HFETR6LiD中子轉(zhuǎn)換器芯體厚度優(yōu)化研究

葉 濱，羅 勇，李全偉，傅 蓉

（1.西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽(yáng) 621010；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610005）

隨著核能的發(fā)展，基于聚變堆材料輻照考驗(yàn)和長(zhǎng)壽命核素嬗變的需求，人們?cè)絹?lái)越希望能獲取較高注量的14MeV中子。這是因?yàn)椴牧蠁?wèn)題是發(fā)展聚變堆技術(shù)的關(guān)鍵和瓶頸之一，聚變堆在運(yùn)行過(guò)程中，材料將受到來(lái)自堆芯聚變產(chǎn)生的14MeV中子和包層中燃料裂變反應(yīng)產(chǎn)生的裂變中子的高強(qiáng)度輻照，14MeV中子會(huì)嚴(yán)重影響聚變堆結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)性能，并可能使材料的性能失效，要開(kāi)發(fā)核聚變能就必須研制出滿(mǎn)足14MeV中子環(huán)境要求的結(jié)構(gòu)材料［1－2］。近年來(lái)，人們提出把高放廢物中毒性大的次錒系元素（MAs）、長(zhǎng)壽命裂變產(chǎn)物（LLFPs）分離出來(lái)，采用14MeV中子嬗變的方法使其變?yōu)榉€(wěn)定或短壽命的核素，然后再進(jìn)行深埋處置，可大幅減少放射性廢物對(duì)生物圈可能造成的危害。因此，通過(guò)6LiD靶件在熱中子堆內(nèi)產(chǎn)生14MeV中子引起了廣泛的關(guān)注。美國(guó) Weiss等［3－5］首先使用6LiD 作轉(zhuǎn)換靶，計(jì)算了6LiD的合理厚度、熱－快中子轉(zhuǎn)換效率和熱量的發(fā)生，測(cè)量了快中子的注量率；日本Kimura等［6］在KUR研究堆的重水箱外側(cè)布置14MeV中子轉(zhuǎn)換器，該處熱中子注量率為1.5×109cm－2·s－1；俄羅斯 Zouev等［7］擬在IVV－2M堆的外圍充水孔道（6cm×50cm）內(nèi)開(kāi)發(fā)兩個(gè)轉(zhuǎn)換裝置，轉(zhuǎn)換材料分別為6LiD和6LiH；我國(guó)彭鳳等［8］對(duì)應(yīng)用于HFETR堆芯內(nèi)部的6LiD中子轉(zhuǎn)換器曾做過(guò)源強(qiáng)計(jì)算，結(jié)果約為2×1013s－1。本工作對(duì)6LiD 中子轉(zhuǎn)換器芯體厚度進(jìn)行優(yōu)化研究。

1 熱中子轉(zhuǎn)換為14MeV中子原理

熱中子轉(zhuǎn)換為14MeV中子的原理是，利用熱中子引發(fā)產(chǎn)生具有足夠能量的氚核與其周?chē)碾嘶?Li核進(jìn)行聚變反應(yīng)。在熱中子堆輻照孔道中放置含有6Li和D核素的轉(zhuǎn)換器，通過(guò)下面的反應(yīng)鏈即可得到14MeV中子，核反應(yīng)鏈?zhǔn)居趫D1。

圖1 熱中子與6 Li、D的核反應(yīng)鏈Fig.1 Nuclear reaction chain of thermal neutron and 6 Li，D

圖1的核反應(yīng)式為：

式（2）、（3）反應(yīng)產(chǎn)生的中子能量分別為14.07MeV和14.24MeV。由此可見(jiàn)，在熱中子堆輻照孔道內(nèi)完全可模擬聚變堆產(chǎn)生14.07MeV和14.24MeV能量的聚變譜中子，輻照孔道中既含聚變中子譜又含裂變中子譜。

2 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及其材料的選取

2.1 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)選取

轉(zhuǎn)換器將和HFETR一起運(yùn)行，必須滿(mǎn)足HFETR安全運(yùn)行的要求［9］，轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：1）經(jīng)入堆、出堆和機(jī)械手的遠(yuǎn)距離操作后仍能保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，同時(shí)還應(yīng)便于加工、安裝、解體；2）轉(zhuǎn)換器布置于HFETR內(nèi)熱中子注量最高的中心孔道內(nèi)，以便能得到盡可能高的14MeV中子注量；3）轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須保證HFETR及其自身的熱工水力安全。

HFETR燃料元件為套管形，堆芯輻照孔道的外套管均為圓筒形，轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)為套筒形最容易在HFETR堆芯布置，且可有效利用堆芯熱中子，因此將轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)為套筒形。

選取的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)為：最外層為外套管，最內(nèi)層為輻照管，中子轉(zhuǎn)換材料及其內(nèi)外包殼置于外套管和輻照管之間，外套管、轉(zhuǎn)換靶、輻照管3者之間的兩個(gè)環(huán)狀空隙為冷卻劑流道，轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示于圖2［8］。

圖2 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Scheme of converter

2.2 轉(zhuǎn)換器各部件材料的選取

轉(zhuǎn)換器的材料必須滿(mǎn)足以下要求：1）中子吸收截面和活化截面要小（轉(zhuǎn)換靶6LiD芯體除外），嬗變產(chǎn)物的半衰期要短，以便減小堆的反應(yīng)性損失和降低材料中的放射性；2）耐腐蝕、不生銹、耐輻照、導(dǎo)熱性能好、膨脹系數(shù)小、與冷卻水的相容性好、芯體包殼和芯體相容性好；3）易加工、便于焊接和成本低廉。

根據(jù)HFETR 30年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，選取不銹鋼作為6LiD芯體的包殼材料，鋁為外套管和輻照管的包殼材料。

3 芯體厚度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)

在輻照孔道放置6LiD轉(zhuǎn)換靶后，由于6Li對(duì)熱中子的微觀吸收截面很大，熱中子注量率在6LiD芯體內(nèi)會(huì)下降很快，使得熱中子注量率產(chǎn)生下陷擾動(dòng)。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)6LiD芯體厚度，可在相同堆芯裝載情況下使轉(zhuǎn)換器中子源強(qiáng)最大，避免出現(xiàn)由于芯體厚度過(guò)大，不但使轉(zhuǎn)換器中子源強(qiáng)降低，且減小HFETR后備反應(yīng)性的情況。

HFETR在某一裝載方式下運(yùn)行，轉(zhuǎn)換器中子源強(qiáng)S計(jì)算公式為：

式中：Σ6為熱中子和6Li反應(yīng)的宏觀截面，cm－1；φc為轉(zhuǎn)換靶芯體中平均熱中子注量率，cm－2·s－1；P 為 1 個(gè) T 核 和6LiD 反 應(yīng) 的14MeV中子產(chǎn)額；Vc為6LiD靶體積，cm3。

式（4）中，Σ、P 可近似認(rèn)為是常量，這樣，S與Vc、φc有關(guān)。Vc、φc隨著轉(zhuǎn)換器芯體厚度d的改變而改變，因此，把A（d）＝φcd作為芯體厚度優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。改變轉(zhuǎn)換靶的芯體厚度，若可得到A（d）的最大值，則這個(gè)最大值對(duì)應(yīng)的d即是6LiD芯體的最佳厚度。

4 對(duì)芯體厚度優(yōu)化值的研究結(jié)果

4.1 轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)對(duì)芯體厚度優(yōu)化值的影響

1）轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的選取

HFETR堆芯按64mm柵距作三角形規(guī)則排列，為使轉(zhuǎn)化器在堆芯緊湊布置，轉(zhuǎn)換器外套管外徑和燃料元件外徑一樣，6LiD芯體包殼厚度、輻照管厚度不變，結(jié)構(gòu)示意圖示于圖3。優(yōu)化計(jì)算時(shí)，輻照管內(nèi)的介質(zhì)分為水和氦氣兩種情況，在對(duì)芯體厚度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí)制定了3種結(jié)構(gòu)，使6LiD芯體厚度從0.1mm增加到1.4mm。

方案1：小輻照管空間，內(nèi)、外層冷卻劑間隙厚度相等。保持輻照管內(nèi)徑17.5mm不變，內(nèi)、外層冷卻劑間隙厚度相等，減小6LiD靶內(nèi)徑R1，增加6LiD靶外徑R2，R1、R2的改變量相等。

圖3 選取的轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Scheme of selecting converter

方案2：大輻照管空間，內(nèi)、外層冷卻劑間隙厚度不等。保持輻照管內(nèi)徑21.5mm不變，外層冷卻劑間隙厚度比內(nèi)層厚0.5mm，減小6LiD靶內(nèi)徑R1，增加6LiD靶外徑R2，R1、R2的改變量相等。

方案3：改變外層冷卻劑間隙厚度。保持輻照管內(nèi)徑17.5mm不變，內(nèi)層冷卻劑間隙厚度2mm 不變，6LiD 靶內(nèi)徑 R1不變，增加6LiD靶外徑R2。

2）優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

優(yōu)化計(jì)算采用 WIMS－D4程序，采用的超柵元模型如下：轉(zhuǎn)換器居中，周?chē)鸀?個(gè)新燃料元件，按橫截面面積不變將柵元等效成一維圓形幾何柵元。A（d）優(yōu)化計(jì)算結(jié)果的相對(duì)值列于表1。

表1 不同方案下的A（d）優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Table 1 Optimization computational results of A（d）at different cases

從表1可見(jiàn)：1）當(dāng)輻照管內(nèi)介質(zhì)為水時(shí)，3種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的最佳芯體厚度均為0.7mm；2）當(dāng)輻照管內(nèi)介質(zhì)為氦氣時(shí)，方案1和方案3的最佳芯體厚度為0.6mm，方案2的最佳芯體厚度為0.5mm，芯體厚度在0.5～0.7mm間對(duì)目標(biāo)函數(shù)值的影響小于1%；3）對(duì)于每種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，輻照管內(nèi)介質(zhì)為水時(shí)的目標(biāo)函數(shù)大于輻照管內(nèi)介質(zhì)為氦氣時(shí)的結(jié)果。

4.2 輻照樣品數(shù)量對(duì)芯體厚度優(yōu)化結(jié)果的影響

選取的轉(zhuǎn)換器輻照樣品材料為不銹鋼，形狀和尺寸與 GB／T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》中規(guī)定的完全一樣，轉(zhuǎn)換器輻照管內(nèi)放置1～4個(gè)輻照樣品。A（d）優(yōu)化計(jì)算的相對(duì)結(jié)果列于表2。

表2 不同樣品數(shù)量下的A（d）優(yōu)化計(jì)算結(jié)果Table 2 Optimization computational results of of A（d）at different sample numbers

從表2可知，不論轉(zhuǎn)換器布置幾個(gè)不銹鋼輻照樣品，輻照管內(nèi)介質(zhì)為氦氣和水時(shí)，6LiD芯體的最佳厚度均分別為0.6、0.7mm，這說(shuō)明輻照樣品數(shù)量對(duì)芯體厚度優(yōu)化無(wú)影響。

4.3 轉(zhuǎn)換器對(duì)堆芯性能的影響

將芯體厚度為0.7mm的轉(zhuǎn)換器放入HFETR典型裝載的中心孔道中代替原來(lái)的同位素靶件進(jìn)行堆芯物理計(jì)算。結(jié)果表明：轉(zhuǎn)換器代替同位素靶件，不論輻照管內(nèi)為何種介質(zhì)，都使停堆深度增大約0.6βeff；3種轉(zhuǎn)換器輻照管內(nèi)充水時(shí)均使后備反應(yīng)性減小約0.8βeff；用轉(zhuǎn)換器代替同位素靶件，對(duì)堆芯徑向和軸向功率不均勻系數(shù)的影響很小。將芯體厚度取為1.0mm的轉(zhuǎn)換器放入中心孔道進(jìn)行堆芯物理計(jì)算，結(jié)果表明，對(duì)堆芯的keff和徑向功率不均勻系數(shù)的影響較大。

由此可見(jiàn)，就對(duì)堆芯性能的影響程度而言，轉(zhuǎn)換器芯體厚度取為0.7mm是較優(yōu)化的結(jié)果。

5 結(jié)論

1）套筒狀轉(zhuǎn)換器便于在HFETR堆芯輻照孔道的安裝且有利于充分利用堆芯中子。

2）6LiD芯體厚度優(yōu)化結(jié)果幾乎不受轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)及輻照樣品數(shù)量的影響，輻照管內(nèi)冷卻介質(zhì)為水和氦氣時(shí)，6LiD芯體厚度的優(yōu)化值分別為0.7、0.6mm。

3）對(duì)堆芯性能的影響程度而言，芯體厚度為0.7mm的轉(zhuǎn)換器和原有的同位素靶件基本相當(dāng)。

4）綜合考慮不同冷卻介質(zhì)對(duì)6LiD芯體優(yōu)化厚度的影響以及芯體厚度對(duì)堆芯性能的影響，布置于HFETR輻照孔道中的6LiD轉(zhuǎn)換器芯體厚度優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為0.7mm。

［1]VICTOR M，WIFFEN F B，SEKI M.National fusion materials program of EU，US and Japan［C］∥19th－24th IEA Fusion Materials Executive Committee Meeting.Germany：IEA，2001.

［2]許增裕.聚變材料研究的現(xiàn)狀與展望［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，2003，37（增刊）：105－110.XU Zengyu.Status and expectation of fusion materials research and development［J］.Atomic Energy Science and Technology，2003，37（Suppl.）：105－110（in Chinese）.

［3]WEISS A J，TUCKER W D，STANG L G，Jr.Use of LiD as a source of 14MeV neutrons in a nuclear reactor，report BNL－5366r［R］.USA：BNL，1961.

［4]STANG L G，Jr.A review of the product ion of“special”radio isotopes［C］∥Proceeding of Symposium on Production and Use of Short－lived Radio Isotopes From Reactors：Vol.1.Vienna：IAEA，1993：3－29.

［5]LONE M A，SANTRY D C，INGLIS W M.MeV neutron production from thermal neutron capture in Li and B compounds［J］.Nucl Instrum Methods，1980，174：521－529.

［6]KIMURA I，KOBAYASH I K.Calibrated fission and fusion neutron fields at the Kyoto Uni－versity reactor［J］.Nucl Sci Eng，1990，106：332－344.

［7]ZOUEV Y N，KULINICH Y A，LARTSEV V D.Efficiency measurement of6LiD converter of thermal to fast neutrons of（DT），（6LiD）fusion with 14MeV energy in IVV－2Mreactor experimental channel［J］.Fusion Engineering and Design，2004，70：5－11.

［8]彭鳳，傅蓉.提高HFETR局部區(qū)域中子注量率的方法探討［C］∥第十一屆反應(yīng)堆數(shù)值計(jì)算和粒子輸運(yùn)學(xué)術(shù)會(huì)議暨2006年反應(yīng)堆物理會(huì)議.［出版地不詳］：［出版者不詳］，2006：243－250.

［9]廖承奎，謝仲生，尹邦華，等.高通量工程試驗(yàn)堆物理計(jì)算方法的研究［J］.核科學(xué)與工程，2000，20（1）：39－46.LIAO Chengkui，XIE Zhongsheng，YIN Banghua，et al.Nuclear calculation for high flux engineering test reactor［J］.Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering，2000，20（1）：39－46（in Chinese）.