中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运初步分析

氚输运分析是开展中国氦冷固态增殖剂实验包层系统安全分析及未来聚变堆氚自持运行的重要研究内容之一。基于氚输运理论和固态增殖剂包层系统设计,利用FDS凤麟核能团队开发的聚变系统氚分析程序TAS,构建了固态增殖剂包层系统氚输运分析系统动力学模型。该模型氚输运结果与文献报道的吻合得很好,误差小于6%,验证了模型的正确性。针对中国氦冷固态增殖剂实验包层系统氚输运问题进行了两种计算方法(稳态、脉冲模式)的初步分析,获得了氚提取系统、氦气冷却系统回路氚分压,实验包层模块冷却流道、窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路材料中氚滞留量,窗口室内氚提取系统和氦气冷却系统回路氚日渗透量等数据。最终对比结果显示,脉冲模式分析方法能够实时地跟踪源项的快速变化,更符合中国氦冷固态增殖剂实验包层系统实际运行情况。窗口室内氦气冷却系统回路材料中氚滞留量占到日产氚量的31.3%,因此需要在这些氚滞留损失严重的部位考虑适当的阻氚措施。

ITER核安全许可实践对中国CFETR的借鉴性初步研究

中国政府将于2020年前后开始建设的中国聚变工程实验堆(CFETR),是中国乃至世界上首座聚变能发电装置。聚变与传统裂变能的不同物理原理和技术手段,应体现在CFETR核安全要求中。截至目前,国际上还没有一个国家正式颁布聚变堆的核安全监管要求和许可制度。通过梳理消化国际热核实验堆(ITER)在法国核安全监管体系下的许可审查程序、文件准备及与核安全当局的对话等相关实践,就装置属性、国家许可要求对于聚变堆适用性、核安全许可技术等方面探索ITER许可经验对于中国CFETR的可借鉴性,构建CFETR亟需重点开展的核安全问题及安全技术研究建议,有利于为CFETR的聚变监管要求和许可技术研究提供理论依据和技术支持。

国内外聚变核安全监管与许可初步分析研究

中国政府高度重视聚变发展,安全是聚变能发展的生命线,而核安全监管和相关许可制度是确保聚变能安全发展的必要手段。聚变堆具有其独特的安全特性,无法完全照搬目前基于裂变堆建立起来的法律法规等监管制度。本文初步梳理了国际(含ITER、国际原子能机构、国际能源署、欧盟、美国、韩国等)关于聚变核安全监管和许可的研究进展和相关经验,总结了我国目前在聚变核安全监管与许可方面的现状与存在的问题,为我国聚变核安全监管提出了发展建议。

乏燃料铁路运输路线选择模型研究

“十三五”期间我国核电站所需外运乏燃料约为“十二五”期间的五倍多,运输量急剧增加。从长远看,我国目前的乏燃料公路运输模式不可持续,急需开展适合大批量长距离的铁路运输模式。本文在研究我国乏燃料铁路运输法规要求的基础上,结合事故情景和运输线路影响因素分析,开展了乏燃料铁路运输路线选择模型的研究。建立了乏燃料铁路运输路线选择评价指标体系,并通过耦合层次分析法和最近邻法,根据重要性对各指标赋予不同权重,根据加权距离选择较优线路,使得评价结果更加合理。利用该模型对某核电站乏燃料铁路运输拟选择的两条线路进行评价,评价结果与相关专家研究结果一致,表明本文建立的模型为我国乏燃料铁路运输路线选择提供了一种可行的评价手段。

乏燃料公路运输事故条件下放射性核素弥散模型研究

乏燃料容器在运输过程中会受到不可抗力因素的影响而导致燃料组件和运输容器受损,放射性核素逐渐从燃料组件到运输容器内腔再泄漏到外部环境。本文选取大亚湾乏燃料干式贮存库到甘肃四○四厂乏燃料后处理厂之间的道路运输场景作为研究案例,考虑了有无树木、建筑壁面及不同泄漏源高度等情况,引入放射性衰变因子、动量源损失因子,提出一种基于计算流体力学(CFD)方法的乏燃料公路运输事故条件下放射性核素弥散模型。该模型对示踪气体在空街峡谷建筑壁面的浓度模拟结果与Jeanjean APR等人的模拟结果吻合较好,从而初步验证了模型的正确性。计算结果表明,修正后的模型能较好地描述乏燃料公路运输事故条件下的放射性核素的分布,并发现建筑物之间的树木会对湍流漩涡有减弱作用,且泄漏源与树木、建筑物的相对高度对后果评价影响较大,从而为核事故后处理提供更准确的信息。

高能中子辐射对线虫的剂量效应研究

本文研究了高能中子辐射对秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)剂量效应并讨论了高能中子辐射的相对生物学效应。雌雄同体的线虫随机分为对照组和10个不同剂量梯度的照射组,分别为1 047、476、199、89、18.2、8.4、1.83、0.351、0.171和0.087 Gy。不同剂量梯度的线虫距离中子源的距离不同,但是照射时间相同。线虫经过单次高能中子全身照射后,分别于当天将线虫转入新皿进行产卵率、寿命的后续检测以及24小时后将线虫转入新皿进行生殖细胞凋亡的检测。结果表明,随着剂量的增加,产卵量呈现总体下降的趋势,特别是1.83 Gy对线虫子代数的影响很大,大于89 Gy照射后线虫停止产卵;寿命呈现随辐射剂量上升而下降的趋势,尤其是1.83 Gy对线虫寿命的缩短效应明显;大于8.4 Gy剂量中子照射时,生殖细胞凋亡随剂量的升高而显著上升。以上结果说明,高能中子辐射对线虫具有剂量效应,但是在低剂量辐射时可能有更强的损伤效应,为中子低剂量辐射防护提供了科学依据。本文同时讨论了以中子照射数据与前人γ射线照射实验结果相对比的结果,计算得出HINEG高能中子辐射的相对生物效应是1.25,表明在相近吸收剂量的γ射线与中子照射下两者生物学效应差异,提示了品质因数(Q值)与ICRP出版物的差异以及完善参考动物数据库的必要性。

中国氦冷固态实验包层模块In-box LOCA事故分析研究

中国氦冷固态实验包层模块(CN HCCB TBM)将在ITER 2号窗口进行测试,在测试期间,聚变中子和TBM内部材料发生核反应,产生氚和其他放射性物质。考虑到ITER的运行和工作人员与公众的安全,在进入ITER测试之前需要进行事故安全分析。本文应用MELOCR对HCCB TBM及其氦冷系统(HCS)进行建模,开展了TBM增殖区冷却板流道破口事故(In-box LOCA)安全研究,并对泄压罐体积,破口面积,隔离阀关闭延迟时间等关键参数进行敏感性分析。结果表明:在保守假设流道全破裂的工况下,box压力超过其压力限值4 MPa,而单根流道和5根流道破裂的工况下,box均未超过其压力限值;安装泄压罐和改变隔离阀关闭延迟时间能够有效的控制box压力。

中国铅基研究实验堆主容器初步地震响应分析

中国铅基研究实验堆(CLEAR-Ⅰ)为铅铋合金冷却的一体化池式结构,地震情况下高密度液态铅铋晃动引起的流固耦合效应会对主容器结构产生影响。本文基于双向流固耦合方法,在ANSYS Workbench仿真环境下计算了CLEAR-Ⅰ主容器对典型地震激励的响应,得到了层流模型(None(laminar))和k-ε模型(k-Epsilon)下结构的位移响应与应力响应。结果表明,考虑地震载荷和铅铋合金重量的情况下,CLEAR-Ⅰ主容器抗震设计性能良好,能够维持结构的完整性。

核能对全球变暖和人类健康影响初步研究

核能作为一种安全、清洁、高效的能源,对于改善人类生活环境、提高人民健康水平、促进经济社会可持续发展是非常有利的,然而核能带来的辐射健康风险使其发展一直备受争议,因此有必要对核能带来的效益和风险进行综合评估,以全面地分析核能带来的影响。本文基于三种典型核能发展预测方案,从全球变暖和人类健康的角度,定量分析了2016—2050年间核能在局部地区和全球范围内对于社会的潜在效益和风险。结果表明使用核电替代煤电带来的效益远超过它的潜在风险,尤其是对于贫困地区,社会经济发展水平越低,适度发展核能将会获得更多的效益。分析结果表明,在三种典型核能发展预测方案下,至21世纪中期,核能在全球范围内可以减少0.05~0.22℃温升,避免170~1 400万人死亡,估计的效益价值16.7~115万亿美元。

中国双功能铅锂实验包层系统In-box LOCA事故瞬态压力传播特征分析

中国双功能铅锂实验包层系统(CN DFLL TBS)发生氦气—铅锂流道间破口(In-box LOCA)事故时,8 MPa高压氦气喷向低压铅锂增殖区,高压以压力波形式从包层模块(TBM)的铅锂增殖区传播到铅锂辅助系统(LLAS),造成系统超压,威胁包层安全。本文采用RELAP5/MOD4.0软件对DFLL包层系统进行建模,开展了破口事故下的系统瞬态压力传播分析,对破口位置、面积、爆破阀起爆压力等重要参数进行敏感性分析。分析表明:不同位置破口事故下,包层压力入口最高可达16.68 MPa,包层出口处最高可达13.92 MPa;单根与10根传热管破裂事故,包层出入口压力分别增加0.97 MPa、1.68 MPa;为降低包层内部的压力峰值,可在包层模块进出口管道设置体积不小于1.2×10^(-2) m^3稳压装置。通过将铅锂辅助系统的关键部件布置在稳压装置附近,可有效保护其不超出其压力限值。

中国抗中子辐照钢的抗辐照设计与验证

聚变堆等未来先进核能系统要求材料在强流高能中子辐照下长期保持良好的结构稳定性和机械性能。为适应未来先进核能技术发展的需要,中国科学院核能安全技术研究所?凤麟团队牵头研发了具有我国自主知识产权的中国抗中子辐照钢——CLAM钢。CLAM钢的设计考虑了未来核能清洁性的要求,以及苛刻服役环境中材料抗辐照、耐高温、耐腐蚀等性能要求。通过中子学计算分析设计了低活化成分范围,基于选择性纳米相析出进行了抗辐照、耐高温性能优化设计。针对材料的抗辐照性能,利用国内外中子、离子、电子及等离子体辐照设施开展了系列辐照考验研究,通过多角度表征辐照前后材料的微观结构和宏观性能,综合评估了材料的辐照性能,并与国际上同类材料在相近或相同条件下的辐照性能进行了对比分析,结果表明CLAM钢具有良好的抗辐照性能。

基于虚拟现实的核事故救援在线仿真培训关键技术研究

基于虚拟现实技术,发展一种核事故救援在线仿真虚拟培训方法,对其中的三维场景可视化、救援行为仿真、人机交互仿真等关键技术开展研究,建立核事故救援在线仿真培训平台,并将该平台成功发布到手机客户端。应用结果表明,该平台能够直观展示核电站的复杂环境,支持在逼真的事故环境下开展沉浸式虚拟漫游和救援行动虚拟演练,为核事故应急培训提供新的方式,对提升应急救援队伍实战能力具有重要意义。

基于氘氚聚变中子源的双功能锂铅包层(DFLL-TBM)模型中子学实验

为了验证双功能锂铅实验包层模块(DFLL-TBM)的中子学设计,中国科学院核能安全技术研究所·FDS凤麟核能团队利用14 MeV中子源开展了DFLL-TBM模型的中子学实验。实验中分别利用In、Al、Nb活化片和~6Li玻璃探测器测量了DFLL-TBM中子学实验模型中不同深度3个位置的活化反应率和产氚率。并利用蒙特卡洛模拟程序Super MC和FENDL3.1数据库进行了相应的模拟计算,计算值和实验值比较在10%以内吻合。结果表明计算值与实验值符合较好,所采用的计算程序和数据库适用于DFLL-TBM的计算设计。

基于响应模块逆向优化的中子能谱调控方法研究

中子能谱是核能系统中的关键参数之一,直接影响系统的安全运行与经济性能。在中子学实验和部分核技术应用领域中,通常采用不同的材料模块来得到特定的中子能谱。但是,传统的方法基于人工经验对材料模块进行反复迭代设计,需要大量的计算资源和人力成本,且很难精准复现出所需能谱。本文发展一种基于响应模块逆向优化的中子能谱调控方法,该方法设计了标准化尺寸的响应模块,通过预计算对每个模块进行矩阵标定,创新地提出了一种基于离散响应矩阵的输出能谱快速计算方法,能够得到响应模块任意排列组合的输出能谱,结合智能优化算法,快速构建出能够复现指定能谱的中子调控方案。基于该方法,程序自动构建出了国际热核实验堆(ITER)活化实验能谱,与人工调控方案输出能谱相比,本文方法输出能谱更为准确的复现了目标能谱,其最大偏差降低一个量级。

SSG-30安全分级方法介绍及其在CNHCCB TBS中的初步应用

核能系统物项安全分级是划分其抗震等级、设计规范等级以及质保等级的重要基础。国际原子能机构(IAEA)于2014年发布了《Safety Classification for Systems,Structures and Components of Nuclear Power Plant》(No.SSG-30)。相比传统定性的安全分级方法(IAEA在1979年发布的No.50-SG-D1),SSG-30方法根据物项类型和失效后果等标准进行量化分级。本文根据SSG-30的分级导则,研究其在中国氦冷固态增殖实验包层模块系统(China Helium Coolant Ceramic Breeder Test Blanket Module System,CN HCCB TBS)物项安全分级中的初步应用,可为后续聚变能系统物项安全分级奠定基础。

基于谱型特征识别的反应堆宽能域中子能谱在线测量方法研究

中子能谱在反应堆设计和物理分析中具有重要意义,目前缺少精准且高效的反应堆宽能域中子能谱(宽能谱)在线测量方法.本文提出了一种基于谱型特征识别技术的反应堆宽能谱在线测量方法,该方法组合了几种不同阈值的在线探测器,并通过能谱大数据,挖掘出符合反应堆谱型的探测器计数比值和特征峰位的对应关系,定位预置谱参数,并结合反应堆能谱物理特征,自动实现宽能谱的双粒度计算.将方法应用于热中子反应堆TRIGA的中子能谱在线测量,结果表明本文解谱方法相比传统“少道解谱”方法更为精准,平均相对偏差减少了45 45%.

小野照射不同密度肺模体横向电子不平衡现象的蒙特卡罗模拟研究

目的:研究小野对不同密度肺模体横向电子不平衡程度的影响,为肺部小野放射治疗提供参考。方法:利用蒙特卡罗程序EGSnrc/DOSXYZnrc对不同射野照射包含不同密度肺组织的模体进行模拟,选择6和15 MV两种能量、8种射野大小[(0.2×0.2)cm2～(3.0×3.0)cm^2]、7种肺密度(0.001～1.000 g/cm^3)的不同组合,利用剂量衰减百分比(DRP)衡量横向电子不平衡的严重程度。结果:当肺密度小于0.4 g/cm^3时,DRP非常大且随密度剧烈变化,电子不平衡现象比较严重;当肺密度大于0.4 g/cm3时,DRP随密度变化幅度减缓。肺内剂量衰减程度随射野的增加而减小,肺组织后方相对更小的野会有较大程度的剂量升高。结论:低密度范围内,密度的改变会引起肺部剂量的剧烈变化,在使用小野对肺部肿瘤进行治疗时,应更加注意CT-电子密度转换曲线的准确性,谨慎选择放射治疗参数以保护肺周围重要危及器官。针对低密度肺的剂量计算,应选用考虑电子不平衡的更精确的剂量计算方法。

14 MeV快中子照相准直屏蔽系统的设计与优化

基于强流氘氚中子源科学装置HINEG设计了一套快中子照相准直屏蔽系统。采用中子输运设计与安全评价软件系统SuperMC和ENDF/B-Ⅶ.0数据库计算了准直中子束的中子能谱及注量率、γ射线能谱及注量率、直射中子注量率与γ射线注量率比值(φd/φγ)、直射与散射中子注量率比值(φd/φs)、准直束中子注量率的不均匀度等特性参数,并采用MCNP5程序进行了对比验证。研究了准直屏蔽系统的内衬材料、尺寸等对特性参数的影响规律,并通过优化获取了最优设计方案。计算结果显示,在同等计算条件下,SuperMC计算结果与MCNP计算结果相对偏差小于1%,准直屏蔽系统的φd/φγ为50.1,φd/φs为5.7,在Ф30cm视野范围内的中子注量率为4.80×10^7cm^-2·s^-1,其中直射中子注量率为4.09×10^7cm^-2·s^-1,中子注量率不均匀度为5.8%,满足快中子照相对准直束特性参数的要求。

真空环境下燃料组件压紧弹簧疲劳应力松弛研究

反应堆燃料组件压紧弹簧需要长期在高温和压应力下服役,其材料的正确选型对燃料组件的设计具有重要意义。针对反应堆运行过程中可能因机械振动和流致振动等引起的压紧弹簧疲劳破坏现象,本文对三种备选奥氏体不锈钢压紧弹簧(GH 2132、632和GH4169)在450℃条件下进行了10万次疲劳循环的真空疲劳试验。试验结果表明:所有弹簧均保持形态完整,没有出现断裂失效现象。GH4169弹簧在试验后没有发现明显的析出物。同时其处于低层错能状态,位错运动形式更多的是单滑移,变形过程中塑性的累积困难,表现出较好的抗应力松弛性能。最终优选GH4169作为反应堆组件压紧弹簧备选材料,为反应堆燃料组件设计与制造提供一定参考。

反应堆中子学分析精准建模方法

复杂反应堆存在精细几何结构,传统手工方式建模难以保证计算模型的精度。本文发展了基于辅助面的复杂结构智能分解技术和样条面处理方法,能够将复杂精细模型自动精准地转换为蒙特卡罗计算模型。本文对基于SuperMC建立的精细的国际热核聚变实验堆(ITER)C-Lite模型和手工建立的Benchmark模型典型部件的体积进行对比,结果显示该方法使得ITER的建模精度提升了近10倍。