基于启明星Ⅱ号零功率装置的堆靶耦合中子学实验和模拟研究

摘要

随着核能的不断发展，乏燃料的终极处理方案已成为人们关注的焦点问题。加速器驱动次临界系统(ADS)是国际公认处理乏燃料最有效的方法之一。中科院ADS团队的研究工作已经由关键技术攻关进入到堆靶器系统集成阶段，将开展MW级ADS原理验证装置CiADS(China initiative Accelerator Driven System)的建设工作。 在CiADS装置中，钨是颗粒流散裂靶材料的主要成分，铅是铅铋冷却剂材料的主要成分，钨和铅的核数据直接影响装置内的中子学模拟结果。此外，随机堆积的钨颗粒靶建模过程复杂，模拟计算消耗的机时长，简化模型有助于高效地实现中子学模拟，但其中子学影响有待评估。钨和铅核数据的宏观检验以及钨颗粒靶的模型优化，将有助于今后CiADS的工程核设计。 在中国科学院“未来先进核裂变能-ADS嬗变系统”战略先导科技专项支持下，中国科学院近代物理研究所与中国原子能研究院联合搭建了启明星Ⅱ号零功率实验装置，该装置包括轻水堆和铅金属堆。论文以轻水堆为研究对象，通过实验与模拟的研究手段开展了如下三个方面的研究: 第一，基于周期法测量了纯钨圆柱靶的反应性价值，对钨核数据进行宏观检验。模拟方面，通过MCNP6并输入五种截面库，即ENDF/B-Ⅶ.0，ENDF/B-Ⅶ.1，CENDL-3.1，JENDL-4.0和JEFF-3.2，采用两种模拟方法计算纯钨圆柱靶的反应性价值。1.为了检验五种截面库里钨的核数据，非钨元素核数据仅仅取自于ENDF/B-Ⅶ.0，钨元素核数据分别选自五种不同截面库，结果表明，CENDL-3.1库和其他截面库的模拟结果之间存在较大的差异，原因在于超热区辐射俘获截面的差异。2.为了对整套截面库进行评估，所有材料核数据分别选自于五种的截面库，结果表明ENDF/B-Ⅶ.1模拟的纯钨圆柱靶反应性价值结果与实验结果符合最好，相对偏差约为1.7％，推荐选用ENDF/B-Ⅶ.1库进行钨靶相关的中子学模拟。 第二，基于周期法测量了纯铅圆柱靶的反应性价值，对铅核数据进行宏观检验。采用两个模拟方法开展核数据检验:1.非铅元素核数据仅仅选自于ENDF/B-Ⅶ.0，铅元素核数据分别选自五种截面库。结果显示，纯铅圆柱靶引入正反应性，在蒙卡统计误差内，五种截面库的计算结果符合很好。在铅的相关反应道中，弹性散射对纯铅圆柱靶反应性价值结果影响最大。2.当所有材料的截面数据分别选自于五种截面库时，ENDF/B-Ⅶ.0，CENDL-3.1和JEFF-3.2库模拟的纯铅圆柱靶反应性价值与实验结果符合较好，最大相对误差为7.3％。 第三，基于周期法测量了钨颗粒圆柱靶的反应性价值，对钨颗粒靶模型进行评估和优化。模拟方面，所有材料的截面数据选自于ENDF/B-Ⅶ.1库。采用晶格排布和等效均匀化方式对钨颗粒圆柱靶进行建模。对比实验和模拟结果可知，在确保实验和模拟钨颗粒圆柱靶的等效密度一致的前提下，两种模型计算的钨颗粒圆柱靶反应性价值都与实验结果符合较好，意味着等效均匀化模型可以用来模拟堆靶耦合装置中钨颗粒靶与中子的相互作用，这大大提高了钨颗粒靶模拟的计算效率。随后，在次临界状态下通过跳源法测量了不同高度的钨颗粒靶体对应堆靶耦合装置的反应性值，研究钨颗粒阻塞事故下堆靶耦合系统的中子学参数的变化行为。结果表明，随着钨颗粒高度的增加，堆芯的有效增殖因子Keff，含外源的有效增殖因子Ks和外源中子价值ψ*都有所下降，其中Keff和Ks变化曲线总体呈S形状。 基于启明星Ⅱ号轻水堆，开展了钨和铅核数据库的宏观基准检验。首次在热谱环境中对钨数据库进行了详细分析，填补了现有钨核数据入堆检验基准例题方面的空白。针对纯铅圆柱靶的反应性价值测量结果也可作为现有基准例题的重要补充，为后续核数据库的改进提供了重要支撑。此外，在堆芯次临界状态下对颗粒靶的中子学性能进行了实验和模拟研究，并评估了靶建模方法对中子学参数的影响，可对后续CiADS的工程设计和安全运行提供重要依据。

目录

声明

摘要

第一章引言

1．1 ADS研究背景

1．2 ADS堆靶耦合中子学实验研究现状

1．3核数据宏观检验现状

1．3．1钨的宏观检验现状

1．3．2铅的宏观检验现状

1．4论文研究内容及结构

第二章堆靶耦合实验介绍

2．1．1轻水堆堆芯描述

2．1．2外中子源系统

2．1．3中子测量及数据采集系统

2．2实验靶介绍

2．2．1实验靶材

2．2．2定位筒

2．3实验内容与实验过程

2．4本章小结

第三章中子学模拟

3．1中子学模拟方法和程序

3．1．1中子学模拟方法

3．1．2 MCNP程序介绍

3．1．3 MCNP6程序中动态参数计算

3．2轻水堆模型搭建与前期模拟工作

3．2．1轻水堆模型搭建与验证

3．2．2动态参数的影响因素

3．2．3单棒价值及临界棒数

3．3本章小结

第四章反应性测量

4．1反应性测量原理及方法

4．2周期法测量靶材反应性价值

4．2．1实验原理

4．2．2倍周期测量

4．2．3实验结果与误差分析

4．3跳源法测量钨颗粒阻塞事故下反应性变化

4．3．1实验原理

4．3．2中子通量测量

4．3．3实验结果与误差分析

4．4本章小结

第五章钨和铅核数据检验

5．1钨核数据检验

5．1．1钨截面数据检验

5．1．2基于钨靶价值评估整体截面库数据

5．2铅核数据检验

5．2．1铅截面数据检验

5．2．2基于铅靶价值评估整体截面库数据

5．3本章小结

第六章钨颗粒靶模型验证和阻塞事故研究

6．1钨颗粒靶模型验证

6．1．1钨颗粒靶模型

6．1．2模型的实验验证

6．2钨颗粒阻塞事故

6．2．1临界源下系统的中子学变化

6．2．2外源驱动下系统的中子学变化

6．3本章小结

第七章总结与展望

7．1总结

7．2特色与创新

7．3展望

参考文献

致谢

作者简历及在读期间发表的学术论文