加速器驱动次临界系统用嬗变核燃料研究进展分析

加速器驱动次临界系统(Accelerator driven subcritical system,ADS)是乏燃料安全处理处置关键瓶颈问题的优秀解决方案,而开发适用于该系统的嬗变核燃料正是ADS研发的关键任务之一。然而由于嬗变对象次锕系元素的固有特殊性质、嬗变燃料体系相关机理尚不十分明确、制备技术难度大、嬗变核燃料相关试验数据和运行经验的欠缺等原因,ADS用嬗变核燃料的研发十分复杂且极具挑战。本文系统综述了作为ADS重要候选嬗变燃料的氧化物弥散型燃料CERCER/CERMET、氮化物燃料和金属燃料的研究进展,包括制备工艺、辐照实验和辐照后检验结果、物性参数、主要优缺点等内容,以期为我国ADS用嬗变核燃料的研发提供一定思路和参考。

加速器驱动的次临界铀溶液同位素生产堆概念设计

加速器驱动的次临界铀溶液系统作为新型同位素生产技术,具有固有安全性高、同位素比活度高及提取工艺简单等优势。本文从次临界系统的基础理论出发,确定了堆芯设计原则,针对加速器中子源和燃料选型进行说明,利用蒙特卡罗程序完成了次临界堆芯的概念设计并给出了一系列设计参数,此外,对堆芯长寿期燃耗特性和^(99)Mo产能进行了计算分析。结果表明,该方案^(99)Mo的年产能可达20 kCi(1 Ci=3.7×10^(10)Bq)以上,考虑运输过程中衰变损失,保守估计可满足全国1/3的临床需求,对后续掌握^(99)Mo生产技术并实现工程应用具有重要的现实意义。

中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计

根据中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的建设要求,完成了CiADS中次临界反应堆的概念设计。次临界反应堆为液态铅铋冷却快中子反应堆,采用半池式-半回路式的布置方式,通过主容器的中心管实现了与散裂靶在结构上的耦合。燃料组件及换料方式采用相对成熟的技术方案,设置了铅铋主冷却剂辅助系统,通过多种专设安全设施来保证反应堆的安全。CiADS次临界反应堆充分考虑了堆靶耦合界面的可实现性,利用了液态铅铋冷却剂良好的传热性,结合了池式堆冷却剂自然循环的特性及回路式堆冷却剂装量少的特性,具有良好的可行性、安全性、布置灵活性和技术扩展性。

加速器驱动次临界产氚反应堆ADS-T中子学初步设计与分析

本文针对兼顾嬗变和产氚的铅合金冷却加速器驱动次临界反应堆ADS-T(ADS-Tritium),采用自主研发的大型集成多功能中子学计算与分析软件系统VisualBUS4.2和混合评价核数据库HENDL3.0,对散裂中子能量、产氚材料中6 Li丰度、结构钢材料、初始keff、中子能谱以及产氚组件摆放方式等产氚条件进行了敏感性分析。最后本文给出了年产氚千克级的ADS-T中子学初步方案,提供了一种有吸引力的氚生产途径。

加速器驱动次临界堆堆芯物理概念研究

分析了加速器驱动次临界堆堆芯的裂变核素增殖和平衡条件、主要长寿命放射性废物的积累、裂变产物毒性的影响及次临界堆的运行周期、输出功率和能量增益等主要性质，并对次临界热堆和次临界快堆的物理性质进行了比较。在简单的球形几何条件下，分析了铀－铅和钍－重水组成的快－热耦合的次临界系统的物理性质。

三束流驱动ADS次临界反应堆堆芯初步设计

在"启明星-1"实验装置的设计基础上,设计了三束流驱动ADS次临界反应堆堆芯的布置方案,计算并比较了三束流驱动和单束流驱动ADS次临界堆内径向与轴向中子通量密度分布.结果表明,三束流驱动ADS的次临界反应堆的布置方案通过调整源点位置能降低堆内轴向功率形状因子,能够有效的展平堆内功率径向分布.

加速器驱动的次临界系统快堆次锕系核素非均匀布置堆芯的中子学研究

运用MCNP与ORIGEN2耦合计算程序COUPLE,对加速器驱动的次临界系统(ADS)钠冷金属燃料快堆堆芯进行稳态与燃耗计算,比较分析次锕系核素(MA)非均匀布置堆芯与均匀布置堆芯在MA嬗变效果与反应性参数方面的差异。计算结果表明：对比均匀布置,非均匀布置具有更高的MA嬗变率与嬗变支持比；在反应性参数方面,导致多普勒效应与有效缓发中子份额降低,钠空泡效应增大；在堆芯功率分布与加速器束流功率方面没有明显变化。

加速器驱动次临界堆芯中子学程序开发

加速器驱动的次临界系统(ADS)由于外中子源的存在导致堆芯中子通量密度分布强烈的各向异性,须采用中子输运方法进行计算。采用蒙特卡罗输运耦合燃耗方法进行设计计算效率很低,而传统反应堆两步法中堆芯计算采用中子扩散方法,对ADS并不适用。为此,开发了两步法堆芯确定论输运的次临界系统中子学分析程序,第1步组件计算采用超细群共振组件程序,产生堆芯计算所需的少群均匀化参数;第2步堆芯计算采用三维三角形离散坐标节块输运程序DNTR进行中子学计算,堆芯燃耗采用微观燃耗的方法进行计算。通过对多栅元燃耗、BN600基准题以及ADS均匀装料模型计算检验,表明该程序具有良好的计算精度和计算效率。

加速器驱动次临界系统堆芯功率的自抗扰控制

提出了一种基于非线性自抗扰控制(ADRC)技术的加速度驱动次临界系统控制(ADS)堆芯功率控制方法。首先,采用带外源的中子动力学方程和能量守恒方程搭建ADS堆芯系统非线性模型,利用微小摄动理论对模型进行线性化处理,得到双输入双输出传递函数模型;其次,基于该模型设计堆芯功率自抗扰控制系统,利用“分离性原理”对控制参数进行整定;最后,利用Matlab平台搭建ADS堆芯系统非线性模型和ADRC控制器模型,对ADRC控制与PID控制进行对比分析。结果表明:所设计的控制系统具有更好的控制性能,证明了将ADRC技术应用在ADS堆芯系统控制方面是可行的。

加速器驱动次临界系统装置部件用材发展战略研究

加速器驱动次临界系统(ADS)由强流高能离子加速器、高功率散裂靶和次临界反应堆三大分系统组成。作为未来先进核裂变能——加速器驱动先进核能系统(ADANES)的重要组成部分,ADS装置的研发对推动我国能源革命、促进能源转型以及刺激核能行业创新发展具有重大作用。本文以ADANES研发为背景,阐述了ADS装置的研发现状、可能的发展趋势以及ADS部件对材料的需求,重点探讨了ADS装置中高功率散裂靶和次临界反应堆部件用关键材料的研发进展与存在问题,面临的发展机遇和挑战;最后提出了几点发展对策,力求助力我国ADS装置的建设与先进核裂变能技术创新,推动未来先进核裂变能的安全高效和可持续发展。

加速器驱动次临界系统注入器离子源控制系统

强流质子源及低能传输线是加速器驱动次临界系统(ADS)项目注入器的重要组成部分,为了保证其工作效率设计了一种基于实验物理及工业控制系统(EPICS)架构的远程控制系统。根据被控设备硬件接口的特点及控制需求分别采用可编程控制器(PLC)和串口服务器等作为控制部件,在主控机中使用LabVIEW编程实现了对系统内所有设备的监控,并借助于DSC模块把设备状态和参数等以过程变量的形式进行网络发布。设计的控制系统具有结构简单、工作可靠的特点,已经在系统调试中发挥了重要作用。

加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ数据归档系统

针对加速器驱动次临界系统(ADS)中强流质子直线加速器,即ADS注入器Ⅱ,设计了数据归档系统。该系统能实时采集加速器运行时各设备的状态信息和通过中央控制室远程发出的指令信息,为加速器调束人员和系统维护人员提供最真实的参考信息,方便故障排查和后期数据分析。系统基于以太网,运行于实验物理与工业控制系统EPICS(Experimental Physics and Industrial Control System)架构上,和设备的数据交换采用CA协议(Channel Access Protocol)。采用Keepalived和MySQL实现高可用数据库服务,采用ArchiveEngine作为数据采集工具,采用DataBrower进行数据查询和曲线绘制。对归档数据库进行了查询优化,并自行开发了数据库服务器和归档引擎的运行状态监控程序,从而保证了整个数据归档系统的稳定运行。通过现场运行,系统可满足ADS注入器Ⅱ运行要求,维护方便,只需将相应PV(Process Variable)信息添加到数据库channel表格中即可实现数据采集。

加速器驱动的次临界系统散裂靶热工水力研究

散裂靶位于加速器驱动的次临界系统(ADS)的中心,为核嬗变提供所需的中子源。通过分析散裂靶的热工要求,选取铅铋合金(LBE)作为ADS的靶材料和冷却剂。使用MCNP程序计算质子束轰击靶区产生的能量沉积,并使用CFD程序FLUENT计算靶区热工特性。分析了不同设计参数及不同靶窗形状对ADS靶区温度分布和速度分布的影响,得到满足热工要求的可选方案。

加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ低温恒温器控制系统

根据加速器驱动次临界系统(ADS)注入器Ⅱ对低温设备的要求设计了一套EPICS架构的控制系统,实现了低温恒温器系统的远程监控功能。该系统的主要控制设备为PLC和串口服务器,相应的控制程序在LabVIEW中开发完成,并使用DSC模块将被控设备的状态和参数等信息以过程变量的形式发布到控制网络中,实现了EPICS接入。使用PID算法将低温恒温器的氦槽压力控制在目标值的±100Pa内变化,保证了超导腔的正常工作要求。设计的控制系统运行稳定,在5 MeV的束流实验中发挥了作用。

中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计(英文)

中国加速器驱动次临界系统(C-ADS)计划采用一个平均流强为10mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器,驱动加速器的束流功率为15MW,最终能量1.5GeV,其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分,完成束流能量从10MeV到1.5GeV的加速,所有加速腔均采用超导结构。为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏,设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限,因此加速器在设计过程植入了容错机制,尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。介绍了C-ADS主加速器的基本设计:总长度306.4m,束流的归一化RMS发射度增长控制在5%以内。总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。

加速器驱动次临界系统的中高能质子轰击厚靶中子学实验研究

利用俄罗斯杜布纳联合核子研究所的高能加速器进行加速器驱动次临界系统 (ADS)靶区中子学研究。用 0 .5 33、1 .0、3.7和 7 4GeV质子轰击U(Pb)、Pb和Hg靶的测量结果表明 :U(Pb)和Pb与Hg靶的中子产额比分别为 ( 2 0 1± 0 1 0 )和 ( 1 76± 0 33) ,从获得较强中子的角度看 ,Hg作为ADS靶是不利的 ;沿厚 2 0cm靶的中子产额随入射质子穿透深度增大而下降 ,质子能量越低 ,中子产额下降越快 ,为在较大厚度范围内获得较均匀的中子场 ,质子能量不应低于 1GeV ;不同能量质子产生的次级中子能谱相近 ,但随质子能量提高 ,较高能量中子的比例逐渐增大。

加速器驱动核废料嬗变次临界堆中子学初步设计分析

针对铅合金冷却加速器驱动核废料嬗变次临界堆ADS-NWT,以次锕系核素(MA)嬗变性能为评价指标,开展了ADS-NWT中子学初步设计分析。设计采用液态铅铋作为冷却剂,选择超铀弥散金属燃料,使用大型集成中子学计算分析系统VisualBUS和混合评价核数据库HENDL进行计算分析。结果表明:当MA/Pu体积比为7∶3时全堆对MA的嬗变率可达约650kg/a,同时满足能量自持并具备约1 000MW能量输出,较深的次临界度和负反应性系数表明ADS-NWT具有良好的固有安全性。

加速器驱动次临界系统阶梯场磁铁设计

为保证加速器驱动次临界系统输运线靶站的使用寿命,采用了一种基于阶梯场磁铁的方案将质子束在水平、垂直两个方向进行扩展。对阶梯场磁铁进行了三维磁场模拟和物理设计,根据联合模拟的磁场分布进行了束流动力学跟踪研究,证实阶梯场磁铁方案对均匀化束流有很好的效果。为了使阶梯场磁铁磁场的台阶状分布更加明显,提出了一种更为紧凑的阶梯场磁铁设计方案。

加速器驱动次临界系统注入器Ⅱ的真空控制系统

真空系统是加速器驱动次临界系统项目注入器Ⅱ的重要组成部分之一,为了保证其工作效率设计了一种基于实验物理及工业控制系统(EPICS)架构的远程控制系统。根据被控设备硬件接口的特点及控制需求分别采用PLC和串口服务器等作为控制设备,在主控机中使用LabView编程实现了对系统内所有设备的监控,并借助于DSC模块把设备状态和参数等以过程变量的形式进行网络发布。同时根据系统特点设计了软硬件相结合的连锁保护方案,增加了系统的可靠性,为5 MeV束流实验的顺利进行提供保障。

次锕系元素在加速器驱动的次临界快堆中嬗变的研究

选取加速器驱动次临界快堆 (ADSFR) ,进行嬗变来自于PWR(U )乏燃料中次锕系元素的研究。在堆芯内 ,燃料为NpAmCm的氧化物 ,选取液态钠为冷却剂。利用下列程序对所选方案进行物理计算和分析 :LAHET 模拟质子与靶核的相互作用 ;MCNP4A 模拟次临界包层内 2 0MeV以下的中子与材料核的相互作用 ;ORIGEN2 利用MCNP4A的输出提供的一群等效截面对堆芯进行燃耗计算。计算分析的结果表明 :考虑临界安全、功率密度和燃耗等因素 。