ADS散裂靶中子學(xué)分析與設(shè)計優(yōu)化.pdf

1、核能作為一種清潔能源被認(rèn)為是可以大規(guī)模替代化石類能源的主要途徑，但快速發(fā)展核能也會面臨核燃料供應(yīng)問題及核廢料處理問題，根據(jù)中國的核電發(fā)展計劃，到2020年就有15000噸核廢料，其中包括大量的長壽命次錒系核素(MA)與長壽命裂變產(chǎn)物(LLFP)等，該問題制約了核能的快速發(fā)展。而新型反應(yīng)堆加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(ADS)具有增殖核燃料、嬗變核廢料、固有安全性好等特點(diǎn)，因此有很好的發(fā)展前景。ADS中的散裂靶為以前其他核反應(yīng)堆中沒有出現(xiàn)過的部件

2、，它連接加速器與反應(yīng)堆，其中子學(xué)性能直接關(guān)系到ADS的產(chǎn)能與嬗變效果。
　　為了滿足嬗變和向堆芯提供足夠強(qiáng)度的中子源（1017～1018n/s量級）的要求，必須輸入散裂靶的質(zhì)子的能量與強(qiáng)度都必須足夠大，這一方面對加速器技術(shù)提出了很高的要求，另一方面在堆芯功率固定的情況下，加速器的功率越高，則全堆的功耗比例越高，不利于產(chǎn)能。，因此應(yīng)在保證堆芯所需中子源強(qiáng)的條件下盡可能節(jié)約加速器的功率，降低對加速器的需求，也為全堆獲得更高的凈輸出功率

3、。另外，作為加速器與堆芯的連接部件，其運(yùn)行參數(shù)在滿足堆芯要求的同時，還應(yīng)該降低對加速器的影響。因此需要對散裂靶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
　　在充分考慮了次臨界堆芯的需求以及加速器的現(xiàn)實(shí)可行性的基礎(chǔ)上，本文圍繞散裂靶進(jìn)行了三個方面的研究。首先是從中子學(xué)角度對高功率ADS散裂靶進(jìn)行了分析和優(yōu)化。從安全角度確定了合理的堆芯功率、keff及散裂靶的材料，進(jìn)而確定了中子源強(qiáng)度，然后從中子產(chǎn)額、中子平均能量等角度優(yōu)化了質(zhì)子能量、散裂靶及緩沖區(qū)的半徑與高

4、度等幾個對散裂反應(yīng)有明顯影響的參數(shù)，再從能量沉積的角度驗(yàn)證了優(yōu)化的結(jié)果，最后給出了優(yōu)化結(jié)果的中子空間與角度分布，為堆芯設(shè)計提供源分布。
　　然后在中子學(xué)分析的基礎(chǔ)上研究了散裂靶的活化產(chǎn)物對加速器影響的情況，進(jìn)一步為散裂靶的設(shè)計提出建議。模擬了其中的長壽命核素、易擴(kuò)散的氣態(tài)核素與揮發(fā)性核素，輕核素等的產(chǎn)生情況。然后重點(diǎn)研究了散裂產(chǎn)物中的氫元素通過滲透進(jìn)入質(zhì)子管污染真空的過程，考慮了所有可能對結(jié)果構(gòu)成影響的參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)對高能量大流強(qiáng)

5、的質(zhì)子流，散裂產(chǎn)物氫元素的滲透對質(zhì)子管真空的影響不能忽略。
　　最后在散裂靶中子學(xué)分析的基礎(chǔ)上提出了一種散裂靶內(nèi)嬗變的想法。因?yàn)樯⒘寻袃?nèi)中子能量高、價值大，因此考慮在靶內(nèi)添加部分MA進(jìn)行嬗變的可行性。文中從能量沉積、質(zhì)子通量密度與中子通量密度以及相關(guān)的最大輻照時間、全堆keff的變化、散裂中子產(chǎn)生以及嬗變效果等方面對這種想法進(jìn)行了驗(yàn)證，最終發(fā)現(xiàn)可以不僅可以提高嬗變效果，而且可以簡化ADS的工程設(shè)計。
　　本論文綜合考慮了堆芯