提高HFETR局部快中子注量率方法研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 提高 HFETR 局部快中子注量率方法 研究 【摘 要】在 6 种第四代国际先 进堆堆型中，有 4 种是快堆能谱，而验 证新堆型结构材料是否可用，必须在较 高的快中子注量率下进行中子辐照，因 此本文对在 HFETR 内布置高裂变密度 辐照装置来提高局部孔道快中子注量率 方法进行了研究。本文设计的辐照装置 能够提高 HFETR 内大于 0.1MeV 中子 注量率 30%以上，达到 7.28E14n/cm2 s。 中国论文网 /8/view-12870303.htm 【关键词】快中子；能谱；辐照 装置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 【Abstract】In the fourth generation of international advanced reactors， four reactor types are fast reactor spectrum reactor ， although there are six reactor types. And structural material is vertified available or not after irradiation by higher fast neutron spectrum，so this paper studys the method of raising local fast neutron flux by assigning high fission density device. Irradiation rig designed in this paper raises the neutron flux（0.1MeV） thirty percent，achieving 7.28E14n/cm2 s. 【Key words】Fast neutron； Spectrum； Irradiation rig 0 引言 第四代国际先进堆 6 种堆型中有 4 种是快堆能谱1，而验证快堆结构材 料是否可用，必须在较高的快中子注量 率下进行中子辐照，另外提高快中子注 量率可以缩短材料辐照时间，对于新堆 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 的研发具有重大意义。综上所述，对提 高 HFETR 局部模拟快中子注量率方法 进行研究，摸清 HFETR 快中子注量率 水平具有重要意义。 通过在堆芯内放置高裂变密度装 置或高性能元件，可以获得比堆芯内快 中子注量率更高的快中子注量率，这种 装置至少通常至少满足以下条件： （1）装置内裂变密度高于堆芯燃料元 件区的裂变密度；（2）装置与堆芯各 部件在机械结构上匹配，可布置在堆芯 栅板位置上；（3）满足热工水力要求， 保证装置本身及堆芯的安全。 HFETR 栅格为正三角点阵，栅 元为正六边形，因此堆内可布置占一个 栅元，外径不大于 6.3cm 的小装置， HFETR 通常的辐照装置呈圆筒形，因 此该装置采用平板或渐开线燃料元件会 使装置设计比较复杂，而套管、元件棒 或十字形棒状元件易于设计出结构符合 HFETR 栅元的辐照装置。 1 计算程序简介及方法 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 1.1 计算程序 本文采用 MCNP-4C 程序进行几 何结构描述和能谱计算。 1.2 计算方法 首先利用 CELL 程序做高裂变密 度辐照装置的微观截面，然后燃料管理 程序计算特定堆芯装载下的临界棒位， 利用 MCNP 程序计算辐照样品的能谱 分布。 2 能谱分析 2.1 装置结构及芯体材料选型 在反应堆堆芯及提棒方式等固定 的情况下，辐照装置的结构形状及芯体 成分为影响装置内快中子注量率的主要 因素。因此，一方面，需要论证燃料元 件的形状对局部快中子能谱的影响，另 一方面，在保证燃料元件结构一致的情 况下，研究那种芯体材料对快中子注量 率的影响；根据文献2可知，若辐照装 置芯体材料及 U-235 装量一致，十字形 棒状元件比套管型元件及棒状元件更能 提高局部孔道的快中子注量率，因此该 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 辐照装置选取十字形棒状元件（见图 1） 。 基于此本文研究了研究堆 U3Si2-Al 材 料，U3O8-Al 材料，UMo-Al 合金材料 3对中子能谱的影响，见图 2。由图 2 可知，不同材料对高裂变密度辐照装置 内快中子能谱的影响很小，考虑到 UMo-Al 合金抗辐照性能更好，本文采 用 UMo-Al 合金进行研究。综上可知， 选用芯体成分为 UMo-Al 合金的十字形 棒状元件易于提高局部快中子能谱，其 结构及布置形式见图 1。 参照俄罗斯 PIK 研究堆燃料元件 设计参数，来进行高裂变密度辐照装置 概念设计，燃料棒芯体采用 UMo-Al 合 金，其中 Mo 含量 7%，235U 富集度为 20%，单个十字棒 U-235 装量 13.01g，图 1（a ）为小辐照孔道的高裂 变密度辐照装置，外套管和内套管分别 为 631.5mm 和 242mm，中心为 20mm 的辐照孔道；两套管之间装有 62 根十字形棒，各燃料棒的横向中心间 距为 5.65mm，纵向间距为 5mm。把内 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 套管拆除并在该位置添加 19 根十字形 棒，就得到装有 81 根十字形棒的装置。 HFETR 为正六边形的栅元，每个栅元 周围有 6 个与之尺寸和结构都相同的栅 元。因此，6 个内装 81 根十字形棒的装 置围成一圈，中间就或得一个 63 辐照 孔道，成为大的高裂变密度辐照装置。 2.2 HFETR 高裂变密度辐照装置 内中子注量率 假定 HFETR 在堆芯功率为 80MW 的情况下，分别计算了两种布置 形式下的快中子注量率。在材料辐照中， 材料对不同能量的中子敏感程度不同， 通常以 0.1MeV 或 1MeV 作为材料辐照 损伤的分界能。 图 3 为中心孔道不带高裂变密度 辐照装置（见图 3-a） ，中心孔道带高裂 变密度辐照装置（见图 3-b） ，外围孔道 带高裂变密度辐照装置（见图 3-c） ，外 围及中心孔道带高裂变密度辐照装置 （见图 3-d）下的几何模型。 分析可知：1）中心栅元不带高 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 裂变密度辐照装置时，辐照样品内能量 大于 0.1MeV 或 1MeV 的中子注量率分 别为 5.38 E+14n/cm2 s 和 2.78 E+14n/cm2 s。 2）中心栅元带高裂变密度辐照 装置时，辐照样品内能量大于 0.1 MeV 或 1MeV 的中子注量率分别为 7.12E+14n/cm2 s 和 3.73E+14n/cm2 s，与不带高裂变密度辐照装置相比 分别提高了 32.4%及 34.2%。 3）外围六个栅元带高裂变密度辐照装 置时，辐照样品内能量大于 0.1 MeV 或 1MeV 的中子注量率分别为 6.02E+14n/cm2 s 和 3.04E+14n/cm2 s。与不带高裂变密度辐照装置相比 分别提高了 11.8%及 9.35% 。 4）外围及中心位置七个栅元带 高裂变密度辐照装置时，辐照样品内能 量大于 0.1 MeV 或 1MeV 的中子注量率 分别为 7.28E+14n/cm2 s 和 3.71E+14n/cm2 s。与不带高裂变密 度辐照装置相比分别提高了 35.3%及 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 33.4%。 因此，在相同堆芯装载的相同栅 元里，高裂变密度辐照装置可提高材料 辐照能力 30%以上，0.1MeV 的中子注 量率为 7.28E+14n/cm2 s，对于中国 快堆而言，其0.1MeV 的中子注量率约 为 2E+15n/cm2 s4。其快中子注量 率（0.1MeV ）为中国实验快堆快中子 注量率的 36.4%。 3 热工水力计算 3.1 燃料棒的释热 高裂变密度辐照装置内能量沉积 形式主要有材料与中子的作用、材料与 光子的作用和核反过程中产生的新 核的衰变。以上布置方式下高裂变密度 辐照装置内单个棒的最大功率可达 40kW，燃料棒的轴向功率密度分布按 余弦分布。 3.2 热工分析 HFETR 燃料元件设计流速下， 高裂变密度辐照装置冷却剂流速为 9.63m/s，同时假定高裂变密度辐照装置 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 的入口压力和进口水温分别为 1.4MPa 和 45。 利用 ANSYS/CFX 程序计算在 HFETR 设计流速下高裂变密度辐照装 置内燃料棒包壳温度分布见图 4，燃料 棒芯体温度分布见图 4。由图 45 可见， 燃料棒包壳表面的最高温度为 193.6， 位于轴向离入口 585mm 处，芯体最高 温度为 215，位于轴向离入口 585mm 处。温度均小于燃料棒运行限制温度 195，能保证反应堆及装置的热工安 全。 4 结论 采用蒙特卡罗计算表明，十字形 燃料棒比套管形和圆柱形燃料棒更有利