气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学特性分析研究

摘要

行波堆通过点火区裂变中子驱动增殖区的238U转换和裂变，理论上可以利用增殖燃烧波的移动，将堆内装载的238U高效利用，是裂变能应用的一种理想途径。在传统的行波堆中，为了维持增殖燃烧波的行进，燃料组件需要承受的辐照远超过目前材料的允许限值，导致其实现难度较大。利用外中子源的驱动，可以在一定程度上降低材料的辐照，实现行波堆的功能，从而实现高燃料利用率和次临界固有安全性的兼顾，对核能的可持续发展有重要意义。本文提出了基于气动磁镜聚变中子源的次临界行波堆物理方案，通过中子源位置的主动调节，推动增殖燃烧波的行进，实现行波堆的功能。本文主要开展的研究工作具体包括:
　　提出了一种利用气动磁镜聚变中子源驱动次临界行波堆堆芯设计方法。通过调节磁场强度分布和中性束注入位置实现中子源的主动调节，可用于驱动次临界行波堆，实现了行波堆的功能。在此基础上，阐述了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆的基本组成、物理原理以及中子学特点。
　　开展了次临界铅基行波堆中子学设计与优化。基于设计原则与目标，以铅冷行波堆为参考方案，利用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和混合评价核数据库HENDL为研究手段，开展不同堆芯关键参数对堆芯性能影响分析。研究结果表明，采用富集度12％的U-10％Zr金属燃料，208Pb作为冷却剂和反射层时，次临界行波堆堆芯具有较优的性能。当中子源初始位置位于20-100cm，移动速率为5cm/a时，其与次临界行波堆的增殖燃烧波速度匹配后性能最佳。
　　开展了次临界铅基行波堆中子学瞬态安全分析。通过数值模拟的方式，针对气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆堆芯开展中子学瞬态安全分析，重点关注次临界堆芯反应性引入和外中子源扰动两个方面。研究结果表明:扰动后经一定时间运行后，系统源强需求、堆芯有效增殖因数keff中子通量分布、功率分布和易裂变核素核子密度分布等参数都可以再次回到稳定状态，相比较于扰动前，扰动引入之后的参数基本保持一致。
　　综上，本文提出一种气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆堆芯设计方案，开展了次临界铅基行波堆中子学优化与分析，完成了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学概念设计方案，在此基础上，并开展了气动磁镜聚变驱动铅冷行波堆中子学瞬态安全分析，为次临界行波堆堆芯安全设计与分析提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 核能发展与研究进展

1．2 国内外研究现状

1．2．1 行波堆

1．2．2 气动磁镜聚变中子源

1．3 研究的目的和意义

1．4 本文研究内容及结构

第2章 设计原理与研究方法

2．1 基本组成

2．2 物理原理

2．2．1 驱动器物理原理

2．2．2 堆芯物理原理

2．3 中子学特点

2．4 计算方法、程序与数据库

2．4．1 计算方法

2．4．2 中子输运设计与安全评价软件系统superMC

2．4．3 混合评价核数据库HENDL

2．5 本章小结

第3章 系统方案设计

3．1 设计原则和目标

3．2 GDT驱动器参数的选择

3．2．1 GDT中子源位置

3．2．2 GDT中子源强和能谱

3．3 堆芯方案设计

3．2．1 系统设计

3．2．2 材料选型

3．4 本章小结

第4章 堆芯中子学设计与优化

4．1 关键参数影响分析

4．1．1 燃料的影响

4．1．2 冷却剂的影响

4．1．3 富集度的影响

4．1．4 反射层的影响

4．2 方案设计与优化

4．2．1 点火区设计

4．2．2 增殖区设计

4．2．3 外中子源匹配设计

4．3 堆芯性能分析

4．4 本章小结

第5章 堆芯中子学瞬态安全分析

5．1 次临界堆芯反应性扰动分析

5．1．1 点火阶段

5．1．2 行波阶段

5．2 外中子源位置和移动速率扰动分析

5．2．1 外中子源源强扰动分析

5．2．2 外中子源位置扰动分析

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新之处

6．3 未来工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

参与项目及获奖情况