劉小林 周 波 鄒 楊,3嚴(yán) 睿 徐洪杰陳 亮,3
1(上??萍即髮W(xué) 上海 201210)
2(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800)
3(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
238Pu作為放射性同位素?zé)岚l(fā)電機(Radioisotope Thermoelectric Generators,RTGs)的熱源,在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,RTGs可將衰變熱轉(zhuǎn)化為電能,為深空探測提供動力[1?2]。238Pu可發(fā)生α衰變(T1/2=87.7 a),α粒子大部分能量會沉積在238Pu源體積內(nèi),這是其作為熱源的物理基礎(chǔ)[3]。20世紀(jì)80年代,許多國家就已開始238Pu的生產(chǎn)研究,主要分布在美國與俄羅斯[4]。2011年,為打破钚燃料短缺的限制,美國能源部批準(zhǔn)了钚供應(yīng)項目,在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的高通量同位素反應(yīng)堆(High Flux Isotope Reactor,HFIR)和愛達(dá)荷國家實驗室(Idaho National Laboratory,INL)的先 進(jìn) 試 驗 堆(Advance Test Reactor,ATR)內(nèi) 進(jìn)行238Pu的生產(chǎn),預(yù)期年產(chǎn)量目標(biāo)為1.5 kg?a?1[4?6],2012年,HFIR重新開啟了238Pu的生產(chǎn)。
238Pu生產(chǎn)途徑主要通過在HFIR或ATR中進(jìn)行熱中子輻照237Np固態(tài)靶材,使其發(fā)生237Np(n,γ)238Np反應(yīng),輻照周期末提出靶件,待238Np(T1/2=2.1 d)冷卻衰變?yōu)?38Pu后進(jìn)行提取。在這種傳統(tǒng)輻照固態(tài)靶件生產(chǎn)方式中,生產(chǎn)流程較為復(fù)雜,在固態(tài)靶件制備方面,需將經(jīng)過溶解、氧化等過程制成的NpO2粉末與金屬陶瓷載體基質(zhì)混合壓制成靶件芯體并裝入套管中[3]。在同位素提取方面,需進(jìn)行靶件的拆卸、切割、溶解等流程,再經(jīng)水法或干法[3,7]進(jìn)行同位素的分離與提純。由于237Np靶核素的資源有限,需盡可能提高237Np核素的回收率及轉(zhuǎn)換率,但固態(tài)靶基質(zhì)的回收較為困難[7?8]。因此,需研究新的238Pu生產(chǎn)方式或改進(jìn)現(xiàn)有的生產(chǎn)方法來滿足未來全球?qū)?38Pu的使用需求。
新型熔鹽快堆被設(shè)計用于同位素生產(chǎn),可在高溫常壓下運行,有較高的固有安全性,較低的核廢料產(chǎn)生等優(yōu)勢。燃料元件采用合金材料加工制成的管狀容器包容液態(tài)燃料鹽,高放射性燃料鹽無需泵驅(qū)動,避免了傳統(tǒng)熔鹽堆[9?11]需要對高放射性燃料鹽泵維修維護的問題,還可節(jié)省堆芯外主回路系統(tǒng)內(nèi)的燃料,且不存在緩發(fā)中子流失的問題,反應(yīng)性更加安全可控。堆芯活性區(qū)外反射層內(nèi)布置熱中子輻照孔道,可輻照237Np靶件進(jìn)行238Pu生產(chǎn)。熱中子輻照孔道遠(yuǎn)離活性區(qū),對堆芯反應(yīng)性影響較小,可通過控制棒的配合在線更換靶件。選液態(tài)鹵化物熔鹽作為靶核素載體基質(zhì)裝載在特制的靶件容器中,利用鹵化物熔鹽基質(zhì)的特征可解決傳統(tǒng)生產(chǎn)方式中生產(chǎn)流程復(fù)雜和靶核素回收困難的問題。首先,熔鹽基質(zhì)直接裝入靶件容器比制成固態(tài)靶件棒更簡單。其次,在同位素提取過程中無需靶件切割、溶解等復(fù)雜過程,利用鹵化物揮發(fā)直接分離镎與钚,輻照后的237Np熔鹽靶基質(zhì)經(jīng)簡單處理后即可回收利用[7?8]。
由于反應(yīng)堆輻照生產(chǎn)的238Pu用于制造RTGs燃料,需盡可能提高238Pu的產(chǎn)量與純度(238Pu與钚同位素總質(zhì)量之比),要求純度大于85%[12]。而236Pu與239Pu被認(rèn)為是238Pu生產(chǎn)中重要雜質(zhì),其中236Pu的衰變產(chǎn)物212Bi和208Ti均為強γ放射源[3,13],對238Pu作為RTGs熱源的使用造成影響,因此在238Pu的生產(chǎn)中需盡可能降低236Pu的濃度,要求最大濃度不超過3×10?6[4,14]。Urban等[15]在ATR進(jìn)行NpO2靶件輻照試驗中,生產(chǎn)238Pu的純度高達(dá)98%,237Np的利用率(238Pu生成量與237Np裝載量之比)為4.88×10?9。Daily等[12]在HFIR中的NpO2金屬陶瓷靶件輻照分析中得到238Pu的純度達(dá)95%,236Pu濃度為2.35×10?6。Schnitzler[16]在ATR的238Pu輻 照 生 產(chǎn) 評 估 中 得到238Pu的 純 度 為90%,236Pu的 濃 度 約 為1×10?6。Colvin等[17]在ATR內(nèi)進(jìn)行的237NpO2靶件輻照試驗中得到236Pu的濃度為2×10?6以下。David的報告[8]中指出,利用HFIR進(jìn)行238Pu生產(chǎn)的模擬分析中,在238Pu產(chǎn)量、純度、237Np轉(zhuǎn)換率(消耗單位質(zhì)量237Np生成的238Pu質(zhì)量)方面,鹵化物熔鹽靶件優(yōu)于傳統(tǒng)NpO2金屬陶瓷靶件。
基于上述,本文使用SCALE6.1程序,對新型熔鹽快堆中通過輻照熔鹽靶件生產(chǎn)238Pu進(jìn)行了研究,分析了反射層內(nèi)能譜分布特點、不同位置輻照孔道內(nèi)237Np的反應(yīng)截面,針對236Pu雜質(zhì)濃度、238Pu純度、238Pu年產(chǎn)量、237Np轉(zhuǎn)換率等方面進(jìn)行238Pu的生產(chǎn)性能研究,為新型熔鹽快堆在238Pu生產(chǎn)方面的工程應(yīng)用提供物理方案參考。
新型熔鹽快堆的堆芯物理計算模型如圖1(a)所示,堆芯由燃料區(qū)、冷卻池、熔鹽換熱器、反射層、輻照孔道、氣體收集室、堆容器等主要結(jié)構(gòu)組成,表1為堆芯主要參數(shù)。燃料元件等間距規(guī)則排列呈六角形,并浸沒在冷卻池中,冷卻劑通過自然循環(huán)的方式將一回路熱量載出并傳遞至熱能利用系統(tǒng);堆芯燃料區(qū)設(shè)兩套停堆系統(tǒng),用于安全停堆及反應(yīng)性控制;燃料區(qū)外設(shè)有石墨反射層,反射層內(nèi)設(shè)置熱中子輻照孔道,用于238Pu等熱中子輻照同位素的生產(chǎn)。
表1 堆芯主要參數(shù)Table1 Main parameters
靶件采用耐高溫、耐輻照、耐熔鹽介質(zhì)腐蝕的TZM合金(Titanium-Zirconium-Molybdenum Alloy)材料加工制成的管狀容器包容液態(tài)熔鹽靶基質(zhì),靶件主要包含輻照鹽區(qū)、氣室、泄壓排氣孔等結(jié)構(gòu),如圖1(b)所示。輻照鹽區(qū)高度為176 cm,輻照分解氣體可通過泄壓排氣孔排出,氣室的存在避免了高溫下靶基質(zhì)材料膨脹產(chǎn)生的壓力對靶件結(jié)構(gòu)的損害。
圖1 堆芯截面圖(a)及熔鹽靶件結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.1 Crosssection diagram of core(a)and structurediagram of molten salt target(b)
在熔鹽靶基質(zhì)的選擇中,一般可選氟鹽或氯鹽作為鹽基質(zhì)。針對238Pu的生產(chǎn)特征而言,氯鹽在同位素提取中更具優(yōu)勢[8],原因如下:在靶件后處理中,氟鹽靶基質(zhì)無法直接回收,回收流程復(fù)雜;氟鹽在水中的溶解度較低,向水化學(xué)處理的轉(zhuǎn)變較難;當(dāng)氟與高α放射物混合時,α-n源項會加強。與氟鹽相比,氯鹽更易溶于水;以氯化物作為靶基質(zhì)最重要的特征之一是可通過NpCl4的揮發(fā)處理直接回收靶基質(zhì)。但天然氯中含有的35Cl屬于中子毒物[18],中子吸收截面較大,因此本文使用富集氯鹽作為靶基質(zhì)進(jìn)行238Pu生產(chǎn)的研究。
在238Pu的輻照生產(chǎn)中,236Pu濃度、238Pu純度與產(chǎn)量主要受核素相關(guān)反應(yīng)截面、輻照時間與靶核素裝載量等因素影響,而反應(yīng)截面又由中子通量與能譜決定。本文先通過分析反射層內(nèi)中子通量及能譜分布來分析不同位置輻照孔道的237Np反應(yīng)截面、236Pu濃度及靶件插入對堆芯反應(yīng)性影響的變化規(guī)律。再結(jié)合具體輻照孔道與核素演化曲線分析238Pu產(chǎn)量與純度、236Pu濃度及237Np轉(zhuǎn)換率隨輻照時間的變化。在不考慮同位素提取工藝中238Pu損失的情況下,通過靶件單個輻照周期內(nèi)238Pu的生成量來估算年產(chǎn)量,并分析不同輻照周期下238Pu年產(chǎn)量、237Np轉(zhuǎn)換率及利用率的變化特點。由于一年內(nèi)靶件需進(jìn)行多次更換,輻照周期則定義為單個靶件一次輻照所經(jīng)歷的時間。
靶核素237Np的核反應(yīng)鏈如圖2所示,圖3、4展示了相關(guān)核反應(yīng)的微觀截面??梢?,通過中子輻照生成237Np(n,γ)238Np反應(yīng)的同時會發(fā)生237Np(n,2n)236Np副反應(yīng),而236Np發(fā)生β?衰變后生成236Pu。但237Np(n,2n)236Np反應(yīng)主要發(fā)生在快譜區(qū),而237Np(n,γ)238Np反應(yīng)主要發(fā)生在熱譜區(qū),當(dāng)中子能量低于6.8 MeV時,生成236Np的副反應(yīng)將不再發(fā)生,所以可通過選擇合適的輻照能譜來減小237Np(n,2n)236Np反應(yīng)的平均微觀截面,進(jìn)而減小236Pu濃度。而238Np有較大的裂變截面和(n,γ)反應(yīng)截面,其除了發(fā)生β?衰變外,長時間輻照下大部分238Np會發(fā)生裂變及(n,γ)反應(yīng),從而減小238Pu的生成量。此外,238Np與238Pu在長時間中子輻照下經(jīng)(n,γ)反應(yīng)最終會生成較多的239Pu,從而影響238Pu的純度。
圖2 237Np反應(yīng)鏈Fig.2 Thereaction chain diagram of 237Np
圖3 核素反應(yīng)截面圖Fig.3 The nuclide reaction crosssection diagram
本文采用的計算工具為美國橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的SCALE6.1程序,可用于臨界安全計算、燃耗計算、放射源項分析、靈敏度分析等[19]。計算時主要調(diào)用了SCALE6.1的CSAS6及TRITON序列,并使用238群ENDF/B-VII截面庫進(jìn)行燃耗計算。
圖4 237Np(n,2n)236Np反應(yīng)截面圖Fig.4 The reaction cross section diagram of 237Np(n,2n)236Np
先對反射層進(jìn)行柵格劃分,按指定行列順序排列規(guī)則相對(1,1)柵格進(jìn)行編號(圖5),假設(shè)每個柵格均可布置輻照孔道。SCALE6.1程序建模時對反射層不同柵格設(shè)置為不同的區(qū)域及材料編號,CSAS6調(diào)用截面處理模塊進(jìn)行共振截面處理,然后結(jié)合KENO-VI中的幾何建模功能與自動截面處理功能進(jìn)行三維模型的臨界計算,得到反射層不同位置輻照孔道的中子能譜,再通過多群能譜加權(quán)平均得到237Np不同反應(yīng)道的平均微觀截面。TRITON序列主要調(diào)用ORIGEN-S執(zhí)行核素的燃耗計算,設(shè)置靶件輻照時間并劃分步長,輸出卡中得到不同柵格的中子通量、熱中子份額及靶件內(nèi)各核素隨時間的積累量,經(jīng)換算可得到核素的質(zhì)量份額、236Pu濃度、237Np的轉(zhuǎn)換率與利用率。
圖5 堆芯反射層位置序列圖Fig.5 The location sequence diagram of reflector in reactor core
氯鹽靶基質(zhì)可分為純鹽與復(fù)合鹽,在相同的中子注量率下對不同靶基質(zhì)與靶件半徑(r)在238Pu生產(chǎn)中的237Np轉(zhuǎn)換率與利用率進(jìn)行分析。圖6為不同靶基質(zhì)對應(yīng)的237Np轉(zhuǎn)換率,可以看到,含靶核素份額較高的靶基質(zhì)237Np轉(zhuǎn)換率較大,相對其他兩種復(fù)合鹽,NpCl4純鹽靶基質(zhì)的237Np轉(zhuǎn)換率更高。此外,靶核素份額的提高還會增大靶核素的中子利用率,將提高238Pu的產(chǎn)量。圖7為不同r對應(yīng)的237Np利用率,可以看到,237Np利用率隨r的減小而增加,因為減小r可降低237Np的裝載量,從而增加了237Np的利用率,因此在三種靶件半徑中,r為1 cm的靶件得到的237Np利用率較高。
圖6 237Np的轉(zhuǎn)換率隨靶基質(zhì)的變化Fig.6 Conversion rateof 237Np vs.target matrix
圖7 237Np的利用率隨靶件半徑r的變化Fig.7 Theutilization rateof 237Np vs.target radius r
靶件內(nèi)237Np(n,γ)238Np反應(yīng)的平均微觀截面(σ1)與237Np(n,2n)236Np反應(yīng)的平均微觀截面(σ2)由反射層輻照孔道內(nèi)中子通量及能譜分布決定,而σ1、σ2將會對238Pu的產(chǎn)量和236Pu的濃度產(chǎn)生影響。圖8為反射層同一行不同位置的熱中子通量分布,可看出,遠(yuǎn)離堆中心方向熱中子通量先增加后減小,而熱中子份額則先增大后趨于平緩,因為石墨的慢化使遠(yuǎn)離堆中心位置的能譜更軟,熱中子份額更大。圖9、10為反射層不同位置處的σ2與σ1,可看到,σ2隨遠(yuǎn)離堆中心且靠近六角形燃料區(qū)頂角平分線方向減小,而σ1的變化趨勢與σ2相反,因為越遠(yuǎn)離堆中心的位置能譜越軟,會增加σ1并減小σ2。
圖8 反射層中熱中子通量分布Fig.8 Distribution of thethermal neutron flux in reflector
圖9 平均微觀截面σ2隨輻照位置的變化Fig.9 Average microscopic cross sectionσ2 vs.the irradiation location
圖10 平均微觀截面σ1隨輻照位置的變化Fig.10 Average microscopic cross sectionσ1 vs.the irradiation location
236Pu的生成濃度與輻照孔道的位置密切相關(guān),此外,靶件的插入將對堆芯反應(yīng)性產(chǎn)生影響,需使用控制棒進(jìn)行配合操作,因此對不同輻照位置236Pu的生成濃度及靶件插入引起的反應(yīng)性變化進(jìn)行分析。圖11為不同位置輻照孔道內(nèi)生成的236Pu相對濃度(實際濃度與最大濃度之比),可看出遠(yuǎn)離堆中心且靠近燃料區(qū)角平分線方向由于σ2減小,σ1增加,使得236Pu濃度降低。由圖12可見,遠(yuǎn)離堆中心且靠近燃料區(qū)角平分線位置插入靶件對堆芯反應(yīng)性的影響較小,靶件操作所需的堆芯反應(yīng)性控制較小,利于堆芯的穩(wěn)定運行。由于(1,5)輻照孔道位于遠(yuǎn)離堆中心的燃料區(qū)角平分線位置,故在(1,5)孔道插入靶件對堆芯反應(yīng)性影響最小,生成236Pu濃度也最小,但由于該位置相對堆中心距離較遠(yuǎn),中子通量相對較低,使237Np(n,γ)238Np反應(yīng)的相對核反應(yīng)率(R)也隨之降低(圖13),將會使238Pu產(chǎn)量相對減小。
圖11 236Pu相對濃度隨輻照位置的變化Fig.11 The relative concentration of 236Pu vs.irradiation location
圖12 不同位置靶件插入對堆芯反應(yīng)性的影響Fig.12 The reactivity influence vs.target insertion locations
圖13 相對核反應(yīng)率R隨輻照位置的變化Fig.13 Relative nuclear reaction rate R vs.irradiation location
靶件的輻照時間影響著238Pu的產(chǎn)量與純度及237Np的轉(zhuǎn)換率與利用率,因此在238Pu生產(chǎn)中需分析钚同位素含量隨輻照時間的變化。選用r為1 cm的NpCl4純鹽靶基質(zhì)在反射層(1,5)孔道內(nèi)進(jìn)行輻照分析,孔道內(nèi)中子注量率約為9.87×1013n·cm?2·s?1,能譜如圖14所示,熱中份額約為94%。圖15、16分別為钚同位素質(zhì)量(歸一化為單位質(zhì)量237Np得到的產(chǎn)量)與質(zhì)量份額變化曲線。钚同位素有較長的半衰期,其中236Pu為2.85 a,238Pu為87.7 a,239Pu為2.41×104a,240Pu為6.5×103a,241Pu為14 a,242Pu為3.73×105a,因此在計算時間段內(nèi)它們的質(zhì)量隨運行時間逐漸積累,在諸多钚同位素中含量較大的為239Pu,是影響238Pu純度的主要核素之一。從圖16可以看出,238Pu的純度隨輻照時間逐漸減小,但始終大于98%,而236Pu濃度先減小到穩(wěn)定值后又出現(xiàn)上升趨勢,但始終小于1×10?7,238Pu純度與236Pu濃度均滿足國際標(biāo)準(zhǔn)。
圖14 (1,5)輻照孔道的中子能譜Fig.14 Neutron energy spectrum of irradiation channel(1,5)
圖15 靶中钚同位素質(zhì)量隨輻照時間演化Fig.15 The Pu isotopemassevolution in target
圖16 靶內(nèi)钚同位素質(zhì)量份額隨輻照時間演化Fig.16 The Pu isotopemassfraction evolution in target
當(dāng)輻照時間為41 d時,238Pu的歸一化產(chǎn)量約為0.11×10?1g,238Pu純 度 約 為0.99,236Pu濃 度 約 為4×10?8。與 在TRIGA堆 能 譜 下 中 子 通 量 為1×1013n·cm?2·s?1的237Np靶件模擬輻照[20]結(jié)果(238Pu的歸一化產(chǎn)量約為0.16×10?2g,238Pu純度約0.99,236Pu濃度為1.95×10?6)對比分析,由于(1,5)輻照孔道內(nèi)中子通量較大,且能量大于6.8 MeV以上的中子份額更小,約為1.60×10?5,因此238Pu的產(chǎn)量及236Pu濃度優(yōu)于TRIGA堆能譜下的模擬結(jié)果。
239Pu可通過239Np的β?衰變及238Pu的(n,γ)反應(yīng)生成(圖2),該兩種途徑都會減弱238Pu的積累量。圖17為靶內(nèi)部分產(chǎn)物質(zhì)量隨輻照時間的變化,可看到238Pu/239Pu質(zhì)量比隨輻照時間減小,238Np、239Np的質(zhì)量分別約在9 d、16 d趨于穩(wěn)定。238Np作為生成238Pu、239Np的中間產(chǎn)物,除了發(fā)生β?衰變外,在長時間高通量中子輻照下會有較大部分238Np發(fā)生(n,γ)及裂變反應(yīng),降低了β?衰變份額,減小了中子利用率,使237Np轉(zhuǎn)換率下降。由圖17,輻照時間較長時,靶件出堆冷卻21 d后的238Pu產(chǎn)量與剛出堆時刻接近,意味著大部分238Np在輻照孔道內(nèi)發(fā)生反應(yīng),這會增大238Np的輻照損失。
圖17 靶內(nèi)產(chǎn)物質(zhì)量隨輻照時間演化Fig.17 The product mass evolution in target
在(1,5)孔道及其對稱位置布置共6根靶件,輻照周期末均進(jìn)行新靶件更換,每次換靶間隔為1 d,計算238Pu的年產(chǎn)量。圖18為237Np轉(zhuǎn)換率隨輻照周期的變化關(guān)系。出堆時刻237Np轉(zhuǎn)換率隨輻照周期增加而增大,因為長周期輻照下大部分238Np在輻照孔道內(nèi)衰變,使出堆時刻238Pu積累量增加。然而,長周期輻照會使238Np的β?衰變份額減小,導(dǎo)致靶件出堆冷卻后總的237Np轉(zhuǎn)換率降低。圖19為238Pu年產(chǎn)量與237Np利用率隨輻照周期的變化,可看到237Np利用率隨輻照周期增加而增大,因為輻照周期的增加減小了靶件更換次數(shù),降低了237Np的總裝載量,而238Pu的年產(chǎn)量隨輻照周期先快速增加,后略微減小,因為長周期輻照降低了238Np的β?衰變份額與中子利用率,又減小了237Np總裝載量,會使238Pu年產(chǎn)量減小。當(dāng)輻照周期為10 d時,年產(chǎn)量達(dá)到0.85 kg,237Np轉(zhuǎn)換率約為99.8%,利用率為0.005%,當(dāng)輻照周期為40 d時,年產(chǎn)量達(dá)到0.80 kg,237Np轉(zhuǎn)換率約為99.4%,利用率為0.08%。
圖18 237Np轉(zhuǎn)換率隨輻照周期的變化Fig.18 Conversion of 237Np vs.irradiation cycle
圖19 238Pu年產(chǎn)量與237Np利用率隨輻照周期的變化Fig.19 Annual yield of 238Pu and utilization of 237Np vs.irradiation cycle
本文使用SCALE6.1程序,從中子物理的角度對新型熔鹽快堆輻照孔道內(nèi)利用氯鹽靶基質(zhì)生產(chǎn)238Pu進(jìn)行模擬分析。從分析結(jié)果可知,使用氯鹽靶基質(zhì)在新型熔鹽快堆輻照孔道內(nèi)進(jìn)行238Pu的輻照生產(chǎn),可得到較高的238Pu純度與237Np轉(zhuǎn)換率,較低的236Pu雜質(zhì)濃度。與短周期輻照10 d相比,輻照周期為40 d的238Pu年產(chǎn)量及237Np轉(zhuǎn)換率雖小,但237Np利用率遠(yuǎn)高于前者,且減小靶件更換次數(shù),可降低靶件操作對應(yīng)的堆芯反應(yīng)性控制頻率,利于堆芯穩(wěn)定運行,較符合實際應(yīng)用。
在具體工程設(shè)計與實際生產(chǎn)中,后續(xù)還需對輻照孔道尺寸、靶件的結(jié)構(gòu)參數(shù)及靶基質(zhì)裝載量深入優(yōu)化,進(jìn)一步提高靶核素利用率與238Pu產(chǎn)量,并對輻照靶件的提取速度、熱工與放射性分析等問題進(jìn)行研究,為深入新型熔鹽快堆在238Pu生產(chǎn)方面的工程應(yīng)用提供更詳細(xì)的理論參考。
作者貢獻(xiàn)聲明劉小林提出研究思路、設(shè)計研究方案、進(jìn)行模擬計算、數(shù)據(jù)分析及論文的撰寫;周波負(fù)責(zé)完善研究方案、稿件的審閱與修訂;鄒楊負(fù)責(zé)研究進(jìn)度的監(jiān)督與指導(dǎo);嚴(yán)睿負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持與指導(dǎo);徐洪杰負(fù)責(zé)研究項目管理、研究資金獲??;陳亮負(fù)責(zé)收集參考文獻(xiàn)。