第30卷 第1期核科学与工程
Vol.30 No.1 2010年 3月
Chi nese Journal of Nuclear Scie nce a nd Engi neeri ng
Mar. 2010
收稿日期:2009206230；修回日期:2010202205
混流式风机基金项目中科院知识创新工程重要方向项目；中科院重大科学装备;I T R 计划专项项目
作者简介蒋洁琼(—
)，女，安徽人，博士生，现从事反应堆中子物理学设计研究聚变裂变混合发电堆水冷包层中子学设计分析mpeg编码
蒋洁琼
1.2
，王明煌
1.2
，陈
忠
1.2
，邱岳峰
1.2
，刘金超
1.2
，吴宜灿
1.2
,FDS 团队
1.2
(1.中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031;2.中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230027)
摘要：主要针对聚变裂变混合发电堆FDS 2EM 水冷包层的能量倍增因子M 和氚增殖率T BR 等中子学参数进行优化计算。FDS 2EM 包层主要设计目标是在氚自持的基础上获得约1G W 的电功率，并且尽可能长时间连续运行不换料。通过初步设计分析给出一个使用核废料(压水堆卸出的废料钚、锕系加上贫铀)作为裂变燃料，能够实现氚自持、能量倍增因子约为90等设计目标，且连续运行至少10年不换料的中子学方案。 关键词：聚变；包层；混合堆；中子学
中图分类号:TL6113 文献标志码:A 文章编号:025820918(2010)0120065207
N eutr onics design and analysis of w ater 2cooled ener gy
pr oduction blanket f or a f usion 2f ission hybr id r eactor
J IAN G Jie 2qiong 1.2,WAN G Mi ng 2huang 1.2,C H EN Zho ng 1.2,Q IU Yue 2feng 1.2,
L IU Jin 2chao 1.2,WU Y i 2can 1.2,FDS Tea m 1.2
(1.Inst it ut e of Plasma Phys i cs ,C hi nes e Academy of Sciences ,He f ei of Anh ui Prov.230031,China ;
2.School of Nuclear S ci ence and Technology ,Universit y of Science and Technology of C hi na ,
Hefei of Anhui Pro v.230027,Chi na )
A bstract :Neut ronics calcul at ions were performed t o a nal ysi s t he parameter s of blanket ener gy mul tipli cation factor (M )and t rit ium breedi ng ratio (T
B R )i n a f usion 2fission hybrid reactor for energy production na me d FDS 2EM (Energy Mult iplier )bla nket.The most significa nt and mai n goal of t he water 2cool ed FDS 2EM bla nket i s to achieve t he ener gy gain of about 1GW wi t h self 2sust ai ning t ri tium ,w hich ca n ope rat e for as lo ng a s possible wit hout f uel unloa di ng and reloading.The preli mi narily designed ne ut ronic s parameter s for FDS 2EM were prese nte d ,which show t hat t he bla nket loa ded wi t h t he N uclear Wast e (t ransuranic from 33000MWD/M TU PWR and deplet ed uranium )for ener gy mul tiplication (M ≈90)wi t h t rit ium self 2sufficiency ca n operate for at l ea st
5
6:E :1980
10year s wit hout fuel unloa di ng and reloa di ng.
K ey w or ds:fusion;blanket;hybrid reactor;ne ut ronics
为了应对能源短缺和环境污染等问题，人类需要寻新的替代能源，核能是公认现实可行的可大规模替代常规能源的既清洁又经济的现代能源。聚变相关的最近实验进展和相关的理论进展已经证明了聚变能的可行性，但是普遍认为聚变能要实现商业应用还有很长的路要走。一些国家急速发展裂变工业应用，然而裂变将面临燃料短缺、安全和放射性废料等问题。聚变2裂变混合堆有许多潜在的优点：好的安全性、充足的燃料、降低对聚变及材料等方面的要求等[123]。混合堆是有望成为解决大力发展裂变能带来的诸多问题的有效途径之一，同时也可作为推动永久清洁能源———纯聚变能商用化技术发展的重要台阶[4]。国内外已经开展许多关于聚变2裂变混合堆的研究[5216]，特别是近几年混合堆的研究格外受到国内外多家研究机构的青睐[17222]。FDS团队最近提出了基于现有的或者适当外推的聚变技术和成熟的裂变压水堆技术的聚变裂变混合发电概念堆FDS2EM (Energy Mul tiplier)[23225]，并作为FDS系列概念堆[19,26230]之一开展相关设计研究。
本文是以FDS2EM包层的能量倍增因子M(Multiplicat io n f actor)[31]和氚增殖率T BR (Tri ti um Breedi ng Ratio)等中子学参数为目标参数进行优化计算。表1列举了FDS2EM水冷发电包层的工程约束条件和优化设计目标。FDS2EM的一个主要目标是在运行期间不进行装料换料操作的情况下，能够在尽可能长(10a 或者更长)的时间内保持平稳的电功率输出，即在考虑泵功率、加热功率、系统辅助功率等消耗后希望能够获得净电功率约110GW。水作为冷却剂的热电转换效率约33%，因此总热功率设计为315～415GW，如当聚变功率为50 MW时，期望M能够达到约90；当聚变功率为150MW时，期望M约为30；当聚变功率为500MW时，期望M约为9。同时为满足聚变燃料氚自持需求，并考虑系统的氚泄漏和衰变，一般要求TB R≥1105。考虑到安全裕度和热工冷却能力的限制，中子有效倍增因子(k ef f)和最大的区平均功率密度PD max(t he maxim um Power Densi t y averaged i n each zone)，分别为k eff≤0196和PD max≤100MW/m3。
表1 FDS2EM中子学设计原则和目标
T a ble1 Ma in Co n str a ints and Object ives o f N eutr o n ics D esign Pa ra meter s f or FDS2EM 参数原则目标
P fu/MW50/150/500—
k ef f≤0196安全裕度
P D max/(MW/m3)≤100热工冷却能力限制TB R—≥1105(氚自持)
初装料量
U D U O2(贫铀)
PuO2/MAO2(钚和锕系)：压水堆卸料平衡
尽可能小
M—50MW聚变功率：约90 150MW聚变功率：约30 500MW聚变功率：约9
燃料循环—尽可能长时间连续运行不换料
本文中第1部分介绍了FDS2EM水冷发电包层概念与中子学模型；第二部分是中子学方案设计优化；第三部分在优化的基础上，进行燃耗分析和换料方案设计，初步给出一个能够满足氚自持、
66
能量倍增因子约为90等优化目标，且连续运行至少10a不换料方案；最后给出了结论。
1 包层概念与中子学模型
本文的计算模型(一维简化模型见图1)是基于FDS2EM的几何模型：大半径R=4m，小半径a=1m，拉长比κ=117。FDS2EM包层系统靠外中子源驱动而运行在次临界状态下，依托能够自持的聚变裂变燃料循环来进行氚增殖和能量生产。基于成熟的压水堆技术的包层设计主要包括两个典型的功能包层：内包层和外包层。内包层主要是氚增殖包层(TBB)，外包层主要利用裂变材料来产生能量(EPB)和利用氚增殖剂来增殖氚
。
图1 FDS2EM的一维径向简化模型示意图
Fig.1 Ra dial Configura tion of FDS2EM
设计中选择的结构材料是低活化钢
RAFM钢(如CL AM:Chinese Low Acti vat io n
Marte nsit ic st eel)[32]，其具有抗辐照性能和低
活化放射性等优良品质。裂变材料采用的化学
形式是氧化物。氧化物相对于金属燃料、氮化
物燃料和碳化物燃料其具有大量的燃料堆内运
行经验可以借鉴；氧化物具有较高的熔点和化
学稳定性，而且其在空气中是稳定的，这可以降
低工艺处理过程中对安全的需求。其中燃料形
状设计成棒状，包壳材料使用的是锆合金。轻
水作为冷却剂同时作为中子慢化剂；液态锂铅
因高氚增殖能力和良好的导热性作为氚增殖剂
同时用作自身冷却，铅同时可作为中子倍增剂。
中国工程物理研究院
本文计算选用核废料(裂变堆乏燃料)作为
裂变燃料，其中核废料的定义是压水堆卸出的
废料Pu和LL MA(Lo ng2Lived Mi nor Acti2
ni des)(装料按照同一商业压水堆卸出的比例
来装，避免钚、锕系的再分离)加上贫铀。在选
用核废料作为裂变燃料的情况下，考察①外包
层工作区不同的排放顺序;②冷却剂不同的体
积百分比;③聚变功率不同的大小等因素对M
和TB R等中子学参数影响进行优化计算。
计算使用的程序是由FDS团队自主研发
的大型集成多功能中子学计算和分析系统V2
B US[3323]。V BU S是基于成熟计算核
心开发和网络环境构架的大型集成多功能中子
学计算与分析系统。强大的计算能力和友好的
用户界面使其可方便应用于反应堆物理设计、
燃料管理优化、辐照屏蔽计算、核安全分析与环
境影响评价等领域的中子、光子和电子模拟计
算与分析。最基本的计算功能是实现一维到三
维S N、MC、S N/MC耦合的输运计算以及多种
方法的燃耗计算。使用的数据库是
H ENDL[35]，包括分别适用于S N方法的多数
据库HENDL/M G和MC方法的连续能量数
据库HENDL/MC，原始评价数据来自于国家
上广泛使用的几大评价核数据库如F ENDL、
ENDF/B、J ENDL、J EF和B ROND等。本文给
出的是基于一维简化近似处理的球模型(见
图1)的输运燃耗计算结果。各个区的功能与
材料成分以及径向尺寸见表2，其中模型1和
模型2的区别见211节。
2 中子学方案设计优化
211 外包层功能区不同的排放顺序
之前的研究表明，为了增殖更多的氚
Li17Pb83中的Li需要浓缩[36]。在本文中使用
小丑快递的是Li17Pb83，其6Li的丰度浓缩为90%。为了
获得高的TB R和M，分别考察了外包层产氚
6
i
sual4i sual
7
表2 轻水作为冷却剂的FDS2EM模型的材料成分和径向尺寸
T a ble2 Mater i a ls Composition a nd Radial Si zes of FDS2EM(W a ter2Cooled)
分区材料(体积分数/%)厚度/cm 内包层
第一壁CLA M(75)+H2O(25)2
氚增殖区Li17Pb83(6Li:90%)(100)38
屏蔽层CLA M(75)+H2O(25)40
外包层
第一壁CLA M(75)+H2O(25)7(模型1)
2(模型2)
燃料区
计算机软件保护条例50MW聚变功率
150MW聚变功率
500MW聚变功率H2O(75)+PuO2(8)+MAO2(01963)+U DU O2(61037)+Zr(10)
H2O(60)+PuO2(11)+MAO2(11325)+U DU O2(171675)+Zr(10)
H2O(50)+PuO2(1117)+MAO2(11421)+U DU O2(261779)+Zr(10)
H2O(40)+PuO2(12133)+MAO2(11485)+U DU O2(361185)+Zr(10)
H2O(30)+PuO2(1212)+MAO2(11469)+U DU O2(361331)+Zr(10)
H2O(60)+PuO2(915)+MAO2(11144)+U DU O2(191356)+Zr(10)
H2O(60)+PuO2(2)+MAO2(01241)+U DU O2(271759)+Zr(10)
17
(模型1)
燃料区
500MW聚变功率
150MW聚变功率
500MW聚变功率H2O(75)+PuO2(8)+MAO2(01963)+U DU O2(61037)+Zr(10)
H2O(60)+PuO2(11)+MAO2(11325)+U DU O2(171675)+Zr(10)
H2O(50)+PuO2(1117)+MAO2(11421)+U DU O2(261779)+Zr(10)
H2O(40)+PuO2(12133)+MAO2(11485)+U DU O2(361185)+Zr(10)
H2O(30)+PuO2(1212)+MAO2(11469)+U DU O2(361331)+Zr(10)
H2O(75)+PuO2(8)+MAO2(01963)+U DU O2(61037)+Zr(10)
H2O(60)+PuO2(11)+MAO2(11325)+U DU O2(171675)+Zr(10)
H2O(50)+PuO2(1117)+MAO2(11421)+U DU O2(261779)+Zr(10)
H2O(40)+PuO2(12133)+MAO2(11485)+U DU O2(361185)+Zr(10)
H2O(30)+PuO2(1212)+MAO2(11469)+U DU O2(361331)+Zr(10)
611aaH2O(60)+PuO2(9)+MAO2(11084)+U DU O2(191916)+Zr(10)
17
(模型2)
结构壁CLA M(75)+H2O(25)7/2(模型1)
7/7(模型2)锂铅区Li17Pb83(6Li:90%)(100)25(模型1)
25(模型2)反射层C(100)30
屏蔽层CLA M(75)+H2O(25)50
工作区和产生能量的工作区排放顺序不同，即裂变燃料区靠近等离子体区(模型1)和锂铅区靠近等离子体区(模型2)。对于模型1，裂变燃料区是安排在靠近等离子体区、锂铅区远离等离子体区，而对于模型2，锂铅区是安排在靠近等离子体区而裂变燃料区是远离等离子体区。表3给出模型1和模型2的k eff,M,TB R, P D max等中子学计算参数，其中聚变功率是50MW和150MW的方案中，根据水的体积百分比优化结果(详见212节)只给出水的体积百分比为60%的计算结果。
据表3，从聚变功率为5MW的计算结果
6
0 8
知，当裂变燃料区和锂铅区排放顺序不同时，两种排放顺序得到的TB R均能满足氚自持，但是当裂变燃料区靠近等离子体区时，其M值比锂铅区靠近等离子体区的M值大。而对于聚变功率为150MW和500MW，在裂变燃料区靠近等离子体的模型中，则均不能实现氚自持。
表3 FDS2EM包层优化计算的中子学参数
T a ble3 Para meter s o f N eutr o n ics2Optimiza ted Ca lcula tion of Blankets f o r FDS2EM
方案燃料区靠近等离子体区(模型1)锂铅区靠近等离子体区(模型2)
聚变功率50MW
H2O百分比75605040307560504030
功率/ (GW e/GW th)1105/
3119
1120/
3164
1119/
3162
1116/
3153
1110/
3133
0134/
1102
0137/
1113
0133/
1100
0134/
1104
0130/
0190
k ef f0195019501950195019501940194019401940193 P D max/(M W/m3)7917571857155610521614101518131914151213 TB R1112113511421149116411301135113411371137 M7917911090158811831225142814251126102215聚变功率150MW
H2O百分比75605040307560504030
功率/ (GW e/GW th)—
2124
6180
———
1102/
3106
1111/
3139
0199/
3100
1102/
3112
019/0
2170
k ef f—0195———01940194019401940193 P D max/(M W/m3)—10710———42104713411743153710 TB R—0190———11301135113411371137 M—5616———25142814251126102215聚变功率500MW
H2O百分比75605040307560504030
功率/ (GW e/GW th)—
2168/
8112
————
2116/
6155
———
k ef f—0181————0190———P D max/(M W/m3)—12510————8813———TB R—0142————1123———M—2013————1614———
212 冷却剂不同的体积百分比
为了考察裂变燃料中冷却剂水的比例高低对中子学参数TB R和M等值的影响，表3给出了当聚变功率为50MW时，水的体积百分比为75%、60%、50%、40%、30%的计算结果。
从计算结果可以看出，在满足氚自持的前提下，水的比例不同得到M值不同，其中当水的体积百分比相对较高为60%时，得到的M 值较大，如聚变功率为5MW，在模型和模型2中，水的体积百分比均为60%,M最大分别为9110和2814；进一步由聚变功率是150MW，模型2的计算结果知，水的百分比同样为60%得到的M最大，为2814。
213 聚变功率不同的大小
从理论上，同一个系统其包层能量倍增因子和聚变功率的大小没有关系，但是若考虑工程冷却能力的限制条件，在不同的聚变功率下，包层得到的能量倍增将可能因为受到限制条件
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