马续波;陈义学;王继亮;王悦;韩静茹;陆道纲
【摘 要】The hybrid fusion-fission reactor has advantages of breeding of the nuclear fuel and transmutation of the long-life nuclear waste and having inherent safety. Meanwhile, the engineering and technological demand of hybrid reactor is significantly reduced comparing with that of pure fusion reactor. A generating electricity blanket concept using the PWR spent fuel directly was proposed, which was based on ITER parameter level achieved. Different volume fractions of the fuel in blanket enabled to realize a power flattening in the fissile zone. The results show that the peak-to-average power factor becomes less than no power flattening, and the output power of the fuel zone raises more than 21. 7%. At the end of the operation, the maximum fuel enrichment is 5. 23%. The blanket is feasible from the neutronics viewpoint.%聚变裂变混合堆在增殖核燃料、嬗变长寿命核废料及固有安全性等方面具有较大优势,同时,它比纯聚变堆在工程及技术方面要求低,因此较聚变堆更易实现.本工作基于目前国际聚变实验堆(ITER)所能达到的技术水平,提出一种直接利用乏燃料进行发电的聚 电视剧谍影重重之上海
变裂变混合堆包层概念,利用在不同位置放置不同乏燃料体积分数的方法对燃料增殖区实现了功率展平.计算结果表明:功率展平后的包层功率不均匀系数更小,且包层中燃料区的能量输出要比不展平情况下的能量输出高约21.7％.燃料富集度到运行末期最大可达5.23％.从中子学角度初步论证了该包层的可行性.
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2011(045)007
【总页数】7页(P811-817)
【关键词】中子学;聚变裂变混合堆;压水堆乏燃料包层
【作 者】马续波;陈义学;王继亮;王悦;韩静茹;陆道纲
阿兹特克帝国【作者单位】华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京102206;华北电力大学核科学与工程学院,北京102206
【正文语种】中 文
【中图分类】TL627
根据我国的能源发展规划，核电将成为我国能源结构中的重要组成部分。然而，我国核能的大规模、可持续发展尚受到几个重要因素的影响：核燃料资源问题、核废物处理问题、反应堆安全问题、核不扩散问题等。针对核能发展中存在的这些问题，国际及国内的研究机构进行了大量研究探索工作，其中，聚变裂变混合堆系统被认为是解决上述问题的一条非常有吸引力的技术途径［1－4］。本工作考虑聚变堆近期所能达到的技术水平，参考国际热核聚变实验堆（ITER）堆芯物理设计［5］，提出一种直接利用核废料进行发电的聚变裂变混合堆包层概念。与以往的包层设计［6－8］不同，本工作设计的包层除具有处理核废料、增殖核燃料的功能外，主要考虑燃料区的功率展平，燃料区的功率峰因子最大为1.17，并随着混合堆的运行而逐渐降低，这样既有利于混合堆的安全，又有利于包层能量的输出。
1 计算程序与核数据库
琴谱音响采用国际上通用的用于聚变堆或混合堆的中子学分析软件BISONC［9］ 和MCNP［10］。BISONC是一维离散纵标法燃耗程序，计算快捷可靠，广泛用于混合堆中子学分析。BISONC计算需要3个数据库，分别是输运库、燃耗库和响应函数库，计算使用的是程序自带的数据库，包括42中子、60种核素，采用P5展开。在本工作中氚增殖比计算采用国际上通用的粒子输运Monte－Carlo模拟程序MCNP／4C，采用IAEA发布的评价核数据库FENDL／2［11］。
2 功率展平的理论分析
金属氢
对于聚变裂变混合堆，由于中子源即等离子体位于混合堆的中心，包层位于中子源的周围，因此，如果包层中材料相同，则中子注量率随径向距离增大而减小。由反应率计算公式（式（1））可得，为了使反应率R保持为常数，需沿径向增加核子数目Nf（r）。
二甲基亚硝胺式中：Σf（r）为r处的宏观裂变截面；φ（r）为r处的中子注量率；σf为材料的微观裂变截面；Nf（r）为r处材料的核子密度。
由式（1）可知，假设R ＝C，则 Nf（r）与φ（r）成反比，即Nf（r）＝C1／φ（r），其中，
C1 可根据功率归一得到。如果假定φ（r）随径向距离成反比，则Nf（r）与径向距离近似成正比，对于混合堆运行初期，这种情况一般是近似成立的。随着混合堆的运行，核燃料增殖，φ（r）随径向距离的关系有较大变化，但总的规律是：靠近等离子体的位置增殖效果更好，中子注量率的变化也越大。根据以上分析，设计了考虑功率展平的混合堆增殖包层，并与不进行功率展平的结果进行比较。
3 包层结构和计算模型
包层结构示于图1。表1列出每一分区的材料和体积分数。考虑到中子泄漏和氚衰变等因素的影响，设计要求氚增值比TBR＞1.05。考虑到氦气的冷却能力和参照ITER［5］的设计标准，第一壁的中子壁负载设定为0.125MW／m2。包层结构材料采用低活化铁素体钢FH82，氚增殖剂采用氧化锂（Li2O）。燃料区中的乏燃料成分列于表2。乏燃料成分由ORIGEN－ARP计算得到，计算参数为：15×15型燃料组件，初始富集度为2.56%，经两个循环，燃耗为31.66GW·d／tU［12］。对于混合堆，由于中子注量率沿径向逐渐减小，为保证反应率沿径向基本保持不变，就需增加易裂变核素的核子密度或增加乏燃料的体积分数。因此，为了实现功率展平，燃料区共分为11个子区，每个子区中放置体积分数不同
的乏燃料，每个子区的成分体积分数列于表3。混合堆的运行模式是聚变功率恒定，包层中的热功率随运行时间而变化。
图1 聚变裂变混合堆球形结构包层Fig.1 Structure of spherical hybrid fusion－fission reactor RZ表示反射层，BZ表示氚增殖区，FW表示第一壁，FZ表示燃料区
表1 聚变裂变混合堆各区材料和体积分数Table 1 Material and volume fraction of hybrid fusion－fission reactorcm中心区 空位置 材料和体积分数 区号 区厚度／1 360等离子体 空 9 370刮削层 空 8，10 15.0，15.0内包层涂层 Be：100% 11 0.2第一壁 F82H：70%；高压氦气：30% 10 3.0壁F82H：70%；高压氦气：30% 2，4 1，1反射层 石墨：90%；高压氦气：10% 3 10.8氚增殖区 Li2O：20%；Be：30%；高压氦气：30% 5 29.0外包层涂层 Be：100% 11 0.2第一壁 F82H：70%；高压氦气：30% 12 3壁F82H：70%；高压氦气：30% 14，16，18，20 1，1，1，1燃料区 13 12.0氚增殖区 Li2O：20%；Be：30%；高压氦气：30% 15，17 8.8，9.0反射层 石墨：90%；高压氦气：10% 19 8.0
表2 乏燃料成分组成Table 2 Component of spent fuel核素 10－24核子密度／cm－3核素 10－24核子密度／cm－3234U 3.290×10－6237Np 9.245×10－6235U 1.293×10－4244C
m 5.778×10－7236U 7.915×10－595Mo 4.132×10－5238U 2.202×10－299Tc 4.259×10－5238Pu 3.205×10－6103Rh 2.601×10－5239Pu 1.212×10－4133Cs 4.536×10－5240Pu 5.569×10－5135Cs 1.098×10－5241Pu 1.744×10－5137Cs 3.682×10－5242Pu 1.329×10－5129I 6.570×10－6241Am 1.268×10－516O 4.404×10－2243Am 2.914×10－6
表3 燃料区成分组成及比例Table 3 Material and volume fraction of fuel zone燃料区子区号 距离／cm 燃料体积分数／% SiC包覆材料体积分数／% 高压氦气体积分数／%1 808.2 8 1.81 90.19 2 809.2 12 2.71 85.29 3 810.2 16 3.62 80.38 4 811.2 20 4.52 75.5 5 812.2 24 5.42 70.6 6 813.2 28 6.33 65.7 7 814.2 32 7.23 60.8 8 815.2 36 8.14 55.9 9 816.2 40 9.04 51 10 817.2 44 9.94 46.1 11 818.2 48 10.8 41.2
4 计算结果与分析
4.1 TBR与有效增殖因数
本系统以Li2O为氚增殖剂，Be为中子倍增剂，6Li的富集度为90%，混合堆刚开始运行时，
系统的TBR为1.24，满足氚自持。氚增殖区中Be体积份额与TBR的关系示于图2。由图2可见，TBR随氚增殖区中Be份额的增大而增大，主要原因是Be有很大的（n，2n）反应截面，Be份额的增大导致低能区的中子注量率增大，如图3所示。系统keff随运行时间的变化示于图4。由图4可知，在较长的运行时间内，系统keff随运行时间的增加而增加，但仍处于较深的次临界状态，这保证了系统可完全避免超临界的风险。系统keff如此变化的主要原因是包层中239Pu的产生率大于235U的消耗率，使得包层中的易裂变元素质量增加。
4.2 功率特性
包层的一个重要目的是产生可供发电的热量。定义能量增益为：
其中：E为平均每一个聚变中子在包层中释放的能量，MeV。
图4示出包层的能量增益随混合堆运行时间的变化。由图4可见，包层的能量增益随运行时间的增加而增加，主要原因是包层中燃料区的易裂变核素的质量随运行时间增加而增加。在运行末期，包层能量增益达到最大，为9.61。
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