本文關鍵詞：球床氟鹽冷卻高溫堆堆芯燃料管理研究　出處：《中國科學院研究生院(上海應用物理研究所)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：能源保障和氣候變化是核能發(fā)展的主要原因,但核能發(fā)展又具有高成本、安全性、核廢料和核擴散等風險。為了最小化核能發(fā)展的風險,氟鹽冷卻高溫堆(FHR)是被提出的新堆型之一,并迅速得到發(fā)展。FHR通過10多年的發(fā)展,已逐漸由多種多樣的預概念設計走向球床氟鹽冷卻高溫堆(PB-FHR)基準設計。受限于球床堆有限的發(fā)展,其基于確定論的球床堆燃料管理軟件流通不廣,常規(guī)商業(yè)化的壓水堆燃料管理軟件并不適用于球床堆,而常用的粒子輸運蒙特卡羅軟件能高精度地提供球床堆中子學求解,所以目前PB-FHR的堆芯燃料管理研究主要以蒙特卡羅軟件耦合燃耗軟件進行球床堆平衡態(tài)搜索,其求解效應極低。確定論方法能高效地進行中子通量分布求解,而利用確定論方法進行PB-FHR的中子物理計算工作目前還處于研究階段。基于確定論方法的球床堆堆芯燃料管理計算與常規(guī)壓水堆的相比,存在幾何構建、雙重非均勻性處理、燃料節(jié)塊間泄漏效應、控制棒計算及歷史效應非常明顯的燃耗計算等問題。本文介紹了中子物理數(shù)值計算兩類方法,即蒙特卡羅統(tǒng)計方法和確定論方法。蒙特卡羅方法解通常會被選為參考解,而對于確定論方法,針對上述問題,本研究通過引入等效方法使其適用于PB-FHR燃料管理計算:(1)本文采用基于碰撞概率法的確定論軟件計算了球床氟鹽冷卻高溫堆球柵元的無窮增殖因數(shù),少群均勻化總截面、俘獲截面和裂變截面,能譜及能譜指數(shù),并使用連續(xù)能量蒙特卡羅軟件驗證與分析。使用基于碰撞概率法的共振處理程序直接求解具有微結構柵元的共振能區(qū)超精細群慢化方程,很好的處理了球床氟鹽冷卻高溫堆的球型燃料元件所構成的雙重非均勻系統(tǒng)。1000K下可分辨共振能區(qū)的均勻化有效俘獲截面與參考解僅偏低0.08%,TRISO異質結構的存在可降低該截面20%,增大無窮增殖因數(shù)達7%。結果表明本文所采用方法計算結果與參考結果吻合良好,該方法適用于對PB-FHR進行少群截面加工,且雙重非均勻性對于PB-FHR球柵元計算具有明顯影響。(2)本文研究了譜修正方法,它是一套基礎的考慮節(jié)塊間泄漏影響的少群截面加工方案。無論采用本征值模式或固定源模式迭代策略,譜修正方法能達到體積通量權重方法的精度,不需要事先提供輸運參考解,且適用于多維堆芯模型。固定源模式迭代策略較本征值模式具有更好的適應性,比如含有釷區(qū)的模型。(3)PB-FHR的控制棒位于側反射層內,存在無裂變中子源且受堆芯泄漏譜強烈影響的強收體區(qū)域擴散計算難題,為此本文提出兩種計算模型:譜修正-黑體材料模型和譜修正-超級均勻化(SPH)模型。計算結果表明,兩種方法所計算的控制棒價值及通量分布都能逼近輸運參考解,并且譜修正-SPH模型較常規(guī)SPH方法能更好的處理棒間干涉效應。(4)本文闡述了不同于壓水堆燃耗計算的PB-FHR燃耗計算需求。常規(guī)的柵元燃耗計算很難考慮球床堆在線換料方案下顯著的燃耗歷史效應,本文將中子通量計算與點燃耗計算耦合,實現(xiàn)燃料球柵元在給定均勻化單群截面、通量和時間步長下進行點燃耗計算。耦合計算的無窮增殖因數(shù)及一些重要錒系核素隨燃耗變化的曲線與基于蒙特卡羅方法的燃耗程序MOBAT計算結果符合良好,說明耦合計算方法的準確性。球床堆燃料管理策略為在線換料方案,燃料球以顆粒流形式通過堆芯。在研究了PB-FHR中子物理等效方法的基礎上,本文選取分配系數(shù)方法來描述在線倒料策略,并開發(fā)了基于確定論方法的球床堆平衡態(tài)搜索程序COBBLE,用于PB-FHR燃料管理研究。本文選取簡化的球床模塊高溫氣冷堆(PBMR)進行建模,計算其功率分布及燃耗分布,并使用基于蒙特卡羅方法的球床堆燃耗分析程序PBRE進行了驗證與分析。結果表明,COBBLE程序適用于球床堆的平衡態(tài)燃耗計算。基于開發(fā)的程序COBBLE,開展了固態(tài)燃料釷基熔鹽實驗堆(TMSR-SF1)在線換料方案下的燃料管理初步研究,分析了單區(qū)再循環(huán)隨機倒料策略、內區(qū)石墨球外區(qū)再循環(huán)隨機倒料策略、再循環(huán)倒料燃耗分區(qū)策略對平衡態(tài)堆芯最大功率密度的影響。再循環(huán)倒料燃耗分區(qū)策略下,如果TMSR-SF1采用“外內方案”,即低燃耗球分布在外區(qū)而高燃耗球分布在內區(qū),一定程度上會影響燃料利用率,但能有效的展平功率,壓低功率峰因子,隨外區(qū)占比增大最大功率密度先減小再增大,外區(qū)占比為80%時有最小值,該值比不分區(qū)策略降低7.8%。然后,為了研究PB-FHR堆型如何利用釷球提高燃料利用率,本文提出了反應性比較方法來分析有效卸料燃耗深度與釷球通過次數(shù)、釷球釷裝載量、釷區(qū)比例的關系,并選擇TMSR-SF1模型為研究對象。結果表明,只有當全鈾模型下鈾球卸料燃耗達到較高燃耗、釷球具有一定燃耗時才能實現(xiàn)鈾釷分區(qū)倒料策略下利用釷球提高燃料利用率,并且增加釷球釷裝載量能明顯有利于提高燃料利用率,有效卸料燃耗將隨外區(qū)釷比例增大呈現(xiàn)先增大再減少的規(guī)律。
【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】：TL42

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本文編號：1321219