CN112837830B - 一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，该单束流加速器驱动次临界堆包括质子束流、散裂靶、燃料区和辐射屏蔽层，辐射屏蔽层包覆在所述燃料区的外围，散裂靶位于所述燃料区内的非中心位置，且沿轴向贯穿插入所述燃料区，质子束流沿所述散裂靶的轴向一端插在所述散裂靶内。本发明提供的单束流加速器驱动次临界堆将质子束流和散裂靶设置在燃料区的非中心位置，在同等参数下，本发明提供的单束流加速器驱动次临界堆中子倍增因子相比中心对称ADS提高了0.02399，在未增加装料量的情况下提高了反应堆的整体能效，具有很高的经济优势，且明显简化了换料机构的换料操作，工程实现更简便、更安全、经济性更好。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其是一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆。
背景技术
近代以来，化石能源一直主导着整个能源类型的走向，随着化石能源的枯竭以及其对环境伤害的日益增大，传统的产能方式逐渐趋于弱化地位。而核能作为一种新型、高能量密度型的清洁能源，正成为主流。但核能发展过程中，核废料问题是世界性的难题。为解决该问题，核工业界提出了加速器驱动次临界堆(ADS)的概念。ADS由质子加速器、散裂进水靶和次临界堆芯构成，利用加速器加速重带电粒子(如质子、氘离子)来轰击重金属靶来产生散裂中子，进而嬗变核废料。
目前ADS主流设计主要采用位于堆芯中心的单质子束流驱动方式。有效中子增殖因子是ADS的核心参数，ADS能量输出与有效中子增殖因子、外中子源强有关。基于安全考虑，且由于是次临界堆， ADS的有效中子增殖因子应该小于1，且应尽可能高。而现有ADS的有效中子增殖因子较小，不能满足需求。此外，现有的中心对称ADS 包括复杂的大旋塞、小旋塞和堆内换料机组成的三级曲柄连杆机构的堆内换料系统运动，换料操作涉及到大旋塞和小旋塞围绕自身轴线的自转、小旋塞绕大旋塞轴线的公转和堆内换料机绕小旋塞轴线的公转等复杂运动，不易操作。
发明内容
本发明提供一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，用于克服现有技术中有效中子增殖因子偏低、堆内换料系统设计复杂且不易操作等缺陷。
为实现上述目的，本发明提出一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，所述单束流加速器驱动次临界堆包括质子束流、散裂靶、燃料区和辐射屏蔽层；
所述辐射屏蔽层包覆在所述燃料区的外围；
所述散裂靶位于所述燃料区内的非中心位置，且沿轴向贯穿插入所述燃料区；
所述质子束流沿所述散裂靶的轴向一端插在所述散裂靶内。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
本发明提供的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，在主流堆芯中心对称ADS的基础上，将质子束流和散裂靶设置在燃料区的非中心位置，与主流堆芯中心对称ADS比较，在同等参数下，中心对称 ADS中子倍增因子为0.97656时，本发明提供的单束流加速器驱动次临界堆相比中心对称ADS，其中子倍增因子提高了0.02399，在未增加装料量的情况下提高了反应堆的整体能效，具有很高的经济优势；此外，本发明提供的单束流加速器驱动次临界堆的质子束流和散裂靶均处于燃料区的非中心位置，相对现有的中心对称ADS复杂的堆内换料系统运动学分析(即大旋塞、小旋塞和堆内换料机组成的三级曲柄连杆机构的运动，其中涉及到大旋塞和小旋塞围绕自身轴线的自转、小旋塞绕大旋塞轴线的公转和堆内换料机绕小旋塞轴线的公转等复杂运动)，本发明提供的单束流加速器驱动次临界堆无复杂的三级曲柄连杆机构，明显简化了换料机构的换料操作，工程实现更简便、更安全、经济性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提供的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆沿轴向的截面图；
图2为本发明提供的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆沿径向的截面图。
附图标号说明：1：质子束流；2：散裂靶；3：燃料区；4：经向反射层；5：轴向反射层；6：经向屏蔽层；7：轴向屏蔽层。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本实施例提出一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，如图1和图2所示，包括质子束流1、散裂靶2、燃料区3和辐射屏蔽层；
所述辐射屏蔽层包覆在所述燃料区3的外围；
所述散裂靶2位于所述燃料区3内的非中心位置，且沿轴向贯穿插入所述燃料区3；
所述质子束流1沿所述散裂靶2的轴向一端插在所述散裂靶2内。
优选地，所述散裂靶2和质子束流1为同轴心圆柱体，所述散裂靶2的径向厚度为24.246cm、轴向厚度为190cm，所述质子束流1 的径向厚度为10cm、轴向厚度为70cm。
在散裂靶2几何设计上，散裂靶2的组件数参考HYPER方案，设计为7盒组件，则散裂靶2的径向厚度可由此确定，质子束流1的径向厚度参考IAEA-ADS基准例题设计为10cm，基于无窗靶没有窗材料辐照损伤、不存在靶窗冷却和质子能量减少问题等优点，打靶界面选择无窗类型，散裂靶2的轴向厚度根据入射质子能量确定。
在质子束流1的设计上，参考国际ADS嬗变示范堆方案，同时根据FLUKA的计算结果，入射质子能量为1.5GeV时中子产额高且中子能耗较低，设计入射质子能量为1.5GeV；束流形状设计为与散裂靶2同心圆柱，采用均匀分布。
优选地，所述散裂靶2的材质为液态铅铋(LBE)。
在散裂靶2设计上，首先是靶材料的选择，经对几种典型的材料进行中子学、热工、化学稳定性等比较，并参考国际ADS嬗变示范堆方案后，确定以液态铅铋(LBE)作为靶材料。
优选地，以燃料区3径向截面的中心点为起点，以燃料区3径向厚度方向为偏移方向，所述散裂靶2径向截面的中心点沿所述偏移方向偏移的距离为11～110cm。
优选地，所述燃料区3的材质包括57％的液态铅铋、16.67％的 T91钢和24.33％的超铀弥散金属燃料((TRU-10Zr)-Zr)。
优选地，所述燃料区3的径向厚度为110.75cm、轴向厚度为100cm。
优选地，所述辐射屏蔽层包括径向反射层4、轴向反射层5、径向屏蔽层6和轴向屏蔽层7；
所述燃料区3、轴向反射层5和轴向屏蔽层7轴向同轴心，轴向反射层5包覆在燃料区3的轴向外侧，轴向屏蔽层7包覆在轴向反射层5轴向外侧；
所述燃料区3、径向反射层4和径向屏蔽层6径向同轴心，径向反射层4包覆在燃料区3径向外侧，径向屏蔽层6包覆在径向反射层 4径向外侧。
优选地，所述轴向反射层5和轴向屏蔽层7的材质均为质量比为 57:43的液态铅铋和T91钢；
所述轴向反射层5径向厚度为110.75cm，轴向厚度为80cm；
所述轴向屏蔽层7径向厚度为110.75cm，轴向厚度为10cm。
优选地，所述径向反射层4的材质均为质量比为93.1:6.9的液态铅铋和T91钢；
所述径向反射层4的径向厚度为31.73cm，轴向厚度为190cm。
优选地，所述径向屏蔽层6的材质均为质量比为9.4:10.6:80的液态铅铋、T91钢和B4C；
所述径向屏蔽层6的径向厚度为15.87cm，轴向厚度为190cm。
参考F-EA、ATW、EFIT等国际ADS嬗变示范堆方案，耦合中子物理学、热工水力学、反应堆结构设计等方面要求，经反复迭代计算后，首先确定单束流ADS堆芯几何大小，其结构布局为：堆芯共有390 盒组件，包括：散裂靶系统共2层7盒组件，包括质子束流1和散裂靶2；散裂靶2外围为燃料区3，燃料区3共7层210盒燃料组件，其中轴向长度100cm，燃料区3轴向上、下依次为轴向反射层5和轴向屏蔽层7；燃料区3径向外围为径向反射层4，共2层114盒组件，径向反射层4外围为径向屏蔽层6，共1层66盒组件。组件设计为六角形，栅距设定为17.454cm；燃料组件包含271根燃料棒，采用三角形排列。
在能谱设计上，分析超铀核素的裂变、辐射俘获截面可知，对于次锕系核素MA裂变阈能在1MeV左右，且辐射俘获截面在1MeV 后下降剧烈，其裂变俘获比在1MeV后明显增强，因此更硬能谱的反应堆将更有利于MA核素的有效嬗变。为此，ADS堆的燃料设计为超铀弥散金属燃料(TRU-10Zr)-Zr，其由Purex流程和高温电化学方法分离压水堆乏燃料再经弥散工艺制成；包壳与结构材选用机械物理性能良好的T91钢，其已工业应用，辐照性能优良；冷却剂采用中子学和热工水力性能优良的液态铅铋LBE；反射材料选用散射性能强的 LBE和T91钢；屏蔽材料选用中子吸收能力强的B4C(10B富集度 90％)。
表1给出了本实施例非中心对称单束流ADS设计。
表1非中心对称单束流ADS设计
表2给出了本实施例非中心对称单束流ADS的燃料区3中燃料组件与燃料棒参数。
表2非中心对称单束流ADS燃料组件与燃料棒参数
设计质子束流1和散裂靶2分布于燃料区的非中心位置。以燃料区3径向厚度方向为偏移方向，散裂靶2径向截面的中心点沿偏移方向的偏移点设计为10个，为保证散裂靶2不超出燃料区，则散裂靶2中心的径向坐标最大值为燃料区3总径向厚度与散裂靶2半径之差。
对于六角形组件，单一组件面积计算公式为；
其中，Sha为单一六角形组件面积；p为燃料组件栅距。散裂靶2包括 7个组件，则其面积Starget和等效半径RT计算如下：
燃料区3(包括散裂靶2)共含有217个组件，则其面积Sfuel 和等效半径Rf计算如下：
计算可得出燃料区3总径向厚度Rf为134.996cm，散裂靶2径向厚度RT为24.246cm，因二者在小数位后略有差别，且散裂靶2不超出燃料区，则偏移后散裂靶2的径向坐标最大值R1取为134.246cm，由之可获得散裂靶2中心的移动步长I为
由此可获得10个散裂靶2中心的径向坐标如下表3所示：
表3非中心对称单束流ADS散裂靶中心径向坐标
根据反应堆物理均匀化理论，在不影响物理规律前提下，非中心对称单束流加速器驱动次临界堆采用一批燃料简化R-Z模型。相应堆芯物理简化模型如下表所示：
表4非中心对称单束流ADS成分与几何尺寸
有效中子增殖因子计算结果如下表所示：
表5非中心对称单束流ADS有效中子增殖因子
选择散裂靶2中心移动步为10时的非中心对称单束流ADS堆作为高中子倍增优化方案。调节MA/Pu(次锕系核素/钚)比例，使keff趋近0.98。相关物理参数结果如下表所示：
表6非中心对称单束流ADS高中子倍增优化方案物理参数
与中心对称单束流ADS堆方案相比，相同装料量下，本实施例的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆可获得更高中子倍增性能，而keff趋近0.98时，径向功率峰因子仅提高了约0.14。另外，对于中心对称方案，需要开展复杂的堆内换料系统运动学分析，即大旋塞、小旋塞和堆内换料机组成的三级曲柄连杆机构的运动，其中涉及到大旋塞和小旋塞围绕自身轴线的自转、小旋塞绕大旋塞轴线的公转和堆内换料机绕小旋塞轴线的公转等复杂运动，而本实施例优化方案因为质子束流1及散裂靶2均处于燃料区2非中心位置，堆内换料系统运动学分析将极为简单，换料机构设计与操作流程更简便。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述单束流加速器驱动次临界堆包括质子束流、散裂靶、燃料区和辐射屏蔽层；
所述辐射屏蔽层包覆在所述燃料区的外围；
所述散裂靶位于所述燃料区内的非中心位置，且沿轴向贯穿插入所述燃料区；
所述质子束流沿所述散裂靶的轴向一端插在所述散裂靶内；
所述散裂靶和质子束流为同轴心圆柱体，所述散裂靶的径向厚度为24.246cm、轴向厚度为190cm，所述质子束流的径向厚度为10cm、轴向厚度为70cm；
以燃料区径向截面的中心点为起点，以燃料区径向厚度方向为偏移方向，所述散裂靶径向截面的中心点沿所述偏移方向偏移的距离为11~110cm；
所述燃料区的材质包括57%的液态铅铋、16.67%的T91钢和24.33%的超铀弥散金属燃料；
所述燃料区的径向厚度为110.75cm、轴向厚度为100cm。
2.如权利要求1所述的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述散裂靶的材质为液态铅铋。
3.如权利要求1所述的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述辐射屏蔽层包括径向反射层、轴向反射层、径向屏蔽层和轴向屏蔽层；
所述燃料区、轴向反射层和轴向屏蔽层轴向同轴心，轴向反射层包覆在燃料区的轴向外侧，轴向屏蔽层包覆在轴向反射层轴向外侧；
所述燃料区、径向反射层和径向屏蔽层径向同轴心，径向反射层包覆在燃料区径向外侧，径向屏蔽层包覆在径向反射层径向外侧。
4.如权利要求3所述的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述轴向反射层和轴向屏蔽层的材质均为质量比为57:43的液态铅铋和T91钢；
所述轴向反射层径向厚度为110.75cm，轴向厚度为80cm；
所述轴向屏蔽层径向厚度为110.75cm，轴向厚度为10cm。
5.如权利要求3所述的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述径向反射层的材质均为质量比为93.1:6.9的液态铅铋和T91钢；
所述径向反射层的径向厚度为31.73cm，轴向厚度为190cm。
6. 如权利要求3所述的非中心对称的单束流加速器驱动次临界堆，其特征在于，所述径向屏蔽层的材质均为质量比为9.4:10.6:80 的液态铅铋、T91钢和B4C；
所述径向屏蔽层的径向厚度为15.87cm，轴向厚度为190cm。
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