液體燃料反應堆

gainiangainian液體燃料反應堆是一種核能燃料，不受固體燃料那樣的結構應力的影響。反應堆可在大氣壓下運行，不需要承受高壓蒸汽爆炸的密封容器。氣態裂變產物如氙鼓泡溢出，某些裂變產物沉澱析出，因此不吸收鏈式反應的中子。與壓水堆相似，液態燃料反應堆可設計成增殖更多的燃料，而又比常規壓水堆產生的廢物有更強的防擴散能力。壓水堆乏燃料含鈾元素如鈾-238吸收中子增殖產生的鈽-239，這種長壽命的超鈾元素成了廢物儲存關注的核心問題。相比之下，液態燃料反應堆有可能把儲存的擔心減少到幾百年，因為比壓水堆生產的超鈾元素核素少得多。

基本介紹

• 中文名：液體燃料反應堆
• 外文名：Liquid fuel reactors
• 用途：核燃料
• 常用：熔鹽堆
• 學科：能源工程

概念

熔鹽堆是採用流動的熔鹽作為燃料的反應堆，最早由美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)提出。鑒於熔鹽堆具有良好的固有安全性、可線上後處理、放射性廢物少、可持續發展、防核擴散等優點，可作為先進反應堆堆型中的液體燃料反應堆使用。

熔鹽堆所採用的核燃料具有流動性，緩發中子先驅核會隨著燃料的流動發生衰變，從而影響到反應性的變化，這不同於固體燃料反應堆。

研究現狀

在開展流體運動對反應性的影響研究中指出有效緩發中子會隨著流體的流動發生變化，在液體燃料的分析時應考慮燃料流動對緩發中子的影響。Haubenreich比較詳細地從反應堆物理的角度出發對MSRE熔鹽堆緩發中子進行了分析，但沒有分析在不同流速下的分布情況。西安交通大學張大林等以MOSART熔鹽堆為模型也開展了燃料流動對緩發中子影響的相關研究。相關研究以MSRE熔鹽堆為模型，採用圓柱體均勻堆的近似處理方法，開展燃料熔鹽流動對有效緩發中子的影響研究，並與燃料熔鹽靜止狀態下的情況進行比較。通過本研究，可以進一步了解熔鹽堆中緩發中子在熔鹽不同流速及靜止狀態下的空間分布情況，進而得到燃料熔鹽流動對緩發中子損失的影響。這些研究結果為深入開展熔鹽堆中子動力學和安全分析提供參考依據。

圖1 液體燃料反應堆

計算模型

MSRE熔鹽堆一迴路熔鹽為LiF—BeF₂-ZrF₄一UF₄的組合形式，二迴路熔鹽為LiF—BeF₂，設計的熱功率值為10MW_th，實際運行的最大功率為7.5MW_th。一迴路熔鹽入口溫度635.00℃，出口溫度662.78℃，質量流速174.13kg·S，通過熱交換器與二迴路熔鹽進行熱量的交換。堆芯由石墨陣列、熔鹽通道、控制棒和樣品輻照通道等組成，周圍採用哈氏合金作為堆芯容器，沒有反射層，結構示意圖見圖1，主要的物理參數見表一。

表一

數學模型

熔鹽堆是一種液體燃料反應堆，採用的燃料具有流動性，這與傳統固體燃料反應堆有較大差異。文中採用在液體燃料反應堆計算分析中普遍套用的中子動力學方程，見圖2。

圖2 動力學方程

MSRE熔鹽堆堆芯為無反射層結構，準圓柱體幾何，因此，對於中子通量西，可利用圓柱體裸堆的臨界通量分布進行近似。由於緩發中子先驅核隨燃料熔鹽一起流動，即緩發中子先驅核的巨觀速度與熔鹽的流動速度相同。

損失分析

熔鹽堆使用的燃料具有流動性，在實際運行過程中部分緩發中子先驅核將會流出堆芯並在堆芯外會發生衰變，這將造成反應性損失。本文採用圓柱體均勻堆的近似模型，分析了MSRE熔鹽堆在恆定流速下的反應性損失以及堆芯不同區域、不同燃料熔鹽流速對緩發中子分布的影響。結果表明：

(1)文中對MSRE熔鹽堆在正常運行情況下反應性損失值的計算與實驗結果相對偏差為10%；

(2)緩發中子先去核在半徑20 cm處各組緩發中子先驅核產生的中子濃度比半徑30 cm處的高了近20%，這

是由於靠近堆芯中心區域的原因；

(3)緩發中子先去核在燃料熔鹽的流速下從174.13kg·S，變成70 kg·S時，產生的中子濃度變化在6%以內，說明了燃料熔鹽流速的變化對衰變周期越短的緩發中子先驅核組數的影響比較小。