聚變裂變混合發(fā)電堆包層優(yōu)化設計

聚變裂變混合發(fā)電堆包層優(yōu)化設計

為了解決能源短缺和污染問題，人們需要找到新的替代能源。能源消耗是一種現(xiàn)代能源。它可以大規(guī)模替代傳統(tǒng)的能源。聚變相關(guān)的最近實驗進展和相關(guān)的理論進展已經(jīng)證明了聚變能的可行性,但是普遍認為聚變能要實現(xiàn)商業(yè)應用還有很長的路要走。一些國家急速發(fā)展裂變工業(yè)應用,然而裂變將面臨燃料短缺、安全和放射性廢料等問題。聚變-裂變混合堆有許多潛在的優(yōu)點:好的安全性、充足的燃料、降低對聚變及材料等方面的要求等?；旌隙咽怯型蔀榻鉀Q大力發(fā)展裂變能帶來的諸多問題的有效途徑之一,同時也可作為推動永久清潔能源——純聚變能商用化技術(shù)發(fā)展的重要臺階。國內(nèi)外已經(jīng)開展許多關(guān)于聚變-裂變混合堆的研究[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],特別是近幾年混合堆的研究格外受到國內(nèi)外多家研究機構(gòu)的青睞[17,18,19,20,21,22]。FDS團隊最近提出了基于現(xiàn)有的或者適當外推的聚變技術(shù)和成熟的裂變壓水堆技術(shù)的聚變裂變混合發(fā)電概念堆FDS-EM(EnergyMultiplier),并作為FDS系列概念堆[19,26,27,28,29,30]之一開展相關(guān)設計研究。本文是以FDS-EM包層的能量倍增因子M(Multiplicationfactor)和氚增殖率TBR(TritiumBreedingRatio)等中子學參數(shù)為目標參數(shù)進行優(yōu)化計算。表1列舉了FDS-EM水冷發(fā)電包層的工程約束條件和優(yōu)化設計目標。FDS-EM的一個主要目標是在運行期間不進行裝料換料操作的情況下,能夠在盡可能長(10a或者更長)的時間內(nèi)保持平穩(wěn)的電功率輸出,即在考慮泵功率、加熱功率、系統(tǒng)輔助功率等消耗后希望能夠獲得凈電功率約1.0GW。水作為冷卻劑的熱電轉(zhuǎn)換效率約33%,因此總熱功率設計為3.5～4.5GW,如當聚變功率為50MW時,期望M能夠達到約90;當聚變功率為150MW時,期望M約為30;當聚變功率為500MW時,期望M約為9。同時為滿足聚變?nèi)剂想白猿中枨?并考慮系統(tǒng)的氚泄漏和衰變,一般要求TBR≥1.05。考慮到安全裕度和熱工冷卻能力的限制,中子有效倍增因子(keff)和最大的區(qū)平均功率密度PDmax(themaximumPowerDensityaveragedineachzone),分別為keff≤0.96和PDmax≤100MW/m3。本文中第1部分介紹了FDS-EM水冷發(fā)電包層概念與中子學模型;第二部分是中子學方案設計優(yōu)化;第三部分在優(yōu)化的基礎上,進行燃耗分析和換料方案設計,初步給出一個能夠滿足氚自持、能量倍增因子約為90等優(yōu)化目標,且連續(xù)運行至少10a不換料方案;最后給出了結(jié)論。1材料和實驗方法本文的計算模型(一維簡化模型見圖1)是基于FDS-EM的幾何模型:大半徑R=4m,小半徑a=1m,拉長比κ=1.7。FDS-EM包層系統(tǒng)靠外中子源驅(qū)動而運行在次臨界狀態(tài)下,依托能夠自持的聚變裂變?nèi)剂涎h(huán)來進行氚增殖和能量生產(chǎn)?；诔墒斓膲核鸭夹g(shù)的包層設計主要包括兩個典型的功能包層:內(nèi)包層和外包層。內(nèi)包層主要是氚增殖包層(TBB),外包層主要利用裂變材料來產(chǎn)生能量(EPB)和利用氚增殖劑來增殖氚。設計中選擇的結(jié)構(gòu)材料是低活化鋼RAFM鋼(如CLAM:ChineseLowActivationMartensiticsteel),其具有抗輻照性能和低活化放射性等優(yōu)良品質(zhì)。裂變材料采用的化學形式是氧化物。氧化物相對于金屬燃料、氮化物燃料和碳化物燃料其具有大量的燃料堆內(nèi)運行經(jīng)驗可以借鑒;氧化物具有較高的熔點和化學穩(wěn)定性,而且其在空氣中是穩(wěn)定的,這可以降低工藝處理過程中對安全的需求。其中燃料形狀設計成棒狀,包殼材料使用的是鋯合金。輕水作為冷卻劑同時作為中子慢化劑;液態(tài)鋰鉛因高氚增殖能力和良好的導熱性作為氚增殖劑同時用作自身冷卻,鉛同時可作為中子倍增劑。本文計算選用核廢料(裂變堆乏燃料)作為裂變?nèi)剂?其中核廢料的定義是壓水堆卸出的廢料Pu和LLMA(Long-LivedMinorActinides)(裝料按照同一商業(yè)壓水堆卸出的比例來裝,避免钚、錒系的再分離)加上貧鈾。在選用核廢料作為裂變?nèi)剂系那闆r下,考察①外包層工作區(qū)不同的排放順序;②冷卻劑不同的體積百分比;③聚變功率不同的大小等因素對M和TBR等中子學參數(shù)影響進行優(yōu)化計算。計算使用的程序是由FDS團隊自主研發(fā)的大型集成多功能中子學計算和分析系統(tǒng)VisualBUS。VisualBUS是基于成熟計算核心開發(fā)和網(wǎng)絡環(huán)境構(gòu)架的大型集成多功能中子學計算與分析系統(tǒng)。強大的計算能力和友好的用戶界面使其可方便應用于反應堆物理設計、燃料管理優(yōu)化、輻照屏蔽計算、核安全分析與環(huán)境影響評價等領域的中子、光子和電子模擬計算與分析。最基本的計算功能是實現(xiàn)一維到三維SN、MC、SN/MC耦合的輸運計算以及多種方法的燃耗計算。使用的數(shù)據(jù)庫是HENDL,包括分別適用于SN方法的多群數(shù)據(jù)庫HENDL/MG和MC方法的連續(xù)能量數(shù)據(jù)庫HENDL/MC,原始評價數(shù)據(jù)來自于國家上廣泛使用的幾大評價核數(shù)據(jù)庫如FENDL、ENDF/B、JENDL、JEF和BROND等。本文給出的是基于一維簡化近似處理的球模型(見圖1)的輸運燃耗計算結(jié)果。各個區(qū)的功能與材料成分以及徑向尺寸見表2,其中模型1和模型2的區(qū)別見2.1節(jié)。2高中的設計方案的優(yōu)化2.1鋰鉛區(qū)和離子體區(qū)的聚變功率和聚變速率之前的研究表明,為了增殖更多的氚Li17Pb83中的Li需要濃縮。在本文中使用的是Li17Pb83,其6Li的豐度濃縮為90%。為了獲得高的TBR和M,分別考察了外包層產(chǎn)氚工作區(qū)和產(chǎn)生能量的工作區(qū)排放順序不同,即裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠近等離子體區(qū)(模型1)和鋰鉛區(qū)靠近等離子體區(qū)(模型2)。對于模型1,裂變?nèi)剂蠀^(qū)是安排在靠近等離子體區(qū)、鋰鉛區(qū)遠離等離子體區(qū),而對于模型2,鋰鉛區(qū)是安排在靠近等離子體區(qū)而裂變?nèi)剂蠀^(qū)是遠離等離子體區(qū)。表3給出模型1和模型2的keff,M,TBR,PDmax等中子學計算參數(shù),其中聚變功率是50MW和150MW的方案中,根據(jù)水的體積百分比優(yōu)化結(jié)果(詳見2.2節(jié))只給出水的體積百分比為60%的計算結(jié)果。據(jù)表3,從聚變功率為50MW的計算結(jié)果知,當裂變?nèi)剂蠀^(qū)和鋰鉛區(qū)排放順序不同時,兩種排放順序得到的TBR均能滿足氚自持,但是當裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠近等離子體區(qū)時,其M值比鋰鉛區(qū)靠近等離子體區(qū)的M值大。而對于聚變功率為150MW和500MW,在裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠近等離子體的模型中,則均不能實現(xiàn)氚自持。2.2計算模型的求解為了考察裂變?nèi)剂现欣鋮s劑水的比例高低對中子學參數(shù)TBR和M等值的影響,表3給出了當聚變功率為50MW時,水的體積百分比為75%、60%、50%、40%、30%的計算結(jié)果。從計算結(jié)果可以看出,在滿足氚自持的前提下,水的比例不同得到M值不同,其中當水的體積百分比相對較高為60%時,得到的M值較大,如聚變功率為50MW,在模型1和模型2中,水的體積百分比均為60%,M最大分別為91.0和28.4;進一步由聚變功率是150MW,模型2的計算結(jié)果知,水的百分比同樣為60%得到的M最大,為28.4。2.3聚變功率對tbr性能的影響從理論上,同一個系統(tǒng)其包層能量倍增因子和聚變功率的大小沒有關(guān)系,但是若考慮工程冷卻能力的限制條件,在不同的聚變功率下,包層得到的能量倍增將可能因為受到限制條件的影響而不同。此處考察在滿足工程冷卻能力限制條件下,不同的聚變功率大小對系統(tǒng)的TBR和M值等參數(shù)的影響。從表3結(jié)果知,當聚變功率為50MW時,對于模型1,水的體積百分比分別為75%、60%、50%、40%時,均能滿足氚自持和達到產(chǎn)生能量的目標,即M約為90,其中水的體積百分比為60%的方案,M值最高為91;當聚變功率為150MW時,對于模型1,系統(tǒng)生產(chǎn)的氚則不能實現(xiàn)自持,而對于模型2,當水的體積百分比為60%時,TBR能夠同時滿足氚自持和產(chǎn)生能量的目標,M為28.4;當聚變功率為500MW時,對于模型1,系統(tǒng)生產(chǎn)的氚不能實現(xiàn)自持,而對于模型2,當水的體積百分比為60%時,系統(tǒng)能夠同時滿足氚自持和產(chǎn)生能量的目標,考慮到工程冷卻能力的限制后,M可達16.4。3不換料方案初步優(yōu)化基于上述優(yōu)化結(jié)果,選用外包層裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠進等離子體、鋰鉛區(qū)遠離等離子體的模型,裂變?nèi)剂鲜褂煤藦U料、水的體積百分比為60%、聚變功率是50MW的方案為基礎,進行了燃耗計算分析。為了得到盡可能長時間內(nèi),滿足氚自持條件和平穩(wěn)地輸出電功率,對方案進行了優(yōu)化,迭代計算后得到了燃料區(qū)和鋰鉛區(qū)的厚度分別為16cm和30cm,裂變?nèi)剂蠀^(qū)的燃料體積百分比分別是:UDUO2是17.137%、PuO2是11.48%、MAO2是1.383%、Zr是10%、H2O是60%。表4初步給出連續(xù)運行10a不換料方案的中子學計算結(jié)果。計算結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠不裝料卸料連續(xù)運行至少10a:10a后燃耗深度達到80515MWD/T(HM),最大有效增殖系數(shù)沒有超過0.96的限值(能夠滿足安全裕度的目標),最大的區(qū)平均功率密度為67.5MW/m3(在熱工水力冷卻能力范圍之內(nèi)),氚增殖率能夠滿足氚自持需要(TBR約1.43),足夠高的能量倍增因子(平均M約91.5),意味著能獲得約1.0GW的凈電功率。4自發(fā)和能量法在選用核廢料(裂變堆乏燃料)作為裂變?nèi)剂蠒r,由以上優(yōu)化計算結(jié)果可得出初步結(jié)論:1)聚變功率為50MW時,當采用裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠近等離子體區(qū)和鋰鉛區(qū)靠近等離子體區(qū)兩種不同的模型時,兩種不同的模型得到的TBR均能實現(xiàn)氚自持,但是當裂變?nèi)剂蠀^(qū)靠近等離子體區(qū)時,其M值比鋰鉛區(qū)靠近等離子體區(qū)模型的M值大。而對于聚變功率為150MW和500MW,在燃料區(qū)靠近等離子體的模型中,則均不能實現(xiàn)氚自持,對于150MW和500MW的聚變,要想同時實現(xiàn)氚自持和能量生產(chǎn)目標則要采用鋰鉛區(qū)靠近等離子體的模型結(jié)構(gòu)。2)在滿足氚自持要求的前提下,水的比例不同得到M值不同,其中當水的體積百分比較高如60%時,得到的M值較大。3)聚變功率為50MW或者更高,水冷包層在氚自持的基礎上,能夠獲得高的能量倍增,即能夠獲得約1G