石墨熔鹽堆的快中子注量率展平研究

李志峰++謝金森++曾文杰

摘 要：在石墨熔鹽堆中，快中子輻照將導(dǎo)致石墨的性能逐漸下降，當(dāng)快中子積分注量達(dá)到3×1022 n/cm2時(shí)，需對(duì)石墨進(jìn)行更換。本文針對(duì)450 MWth石墨熔鹽堆單區(qū)與三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)的快中子注量進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，采用三區(qū)堆芯方案可有效展平堆芯快中子注量率，三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)的最大快中子注量率為4.2×1013 n/cm2·s，比單區(qū)堆芯低約33%，在75%負(fù)荷因子下，三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)可滿足30年滿功率運(yùn)行，而不需更換堆芯石墨。

關(guān)鍵詞：石墨熔鹽堆 三區(qū)堆芯設(shè)計(jì) 快中子注量率展平

中圖分類號(hào)：TL329 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（a）-0078-02

熔鹽堆（MSR）作為六種GIF候選堆型中唯一的液體燃料反應(yīng)堆，采用熔融氟化鹽燃料，高溫與燃料流動(dòng)等特性，使得MSR技術(shù)成為完全不同于其他固體燃料反應(yīng)堆的一種全新核反應(yīng)堆技術(shù)。MSR在經(jīng)濟(jì)性、安全性、防核擴(kuò)散能力和燃料循環(huán)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，正逐漸引起世界各國(guó)的關(guān)注。

相比于無(wú)慢化劑的快中子熔鹽堆，石墨熔鹽堆所需的裂變材料臨界裝量少，易于臨界，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)釷鈾增殖循環(huán)。由于快中子（>50keV）對(duì)石墨的輻照損傷作用，會(huì)使堆芯石墨的性能惡化，從而導(dǎo)致慢化劑材料失效，文獻(xiàn)[1]表明，熔鹽堆中石墨所能承受的最大快中子積分中子照射量為3×1022 n/cm2。因此，通常熔鹽堆堆芯石墨需要定期更換，以美國(guó)橡樹(shù)嶺實(shí)驗(yàn)室（ORNL）的MSBR設(shè)計(jì)方案為例，每四年需要更換一次石墨，這將減小熔鹽堆的運(yùn)行效率，同時(shí)也將產(chǎn)生大量帶放射性的石墨廢物。本文基于日本的FUJI熔鹽堆概念設(shè)計(jì)[2-4]，針對(duì)單區(qū)堆芯和三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)方案的石墨熔鹽堆進(jìn)行快中子注量率分布的比較研究。

1 石墨熔鹽堆柵格參數(shù)設(shè)計(jì)區(qū)間

本文所研究的石墨熔鹽堆堆芯柵格為六角形結(jié)構(gòu)，柵格中心為圓形燃料通道其余部分為石墨慢化劑。柵格對(duì)邊距P為19 cm；燃料為L(zhǎng)iF、BeF2、ThF4、233UF4（摩爾比為71.76∶16∶12∶0.24）組成的熔鹽。在柵格大小及燃料組分固定的前提下，改變?nèi)剂贤ǖ乐睆郊纯筛淖兟瘎┡c燃料的核子比。采用連續(xù)能量蒙卡程序MCNP5計(jì)算了石墨-燃料熔鹽六角形柵格在不同燃料通道直徑下的無(wú)限增殖系數(shù)kinf，圖2給出了柵元無(wú)限增殖系數(shù)Kinf隨著石墨/233U核子數(shù)的變化曲線，對(duì)于熱中子反應(yīng)堆，柵格設(shè)計(jì)需設(shè)計(jì)在欠慢化區(qū)域以保證反應(yīng)堆的固有安全性，同時(shí)，石墨熔鹽堆通常采用石墨控制棒進(jìn)行反應(yīng)性補(bǔ)償與功率控制，通過(guò)在堆芯插入控制棒引入正反應(yīng)性（與一般的反應(yīng)堆不同），這也要求柵格設(shè)計(jì)在欠慢化區(qū)域。如圖1所示陰影區(qū)域。

2 單區(qū)與三區(qū)堆芯快中子注量率分布特性

堆芯采用準(zhǔn)圓形布置，共847個(gè)六角形燃料柵元；反射層為石墨，厚度為60 cm；堆芯容器材料為哈氏C276合金。單區(qū)堆芯設(shè)計(jì)采用同一種燃料柵格，如圖3所示。其燃料孔道半徑為5.64456 cm。

在保證堆芯總功率輸出一定時(shí)，采用多區(qū)堆芯布置方案可有效展堆芯功率分布與快中子注量率分布，從而達(dá)到延長(zhǎng)堆芯石墨壽命的目的。本文采取三區(qū)堆芯布置方案，堆芯柵元總數(shù)、柵元對(duì)邊距和徑向反射層厚度與一區(qū)堆芯方案相同。三區(qū)堆芯布置方案如圖4所示，各區(qū)的柵元數(shù)量與燃料流道直徑見(jiàn)表1。

圖5給出了堆芯功率為450MWth時(shí)，單區(qū)堆芯與三區(qū)堆芯的快中子注量率分布，從圖中可以看出，三區(qū)堆芯具備更為平坦的快中子注量率分布，快中子注量率的最大值為4.2×1013 n/cm2·s，相對(duì)于單區(qū)堆芯設(shè)計(jì)減少了約33%。若假設(shè)熔鹽堆的負(fù)荷因子為75%，則三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)方案中石墨在30年內(nèi)最大快中子積分注量為：2.98×1022 n/cm2，小于3×1022 n/cm2，在此期間無(wú)需更換堆芯石墨。

3 結(jié)論

采用MCNP5程序?qū)螀^(qū)與三區(qū)布置堆芯方案石墨熔鹽堆的快中子注量率分布進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，采用三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)方案可有效地展平堆芯快中子注量率，在同等功率水平下，其最大快中子注量率比單區(qū)堆芯方案約低33%。若單區(qū)與三區(qū)堆芯的功率均為450MWth，在負(fù)荷因子為75%時(shí)，三區(qū)堆芯設(shè)計(jì)方案可滿足30年滿功率運(yùn)行而不需更換堆芯石墨的要求。

參考文獻(xiàn)

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