李光超 鄒楊 余呈剛 孫建友 陳金根 徐洪杰

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基于熔鹽快堆的模型優(yōu)化與Th-U增殖性能研究

李光超1,2,3鄒楊1,2,3余呈剛1,2孫建友1,2陳金根1,2,3徐洪杰1,2,3

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所嘉定園區(qū) 上海201800）2（中國科學(xué)院先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院 上海201800）3（中國科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

作為四代堆6種候選堆型中唯一的液態(tài)燃料反應(yīng)堆，熔鹽堆對(duì)未來核能和釷資源利用具有重要意義，特別是熔鹽快堆(Molten Salt Fast Reactor, MSFR)還具有較大的增殖比和較好的溫度負(fù)反饋。由于啟動(dòng)新的熔鹽快堆需要較高的燃料裝載量，若能改善MSFR的增殖性能，則有利于提高233U產(chǎn)量并縮短燃料倍增時(shí)間。首先應(yīng)用SCALE6.1針對(duì)MSFR的徑向增殖鹽、新增軸向增殖鹽和新增石墨反射層這三方面分析了初始增殖比，同時(shí)從核素吸收率角度說明增殖比變化的原因和MSFR的設(shè)計(jì)不足并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化；然后應(yīng)用基于SCALE6.1開發(fā)的熔鹽堆在線處理模塊(Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence, MSR-RS)進(jìn)行燃耗分析。結(jié)果表明，新增軸向增殖鹽可以進(jìn)一步提高增殖性能；新增石墨反射層可以節(jié)省增殖鹽裝載量。改進(jìn)后的堆型運(yùn)行時(shí)增殖比可以維持在1.1以上，233U年產(chǎn)量提高至133 kg，倍增時(shí)間縮短至36 a，并且堆芯在整個(gè)運(yùn)行壽期都能保持足夠的溫度負(fù)反饋。

熔鹽快堆，模型優(yōu)化，Th-U燃料增殖

熔鹽堆是第四代反應(yīng)堆國際論壇(Generation IV International Forum, GIF) 6種候選堆型之一[1]，其突出特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)在線添加核燃料和去除裂變產(chǎn)物，具有較高的燃料利用率和中子經(jīng)濟(jì)性。熔鹽堆在高溫常壓下運(yùn)行，具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率和安全特性?；赥h-U燃料循環(huán)的熔鹽堆，還可以充分利用我國儲(chǔ)量豐富的釷資源，并且堆內(nèi)的長壽命放射性超鈾核素產(chǎn)量較低。

熔鹽堆源于美國核動(dòng)力太空飛行器實(shí)驗(yàn)裝置(Aircraft Reactor Experiment, ARE)[2]，其于1954年成功運(yùn)行100 h，首次證明了熔鹽堆的可行性?；贏RE的研究基礎(chǔ)，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory, ORNL)開展了熔鹽實(shí)驗(yàn)堆(Molten-Salt Reactor Experiment, MSRE)[3]的研發(fā)。MSRE采用FLiBe作為燃料載體鹽，成功運(yùn)行4.5 a，進(jìn)一步證明了熔鹽堆的安全性與可靠性。隨后，ORNL開展了1 GWe釷基熔鹽增殖堆(Molten- Salt Breeder Reactor, MSBR)[4]的研究，完成初步概念設(shè)計(jì)，并考慮了燃料鹽中裂變產(chǎn)物的后處理以及233Pa的提取。其后，受政治、經(jīng)濟(jì)等因素影響，美國更傾向于發(fā)展液態(tài)金屬增殖快堆，MSBR項(xiàng)目于1976年終止。

歐洲對(duì)MSBR的重新評(píng)估結(jié)果[5?6]表明：MSBR的總溫度反饋系數(shù)為正，且其復(fù)雜的熔鹽后處理面臨很大挑戰(zhàn)，需要深入研究與發(fā)展。隨后法國國家科學(xué)研究院提出了無石墨慢化的熔鹽堆快堆(Molten Salt Fast Reactor, MSFR)概念[7]。相比于MSBR，MSFR具有較高的燃料增殖性、較大的溫度負(fù)反饋、簡單的熔鹽后處理和無石墨壽命限制等優(yōu)勢。Merle-Lucotte、Heuer等[8?9]對(duì)不同核燃料啟堆以及不同后處理效率等條件下的增殖性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，當(dāng)采用Th-U燃料循環(huán)時(shí)，MSFR的增殖比為1.08，其對(duì)應(yīng)的233U年產(chǎn)量約為95 kg，倍增時(shí)間約為56 a。由于裂變產(chǎn)物在快中子能譜的平均吸收截面較小，MSFR的燃料在線后處理速度只需40 L?d?1，是MSBR的1/10，從而極大降低了對(duì)燃料后處理的需求。

目前，熔鹽堆的研發(fā)已成為國內(nèi)外熱點(diǎn)，除了美國的MSBR、FHR (Fluoride-salt-cooled High- temperature Reactor)及法國的MSFR，日本的FUJI系列熔鹽堆[10?11]和俄羅斯的MOSART (MOlten Salt Actinide Recycler and Transmuter)[12?13]等都給出了不同需求目標(biāo)下的熔鹽堆概念設(shè)計(jì)。中國科學(xué)院在2011年啟動(dòng)戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)“未來先進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”，目標(biāo)是解決熔鹽堆的關(guān)鍵技術(shù)問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)我國釷資源的高效利用[14]。

關(guān)于釷鈾燃料增殖，課題組已在石墨慢化熔鹽堆[15]、ZrH慢化熔鹽堆[16]、行波堆[17]等堆型中做過分析。對(duì)MSFR的分析結(jié)果表明其仍存在某些不足，如堆芯上、下層結(jié)構(gòu)材料的中子吸收率較大，即徑向中子損失較大，限制了堆芯增殖性能。同時(shí)，增殖鹽中Th的利用率較低，也需進(jìn)一步改進(jìn)。針對(duì)上述不足，本文擬對(duì)MSFR堆芯進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化，以提高233U年產(chǎn)量并縮短倍增時(shí)間，從而改善MSFR的Th-U燃料增殖性能。

1 模型及軟件簡介

1.1 模型簡介

MSFR是一種快中子熔鹽堆，其平均運(yùn)行溫度為750 oC、熱功率為3 GWth，其基準(zhǔn)模型[9]的主要參數(shù)如表1所示。MSFR主要分為燃料鹽區(qū)和增殖鹽區(qū)，在燃料鹽中，易裂變核素233U和增殖材料232Th以四氟化物形式溶解在LiF熔鹽中；增殖鹽則是含有232ThF4（無233UF4）的LiF熔鹽，兩種熔鹽中重金屬的摩爾比例均為22.5%。燃料鹽總體積為18 m3，其中活性區(qū)和外圍熔鹽（包括上、下腔室和熱交換器等）各占一半?；钚詤^(qū)是直徑為225.5 cm的圓柱體，其直徑/高度比為1:1。增殖鹽布置在活性區(qū)周圍，可以吸收活性區(qū)泄漏的中子，用于燃料增殖。厚度為2 cm的哈氏合金用于隔離燃料鹽與增殖鹽，同時(shí)在增殖區(qū)外設(shè)置厚度為10 cm的B4C，以降低中子對(duì)堆容器的輻照損傷。最外圍是哈氏合金結(jié)構(gòu)材料。

表1 主要參數(shù)[9]

為進(jìn)一步提高堆芯中子經(jīng)濟(jì)性和Th-U燃料增殖性能，在MSFR基礎(chǔ)上，新增軸向增殖鹽。同時(shí)為提高增殖區(qū)釷的利用效率、節(jié)省增殖鹽裝載量，考慮在增殖鹽外布置石墨反射層，并由此優(yōu)化徑向和軸向的增殖鹽厚度。優(yōu)化后的堆芯模型(Improved Molten Salt Fast Reactor, IMSFR)如圖1所示。對(duì)整個(gè)堆建模進(jìn)行建模分析，其中燃料鹽、合金、增殖鹽、B4C等材料之間采用連續(xù)邊界條件，而在最外圍的合金（圓柱體外表面）采用真空邊界條件。

圖1 IMSFR俯視圖與側(cè)視圖

1.2 SCALE6.1和MSR-RS簡介

本工作所采用的模擬工具SCALE6.1是由美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的反應(yīng)堆分析程序包，主要用于臨界安全分析、燃耗計(jì)算、源項(xiàng)分析以及靈敏性和不確定度分析等[17]。本文主要采用其中的CSAS (Criticality Safety Analysis)模塊進(jìn)行臨界計(jì)算，TRITON (Transport Rigor Implemented with Time-dependent Operation for Neutronic depletion)模塊進(jìn)行截面處理，ORIGEN-S (Oak Ridge Isotope Generation Code System)模塊進(jìn)行燃耗計(jì)算，KMART6 (Keno Module for Activity - Reaction Rate Tabulation)模塊進(jìn)行各核素中子反應(yīng)率計(jì)算。

反應(yīng)堆內(nèi)的裂變產(chǎn)物會(huì)吸收中子，并且隨時(shí)間不斷累積，反應(yīng)性損失也逐漸增大。對(duì)于熔鹽堆，其突出特點(diǎn)就是可以在線提取裂變產(chǎn)物，有利于提高中子經(jīng)濟(jì)性，并且可以通過控制在線添加核燃料的速率以維持臨界運(yùn)行。但是現(xiàn)有軟件如MCNPX (Monte Carlo N-Particle eXtended)和SCALE雖然可以計(jì)算燃耗，但都不能滿足熔鹽堆在線處理的需求，特別是添料率和提取率隨時(shí)間變化的燃耗分析。因此針對(duì)熔鹽堆燃料在線處理的特性，基于SCALE6.1開發(fā)了燃料在線處理模塊MSR-RS(Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence)[18?20]，可用于單鹽堆芯（如單流雙區(qū)型MSBR，僅有一種熔鹽）和雙鹽堆芯（如MSFR，堆芯既有燃料鹽又有增殖鹽）的燃耗計(jì)算。

本文分析MSFR時(shí)采用雙鹽堆芯模塊進(jìn)行燃耗計(jì)算，流程圖如圖2所示。首先根據(jù)初始條件設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)原子密度和幾何模型等的自動(dòng)寫入。然后是添料和去料的循環(huán)計(jì)算：每步均使用TRITON與ORIGEN-S耦合模塊進(jìn)行燃耗分析，在ORIGEN-S模塊中改寫參數(shù)以在線提取裂變產(chǎn)物和233Pa，并分別統(tǒng)計(jì)燃料鹽和增殖鹽中重金屬的變化量，同樣在ORIGEN-S模塊中改寫參數(shù)添加Th和U以維持重金屬質(zhì)量不變，并且每次添加均使用CSAS模塊進(jìn)行臨界搜索以確定Th/U比值。最后是結(jié)果輸出與統(tǒng)計(jì)分析。

在燃耗計(jì)算中，ORIGEN-S跟蹤了約1600種核素，包括裂變、衰變等。裂變產(chǎn)物的提取和核燃料的添加通過改變?nèi)己姆匠蘙17]中的后處理項(xiàng)和添加項(xiàng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于核素的燃耗方程如式(1)所示：

式中：N為核素的原子密度；為核素的衰變常數(shù)；為核素的單群吸收截面；為平均中子通量密度；l為核素衰變至核素的分支比；f為核素吸收中子至核素的分支比。和B分別為后處理項(xiàng)和添料項(xiàng)，其中：=/T為核素被處理的偽衰變常數(shù)；為分離效率；T為處理周期；B為核素的添加速率。本文就是在每個(gè)時(shí)間步長通過改變和B實(shí)現(xiàn)去料和添料的燃耗計(jì)算。

圖2 在線處理程序MSR-RS流程圖

Fig.2 Flowchart of MSR-RS.

2 結(jié)果與討論

對(duì)于Th-U燃料循環(huán)，增殖比(Breeding Ratio, BR)[18]可定義為：

式中：c和a分別表示中子俘獲反應(yīng)率和中子吸收反應(yīng)率。在運(yùn)行初始時(shí)刻，堆芯僅包含232Th和233U，因此初始增殖比BR可簡化為：

初始時(shí)刻堆內(nèi)沒有裂變產(chǎn)物，運(yùn)行后由于裂變產(chǎn)物的產(chǎn)生（特別是135Xe等中子毒物的累積）會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)性下降較快，所以將啟堆時(shí)的eff設(shè)為1.01±0.005。而燃耗分析時(shí)，135Xe等中子毒物已達(dá)到平衡，沒有啟堆時(shí)的反應(yīng)性“突變式”降低，故將eff設(shè)為1.000?1.005。

2.1 徑向增殖鹽厚度對(duì)BR的影響

MSFR基準(zhǔn)模型中僅有徑向增殖鹽，所以首先分析徑向增殖鹽厚度（用表示）對(duì)BR的影響。如圖3(a)所示，實(shí)線表示有效增殖因數(shù)eff，虛線表示BR。結(jié)果表明，當(dāng)燃料鹽組分和體積不變時(shí)，增殖鹽厚度增大對(duì)eff的影響很?。欢鳥R先增大至=50 cm后維持穩(wěn)定，此結(jié)果與文獻(xiàn)[9]中選擇的=46 cm處的BR吻合。此后再增大增殖鹽厚度反而會(huì)降低增殖鹽利用率。

為進(jìn)一步分析BR變化的原因，圖3(b)給出了堆內(nèi)各主要核素的相對(duì)中子吸收反應(yīng)率，其中實(shí)點(diǎn)線使用左邊的縱坐標(biāo)，空點(diǎn)線使用右邊的縱坐標(biāo)?？梢钥闯?，當(dāng)<50 cm時(shí)，Th的吸收率隨增殖鹽厚度而增大，同時(shí)使得堆芯外B4C的中子吸收率降低，而233U的吸收率基本保持不變，根據(jù)式(2)可以得出BR變大。進(jìn)一步分析表明，Th的吸收率增加主要是因?yàn)樵鲋雏}中Th的中子吸收增大，如圖3(c)所示。當(dāng)=50 cm時(shí)，徑向泄漏的中子幾乎全被增殖鹽吸收，BR達(dá)到穩(wěn)定。從圖3(b)中還可以發(fā)現(xiàn)，除Th和U等核素外，合金的中子吸收率最高，造成一定程度的中子浪費(fèi)?？傊辖鹬凶游章瘦^大主要由于軸向泄漏的中子被上、下層合金吸收而導(dǎo)致。

2.2 新增軸向增殖鹽對(duì)BR的影響

對(duì)于MSFR，堆芯活性區(qū)圓柱體直徑/高度比為1:1，其軸向與徑向表面積比為1:2，因此軸向中子泄漏約占徑向的一半，對(duì)總泄漏率的貢獻(xiàn)明顯。

為充分利用軸向泄漏的中子，固定徑向增殖鹽厚度為50 cm，并新增軸向增殖鹽，此時(shí)增殖鹽總體積和BR隨軸向增殖鹽厚度（用表示）的變化如圖4(a)所示。結(jié)果表明，隨著軸向增殖鹽厚度的增加，BR逐漸增大，至=50 cm后趨于穩(wěn)定，但是增殖鹽總體積也隨之增大。新增50 cm軸向增殖層后，初始BR由1.11提高到1.17，即增殖增益(=BR?1)從0.11提高至0.17，也就是說增殖增益提高超過50%，理論上可以使得233U年產(chǎn)量提高50%，倍增時(shí)間縮短1/3。

隨后對(duì)堆芯中關(guān)鍵核素的相對(duì)中子吸收率進(jìn)行分析，如圖4(b)所示，隨著軸向增殖鹽厚度增加，合金吸收率逐漸減小，當(dāng)=50 cm時(shí)，合金的吸收率從3.5%減少至1%，同時(shí)232Th的吸收率逐漸增大，而233U的吸收率基本不變，同樣根據(jù)式(2)可以得出BR變大。進(jìn)一步分析表明，如圖4(c)所示，增加軸向增殖鹽后，原被合金材料吸收的大部分中子轉(zhuǎn)變成被軸向增殖層中的Th吸收，而徑向增殖鹽中Th的吸收基本不變。因此，新增軸向增殖層可以充分利用堆芯軸向泄漏的中子，減小上下層合金的中子吸收，有效提高了Th-U增殖性能。

圖4 增殖鹽體積、BR (a)以及各核素吸收率(b、c)隨徑向增殖鹽厚度的變化

2.3 石墨反射層對(duì)Th裝量的影響

如前所述，增加軸向增殖層可以有效提高BR，但同時(shí)也增大了增殖鹽的裝載量。為提高Th的利用效率，設(shè)定軸向和徑向增殖鹽厚度相等（用表示），在增殖層外布置一定厚度的石墨反射層。圖5給出新增石墨反射層對(duì)增殖鹽節(jié)省的影響，其中實(shí)線和虛線分別為無石墨反射層和有石墨反射層時(shí)BR的變化曲線。本工作同時(shí)分析了一系列石墨厚度（0?50 cm，間隔為5 cm）對(duì)BR的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨厚度超過30 cm時(shí)，BR不再有明顯變化，所以圖5中僅給出石墨厚度為30 cm時(shí)的BR變化曲線?？梢钥闯觯?dāng)<3.2 cm時(shí)，增加石墨反射層會(huì)導(dǎo)致BR的減小，主要原因是石墨在一定程度上慢化了增殖鹽和燃料鹽中的能譜，增大了合金和燃料鹽的中子吸收。當(dāng)>50 cm時(shí)，增殖鹽外的中子泄漏非常少，增加石墨基本不會(huì)影響B(tài)R。

當(dāng)3.2 cm<<50 cm時(shí)，石墨既是反射層又充當(dāng)了一定的慢化劑，可以降低增殖鹽中子泄漏并慢化中子能譜而增加232Th的俘獲吸收。當(dāng)石墨厚度為30 cm時(shí)，增殖鹽厚度可降為30 cm，其體積也由16.60 m3（徑向和軸向厚度均為50 cm）減少至8.45 m3，對(duì)應(yīng)的Th裝量減少約1/2，而BR與最大值相差不大。

2.4 燃耗分析

熔鹽堆的突出特點(diǎn)是可在線去料和添料，其中去料系統(tǒng)包含兩部分（參考法國MSFR[9]）：氣液物理分離系統(tǒng)和熔鹽化學(xué)分離系統(tǒng)。氣液物理分離系統(tǒng)通過氦氣鼓泡，將氣體和固體難溶裂變產(chǎn)物從熔鹽中分離，具有分離速率快的優(yōu)勢，處理周期為30s。熔鹽化學(xué)分離系統(tǒng)是指通過化學(xué)方法將可溶裂變產(chǎn)物從燃料載體鹽中分離，分離速率相對(duì)較慢，為40 L?d?1。對(duì)于體積為18 m3的燃料鹽，處理周期為450 d；對(duì)于體積為8.4 m3的增殖鹽，處理周期為210 d。此外，因?yàn)?33Pa的中子吸收截面較大，吸收中子后變?yōu)?34U，不利于燃料增殖，所以還需要從燃料鹽提取233Pa，從增殖鹽中提取233Pa和233U，本文設(shè)定其提取周期與熔鹽化學(xué)分離的處理速率相同。233Pa半衰期為27.3 d，在堆外經(jīng)過約半年時(shí)間大部分可衰變?yōu)?33U。從增殖鹽中提取的233U和由233Pa衰變而來的233U，其中一部分通過在線添料系統(tǒng)返回堆芯用于維持臨界，同時(shí)在線添加232Th維持重金屬質(zhì)量不變，此時(shí)堆外剩余的233U即為燃料增殖的凈產(chǎn)量。

釷鈾增殖性能可以由BR、233U平均年產(chǎn)量和燃料倍增時(shí)間(Double Time, DT)等參數(shù)衡量。如圖6(a)所示，虛線和實(shí)線分別表示原MSFR和優(yōu)化后的MSFR的性能指標(biāo)?？梢钥闯?，優(yōu)化后的BR在燃耗過程中達(dá)到平衡態(tài)時(shí)約為1.11，相對(duì)原MSFR平衡態(tài)的BR有顯著提高。BR初始時(shí)下降較快則是由于裂變產(chǎn)物的積累。233U平均年產(chǎn)量也由原來的95 kg提高至133 kg，比基準(zhǔn)MSFR的平均年產(chǎn)量提高了40%。233U相對(duì)凈產(chǎn)量（與初始裝載量4.8t的比值）如圖6(b)所示，可以看出，優(yōu)化后的倍增時(shí)間縮短為36 a，極大降低了啟動(dòng)新堆所需易裂變?nèi)剂系纳a(chǎn)時(shí)間。

圖6 keff和BR (a)、233U相對(duì)凈產(chǎn)量(b)、 TCR (c)隨時(shí)間的變化

為保證堆的安全運(yùn)行，本文還參考美國MSBR[4]、法國MSFR[6,9]對(duì)溫度系數(shù)的計(jì)算方法（即5點(diǎn)溫度法計(jì)算反應(yīng)性并擬合得出溫度反應(yīng)性系數(shù)），初步分析了不同材料的溫度反應(yīng)性系數(shù)，并且同時(shí)改變各材料的溫度，計(jì)算了整個(gè)堆的總溫度反應(yīng)性系數(shù)。燃耗計(jì)算過程中的溫度系數(shù)計(jì)算與初始時(shí)類似，每個(gè)時(shí)間步長計(jì)算完后均提取各核素質(zhì)量并轉(zhuǎn)換成原子密度寫入CSAS的材料卡，再計(jì)算反應(yīng)性系數(shù)。

因?yàn)樵鲋雏}、合金等的溫度系數(shù)較小，所以圖6(c)中僅給出總溫度系數(shù)和燃料鹽的溫度系數(shù)?？梢钥闯?，在80 a的運(yùn)行過程中，總溫度反應(yīng)性系數(shù)絕對(duì)值先變小（源于裂變產(chǎn)物的積累）然后維持穩(wěn)定，但整個(gè)燃耗過程中仍有足夠大的溫度負(fù)反饋。從圖6(c)還可以看出，總溫度反應(yīng)性系數(shù)與燃料鹽的溫度系數(shù)比較接近，因此總溫度反應(yīng)性系數(shù)主要由燃料鹽溫度系數(shù)決定。此外，熔鹽溫度系數(shù)又分為多普勒效應(yīng)和密度效應(yīng)，隨著燃耗加深，燃料鹽的多普勒效應(yīng)和密度效應(yīng)最后也趨于平衡。

3 結(jié)語

本文針對(duì)MSFR的釷鈾增殖性能進(jìn)行了幾何模型的優(yōu)化和燃耗分析，結(jié)論如下：

1) 增殖鹽厚度的變化不影響堆芯臨界狀態(tài)，而新增軸向增殖鹽，可以充分利用活性區(qū)軸向泄漏的中子，提高Th-U增殖性能。

2) 厚度為30 cm的石墨反射層可以降低增殖鹽的裝載量，提高增殖鹽利用率。

3) 熔鹽堆在線處理程序MSR-RS對(duì)燃耗的分析表明，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)增殖比變大，233U平均年產(chǎn)量達(dá)133 kg，倍增時(shí)間由56 a縮短至36 a。

4) 總溫度反應(yīng)性系數(shù)主要受燃料鹽溫度系數(shù)影響，并且在燃耗過程中具有較大的負(fù)值，可以保證堆芯在整個(gè)壽期的安全運(yùn)行。

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Model optimization and analysis of Th-U breeding based on MSFR

LI Guangchao1,2,3ZOU Yang1,2,3YU Chenggang1,2SUN Jianyou1,2CHEN Jingen1,2,3XU Hongjie1,2,3

1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China) 2(Innovative Academies in TMSR Energy System, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China) 3(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background:As the only one of liquid fuel reactor among the six candidate reactors chosen by the Generation IV International Forum (GIF), Molten Salt Reactor (MSR) shows great potential for future nuclear energy and thorium usage, especially for Molten Salt Fast Reactor (MSFR) with characters of high Th-U Breeding Ratio (BR) and large negative Temperature Coefficient of Reactivity (TCR).Purpose:Th-U breeding capacity of MSFR is expected to be further improved for more233U production and shorter Double Time (DT), and burn-up analysis is necessary to demonstrate the breeding characters with time, as well as TCR for safety.Methods: Based on SCALE6.1, three aspects are explored including fertile in radial direction, newly added fertile in axial direction and appended graphite reflector, followed with explanations from the point of nuclide reaction rate. Furthermore, burn-up analysis is carried out with time by using the self-developed code Molten Salt Reactor Reprocessing Sequence(MSR-RS) specifically for on-line reprocessing of MSR.Results: Initial BR of 1.17 is obtained when axial fertile is included, and about 50% of fertile salt is saved with graphite reflector. BR above 1.1 in equilibrium and DT of 36 a are achieved, and the production of233U is about 133 kg?a?1, while TCR can be kept at about ?6×10?5K?1.Conclusion:Newly added axial fertile improves the BR obviously, while about half inventory of thorium can be saved with graphite reflector. The self-developed module MSR-RS is suitable for simulating the reprocessing of MSR, and233U production for the optimized geometry increases markedly while TCR is kept negative enough at all the running time for safety.

MSFR, Geometry optimization, Th-U fuel breeding

LI Guangchao, male, born in 1987, graduated from Nanjing University of Aeronautics and Astronautics in 2011, doctoral student, focusing on physical design and Th-U cycle on MSR

CHEN Jingen, E-mail: chenjg@sinap.ac.cn; XU Hongjie, E-mail: xuhongjie@sinap.ac.cn

2016-09-28, accepted date: 2016-12-19

TL426

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.020603

李光超，男，1987年出生，2011年畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，研究方向?yàn)槿埯}堆物理設(shè)計(jì)及Th-U燃料循環(huán)

陳金根，chenjg@sinap.ac.cn；徐洪杰，E-mail: xuhongjie@sinap.ac.cn

2016-09-28，

2016-12-19

Supported by the Chinese TMSR Strategic Pioneer Science and Technology Project (No.XDA02010000),National Natural Science Foundation of China (No.91326201), the Frontier Science Key Program of Chinese Academy of Sciences (No.QYZDY-SSW-JSC016)

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)項(xiàng)目(No.XDA02010000)、國家自然科學(xué)基金(No.91326201)、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目(No.QYZDY-SSW-JSC016)資助