聚变裂变混合发电堆水冷包层中子学设计分析
蒋洁琼12，王明煌1-2，陈患1.2，邱岳峰1.2，刘金超12，吴宜灿1.2，FDS团队1.2
（1.中国科季院等离子体物理研究所，安合肥230031：2.中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230027）
摘要：主要针对聚变裂变混合发电堆FDS-EM水冷包层的能量倍增因子M和氧增殖率TBR等中子学参数进行优化计算.FDS-EM包层主要设计日标是在氮自持的基硅上获得约1GW的电功率，并且尽贫铂>作为裂变燃料，能够实现氧白持、能量倍增因子约为90等设计目标，且连续运行至少10年不换料 可能长时间连续运行不换料.通过初步设计分析给出一个使用核废料（压水堆卸出的废料怀、朝系加上的中子学方案.
关键留：案变：包层：混合堆；中子学
中图分类号：T161.3文献标志码：A 文章编号：0258-0918（2010)01-0070-07
production blanket for a fusion-fission hybrid reactor Neutronics design and analysis ofwater-cooled energy
JIANG Jie-qiong** WANG Ming-huang' CHEN Zhong' QIU Yue-feng LIU Jin-chao' WU Yi-can'-? FDS Team2
(1. Institute of Plasa Phsis Chinse Academy of Scimes Hefei of Anhui Prov 230031 China:2. School of Nuclear Science and Techmology- University of Science and Technology of China Hefei of Anhui Prev 230027 China)
Abstract; Neutronics calculations were performed to analysis the parameters of blanket energy rmultiplication factor (M) and tritium breeding ratio ( TBR) in a fusion-fissionhybrid reaetor for energy produetion named FDS-EM (Energy Multiplier) blanket Themost significant and main goal of the water-cooled FDS-EM blanket is to achieve thepossible without fuel unloading and reloading. The preliminarily designed neutronics energy gain of about 1 GW with self-sustaining tritium which can operate for as long asparameters for FDS-EM were presented which show that the blanket loaded with theNuclear Waste (transuranic from 33 0o0 MWD/MTU PWR and depleted uranium) forenergy multiplication (M≥ 90) with tritium self-sufficiency cen operate for at least
10 years without fuel unlonding and reloading.Key words;fusion: blanket; hybrid resctor; neutronics
类需要寻找新的替代能源，核能是公认现实可 为了应对能源短缺和环境污染等问题，人行的可大规模替代常规能源的既清洁又经济的现代能源.聚变相关的最近实验进展和相关的理论进展已经证明了聚变能的可行性，但是普遍认为案变能要实现商业应用还有很长的路要 走.一些国家急速发展裂变工业应用，然画裂变将面临燃料短缺、安全和紋射性废料等间题.聚变-裂变混合堆有许多潜在的优点：好的安全求等.混合堆是有望成为解决大力发展裂 性、充足的燃料、降低对聚变及材料等方面的要变能带来的诸多问题的有效途径之一，同时也可作为推动水久清洁能源一纯象变能商用化技术发展的重要台阶.国内外已经开展许多 关于聚变-裂变混合堆的研究，特别是近几年混合堆的研究格外受到国内外多家研究机构的青[12].FDS团队最近提出了基于现有的或者适当外推的聚变技术和成熟的裂变压水维技术的聚变裂变混合发电概念堆FDS-EM （Energy Multiplier）=]，并作为FDS系列概念堆[之一开展相关设计研究.
本文是以FDS-EM包层的能量倍增因子（TritiumBrcedingRatio）等中子学参数为目标 M（Multiplication factor）]和氟增殖率TBR参数进行优化计算.表1列举了FDS-EM水冷发电包层的工程约束条件和优化设计目标.FDS-EM的一个主要目标是在运行期间不进行 装料换料操作的情况下，能够在尽可能长（10a或者更长）的时间内保持平稳的电功率输出，即在考虑泵功率、加热功率、系统辅助功率等消耗冷却剂的热电转换效率约33%，因此总热功率 后希望能够获得净电功率约1.0GW.水作为设计为3.5~4.5GW.如当聚变功率为50MW时，期望M能够达到约90：当聚变功率为150MW时.期塑M约为30当聚变功率为 500MW时，期望M约为9.同时为满足聚变燃料筑自持需求，并考虑系统的氟泄漏和衰变，一般要求TBR≥1.05.考虑到安全裕度和热工冷却能力的限制，中子有效倍增因子（kar）和Power Density averaged in each zone)，分别为 最大的区平均功率密度PD.（themaximumkr≤0. 96 和 PD≤100 MW/m².
Table 1 Main Constraints and Objeetives ef Neutronics Design Parameters for FDS-EM 表1FDS-EM中子学设计原则和目标
参数 原则 日标P/MW 50/150/500PD/(MW/m²) ka ≤0 96 ≤10 热工冷年能力服制 安全裕度TaR -* >1. 05(氨白持)标装料量 UcO（贫铂） 尽可能小PuO;/MAO（锅和酮系），压水堆部料平衡M 150MW童变功率：约30 50 MW聚交功率，约90500MW泉变功率.约9燃料循环 尽可能长时同连续运行不换料
本文中第1部分介绍了FDS-EM水冷发电包
计优化：第三部分在优化的基础上，进行燃耗分析
能量倍增因子约为90等优化目标，且连续运行至统靠外中子源驱动而运行在次临界状态下，依托能够自持的聚变裂变燃料循环来进行氟增殖和能量生产，基于成熟的压水堆技术的包层设本文的计算模型（一维简化模型见图1）是包层.内包层主要是氮增殖包层（TBB），外包 计主要包括两个典型的功能包层：内包层和外基于FDS-EM的儿何模型：大半径R=4m，小层主要利用裂变材料来产生能量（EPB）和利用
少10a不换料方案；最后给出了结论.
1包层概念与中子学模型
半径a=1m，拉长比w=1.7.FDS-EM包层系氯增殖剂来增殖氢.
图1FIS-EM的一堆轻向简化模型示意图Fig. 1 Radial Configurstion of FDS-EM
活化放射性等优良品质，裂变材料采用的化学形式是氧化物，氧化物相对于金属燃料、氮化 物燃料和碳化物燃料其具有大量的燃料堆内运行经验可以借鉴：氧化物其有较高的熔点和化学稳定性，而且其在空气中是稳定的，这可以降低工艺处理过程中对安全的需求.其中燃料形 状设计成棒状，包壳材料使用的是错合金.轻水作为冷却剂同时作为中子慢化剂；液态锂铅因高氧增殖能力和良好的导热性作为氛增殖剂同时用作自身冷却，铅同时可作为中子倍增剂.
设计中选择的结构材料是低活化钢心开发和网络环境构架的大型集成多功能中子RAFM钢（如CLAM：ChineseLowActivation学计算与分析系统.强大的计算能力和友好的Martensiticsteel），其具有抗辐照性能和低用户界面使其可方便应用于反应堆物理设计、燃料管理优化、辐照屏藏计算、核安全分析与环境影响评价等领域的中子、光子和电子模拟计 算与分析.最基本的计算功能是实现一维到三维S、MC、S/MC耦合的输运计算以及多种方法的燃耗计算.使用的数据库是HENDL，包括分别适用于S方法的多群数 据库HENDL/MG和MC方法的连续能量数据库HENDL/MC，原始评价数据来自于国家上广泛使用的儿大评价核数据库如FENDL、ENDF/B、JENDL、JEF和BROND等，本文给 出的是基于一维简化近似处理的球模型（见图1）的输运燃耗计算结果.各个区的功能与材料成分以及径向尺寸见表2，其中模型1和模型2的区别见2.1节.
本文计算选用核废料（裂变堆乏燃料）作为裂变燃料，其中核废料的定义是压水堆卸出的废料Pu 和 LLMA ( Long-Lived Minor Acti-nides）（装料按照同一商业压水堆卸出的比例 来装，避免环、铜系的再分离）加上贫袖.在选用核废料作为裂变燃料的情况下，考察①外包层工作区不同的排敢顺序：②冷却剂不同的体积百分比；③聚变功率不同的大小等因素对M 和TBR等中子学参数影咱进行优化计算.
2中子学方案设计优化
2.1外包层功能区不同的排放顺序
之前的研究表明，为了增殖更多的氟的是LiPb，其Li的丰度浓缩为90%.为了 LiPb中的Li需要浓缩.在本文中使用获得高的TBR和M，分别考察了外包层产氟
计算使用的程序是由FDS团队自主研发sualBUS.VisualBUS是基于成熟计算核 的大型集成多功能中子学计算和分析系统Vi-
表2轻水作为冷却剂的FDS-EM模型的材料成分和径向尺寸Table 2 Materials Composition and Radial Sizes of FDS-EM ( Water-Cooled)
分区 材料（体积分数/%） 厚度/cm第一墅 内包膜 CLAM(75) H;O(25) 2气增殖区 Li Phg(*1i 90%)(100) 38CLAM(75) H;O(25) 40第一登 外包果 CLAM(7S) H;O(25) 7（模型1）2（模型2）H((75) PuO (8)MAO;(0. 963) Up;/O(6. 037) Zr(10)H;O(60)PuO;(11) MAO;(1. 325)UoO(17. 675)Zr(10) H;O(50) PaO (11. 7) MAO; (1. 421) Uox;O (26 779) Zr(10)燃料区 50MW聚变功事 H;(O(40) PuO; (12 33) MAO; (1. 485) UocO;(36 185) Zr(10) 17HO(30)PuO(12. 2)MAO (1. 469) UexO(36 331) Zr(10) (模整 1)500MW聚变确率 150MW聚变确率 HO(60) PuO(9 5)MAO(1. 144) UotO;(19. 356)Zr(10)H;O(60) PuO(2)MAO;(0. 241)Up/O;(27. 759) Zr(10) H;(75) Pu;(8) MAO(0. 963) Ux/O;<6. 037) Zr(10)H;O(60) PaO;(11) MAO;(1. 325) UpeO;(17. 675)Zr(10)500MW聚史率 H;O(50) PaO;(11. 7) MAO; (1. 421) Uox O;(26 779) Zr(10)HO(40)PuO;(12.33)MAO (1. 485)UrxO;(36 185) Zr(10) H;(0(31) PuO(12. 2) MAO; (1. 469) Uou O;(36. 331) Zr(10)料区 HO(75)PaO(8) MAO;(0. 963) UcOs(6 037) Zr(10) （模盘2） 17H;O(60)PO;(11) MAO(1. 325) UpO(17. 675) Zr(10)150MW聚变率 HO(50)PuO;(11. 7) MAO;(1. 421) Upu O;(26. 779) Zr(10) HO(40) PO(12. 33) MAO (1. 485) UoO;(36. 185) Z(10)H;O(30)P#O;(12. 2)MAO;(1. 469)UpuO(36. 331)Zr(10)500MW聚交功率 H;O(60) Pα0;(9) MAO;(1. 084) Up;O; (19. 916) Zr(10)结构整 CLAM(75)H;O(25) 7/2（模1）铅区 LigPbe;(*Li 90%) (100) 7/7（模2） 25（模型1）25(模型 2)反射层 C(100) 30屏蔽址 CLAM(7S) H;O(25) $0 工作区和产生能量的工作区排放顺序不同，即裂变燃料区靠近等离子体区（模型1）和锂铅区靠近等离子体区（模型2）.对于模型1，裂变燃料区是安排在靠近等离子体区、锂铅区远离等 离子体区，而对于模型2，锂铅区是安排在近等离子体区而裂变燃料区是远离等离子体区. 表3给出模型1和模型2的k，M，TBR，PD等中子学计算参数，其中聚变功率是50MW和150MW的方案中，根据水的体积百分比优化结果（详见2.2节）只给出水的体积百 分比为60%的计算结果. 据表3.从聚变功率为50MW的计算结果 锂铅区靠近等离子体区的M值大.而对于聚变功率为150MW和500MW，在裂变燃料区靠近等离子体的模型中，则均不能实现氟自持. 知，当裂变燃料区和锂铅区排放账序不同时，两种排放顺序得到的TBR均能满足氟自持，但是当裂变燃料区靠近等离子体区时，其M值比 表3FDS-EM包层优化计算的中子学参数Table 3Parameters of Neutronics-Optimizated Calculation of Blankets fer FDS-EM 方案 燃料区靠近等高子体区（模型1） 楼铅区靠近等高子体区（模题2）聚变确率 50 MWH百分比 功率/ 1.95/ 75 1. 20/ 60 1. 19/ 50 1. 16/ 40 1. 10/ 30 0. 34/ 75 0 37/ 60 0.33/ 50 0.34/ 40 0 30/ 30(GW / GW) 3. 19 3. 64 3.62 3.53 3.33 1. 02 1 13 1. 00 1 04 06°0kc 0.95 0.95 0 95 0.95 0 95 0. 94 0 94 0.94 0 94 0.93PD /(MW/m?) TBR 79.7 1.12 57 8 1.35 57 5 1.42 56.0 1. 49 52.6 1. 64 14.0 1 30 15.8 1.35 1.34 13. 9 14-5 1 37 12.3 1 37M 79. 7 91. 0 90.5 88. 1 83. 2 25.4 28.1 25. 1 26 0 22.5聚变功率 150 MWH;)百分比 功率/ 75 2.24 60 50 40 30 75 60 50 40 30(CW / CW ) 6.80 - - 1 02/ 3. 06 1. 11/ 3.39 0 99/ 3.00 1 02/ 3 12 0 9/0 2. 70- 0 95 0 94 0.94 0 94 6.94 0 93PDa/(MW/m²) 107 0 - 42.0 47.3 41.7 43. 5 37 0TBR M 0.90 56. 6 - 1.30 25.4 1.35 28. 4 25.1 1.34 1. 37 26 0 1. 37 22.5聚变功率 500 MWH;O百分比 75 60 50 40 30 75 60 50 40 30(GW / GW) 功率/ - 2.68/ 8.12 " - 2.16/ 6. 55ke 0.81 -- 0 90PDus/(MW/m²) 125. 0 " 88.3TBR 0 42 1.23M 20. 3 16. 4 型2中，水的体积百分比均为60%，M最大分别为91.0和28.4；进一步由聚变功率是150MW，模型2的计算结果知，水的百分比同 样为60%得到的M最大，为28.4. 2.2冷却剂不同的体积百分比 为了考察裂变燃料中冷却剂水的比例高低对中子学参数TBR和M等值的影响，表3给 出了当聚变功率为50MW时，水的体积百分比为75%、60%50%、40%、30%的计算结果. 2.3聚变功率不同的大小 从计算结果可以看出，在满足氛自持的前提下，水的比例不同得到M值不同，其中当水的体积百分比相对较高为60%时，得到的M 值较大，如聚变功率为50MW，在模型1和模 从理论上，同一个系统其包层能量倍增因子和聚变功率的大小没有关系，但是若考虑工程冷却能力的限制条件，在不同的聚变功率下， 包层得到的能量倍增将可能因为受到限制条件
