本文關鍵詞：基于能譜分區(qū)的熔鹽堆Th-U燃料增殖性能研究

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【摘要】：熔鹽堆(Molten Salt Reactor,MSR),作為第四代反應堆論壇(Generation-IV Forium,GIF)六種候選堆型中唯一的液態(tài)燃料反應堆,在高溫常壓下運行,具有熱電轉(zhuǎn)換效率高、固有安全性好等優(yōu)點。與傳統(tǒng)的固體燃料反應堆不同,熔鹽堆可以實現(xiàn)在線提取裂變產(chǎn)物和添加核燃料,既減小了毒物對中子的吸收,又避免了較高的剩余反應性。而基于釷-鈾(Th-U)燃料循環(huán)的熔鹽堆,在快譜和熱譜下均可實現(xiàn)燃料增殖,可充分利用我國儲量豐富的釷資源,并且長壽命放射性超鈾核素的產(chǎn)量比U-Pu燃料循環(huán)低。針對熔鹽堆可在線后處理的特點,本工作首先基于中子學分析軟件SCALE6.1,在釷鈾組的工作基礎上,開發(fā)了一套適用于熔鹽堆燃耗計算的后處理模塊MSR-RS,并且以法國熔鹽增殖堆(Molten-Salt Breeding Reactor,MSBR)和熔鹽快堆(Molten Salt Fast Reactor,MSFR)為基準,從增殖比(Breeding Ratio,BR)、倍增時間(Double Time,DT)、核素質(zhì)量演化等角度進行了驗證,結果表明該模塊適用于帶有后處理的熔鹽堆燃耗計算。釷基熔鹽堆在快譜下增殖比大、在熱譜下臨界所需核燃料的裝載量低,因此為結合不同能譜下的優(yōu)點,本文提出了一種單流雙區(qū)釷基熔鹽堆(Single-Fluid Double-Zone Thoriumbased Molten Salt Reactor,SD-TMSR)的初步概念設計。首先通過分別改變內(nèi)、外區(qū)熔鹽孔道半徑調(diào)節(jié)兩區(qū)的慢化比和中子能譜,分析了BR、~(233)U初始裝載量和DT的變化規(guī)律。結果表明,當內(nèi)、外區(qū)熔鹽石墨比分別為0.357和1.162時,倍增時間具有最優(yōu)值。然后將石墨六棱柱邊長降至7.5 cm,溫度反應性系數(shù)改善至-2 pcm/K。最后基于優(yōu)化后的幾何模型,使用MSR-RS進行燃耗計算,分析了不同后處理方案對Th-U燃料增殖性能的影響。結果表明,SD-TMSR的核燃料初裝量低,并且具有較高的增殖性能。當熔鹽后處理速率為5m3/d時,倍增時間只需16年;當后處理速率為200 L/d時,即可實現(xiàn)自持。無論何種后處理方案,堆芯在60年的運行過程中均可保持良好的溫度負反饋。另外,對熔鹽快堆MSFR的研究發(fā)現(xiàn),堆芯上、下層合金的中子吸收率較大,增殖鹽利用率較低。因此本工作嘗試新增軸向增殖鹽以提高燃料增殖性能,新增石墨反射層以提高釷利用率。然后使用MSR-RS進行燃耗分析,結果表明,改進后的模型IMSFR在BR、~(233)U年產(chǎn)量和DT等方面比MSFR有明顯改善。BR在80年的運行中可維持在1.10以上,對應的~(233)U年產(chǎn)量和DT分別是130 kg和36年,并且有較大的溫度負反饋。還有,MSFR的7Li富集度為99.9995%,但是高純度的7Li熔鹽制備面臨較高的技術挑戰(zhàn)和經(jīng)濟成本,因此本文還從BR、~(233)U產(chǎn)量、DT、能譜、核素吸收率以及氚產(chǎn)量等角度分析了7Li富集度的影響。結果表明,7Li富集度為99.95%時的Th-U燃料增殖性能并沒有比99.9995%時的增殖性能有明顯降低,因此在熔鹽快堆中推薦使用7Li富集度為99.95%的熔鹽。
【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】：2017
【分類號】：TL426

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