【摘要】：緩發(fā)中子是反應堆得以控制的關鍵。通常來說,反應堆中的緩發(fā)中子就是裂變產(chǎn)物在衰變過程中所產(chǎn)生的中子,即裂變緩發(fā)中子。反應堆中裂變緩發(fā)中子絕對份額是由燃料類型所決定的,其有效份額則是由反應堆結構、材料、幾何尺寸等共同決定。對于含有氘或者鈹?shù)姆磻讯?除上述裂變緩發(fā)中子外,裂變產(chǎn)物衰變過程中所釋放的高能光子和D或者Be通過(γ,n)反應而產(chǎn)生的中子,即光激緩發(fā)中子,也是緩發(fā)中子的一部分,同樣具有特別重要的意義。由于光激緩發(fā)中子的半衰期更長,含有光激緩發(fā)中子的反應堆動態(tài)惰性可能大很多,甚至光激緩發(fā)中子成為影響某些反應堆動態(tài)特性的主要因素。近年來,中國科學院上海應用物理研究所著眼于發(fā)展第四代先進核能系統(tǒng),發(fā)起并主導了“釷基核能熔鹽堆核能系統(tǒng)”先導專項,簡稱TMSR項目。該項目的近期目標為建造2 MWt釷基液態(tài)熔鹽堆(簡稱TMSR-LF1)和10 MWt釷基固態(tài)熔鹽堆(簡稱TMSR-SF1)。熔鹽堆是近幾年國際上重點研究的四代堆型候選之一,其在釷鈾燃料循環(huán)、經(jīng)濟性、安全性、可持續(xù)性、小型化、防核擴散等多方面有顯著的優(yōu)點。依據(jù)燃料形態(tài)的不同,熔鹽堆分為兩種,液態(tài)燃料熔鹽堆和固態(tài)燃料熔鹽堆。氟鋰鈹熔鹽(LiF-BeF_2)因具有良好的中子物理性能而被諸多熔鹽堆設計中廣泛使用,如TMSR項目中的TMSR-SF1和TMSR-LF1。由于堆芯中含有大量的鈹,考慮到緩發(fā)中子的特殊性,針對兩種反應堆設計開展熔鹽堆中光激中子的研究,分析其對于瞬態(tài)特性及其物理啟動相關基本實驗中的作用,對于確保熔鹽堆的安全運行是很有必要的,在熔鹽堆的工程實際應用中具有很重要的現(xiàn)實意義。本文首先回顧了熔鹽堆的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀,介紹了其他實驗堆中光激中子相關的研究結果。由于各實驗堆的堆芯構造差異較大,在光激緩發(fā)中子有效份額這一關鍵參數(shù)的計算過程中采用了不同的近似,光激中子產(chǎn)額有所不同,其作用和影響有一定差異。為充分考慮熔鹽堆中光激中子這一特殊項,傳統(tǒng)的、完全不考慮裂變過程中光子產(chǎn)生與消亡的中子物理計算模型不再適用,而需要使用中子和光子相互耦合的物理計算模型。本工作參考中子輸運方程的建立過程,根據(jù)粒子守恒的基本原理,詳細推導了更具普適性的中子-光子耦合輸運方程,詳細介紹了本工作中所使用的程序及版本信息以及數(shù)據(jù)庫。隨后,基于微擾理論和中子-光子耦合輸運方程,詳細推導了更具普適性的中子-光子耦合點堆方程,并給出了各點堆動力學參數(shù)的物理定義,并結合當前的反應堆計算軟件,介紹了常用的點堆動力學參數(shù)求解的方法和各計算法方法所采用的近似�；谥凶�-光子耦合點堆方程,詳細推導了反應堆周期、倒時方程等反應堆實驗和控制中的關鍵基礎關系式。本工作中,點堆動力學方程計算相關的部分采用程序MATLAB編程,主要基于MATLAB自帶的庫函數(shù)完成剛性較強的點堆動力學方程的求解�；谏鲜隼碚摶A,以TMSR項目中的TMSR-SF1的簡化模型,開展了點堆動力學參數(shù)的計算,重點使用兩種不同的方法完成了光激緩發(fā)中子的有效份額計算,分析了光激中子對不同的瞬態(tài)過程的影響分析,包括臨界判斷、次臨界判斷、正反應性引入、負反應性引入,最后完成了光激緩發(fā)中子對反應性測量的影響分析,包括兩種常用方法,周期法和逆動態(tài)方法。最后,基于TMSR-LF1的初期選型方案之一,重點研究了不同功率運行歷史后,反應堆中內(nèi)中子源強度的變化。由于液態(tài)燃料為大量的氟鋰鈹鹽和錒系元素的混合,因此與傳統(tǒng)的固態(tài)燃料反應堆不一樣,液態(tài)燃料熔鹽堆內(nèi)(α,n)中子源和(γ,n)中子源均需要加以考慮�；谥凶釉磸姸�,開展了功率運行之后進行無外源再啟動的分析,結合燃料鹽的流動效應,完成了光激中子和中子源對周期、反應性測量的影響分析。結果表明,對固態(tài)熔鹽堆而言,當光激緩發(fā)中子先驅(qū)核達到飽和之后,在使用逆動態(tài)法測量反應性時,需要考慮光激緩發(fā)中子,否則反應性儀將給出誤差較大的測量結果,甚至于錯誤的測量結果;在測量反應堆的周期時,光激緩發(fā)中子的存在會導致等待時間的增加,特別是所需測量的周期為長周期時。對于液體熔鹽堆而言,經(jīng)過較長時間的高功率運行之后,停堆后的一段時間內(nèi)可以完成無外源再起堆;燃料鹽的流動效應導致光激緩發(fā)中子有效份額的降低強于裂變緩發(fā)中子有效份額的降低;在周期測量時,中子源引起的等待時間增加更為明顯,遠超過光激緩發(fā)中子的作用。因此在實際實驗中,應考慮消除中子源本底的方法。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海應用物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TL426
【圖文】：

圖 1.1ARE 概念設計圖（上）、堆芯實物橫截面圖（下左）和堆芯側(cè)視圖（下右）Figures 1.1 ARE conceptual design (up), cutview (down-left) and sideview (down-right)1965 年，橡樹嶺國家實驗室再次建成 8 MWt 液體燃料熔鹽堆（MSRE），標志著熔鹽堆的研發(fā)從軍用轉(zhuǎn)向民用。MSRE 的反應堆設計報告（Robertson，1965）中說明 MSRE 使用石墨慢化劑，燃料為 LiF4-BeF2-ZrF4-UF4（65-29.1-5-0.9mole %）,燃料鹽同時兼做冷卻劑。據(jù) MSRE 運行報告（Haubenreich 和 Engel，1970；Engel 和 Prince，1972 ）記錄，于 1968 年 MSRE 用233U 代替235U，成為全球第一個使用233U 燃料運行的反應堆。MSRE 成功運行四年后，由于經(jīng)費等原因于 1969 年底關閉，但充分證明了液態(tài)熔鹽堆運行的安全性和穩(wěn)定性。1970 年代，ORNL 進行了一系列熱功率為 2250 MWth 的增殖熔鹽堆的設計(MacPherson, 1985)，堆型代號為 Molten Salt Breeder Reactor，簡稱 MSBR。隨后由于冷戰(zhàn)時期軍事原因（快中子增殖堆的發(fā)展較早，且易于增殖核武器使用的钚）

第 1 章 引言原因（熔鹽堆技術與其他所有反應堆技術有較大差異，對后處理技增殖堆的研發(fā)重點轉(zhuǎn)向快中子堆，而熔鹽熱中子增殖堆的研發(fā)則被紀 70 年代到 90 年代，歐洲英國、法國、瑞士和日本等先后基于液了釷鈾循環(huán)、鈾钚循環(huán)、錒系元素嬗變等多方面的研究，如日本原提出的 mini-FUJI、FUJI-12、FUJI-U3 等系列熔鹽堆的概念(Furukaw，法國提出的熔鹽熱堆 Thorium Molten Salt Reactor，簡稱 TMSR（006；Merle-Lucotte 等，2007）。這一時期，除氟鹽堆外，氯鹽堆也關注，其主要原因是氟鹽中重金屬溶解度更高(Smith 和 Simmons，itte，1992；Delpech 等，2009)。

（s-1）235U 衰變常數(shù)（s-1）233U 衰變常數(shù)（s-1）3 0.0380 0.0126 0.086 0.0133 5 0.1918 0.0337 0.299 0.0301 9 0.1638 0.139 0.252 0.1135 9 0.3431 0.325 0.278 0.2953 6 0.1744 1.13 0.051 0.8537 3 0.0890 2.5 0.034 2.6224 反應性均有一定的能量閾值（Chadwick 等，2012D（γ, n）的能量閾值為 2.23 MeV，9Be（γ, n）的能量的能量閾值為 5.7 MeV，13C（γ, n）的能量閾值為e（γ, n）截面隨入射光子的能量變化見圖 1.3。

【參考文獻】

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本文編號：2777622