被称为次临界系统比现有的标准的反应堆安全的多。     

加速器驱动的嬗变技术及应用──一个关于核能发展的热门话题

当前的核电技术存在着资源利用率低、排出高放射性长寿命废物以及运行的安全性等问题．利用加速器驱动次临界堆的嬗变技术,不仅可以产生“洁净”的核电,还可以对高放射性核废物进行嬗变处理,同时又能对核材料进行核燃料的增殖或生产,是新一代核能利用的发展方向．The existing nuclear power system has many problems, such as low utilization ratio of natural resources, output of long life radioactive nuclear wastes and safety of operation etc. The transmutation technology by using accelerator-driven sub-critical reactor can generate not only clean nuclear power, but also can transmutate nuclear wastes and proliferate and produce nuclear fuels. It will be a direction to develop new nuclear power.     

基于FPGA技术的加速器切束控制系统设计

针对加速器驱动次临界系统(ADS)中强流质子直线加速器,即ADS注入器Ⅱ,设计了采用现场可编程门阵列(FPGA)切束技术的加速器快保护控制系统。当系统检测到束流异常故障信号时能快速切断束流,并上传故障信息,方便故障排查和后期数据分析。该控制器基于FPGA设计,可实现光纤通信、串口通信、逻辑电平信号输出等功能。其中,光纤通信功能用于控制斩波器电源快速切断束流;串口通信用于实时传输设备状态信息;逻辑电平信号输出用于控制继电器产生开关量信号去远程控制保护设备,以防止运行设备的损害。通过现场运行测试,切束响应时间在10 s之内,达到安全设计要求。     

中国科学院近代物理研究所磁体工程进展概述(英文)

本文着重论述了中国科学院近代物理研究所目前正在研制的三大磁体工程,它们包括重离子治癌工程(HIMM),强流重离子加速器(HIAF)工程,以及加速器驱动次临界系统(ADS)。在HIMM工程中的常规磁体建设中,着重介绍了联合运用钝化槽与活极头两项技术改善磁场品质的设计方法,并且运用Opera-3D设计软件,对该类高场常规磁体进行了数值分析,进一步地测量了该磁体磁场分布情况,相关的测量结果与数值模拟结果吻合良好。而对于正在处于预研阶段的HIAF工程中的快脉冲超导二极磁体,讨论了超导磁体的前期设计与结构优化技术,包括CACC超导线缆的结构设计,80 K冷屏与线圈盒结构的优化,力-磁耦合结构计算方法等。而在嬗变核废料处理的C-ADS注入器II中,核心部件是具有高磁场(高达7～8 T)的多层复合超导螺线管磁体结构,介绍了其在励磁和失超过程中相关磁学和力学多场实验测试工作。这些相关的设计和测量技术将为中国科学院近代物理研究所自主研制的磁体工程的物理和结构设计提供方法和指导。     

源强对Rossi-α噪声分析的影响

通过数值模拟手段研究了源强对Rossi-测量的影响。为了定量研究中子源强对Rossi-测量的影响,基于MCNP软件;开发了用于计算Rossi-分布的数值模拟工具。反应堆模型和加速器驱动次临界系统的示意模型的数值模拟结果被用于展示瞬发中子衰减常数与源强之间的关联。数值模拟结果表明,入射源强源中子强度对Rossi-测量结果有显著影响。对于处于次临界状态的反应堆和加速器驱动次临界系统模型,在入射源强较小时,Rossi-方法可以正确给出反应堆中子衰减常数,但当入射源强较大时,测量不能给出正确的中子衰减常数。通过研究源强和测量结果的关系,可以找到能够给出正确测量结果的最大可用源强。通过选择一个可用源强范围内的较强中子源,可以减少测量所需时间。     

加速器驱动次临界系统散裂靶参数优化计算

采用国际开源程序包Geant4,构建高能质子束轰击加速器驱动次临界系统(ADS)散裂靶的物理模型,模拟计算质子轰击液态金属铅、铅-铋合金和汞靶的泄漏中子谱分布,以及计算不同能量质子对应的铅靶泄漏中子产额和轴向积分分布,获得1 Ge V质子对应的铅圆柱靶优化参数,考虑入射质子的利用率和整个堆芯的体积质量,优化靶半径范围为16～24 cm,靶高为100 cm,相关研究结果可为(ADS)散裂靶的物理和工程设计提供理论依据。     

基于脉冲中子源法的CiADS反应性测量蒙卡模拟分析

脉冲中子源法(PNS)是加速器驱动次临界系统反应性测量的一种重要技术.利用蒙卡软件建立CiADS次临界反应堆模型,模拟注入脉冲质子束的过程,获得的中子通量的时间演化谱.采用Python语言编程实现脉冲叠加过程,给出稳定缓发中子本底,实现脉冲中子源法的次临界反应堆的反应性测量模拟,给出脉冲周期注入下堆芯不同位置处的中子变...     

CiADS中LBE散裂靶的放射性核素研究

铅铋合金(LBE)作为中国加速器驱动系统(CiADS)散裂靶的候选材料,长期辐照使其具有很强的放射性。散裂靶放射性核素的研究仅考虑了质子束的散裂反应,而忽略了反应堆裂变中子的活化作用。本文采用FLUKA和MCNP耦合计算LBE和及其结构件的放射性产物。比较了裂变中子和高能质子在放射性产物的活度、主要放射性核素、毒性和衰变光子等方面的贡献。裂变中子的活化作用对主壳、导管和射束管有显著影响。当反应堆趋于临界状态时,裂变中子对LBE的活化作用是高于质子束流的。在LBE中,96.66%的 210Po是由裂变中子诱导的。这些结果表明,裂变中子在LBE及其结构部件的活化计算中是必不可少的。此外,本研究为CiADS的辐射防护提供了参考数据,也为ADS系统中散裂靶的放射性核素研究提供了更准确的方法。     

高能α粒子轰击Yb箔制备~(178)Hf~(m2)核素的初步研究

在CS30回旋加速器上利用27MeV的α粒子束轰击天然金属Yb箔.对辐照样品进行了分析,确定产生的178Hfm2核素约1.5×1011个,辨识出样品中主要的长寿命核素,并推断产生这些核素可能的核反应通道.基于对样品放射性剂量率跟踪监测结果,初步确定了样品的冷却时间.这些研究结果一方面验证了所选择的制备途径是可行的,另一方面也为进一步开展该核素制备技术研究提供了参考依据.     

ADS系统中少系核素的灵敏度分析

为了确定加速器驱动系统中少系核素的核数据的不确定性对此系统中积分参数的影响,选择一铅 铋冷却次临界系统来进行分析,选择不同的微观评价库CENDL 3.0,JENDL 3.2及ENDF/B VI.6,并只考虑20MeV以下的中子产额,来计算次临界系统的积分参数.以ENDF/B VI.2库的计算结果作为参考结果,依次用CENDL 3.0库及JENDL 3.2库中相应的系核素替换ENDF/B VI.6库中的系核素,计算了次临界系统的Keff值及反应率,并就变换主要系核素时对所计算的Keff值及反应率的影响进行了分析、比对.在堆芯处,当改变系核素时Keff值总的变化为30%,CENDL 3.0的238Pu的弹性散射反应率比ENDF/B VI库的结果高出10%,ENDF/B VI库的242Am的裂变率超过了CENDL 3.0库的15%.     

球形环嬗变堆包层冷却管道热工设计与热结构力学分析

利用球形环托卡马克作为聚变中子源、处置裂变堆长寿命放射性核废料的嬗变堆作为聚变能早期应用的重要途径。因核废物的日益积累和已具备现实的技术基础而受到广泛的重视。也是目前国际聚变界研究的前沿课题。     

MCADS程序的开发和ADS基准题计算

由于加速器驱动次临界堆存在外中子源,堆芯结构复杂,中子注量的各向异性严重,所以相关燃耗计算在次临界系统设计中起着重要作用。为实现次临界系统的燃耗计算,结合粒子输运程序MCNP处理复杂几何和燃耗程序LITAC处理核素全面的特点,开发了接口程序MCADS耦合MCNP和LITAC。然后选取IAEA-ADS基准题对耦合程序进行了验证计算。结果表明,燃耗、外源强度、空泡效应、初始功率分布等方面的计算结果和其他国家的计算结果相比有很好的一致性,证实了MCADS在次临界模式计算中的可靠性。     

与加速器驱动的核能系统有关的核化学研究

提出了与加速器驱动的洁净核能系统有关的核化学研究课题,研究领域涉及到散裂反应产物与它们的产额分布、长寿命废料的嬗变、中子反应参数测量以及中子的诊断． Some of research scopes on nuclear chemistry, concerning development of clean nuclear power system driven by accelerator have been proposed. The research fields proposed include spallation products and their yield distributions, transmutation of long lived radiowaste, neutron measurement and diagnosis by activation techniques. Advantages of (n, xn) reactions used for transmutation of radiowaste have been discussed.     

C-ADS注入器Ⅰ联锁保护系统设计（英文）

联锁保护系统是加速器驱动次临界系统(ADS)先导专项(C-ADS)核心系统之一,用于对加速器控制及人身和设备保护。为此设计搭建了基于可编程逻辑控制器(PLC)和PROFINET协议的联锁控制系统,对加速器各个关键部件的信号进行采集和控制。为满足加速器对可靠性的严格要求,该联锁系统选用最新型的PLC和I/O模块,并采用高可靠性容错和冗余技术的硬件设计。本文还对该联锁系统的冗余状态和非冗余状态做了可靠性分析对比。基于该系统的实验物理和工业控制系统(EPICS)的控制接口也已成功开发,并在线应用。