聚变-裂变混合堆和压水堆联合循环系统物理特性研究

摘要

根据根据我国核电的中长期发展规划，2020年我国核电的总装机容量达到70GW左右。核电的大规模发展，也面临核燃料供应以及核安全问题。聚变-裂变混合堆由于利用的是(DT)聚变产生的14MeV的高能中子，因此它在增殖核燃料、嬗变核废料方面具有独特优势。同时考虑聚变-裂变混合堆的优势以及我国核电大发展过程中面临的核燃料供应和核废料处理问题，提出了聚变-裂变混合堆压水堆联合循环系统的概念。本论文的主要内容为:
　　 (1)开发和完善了BISONC数据库制作软件程序并制作了175群BISONC输运库和燃耗库，并做了初步的验证。开发了聚变裂变混合堆压水堆联合循环系统的中子学分析软件NFFP(Neutronics calculation for fusion-fission hybrid andPWR combined fuel cycle system)。在此软件基础上对该系统的进行了较详细的物理特性分析。
　　 (2)根据多目标优化理论和实现方法，对聚变-裂变混合堆包层设计中的功率展平问题进行了理论分析，利用该理论实现了一种直接利用乏燃料进行发电的聚变裂变混合堆包层以及MA嬗变钍基包层概念设计。计算结果表明，功率展平后的包层的功率不均匀系数更小，安全性更好;且包层中燃料区的能量输出要比不展平情况下的能量输出高出约21.7％，因此考虑展平后的包层设计经济性更好，降低了工程技术难度。
　　 (3)通过对比分析国内外MOX燃料组件的形式，并根据聚变裂变混合堆增殖燃料的特点，通过对比分析，创新性的提出了适用于聚变裂变混合堆的混合堆增殖燃料组件形式，并对压水堆装载30％HB-MOX燃料的堆芯物理特性进行了研究。对影响反应堆安全的几个重要参数，如燃料和慢化剂温度系数、硼微分价值、缓发中子份额以及停堆裕量等进行了研究，结果表明:慢化剂温度系数和燃料温度系数在整个寿期内都是负的，有利于反应堆的安全。硼微分价值在整个寿期都是负值，但全铀堆芯要比30％HB-MOX燃料堆芯更负，主要原因是能谱更软。装载30％HB-MOX燃料的堆芯寿期末的缓发中子份额为0.508，反应堆停堆裕量和温度系数都满足现行压水堆设计准则。
　　 (4)基于成熟的铀钚循环技术，对压水堆装载MOX燃料对我国天然铀资源和燃料制造能力的影响，核电站产生的乏燃料量，分离钚产生量以及使用等问题进行了分析。在假设2040年聚变-裂变混合堆进入我国核燃料循环体系的情况下，分析了对天然铀资源需求的影响以及分离Pu累积量的大小。对Pu的循环使用以及分离Pu的累积量随时间的变化也进行了较详细的分析。根据分析结果给出了建议。
　　 本文首次对聚变-裂变混合堆压水堆联合循环系统的物理特性进行了详细的研究，该研究对我国核能的可持续发展具有重要意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 聚变-裂变混合堆和压水堆联合循环系统研究现状

1．2．1 聚变堆包层研究现状

1．2．2 聚变-裂变混合堆包层研究现状

1．2．3 聚变-裂变混合堆增殖燃料特性

1．3 本论文的主要内容

第2章 计算原理、方法及程序

2．1 中子输运理论

2．1．1 中子输运方程

2．1．2 燃耗过程及其模拟

2．2 离散纵坐标方法

2．3 蒙特卡罗方法与MCNP程序

2．4 FFHR和PWR联合循环系统中子学分析软件开发

2．4．1 聚变裂变混合堆数据库的开发

2．4．2 聚变裂变混合堆数据库的初步验证

2．4．3 BISONC与DRAGON接口程序开发与功能

2．5 本章总结

第3章 聚变-裂变混合堆包层中子学分析

3．1 聚变-裂变混合堆包层设计

3．2 包层设计多目标优化理论模型

3．3 考虑功率展平的乏燃料发电包层分析

3．3．1 包层结构和计算模型

3．3．2 计算结果与分析

3．4 考虑功率展平MA嬗变和钍基燃料增殖包层分析

3．4．1 包层结构和计算模型

3．4．2 计算结果与分析

3．5 本章总结

第4章 混合堆增殖燃料在压水堆中的应用研究

4．1 模型及主要输入参数

4．1．1 燃料组件的设计

4．1．2 混合堆燃料组件设计

4．1．3 堆芯设计

4．2 主要计算结果

4．2．1 组件能谱和Kinf比较分析

4．2．2 围板反射层的均匀化

4．2．3 堆芯的燃料和慢化剂温度系数分析

4．2．4 堆芯的中子通量密度分布和功率分析

4．3 本章总结

第5章 聚变-裂变混合堆和压水堆联合循环初步研究

5．1 核燃料循环模式研究

5．1．1 我国未来压水堆核电装机容量预测

5．1．2 计算公式和参数

5．1．3 我国后处理规模和分离钚利用方式假设

5．2 压水堆装载MOX燃料计算结果

5．2．1 UOX燃料和分离功的需求

5．2．2 压水堆核电站的天然铀需求量

5．2．3 乏燃料累计量

5．2．4 分离Pu累计量

5．3 聚变-裂变混合堆和压水堆联合循环初步分析

5．3．1 与快堆燃料循环的比较

5．3．2 联合循环结果初步分析

5．4 本章总结

第6章 结论与展望

6．1 本文主要结论

6．2 主要创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介