Computational Tools for the Integrated Design of Advanced Nuclear Reactors

先进核反应堆可为全世界提供安全、清洁、可靠的电能。从概念设计前期,到详细设计工作、执照申请和电站运行等不同阶段,开发先进核反应堆对计算模型的依赖程度都非常高。一个综合性反应堆建模框架不仅可以实现无缝通信、连接、自动化和连续开发等功能,更可以极大地提高反应堆设计工作的能力和效率。在这种系统中,各种关键性能指标(如最优燃料管理、设计基础事故状态下包壳的峰值温度、平准化发电成本等)可以明确地与设计输入数据(如集成模块管道的厚度、容差等数据)联系在一起,保证极高的设计一致性。此系统结合高性能计算系统之后,能够同时执行数千个集成的案例对整个系统进行敏感性分析,从而高效、可靠地评估各种设计,确定最优方案。TerraPower公司开发了一款类似的工具,他们将其命名为"高级反应堆建模接口系统"(ARMI),并已将其应用于目前正在开发的TerraPower行波反应堆设计及其他创新性能源产品的设计工作中。ARMI系统使用之前已有的、具有强大谱系的各种工具,以及创新性设计所需的多种新的物理和数据管理模块。此系统将之前已有的和各种新的物理测量值(这些数据对任何优秀的设计而言都是非常重要的基础数据)进行了对比确认和验证。本文综述了集成反应堆堆芯工程设计工具的情况和TerraPower公司的生产实践情况。

行波堆:设计与开发

行波堆为一次通过式燃料循环反应堆,其利用堆芯自增殖大大降低了对浓缩和后处理的需求。自增殖将次临界换料燃料转化为新的临界燃料,从而使增殖燃烧波得以扩散。该理念建立在增殖燃烧波和燃料的相对移动的基础上。因此,燃料或增殖燃烧波相对于固定的观察器而言是移动的。行波堆最实用的体现就是能够在将核反应保持在同一位置的同时移动燃料——有时行波堆也被称为"驻波堆"。行波堆能够使用换料铀燃料运行,换料铀燃料包括完全贫化铀、天然铀和低浓缩铀燃料(即235U含量为5.5%或更低的燃料),这些燃料通常在快谱中达不到临界状态。轻水反应堆卸出的乏燃料也可以作为行波堆的换料燃料。上述情况均无需后处理即可实现极高的燃料利用率和燃料废物量的显著降低。当换料燃料为贫化铀时,行波堆的最大优势得以实现,即在启动后,无需浓缩设施,就可维持最先启动的反应堆和一连串后续的反应堆的运行。自2006年起,泰拉能源公司(Terra Power)与50多个机构高度协作,开展了概念设计、工程设计和相关技术开发活动,力争到2026年实现将第一个机组投入使用。本文总结了行波堆技术,包括它的发展计划及其进展,分析了行波堆的社会和经济效益。

行波堆:设计与开发

行波堆为一次通过式燃料循环反应堆,其利用堆芯自增殖大大降低了对浓缩和后处理的需求。自增殖将次临界换料燃料转化为新的临界燃料,从而使增殖燃烧波得以扩散。该理念建立在增殖燃烧波和燃料的相对移动的基础上。因此,燃料或增殖燃烧波相对于固定的观察器而言是移动的。行波堆最实用的体现就是能够在将核反应保持在同一位置的同时移动燃料——有时行波堆也被称为“驻波堆”。行波堆能够使用换料铀燃料运行,换料铀燃料包括完全贫化铀、天然铀和低浓缩铀燃料(即^(235)U含量为5.5%或更低的燃料),这些燃料通常在快谱中达不到临界状态。轻水反应堆卸出的乏燃料也可以作为行波堆的换料燃料。上述情况均无需后处理即可实现极高的燃料利用率和燃料废物量的显著降低。当换料燃料为贫化铀时,行波堆的最大优势得以实现,即在启动后,无需浓缩设施,就可维持最先启动的反应堆和一连串后续的反应堆的运行。自2006年起,泰拉能源公司(TerraPower)与50多个机构高度协作,开展了概念设计、工程设计和相关技术开发活动,力争到2026年实现将第一个机组投入使用。本文总结了行波堆技术,包括它的发展计划及其进展,分析了行波堆的社会和经济效益。