次临界能源堆物理设计进展

李茂生; 师学明; 刘荣; 鹿心鑫; 朱通华; 王新华; 余泳; 严钧; 唐涛; 贾建平; 程和平; 蒋洁琼; 栗再新; 杨永伟; 吴宏春

doi:10.11884/HPLPB201426.100203

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次临界能源堆物理设计进展

李茂生, 师学明, 刘荣, 鹿心鑫, 朱通华, 王新华, 余泳, 严钧, 唐涛, 贾建平, 程和平, 蒋洁琼, 栗再新, 杨永伟, 吴宏春

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李茂生, 师学明, 刘荣, 等. 次临界能源堆物理设计进展[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

引用本文:

李茂生, 师学明, 刘荣, 等. 次临界能源堆物理设计进展[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

Li Maosheng, Shi Xueming, Liu Rong, et al. Progress in physics design of fusion-fission hybrid energy reactor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

Citation:

Li Maosheng, Shi Xueming, Liu Rong, et al. Progress in physics design of fusion-fission hybrid energy reactor[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

次临界能源堆物理设计进展

doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

李茂生^1, ,,
师学明¹,
刘荣²,
鹿心鑫²,
朱通华²,
王新华²,
余泳²,
严钧³,
唐涛⁴,
贾建平⁴,
程和平⁵,
蒋洁琼⁶,
栗再新⁷,
杨永伟⁸,
吴宏春⁹

1.
北京应用物理与计算数学研究所, 北京 1 00088;
2.
中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 621 900;
3.
中国工程物理研究院科技信息中心, 四川绵阳 621 900;
4.
表面物理与化学重点实验室, 四川绵阳 621 907;
5.
中国核电工程有限公司, 北京 1 00840;
6.
中国科学院合肥物质研究院, 合肥 230031 ;
7.
核工业西南物理研究院, 成都 61 0041 ;
8.
清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 1 00084;
9.
西安交通大学能源与动力工程学院, 西安 71 0049

详细信息

通讯作者:
李茂生

Progress in physics design of fusion-fission hybrid energy reactor

1.
Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088,China;
2.
Institute of Nuclear Physics and Chemistry,CAEP,Mianyang 621900,China;
3.
Science and Technology Information Center,CAEP,Mianyang 621900,China;
4.
Science and Technology on Surface Physics and Chemistry Laboratory,Mianyang 621907,China;
5.
China Nuclear Power Engineering Co Ltd,Beijing 100840,China;
6.
Hefei Institute of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;
7.
Southwestern Institute of Physics,Chengdu 610041,China;
8.
Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;
9.
School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China

摘要: 聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和次临界能源堆,主要目标是生产电能。回顾了国内外混合堆的发展历史,给出混合能源堆设计的边界条件和约束条件,说明次临界能源堆以铀锆合金为燃料、水为冷却剂的设计思想。利用输运燃耗耦合程序 MCORGS 计算了混合能源的燃耗,给出了中子有效增殖因数、能量放大倍数和氚增殖比等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。论述了混合堆的热工设计并进行了安全分析。对于燃耗数值模拟程序,通过多家对算,保证其计算结果的可信性。针对次临界能源堆的特点,利用贫铀球壳建立了贫铀聚乙烯装置和贫铀LiH装置,并且专门设计加工了天然铀装置,开展铀裂变率、造钚率、产氚率等中子学积分实验,验证了数值模拟的可靠性。
- 聚变-裂变混合堆 /
- 热工水力 /
- 燃料循环 /
- 中子学积分实验
Abstract: In this paper, we propose a preliminary design for a fusion-fission hybrid energy reactor (FFHER), based on current fusion science and technology and well-developed fission technology. Design rules are listed and a primary concept blanket with uranium alloy as fuel and water as coolant is put forward. The uranium fuel can be natural uranium, LWR spent fuel, or depleted uranium. The FFHER design can increase the utilization rate of uranium in a comparatively simple way to sustain the development of nuclear energy. The interaction between the fusion neutron and the uranium fuel with the aim of achieving greater energy multiplication and tritium sustainability is studied. Other concept hybrid reactor designs are also reviewed. Integral neutron experiments were carried out to verify the credibility of our proposed physical design. The combination of the physical design with the related thermal hydraulic design, alloy fuel manufacture, and nuclear fuel cycle programs provides the science and technology basis for future development of the FFHER concept in China.
- fusion-fission hybrid reactor /
- thermal-hydraulic /
- fuel circulation /
- integral neutron experiment

[1]	汤存文, 李华, 宋执权, 胡星光. 中国聚变工程实验堆大功率混合直流开关概念设计 . 强激光与粒子束, 2019, 31(04): 040010-. doi: 10.11884/HPLPB201931.180357
[2]	丁文杰, 黄欢, 戴涛, 郭海兵. 不同燃料循环方案的可持续性与经济性分析 . 强激光与粒子束, 2019, 31(05): 056007-. doi: 10.11884/HPLPB201931.190013
[3]	刘志勇, 曾和荣, 王少华, 郭海兵, 马纪敏. 铀基聚变-裂变混合堆次临界能源包层有限元力学分析 . 强激光与粒子束, 2018, 30(03): 036001-. doi: 10.11884/HPLPB201830.170099
[4]	郑友琦, 吴宏春, 杜夏楠, 肖云龙, 何明涛. 快堆中子学计算程序NECP-SARAX的改进与验证 . 强激光与粒子束, 2017, 29(05): 056005-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160296
[5]	郭娟娟, 刘仕倡, 尚晓通, 郭啸宇, 叶辛欧文, 黄善仿, 王侃. 基于区域分解的CTF全堆子通道热工计算研究 . 强激光与粒子束, 2017, 29(01): 016008-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160221
[6]	卢迪, 夏榜样, 甯忠豪, 黄世恩, 钟旻霄, 廖鸿宽, 王诗倩. 超临界水冷堆混合慢化燃料组件设计 . 强激光与粒子束, 2017, 29(05): 056004-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160205
[7]	史敦福, 李康, 秦桂明, 刘雄国. 蒙卡中子输运程序JMCT和子通道热工水力程序COBRA-EN耦合计算 . 强激光与粒子束, 2017, 29(03): 036007-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160383
[8]	莫永刚, 陈志林, 宋鸿鹄, 杨阳, 吴敬, 张东. Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆氚燃料循环系统氚盘存量与氚自持初步分析 . 强激光与粒子束, 2017, 29(11): 116004-. doi: 10.11884/HPLPB201729.170089
[9]	张磊, 钱达志, 王少华, 郭海兵, 马纪敏, 丁文杰. 高增益包层冷却系统设计及初步热工水力分析 . 强激光与粒子束, 2017, 29(05): 056001-. doi: 10.11884/HPLPB201729.160559
[10]	王少华, 黄洪文, 曾和荣, 刘志勇. 国际热核聚变堆实验增殖包层模块设计 . 强激光与粒子束, 2015, 27(01): 016011-. doi: 10.11884/HPLPB201527.016011
[11]	刘晓, 马纪敏, 郭海兵. 混合堆第一壁中子辐照损伤模拟 . 强激光与粒子束, 2015, 27(01): 016010-. doi: 10.11884/HPLPB201527.016010
[12]	吕阳, 曾献, 黄洪文. 混合堆共生系统核燃料循环模式情景研究 . 强激光与粒子束, 2015, 27(01): 016003-. doi: 10.11884/HPLPB201527.016003
[13]	马纪敏, 郭海兵, 刘志勇, 黄洪文. Z箍缩聚变裂变混合堆包层中子学分析 . 强激光与粒子束, 2015, 27(01): 016002-. doi: 10.11884/HPLPB201527.016002
[14]	黄洪文, 彭述明, 李正宏, 钱达志, 马纪敏, 郭海兵, 刘志勇, 曾和荣, 王少华. 磁约束聚变堆次临界包层概念设计研究进展 . 强激光与粒子束, 2015, 27(12): 120202-. doi: 10.11884/HPLPB201527.120202
[15]	刘志勇, 曾和荣, 钱达志, 李正宏, 黄洪文, 郭海兵, 马纪敏, 王少华. ITER驱动混合堆次临界包层燃料区结构设计与分析 . 强激光与粒子束, 2015, 27(04): 046001-. doi: 10.11884/HPLPB201527.046001
[16]	李正宏, 黄洪文, 王真, 陈晓军, 祁建敏, 郭海兵, 马纪敏, 肖成建, 褚衍运, 周林. Z箍缩驱动聚变-裂变混合堆总体概念研究进展 . 强激光与粒子束, 2014, 26(10): 100202-. doi: 10.11884/HPLPB201426.100202
[17]	彭先觉, 王真. Z箍缩驱动聚变-裂变混合能源堆总体概念研究 . 强激光与粒子束, 2014, 26(09): 090201-. doi: 10.11884/HPLPB201426.090201
[18]	曹攀, 喻宏, 胡赟, 陈仪煜, 徐李. 中国实验快堆燃料组件精细功率分布计算 . 强激光与粒子束, 2013, 25(05): 1275-1278. doi: 10.3788/HPLPB20132505.1275
[19]	李文茜, 李红, 谢锋, 曹建主, 方晟. 高温堆乏燃料贮罐中子屏蔽性能计算 . 强激光与粒子束, 2013, 25(01): 227-232. doi: 10.3788/HPLPB20132501.0227
[20]	陈敬平, 王雄. 快Z箍缩中子源混合堆界面研究进展 . 强激光与粒子束, 2011, 23(07): 0- .

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次临界能源堆物理设计进展

doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

1. 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 1 00088;

2. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川绵阳 621 900;

3. 中国工程物理研究院科技信息中心, 四川绵阳 621 900;

4. 表面物理与化学重点实验室, 四川绵阳 621 907;

5. 中国核电工程有限公司, 北京 1 00840;

6. 中国科学院合肥物质研究院, 合肥 230031 ;

7. 核工业西南物理研究院, 成都 61 0041 ;

8. 清华大学核能与新能源技术研究院, 北京 1 00084;

9. 西安交通大学能源与动力工程学院, 西安 71 0049

通讯作者: 李茂生

收稿日期: 2014-07-15
修回日期: 2014-07-30
刊出日期: 2014-09-23

关键词:

摘要: 聚变-裂变混合能源堆包括聚变中子源和次临界能源堆,主要目标是生产电能。回顾了国内外混合堆的发展历史,给出混合能源堆设计的边界条件和约束条件,说明次临界能源堆以铀锆合金为燃料、水为冷却剂的设计思想。利用输运燃耗耦合程序 MCORGS 计算了混合能源的燃耗,给出了中子有效增殖因数、能量放大倍数和氚增殖比等物理量随时间的变化。通过分析能谱和重要核素随燃耗时间的变化,说明混合能源堆与核燃料增殖、核废料嬗变混合堆的不同特点。论述了混合堆的热工设计并进行了安全分析。对于燃耗数值模拟程序,通过多家对算,保证其计算结果的可信性。针对次临界能源堆的特点,利用贫铀球壳建立了贫铀聚乙烯装置和贫铀LiH装置,并且专门设计加工了天然铀装置,开展铀裂变率、造钚率、产氚率等中子学积分实验,验证了数值模拟的可靠性。

English Abstract

Progress in physics design of fusion-fission hybrid energy reactor

1. Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100088,China;

2. Institute of Nuclear Physics and Chemistry,CAEP,Mianyang 621900,China;

3. Science and Technology Information Center,CAEP,Mianyang 621900,China;

4. Science and Technology on Surface Physics and Chemistry Laboratory,Mianyang 621907,China;

5. China Nuclear Power Engineering Co Ltd,Beijing 100840,China;

6. Hefei Institute of Physical Science,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031,China;

7. Southwestern Institute of Physics,Chengdu 610041,China;

8. Institute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing 100084,China;

9. School of Energy and Power Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China

Received Date: 2014-07-15
Rev Recd Date: 2014-07-30
Publish Date: 2014-09-23

Keywords:

Abstract: In this paper, we propose a preliminary design for a fusion-fission hybrid energy reactor (FFHER), based on current fusion science and technology and well-developed fission technology. Design rules are listed and a primary concept blanket with uranium alloy as fuel and water as coolant is put forward. The uranium fuel can be natural uranium, LWR spent fuel, or depleted uranium. The FFHER design can increase the utilization rate of uranium in a comparatively simple way to sustain the development of nuclear energy. The interaction between the fusion neutron and the uranium fuel with the aim of achieving greater energy multiplication and tritium sustainability is studied. Other concept hybrid reactor designs are also reviewed. Integral neutron experiments were carried out to verify the credibility of our proposed physical design. The combination of the physical design with the related thermal hydraulic design, alloy fuel manufacture, and nuclear fuel cycle programs provides the science and technology basis for future development of the FFHER concept in China.

李茂生, 师学明, 刘荣, 等. 次临界能源堆物理设计进展[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

引用本文:

李茂生, 师学明, 刘荣, 等. 次临界能源堆物理设计进展[J]. 强激光与粒子束, 2014, 26: 100203. doi: 10.11884/HPLPB201426.100203

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