Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)在核安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境、气候问题的新能源。从Z箍缩驱动聚变方案与聚变靶设计、重复频率驱动器、次临界包层及产氚包层设计、燃料循环等关键问题方面,对Z-FFR工程概念总体研究情况进行了介绍。

Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆总体概念研究

中国工程物理研究院提出的Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆(Z-FFR)概念,采用Z箍缩热核聚变产生的大量中子驱动次临界裂变堆而释放能量,集成了"局部整体点火"聚变靶、"先进次临界能源堆"等创新概念,在安全、经济、持久和环境友好等方面具有优良的品质,有望成为有效应对未来能源危机和环境气候问题的千年能源。简要回顾了国内外Z箍缩聚变能源(Z-IFE)的相关研究进展,介绍了中国工程物理研究院在Z-FFR方向的总体概念研究情况,从驱动器、聚变靶设计和次临界裂变堆三方面阐述了此能源系统的原理结构和运行特点,对其经济性进行了评估,同时提出了未来Z-FFR的发展路线图设想。

聚变-裂变混合堆水冷包层中子物理性能研究

研究直接应用国际热核聚变实验堆(ITER)规模的聚变堆作为中子驱动源,采用天然铀为初装核燃料,并采用现有压水堆核电厂成熟的轻水慢化和冷却技术,设计聚变-裂变混合堆裂变及产氚包层的技术可行性。应用MCNP与Origen2相耦合的程序进行计算分析,研究不同核燃料对包层有效增殖系数、氚增殖比、能量放大系数和外中子源效率等中子物理性能的影响。计算分析结果显示,现有核电厂广泛使用的UO2核燃料以及下一代裂变堆推荐采用的UC、UN和U90Zr10等高性能陶瓷及合金核燃料作为水冷包层的核燃料,都能满足以产能发电为设计目标的新型聚变-裂变混合堆能量放大倍数的设计要求,但只有UC和U90Zr10燃料同时满足聚变燃料氚的生产与消耗自持的要求。研究结果对进一步研发满足未来核能可持续发展的新型聚变-裂变混合堆技术具有潜在参考价值。

铀基聚变-裂变混合堆次临界能源包层有限元力学分析

次临界能源包层是聚变-裂变混合堆的重要部件,对其进行力学特性分析研究是确保整个反应堆正常运行的关键。本文利用有限元分析软件对次临界能源包层的第一壁结构、支撑固定结构的相关零部件开展了初步的力学分析,得到了各零部件相关结构的最大应力值、应力分布云图和变形分布云图,其中支撑结构的最大应力位于加强筋板与圆柱定位销的连接处,应力值为310.2 MPa;第一壁的最大应力位于"U"形流道拐角处,应力值为240.7 MPa;按相应的评价准则进行结构的强度和刚度校核,计算结果表明次临界能源包层各零部件能够满足计算工况下的强度和刚度要求。

基于裂变堆的聚变-裂变混合中子场

介绍了利用裂变堆提供的高强度热中子及裂变快中子,并采用LiD及铀作为转换靶,将反应堆内中子场局部转换为聚变-裂变混合中子场的物理设计结果,通过MCNP程序对转换靶结构及中子能谱调节材料进行优化设计,初步设计了转换靶的结构,并对转换靶内形成的聚变-裂变混合中子能谱以及转换靶的发热率进行了计算。

紧凑型聚变-裂变混合堆发电成本优化分析

利用聚变系统分析程序在大半径与小半径之和保持不变的条件下,通过优化聚变-裂变混合堆中心螺管尺寸,对紧凑型聚变-裂变混合堆发电成本进行了优化分析,并找出其最佳设计点,计算结果表明该堆具有较好的经济优势.

聚变-裂变混合堆外中子源效应

聚变-裂变混合堆(FFHR)作为聚变驱动次临界系统(FDS),具有良好的物理性能,能够实现产能、氚增殖、嬗变核废料等功能。采用COUPLE程序研究了水冷混合堆包层的铀水比和中子倍增剂对中子源效率的影响。结果表明:包层能谱越硬,外中子源效率越高;适当加入中子倍增剂Be可使外中子源效率增加。研究结果对进一步改进聚变-裂变混合堆的概念设计具有一定的指导意义。

聚变-裂变混合实验堆多维中子学的计算研究

本文对聚变-裂变混合实验堆固体增殖剂包层的中子学行为进行了一维、二维和三维计算分析和比较。为了便于模拟复杂的托卡马克环形体的几何形状,采用了蒙特卡罗方法程序MCNP作中子-γ光子耦合输运计算。核参数用了随能量连续变化的截面数据,从而避免了群常数制作及自屏效应带来的误差。 重点分析了多维几何中造氚率、造钚率及功率密度的空间分布,比较了一维、二维和三维积分量的计算结果。指出了一维计算结果的作用和局限性。

聚变-裂变混合堆放射性计算

研制了聚变一裂变混合堆放射性计算程序FDKR和配套的衰变链数据库AF—DCDL—IB。应用该程序计算了磁镜混合堆(CHD)概念设计中活化产物、裂变产物和锕系元素的放射性、衰变功率和潜在生物危害因子BHP。本文简要介绍了该程序和数据库并给出了有关的计算结果。

聚变-裂变混合堆冷却剂布置优化及堆外自然循环分析

根据聚变-裂变混合堆概念堆型的燃料区水冷设计,通过FLUENT建模和模拟计算,比较了均匀流量和按燃料单元发热量比例分配流量两种冷却剂布置方案。数值计算结果表明,这两种布置方案中燃料单元之间的导热很小,除燃料单元1中冷却管道外,其余的冷却管道带走的热量几乎等于相应燃料单元的发热量,在用系统分析程序等效建模时,不必重新确定冷却管道的热构件;对后一种布置方案燃料区的最高温度更低,温度分布更均匀,但温度展平效果并不明显。计算了堆外自然循环系统在假设的失水事故(LOCA)中的导热能力。结果表明,如果不采用自然循环系统,停堆后520s发生堆芯熔化;但是如果采用自然循环系统,停堆后1000s,燃料区的最高温度只达到584.4°C,不会发生堆芯熔化。

聚变-裂变混合堆冷管段大破口失水事故分析

将非能动堆芯冷却系统(PXS)应用于聚变-裂变混合堆,使用RELAP5对混合堆一回路、部分二回路和PXS进行了建模,对冷管段双端剪切断裂大破口失水事故进行了瞬态计算和分析研究。计算结果显示:破口发生后出现两次燃料温度峰值,均发生在外包层,第1次峰值温度发生在约11s,为938.2K;第2次峰值温度发生在约50s,为608.7K。两次燃料温度峰值均低于燃料U-10Zr的熔点,在可接受范围内。随着瞬态过程的深入,安注箱、堆芯补水箱及安全壳内储水箱的冷却水开始注入包层,使内外包层的坍塌液位开始回升,最终重新淹没堆芯。表明PXS在冷管段双端剪切断裂大破口失水事故下能保证混合堆堆芯的安全,将其应用于聚变-裂变混合堆是可行的。

聚变-裂变混合堆次临界能源包层结构的热-力耦合分析

探讨了一种新型聚变-裂变混合堆次临界能源包层的有限元建模方法。应用ANSYS Workbench软件建立了该次临界能源包层的3D结构模型,并对该模型进行了稳态热分析、热-力耦合分析,获得了包层各零件的应力分布及变形分布,分析了包层各零件的强度、刚度,利用热-力耦合分析找到了该次临界能源包层的薄弱环节。计算结果表明,该包层满足强度、刚度要求,为该次临界能源包层的设计和改进提供了理论依据。

聚变-裂变混合能源堆球模型参数敏感性分析

在聚变-裂变混合能源堆球模型基础上,使用蒙特卡罗方法中子学程序对中子源、铀水体积比、产氚区等相关参数进行了中子学的敏感性计算。分析了各参数对混合能源堆能量放大倍数M和氚增殖比TBR的影响,并总结其基本规律,为开展进一步的混合能源堆概念设计提供了重要参考。

基于ITER的聚变-裂变混合堆次临界能源包层的接触应力分析

针对传统混合堆具有系统复杂、乏燃料处理困难等特点,介绍了一种新型的聚变-裂变混合堆次临界能源包层的结构,提出了该包层的有限元模型的建模方法。利用ANSYS Workbench软件建立了次临界能源包层的三维接触模型。对该新型的混合堆次临界包层在静载荷、热负载荷与流体载荷同时作用下的接触应力进行了仿真计算,得到了次临界能源包层各个零件的接触应力和变形的分布。结果表明各零件的接触应力和变形都在许用范围内。接触应力分析的结果对该包层的设计与改进具有一定的指导意义。

球床包层聚变-裂变混合堆热工安全分析

球床包层混合堆与板状元件包层混合堆相比较，前者在核燃料生产和安全方面可能具有更多的优越性。本文应用ＴＨＥＲＭＩＸ程序和辅助程序对我国开发的托卡马克堆芯氦气冷却球床包层聚变裂变混合堆的包层进行了热工计算。计算中考虑了不同的燃料球材料及稳态、卸压和断流事故工况。计算结果表明，只要选用合适的燃料球材料和设置适当的控制保护系统，具有快速卸料罐的托卡马克堆芯氦气冷却球床包层聚变裂变混合堆的概念设计在安全上是可行的。文中还对该概念设计提出了一些建议。

863计划能源领域聚变-裂变混合堆专题十五年进展

一、引言 能源是社会和经济发展的基础,随着我国国民经济的高速增长,21世纪我国的能源供需矛盾将日趋紧张.长期以煤为主体的能源结构由于受到资源、环境污染及运输等方面因素的制约,很难承受国民经济增长的要求.解决我国能源供需矛盾,保持相当规模核电的稳定发展,应该成为我国能源发展的一项基本国策.

俄完成聚变-裂变混合电厂初步设计

【英国《国际核工程》网站2020年12月18日报道】俄罗斯库尔恰托夫研究所(Kurchatov Institute)已于近期完成聚变-裂变混合电厂的初步设计。这种电厂将核裂变与核聚变的原理相结合,以聚变反应为中子源,为次临界的裂变堆芯提供中子。

俄开展聚变-裂变混合堆研究

【英国《国际核工程》网站2018年5月29日报道】俄罗斯库尔恰托夫（Kurchatov）综合研究中心热核能源与等离子体技术科学顾问Peter Khvostenko 2018年5月14日表示，被称为T-15MD的混合托卡马克装置的建设已取得实质性进展，将于2018年年底之前在库尔恰托夫研究所启动设备安装工作，并于2020年实现物理启动。

非能动安全系统应用于聚变-裂变混合能源堆的可行性研究

将非能动安全系统应用于聚变-裂变混合能源堆,使用RELAP5对混合能源堆包层、一回路系统、部分二回路系统和非能动安全系统进行建模,对主冷却剂泵卡转子事故和冷管段小破口失水事故进行瞬态计算和分析研究。计算结果显示,该非能动安全系统能够满足选取的3种反应堆事故的安全要求,验证非能动安全系统应用于聚变-裂变混合能源堆的可行性。非能动余热排出系统热交换器的面积增大后,能有效地导出包层衰变热;增大堆芯补水箱的容积对增大反应堆安全裕度有明显效果。

聚变-快裂变增殖堆包层初步热工水力学设计分析

对新提出的套管结构聚变-快裂变增殖堆包层概念设计方案进行了热工水力学分析和设计,给出了典型的热工设计参数,并结合大型热工水力学软件CFX对其进行了温度场和压力分布的模拟分析。分析结果表明,材料温度均已低于许用温度,冷却剂出口温度高于773K,冷却剂压降也符合工程上的要求,初步验证了增殖堆包层设计的合理性。