陶瓷球床在堆內(nèi)輻照物理計(jì)算

葛艷艷+駱貝貝+丁麗+王玉林

摘 要：本文的主要內(nèi)容是在中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）堆內(nèi)固進(jìn)行態(tài)氚增殖劑陶瓷球床輻照實(shí)驗(yàn)的物理計(jì)算。本文采用Monte Carlo 粒子輸運(yùn)模擬程序MCNP5對(duì)陶瓷球床進(jìn)行堆內(nèi)建模計(jì)算得到不同功率下球床的中子注量率、發(fā)熱功率和產(chǎn)氚速率。通過更改氚增殖劑球床組件的結(jié)構(gòu)尺寸或堆功率來滿足實(shí)驗(yàn)的要求，得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的球床結(jié)構(gòu)，在堆內(nèi)輻照陶瓷球床組件進(jìn)行物理計(jì)算和分析，從而為熱工計(jì)算分析提供數(shù)據(jù)，為整體裝置在堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)提供安全分析。最終得到球床的中子注量率為5.63x1012n/cm2s，球床的發(fā)熱功率為491.9W。

關(guān)鍵詞：陶瓷球床組件 堆內(nèi)輻照 物理計(jì)算和分析

中圖分類號(hào)：TL32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（b）-0095-04

Abstract：The main content of this paper is in-pile irradiation experiment of International Thermonuclear Fusion Reactor Experiment （ITER） tritium breeder blanket module （TBM） have been carried out in China Advanced Research Reactor （CARR）.This paper adopts the Monte Carlo particle transport MCNP5 simulation program to modeling the pebble bed. By using the statistical pebble-bed neutron flux， counting card energy deposition and yield， get the pebble bed under different power of neutron flux rate， heating power and the tritium production rateis introduced into reactor.In order to ensure the safety of the reactor and ceramic pebble beds assembly， and to meet requirements of the experiment， it can be realized by changing the structure size of pebble beds or the power of reactor， in pile irradiation breeder pebble bed assembly physical calculation and analysis， so as to provide data for the thermodynamic calculation and analysis， the pile irradiation experiments provide safety analysis as a whole install. Finally the physics showed neutron flux of the pebble beds is 5.63x1012n/cm2s， heating power is 491.9W.

Key Words：Tritium breeder pebble beds assembly； In-pile irradiation； Physical calculation and Analysis

國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）氚增殖包層模塊（TBM）是實(shí)現(xiàn)未來聚變示范堆（DEMO）的關(guān)鍵。聚變堆固態(tài)氚增殖劑包層作為ITER實(shí)驗(yàn)的六類包層之一，在目前被廣泛研究。固態(tài)增殖劑鋰陶瓷小球?yàn)樽钣锌尚行院妥钣邢Ｍ麑?shí)現(xiàn)的材料，在眾多鋰陶瓷小球中，本文選取正硅酸鋰（Li4SiO4）作為氚增殖劑。本文主要對(duì)球床組件裝置的結(jié)構(gòu)和位于堆芯的位置，完成小球的球床組件進(jìn)行中子注量率，體積釋熱率和球床發(fā)熱功率，產(chǎn)氚特性和反應(yīng)堆功率的計(jì)算并且結(jié)合熱工計(jì)算結(jié)果，完成球床組件裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的結(jié)構(gòu)，從而為堆內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

1 陶瓷球床組件物理的模型

根據(jù)陶瓷球床組件堆內(nèi)輻照實(shí)驗(yàn)的要求，確定陶瓷球床的實(shí)驗(yàn)要求如下：（1）陶瓷球床組件在堆內(nèi)輻照工況下，球床的溫度不超過950℃；（2）鋁傳熱塊的輻照溫度不超過260℃。組件是由多層組成，組件具體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

球床組件由內(nèi)到外結(jié)構(gòu)分別是陶瓷球床、Φ10mm316L不銹鋼1、Φ10mm316L不銹鋼2、鋁傳熱塊、工藝管。陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆積而成的，陶瓷球床為Φ32mm，裝料高為120mm。兩層厚1mm的不銹鋼，整個(gè)球床在Φ59mm的鋁傳熱塊上，其中鋁傳熱塊高度為650mm。

2 計(jì)算方法

本文采用的是MCNP5，按照球床組件的實(shí)際要求，在堆內(nèi)建立模型，由于陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆積而成，根據(jù)堆積因子將球床進(jìn)行均勻化處理。在計(jì)算球床的中子注量率時(shí)，利用F4卡來統(tǒng)計(jì)通過幾何塊的平均通量，粒子類型是中子（n），光子（p），其物理意義是：，單位：粒子數(shù)/cm3；在計(jì)算球床的發(fā)熱功率時(shí)，利用F6卡來統(tǒng)計(jì)中子和光子通過幾何塊的平均沉積能量，粒子類型是中子（n），中子、光子（n、p），其物理意義：，單位：Mev/g。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的球床組件的結(jié)構(gòu)，本文通過改變反應(yīng)堆功率和球床位于堆芯活性區(qū)的位置等方法來實(shí)現(xiàn)，最終得到符合實(shí)驗(yàn)要求的球床組件，進(jìn)而計(jì)算球床各部件的中子注量率、體積釋熱率和發(fā)熱功率等。endprint

3.1 調(diào)溫氣隙的改變滿足實(shí)驗(yàn)要求

球床組件有兩層內(nèi)充氖氣的氣隙腔，其中最外一層可作為調(diào)溫氣隙，調(diào)節(jié)球床的溫度。最初設(shè)計(jì)最外層氣隙為0.5mm，熱工一維計(jì)算得到的球床溫度959.3℃，超過實(shí)驗(yàn)要求。通過改變最外層氣隙為0.4mm，最后熱工一維計(jì)算得到球床溫度為839.18℃。得到最外層氣隙為0.4mm或更小。

3.2 反應(yīng)堆功率的變化

反應(yīng)堆功率與球床溫度有很大的關(guān)系，反應(yīng)堆功率越大，球床中心輻照溫度越大，當(dāng)反應(yīng)堆功率為25MW時(shí)，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為892.47℃；當(dāng)反應(yīng)堆功率為22MW時(shí)，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為827.05℃。當(dāng)反應(yīng)堆功率為20MW時(shí)，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為781.5℃?？紤]到此裝置要放入反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需進(jìn)行超功率事故分析，綜合得反應(yīng)堆功率為20MW。

3.3 組件放入堆芯活性區(qū)的位置

球床溫度與球床組件放入堆芯活性區(qū)位置有關(guān)系，現(xiàn)分3種位置，分別如下。

位置a，當(dāng)球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)上14.5cm處時(shí)，在反應(yīng)堆功率為20MW時(shí)，計(jì)算得到球床的中子注量率為6.45×1012n/cm2s，球床的發(fā)熱功率為554.5W，球床的體積釋熱率為5.75W/cm3，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為839.21℃。

位置b，當(dāng)球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)處時(shí)，在反應(yīng)堆功率為20MW時(shí)，計(jì)算得到球床的中子注量率為8.63×1012n/cm2s，球床的發(fā)熱功率為725.41W，球床的體積釋熱率為7.51W/cm3，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為984.94℃。

位置c，當(dāng)球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)上22cm處，含鋰組件中心位于球床中心上8cm處，在反應(yīng)堆功率為20MW時(shí)，計(jì)算得到球床的中子注量率為5.63×1012n/cm2s，球床的發(fā)熱功率為491.86W，球床的體積釋熱率為5.1W/cm3，熱工一維計(jì)算得到球床中心輻照溫度為781.5W。

根據(jù)上述不同位置處球床的中子注量率和發(fā)熱功率，最終熱工得到的球床中心輻照溫度，得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的位置是球床位置c，即球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)上22cm處。

4 球床組件的物理分析

綜合上述的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：反應(yīng)堆功率為20MW，球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)上22cm處。圖2為球床的MCNP建模模型圖。

4.1 中子注量率

在反應(yīng)堆物理分析中，中子通量最早用Φ表示，即，表示該點(diǎn)的中子密度與相應(yīng)中子速度的乘積，表示在單位體積內(nèi)所有中子在單位時(shí)間內(nèi)穿行距離的總和。

球床組件在堆內(nèi)進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，計(jì)算在功率為20MW時(shí)，球床各部位的平均中子注量率，如表1所示。

在計(jì)算時(shí)將球床進(jìn)行均勻化等效為一個(gè)圓柱體，為了更好的得到球床每個(gè)位置的中子注量率，將球床進(jìn)行徑向劃分為8層，分布計(jì)算了每層的中子注量率如圖3所示為球床徑向平均中子注量率分布圖。

在圖3中橫坐標(biāo)“0”為球床中心位置，“1.6”為球床邊界處，從圖中可以看出球床邊界處中子注量率比較大。

4.2 發(fā)熱功率與體積釋熱率

取反應(yīng)堆功率為20MW時(shí)，球床的發(fā)熱功率為491.86W，球床的體積釋熱率為5.10W/cm3，整個(gè)球床的發(fā)熱功率為627.7W，表2為球床各部位的發(fā)熱功率和體積發(fā)熱量。

鋁傳熱塊在功率20MW時(shí)的發(fā)熱功率為115.2W，平均體積釋熱率為0.11W/cm3。

5 結(jié)論

本文采用MCNP對(duì)陶瓷球床進(jìn)行了建模，通過調(diào)整球床結(jié)構(gòu)得到滿足實(shí)驗(yàn)要求的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)此結(jié)構(gòu)對(duì)中子注量率、發(fā)熱功率和體積釋熱率等物理方面進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到結(jié)論如下。

（1）球床進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)堆的功率為20MW且球床組件頂端位于堆芯活性區(qū)上22cm處。

（2）球床組件對(duì)反應(yīng)堆的安全影響很小，球床的平均熱中子注量率為5.63×1012n/cm2s，組件總發(fā)熱功率為627.7W。

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