【摘要】：核能具有低碳排放量、低污染的特點，為改善氣候變化、降低環(huán)境污染和緩解能源危機等提供了重要手段。但核能面臨著自身可持續(xù)發(fā)展問題。依目前鈾資源的消耗速率，鈾資源只能維持核能不到100年的發(fā)展。作為一種潛在的核燃料，釷在地球上的儲量豐富，易于開采，如果釷燃料能夠被大規(guī)模應用到核能中，將會促進核能的可持續(xù)性發(fā)展。 釷燃料在壓水堆、重水堆、超臨界水堆、高溫氣冷堆和液態(tài)熔鹽堆內(nèi)的利用已有大量研究。但目前釷資源并未在商業(yè)堆型中被應用起來，原因之一在于：釷是一種可增殖燃料，需要先吸收中子轉(zhuǎn)變成鈾（233U），然后進行焚燒產(chǎn)生能量，燃料需要達到較高的燃耗深度（至少80MWd/kgHM）才能提高單位吸收中子下的產(chǎn)能，目前常規(guī)壓水堆和重水堆由于燃料制造工藝限制尚不能滿足高燃耗條件。超臨界水堆、超高溫氣冷堆和液態(tài)熔鹽堆等都是第四代反應堆，仍處于研發(fā)狀態(tài)：超臨界水堆內(nèi)的燃耗深度較低（在40MWd/kgHM左右），其釷鈾循環(huán)的可行性仍有待評估；熔鹽堆是釷利用最為理想的堆型，但需要解決在線后處理技術相關問題；超高溫氣冷堆具有高燃耗能力，其釷利用具有一定的可行性，但還需要進一步研究。 氟鹽冷卻球床高溫堆（PB-FHR）是基于高溫氣冷堆和液態(tài)熔鹽堆技術發(fā)展起來的堆型；PB-FHR的燃料采用包覆顆粒燃料（失效溫度高、可達燃耗高），冷卻劑采用氟化物熔鹽（熔點高、沸點高、熱容大），另外還借鑒了金屬冷卻快堆的非能動余熱排出技術、先進火電廠的布雷頓循環(huán)發(fā)電技術等，評估認為PB-FHR商業(yè)化在當前技術基礎條件下具有極高的可行性。PB-FHR在設計和安全性上具有自己的特點，如：（1）功率可大可小，既可以設計成50MWe級的小型模塊化堆，也可以設計成GWe級的大型堆；（2）堆芯出口溫度高，功率密度較高（典型的如20-30MWt/m3），熱-電轉(zhuǎn)換效率高；（3）較低的運行壓力降低了設備的承壓要求以及事故狀態(tài)下放射性物質(zhì)擴散的風險；（4）事故發(fā)展緩慢，具有非能動余熱排出系統(tǒng)，安全性大大提高。PB-FHR的中子利用率高，燃料可達高燃耗，在釷利用方面具有一定的潛在可行性，但其釷利用的可行性和模式還需要進一步深入分析。 本文開展了PB-FHR釷利用的相關研究工作，包括：（1）考慮到PB-FHR燃料球的流動特點，基于MCNP5和ORIGEN2程序，開發(fā)了燃耗計算耦合程序MOBAT和球床堆平衡態(tài)燃耗管理程序PBRE。（2）進行了開循環(huán)模式（無后處理）下PB-FHR釷利用研究，用以改善鈾燃料的利用率；（3）進行了閉循環(huán)模式（有后處理）下彌散燃料元件的PB-FHR釷鈾自持初步研究，分析其增殖區(qū)域和增殖能力，以及堆芯氟鹽中子性質(zhì)。 燃耗程序開發(fā)主要介紹了以下兩個方面：（1）一般燃耗程序MOBAT的耦合原理、耦合方式以及準確性驗算。其中，通過常規(guī)壓水堆組件、釷鈾異質(zhì)結(jié)構壓水堆組件、燃料球元件等基準題的驗算，表明MOBAT達到了SCALE、MCNPX和MCODE等燃耗軟件的同等精度，且適用于PB-FHR燃耗計算；（2）球床堆平衡態(tài)燃耗程序PBRE的平衡燃耗原理、耦合方式、收斂方法以及基準題驗算。PBRE采用單迭代正相關收斂法，節(jié)省了計算時間。通過HTR-10模型驗算表明，PBRE的計算結(jié)果與VSOP基本一致，驗證了其準確性。此外，針對閉循環(huán)的換料方式，PBRE增加了釷鈾自持平衡態(tài)燃耗搜索功能。 開循環(huán)模式下PB-FHR釷利用研究主要內(nèi)容有：（1）單柵元中子物理分析。主要比較了釷鈾混合模型、TRISO燃料核內(nèi)釷鈾分層模型和釷球鈾球模型的釷燃料利用情況。結(jié)果表明，釷鈾混合模型比純鈾燃料的燃耗深度還要低；TRISO燃料核內(nèi)釷鈾分層模型節(jié)省了6.8%的鈾燃料；釷球鈾球模型節(jié)省了20%左右的鈾燃料。（2）全堆芯中子物理分析。主要比較了釷球鈾球分區(qū)堆芯、釷球鈾球混合堆芯和純鈾球堆芯之間的釷燃料利用情況。釷球鈾球分區(qū)堆芯可節(jié)省20%的鈾燃料，但徑向功率峰因子達到1.8；釷球鈾球混合堆芯可節(jié)省10%的鈾燃料，徑向功率峰因子為1.48；純鈾球混合流動作為其他堆芯比較的參考值，鈾球的卸料燃耗深度為220MWd/kgU。（3）釷球鈾球分區(qū)堆芯熱工水力初步分析。采用單通道模型和一維傳熱模型，計算結(jié)果表明，如果限制正常工況下燃料最高溫度為1300°C，22.5MW/m3的堆芯平均功率密度對應3cm直徑燃料球；6.2MW/m3的堆芯平均功率密度對應6cm直徑燃料球。設置燃料球破損率限制為2E-4，計算分析表明，可通過減少鈾球的燃料核直徑（250μm半徑）、增加SiC層厚度等方式提高鈾球的燃耗深度（180MWd/kgU）。釷球的最大挑戰(zhàn)在于其高的快中子注量和長時間輻照（會導致SiC材料的性能大大降低），推薦釷球燃耗深度為100MWd/kgHM。 閉循環(huán)下彌散燃料顆粒PB-FHR釷鈾自持的主要內(nèi)容有：（1）燃料元件的選取�；赥RISO結(jié)構的PB-FHR堆芯燃料裝載量少（球內(nèi)燃料體積最大占5%左右）、慢化能力強，計算認為其不具有釷鈾增殖能力；而彌散顆粒燃料元件內(nèi)燃料體積可以達到50%，SiC基質(zhì)具有弱的慢化能力，初步計算認為其具有很高的釷鈾增殖能力。（2）彌散燃料顆粒PB-FHR的自持特性和氟鹽中子特性。計算表明，燃料占燃料球的體積比在20%-60%區(qū)間其自持且排空系數(shù)為負；其最大自持燃深度超過200MWd/kgHM。堆芯功率密度對改進型PB-FHR自持燃耗深度有很大的影響，當堆芯功率密度從10上升到30MW/m3時，自持卸料燃耗深度下降了30MWd/kgHM。此外，氟鹽在快譜下具有與熱譜下不同的中子性質(zhì)，在快譜下，6Li和7Li的中子吸收很少，可以允許99.95%的7Li富集度，且實際達到平衡時，6Li的濃度在1000ppm左右；在快譜下，單位電功率下的3H產(chǎn)量只有30-40g/GW/year，比熱堆中的少很多。（3）熱工水力初步分析。計算認為采用6cm直徑球，堆芯平均功率密度需小于20MW/m3，采用3cm直徑燃料球，堆芯平均功率密度可以達到60MW/m3。改進型PB-FHR的最大挑戰(zhàn)來源于燃料球的長時間輻照，通過提升堆芯功率密度可以降低輻照時間，但是相應地降低了其燃耗深度。改進型PB-FHR在燃料制造和后處理方面的技術可行性需要進行深入研究。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（上海應用物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TL352
【圖文】：

/年的平均速度增長（圖 1.1），相比同時期的人口增長（能源消耗差異很大，人均能源消費較大的區(qū)域主要是北美消耗是遠東（中日韓等）的 10 倍左右，是中東和南亞的經(jīng)濟體區(qū)域仍然旺盛。因此 IAEA 預測世界能源需求仍然主要由化石能源（包括煤炭、石油和天然氣）組成，其我國化石能源甚至高達 90%以上。而化石能源屬于不可再估計[2]，全世界最終可開采石油儲量約 3 萬億桶，世界煤，世界天然氣儲量約 177 萬億立方米，按照目前的消費00-200 年后枯竭。此外，化石燃料對環(huán)境造成了嚴重的影2的排放導致全球氣候變暖，威脅全球生態(tài)；煤炭燃燒中顆粒是造成大氣污染的主要來源，酸雨、霧霾等氣候現(xiàn)象及健康。因此，以化石能源為主的能源結(jié)構急需轉(zhuǎn)型。

Australia 1,706,100 29%Kazakhstan 679,300 12%Russian Fed 505,900 9%Canada 493,900 8%Niger 404,900 7%Namibia 382,800 6%South Africa 338,100 6%Brazil 276,100 5%USA 207,400 4%China 199,100 4%Mongolia 141,500 2%Ukraine 117,700 2%Uzbekistan 91,300 2%Botswana 68,800 1%Tanzania 58,500 1%Jordan 33,800 1%Other 191,500 3%World total 5,902,500

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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本文編號：2742513