釷基液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆氙毒分析

郭 晨 冀銳敏 陳金根 劉桂民

釷基液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆氙毒分析

郭 晨1,2,3冀銳敏1,2,3陳金根1,2,3劉桂民1,2,3

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）
2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）
3（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院 上海 201800）

熔鹽堆作為第四代核能系統(tǒng)堆型之一，液態(tài)燃料形態(tài)的特點(diǎn)使其可以實(shí)現(xiàn)在線處理和在線添料。為了提高中子經(jīng)濟(jì)性可以利用在線處理的氦鼓泡法，將氦氣通入反應(yīng)堆一回路，去除堆芯內(nèi)的裂變氣體（如Xe、Kr）?；阝Q基熔鹽液態(tài)堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel1, TMSR-LF1)概念設(shè)計(jì)，結(jié)合熔鹽實(shí)驗(yàn)堆(Molten Salt Reactor Experiment, MSRE)氙毒模型，分析了鼓泡法去除氙毒中135Xe擴(kuò)散規(guī)律和去除效率對(duì)氙毒的影響，并給出了對(duì)應(yīng)的初始有效增殖因子的變化規(guī)律。分析結(jié)果表明，雖然存在135Xe會(huì)大量向石墨擴(kuò)散的可能性，但是鼓泡法仍然可以有效去除TMSR-LF1堆芯內(nèi)的135Xe，減小堆芯毒性，提高反應(yīng)性。

熔鹽堆，氙毒，鼓泡法，在線處理，有效增殖因子

為了進(jìn)一步推動(dòng)核能的技術(shù)發(fā)展，四代堆國(guó)際論壇提出了第四代核能系統(tǒng)概念，使其具有更好的安全性、經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力、防核擴(kuò)散性，以及更少的放射性核廢物排放。第四代核能系統(tǒng)選出氣冷快堆、鉛冷快堆、熔鹽堆、鈉冷快堆、超臨界水冷堆、超高溫氣冷堆6種候選堆型作為未來(lái)先進(jìn)堆型的研發(fā)重點(diǎn)[1]。在20世紀(jì)50-60年代，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)通過(guò)飛行器反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)(Aircraft Reactor Experiment, ARE)和熔鹽實(shí)驗(yàn)堆(Molten Salt Reactor Experiment, MSRE)項(xiàng)目研究過(guò)熔鹽堆，其中ARE在1954年滿功率運(yùn)行40 h，MSRE在1965-1969年滿功率運(yùn)行475 d[2-3]。

中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所目前正在承擔(dān)中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性科技先導(dǎo)專項(xiàng)——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，部署了固態(tài)燃料熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor-Solid Fuel, TMSR-SF)和液態(tài)燃料熔鹽堆(Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel, TMSR-LF)的研發(fā)。為充分利用中國(guó)豐富的釷資源，釷基熔鹽堆采用232Th作為熔鹽堆的可增殖核燃料，通過(guò)中子俘獲增殖出易裂變?nèi)剂?33U。釷基液態(tài)燃料熔鹽堆作為四代堆中唯一的液態(tài)燃料核反應(yīng)堆，由于在線燃料添加和在線處理（如中子毒物去除和重金屬回收），可以實(shí)現(xiàn)較低的剩余反應(yīng)性運(yùn)行及較高的中子經(jīng)濟(jì)性。在線處理流程主要包括氦鼓泡法、氟化揮發(fā)法、電解法等。氦鼓泡法可以在線快速提取Xe、Kr等惰性氣體和一些難溶的惰性金屬；需要處理的熔鹽先通過(guò)氟化揮發(fā)法提取分離U、Np、Pu等錒系核素，然后再利用電解還原提取分離Pa和鑭系核素，然后將錒系核素返回堆芯，去掉鑭系核素，從而可實(shí)現(xiàn)熔鹽堆的閉式循環(huán)[4]。

熱中子吸收截面很大的135Xe是熱堆中首要考慮的中子毒物[5]。釷基液態(tài)燃料熔鹽堆設(shè)計(jì)為熱中子譜，其液態(tài)燃料在一回路循環(huán)的同時(shí)，核燃料裂變產(chǎn)生的135Xe也在一回路隨著熔鹽循環(huán)往復(fù)，通過(guò)氦鼓泡法可以將產(chǎn)生的135Xe從堆芯中分離出來(lái)，從而減小135Xe的毒性并提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性[6-7]。

目前國(guó)際上大部分針對(duì)熔鹽堆性能研究的工作都是假設(shè)135Xe只存在堆芯熔鹽中，并認(rèn)為去除能力僅取決于在線處理周期和氙提取率，從而給出熔鹽堆有效增殖因子[8-9]。本文在參考MSRE氙毒分析的基礎(chǔ)上，將其用在釷基液態(tài)燃料熔鹽堆概念設(shè)計(jì)上，評(píng)估氙毒對(duì)堆芯有效增殖因子的影響[10-11]。

1 氙毒模型與堆芯參數(shù)

1.1 氙毒模型

為了評(píng)估135Xe對(duì)TMSR-LF1反應(yīng)性的影響，以一回路為研究對(duì)象，我們建立了在線處理鼓泡法中的氙毒模型。反應(yīng)堆一回路見圖1，分為堆芯、左側(cè)管道、右側(cè)熱交換器管道和上部的泵碗4個(gè)部分，包含熔鹽、石墨和氦泡，熔鹽按順時(shí)針循環(huán)。

圖1 TMSR一回路熔鹽流動(dòng)示意圖Fig.1 TMSR molten salt flow in primary circuit.

采用氦氣鼓泡法進(jìn)行在線氙氣去除，即從泵碗向熔鹽充入氦氣，氦氣隨熔鹽在一回路流經(jīng)熱交換器、堆芯、管道，最終回到泵碗。其中氦氣存在兩種形式：一是溶解在熔鹽中；二是在熔鹽中以一定半徑大小的氦泡存在。在一回路氦氣向熔鹽擴(kuò)散和熔鹽流動(dòng)循環(huán)的過(guò)程中，氦氣占熔鹽的空泡比例達(dá)到平衡；同時(shí)，熔鹽中產(chǎn)生的135Xe擴(kuò)散到氦泡被帶出到泵碗中去除掉，從而減少氙毒對(duì)反應(yīng)堆反應(yīng)性的影響。氦氣和135Xe會(huì)在熔鹽和氦泡之間擴(kuò)散；同時(shí)熔鹽中135Xe會(huì)擴(kuò)散到石墨，氦泡中135Xe亦會(huì)通過(guò)碰撞傳遞到堆芯石墨。因此，135Xe在熔鹽、氦泡和石墨兩兩之間的互相傳遞是135Xe其除燃耗和衰變外的主要行為。

熔鹽中氙氣向氦泡的擴(kuò)散通量大小遵循菲克定律：

式中：J為擴(kuò)散流量，與濃度差、質(zhì)量傳遞系數(shù)h、氦泡和熔鹽的接觸面積A成正比；H為亨利系數(shù)；為熔鹽中氣體濃度；為氦泡中氣體濃度；R為氣體常數(shù)；T為反應(yīng)堆溫度。在一回路的4部分區(qū)域，上述擴(kuò)散規(guī)律不僅適用于135Xe在熔鹽和氦泡之間的擴(kuò)散，也適用于135Xe在熔鹽和石墨、載氣體氦氣在熔鹽和氦泡之間的擴(kuò)散。

首先，不考慮135Xe的存在，只分析鼓泡法的覆蓋氣體（即氦氣）在一回路的循環(huán)及其在熔鹽中的擴(kuò)散。在特定的壓力和流動(dòng)條件下，鼓入的氦氣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，得到一回路各部分熔鹽中氦氣濃度和氦泡在各部分所占的空泡比例。由于一回路中各區(qū)域氣體擴(kuò)散原理的類似性，現(xiàn)以堆芯為研究對(duì)象，來(lái)分析溶解于熔鹽的氦氣濃度和以氦泡存在的氦氣占流體體積的空泡比例。堆芯熔鹽中氦的濃度變化由三部分決定：第一部分是從上流熔鹽流入的氦氣，使堆芯熔鹽的氦濃度增大；第二部分是從堆芯熔鹽流出的氦氣，使堆芯熔鹽的氦濃度減??；第三部分是堆芯內(nèi)氦氣從熔鹽向氦泡的擴(kuò)散，使堆芯熔鹽的氦濃度減小。對(duì)于堆芯部分，熔鹽中氦濃度變化規(guī)律：

同理，堆芯內(nèi)氦泡占熔鹽體積的空泡比例變化也是同樣的規(guī)律，主要由前面所述三部分決定。熔鹽中氦泡的空泡比例隨時(shí)間的變化規(guī)律：

式中：Zc為堆芯內(nèi)熔鹽中氦的濃度；Zu為流入堆芯的上流熔鹽（即熱交換器中的熔鹽）中氦的濃度；ψu(yù)為氦氣在上流熔鹽中的空泡比例；Vc為堆芯中熔鹽和氦泡的體積總和；F1為一回路的流量；hb為氣體向氦泡的質(zhì)量傳遞系數(shù)；ψin是向泵碗中充入的氦泡初始空泡比例；為堆芯中氦泡的氦濃度；為流入堆芯的氦泡的氦濃度。

通過(guò)在管道、熱交換器管道和泵碗中分別建立上述類似的氦濃度和氦空泡比例變化的微分方程，聯(lián)立后即可求得一回路中氦氣空泡比例變化情況及平衡狀態(tài)。

其次，在氦氣空泡比例穩(wěn)定分布的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析堆芯內(nèi)產(chǎn)生的135Xe在一回路的擴(kuò)散和循環(huán)流動(dòng)等行為。包括135Xe在熔鹽和氦泡之間的擴(kuò)散、熔鹽和石墨之間的擴(kuò)散、氦泡和石墨之間的碰撞擴(kuò)散，以及通過(guò)熔鹽和氦泡在管道、堆芯和熱交換器管道之間的流動(dòng)等。

135Xe在堆芯內(nèi)的產(chǎn)生有三種途徑：第一是235U直接裂變產(chǎn)生，產(chǎn)額為0.3%；第二是裂變產(chǎn)生的135I，經(jīng)過(guò)衰變生成135Xe，產(chǎn)額為6.1%；第三是裂變產(chǎn)生的135I衰變產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的135Xe，再次退激發(fā)而生成135Xe。

135Xe在氦泡和石墨之間的傳遞是通過(guò)碰撞的形式實(shí)現(xiàn)的。氦泡在一回路循環(huán)過(guò)程中，流經(jīng)堆芯石墨與石墨表面發(fā)生碰撞，從而將裂變氣體135Xe傳遞到石墨。此過(guò)程中的碰撞以一定概率發(fā)生，將會(huì)增加石墨中135Xe的濃度。碰撞概率越大，則石墨中135Xe的毒性濃度越大，其對(duì)堆芯產(chǎn)生的中子毒性也越大。

一回路4部分熔鹽中產(chǎn)生的135Xe不僅隨熔鹽循環(huán)流動(dòng)，也會(huì)發(fā)生衰變和向熔鹽中的氦泡擴(kuò)散。當(dāng)熔鹽和氦泡流經(jīng)堆芯時(shí)，135Xe會(huì)傳遞向石墨，并與中子發(fā)生核反應(yīng)。在循環(huán)流動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)泵碗中氦泡去除的135Xe和熔鹽中產(chǎn)生的135Xe達(dá)到平衡后，一回路各部分熔鹽中的135Xe濃度和氦泡中的135Xe濃度也達(dá)到平衡。

以堆芯熔鹽中135Xe濃度的變化為例，主要受9個(gè)因素的影響。其中前4個(gè)為135Xe增加項(xiàng)，分別是從上流熔鹽流入堆芯、135I的衰變、135Xe激發(fā)態(tài)的衰變、核裂變產(chǎn)生；后5個(gè)為135Xe減少項(xiàng)，分別是隨熔鹽流出堆芯、衰變、燃耗、熔鹽向堆芯內(nèi)氦泡的擴(kuò)散、熔鹽向石墨的擴(kuò)散。這時(shí)，135Xe的濃度變化如式(4)：

式中：Xc為堆芯熔鹽中135Xe的濃度；Xu為上流熔鹽中135Xe的濃度；Kx為135I衰變成135Xe所占的比例；λI為135I的衰變常數(shù)；I為135I的濃度；Xe和λe分別為135Xe的激發(fā)態(tài)核素的濃度和衰變常數(shù)；P為反應(yīng)堆功率；Yx為單位功率裂變產(chǎn)生135Xe的量；φ為中子通量；σ為135Xe的反應(yīng)截面；Ab為熔鹽和氦泡的接觸面積；hg為135Xe向石墨的質(zhì)量傳遞系數(shù)；為石墨中135Xe的濃度。

以堆芯為研究對(duì)象，分別給出了流動(dòng)過(guò)程中氦泡所占空泡比例變化和135Xe的產(chǎn)生與消失的行為描述。同理，在整個(gè)一回路中，管道、熱交換器和泵碗也可以建立類似的微分方程組，求解即可得流動(dòng)擴(kuò)散平衡后氦氣和氙氣在一回路的狀態(tài)。左側(cè)管道和熱交換器中氦氣和氙氣的分析，主要考慮熔鹽流動(dòng)和氙向氦泡擴(kuò)散；泵碗中氦氣和氙氣的分析，需考慮氦氣的充入和氙氣的去除，去除能力決定了一回路135Xe平衡濃度。整個(gè)一回路在泵碗的135Xe去除和產(chǎn)生達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，從而可以對(duì)鼓泡法的135Xe毒性和去除規(guī)律進(jìn)行分析和評(píng)估。135Xe通過(guò)氦泡去除到泵碗：

去除能力與需要凈化的旁路熔鹽中氦泡流量Fb和去除效率Sb成正比。

氙毒大小主要決定于135Xe在堆芯中（包括熔鹽和石墨）的平衡濃度，可以用135Xe吸收的中子在235U吸收中子所占的比例進(jìn)行表征[10]。其表達(dá)式如下：式中：PXe為氙毒性。分子上的三項(xiàng)分別是堆芯中熔鹽、石墨和氦泡中單位時(shí)間和單位體積內(nèi)135Xe吸收的中子數(shù)。

1.2 堆芯參數(shù)

TMSR-LF1是中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所承擔(dān)的設(shè)計(jì)功率為2 MW、專門用于研究釷燃料轉(zhuǎn)換性能的液態(tài)燃料熔鹽實(shí)驗(yàn)堆。其燃料熔鹽采用氟鹽LiF-BeF2-ThF4-UF4，易裂變?nèi)剂蠟?35U（富集度w=16.2%），具體參數(shù)如表1所示。堆芯幾何模型如圖2所示，由燃料熔鹽、石墨、控制棒組成。石墨可以分成堆芯活性區(qū)、上、下反射層和側(cè)反射層。燃料熔鹽也有4部分熔鹽區(qū)域，分別為：堆芯活性區(qū)、上、下腔室和外圍熔鹽。堆芯壓力容器采用哈氏合金(Hastelloy-N alloy)材料。

表1 TMSR-LF1的堆芯參數(shù)Table1 TMSR-LF1 reactor core parameters.

圖2 釷基熔鹽液態(tài)堆Fig.2 Schematic for TMSR-LF1.

由于熔鹽和石墨對(duì)應(yīng)的中子能譜不同，135Xe吸收中子的反應(yīng)率也不同，需分別考慮。TMSR-LF1的中子能譜由SCALE6.1給出（如圖3所示），各核素的微觀截面來(lái)自ENDF/B-VII.1 (Evaluated Nuclear Date File)。SCALE 軟件是美國(guó)橡樹嶺開發(fā)的用于臨界安全、堆物理、輻射安全和不確定度分析[12]。軟件經(jīng)過(guò)了驗(yàn)證，是可靠的。世界各國(guó)的研究所都用其做反應(yīng)堆的安全計(jì)算和設(shè)計(jì)[13]。堆芯內(nèi)的中子與各核素的反應(yīng)率，在MATLAB平臺(tái)上通過(guò)插值實(shí)現(xiàn)計(jì)算。

圖3 TMSR-LF1中熔鹽、石墨的中子能譜(a)和模型所需核素的截面(b)Fig.3 Neutron spectrum of molten salt and graphite (a) and cross section of nuclides (b).

1.3 一回路參數(shù)

TMSR-LF1一回路的流動(dòng)參數(shù)、各部分體積大小和擴(kuò)散系數(shù)是氦氣和135Xe平衡的重要參數(shù)（見表2）；4個(gè)部分的體積由熔鹽和氦泡組成的流體在一回路的體積共同決定。其中一回路流量決定了熔鹽和135Xe在一回路流動(dòng)的快慢，凈化的旁路流量決定了鼓泡法凈化熔鹽的快慢。135Xe在熔鹽和氦泡之間的擴(kuò)散系數(shù)影響氦泡中135Xe的濃度；熔鹽和石墨之間的擴(kuò)散系數(shù)影響石墨中135Xe的濃度；此二者的相對(duì)大小決定了135Xe在堆芯內(nèi)熔鹽、石墨和氦泡的擴(kuò)散行為和相對(duì)濃度大小。

表2 氙模型計(jì)算一回路參數(shù)Table2 Primary circuit parameters of the xenon model.

2 氙毒分析

2.1 程序驗(yàn)證

基于上述氣體產(chǎn)生、擴(kuò)散、消失等規(guī)律描述公式，通過(guò)科學(xué)計(jì)算語(yǔ)言MATLAB[14]建立了一回路鼓泡法去除氙氣的模擬程序，將堆芯的核反應(yīng)過(guò)程和一回路的流動(dòng)擴(kuò)散結(jié)合。其中用SCALE6.1計(jì)算中子輸運(yùn)過(guò)程的能譜和通量，并計(jì)算有效增殖因子[15]。利用建立的模型計(jì)算得到了堆芯氙毒結(jié)果，并與MSRE的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如圖4所示。由于MSRE的相關(guān)文獻(xiàn)中沒有明確給出氦泡和石墨的碰撞概率參數(shù)，在其他計(jì)算時(shí)用過(guò)0.9%的碰撞概率參數(shù)。在我們的理論模型計(jì)算中，采用了三個(gè)碰撞概率參數(shù)，分別為1.13%、0.87%和0.61%，得到的結(jié)果與MSRE模擬結(jié)果符合較好。此外，從圖4中可以看出，除了MSRE的第二個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都與兩種理論結(jié)果符合較好。因此可以證明我們新建的135Xe毒模型計(jì)算的正確性，可以將其應(yīng)用于TMSR-LF1的氙毒分析，評(píng)估堆芯性能。

圖4 建立的模型計(jì)算結(jié)果和MSRE理論及實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)比Fig.4 Comparison of result from the newly developed code with the simulation and experiment data for MSRE.

2.2 氦泡分布

由于氦氣是去除氙氣的載體，因此鼓泡法模擬時(shí)需先分析氦氣的動(dòng)態(tài)平衡，得出其平衡后氦泡的空泡比例?？张荼壤酱?，則135Xe擴(kuò)散到氦泡中越多，從而影響氙毒比例。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)而分析135Xe的擴(kuò)散及其在一回路的流動(dòng)。圖5給出了TMSR-LF1回路平衡后的氦泡在熔鹽中的空泡比例(Loop void fraction)和初始充入回路的空泡比例(Ingested void fraction)的關(guān)系。由于向熔鹽的擴(kuò)散和壓力的變化，平衡后的回路各部分的空泡比例總是小于從泵碗中初始充入的空泡比例。

圖5 回路中平衡后氦泡的空泡比例Fig.5 Helium bubble void fraction in the loop at balance.

2.3 氙擴(kuò)散規(guī)律

135Xe在一回路4部分都有特定的濃度分布，其中堆芯內(nèi)的135Xe影響中子經(jīng)濟(jì)性，堆芯中熔鹽、氦泡和石墨中的135Xe的濃度決定了氙毒的大小。

氦泡在堆芯內(nèi)的空泡比例達(dá)到平衡，在此平衡狀態(tài)下，135Xe濃度分別在熔鹽、氦泡和石墨中達(dá)到平衡。當(dāng)達(dá)到平衡時(shí)，隨著堆芯中氦泡空泡比例的增大，堆芯中總氙毒、石墨和熔鹽中氙毒減小，氦泡中的氙毒增大；為更進(jìn)一步理解鼓泡法對(duì)氙毒的影響規(guī)律，將此過(guò)程分解為三種情況。如圖6所示，橫坐標(biāo)表示堆芯氦泡的空泡比例，當(dāng)空泡比例為零時(shí)表示沒有氦泡存在，即沒有鼓泡法；隨著空泡比例增大，則堆芯中氦泡的數(shù)量增大，鼓泡法去除氦泡中氙的能力增強(qiáng)。第一種情況，只考慮135Xe在熔鹽和氦泡之間的擴(kuò)散；第二種情況，考慮135Xe在熔鹽和氦泡、熔鹽和石墨兩種擴(kuò)散；第三種情況，考慮135Xe在熔鹽和氦泡之間擴(kuò)散、熔鹽和石墨之間擴(kuò)散以及氦泡和石墨碰撞（碰撞概率為0.4%）三種擴(kuò)散，是鼓泡法中考慮135Xe行為最全面的。上述三種情況中的鼓泡法去除率均為50%，圖6給出了三種情況下堆芯內(nèi)總氙毒的對(duì)比。如前所述，目前國(guó)際上討論熔鹽堆鼓泡法135Xe去除的效率時(shí)，都是認(rèn)為135Xe只存在熔鹽中，直接從熔鹽中去除，忽視了鼓泡法去除135Xe的復(fù)雜性，不符合實(shí)際情況。通過(guò)上述情況的分析對(duì)比可知，必須在第三種情況的基礎(chǔ)上對(duì)氙毒給出合理的描述，進(jìn)而為在線135Xe的去除給出合理的優(yōu)化和建議。

圖6 在Case 1 (a)、Case 2 (b)、Case 3 (c)下的氙毒規(guī)律和三種情況下總的氙毒的對(duì)比(d)Fig.6 135Xe poison regular at Case 1 (a), Case 2 (b), Case 3 (c) and the contrast of all poison (d).

對(duì)于上述三種情況，在鼓泡法50%去除效率下，氦泡在熔鹽堆堆芯的比例越大，135Xe去除能力越強(qiáng)，堆芯中的135Xe毒性也隨之減小。第一種情況與第二種情況的對(duì)比表明，不考慮135Xe向石墨的擴(kuò)散，即忽略了堆芯內(nèi)石墨沉積的大量氙（明顯高于熔鹽和氦泡中的氙濃度，見圖6），計(jì)算的135Xe毒性偏小。因此，如果在線處理鼓泡法模擬不考慮石墨中的氙沉積，將會(huì)嚴(yán)重高估堆芯反應(yīng)性。第三種情況在第二種情況的基礎(chǔ)上考慮了氦泡和石墨的相互作用，即流經(jīng)石墨的熔鹽中所含氦泡以一定概率與石墨碰撞，進(jìn)一步增大了總毒性以及石墨中135Xe毒性在總毒性中的比例；當(dāng)碰撞概率為零時(shí)即為第二種情況。因此，減小氦泡和石墨的碰撞概率，同時(shí)增大鼓泡法的去除效率，可以有效減小135Xe毒性。

2.4 氙對(duì)有效增殖因子的影響

圖7給出了TMSR-LF1不同去除效率下的氙毒及其對(duì)有效增殖因子的影響。從圖7(b)可以看出，在一定的氦氣空泡比例情況下，氦泡的去除效率增大，平衡后堆芯總氙毒越小。圖7(a)選擇了一個(gè)碰撞概率0.6%、去除效率100%的情形作為TMSR-LF1的氙毒去除的合理方案，并給出了有效增殖因子的變化?？梢钥闯?，沒有鼓泡時(shí)（即橫坐標(biāo)氦泡在堆芯的空泡比例為零）時(shí)毒性最大；有鼓泡（即橫坐標(biāo)氦泡在堆芯的空泡比例大于零）時(shí)，氦泡空泡比例增大，可有效減小氙毒的影響。相對(duì)于沒有鼓泡法，當(dāng)考慮鼓泡法且氦氣空泡比例達(dá)到0.6%時(shí)，可將TMSR-LF1的初始有效增殖因子提高1×10-2。

圖7 氦泡的去除效率對(duì)毒性的影響(a)和合理方案下不同氙毒對(duì)應(yīng)的TMSR-LF1有效增殖因子的變化(b)Fig.7 The influence of removal rate (a) and effective multiplication factor (b) at reasonable scheme.

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)了熔鹽堆鼓泡法去除135Xe模型計(jì)算，在與MSRE理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，將此模型應(yīng)用于中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所設(shè)計(jì)的釷基液態(tài)熔鹽實(shí)驗(yàn)堆上。以一回路為研究對(duì)象，以遞進(jìn)方式考慮了復(fù)雜的鼓泡法去除氙毒的分析，研究了鼓泡法去除效率對(duì)氙毒和有效增殖因子的影響，針對(duì)目前國(guó)際上熔鹽堆鼓泡法理論模擬的不足，并給出了切合實(shí)際的鼓泡法氙毒分析模型。在綜合考慮熔鹽、石墨和氦泡三者之間

135Xe的擴(kuò)散及氦泡與石墨的碰撞作用的基礎(chǔ)上，給出了去除效率對(duì)氙毒的影響。研究結(jié)果表明，135Xe

向石墨的擴(kuò)散是堆芯內(nèi)氙毒增大的主要原因；提出了減小石墨中氙毒并提高去除效率的符合實(shí)際的最優(yōu)方案，給出了對(duì)應(yīng)的堆芯有效增殖因子的大小。在合理情況下，鼓泡法可以有效減小氙毒的影響，提高初始有效增殖因子。

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Xenon analysis of thorium molten salt experiment reactor-liquid fuel

GUO Chen1,2,3JI Ruimin1,2,3CHEN Jingen1,2,3LIU Guimin1,2,3
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
3(Chinese Academy of Sciences Innovative Academies in TMSR Energy System, Shanghai 201800, China)

Background: Thorium molten salt reactor-liquid fuel (TMSR-LF) is a thermal molten salt reactor (MSR) with on-line reprocessing to extract waste and poison elements. Helium bubbling technique is considered to extract waste gas i.e., Xe, Kr, from the reactor core in order to improve neutron economics. Purpose: This study aims to implement the MSRE135Xe poison model, and apply it on TMSR-LF1 of Shanghai Institute of Applied Physics (SINAP) to estimate xenon poison and effective multiplication factor. Methods: A135Xe poison model with helium bubbling technique was built based on the molten salt reactor experiment (MSRE) research conducted at the Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in the 1960s. Compared with present simulation which ignores the135Xe diffusion behaviors in the fluid salt and graphite, this model provides a better description for a MSR. The nuclear reaction from Scale6.1 and diffusion process on the MATLAB platform were combined for135Xe analysis in TMSR-LF1. Results: The result shows that helium bubbling technique can remove135Xe and reduce xenon poison effectively. Most of135Xe will stay in graphite. Conclusion: Xenon poison model considering135Xe diffusion and flow effect is reasonable.

GUO Chen, male, born in 1989, graduated from Dalian University in 2012, doctoral student, focusing on nuclear science and engineering Corresponding author: LIU Guimin, E-mail: liuguimin@sinap.ac.cn

Molten salt reactor, Xenon poison, Helium bubbling, On-line reprocessing, Effective multiplication factor

TL32

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.040602

中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02010000)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.91326201)、中國(guó)科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目

(No.QYZDY-SSW-JSC016)資助

郭晨，男，1989年出生，2012年畢業(yè)于大連大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹四芸茖W(xué)與工程

劉桂民，E-mail: liuguimin@sinap.ac.cn

2016-12-26，

2017-02-25

Supported by Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (No.XDA02010000), National Natural Science Foundation

of China (No.91326201), the Frontier Science Key Program of Chinese Academy of Sciences (No.QYZDY-SSW-JSC016)

Received date: 2016-12-26, accepted date: 2017-02-25