陶瓷球床在堆內輻照物理計算

葛艷艷+駱貝貝+丁麗+王玉林

摘 要：本文的主要內容是在中國先進研究堆（CARR）堆內固進行態氚增殖劑陶瓷球床輻照實驗的物理計算。本文采用Monte Carlo 粒子輸運模擬程序MCNP5對陶瓷球床進行堆內建模計算得到不同功率下球床的中子注量率、發熱功率和產氚速率。通過更改氚增殖劑球床組件的結構尺寸或堆功率來滿足實驗的要求，得到滿足實驗要求的球床結構，在堆內輻照陶瓷球床組件進行物理計算和分析，從而為熱工計算分析提供數據，為整體裝置在堆內輻照實驗提供安全分析。最終得到球床的中子注量率為5.63x1012n/cm2s，球床的發熱功率為491.9W。

關鍵詞：陶瓷球床組件 堆內輻照 物理計算和分析

中圖分類號：TL32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（b）-0095-04

Abstract：The main content of this paper is in-pile irradiation experiment of International Thermonuclear Fusion Reactor Experiment （ITER） tritium breeder blanket module （TBM） have been carried out in China Advanced Research Reactor （CARR）.This paper adopts the Monte Carlo particle transport MCNP5 simulation program to modeling the pebble bed. By using the statistical pebble-bed neutron flux， counting card energy deposition and yield， get the pebble bed under different power of neutron flux rate， heating power and the tritium production rateis introduced into reactor.In order to ensure the safety of the reactor and ceramic pebble beds assembly， and to meet requirements of the experiment， it can be realized by changing the structure size of pebble beds or the power of reactor， in pile irradiation breeder pebble bed assembly physical calculation and analysis， so as to provide data for the thermodynamic calculation and analysis， the pile irradiation experiments provide safety analysis as a whole install. Finally the physics showed neutron flux of the pebble beds is 5.63x1012n/cm2s， heating power is 491.9W.

Key Words：Tritium breeder pebble beds assembly； In-pile irradiation； Physical calculation and Analysis

國際熱核聚變實驗堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）氚增殖包層模塊（TBM）是實現未來聚變示范堆（DEMO）的關鍵。聚變堆固態氚增殖劑包層作為ITER實驗的六類包層之一，在目前被廣泛研究。固態增殖劑鋰陶瓷小球為最有可行性和最有希望實現的材料，在眾多鋰陶瓷小球中，本文選取正硅酸鋰（Li4SiO4）作為氚增殖劑。本文主要對球床組件裝置的結構和位于堆芯的位置，完成小球的球床組件進行中子注量率，體積釋熱率和球床發熱功率，產氚特性和反應堆功率的計算并且結合熱工計算結果，完成球床組件裝置的優化設計，得到滿足實驗要求的結構，從而為堆內進行實驗打下良好的基礎。

1 陶瓷球床組件物理的模型

根據陶瓷球床組件堆內輻照實驗的要求，確定陶瓷球床的實驗要求如下：（1）陶瓷球床組件在堆內輻照工況下，球床的溫度不超過950℃；（2）鋁傳熱塊的輻照溫度不超過260℃。組件是由多層組成，組件具體的結構如圖1所示。

球床組件由內到外結構分別是陶瓷球床、Φ10mm316L不銹鋼1、Φ10mm316L不銹鋼2、鋁傳熱塊、工藝管。陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆積而成的，陶瓷球床為Φ32mm，裝料高為120mm。兩層厚1mm的不銹鋼，整個球床在Φ59mm的鋁傳熱塊上，其中鋁傳熱塊高度為650mm。

2 計算方法

本文采用的是MCNP5，按照球床組件的實際要求，在堆內建立模型，由于陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆積而成，根據堆積因子將球床進行均勻化處理。在計算球床的中子注量率時，利用F4卡來統計通過幾何塊的平均通量，粒子類型是中子（n），光子（p），其物理意義是：，單位：粒子數/cm3；在計算球床的發熱功率時，利用F6卡來統計中子和光子通過幾何塊的平均沉積能量，粒子類型是中子（n），中子、光子（n、p），其物理意義：，單位：Mev/g。

3 實驗設計

為了得到滿足實驗要求的球床組件的結構，本文通過改變反應堆功率和球床位于堆芯活性區的位置等方法來實現，最終得到符合實驗要求的球床組件，進而計算球床各部件的中子注量率、體積釋熱率和發熱功率等。endprint

3.1 調溫氣隙的改變滿足實驗要求

球床組件有兩層內充氖氣的氣隙腔，其中最外一層可作為調溫氣隙，調節球床的溫度。最初設計最外層氣隙為0.5mm，熱工一維計算得到的球床溫度959.3℃，超過實驗要求。通過改變最外層氣隙為0.4mm，最后熱工一維計算得到球床溫度為839.18℃。得到最外層氣隙為0.4mm或更小。

3.2 反應堆功率的變化

反應堆功率與球床溫度有很大的關系，反應堆功率越大，球床中心輻照溫度越大，當反應堆功率為25MW時，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為892.47℃；當反應堆功率為22MW時，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為827.05℃。當反應堆功率為20MW時，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為781.5℃。考慮到此裝置要放入反應堆內進行實驗，需進行超功率事故分析，綜合得反應堆功率為20MW。

3.3 組件放入堆芯活性區的位置

球床溫度與球床組件放入堆芯活性區位置有關系，現分3種位置，分別如下。

位置a，當球床組件頂端位于堆芯活性區上14.5cm處時，在反應堆功率為20MW時，計算得到球床的中子注量率為6.45×1012n/cm2s，球床的發熱功率為554.5W，球床的體積釋熱率為5.75W/cm3，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為839.21℃。

位置b，當球床組件頂端位于堆芯活性區處時，在反應堆功率為20MW時，計算得到球床的中子注量率為8.63×1012n/cm2s，球床的發熱功率為725.41W，球床的體積釋熱率為7.51W/cm3，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為984.94℃。

位置c，當球床組件頂端位于堆芯活性區上22cm處，含鋰組件中心位于球床中心上8cm處，在反應堆功率為20MW時，計算得到球床的中子注量率為5.63×1012n/cm2s，球床的發熱功率為491.86W，球床的體積釋熱率為5.1W/cm3，熱工一維計算得到球床中心輻照溫度為781.5W。

根據上述不同位置處球床的中子注量率和發熱功率，最終熱工得到的球床中心輻照溫度，得到滿足實驗要求的位置是球床位置c，即球床組件頂端位于堆芯活性區上22cm處。

4 球床組件的物理分析

綜合上述的結構設計：反應堆功率為20MW，球床組件頂端位于堆芯活性區上22cm處。圖2為球床的MCNP建模模型圖。

4.1 中子注量率

在反應堆物理分析中，中子通量最早用Φ表示，即，表示該點的中子密度與相應中子速度的乘積，表示在單位體積內所有中子在單位時間內穿行距離的總和。

球床組件在堆內進行輻照實驗，計算在功率為20MW時，球床各部位的平均中子注量率，如表1所示。

在計算時將球床進行均勻化等效為一個圓柱體，為了更好的得到球床每個位置的中子注量率，將球床進行徑向劃分為8層，分布計算了每層的中子注量率如圖3所示為球床徑向平均中子注量率分布圖。

在圖3中橫坐標“0”為球床中心位置，“1.6”為球床邊界處，從圖中可以看出球床邊界處中子注量率比較大。

4.2 發熱功率與體積釋熱率

取反應堆功率為20MW時，球床的發熱功率為491.86W，球床的體積釋熱率為5.10W/cm3，整個球床的發熱功率為627.7W，表2為球床各部位的發熱功率和體積發熱量。

鋁傳熱塊在功率20MW時的發熱功率為115.2W，平均體積釋熱率為0.11W/cm3。

5 結論

本文采用MCNP對陶瓷球床進行了建模，通過調整球床結構得到滿足實驗要求的實驗結構，根據此結構對中子注量率、發熱功率和體積釋熱率等物理方面進行了計算和分析，得到結論如下。

（1）球床進行實驗時，反應堆的功率為20MW且球床組件頂端位于堆芯活性區上22cm處。

（2）球床組件對反應堆的安全影響很小，球床的平均熱中子注量率為5.63×1012n/cm2s，組件總發熱功率為627.7W。

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