钍基氯盐快堆燃耗性能研究
彭一鹏
学位类型硕士
导师蔡翔舟
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词氯盐快堆 钍铀燃料循环 燃耗性能 增殖与嬗变
摘要与传统轻水反应堆相比,熔盐堆作为第四代先进核能系统之一,在固有安全性、中子经济性、核资源的有效利用和防核扩散等方面均有突出的优势。熔盐堆通常选用液态氟盐或者氯盐作为燃料载体盐和冷却剂,所对应的概念设计包括氟盐热堆、氟盐快堆与氯盐快堆,其中氯盐快堆的中子能谱较硬、锕系核素俘获裂变比较小且溶解度更高,可以获得更好的钍铀燃料增殖比。同时由于钍铀燃料循环产生的长寿命放射性超铀核素更少,钍基氯盐快堆在嬗变超铀核废料方面也具有一定的技术优势,因此开展氯盐块堆的增殖和嬗变性能研究对提高核燃料利用率具有重要的应用价值。本文采用熔盐堆在线添料和后处理程序MSR-RS(Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence)进行了氯盐块堆的分析优化,基于MSFR(Molten Salt Fast Reactor)的概念设计,针对四种不同启堆燃料将MSR-RS程序计算得到的燃耗结果与参考文献进行了比较,发现二者符合较好,表明了MSR-RS程序在模拟计算熔盐快堆燃耗时的适用性。本文针对氯盐快堆的熔盐组成、后处理等方面进行了优化,以利于提升其增殖及嬗变性能。基于熔盐嬗变堆MOSART(Molten Salt Actinide Recycler and Transmuter)的单区堆芯结构,采用MSR-RS程序进行分析,首先分析了不同载体盐和启动燃料对燃耗性能的影响,给出了优化的熔盐成分;然后引入离线批处理和在线连续处理以提升燃耗性能。结果表明:在氯盐快堆中,高重金属溶解度的NaCl更适合作为载体盐;相对于Pu燃料,TRU中MA含量的增加有助于提升增殖性能;采用离线批处理能够达到较好的燃耗性能,降低了对后处理系统的要求。综合分析结果,提出了添料模式简单、后处理可行、钍利用性能优异的单区氯盐快堆设计。优化后的反应堆燃耗时间延长到31年,燃耗深度提高至210GW·d/t左右,~(233)U的积累量达到8.3 t,并且最终消耗了约12 t的TRU,其对应的嬗变率为62.1%。本文基于对熔盐成分的研究结果,结合在线添料与后处理技术,对氯盐快堆的堆芯布置方式以及~(37)Cl的富集度进行了分析,提出了双区氯盐快堆的结构设计。结果表明,当增殖层厚度为70 cm、~(37)Cl富集度为97%时,反应堆具有较好的中子经济性和增殖性能,进一步增加增殖层厚度或者提高~(37)Cl富集度对性能提升不明显。最终,经过优化后的双区氯盐快堆具有较小的负反应性温度系数,而且达到了较好的增殖与嬗变性能,其燃料倍增时间缩短至20 a,对TRU和MA的嬗变量分别达到150 kg/(GW·a)、371 kg/(GW·a)。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28493
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
彭一鹏. 钍基氯盐快堆燃耗性能研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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