CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
基于DRAGON与DONJON的熔盐堆堆芯燃料管理与优化研究
贾国斌
Subtype博士
Thesis Advisor蔡翔舟
2020-07-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword液态熔盐堆 氟盐冷却球床高温堆 燃料管理 经济性分析
Abstract在满足功率输出以及核电厂安全运行的前提下,为了降低核电厂的单位度电成本,需要确定合理的燃料管理方案。2011年中国科学院上海应用物理研究所承担研究“钍基熔盐堆核能系统”先导专项,主要研究石墨慢化的液态熔盐堆,以及球形组件的氟盐冷却球床高温堆。液态熔盐堆的燃料以液态的形式溶解在熔盐中,燃料盐中各种核素在一回路中均匀混合,具有连续后处理的燃料管理模式;氟盐冷却球床高温堆的燃料组件为具有双重非均匀性的燃料球,其在堆芯内连续移动,并且可以多次通过堆芯,在达到卸料燃耗深度后卸出堆芯。这些特征给熔盐堆的燃料管理计算带来新的挑战,因此开展熔盐堆的燃料管理研究,对于熔盐堆的设计及优化具有重要的学术意义和应用价值。首先,针对液态熔盐堆燃料均匀混合与连续后处理的特征,开发了燃料管理分析程序LMSR并进行了验证。开展了均匀化、连续后处理、加料搜索方面的研究。具体包括:1)针对2 MW液态熔盐堆建立合适的均匀化模型,在使用7群少群结构时,给出不同控制棒组的反应性积分价值、功率分布以及温度反应性系数;2)对六边形组件的液态模块化熔盐堆进行均匀化与燃耗计算,使用等效能谱的方法给出燃料均匀混合有效增殖因子随燃耗的演化;3)通过修改原有DRAGON程序的燃耗模块,计算液态熔盐堆在连续去除裂变气体以及连续添加燃料的工况;4)为了使堆芯的重金属质量守恒以及有效增殖因子保持在(1.0,1.005)之间,开发了液态熔盐堆的加料搜索模块,用来搜索液态熔盐堆运行在批次后处理与连续后处理两种模式下Th-232与U-233的加料质量。基于液态熔盐堆燃料管理程序LMSR,对150MWth小型模块化熔盐堆进行中子学分析,计算结果显示:1)当使用U-235与U-238启堆,连续加入的燃料为Th-232与U-233的条件下,批次燃料后处理提取重金属的效率至少需要90%;2)为了维持堆芯有效增殖因子在(1.0,1.005)之间,连续加入的(Th-232,U-233)中,U-233占重金属的摩尔份额在40%附近;3)钍的利用率在刚开始的两个周期内快速上升到43%,随后缓慢下降到38%,从第五个周期缓慢上升最终达到45%;4)表征堆芯安全性的温度反应性系数在整个60年寿期内都为负值。其中,在启堆时负值较大,随后逐步上升并稳定在-3pcm/K左右。其次,针对氟盐冷却球床高温堆中燃料球连续移动与多次通过堆芯的特征,开发了燃料管理分析程序PBMSR并进行验证。开展了均匀化、燃料球移动方面的研究。具体包括:1)为解决均匀化出现的泄漏效应问题以及得到下腔室熔盐的群常数,使用三步法的均匀化流程;2)基于程序PBMSR,计算氟盐冷却球床高温堆在不换料条件下的燃耗性能,计算结果显示PBMSR与文献符合很好,从而验证了PBMSR计算氟盐冷却球床高温堆的正确性;3)建立燃料球在不同流道内连续移动与燃料球卸出堆芯后的燃料管理模型。考虑到高温气冷堆与氟盐冷却球床高温堆的燃料管理模式类似,使用PBMSR计算高温气冷堆在一次通过与多次通过燃料管理模式下的卸料燃耗,以及轴向功率分布,并通过与文献进行对比,结果显示两者符合较好,从而验证了程序PB-MSR的正确性。基于程序PBMSR对1GWth氟盐冷却球床高温堆进行燃料管理方案的优化分析。考虑到燃料球在多次通过的条件下,卸出堆芯的最深燃耗依赖于单个燃料球的设计参数,因此首先对单个燃料球进行优化。优化的参数主要包含几何参数与材料参数两类。几何参数包括:(a)燃料球的直径。包括3、4、5、6cm四种直径燃料球;(b)triso在燃料球的体积填充率;(c)triso内kernel的几何形式,包括Th-232与U-233均匀混合、Th-232在内层,以及U-233在内层的三种kernel结构。优化结果显示:1)按照燃料球的浮力大于重力的要求,选择triso体积填充率在13%以内;2)根据温度反应性系数为负的要求,选择U-233占重金属的份额为14%-20%;3)根据燃耗计算的计算结果,选择U-233占重金属摩尔份额为14%,以及选择Th-232与U-233的均匀混合kernel结构;4)根据燃料球燃耗检测装置的能力,选择6cm直径的燃料球;5)考虑到轴向功率分布的均匀性,选择燃料球在堆芯内循环31次再卸出堆芯的燃料管理方案。最后,为了计算熔盐堆的经济性能,开展了理论模型与成本单价方面的研究,开发了适用于熔盐堆的经济性分析程序MSR-ECONS并进行验证。理论模型方面具体包括:1)增加小型模块化反应堆的计算模型;2)根据液态熔盐堆特有的燃料循环模式,建立相应的燃料成本的计算模型。成本单价方面具体包括:1)针对液态熔盐堆特有的燃料循环前道与后道,给出相应工艺流程较为准确的成本单价。为了验证MSR-ECONS的正确性,与四代堆论坛开发的经济性分析程序G4-ECONS进行对比,结果显示两者符合很好,从而验证了程序MSR-ECONS的正确性。基于程序MSR-ECONS对150MWth小型模块化液态熔盐堆与1GWth氟盐冷却球床高温堆核能系统开展全生命周期的成本分析。计算结果显示:1)十五个模块化液态熔盐堆堆芯组合成的核能系统SMMSRs的单位度电成本为$48.44/MWh;2)三个PB-FHR模块化熔盐堆组合成的核能系统,单位度电成本为$53.12/MWh。相比较成熟的压水堆($47.97/MWh)成本较高的原因为,上面两种堆芯在运行过程中都是用了成本较高的燃料U-233。但是小型模块化熔盐堆SMMSRs通过批次后处理有效降低了燃料循环前道U-233的需求,因此单位度电成本比氟盐冷却球床高温堆低。总之,本文对液态熔盐堆与氟盐冷却球床高温堆两种堆型开展了燃料管理方法的研究,开发了液态熔盐堆燃料管理分析程序LMSR与氟盐冷却球床高温堆燃料管理分析程序PB-MSR并进行验证。为了给出以上两种堆型的全生命周期成本,开发了适用于熔盐堆的经济性分析程序MSR-ECONS并进行验证。在此基础上,针对150MWth小型模块化熔盐堆以及1GWth氟盐冷却球床高温堆开展了相应的分析,所得出的结论对于制定熔盐堆的燃料管理方案具有重要的参考价值,所开发的程序也可用于熔盐堆的优化设计。
Pages150
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32446
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
贾国斌. 基于DRAGON与DONJON的熔盐堆堆芯燃料管理与优化研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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