【摘要】：隨著核能事業(yè)的發(fā)展,核電已成為電力能源中不可或缺的一部分。目前在運(yùn)行的商用堆主要是輕水反應(yīng)堆,其運(yùn)行過程中面臨著核燃料利用率較低(~0.6%)以及鈾資源的可持續(xù)性等問題。新興的第四代核反應(yīng)堆中,快中子核反應(yīng)堆可以有效地解決這些問題,然而,其也不可避免地存在著一些缺點(diǎn),比如其運(yùn)行過程中需對增殖燃料進(jìn)行后處理,提取钚等核素重新加工制造新燃料,這會(huì)增加反應(yīng)堆的運(yùn)行成本,并存在核擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)。原位增殖-燃燒(Breed-and-Burn,BB)反應(yīng)堆中核燃料不需要進(jìn)行后處理便可在堆內(nèi)原位增殖并原位燃燒,其新燃料區(qū)也可以直接裝載貧鈾、天然鈾、乏燃料和釷等,可解決上述堆芯存在的不足。Candle(Constant Axial shape of Neutron flux,nuclide densities and power shape During Life of Energy produced)堆作為一種典型的BB反應(yīng)堆,受到了廣泛的關(guān)注和研究。Candle堆可劃分為兩部分,其一端為點(diǎn)火區(qū),裝載富集燃料,另一端為增殖區(qū),可裝載貧鈾、釷等新燃料。Candle堆被點(diǎn)火區(qū)啟動(dòng)后,堆芯功率密度、核素密度等分布保持恒定并在增殖區(qū)內(nèi)進(jìn)行緩慢勻速傳播。在Candle堆研究中,可采用Monte-Carlo方法模擬,但因Candle堆體積龐大、燃耗較深(~40%FIMA),模擬Candle全堆芯進(jìn)行配置篩選工作,將會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。中子平衡方法近期被運(yùn)用于大型BB堆芯的研究中,該方法綜合考慮了中子產(chǎn)生和中子消失的累積效應(yīng),可直觀地計(jì)算燃料實(shí)現(xiàn)BB模式的最小需求燃耗和最大理論燃耗等信息,適用于系統(tǒng)的參數(shù)化研究。采用0D或1D簡化模型模擬Candle堆芯并結(jié)合中子平衡方法分析,可在保證計(jì)算準(zhǔn)確性的同時(shí)快速地估算出結(jié)果。應(yīng)用中子平衡方法進(jìn)行分析時(shí),本文首先對中子平衡方法進(jìn)行了修正,考慮(n,2n)(n,3n)反應(yīng)道對中子過剩計(jì)算的影響,并通過對比分析鈾基和釷基堆芯修正前后中子平衡的差別,分析了(n,2n)(n,3n)反應(yīng)道的貢獻(xiàn)。本文采用1D近似模擬時(shí),計(jì)算得知其Monte-Carlo模擬時(shí)間僅為Candle全堆芯模擬的~10%,利用此方法可以大幅縮短計(jì)算時(shí)間。并且,本文從中子平衡角度論證了1D模型描述Candle堆的可行性,并將該方法應(yīng)用于Candle堆的物理特性分析,估算了Candle堆點(diǎn)火區(qū)和增殖區(qū)的最優(yōu)配置。Candle堆點(diǎn)火區(qū)幾何和燃料富集度影響過渡態(tài)的反應(yīng)性波動(dòng),對點(diǎn)火區(qū)配置進(jìn)行優(yōu)化具有重要意義。本文利用中子平衡方法結(jié)合1D模型研究了Candle堆點(diǎn)火區(qū)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過估算新裝燃料對于中子的需求,以及點(diǎn)火燃料所能提供的過剩中子,在滿足系統(tǒng)中子平衡的條件下直接估算了點(diǎn)火區(qū)燃料的配置,省去搜索篩選的過程,降低了分析Candle堆的難度。不同的燃料類型(金屬、氧化物、碳氧化物等)、冷卻劑類型(鈉、鉛鉍合金、氦氣和FLiBe熔鹽等)、結(jié)構(gòu)材料類型(HT-9鋼、碳化硅等)因能譜和寄生吸收等效應(yīng)會(huì)影響其中子經(jīng)濟(jì)性,從而影響Candle堆的穩(wěn)態(tài)特性。另外,堆芯幾何和燃料配比的變化也會(huì)導(dǎo)致Candle堆穩(wěn)態(tài)特性的改變。本文比較分析了鈾基堆芯不同燃料類型(U-Zr、UO2、UC0.5O1.5)和冷卻劑類型(Na、LBE、He和FLiBe)的1D模型的中子平衡。并進(jìn)一步研究了氦冷卻貧鈾堆芯實(shí)現(xiàn)Candle燃燒模式的可行性區(qū)域,研究中堆芯半徑從100 cm到400 cm變化,而燃料體積分?jǐn)?shù)從20%增加到60%。本文還比較分析了釷基堆芯不同燃料類型(Th、ThO2)、冷卻劑類型(Na、LBE、He和FLiBe)和結(jié)構(gòu)材料類型(HT-9鋼、SiC)的1D模型的中子平衡。并進(jìn)一步研究了He-SiC-Th燃料實(shí)現(xiàn)Candle燃燒模式的可行性區(qū)域,研究中堆芯半徑從250 cm到400 cm變化,而燃料體積分?jǐn)?shù)從50%增加到80%。研究中還對比分析了鈾基和釷基堆芯實(shí)現(xiàn)Candle模式的差異,為Candle堆的設(shè)計(jì)提供參考。
【圖文】：

第一章 緒論第一章 緒 論可持續(xù)發(fā)展的發(fā)展球人口的增長和對生活質(zhì)量要求的提高，，人類對電力能源的需求也電事業(yè)的發(fā)展，電力能源中核電已發(fā)展成為不可或缺的一部分。據(jù)機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency ，IAEA）發(fā)布的一份研究電力能源總發(fā)電量已從 1971 年的 6131 TWh 上升到 2013 年的 23322量從 202 TWh 增加至 2472 TWh，核電占總發(fā)電量的份額從 3.3%電發(fā)電呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的態(tài)勢，見圖 1.1所示。

圖 1.2 在運(yùn)行反應(yīng)堆堆型分布展歸功于核電擁有較其他電力的顯著優(yōu)勢。提供較大的裝機(jī)容量和較便宜的電力能源等重視，世界諸多國家已經(jīng)或者正在準(zhǔn)備對碳的關(guān)注。雖然在核電站建造過程中有一定的清潔能源[2]。另外，除了碳排放方面外，從第二便宜能源。近期，IAEA 以及核能咨詢）的一份聯(lián)合報(bào)告指出，當(dāng)碳排放稅為 30 美元成為最具有競爭力的能源[3]。發(fā)展基礎(chǔ)及顯著優(yōu)勢，核電在為了幾十年仍系統(tǒng)分析研究所（International Institute fo報(bào)告指出，到 2100 年核電裝機(jī)容量需要保持前，根據(jù)現(xiàn)有情況，世界核電可預(yù)見的增長率有一定的距離，這預(yù)示著今后可能需要對核
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(上海應(yīng)用物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TL433

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2619577