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基于钍钚燃料的热管冷却微堆堆芯物理特性分析

王锋 孙源楠 刘斌

王锋, 孙源楠, 刘斌. 基于钍钚燃料的热管冷却微堆堆芯物理特性分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(6): 9-14. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0009
引用本文: 王锋, 孙源楠, 刘斌. 基于钍钚燃料的热管冷却微堆堆芯物理特性分析[J]. 核动力工程, 2024, 45(6): 9-14. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0009
Wang Feng, Sun Yuannan, Liu Bin. Physical Analysis of the Heat Pipe Cooled Micro Nuclear Reactor Based on Thorium-Plutonium Mixed Fuel[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(6): 9-14. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0009
Citation: Wang Feng, Sun Yuannan, Liu Bin. Physical Analysis of the Heat Pipe Cooled Micro Nuclear Reactor Based on Thorium-Plutonium Mixed Fuel[J]. Nuclear Power Engineering, 2024, 45(6): 9-14. doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0009

基于钍钚燃料的热管冷却微堆堆芯物理特性分析

doi: 10.13832/j.jnpe.2024.06.0009
基金项目: 核反应堆系统设计技术重点实验室基金项目(JG2018119)
详细信息
    作者简介:

    王 锋(1977—),男,副教授,现主要从事核能堆芯物理及流动传热等研究,E-mail: wangfeng@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TL32

Physical Analysis of the Heat Pipe Cooled Micro Nuclear Reactor Based on Thorium-Plutonium Mixed Fuel

  • 摘要: 为提高热管冷却微型核反应堆的防扩散性能,实现核能的可持续发展,本研究基于储量丰富的钍基燃料并借鉴美国爱达荷州国家实验室(INL)Design A设计,采用基于蒙特卡罗方法的OpenMC程序开展堆芯中子能谱、反应性系数、功率分布和燃耗等堆芯物理特性的研究。结果表明,相比UO2燃料,钍钚燃料热管冷却核反应堆减少了燃料装载量,具有较长的运行时间和较高的燃料转换比;堆芯整体功率分布不均匀,但轴向功率偏差较小;反应性反馈系数为负,确保了堆芯固有安全性;有效缓发中子份额较小。该研究将为钍钚燃料在热管冷却微型核反应堆堆芯的应用提供参考。

     

  • 图  1  INL Design A热管堆示意图

    Figure  1.  Schematic of INL Design A

    图  2  MegaPower(左)和INL Design A(右)燃料栅格结构

    Figure  2.  Fuel Cell of MegaPower (Left) and INL Design A (Right)

    图  3  堆芯中子能谱

    Figure  3.  Neutron Energy Spectrum of the Core

    图  4  堆芯径向功率分布

    Figure  4.  Radial Power Distribution of the Core

    图  5  堆芯轴向功率分布

    Figure  5.  Axial Power Distribution of the Core

    图  6  堆芯轴向反射层结构

    Figure  6.  Axial Reflector of the Core

    图  7  堆芯keff随运行时间变化

    Figure  7.  keff Change with Runtime

    图  8  堆芯CR随运行时间变化

    Figure  8.  CR Change with Runtime

    表  1  燃料物理性质[15]

    Table  1.   Physical Parameters of the Fuel[15]

    物性参数 UO2 (Th, RGPu)O2 (Th, RGPu)N
    密度/(g·cm−3) 10.96 10.28 12.92
    有效密度/% 95 90 85
    熔点/K 3138 3000 3035
    热导率/(W·m−1·K−1) 3.47 2.3 26
    比热容/(J·kg−1·K−1) 312 340 260
    热膨胀系数/K−1 1.0×10−5 1.2×10−5 1.0×10−5
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    表  2  不同燃料堆芯功率分布

    Table  2.   Power Distribution of the Core with Different Fuels

    燃料种类 Fxy Fz ζ AO/%
    UO2 1.238 1.366 1.691 −6.18
    (Th, RGPu)O2 1.236 1.553 1.920 −5.55
    (Th, RGPu)N 1.215 1.547 1.880 −5.38
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    表  3  不同燃料反应性系数及有效缓发中子份额βeff

    Table  3.   Reactivity Coefficients and Effective Delayed Neutron Fractions of Different Fuels

    燃料种类 多普勒系数/
    (pcm·K−1)
    热膨胀反应性系数/
    (pcm·K−1)
    βeff
    UO2 −0.435 −0.317 0.00707
    (Th, RGPu)O2 −0.584 −0.365 0.00321
    (Th, RGPu)N −0.569 −0.288 0.00315
      1pcm=10−5
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-01-16
  • 修回日期:  2024-03-06
  • 刊出日期:  2024-12-17

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