CN117877768A - 一种研究堆快中子-热中子分区实现方法 - Google Patents

一种研究堆快中子-热中子分区实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种研究堆快中子‑热中子分区实现方法，在超高通量快中子反应堆中构造辐照生产超钚同位素的热中子能谱环境，并布置能谱分区材料保证快中子区与热中子区互不影响，避免辐照孔道周边燃料区的裂变功率骤升，从而在一个研究堆中同时具备两种中子能谱环境，实现快中子和热中子的分区布置；使用快‑热中子通量比量化研究堆快中子‑热中子分区布置的效果。与现有技术相比，本发明的方法在一个研究堆中同时构造稳定的高通量快中子环境和高通量热中子环境，可使研究堆同时开展多种辐照任务，从而极大提高研究堆的经济性和安全性。

Description

一种研究堆快中子-热中子分区实现方法
技术领域
本发明涉及核反应堆生产控制技术领域，尤其是涉及一种研究堆快中子-热中子分区实现方法。
背景技术
研究堆提供高中子通量环境，可以用于材料辐照试验，也可用于放射性同位素生产。不同应用场景需要不同的中子能谱环境。如果能够在一个研究堆中根据应用需求实现快中子和热中子的分区布置，将可使研究堆同时开展多种辐照任务，从而极大提高研究堆的经济性。
CN 114496314 A公开了快中子热中子同心圆式分区的超高通量反应堆堆芯，包括设置在活性区外围的反射层，所述反射层呈同心圆式分为三个区：从内到外依次为快中子区、隔离区和热中子区，该堆芯既有区域较大且快中子通量较高的快中子区，又有区域较大且热中子通量较高的热中子区，可增强超高通量反应堆的用途，同时进行多个材料辐照和多个同位素生产等，但该反应堆堆芯的隔离区填充材料为不锈钢，不锈钢对热中子的吸收能力较弱，并且对快中子进入热中子区有一定的阻碍作用。超高通量反应堆堆芯活性区中子通量高于反射层处的中子通量，该反应堆的热中子区设置在堆芯外围的反射层中，这种布置方案不利于提高热中子通量。
因此，亟需一种稳定的研究堆快中子-热中子分区实现方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，能够在一个研究堆中同时构造两种稳定的中子能谱环境，其中快中子区域适用于材料辐照试验，热中子区域适用于放射性同位素生产，从而在一个研究堆中同时开展多种辐照任务。以基于超高通量快中子反应堆辐照生产锎-252为例，介绍该方法的具体实施细节。超高通量快中子反应堆提供快中子能谱环境，可直接用于材料辐照试验，为了同时基于该反应堆开展放射性同位素辐照生产，在堆芯区域构建辐照孔道，并且使用本发明在辐照孔道内实现稳定的热中子能谱环境，且辐照孔道内的热中子并不影响辐照孔道周边燃料区的裂变功率，从而实现研究堆快中子-热中子的分区布置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的目的是提供一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，在超高通量快中子反应堆中构造辐照生产超钚同位素的热中子能谱环境，并布置能谱分区材料保证快中子区与热中子区互不影响，避免辐照孔道周边燃料区的裂变功率骤升，从而在一个研究堆中同时具备两种中子能谱环境，实现快中子和热中子的分区布置；使用快-热中子通量比量化研究堆快中子-热中子分区布置的效果。
进一步地，所述的生产超钚同位素的热中子能谱环境是指：热中子通量密度大于1015n/(cm2·s)的中子辐照环境。
进一步优选地，所述超钚同位素选用但不限于锎-252。
进一步地，所述的能谱分区材料是指：在热能区反应截面远大于快能区反应截面的材料。
进一步优选地，所述的能谱分区材料为镉-113、钆-152、铪-177、钨-186中的一种或多种的组合。
进一步优选地，所述的能谱分区材料为镉-113、钆-152、铪-177和钨-186的组合。
进一步地，所述的辐照孔道是指：超高通量快中子反应堆堆芯内部的某处区域不再填充核燃料，该区域用于放置辐射生产超钚同位素的靶件。
进一步地，所述的快-热中子通量比是指：快中子(能量大于100eV)通量密度与热中子(能量小于1eV)通量密度的比值。
进一步地，所述的布置方式是指：辐照孔道位于反应堆燃料区中，辐照孔道中心放置靶件，慢化剂环绕在靶件外围，能谱分区材料环绕在慢化剂外围。
进一步地，所述的布置从内到外依次是靶件、慢化剂、能谱分区材料、燃料区。
进一步优选地，所述慢化剂为氢化锆。
进一步地，所述方法具体包括：
步骤1：对超高通量快中子反应堆的初始方案进行建模，执行蒙卡临界计算，得到超高通量快中子反应堆的所有空间区域的中子能谱；
步骤2：在超高通量快中子反应堆的中心区域构建辐照孔道，并且在辐照孔道周边布置慢化剂，调整慢化剂参数来实现辐照孔道内有最佳的生产锎-252的热中子能谱环境，从而确定一种可行的锎-252辐照生产方案；
步骤3：对比初始方案和生产方案中燃料区和辐照孔道内的中子能谱，根据中子能谱的差异，选择能谱分区材料来隔离燃料区和辐照孔道；
步骤4：布置能谱分区材料，从而保证快中子区和热中子区互不影响，实现稳定的快中子-热中子分区布置；
步骤5：执行蒙卡临界计算，对比布置能谱分区材料前后燃料区和辐照孔道内的快-热中子通量比，量化研究堆快中子-热中子分区布置的效果。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本技术方案所提供的研究堆快中子-热中子分区实现方法，在一个研究堆中同时构造两种稳定的中子能谱环境，并且使用能谱分区材料来保证快中子区与热中子区互不影响，实现快中子和热中子在一个反应堆堆芯内的稳定分区布置。
2)本技术方案所提供的一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，在一个研究堆中同时构造稳定的高通量快中子环境和高通量热中子环境，可使研究堆同时开展多种辐照任务，从而极大提高研究堆的经济性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例的超高通量快中子反应堆模型的X-Y截面简图；
图3为本发明实施例的超高通量快中子反应堆模型的X-Z截面简图；
图4为本发明实施例的中心辐照孔道能谱随慢化剂密度的变化图；
图5为本发明实施例的超高通量快中子反应堆与传统高通量热堆(HFIR)的锎-252转换率对比图；
图6为本发明实施例的超高通量快中子反应堆初始方案和生产方案的燃料区中子能谱对比；
图7为本发明实施例的镉-113的反应截面随能量的变化图；
图8为本发明实施例的钆-152的反应截面随能量的变化图；
图9为本发明实施例的铪-177的反应截面随能量的变化图；
图10为本发明实施例的钨-186的反应截面随能量的变化图。
图中，a＝298.14cm，b＝58.14cm，c＝50cm，d＝210cm。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本技术方案中如未明确说明的部件型号、材料名称、连接结构、控制方法等特征，均视为现有技术中公开的常见技术特征。
实施例
本实施例在图2、3所示的超高通量快中子反应堆中实施。超高通量快中子反应堆为生产典型超钚同位素锎-252提供高中子通量密度环境。该反应堆的形状是直径298.14cm，高210cm的圆柱体，其中堆芯活性区(燃料区)的直径为58.14cm，高为50cm，活性区外围为反射层，反射层的径向、轴向分别为120cm、80cm。
如图1所示，本实施例具体包括：
步骤1：对超高通量快中子反应堆进行几何建模和材料建模，执行临界计算，得到反应堆中心燃料区燃料组件的中子能谱(初始方案)。
步骤2：构建超高通量快中子反应堆生产方案模型，重新进行几何建模和材料建模，执行临界计算，得到靶区中心辐照孔道的中子能谱和燃料区的中子能谱。
步骤3：通过调整慢化剂的密度改变中心辐照孔道的能谱环境，如图4所示，当慢化材料氢化锆密度达到原始密度的3倍后，热能区通量不再升高。在靶件材料(生产不同的同位素一般选用不同的靶件材料，生产锎-252主要用锔靶件)和总中子通量一致的情况下，执行燃耗计算，与传统高通量热堆(HFIR)的锎-252生产转换率对比，验证对比结果如图5所示，消耗单位质量的铀-235，超高通量快中子反应堆生产锎-252的转换率更高(生产方案)。
步骤4：对比初始方案和生产方案中燃料区的中子能谱，如图6所示，引入慢化材料后，燃料区的中子能谱被软化为热中子谱。(1E-10MeV，1E-3MeV)能区附近的中子通量显著增大。
步骤5：通过JANIS核素数据可视化软件，筛选出在上述能区具有较大反应截面的材料，从而降低燃料组件中的热中子通量。筛选出在(1E-11MeV，5E-7MeV)能区附近有非常大反应截面的镉-113作为热能区的能谱分区材料。筛选出在(1E-5MeV，1E-3MeV)能群附近有较大反应截面的钆-152作为共振能区的能谱分区材料。筛选出在1eV附近有较大反应截面的铪-177和在18eV有较大反应截面的钨-186作为共振能区的能谱分区材料。
步骤6：将厚度为0.01cm镉-113的能谱分区材料布置在慢化材料外，执行临界计算，验证布置能谱分区材料后，燃料棒中的热中子通量是否下降以及中心辐照孔道通量是否受到影响。根据结果调整能谱分区材料厚度以及能谱分区材料含量，得到能谱分区材料厚度为0.08cm，材料组分为混合的镉-113、钆-152、铪-177和钨-186(比例为4:2:2:1)的最优分区方案。
步骤7：对上述方案的计算结果进行评估。
在本实施例中，采用蒙卡临界计算对筛选出的能谱分区材料进行验证，通过对生产方案和不同优化方案的燃料区快-热中子通量比、以及辐照孔道内的快-热中子通量比进行对比，验证结果如表1所示。
表1生产方案和不同优化方案的燃料区快-热中子通量比、以及辐照孔道内的快-热中子通量比对比。
表1中，10％、25％、50％、100％代表密度百分比，25％代表密度只有实际密度的25％。
如表1所示，布置了镉-113的能谱分区材料后，镉-113对(1E-11MeV，5E-7MeV)能区附近的热中子有明显的吸收效果，燃料区快-热中子通量比有非常明显的提升，随着镉-113的密度和厚度的增大，最大快-热中子通量比为1219.9。能谱分区材料布置在慢化材料外围，对靶区中子能谱影响较小，靶区通量比基本保持不变。
由于镉-113对(5E-7MeV，1E-3MeV)能区的中子吸收能力较弱，因此额外添加钆-152、铪-177和钨-186来充当能谱分区材料，对其他能区的中子进行吸收。由表1可知，相较于纯镉方案，混合材料方案的快-热中子通量比提升较小，在能谱分区材料含量足够多的情况下，热中子通量水平已经非常低，基本不再影响通量比。此时主要利用钆-152、铪-177和钨-186对中能中子进行吸收，当厚度达到最大值0.08cm时，快-热中子通量比达到97.22％，较于传统高通量热堆，本技术在超高通量快中子反应堆内实现了快中子和热中子的分区布置，燃料区为快中子能谱，辐照孔道内为热中子能谱，并且这两个区域互不影响，从而在保证辐照孔道内高的热中子通量的同时降低了燃料区的裂变功率，可使研究堆同时开展多种辐照任务，从而极大提高研究堆的经济性和安全性。
如图7所示，镉-113的热能区反应截面大，快能区反应截面小。如图8-10所示，钆-152、铪-177和钨-186在中能区共振峰对应能量反应堆截面大，快能区反应截面小。利用这些材料基于中子能量的选择性吸收，实现中子分区分布。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，在超高通量快中子反应堆中构造辐照生产超钚同位素的热中子能谱环境，并布置能谱分区材料保证快中子区与热中子区互不影响，避免辐照孔道周边燃料区的裂变功率骤升，从而在一个研究堆中同时具备两种中子能谱环境，实现快中子和热中子的分区布置；
使用快-热中子通量比量化研究堆快中子-热中子分区布置的效果。
2.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的生产超钚同位素的热中子能谱环境是指：热中子通量密度大于1015n/(cm2·s)的中子辐照环境。
3.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述超钚同位素为锎-252。
4.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的能谱分区材料为在热能区反应截面远大于快能区反应截面的材料。
5.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的能谱分区材料为镉-113、钆-152、铪-177、钨-186中的一种或多种的组合。
6.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的辐照孔道为超高通量快中子反应堆堆芯内部的某处区域放置辐射生产超钚同位素的靶件。
7.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的快-热中子通量比为快中子通量密度与热中子通量密度的比值。
8.根据权利要求7所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述快中子的能量大于100eV；
所述热中子的能量小于1eV。
9.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述的布置方式为辐照孔道位于反应堆燃料区中，辐照孔道中心放置靶件，慢化剂环绕在靶件外围，能谱分区材料环绕在慢化剂外围。
10.根据权利要求1所述一种研究堆快中子-热中子分区实现方法，其特征在于，所述方法具体包括：
步骤1：对超高通量快中子反应堆的初始方案进行建模，执行蒙卡临界计算，得到超高通量快中子反应堆的所有空间区域的中子能谱；
步骤2：在超高通量快中子反应堆的中心区域构建辐照孔道，并且在辐照孔道周边布置慢化剂，调整慢化剂参数来实现辐照孔道内有最佳的生产锎-252的热中子能谱环境，从而确定一种可行的锎-252辐照生产方案；
步骤3：对比初始方案和生产方案中燃料区和辐照孔道内的中子能谱，根据中子能谱的差异，选择能谱分区材料来隔离燃料区和辐照孔道；
步骤4：布置能谱分区材料，从而保证快中子区和热中子区互不影响，实现稳定的快中子-热中子分区布置；
步骤5：执行蒙卡临界计算，对比布置能谱分区材料前后燃料区和辐照孔道内的快-热中子通量比，量化研究堆快中子-热中子分区布置的效果。
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