氢化锂的热化效应机理及其对核推进球床堆反应性的影响研究

With the development of spaceflight project,the continious long-time energy supply for deep space exploration is becoming an difficult problem in spaceflight mission.Traditional chemical engine rocket is limited in continuous flying and propulsion capacity, while nuclear engine rocket is largely advantageous in space exploration. Recently, the nuclear propulsion Particle Bed Reactor(PBR) is hotly researched around the world, in which neutron is slowed down by LiH moderator. LiH is designated as a promising moderator and shielding material because of its low density,high melting point and large fraction of H atoms. However, lack of the thermal neutron cross sections of LiH makes numerical calculation deviate from experimental data to some extent. As a result, it is necessary to study LiH thermal kernel effect and its feedback reactivity bringed to PBR.By studying LiH phonon spectrum and constructing the model of LiH thermal kernel and scattering matrix,the ACE format LiH thermal neutron cross sections for MCNP software can be maken and used for PBR neutronics calculation. PBR criticality characteristics at different temperature is analyzed and then the feedback reactivity to PBR is revealed in this paper, which construct the foundation for PBR core physics and thermohydraulic coupled calculation.

随着航天事业的飞速发展，深空探测的持续能源供给已成为航天任务的重大难题。核动力火箭较传统的化学火箭在续航能力和推动力方面都有很大优势，是深空探测的理想能源。以LiH作为慢化剂的高温粒子球床堆（PBR）核热推进器已成为国际同行研究的热点。LiH以其低密度、高熔点、较高的H原子份额等良好的热物性，被用作PBR堆芯的慢化剂材料和屏蔽材料。然而，低能区LiH热中子数据的缺失却使得数值模拟结果远偏离于实验数据，因此有必要对LiH热化效应和由此带来的堆芯反应性反馈特性进行研究。通过提取LiH声子谱数据，建立LiH热散射律和散射矩阵的计算模型，制作MCNP的ACE格式的LiH热中子截面数据库，供MCNP在PBR堆芯物理建模时使用。分析不同温度PBR堆芯的临界特性，揭示LiH的热化效应对PBR堆芯反应性的影响规律，为PBR堆芯物理热工耦合计算研究奠定理论基础。

针对核热推进高温粒子球床堆（PBR）LiH慢化剂中子热化的问题，课题研究了新型慢化剂材料LiH的热化效应及对堆芯反应性的影响规律。基于第一性原理，采用平面波赝势的方法计算了LiH的声子谱，利用GASKET和NJOY程序建立了LiH中H和LiH中Li热散射律和散射矩阵计算模型，将结果与文献值和ZrH2热散射数据进行对比，分析差异的原因主要来自声子谱数据和声子展开阶数的不同；建立了MCNP程序使用的ACE格式的LiH热中子截面库，分析温度对截面的影响，从结果可以看出，随着温度的升高，LiH内在的声子更易被激发，截面值增加，采用德拜抛物线原理对LiH热中子截面进行了修正，减小了入射中子能量处的截面峰值，使得结果更符合实际；探讨了掺杂对LiH热中子截面参数的影响规律，建立了较为可靠的LiH热中子截面产生技术与分析方法；利用MCNP程序建立了高温粒子球床堆堆芯物理模型，研究分析了LiH慢化剂的正温度效应，完成了LiH中子热化效应对堆芯反应性反馈的影响规律研究，并提出了采用混合慢化剂来改善堆芯LiH慢化剂正温度效应的技术方法。.本研究在国内首次实现了LiH声子谱的理论分析和热中子截面的制作，填补了现有软件在计算LiH低能中子热化效应的空白；系统研究了LiH中子热化效应以及LiH热肿胀和离解析氢的温度效应对核热推进高温粒子球床堆的安全影响，其中LiH中子热化效应的贡献最大。项目研究工作的完成对于确保PBR反应堆安全可控和后续核热推进反应堆设计开发具有非常重要的意义。