CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
钍基氟盐冷却高温堆燃料球中子学性能优化研究
房勇汉
Subtype博士
Thesis Advisor蔡翔舟
2019-05-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Place of Conferral中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword钍基氟盐冷却高温堆 燃料球 三结构同向性型包覆燃料颗粒 燃耗 破损率
Abstract氟盐冷却高温堆(Fluoride salt-cooled High-temperature Reactor,FHR)作为第四代先进核反应堆六种候选堆型之一,采用熔盐冷却和已成熟的三结构同向性型(TRi-structural ISOtropic,TRISO)包覆燃料颗粒技术,使其具有很多固有的安全性。本论文以FHR中燃料球为研究对象,以优化新燃料组分、燃料球的结构尺寸等参数的方式,从中子物理学上对钍燃料利用进行一系列分析,给出高燃耗并符合运行安全的燃料球结构设计。论文中的中子物理模拟采用蒙特卡洛方法,工具是采用橡树岭国家实验室开发的Standardized Computer Analyses for Lisensing Evaluatio(SCALE)6.1软件,其中分别使用SCALE 6.1中自带的CSAS6模块和TRITON模块进行临界和燃耗计算。破损率的计算采用PANAMA理论模型来进行。本论文在FHR上利用钍资源,首先考虑燃料组分和燃料球结构的问题。在六种燃料组合的对比分析基础上,选取FHR上最适合钍利用的一种燃料组合即~(233)UO_2-~(232)ThO_2进行研究。开展了燃料组分参数~(233)U占重金属比重(~(233)U/HM)从5.0%到20.0%和燃料球结构参数碳与石墨原子数比(C/HM)从66到800的研究,对这些参数在FHR上表现的中子物理性能进行对比分析,主要分析了堆芯初始剩余反应性(k_(eff))、堆芯初始温度反应性系数、转换比(CR)、燃耗和对应的易裂变核素的利用率,给出了适合这种大功率FHR的燃料球组分和结构设计参数。计算结果显示:考虑熔盐中产生空泡时堆芯应处于固有安全状态,设计上选取堆芯处在欠慢化区即k_(eff)随C/HM增大而增加的区域,并选取~(233)U/HM最高的20.0%所能达到欠慢化与过慢化的交界处的最大C/HM为400作为以后讨论的范围;进一步分析了堆芯的中子能谱和能谱因子以及堆芯的中子平衡随~(233)U/HM和C/HM的变化规律;为保证堆芯固有的负反馈的要求,将C/HM的范围缩小到304以下,并详细分析了~(233)U/HM和C/HM对堆芯燃料温度反应性系数(FTCR)、冷却剂空泡反应性系数(CVRC)、总温度反应性系数(TCR)的影响;在缩小的~(233)U/HM和C/HM范围内,分别针对固定~(233)U/HM和固定C/HM的情况,分析了堆芯的燃耗演化规律以及演化过程中的CR变化规律;为保证燃料的高效利用,引入单位易裂变核素燃耗的概念,分别固定~(233)U/HM和C/HM,对堆芯的燃耗深度和易裂变核素燃耗进行筛选,并推荐最优~(233)U利用的一种燃料球结构形式即~(233)U/HM=12.5%、C/HM=124。其次,针对以上优化的结果,选取~(233)U/HM为12.5%的燃料组分形式,对究燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒结构开展设计优化。燃料球内的TRISO包覆燃料颗粒采取紧挨着彼此的排布方式,分别对其kernel半径、包覆层厚度和包覆层密度进行研究。对比分析了kernel半径从0.005 cm~0.06 cm情况下的堆芯初始剩余反应性、堆芯初始中子能谱和能谱因子。在FHR中,kernel半径的改变仍需要空泡产生时堆芯安全的问题,将kernel半径优化范围缩小为0.01 cm~0.06 cm。对kernel半径的优化也要保证堆芯固有的温度负反馈要求,研究了堆芯温度反应性系数(TCR)随kernel半径的变化情况。计算结果显示:TCR都为负值且随kernel半径的增大逐渐变小,当kernel大于0.04 cm时,负反馈随kernel半径变化不明显,将kernel半径优化的范围缩小为0.01 cm~0.04 cm。裂变气体的行为会影响TRISO包覆燃料颗粒的安全性,分析了不同kernel半径情况堆芯主要的裂变气体氙(Xe)、氪(Kr)、碘(I)随燃耗的变化情况,将kernel半径优化的范围缩小为0.015 cm~0.025 cm。基于PANAMA模型统计出kernel半径在0.015cm~0.025 cm范围内燃料球中TRISO包覆燃料颗粒的破损率随kernel半径的变化规律,将kernel半径尺寸确定为破损率最小的0.015 cm。针对不同kernel半径,分别开展包覆层厚度和密度的研究,分析它们对堆芯中子物理特性的影响。计算结果显示:疏松热解炭(PrC)层和内致密热解炭层的厚度对k_(eff)的影响较大,且PrC层的厚度增加有助于破损率降低,碳化硅(SiC)层的厚度减少,会使破损率增加,密度变化对k_(eff)的影响很小。最终确定TRISO包覆燃料颗粒的kernel半径为0.015 cm,包覆层的厚度和密度仍适用。最后,在上面研究结果的基础上,对燃料球的尺寸进行优化研究,主要分析了燃料球的内径、外径和包壳厚度对堆芯中子物理特性的影响。为确保堆芯达到足够深的燃耗,燃料球的内径和燃料球的外径需要设计偏大;燃料球的包壳厚度需要降低,本论文中以燃料球包壳厚度为0.3 cm为宜。对燃料球尺寸设计也要保证堆芯固有的负反馈和低破损率的要求。保持燃料球包壳厚度为0.3 cm不变,对燃料球的外径进行优化研究,分析了TCR和TRISO包覆燃料颗粒的破损率随燃料球外径的变化情况。燃料球外径越大,TCR越低,破损率越大。最终,给出燃料球尺寸的推荐即燃料球的内径为2.1 cm,燃料球的外径为2.4 cm。这种尺寸设计的燃料球使堆芯燃耗为120 GWd/tHM,TCR为-2.935 pcm/K,破损率为4.511×10~(-7)。以上的分析从燃料球和TRISO包覆燃料颗粒设计角度在FHR和钍基熔盐堆(TMSR)上实现有效钍利用具有一定的参考价值。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31193
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Recommended Citation
GB/T 7714
房勇汉. 钍基氟盐冷却高温堆燃料球中子学性能优化研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2019.
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