第44卷第5期 2010年5月 原子能科学技术 Vo1.44,NO.5 May 2010 Atomic Energy Science and Technology 聚变一裂变混合堆外中子源效应 徐 红,杨永伟,周志伟 (清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084) 摘要:聚变一裂变混合堆(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一裂变混合堆的概念设计具有一定的指导意义。 关键词:聚变一裂变混合堆;次临界装置;中子源效率;能量放大;氚增殖 中图分类号:TL328 文献标志码:A 文章编号:1000—6931(2010)05—0562—05 Efficiency of Neutron Source in Fusion—Fission Hybrid Reactor XU Hong。YANG Yong wei,ZHOU Zhi—wei (Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University,Beijing 100084,China) Abstract:As a fusion driven subcritica1 system(FDS),a fusion—fission hybrid reactor (FFHR)is of good characteristics in neutronic physics to fulfill the functional needs for energy generation,tritium breeding and nuclear waste transmutation.The COUPLE code was used tO study the effects of the volumetric ratio of uranium tO water and the neutron multiplying material in the fission blanket on the efficiency of the fusion neutron source.The results show that the harder the neutron energy spectrum in the fission blanket iS,the higher the efficiency of the fusion neutron source iS.The results also in— dicate that adding neutron multiplying material beryllium properly in the blanket is suit— able for enhancing the efficiency of external neutron SOUree.The progress achieved in this study has gained SOme insights of further improving the FFHR conceptual design. Key words:fusion—fission hybrid reactor;subcritical equipment;neutron source efficien— cy;energy generation;tritium breeding 聚变一裂变混合堆(FFHR)是依靠托卡马 作为外源驱动次临界装置之一的FFHR 与无源临界堆相比具有明显优势 ¨。首先, 克聚变装置中D—T反应产生的单能中子入射 到裂变包层内引起裂变燃料裂变而产生能量的 FFHR为次临界堆,固有安全;其次,FFHR对 核燃料的要求非常低,可使用天然丰度核燃料 或压水堆乏燃料、贫铀等;此外,FFHR可用来 装置。D-T反应表达式为: D+T一 He(3.5 MeV)+n(14.1 MeV) (1) 收稿日期:2009—04—23;修回日期:2009—09—09 作者简介:徐红(1982一),男,重庆人,硕士研究生,从事反应堆物理研究 第5期 徐红等:聚变一裂变混合堆外中子源效应 嬗变压水堆中产生的长寿命锕系核素(LLMA) 和长寿命裂变产物(LLFP)。所有这些优势均 由FFHR中聚变装置D-T反应产生的外中子 源引起。反应产生的单能中子能量为 14.1 MeV,高于2 MeV的裂变中子平均能量, 其在包层中的价值也应高于裂变中子。外中子 源的引入使包层能谱不同于临界堆的中子能 谱,对包层增殖性能产生了一定影响。为定量 分析这种差别,本工作采用外中子源效率的概 念,通过具体模型分析影响外中子源效率的因 素。在保证托卡马克聚变装置结构和等离子体 参数完全相同的前提下,分析包层结构和中子 倍增剂对外中子源效率的影响。 1 理论基础 在无外源情况下,中子增殖效果用有效增 殖系数ko.反映。它满足无源情况下的中子输 运方程: A +DO一 』 (2) 定etf 其中: 为中子注量;A为在次临界包层中由于 吸收所引起的中子消耗项;D为在次临界包层 中由于泄漏所引起的中子消耗项;M为在次临 界包层中由于裂变等反应引起的中子产生项。 如果外源存在,则中子输运方程可描述为: A +DO一』 +S (3) 其中:S为外中子源项。 在有外源条件下,裂变包层的有效增殖系 数为裂变产生项 和消耗项A +DO的比 值,即: k。一 : 一 ㈤ 。 <A >+< ) (』 )+(S> … 其中:符号(>表示对变量在整个定义域内积分。 记外源中子平均价值为 ,裂变中子平 均价值为 ,源效率 定义为外中子源平均 价值和裂变中子源平均价值的比值l_2 ],通过 简单推导可得: 一一 一I一( J1一 )/八 J( --1)㈤ 进一步分析,次临界堆中1个外源中子产 生的裂变能E 为: E。=::Eo 。( 1一 )] (6) 563 其中: 为1次裂变放出的平均中子数,一般取 为2.4;Eo为1次裂变释放能量,约200 MeV。 而次临界堆在无外源情况下,1个中子产 生的裂变能Er为: E 一 ・( 1一 )] ㈩ 由式(5)、(6)、(7)可得: Es (8) 一 由式(8)可知, 同样可看作有外源情况 下1个外中子诱发产生的次临界堆的裂变能和 无外中子源情况下进行临界计算1个中子所产 生的裂变能的比值。 2 模型介绍 2.1混合堆整体模型 本工作主要研究混合堆聚变中子源效率, 为研究方便,在反映整体框架前提下力求选择 简单模型结构。聚变一裂变混合堆整体结构如 图1所示,选择横截面为D形的模型作为研究 对象,整个混合堆结构近似成轮胎状,环向采用 均匀化处理。D形内部即为等离子体。等离子 体大半径R为510 cm,小半径a为154.5 cm, 分支点b为286 cm,即环径比A=R/a一3.30, 分支点处拉长比k—b/a一1.85。 图1 聚变一裂变混合堆整体结构图 Fig.1 Structure model of FFHR 2.2包层模型 包层分为第1壁、燃料区、氚增殖区和反射 层4个主要区域。为便于比较研究,燃料区选 择4种不同铀水比结构(图2)作为计算模型, 分别为模型1、模型2、模型3和模型4。图2中 右边括号内的数字比反映的是包层燃料区中燃 料板厚度和冷却剂厚度的比值。表1列出各模 型的材料和尺寸。 564 模型1(2:4) 模型2(2:3) 模型3(2:2) 模型4(2:1) 图2不同模型包层结构 Fig.2 Different blanket models 表1混合堆包层各区材料和尺寸 Table 1 Blanket material and size 注:忽略0.1 cm厚锆包壳 3计算与分析 在相同等离子体结构参数条件下研究包层 结构和中子倍增剂对 的影响。主要讨论 和混合堆基本参数,包括k 、产氚率TBR、能 量放大倍数ME。采用三维燃耗程序COU— PLEH 进行计算分析。 3.1包层结构对源效率的影响 对图2中的模型1~4通过改变包层中铀 水比来改变包层结构,同时也改变了包层中快 热中子的比例,即改变了能谱。 不同包层结构k ff、TBR、Me和 的比较 原子能科学技术 第44卷 示于图3。由图3可得到以下结果。 1)k 在燃耗初期较小,但随燃耗增加, 300 d后基本稳定。相同燃耗点下,铀水比越 小,keff越大。 2)铀水比对TBR有一定影响,4个模型 均能满足TBR大于1的要求。 3)ME随燃耗的变化与k “类似。相同燃 耗点下,铀水比越小,包层中子慢化越充分,能 谱越软,裂变增多(表2),M 越大。 4) 随燃耗变化有一定的震荡,这与该 燃耗点下包层具体物理特性相关,但总体趋势 随燃耗减小,这是因为裂变产物对热中子的吸 收使裂变减少,外中子源价值下降;相同燃耗点 下,铀水比越大,包层能谱越硬,发生(n,2n)和 (n,3n)等反应的可能性越大(表2),这就实现 了中子倍增,使 增大。 5)所有模型的 均在1.6以上,说明 14.1 MeV的外源中子价值是裂变中子(平均能 量2 MeV)价值的1.6倍以上,这就是混合堆 具有很好物理性能的原因;ADS外中子源效率 大致在0.9~1.8之间[6 (随靶件半径变小而 增大),说明FDS中子源比ADS中子源更有 优势。 6)包层结构对 影响较大,模型1和模 型4相差0.8左右。 图4示出4种模型包层的能谱。能谱越软 对M 增大越有益;能谱越硬对 的提高越有 益。这说明,混合堆中,M 和 并无直接关系。 在本工作的设计中,它们不但不成正比,反而往 相反方向变化。所以,在包层设计中,需根据具 体要求选择合适的铀水比,使 和ME有所 平衡。 3.2 中子倍增剂对 的影响 Be因具有较大的(n,2n)反应截面而被选 作中子倍增剂,在聚变堆中得到广泛使用。在 FFHR包层中,同样可考虑布置Be,以达到中 子倍增的效果。由于Be发生(n,2n)反应有一 定的阈值(1.86 MeV),只有在能谱较硬时才能 发生反应,所以,本工作采用加人中子倍增剂的 模型仅是在上述模型1的基础上,紧贴第l壁 后面加入2 ClTI.厚的Be层,而保持其他结构尺 寸完全不变,仅作2 cm的外推。 第5期 徐 红等:聚变一裂变混合堆外中子源效应 565 1 1 0 0 O 0 0 燃耗时间/d 燃耗时间/d 3.O 2.6 2.2 ∞ 1.8 1.4 1.O 0 500 1 000 1 500 2 000 燃耗时间/d 燃耗时间/d 图3不同包层结构koff、TBR、ME和 Fig.3 Comparison of keff,TBR,ME and 比较 of different blankets 表2不同模型发生(n。xn)、(n。f)的反应几率 Table 2 Probability of(n,xn),(n,f)reaction f0r different models l∞ I g \ 糌 删 廿 卜。 能量/MeV 图4包层能谱 Fig.4 Blanket spectra 注:1)归一到1个源中子 中子注量率归一到1个中子 计算结果如图5所示。包层中加入中子倍 增剂使得MF增加了2~4, 总体上也有所提 高,设置倍增剂的包层, 一般会提高0.03~ 0.15。这是因为包层中加入的Be发生(n,2n) 或(n,3n)反应。表3列出中子倍增剂对 可考虑适当加入Be,以提高中子 和ME。 表3 中子倍增剂对(n。In)、(n。f)反应几率的影响 Table 3 Impact of neutron multiplying material t0(n,xn),(n。f)reaction 反应 (n,xn)、(n,f)反应几率的影响。从表3可见, 中子倍增剂的加入使得(n,xn)和(n,f)反应几 率均有所增加,尤其是(n,xn)反应使得中子倍 增,使源中子价值增加。因此,在包层设计中, 注:1)归一到1个源中子 566 1.9 原子能科学技术 第44卷 1.8 1 7 1.6 1.5 燃耗时间/d 燃耗时间/d 图5 中子倍增剂对Mr和 的影响 Fig.5 Impact of neutron multiplying material tO ME and 4 结论 通过FFHR包层模型对影响混合堆外中 子源效率的几个因素进行了讨论,包括包层结 构和中子倍增剂的影响,得出如下初步结论: 1)D-T中子源效率在1.6以上,说明1个 D-T外源中子的贡献大于1.6个裂变中子的 贡献; hong.Study on the method of determining the sub—criticality of a reactor via the measurement of core neutron flux spatial distr ution[J].Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering, 2007,27(4):306—309(in Chinese). [33 蒋校丰,谢仲生.加速器驱动快一热包层耦合次临 界系统的性能研究[J].核动力工程,2007,28 (1):13-16. 2)包层结构对源效率影响较大,铀水比 大,能谱硬,源效率高,但ME较小,反之亦然, 这说明ME和外中子源效率关联度不大,在包 层设计中要综合考虑两方面的因素; JIANG Xiaofeng,XIE Zhongsheng.Research on capability of accelerator driven coupled fast/ther— mal spectrum system[J].Nuclear Power Engi— neering,2007,28(i):13—16(in Chinese). 3)加入中子倍增剂可使外中子源效率和 包层M 均有所提高,所以,在包层中加入适当 的Be会改善包层物理性能; [4] 李浩泉.加速器驱动系统的中子物理学分析 ED].北京:清华大学,2003. E53 韩嵩,杨永伟.加速器驱动的次临界系统快堆次 4)ADS产生的中子的源效率低于FDS中 D-T聚变中子源效率,表明聚变驱动次临界堆 作为产能装置更具优越性。 研究结果和分析结论对FFHR概念设计 锕系核素非均匀布置堆芯的中子学研究[J].原 子能科学技术,2006,40(6):718—722. HAN Song,YANG Yongwei.Neutronics study on minor actinide heterogeneous core of ADS fast reactorEJ].Atomic Energy Science and Technol— ogy,2006,40(6):718-722(in Chinese). nition and application of pro— [6] SELTBORG P.Defi有一定指导意义和参考价值。 参考文献: fq赵仁恺,阮可强,石定寰.八六三计划能源技术 领域研究工作进展(1986--2000)[M].北京:原 子能出版社,2001:211. ton source efficiency in accelerator—driven systems I-J].Nuclear Science and Engineering,2003,145 (3):390—399. SEI TBORG P.Proton source efficiency for het— erogeneous distribution of actinides in the core of -I2-1马爱锋,蒋校丰,张少泓.由中子注量率空间分 布形状测量确定反应堆次临界度的方法研究 口].核科学与工程,2007,27(4):306—309. MA Aifeng,J1ANG Xiaofeng,ZHANG Shao— an accelerator—driven systemEJ].Nuclear Science and Engineering,2006,154(2):202—214.