液态熔盐堆高精度燃耗算法及钍铀增殖研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 夏少鹏 |
| 答辩日期 | 2019-06-01 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 授予地点 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 蔡翔舟 |
| 关键词 | 熔盐堆 燃耗计算 平衡态 钍铀燃料增殖 |
| 英文摘要 | 熔盐堆(Molten Salt Reactor,MSR)是六种第四代先进核能系统候选堆型中唯一的液态燃料反应堆,是实现钍铀燃料循环最为理想的堆型。然而,其具有的在线连续添换料等特点,使得液态熔盐堆燃耗计算具有不同于传统固态反应堆的独特性质,主要体现在两个方面:其一是液态熔盐堆的连续在线添料特点给传统的点燃耗模型引入了描述添料率的非齐次项;其二是液态熔盐堆在运行过程中,需要随时调节添料率维持反应堆临界。本课题从最基本的燃耗模型和求解算法出发,研究液态熔盐堆燃耗的特殊性问题,发展了适用于熔盐堆的燃耗模拟方法,并开展了液态熔盐堆的钍铀增殖研究。首先,液态熔盐堆普遍采用闭式燃料循环模式,具有极深的燃耗深度,这对于点燃耗的计算精度提出了更高的要求。对此,本课题基于若干先进的点燃耗算法开发并验证了液态熔盐堆点燃耗程序MODEC。程序实现了包括递归形式的广义线性子链法(TTA)、围道积分有理近似算法(QRAM)以及切比雪夫有理近似算法(CRAM)在内的三类点燃耗算法,基于复杂核素系统,并结合一系列高效的编程技巧,保证了点燃耗计算的高精度和高效性。同时,课题对三种点燃耗算法的计算精度和计算效率进行了比较研究,并对ORIGEN-S开展了详细的误差分析。ORIGEN-S的误差分析表明,除了短寿命核素的平衡浓度假设这一误差来源外,ORIGEN-S对核素的不完全分类导致某些核素处于不完整的燃耗链上,也会带来显著的计算误差。其次,针对液态熔盐堆连续在线添料给点燃耗方程带来的非齐次问题,本课题基于拉普拉斯变换方法,提出了两种新的非齐次燃耗方程求解算法:扩展的围道积分有理近似算法(Ext-QRAM)和扩展的切比雪夫有理近似算法(Ext-CRAM)。与现有的其他非齐次燃耗算法的比较研究表明,新算法很好的保持了QRAM和CRAM的高精度和高效率特点,并且对于不同添料函数有统一的构造方法,面对复杂形式的添料函数时相较于其他非齐次燃耗算法具有更好的适用性。接着,课题基于蒙卡程序SCALE6.1/KENO-VI和点燃耗程序MODEC,研发并验证了液态熔盐堆蒙卡燃耗程序TMCBurnup。程序采用了特殊的蒙卡燃耗耦合流程,实现了对液态熔盐堆在线连续添料维持临界的运行模式的模拟。并且还针对液态熔盐堆从启堆演化到平衡态的整个燃耗计算过程耗时巨大的问题,研发并验证了液态熔盐堆平衡态燃耗快速搜索程序MESA。计算结果表明,MESA只需不到10个蒙卡燃耗迭代步即可搜索到平衡态,与一般蒙卡燃耗程序计算液态熔盐堆平衡态动辄需要上百次蒙卡输运计算相比,MESA极大的节约了计算资源和计算耗时。最后,基于开发的液态熔盐堆燃耗分析工具,开展了熔盐热堆的钍铀增殖性能的优化研究。课题首先以平衡态钍铀增殖性能为基础,对石墨单栅元结构开展优化研究。优化结果表明,具有最优钍铀增殖性能的石墨栅元结构与功率密度和栅元临界水平kinf无关,对应的石墨栅元边长为5 cm,熔盐体积份额为21.5%。其次,基于平衡态钍铀增殖性能,对替换了最优石墨栅元结构的熔盐增殖堆MSBR开展功率密度的优化,结果表明,功率密度在70 MW/m3时,存在极小的平衡态时刻倍增时间35.45年,与MSBR平衡态时刻的43.05年倍增时间相比,优化之后的模型IMSBR具有更好的钍铀增殖性能,并且无论是在初态还是在平衡态均具有负的总温度反应性系数,相对于具有正温度反应性系数的MSBR,IMSBR更能够满足反应堆安全运行要求。接着,对IMSBR开展了过渡态燃耗分析,着重分析了关键重金属核素质量以及增殖性能参数的演化规律。最后,对燃料盐和核废料的放射性进行了分析,为后处理系统以及核废料处置的屏蔽设计提供参数依据。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 149 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/31261]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 夏少鹏. 液态熔盐堆高精度燃耗算法及钍铀增殖研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2019. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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