超临界水堆MOX燃料物理热工特性研究

摘要

为了满足新阶段核电市场更高的要求，新一代的核电机组需要在可持续性、经济性、安全稳定性、防核扩散性等方面进行较大的改进提升。本世纪初，多个核能先进国家共同成立了第四代核能系统国际论坛(Generation IV International Forum，GIF)，选定了六种设计作为第四代核电站概念堆系统。超临界水堆(SupercriticalWater Cooled Reactor，SCWR)是其中唯一的水冷堆，具有结构简化、经济性高等优点。MOX燃料是混合氧化燃料(mixed-oxide)的简写，目前常用的是由U02和Pu02混合构成的氧化铀钚燃料。使用MOX燃料，可以提高燃料利用率，减少核废物处理量，降低处理费用。同时可以防止核扩散，维护世界和平。
　　 在超临界水堆中使用MOX燃料，既可以得到较高的热效率，同时增加了燃料利用率。应该在反应堆设计中考虑这两者的搭配。然而，MOX燃料与U02燃料在性能上有部分差异。为了反应堆的运行安全，需要对超临界水堆使用MOX燃料的情况进行严格的分析与验证。
　　 通过建立计算分析平台DRAGON+SCAC，对特定超临界水堆设计使用MOX燃料条件下的功率分布、中子能谱、反应系数、增殖因子、工质温度分布、燃料温度分布、不同水棒结构的影响等物理热工性能进行了计算。并与使用U02燃料的情况进行对比分析，得到超临界水堆中使用MOX燃料与使用U02燃料，对反应堆性能影响的异同。使用MOX燃料有比使用U02燃料更硬的能谱;更深的燃耗深度;更高的径向功率不均匀因子:更好的慢化剂温度负反应性;更高的燃料中心温度;更低的冷却剂出口温度;更低的燃料包壳温度。且随着MOX燃料中Pu02含量的增加，燃耗深度会增加，慢化剂温度负反应性会减小。使用Pu02含量相同的MOX燃料时，武器级钚比反应堆级钚有更高的径向功率不均匀因子，更深的燃耗和更低的慢化剂温度负反应性。通过分析以上异同的原因，提出适用于MOX燃料的新的改进组件设计。经过计算，新的改进组件设计较参考设计组件有较硬的能谱，更低的组件径向功率分布。并可以经过适当的参数设置，达到与参考组件设计相同的冷却剂出口参数，以及更低的燃料中心温度和燃料包壳温度。
　　 通过对超临界水堆中MOX燃料的使用进行初步计算，对比分析了与使用U02燃料的异同。根据分析结果提出新的改进组件。采用新的改进组件，可以提高使用MOX燃料的超临界水堆的安全性能。对今后的研究具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 超临界水堆研究现状

1．2．2 MOX燃料应用研究现状

1．3 研究内容和方法

第2章 研究对象及研究工具

2．1 引言

2．2 研究堆型

2．2．1 参考堆型参数

2．2．2 参考组件及工质流动方式

2．2．3 堆内结构材料

2．3 研究燃料

2．3．1 参考UO2燃料

2．3．2 MOX燃料

2．4 研究流体

2．4．1 运行工况

2．4．2 超临界水特性

2．5 研究工具

2．5．1 DRAGON程序

2．5．2 SCAC程序

2．6 本章小结

第3章 超临界水堆MOX燃料特性计算方法

3．1 引言

3．2 中子物理计算方法

3．2．1 中子物理计算流程

3．2．2 少群均匀化常数库制作

3．2．3 双群一维扩散计算方法

3．3 热工计算方法

3．3．1 热工计算流程

3．3．2 工质温度计算方法

3．3．3 燃料温度计算方法

3．4 核热耦合计算方法

3．5 方法验证

3．5．1 中子物理计算方法验证

3．5．2 热工计算方法验证

3．6 本章小结

第4章 超临界水堆MOX燃料物理特性

4．1 引言

4．2 径向功率分布

4．2．1 不同燃料条件径向功率分布

4．2．2 不同组件结构材料条件径向功率分布

4．3 轴向功率分布

4．3．1 相同轴向燃料富集度条件轴向功率分布

4．3．2 不同轴向燃料富集度条件轴向功率分布

4．4 中子能谱

4．4．1 不同燃料条件中子能谱

4．4．2 不同组件结构材料条件中子能谱

4．5 燃耗分析

4．5．1 不同燃料条件kinf值

4．5．2 不同燃料条件慢化剂温度反应性

4．6 本章小结

第5章 超临界水堆MOX燃料热工特性

5．1 引言

5．2 工质温度分布

5．2．1 计算条件

5．2．2 结果及分析

5．3 燃料温度分布

5．3．1 计算条件

5．3．2 结果及分析

5．4 水棒类型影响

5．4．1 不同水棒壁材料影响

5．4．2 不同水棒结构影响

5．5 耦合计算

5．5．1 计算条件

5．5．2 结果及分析

5．6 本章小结

第6章 超临界水堆MOX燃料组件改进

6．1 引言

6．2 改进组件说明

6．2．1 组件改进目的

6．2．2 改进组件结构

6．3 改进组件物理特性

6．3．1 径向功率分布

6．3．2 中子能谱

6．4 改进组件热工特性

6．4．1 工质温度分布

6．4．2 燃料温度分布

6．5 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

附录1 SCAC程序说明

附录2 文中径向功率分布结果

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢