CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
熔盐热堆嬗变长寿命裂变产物的中子学性能分析
马坤峰
Subtype硕士
Thesis Advisor陈金根
2020-05-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword熔盐堆 长寿命裂变产物 钍铀循环 嬗变
Abstract长寿命裂变产物(Long-lived Fission Products,LLFPs)是核废料放射性的主要来源,随着核能系统大量部署运行,积累的LLFPs严重阻碍了核能的可持续发展。分离-嬗变法可有效解决LLFPs放射性对环境的影响。相对于传统固态堆,熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)可在线填料和在线后处理,在钍燃料增殖和LLFPs的嬗变方面有独特的优势。~(129)I和~(135)Cs具有半衰期长、产额高、放射性系数大等特点而成为LLFPs中重要的放射性核素,其放射性对生态环境造成极大的威胁。同时,~(129)I和~(135)Cs易溶于熔盐,非常适合在MSR中嬗变。基于这些特点,本文开展了在单流双区钍基熔盐堆(single-fluid double-zone Thorium Molten Salt Reactor,SD-TMSR)中进行~(129)I和~(135)Cs的嬗变研究,结合MSR在线添换料特性提出了不同的嬗变方案,并利用在线后处理程序分析不同的嬗变方案对堆芯的中子学性能影响,以评估SD-TMSR嬗变~(129)I和~(135)Cs的效率。针对轻水堆(Light Water Reactor,LWR)的乏燃料~(129)I,本文采用了两种嬗变方案:方案一是维持堆内~(129)I的质量恒定;方案二是仅在初始时刻装载~(129)I,即初始装载嬗变方案。对于两种方案,~(129)I以LiI形式代替熔盐中部分LiF加入堆芯。首先,分析这两种嬗变方案对堆芯Th-U增殖性能的影响,结果表明:两种嬗变方案在保证运行60年实现Th-U自持情况下LiI的初始摩尔比分别是0.40%和0.87%。然后,通过改变添加堆内~(129)I的量对比分析两种嬗变方案的嬗变效率,结果表明:在相同~(233)U净产量下方案二的嬗变性能高于方案一的嬗变性能。因此,对于SD-TMSR嬗变~(129)I,本文推荐LiI的初始摩尔比为0.87%的初始装载嬗变方案,在60年的运行周期内,该方案在实现Th-U自持情况下可以嬗变1.88 t的~(129)I。针对~(135)Cs在SD-TMSR中的嬗变,本文开展两部分研究:一部分是嬗变LWR乏燃料中的~(135)Cs,另一部分是嬗变MSR自身产生的~(135)Cs。对于两部分的嬗变研究,~(135)Cs以CsF形式代替熔盐中部分LiF加入堆芯。(1)对LWR乏燃料~(135)Cs,本文采取仅在初始时刻装载~(135)Cs方案对其进行嬗变性能分析,当燃耗时间为60年时,相对于~(129)I的嬗变效率,堆芯在Th-U自持情况下的嬗变效率较低(~(135)Cs的嬗变质量和嬗变份额分别为0.11 t和29%)。为了进一步研究深燃耗下SD-TMSR嬗变~(135)Cs的能力,本文将CsF的初始摩尔比调整为1.0%,燃耗时间延长到120年,堆芯在实现Th-U增殖的情况下(~(233)U净产量为0.58 t)嬗变0.48 t的~(135)Cs,嬗变效率高达80.12%。(2)SD-TMSR在运行过程中,堆芯的鼓泡系统会将熔盐中~(135)Xe气体吹出堆外以降低氙毒影响,吹出的~(135)Xe将衰变成~(135)Cs。本文提出“冷却-嬗变”法将在堆外~(135)Xe衰变生成的~(135)Cs返回堆芯进行嬗变。经过计算SD-TMSR的~(135)Xe堆外产生速率为3.48 g/h。为了提高~(135)Cs在衰变固态Cs中质量份额,本文在堆外的气体后处理系统中设计了冷却系统,将衰变生成固态Cs中~(135)Cs的质量份额提高到80%,然后将衰变生成的~(135)Cs返回堆芯进行嬗变。针对MSR可在线添料特性,本文提出了边燃耗边嬗变方案,将~(135)Cs在线返回堆芯(添加质量速率3.48 g/h),其优势在于不需要专门的嬗变堆来嬗变SD-TMSR产生的~(135)Cs,计算结果表明:SD-TMSR经过60年燃耗可以在Th-U增殖(~(233)U净产量为1.83 t)情况下嬗变自身产生~(135)Cs(~(135)Cs的嬗变质量和嬗变份额分别为0.70 t和38%)。然后,基于~(129)I的嬗变结果,本文采取仅在初始时刻装载~(135)Cs方案来提高嬗变效率,在60年的运行周期内,堆芯在Th-U自持情况下可以嬗变63%的~(135)Cs,但是嬗变的~(135)Cs质量(1.7 t)略小于其在相同时间内自身产生的~(135)Cs质量(1.83 t)。另外,高~(135)Cs的装载有高的嬗变效率,且嬗变产生的乏燃料中有高的~(135)Cs冷却质量份额,有利于~(135)Cs的下一级嬗变,所以建议仅在初始时刻装载高质量的~(135)Cs情况下嬗变MSR产生的~(135)Cs。但是高~(135)Cs的装载不利于堆芯的Th-U增殖,因此建议专门建造嬗变熔盐堆来实现边发电边嬗变。初步分析,当CsF的初始摩尔比为1.9%时,堆芯经过60年燃耗可以嬗变1.65个1 GWe熔盐堆产生的~(135)Cs。
Pages83
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32522
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
马坤峰. 熔盐热堆嬗变长寿命裂变产物的中子学性能分析[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
Files in This Item:
File Name/Size DocType Version Access License
马坤峰.pdf(2873KB)学位论文 开放获取CC BY-NC-SAApplication Full Text
Related Services
Recommend this item
Bookmark
Usage statistics
Export to Endnote
Google Scholar
Similar articles in Google Scholar
[马坤峰]'s Articles
Baidu academic
Similar articles in Baidu academic
[马坤峰]'s Articles
Bing Scholar
Similar articles in Bing Scholar
[马坤峰]'s Articles
Terms of Use
No data!
Social Bookmark/Share
All comments (0)
No comment.
 

Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.