轴向和径向行波堆概念设计及热工安全分析

1. 第一届新型反应堆安全及发展研讨会 兰州, 2013年10月9-12日 轴向和径向行波堆概念设计及热工安全分析 田文喜1 张大林1,郑美银1，秋穗正1，苏光辉1，陈学农2 ，黄灏3 ，严明宇4 wxtian@mail.xjtu.edu.cn http://nuthel.xjtu.edu.cn 1西安交通大学，核科学与技术学院 2 Karlsruhe Institute of Technology 3 中科华核电技术研究院有限公司 4 中国核动力研究设计院 田文喜

2. 4 1 3 2 目录 1 项目研究内容及目标 行波堆研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 后续工作计划 4 田文喜

3. 本项目主要研究内容 • 行波堆堆芯物理和热工耦合设计软件开发 建立用于输运和燃耗耦合计算的软件平台，建立相应的堆芯热工水力分析和设计模型，开发适用于行波堆的堆芯核热耦合设计软件。 • 行波堆堆芯初步概念设计 选择现实可行的堆型，通过堆芯合理的燃料布置建立增殖-燃耗波，得到行波堆概念设计方案，并进行系统安全性能研究。 • 利用行波堆进行燃料增殖和嬗变的研究 研究适合行波堆的堆芯结构、燃料组件和燃料成分，计算不同堆芯设计和不同燃料时行波堆的增值比，对行波堆内MA的嬗变特性进行研究，确定适合行波堆的MA含量，分析其对行波堆的影响。 田文喜

4. 4 1 3 2 目录 1 研究内容及目标 行波堆研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 结论及后续工作计划 4 田文喜

5. 裂变 增殖 研究背景-行波堆原理 底部启动 增殖 行波堆燃耗策略(类似燃烧的香烟) 裂变 核燃料从一端富集启动点燃 1）U-Pu 转换循环 2）Th-U 转换循环 行波本质为增殖-燃耗波 中子通量、核子密度及功率在堆内形成稳定分布，保持形状不变并自发移动。 裂变 增殖

6. 行波堆研究背景-特点 • 行波堆的优点 • 高燃耗 • 采用低富集度铀 • 高燃料利用率 • 反应性保持不变 • 可封装运行，原始燃料可持续使用数十年，不换料。 低废料生产，无需后处理 制造成本低 高经济性 无需换料/在线换料，无核扩散风险 田文喜

7. 传统的燃料循环体系 铀矿开采 转化成六氟化铀 铀浓缩 燃料制造 贫铀贮存 长期地质填埋 含锕燃料制造 后处理 乏燃料贮存 反应堆发电

8. 基于行波堆的可持续的燃料循环体系 核废料/天然铀 燃料制造 行波堆发电 长期地质填埋 乏燃料贮存

9. 行波堆研究发展历程 2000以后 泰拉 1996 荷兰、日本、德国、中国开展了行波堆基础理论研究； 1979 1958 美国氢弹之父Teller开展了行波堆数值计算研究 美国TerraPower公司完成了泰拉1号、2号的概念设计 Feinberg最早提出了增殖-燃耗概念 Driscoll开展了进一步的研究 萌芽 缓慢发展 广泛关注 快速发展 田文喜

10. 行波堆研究现状 • 泰拉能源的研发工作 • 研发团队 田文喜

11. 行波堆研究现状 • 泰拉能源的研发工作 • 研发工具 • 反应堆物理分析 • – MCNPX(using ENDF7) + CINDER90 • – REBUS/MC2-2 • 热工安全分析 • – SUPERENERGY + COBRA，用于分析组件温度中分布 • – SAS4A/SASSYS-1，用于系统安全分析 • 燃料性能分析【关键挑战】 • – FEAST，由MIT开发 田文喜

12. 192个浓缩铀燃料组件 210个贫铀燃料组件 34个控制棒组件 2个开放性燃料测试组件 1个开放性材料测试组件 72个屏蔽组件 • 行波堆研究现状 • 泰拉能源的研发工作 • 概念设计1 – TerraPower-1 (TP-1) 净功率500MWe 田文喜

13. 行波堆研究现状 • 泰拉能源的研发工作 • 概念设计2 – TerraPower Reactor Plant (TPRP) 净功率1150MWe 柱状驻波堆： 采用巧妙的燃料移动方法; 波固定，燃料径向移动。 金属燃料，HT-9包壳 田文喜

14. 行波堆研究现状 • 泰拉能源的研发工作 • 概念设计2 – TerraPower Reactor Plant (TPRP) • 已于2009年11月完成概念设计； • 净功率1150MWe，热功率3000MWt； • 60年设计寿命，无需换料； • 建造成本与三代压水堆相当； • 金属燃料，HT-9包壳； • 钠冷，池式设计; • 机械泵; • 低压安全壳; • 固有安全性。 田文喜

15. 行波堆研究现状 • Sekimoto课题组的研发工作 • CANDLE燃耗策略 Constant Axial shape of Neutron flux, nuclide densities and power shape During Life of Energy producing reactor 在这种燃耗策略下，核素密度、中子通量和功率的分布以相同的速度沿轴向移动，形状不发生任何变化，剩余反应性在燃耗过程中保持恒定。 Sekimoto课题组将这种燃耗策略广泛用于各种快堆中，取得了大量的研究成果。 CANDLE燃耗策略 田文喜

16. 国内外行波堆技术方案-CANDLE堆 • Sekimoto课题组的研发工作 • CANDLE燃耗策略 反应堆参数 计算结果 田文喜

17. 国内外行波堆技术方案-CANDLE堆 • Sekimoto课题组的研发工作 • CANDLE燃耗策略 CANDLE燃耗策略下U-238及Pu-239核子密度分布 田文喜

18. 国内外行波堆技术方案-CANDLE堆 • Sekimoto课题组的研发工作 • 块式高温气冷堆上的应用 块式高温气冷堆无限增殖系数、中子通量及核子密度分布 田文喜

19. 国内外行波堆技术方案-CANDLE堆 • Sekimoto课题组的研发工作 • 小功率快堆上的应用 小功率快堆无限增殖系数及裂变能沿轴向的分布 田文喜

20. 行波堆研究现状 • KIT行波堆技术路线 行波堆中孤立波求解的目标：建立行波堆物理模型，并得到数学的精确解，深入研究孤立波这一现象，预见将来如何将行波堆投入实际应用。 相平面中的同宿轨道图 KIT将这种技术应用于超临界堆和钠冷快堆的一维和二维计算中，均得到了孤立波解。 核子密度和中子通量变化 田文喜

21. 国内外行波堆技术方案-KIT技术路线 • KIT行波堆技术路线 • 球床类反应堆的基本燃烧模型 一维球床反应堆原理 孤立波解情况下核子密度分布 田文喜

22. 国内外行波堆技术方案-KIT技术路线 • KIT行波堆技术路线 • 轴向步进倒料策略-超临界水堆 堆芯进出口参数 keff随燃耗的变化 田文喜

23. 国内外行波堆技术方案-KIT技术路线 • KIT行波堆技术路线 • 径向步进倒料策略-钠冷快堆 二维条件下keff和燃耗随通量特性的变化 归一化功率分布随通量特性的变化 田文喜

24. 0 day 200 days 400 days 600 days 800 days • 行波堆研究现状 • 核动力研究院的研发工作 • 径向倒料驻波堆 通过合理的倒料，使径向波稳定 田文喜

25. 行波堆研究现状 • 清华大学的研究工作 清华大学采用MCBurn系统对简单结构的钍基行波堆进行了分析计算，验证了钍基行波堆的可行性。 钍基行波堆功率分布随时间变化 设计了2000MWt铅铋行波堆堆芯，采用MCBurn系统，计算得到了稳定的功率、中子通量和核子密度分布。 钍基行波堆Keff随时间变化 田文喜

26. 4 1 3 2 目录 1 项目研究内容及目标 TWR研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 结论及后续工作计划 4 田文喜

27. 设计工具开发及验证 • 系统简介 • 耦合蒙特卡罗输运程序MCNP和点燃耗程序ORIGEN； • 目前使用NNDC根据ENDF/B-VII.1处理的数据库； • 包含37个锕系核素和101个裂变产物核素。 耦合方式简图 田文喜

28. 设计工具开发及验证 • OECD/NEA快堆基准题的验证(kg) 基准题主要参数 快堆基准题R-Z方向结构简图(cm) 田文喜

29. 设计工具开发及验证 • OECD/NEA快堆基准题的验证(kg) • 由基准题结果可见，本耦合系统对主要锕系核素的计算结果是可靠的，可用于快堆的燃耗计算。 田文喜

30. 设计工具开发及验证 • NEA VVER-1000 LEU 组件基准题的验证 LEU组件简图及1/6组件编号 田文喜

31. 设计工具开发及验证 • NEA VVER-1000 LEU 组件基准题的验证 k ∞及U-235核子密度随燃耗的变化 田文喜

32. 设计工具开发及验证 • NEA VVER-1000 LEU 组件基准题的验证 U-238及Pu-239核子密度随燃耗的变化 • 由基准题结果可见，本耦合系统对k ∞及主要核素的计算结果是可靠的，可用于压水堆的燃耗计算。 田文喜

33. 4 1 3 2 目录 1 项目研究内容及目标 TWR研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 结论及后续工作计划 4 田文喜

34. 轴向倒料行波堆初步设计 • 总体介绍 设计了2000MWth轴向倒料式钠冷行波堆。 设计目标：拟通过该堆芯，验证轴向钠冷行波堆的可行性；研究钠冷行波，行波特性，增殖比，堆芯的热工水力特性。 设计手段：通过课题组开发的输运燃耗耦合系统(MCORE)，对行波堆进行物理计算，采用课题组开发的子通道程序(SACOS-Na)进行堆芯热工水力计算。 燃料循环：采用U-Pu循环，鉴于MCORE具有计算Th-U循环的能力，后续将开展Th-U循环相关研究。 田文喜

35. 轴向倒料行波堆初步设计 • 基本堆芯参数 田文喜

36. 轴向倒料行波堆初步设计 • 组件及堆芯结构 • 共127个棒位 • 芯块直径11mm • 包壳厚度0.4mm • 燃料棒直径12mm • 棒间距14.4mm • 外套管壁厚2.5mm • 外套管对内边距161mm 堆芯共199个燃料组件 外围布置屏蔽组件 田文喜

37. 轴向倒料行波堆初步设计 • 1D计算结果 功率随燃耗的轴向分布 中子通量随燃耗的轴向分布 • 经过一定燃耗步以后，功率分布及中子通量分布以固定形状沿轴向移动。 田文喜

38. 轴向倒料行波堆初步设计 • 1D计算结果 U235核子密度随燃耗的轴向分布 U238核子密度随燃耗的轴向分布 • 经过一定燃耗步以后，U235和U238分布以固定形状沿轴向移动。 田文喜

39. 轴向倒料行波堆初步设计 • 1D计算结果 Pu239核子密度随燃耗的轴向分布 增殖-燃耗波 • 用功率分布代表增殖波，用Pu239分布代表燃耗波，增殖-燃耗波如由上图所示。 田文喜

40. 4 1 3 2 目录 1 项目研究内容及目标 TWR研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 结论及后续工作计划 4 田文喜

41. 径向倒料行波堆设计 基于欧洲钠冷快堆堆芯设计了3600MWth径向倒料式行波堆堆芯 KIT & XJTU 设计目的：泰拉能源公司虽公布了TP-1和TPRP的堆芯设计，但却未公布具体设计细节，特别是燃料富集度及组件布置。因此，拟通过该堆芯的设计及分析计算，掌握径向倒料行波堆堆芯的设计方法。 设计手段：充分利用现有快堆的技术，特别是欧洲钠冷快堆(NSFR)堆芯设计。采用ECCO程序进行并群处理，采用ERANOS程序进行燃耗计算。 第一个行波堆可能会出现在中国 田文喜

42. 径向倒料行波堆设计 • 径向倒料策略 将燃料组件分成若干组，每组具有相同数目的燃料组件数，且距离反应堆中心具有几乎相同的距离，即每组燃料组件以反应堆中心为轴近似环状分布，每组燃料组件周期性地由内向外或者由外向内从一环向其临近下一环跳跃。 径向步进倒料示意图 田文喜

43. 径向倒料行波堆设计 • 堆芯基本参数及布置 堆芯基本参数 堆芯布置 田文喜

44. 径向倒料行波堆设计 • 燃料组件设计 燃料组件径向示意图 燃料组件主要几何参数 燃料组件轴向示意图 田文喜

45. 径向倒料行波堆设计 • 燃料元件设计 燃料元件径向示意图 燃料元件轴向示意图 燃料元件主要几何参数 田文喜

46. 径向倒料行波堆设计 • 计算结果 k有效随倒料步数的变化 渐进k有效随倒料周期的变化 田文喜

47. 径向倒料行波堆设计 • 计算结果 倒料周期400天功率分布 倒料周期1000天功率分布 • 计算分析比较了倒料周期为400、500、600、700、800、900和1000天时，功率分布的变化，确定倒料周期为1000时，功率峰最低，为最优方案。 田文喜

48. 径向倒料行波堆设计 • 计算结果 U238归一化密度分布 Pu239归一化密度分布 • 经过一定的倒料周期以后，主要核素分布稳定。 田文喜

49. 4 1 3 2 目录 1 项目研究内容及目标 TWR研究背景及现状 2 主要研究工作进展 3 设计工具开发及验证 轴向倒料行波堆初步设计 径向倒料行波堆设计 3 热工水力设计和安全分析研究 结论及后续工作计划 4 田文喜

50. 热工水力设计和安全分析研究 • SACOS-Na：西安交通大学自主开发的适用于钠冷反应堆的子通道分析程序 SACOS-Na程序流程图 田文喜