【摘要】：加速器驅(qū)動的次臨界熔鹽堆(Accelerator-driven subcritical molten salt reactor,ADS-MSR)結(jié)合了熔鹽堆與ADS的許多優(yōu)點,在先進核燃料利用方面有獨特的優(yōu)勢。ADS-MSR運行在次臨界狀態(tài),擁有極高的安全性和更多的富余中子,因此無論是進行核燃料增殖還是核廢料嬗變都有更高的設(shè)計靈活性。相比于固態(tài)燃料,熔鹽燃料能夠相對容易地進行在線后處理及在線添料,從而實現(xiàn)更高的中子經(jīng)濟性和燃料利用效率。本文在現(xiàn)有熔鹽堆和ADS研究成果的基礎(chǔ)之上,進一步探究了ADS-MSR的各項中子學(xué)性能,具體分析了燃料鹽、在線燃料后處理、在線添料、次臨界深度和次錒系核素(Minor Actinides,MA)裝載量等因素對ADS-MSR釷鈾燃料增殖性能及MA嬗變性能的影響,最后對加速器驅(qū)動的次臨界熔鹽嬗變堆(Accelerator-driven subcritical molten salt transmutation reactor,ADS-MSTR)進行了概念設(shè)計及中子學(xué)性能分析。首先,針對液態(tài)熔鹽燃料能夠進行在線處理的特點,本工作基于中子輸運程序MCNP5和點燃耗程序ORIGEN-2,在中科院上海應(yīng)物所現(xiàn)有燃耗耦合程序MOCBurnup的基礎(chǔ)上,開發(fā)了一套可適用于ADS-MSR的燃料在線后處理和在線添料搜索的耦合計算流程。為了研究熔鹽燃料的使用對ADS堆芯中子學(xué)性能的影響,分別計算了熔鹽燃料對ADS-MSR散裂中子產(chǎn)額,中子能譜及釷鈾轉(zhuǎn)換比(Conversion Ratio,CR)等參數(shù)的影響。結(jié)果顯示:受限于熔鹽燃料中重金屬核素的摩爾比例,熔鹽燃料靶的有效中子產(chǎn)額比重金屬散裂靶低50%以上,因此本文的ADS-MSR研究模型仍然選擇重金屬作為散裂靶材料;在堆芯方面,載體鹽的中子慢化效應(yīng)會降低燃耗初始狀態(tài)的釷鈾轉(zhuǎn)換比CR,FLiBe和FLi熔鹽燃料的CR分別為1.023和1.062,略低于Oxide燃料的1.068。但是,熔鹽燃料的在線處理會極大降低燃耗過程中的反應(yīng)性損失:通過在線燃料后處理和在線添料,FLi熔鹽和FLiBe熔鹽燃料的釷鈾轉(zhuǎn)換比分別在燃耗運行的第1年和第3年超過Oxide燃料。為了分析ADS-MSR的釷鈾增殖性能和MA嬗變性能,本工作基于熔鹽快堆MSFR的設(shè)計,對Th-U燃料循環(huán)的ADS-MSR堆芯模型進行了初步設(shè)計,重點計算并分析了堆芯次臨界深度及MA裝載量對ADS-MSR中子學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:堆芯次臨界度對ADS-MSR的Th-U增殖性能有著顯著的影響。較高的次臨界度能提供更多的外源中子,減少~(233)U的初始裝載量,明顯提高Th-U轉(zhuǎn)換比,提高~(233)U凈生產(chǎn)率以及降低~(233)U的倍增時間。當(dāng)k_(eff)=0.99時,~(233)U的倍增時間大于80年;當(dāng)k_(eff)=0.93時,~(233)U的倍增時間降低到大約22年。MA的裝載量同樣對~(233)U的凈生產(chǎn)率有著明顯的影響。當(dāng)MA1%時,MA在前20年將會吸收大量的中子,消耗掉一定量的~(233)U,但是在剩下的運行時間內(nèi),之前產(chǎn)生的大量易裂變核素將會發(fā)揮后備反應(yīng)性,反而增強了ADS-MSR在較長運行周期內(nèi)的~(233)U增殖性能。在本文所研究的ADS-MSR模型中,若MA的裝料摩爾比例從1%提高到14%,在50年的運行周期內(nèi),~(233)U的凈生產(chǎn)量將會從3.94 t提高到8.24 t。最后,本工作以乏燃料嬗變?yōu)橹饕康?從核燃料選擇、堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計、燃料鹽類型選擇、重金屬富集度以及燃料管理等方面對加速器驅(qū)動的次臨界熔鹽嬗變堆ADS-MSTR進行了概念設(shè)計以及中子學(xué)性能分析。根據(jù)添料模式、反應(yīng)性控制與燃料組份的不同,整個運行周期基本可以分為三個階段:啟堆階段、平衡態(tài)階段和停堆前階段。ADS-MSTR的設(shè)計最終實現(xiàn)了以下目標:(1)反應(yīng)堆設(shè)計壽期內(nèi)無需停堆換料(2)運行期間較強的MA嬗變能力(3)反應(yīng)堆壽命末期盡量少的MA卸料。在反應(yīng)堆啟堆至平衡階段,堆芯內(nèi)焚毀的TRU質(zhì)量基本等于此階段在線添料所添加的MA和Pu的總質(zhì)量。MA和Pu的嬗變質(zhì)量比大約為9:1,MA的年均焚毀質(zhì)量大約為335.81 kg。在停堆前階段,由于燃料鹽中重金屬摩爾份額以及MA和Pu質(zhì)量比的不斷下降,堆芯會焚燒更多的Pu,MA的年均嬗變質(zhì)量下降到207.88 kg。但是堆芯中殘余的MA質(zhì)量從3302.68 kg下降到了974.42 kg,大大降低了對卸料中殘余MA再次處理的難度。
【圖文】：

表 1.1 一個 1 GWe 壓水堆中的裝料和卸料的核素質(zhì)量 1.1 Nuclear fuel loading and discharging mass of a 1 GWe pressurized water 核素 初裝量/ kg 卸料量/ kg235U 954.0 280.0238U 26328.0 25655.0U 總量 27282.0 26047.0239Pu 56.0Pu 總量 266.0MA 20.0Long Life FT 63.0FP 總量 946.0

加速器驅(qū)動的次臨界熔鹽嬗變堆的物理特性研究態(tài)勢。2001 年美國能源部(Department Of Energy, DOE) 首先提出并牽頭創(chuàng)建了第四代反應(yīng)堆國際論壇(Generation IV International Forum, GIF)。 GIF 專家從核能的可持續(xù)發(fā)展、安全性、可靠性、經(jīng)濟性以及防止核擴散性等幾個方面為標準，從眾多的核反應(yīng)堆概念中挑選出了六種最有可能實現(xiàn)的第四代反應(yīng)堆概念，，包括鈉冷快堆、鉛冷快堆、氣冷快堆、超高溫堆、超臨界水堆、熔鹽堆[10]。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)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】：2019
【分類號】：TL426

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1 趙學(xué)超;蔡翔舟;陳金根;;熔鹽燃料對加速器驅(qū)動的次臨界堆中子學(xué)性能的影響[J];核技術(shù);2018年08期

2 李乃朝,衣寶廉;熔鹽燃料電池材料與技術(shù)[J];電化學(xué);1997年04期

3 閻立誠,吳炯文,陸文聰,丁益民,方建慧,陳念貽;碳酸鹽熔鹽燃料電池的NiO陰極溶解[J];中國有色金屬學(xué)報;2000年01期

4 李乃朝,衣寶廉,張恩俊,林化新,曲天錫,孔蓮英,程英才;不同工作條件下的熔鹽燃料電池性能[J];電源技術(shù);1997年03期

5 丁益民,邵開慶,陳念貽,曹廣益,朱新堅;碳酸鍶—碳酸鈉系熔鹽相圖研究[J];鹽湖研究;2002年04期

6 趙金坤;司勝義;陳其昌;卑華;;熔鹽堆柵格參數(shù)優(yōu)化[J];原子能科學(xué)技術(shù);2017年01期

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本文編號：2646242