【摘要】：釷資源在地殼中的儲(chǔ)量是鈾資源的3倍多,聚變-裂變混合能源堆(FFHR)由于具有強(qiáng)的聚變中子源,可以高效地把232Th轉(zhuǎn)換成易裂變核233U,此種路徑將有效的擴(kuò)充現(xiàn)有核燃料的資源。由于混合堆包層具有較高的能量放大能力,與純聚變能源堆相比FFHR其對(duì)托克馬克裝置聚變參數(shù)的要求低近一個(gè)量級(jí),目前國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的堆芯參數(shù)就可以滿足要求,FFHR可以提前應(yīng)用聚變能。但純釷燃料裝載的FFHR存在的問題是運(yùn)行初期能量放大倍數(shù)M很低,這會(huì)對(duì)聚變功率和聚變?cè)鲆?Q)提出更高的要求,而這在短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)釷燃料的高效利用,本文的目標(biāo)是研究FFHR在僅使用天然釷/鈾燃料并保持較高的能量放大倍數(shù)(M≥6)和氚增殖比(TBR≥1.05)的前提下,達(dá)到較高的233U增殖能力,同時(shí)將增殖的233U在堆內(nèi)燒掉,實(shí)現(xiàn)釷-鈾燃料自持循環(huán)的設(shè)計(jì)方案。在上述目標(biāo)下,本文圍繞混合能源堆含釷燃料包層開展中子學(xué)研究,包層的燃耗計(jì)算采用清華大學(xué)核研院開發(fā)的輸運(yùn)燃耗程序COUPLE2.0,主要內(nèi)容包括:1.基于ITER堆芯參數(shù)建立的簡化二維D字型包層模型計(jì)算結(jié)果,創(chuàng)新性地提出了一種可實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的基于環(huán)向或極向交叉布置策略的水冷包層方案。包層由獨(dú)立的釷燃料和鈾燃料模塊構(gòu)成,兩種燃料模塊在包層的環(huán)向進(jìn)行交叉布置。堆芯首爐優(yōu)化后環(huán)向可支持60%釷燃料模塊體積份額,20年末時(shí),將鈾模塊替換成新的天然釷燃料模塊,第二爐堆芯在60年的燃耗時(shí)間內(nèi)可燒掉90噸的232Th。2.建立了FFHR水冷三維模型并與二維模型進(jìn)行了對(duì)比,獲得二維模型的參數(shù)M及TBR比三維模型偏高10%左右的結(jié)論。對(duì)釷鈾燃料模塊極向交叉布置的三維水冷包層進(jìn)行了優(yōu)化,得到較佳233U增殖性能的首爐布置方案。20年末時(shí),三維模型同樣可以過渡到全釷燃料裝載的第二爐堆芯。為提高首爐堆芯233U的增殖速率,以降低首爐到第二爐的過渡時(shí)間,還研究了采用抑制裂變、氦氣冷卻和熔鹽冷卻的釷模塊方案,各方案233U增殖速率分別是水冷方案的2、2.5和3.2倍。3.提出了基于233U啟動(dòng)的全釷熔鹽燃料包層設(shè)計(jì)方案,包層采用產(chǎn)能與產(chǎn)氚功能分區(qū)布置。產(chǎn)能區(qū)(ThF4+233UF4)的摩爾組分為4.5%,其中233UF4占的比例為12%;產(chǎn)氚區(qū)在裝載15%6Li富集度的產(chǎn)氚熔鹽條件下,系統(tǒng)啟動(dòng)僅需要8.2噸233U,并在滿足M和TBR設(shè)計(jì)要求條件下,采用周期性燃料后處理方式,可實(shí)現(xiàn)233U燃料自持循環(huán),反應(yīng)堆的運(yùn)行只需要添加232Th燃料。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL64

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2644489