鋰冷空間堆產氣行為分析

摘" 要：針對鋰冷空間堆運行時產氣的問題，設計了鋰冷空間堆LCSR，對其鋰回路產氣行為進行研究，通過計算LCSR壽期內的總產氣量、不同氣體各自的產量，結合所產氣體的性質、鋰回路的工況，分析這些氣體在鋰回路中的行為。結果表明：產生的氣體中氦-4對LCSR鋰回路起主要影響作用，LCSR滿功率運行1.2天后氦-4達到飽和，LCSR鋰回路會因異相成核形成氣泡。文章的研究方法和結論可為鋰冷空間堆的研究設計提供參考。

關鍵詞：鋰;空間堆;氦

中圖分類號：TL731" " " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0014-04

Abstract： Aiming at the problem of gas production during operation of the lithium-cooled space reactor， the lithium-cooled space reactor LCSR was designed to study the gas production behavior of its lithium loop. By calculating the total gas production during the life of the LCSR and the respective production of different gases and by considering the nature of the gas and the working conditions of the lithium circuit， this paper analyzes the behavior of these gases in the lithium circuit. The results show that the helium-4 in the produced gas plays a major role in the LCSR lithium circuit， that after the LCSR runs at full power for 1.2 days， the helium-4 reaches saturation， and that the LCSR lithium circuit will form bubbles due to heterogeneous nucleation. The research methods and conclusions of this paper can provide references for the research and design of lithium-cooled space reactor.

Keywords： thium; space reactor; helium

空間堆常用的金屬冷卻劑有鈉、鉀、鈉鉀合金、鋰，其中鋰密度最小、沸點最高，大功率空間堆（電功率>50kW），其堆芯溫度高（1200～1400K），適合選用鋰作冷卻劑[1-2]。但是，運行時鋰經中子輻照后會產生氫同位素、氦同位素，對鋰冷空間堆的導熱、熱電轉換、電磁泵運行產生不利影響。所以，需要對鋰冷空間堆的產氣量以及所產氣體在鋰回路中的行為進行研究。本文通過設計鋰冷空間堆LCSR，計算LCSR壽期內的產氣量，結合所產氣體的性質、鋰回路的工況，分析所產氣體在鋰回路中的行為以及氣泡的形成。

1 產氣量計算

冷卻劑鋰含有Li6和Li7，經中子輻照生的主要核反應如下：

Li6：

鋰回路的設計參數見表1，鋰的成分是 Li7含量99.9%、Li6含量0.1%，管壁、容器壁等結構材料的主要成分為鈮合金（Nb-0.99%Zr-0.01%C）。

表1 鋰回路設計參數

采用MCNP程序對堆芯、堆上集流腔、堆下集流腔、堆出口管、堆入口管內發生的以上核反應進行計算。額定工況下，LCSR鋰回路10年壽期內He4、H、D、T總產量0.05mol，不同氣體各自產量如表2所示。……