【摘要】：核武器具有巨大的毀傷效應,任何可能的使用將會對全球安全和人類生存造成巨大影響。核武器的無限擴散會增加核武器的使用概率,因此,從核武器的產(chǎn)生之日起人類一直在思考如何防止核武器的擴散。武器用裂變材料是發(fā)展核武器必不可少的材料,控制武器用裂變材料對防止核武器擴散至關重要。核技術具有軍民兩用性,如果不計較經(jīng)濟效益,任何利用鈾為核燃料的反應堆都可以生產(chǎn)武器級钚。如何防止民用核材料生產(chǎn)技術被非法轉用于軍用核材料生產(chǎn)成為國際防擴散體系面臨的重大挑戰(zhàn)。有些國家已經(jīng)通過民用核能,掌握了裂變材料的生產(chǎn)方法和技術,一些可用于制造核武器的民用核材料被轉用于軍事用途的風險正在增加。在這一問題上,日本是一個典型的案例。日本擁有先進的核技術和成熟的核工業(yè)體系,其商用動力反應堆產(chǎn)生大量的乏燃料,采用鈾—钚閉合循環(huán)的技術路線能分離出用于核武器的钚材料,是否發(fā)展核武器取決于政治決定。在當前的國際形勢下,出現(xiàn)一個新的擁有核武器的國家將會對全球的安全構成巨大的挑戰(zhàn)。因此,本文開展針對壓水堆中武器級钚的生成及空間分布的數(shù)值模擬研究,并初步探索了特征核素比值與含武器級钚乏燃料后處理的關聯(lián)。增添三維中子輸運與燃耗耦合并行計算程序MCORGS的停堆冷卻計算功能,使其能夠計算乏燃料中Pu的豐度、穩(wěn)定Xe同位素比值隨冷卻時間的變化關系。提出并協(xié)助增添蒙卡粒子輸運軟件平臺JMCT中計算分區(qū)的燃耗和分區(qū)內(nèi)核素質(zhì)量的功能,使其能夠?qū)Ψ磻堰M行全堆徑向燃耗計算,基于計算結果劃分反應堆在徑向上的燃耗區(qū)。對改進后的MCORGS和JMCT做了基準檢驗計算,結果顯示MCORGS和JMCT計算結果的可靠性。為計算壓水堆中武器級钚生成量的時空分布,本文基于日本的商用動力反應堆Takahama-3構造了壓水堆的物理模型,建立了壓水堆的計算模型。基于公開文獻中關于Takahama-3、Kord Smith提出的壓水堆模型和BEAVRS基準題,以及一系列合理的簡化,給出了壓水堆的堆內(nèi)構件、堆芯燃料組件等結構的三維幾何參數(shù)和核素組分,并對Takahama-3的無限柵元模型進行燃耗計算,通過分析硼濃度和慢化劑水的溫度/密度對反應性和Pu豐度的影響,確定了慢化劑和硼的核素組分。基于壓水堆的物理模型建立了堆芯的燃耗分區(qū)計算模型,并進行了燃耗計算,得到了壓水堆運行時武器級钚生成量的時空分布,分析了使用商用壓水堆生產(chǎn)武器級钚的總量和可能場景。為防止使用商業(yè)動力反應堆和后處理廠獲得武器級钚的核擴散行為,本文對卸載乏燃料中穩(wěn)定Xe同位素比值進行了數(shù)值模擬研究,初步探索了使用132Xe與134Xe的質(zhì)量比值與對卸載含武器級钚的乏燃料進行后處理的關聯(lián)。綜上所述,本論文構造了壓水堆的物理模型,建立了堆芯的燃耗計算模型,通過數(shù)值模擬計算,得到了典型壓水堆內(nèi)武器級钚的空間分布隨運行時間的變化關系,分析壓水堆生產(chǎn)武器級钚的總量和可能場景,并通過數(shù)值模擬初步篩選出判斷對含武器級钚的乏燃料進行后處理的方法。總之,本文為評估反應堆生產(chǎn)武器級钚的能力和監(jiān)督后處理廠提供一種技術思路。
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TJ910
【圖文】：

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