發(fā)布時間：2020-06-13 13:03

【摘要】：長壽期小型反應堆具有堆芯體積小便攜性強、可以滿足長周期換料的特點,既可用于偏遠地區(qū)、孤立海島功能供電,也可用于極端氣候災難救援和采礦業(yè)供電,因此受到廣泛關注。鉛基材料作為冷卻劑,其優(yōu)良的性能對反應堆的熱工水利性能、化學性能和固有安全特性方面帶來優(yōu)勢,因此鉛基堆是小型模塊化反應堆的重要候選堆型之一。目前國際上針對長壽期小型鉛基堆開展了一系列設計研究,但如何通過堆芯物理優(yōu)化設計實現反應堆長壽期運行下的堆芯最小化,提高反應堆經濟性并滿足未來分布式能源以及可移動式能源需求,仍有待進一步探索。本文在廣泛調研國內外長壽期小型反應堆設計研究的基礎上,結合鉛基堆物理特性,開展長壽期鉛基堆堆芯物理設計研究,具體內容包括:(1)長壽期堆芯設計關鍵因素影響研究�；诃h(huán)形流道燃料元件堆芯模型,研究了能譜對堆芯尺寸、初始裝料量、燃耗特性等參數的影響,探究不同能量輸出(功率×換料周期)需求下堆芯最小化尺寸和能譜范圍。研究結果表明,對于不同的能量輸出需求,總存在一個最佳的堆芯能譜可使堆芯具有最小的尺寸;當反應堆總能量輸出需求≥275 MWt·年時,基于快譜的堆芯方案有利于獲得較小的堆芯尺寸;當反應堆總能量輸出需求275MWt·年時,基于熱譜的堆芯方案可獲得較小的堆芯尺寸,且總能量輸出需求較小時,能譜越軟越有利于減小堆芯尺寸。(2)5MWt長壽期鉛基堆堆芯物理設計�；谀茏V優(yōu)化結果設計了熱功率為5MW的長壽期小型化鉛基堆堆芯物理方案;針對堆芯方案初始反應性大的問題,研究了降低壽期內反應性波動的方法,通過分區(qū)布置可燃毒物,實現了壽期內小反應性波動的堆芯優(yōu)化設計,簡化了堆芯反應性控制策略;同時,針對優(yōu)化方案進行詳細的堆芯物理參數分析,并與鉛基快堆堆芯方案進行對比,比較發(fā)現,設計的鉛基熱堆堆芯方案具有堆芯尺寸小、燃料裝載量少、燃料燃耗深度深,燃料經濟性好等優(yōu)勢。本論文相關研究成果可為兆瓦級長壽期小型鉛基堆堆芯物理設計提供參考。
【圖文】：

國內外研究現狀逡逑為實現長壽期設計，國內外提出了很多小型鉛基堆概念。逡逑（１）俄羅斯長壽期小型鉛基堆研宄現狀逡逑１）邐ＳＶＢＲ－１００逡逑俄羅斯提出了功率為２８０邋ＭＷｔ邋（熱功率），換料周期約為７？８年的小型化鉛鉍堆【４３—４７］設計ＳＶＢＲ－１００，該反應堆由ＩＰＰＥ（物理與動力工程研宄院）ＢＧＩＤＲＯＰＥＳＳ和Ａｔｏｍｅｎｅｒｇｏｐｒｏｅｋｔ共周設計。和大多數模塊化小型堆一ＢＲ－１００采用池式結構，，堆芯、主循環(huán)回路和蒸汽發(fā)生器整套設備裝在主容容器外沒有管道和閥門。一回路使用兩個循環(huán)泵，采用強迫循環(huán)。ＳＶＢＲ－１以給無電區(qū)域供電也可以提供熱能。ＳＶＢＲ－１００的每一個模塊可提供５８０工藝蒸汽，或者７０Ｇｋａｌ／ｈ的集中供暖，或者２０００００ｔ／ｄａｙ的海水淡化。逡逑堆芯設計方面，ＳＶＢＲ－１００使用Ｕ0２燃料，燃料富集度平均為１６．７％，堆的總裝載量為９２００邋ｋｇ，堆芯活性區(qū)高９００邋ｍｍ，堆芯活性區(qū)直徑為１６４３邋ｍｍ的設計輸出熱功率約為２８０邋ＭＷ，電功率約為１０１邋ＭＷ。整個堆芯設計為換料，換料周期約為８年。逡逑

堆芯設計方面，ＳＳＴＡＲ采用不同富集度的鈾－超鈾核素氮化物燃料，堆芯從逡逑內到外按照燃料富集度共分為５個區(qū)域，燃料富集度依次為１．７％、３．５％、１７．２°／。、逡逑１９．０％和２０．７％，如圖１．３所示。ＳＳＴＡＲ堆芯活性區(qū)高為９７６邋ｍｍ，活性區(qū)直徑為逡逑１２２０邐反應堆設計輸出熱功率為４５邋ＭＷ，電功率為２０邋ＭＷ。反應堆可實現逡逑滿功率連續(xù)運行３０年，但目前仍處于概念設計階段。逡逑ＴＷＯ邋ＩＮＯＣＦｅＨＯ￡ＫＴ邋ＧＲＯＵＰＳ逡逑Ｉ邐Ｉ逡逑Ｋｔ邐■邋ｌｏｗ邋ＥＮＲＩＣＨＭＥＮＴ邋ＣＣＨＴＩＵＬ逡逑■邐－邐尪00ｎ（ｔｗ0逡逑■ｋ邐ｃｎｒｉｃｈｍｃｈｔ邋ｚｏｎｅｓ）逡逑Ｏｆｔ（ＶＥＭＴＨＲ￡￡邋ＥＮＲＩＣＨＭＥＮＴ逡逑Ｆｉｇｕｒｔ邋６．邋ＳＳＴＡＲ邋Ｏｐｅｎ＞Ｌｉｉｌｔｉｃｅ邋Ｃｏｒｅ邋Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｋｍ邋（ＡＨ邋Ｆｕｅｌ邋Ｐｉｎｓ邋Ｓｈｏｕｎ）．逡逑８逡逑
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL351.1

【參考文獻】

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本文編號：2711221