亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        熔鹽快堆U-Pu燃料循環(huán)增殖性能分析

        2020-08-19 03:30:06李冬國周雪梅劉桂民
        核技術(shù) 2020年8期
        關(guān)鍵詞:氯鹽工作溫度熔鹽

        李冬國 周雪梅 劉桂民

        (中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海201800)

        熔鹽反應(yīng)堆是以熔融狀態(tài)混合鹽做為反應(yīng)堆裂變?nèi)剂?,液態(tài)高溫熔鹽同時(shí)充當(dāng)反應(yīng)堆主冷卻劑。熔鹽堆具備安全性高、結(jié)構(gòu)簡單、大功率密度、熱電高轉(zhuǎn)化比(~45%)、負(fù)反應(yīng)性溫度系數(shù)大、燃料可在線添料和后處理、可燃燒乏燃料和對(duì)核廢料進(jìn)行嬗變處理、可充分利用釷鈾資源和反應(yīng)堆易裂變核素高增殖等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是高溫熔鹽對(duì)結(jié)構(gòu)材料耐腐蝕性要求比較高。

        熔鹽反應(yīng)堆起源于美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL),20世紀(jì)50~70年代ORNL進(jìn)行了熔鹽反應(yīng)堆實(shí)驗(yàn)7.4 MW功 率 MSRE(Molten Salt Reactor Experiment)[1-5]、260 MWe氯鹽快堆實(shí)驗(yàn)[6]和熔鹽增殖堆概念設(shè)計(jì)[7]。近年來熔鹽快堆概念設(shè)計(jì)和研發(fā)有:國內(nèi)雙流體冷卻方案[8]、乏燃料在熔鹽快堆中的利用[9]以及錒系核素嬗變處理[10];英國和德國的燃料鹽與冷卻劑分離式熔鹽快堆概念設(shè)計(jì)[11-12]、法國的雙熔鹽冷卻概念設(shè)計(jì)[13]以及美國氯鹽快堆概念設(shè)計(jì)[14]等。

        本文重點(diǎn)關(guān)注熔鹽快堆中鈾钚燃料循環(huán)238U到239Pu的增殖性能。采取雙流分區(qū)技術(shù)方案,即裂變和增殖熔鹽燃料隔離分區(qū)、兩熔鹽流體同時(shí)做主回路冷卻劑,并利用高溫下氟化和氯化混合熔鹽中的重金屬鹽高溶解度特點(diǎn),對(duì)影響反應(yīng)堆增殖比的物理量進(jìn)行分析,以獲得可行的高增殖比熔鹽燃料方案。所有模擬計(jì)算均采用國際上通用SCALE反應(yīng)堆設(shè)計(jì)軟件。

        1 核燃料增殖

        我們?cè)谖墨I(xiàn)[15]中簡述了Th-U燃料循環(huán)增殖原理和方式,對(duì)于U-Pu燃料循環(huán),也有類似途徑。能量高于一定閾值的中子,可以被238U(或232Th)俘獲,并通過一系列β衰變生產(chǎn)易裂變核素239Pu(或233U),從而實(shí)現(xiàn)核燃料增殖目的。通常把反應(yīng)堆中238U到239Pu核素演化過程稱為鈾钚燃料循環(huán),反應(yīng)鏈如下[16-17]:

        易裂變核233U、235U和239Pu每吸收一個(gè)中子后,釋放的平均中子數(shù)η隨中子能量變化如圖1所示[15-16]。 圖 1 中 數(shù) 據(jù) 由 美 國 ENDF(Evaluated Nuclear Date File)核數(shù)據(jù)庫的U和Pu截面加工而成。在快中子能區(qū),239Pu的η值大于2,而且隨中子能量上升很快,核裂變反應(yīng)將有一個(gè)多余中子可以提供給238U(或232Th)增殖來獲取239Pu(或233U)[15-17]。這意味在熔鹽快堆中,存在著鈾钚燃料循環(huán)的高增殖可能。

        圖1 有效裂變中子數(shù)隨中子能量變化Fig.1 Changes of effective fission neutron number with neutron energy

        2 熔鹽燃料選取

        作為核燃料U和Pu的載體,我們選取三種化學(xué)穩(wěn)定性好的LiF、NaF和NaCl鹽,相應(yīng)燃料方案分別為 LiF+PuF4+UF4、NaF+PuF4+UF4以及 NaCl+PuCl3+UCl3,分別標(biāo)記為LiF+PuF4、NaF+PuF4以及NaCl+PuCl3。燃料中的239Pu占比很小,熔鹽的密度、膨脹系數(shù)等物理性質(zhì)主要由各自的基鹽(LiF+UF4、NaF+UF4以及NaCl+UCl3)來決定。

        圖2 鈾在熔鹽中的溶解度和溫度相圖Fig.2 Phase diagram of solubility and temperature of uranium in molten salt

        基鹽中重金屬HM摩爾濃度和溫度相圖如圖2所示[18-21],密度隨溫度和重金屬摩爾濃度變化見圖3和圖4。結(jié)合熔鹽相圖2,對(duì)LiF+PuF4和NaCl+PuCl3兩種燃料方案,選取600℃熔點(diǎn),熔鹽平均工作溫度選在700℃,預(yù)留100℃空間;對(duì)熔點(diǎn)較高的NaF+PuF4熔鹽,選取700℃熔點(diǎn),平均工作溫度800℃。三種熔鹽在各自平均工作溫度下的密度和熱膨脹系數(shù),見表1。

        圖3 熔鹽密度隨溫度變化Fig.3 Changes of molten salt density with temperature

        圖4 熔鹽密度隨重金屬摩爾濃度變化Fig.4 Changes of molten salt density with heavy metal molar concentration

        3 熔鹽反應(yīng)堆幾何結(jié)構(gòu)

        熔鹽快堆的堆本體簡化模型結(jié)構(gòu)見圖5。反應(yīng)堆從內(nèi)到外分為裂變?nèi)埯}燃料區(qū)(直徑FD和高260 cm)、哈氏合金隔離層(厚度1 cm)、增殖熔鹽燃料區(qū)(氟鹽方案增殖區(qū)厚度BT=40 cm,氯鹽方案BT=55 cm)、ZrC中子反射層(厚度5 cm)、B4C中子吸收層(厚度30 cm)、哈氏合金外殼(厚度3 cm)。整個(gè)反應(yīng)堆模型采用中部為圓柱體、頂?shù)诪榘霗E球的近立方柱結(jié)構(gòu)。12根哈氏合金控制棒套管在離中心軸100 cm處環(huán)形均勻分布,套管外徑7 cm、壁厚3 mm,底部與裂變區(qū)的半橢球底部平齊。

        表1 熔鹽物理參數(shù)Fig.1 Physical parameters of molten salt

        圖5 熔鹽增殖快堆示意圖Fig.5 Schematic diagram of molten salt breeder fast reactor

        表2 反應(yīng)堆物理參數(shù)Table 2 Reactor physical parameters

        4 計(jì)算和分析

        4.1 反應(yīng)堆物理參數(shù)

        反應(yīng)堆的增殖能力通常用增殖比(Breeding Ratio,BR)來表示,它反映了堆中易裂變核燃料的增殖能力[15-17]。BR計(jì)算公式為:

        式中:Rc和Ra分別表示核素的中子俘獲反應(yīng)率和中子吸收反應(yīng)率。

        為了簡化計(jì)算,同一熔鹽方案中,裂變?nèi)埯}和增殖熔鹽采用相同重金屬摩爾濃度,物理參數(shù)見表2。三種方案的溫度反應(yīng)性系數(shù)分別是-5.16×10-5K-1、-5.80×10-5K-1和-11.61×10-5K-1,均為溫度負(fù)反饋。初始臨界時(shí),LiF+PuF4、NaF+PuF4和NaCl+PuCl3三種熔鹽燃料方案的增殖比BR分別是1.067、1.065和1.460。在反應(yīng)堆帶輸出功率運(yùn)行時(shí),動(dòng)態(tài)BR值比臨界值稍低。

        影響熔鹽反應(yīng)堆增殖比BR值因素包括:反應(yīng)堆幾何尺寸、熔鹽平均工作溫度可準(zhǔn)許的重金屬摩爾濃度、熔鹽中6Li和35Cl同位素豐度等。

        4.2 重金屬摩爾濃度對(duì)增殖比BR影響

        三種熔鹽各自工作溫度的液相區(qū)范圍內(nèi),增殖比BR隨重金屬摩爾濃度變化見圖6。熔鹽中的重金屬摩爾濃度增加將顯著地增強(qiáng)反應(yīng)堆增殖比BR,特別是氯鹽情況增加更明顯。氯鹽方案增殖比1.2~1.5,而兩種氟鹽方案增殖比0.9~1.1,氯鹽和氟鹽方案之間BR值存在較大差異。即使提高LiF+PuF4方案工作溫度到800℃可以改善其BR值,但也最多提高到1.12附近,見圖7。圖7顯示,在相應(yīng)熔鹽工作溫度下,重金屬溶解度(圖2曲線右支)對(duì)應(yīng)的BR值。想要繼續(xù)大幅度提高氟鹽方案的BR,需要提高工作溫度到1 000℃附近,同時(shí)增加重金屬摩爾濃度,或者采取釷鈾燃料循環(huán)方案[15],三種載體鹽方案700~800℃工作溫度,BR值很容易達(dá)到1.20。

        熔鹽相圖(圖2)給出了可供選擇的熔鹽工作溫度和重金屬摩爾濃度范圍。BR隨重金屬濃度變化趨勢(shì)(圖6),給出可供選擇的反應(yīng)堆增殖比BR,以及相應(yīng)熔鹽重金屬摩爾濃度。這兩個(gè)圖形對(duì)整體規(guī)劃熔鹽快堆U-Pu循環(huán)概念設(shè)計(jì)有直觀指導(dǎo)作用。圖7給出了不同熔鹽工作溫度下可達(dá)到的BR最大值。

        4.3 中子能譜分析

        圖6 BR隨重金屬摩爾濃度變化Fig.6 BR varies with the molar concentration of heavy metal

        圖7 BR隨熔鹽工作溫度變化Fig.7 BR varies with the operating temperature of molten salt

        反應(yīng)堆裂變區(qū)和增殖區(qū)的中子能譜隨能量分布見圖8。圖8中顯示,NaCl+PuCl3燃料方案的中子能譜最硬。能譜差異主要來自于原子核慢化中子能力上,Li比Na強(qiáng)、F比Cl強(qiáng)。增殖區(qū)中對(duì)238U增殖起作用的快中子,氯鹽方案中子通量比兩種氟鹽情況大一個(gè)數(shù)量級(jí)。這些導(dǎo)致氯鹽燃料方案BR=1.46遠(yuǎn)大于兩種氟鹽方案BR≈1.06。在Th-U循環(huán)中,熱中子貢獻(xiàn)必須考慮[15],這從比較圖1的233U和239Pu中子裂變數(shù)曲線在熱中子區(qū)域差異中可以看出。

        4.4 反應(yīng)堆幾何尺寸對(duì)增殖比BR影響

        增殖比BR隨反應(yīng)堆幾何尺寸變化見圖9。圖9顯示,氯鹽和氟鹽方案之間BR巨大差距,也難以通過反應(yīng)堆幾何優(yōu)化來填補(bǔ),而兩種氟鹽BR較為接近。如果工作溫度由700℃改成800℃,LiF+PuF4方案最大BR值可從1.06增加到1.12,NaCl+PuCl3方案最大BR值可增加到1.62,見圖7。如果重金屬摩爾濃度不變,光改變?nèi)埯}工作溫度,對(duì)圖9曲線形狀影響可以忽略不計(jì)。

        圖8 臨界裂變區(qū)(a)和增殖區(qū)(b)的中子通量分布Fig.8 Distribution of neutron flux in critical fission zone(a)and breeding zone(b)

        圖9(a)顯示,隨裂變區(qū)半徑增加,氯鹽熔鹽燃料方案的增殖比BR增長迅速,而兩種氟鹽則輕微減小。圖9(b)顯示,BR隨增殖區(qū)厚增加而增大。兩種氟鹽方案BR值在BT=40 cm左右達(dá)到飽和;而氯鹽方案的BR值隨BT提升空間還很大。

        圖9(c)顯示,BR隨ZrC反射層增厚而增加,但在反射層幾公分厚度時(shí)就達(dá)到飽和,這情況特別是對(duì)氯鹽方案更為明顯。因此ZrC反射層盡管很薄,對(duì)BR作用也很明顯。這說明,中子通過增殖介質(zhì)被吸收后,泄漏的中子數(shù)量相對(duì)較少,只需要很薄一層反射層就足夠滿足。1~5 cm厚的ZrC反射層就可以滿足設(shè)計(jì)需求。外圍的B4C吸收層只是減少殘余泄漏中子、起輻射防護(hù)作用,對(duì)反應(yīng)堆BR值,幾乎沒影響。30 cm厚度就可以降低反應(yīng)堆外的泄漏中子量約1個(gè)數(shù)量級(jí)。B4C吸收層可以取消,但堆外輻射防護(hù)就需要增強(qiáng)。

        圖9 BR隨反應(yīng)堆幾何尺寸變化Fig.9 BR varies with reactor geometry

        4.5 同位素豐度對(duì)增殖比BR影響

        由于6Li和35Cl的輻射俘獲截面比其同位素7Li和37Cl輻射俘獲截面高1~2個(gè)數(shù)量級(jí),因此同位素6Li和35Cl豐度對(duì)BR影響需要考慮。熔鹽中的同位素6Li和35Cl豐度對(duì)BR影響見圖10,BR隨兩同位素豐度增加而減小,6Li豐度對(duì)BR的影響較35Cl豐度更為明顯。在相應(yīng)熔鹽方案中,6Li采用0.1%以內(nèi)和35Cl采用1%以內(nèi)的豐度,同位素豐度對(duì)BR影響可以忽略。

        4.6 BR隨運(yùn)行時(shí)間演化

        以上計(jì)算的是臨界時(shí)BR穩(wěn)態(tài)情況。對(duì)于功率輸出時(shí)BR動(dòng)態(tài)情況見圖11。由于裂變和增殖燃料都是液態(tài),可實(shí)行在線添料和熔鹽中雜質(zhì)提取。圖11中中子有效增殖因數(shù)keff初始設(shè)計(jì)值1.012 0,當(dāng)keff運(yùn)行進(jìn)入1.000 0~1.001 5區(qū)間時(shí),觸發(fā)在線處理?xiàng)l件,需要對(duì)裂變區(qū)進(jìn)行在線添加易裂變?nèi)剂?39Pu和提取多余裂變中間產(chǎn)物,對(duì)增殖區(qū)進(jìn)行提取增殖的239Pu和中間產(chǎn)物。圖11中提取率按90%計(jì)算,添加239Pu到滿足keff=1.010 0為止。圖11顯示,BR隨 反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)間變化,數(shù)值略微小于臨界穩(wěn)態(tài)值。

        圖10 BR隨同位素6Li和35Cl豐度變化Fig.10 BR varies with isotopic abundances of6Li and35Cl

        圖11 keff(a)和BR(b)隨運(yùn)行時(shí)間演化Fig.11 Variation of keff(a)and BR(b)the running time

        整個(gè)計(jì)算流程以Scale程序的Triton燃耗模塊為主,每運(yùn)行一個(gè)間隔時(shí)間,讀出Triton的熔鹽輸出文件,作為Scale6的Keno3D模塊的熔鹽輸入、計(jì)算動(dòng)態(tài)keff和BR值。一旦keff小于設(shè)計(jì)閾值,則進(jìn)行在線處理。除了按keff判據(jù)進(jìn)行在線添料和提取外,也可以按預(yù)設(shè)時(shí)間周期進(jìn)行燃料在線管理。

        5 結(jié)語

        通過熔鹽燃料的物理性能分析、熔鹽快堆的中子物理計(jì)算以及易裂變核素的增殖比計(jì)算,我們對(duì)熔鹽快堆鈾钚燃料循環(huán)的增殖性能總結(jié)如下:

        1)氯鹽方案增殖比BR遠(yuǎn)大于兩種氟鹽方案;

        2)無論是通過增加重金屬摩爾濃度,還是小幅度改變反應(yīng)堆幾何尺寸,都難以通過優(yōu)化方式來填補(bǔ)氯鹽和氟鹽方案增殖性能差距;

        3)增殖比BR隨裂變區(qū)、增殖區(qū)和ZrC反射層尺寸增大而變大,直到飽和;

        4)氟鹽燃料方案BR值,大約在增殖區(qū)40 cm厚度附近達(dá)到飽和,但氯鹽方案BR值在80 cm之后還繼續(xù)隨增殖層厚度增長;

        5)幾厘米厚的反射層,就可以很明顯改善反應(yīng)堆BR值;

        6)增殖比隨同位素6Li和35Cl的豐度增加而迅速減小,當(dāng)6Li豐度小于0.1%、35Cl豐度小于1%時(shí),同位素豐度對(duì)反應(yīng)堆BR影響可以忽略;

        7)動(dòng)態(tài)BR值稍微比臨界穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)值??;

        8)結(jié)合熔鹽相圖、BR隨重金屬摩爾濃度變化曲線和BR最大值隨熔鹽溫度變化曲線,可在熔鹽快堆設(shè)計(jì)中合理選擇熔鹽的工作溫度、重金屬摩爾濃度和反應(yīng)堆增殖比。

        猜你喜歡
        氯鹽工作溫度熔鹽
        熔鹽在片堿生產(chǎn)中的應(yīng)用
        配件耐溫排行榜
        電腦愛好者(2021年5期)2021-03-10 08:57:48
        NaF-KF熔鹽體系制備Ti2CTx材料的研究
        基于浮子運(yùn)動(dòng)的三浮陀螺儀工作溫度標(biāo)定方法
        純鈦的熔鹽滲硼
        大型燃?xì)馊埯}爐的研發(fā)和工藝控制
        工業(yè)爐(2016年1期)2016-02-27 12:34:11
        氯鹽侵蝕下的混凝土防腐處理
        新能源馕坑的工作原理及最佳工作狀態(tài)的試驗(yàn)研究
        基于可靠度的氯鹽侵蝕下輸電線路基礎(chǔ)耐久性壽命預(yù)測(cè)
        英飛凌旗下IR HiRel發(fā)布專為用于石油和天然氣勘探的井下工具而優(yōu)化的額定工作溫度為185°C的緊湊式直流-直流電源
        亚洲综合区图片小说区| 黄片国产一区二区三区| 精品厕所偷拍一区二区视频| 免费无遮挡禁18污污网站| 国产美女网站视频| 日本女同伦理片在线观看| 国产精品国产三级国产专区不| 色视频线观看在线网站| 免费av片在线观看网站| 国产午夜亚洲精品不卡免下载| 日本一区二区不卡在线| 久久国产加勒比精品无码| 后入内射欧美99二区视频| 日韩欧美亚洲国产一区二区三区| 你懂的视频网站亚洲视频 | 老太脱裤让老头玩ⅹxxxx| AV中文字幕在线视| 亚洲国产精品嫩草影院久久| 青青青伊人色综合久久亚洲综合| 青青草视频免费在线播放| 人人超碰人人爱超碰国产| 精品亚洲欧美无人区乱码| 久久亚洲国产精品123区| 蜜桃夜夜爽天天爽三区麻豆av| 久久婷婷五月综合色欧美 | 精品久久免费国产乱色也| 色天使久久综合网天天| 亚洲国产精品sss在线观看av| 无码熟妇人妻AV不卡| 午夜男女靠比视频免费| 粗大猛烈进出白浆视频| 精品四虎免费观看国产高清| 亚洲天堂av中文字幕| 亚洲成av人综合在线观看| 人妻影音先锋啪啪av资源| 中国女人a毛片免费全部播放| 亚洲精品中文字幕导航| 亚洲色欲色欲www在线观看| 精品久久久久久无码不卡| 白白色日韩免费在线观看| 久久久亚洲欧洲日产国码aⅴ|