乏燃料焚烧堆新概念次临界包层长寿命焚烧特性研究

The fusion-driven subcritical system is considered as a promising reactor to transmute the long-lived nuclear waste efficiently. Recently, The study of the subcritical system with the viable technologies of the blanket has been paid more attention to transmute nuclear waste based on relatively easy-achieved plasma parameters extrapolated from the successful operation of the Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) in China and the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) parameter level achieved. But the problems of how to improve the waste transmutation efficiency with the limited intensity neutron source and how to achieve the long-term and stable operation without refueling in the blanket need to be resolved. the resolution of these issues has great significance to the sustainable development of China's growing nuclear waste disposal and nuclear energy. Based on full three-dimensional geometric model, this project is planned to carry out the long-lived properties study of subcritical blanket of a new conceptual reactor for spent fuel burning by means of a combination of neutron theory analysis and numerical simulation: 1）To develop three-dimensional burnup analysis theoretical methods for complex geometry of large-scale subcritical systems; 2）To get the properties and have the general trends of the subcritical blanket of a new conceptual reactor for efficient burning of spent fuel and long-term operation without refueling based on the new developing analysis theoretical methods. This project will provide some theoretical and technical support for burning analysis of subcritical blanket especially loaded with complex fuels.

聚变驱动的次临界堆是一种有发展前景的长寿命高效核废料嬗变装置。近年来，基于当前托卡马克聚变装置实验水平的等离子体物理低堆芯参数或目前国际热核聚变实验反应堆(ITER)所能达到的技术水平，开展基于现实可行包层技术进行核废料焚烧备受人们关注。但是如何在有限强度中子源条件下提高核废料焚烧效率和如何使包层尽可能长期稳定运行焚烧而不换料等问题需要解决，这些问题的解决对我国日益增加的核废料处理和核能的可持续发展具有重要意义。本项目拟通过中子学理论分析与数值模拟相结合的手段，基于全三维仿真模型，开展乏燃料焚烧堆新概念次临界包层的长寿命焚烧特性研究：1）发展适用于次临界堆的复杂几何大尺寸的三维燃耗分析理论方法；2）借助新发展的理论方法，通过中子物理学分析研究得出次临界堆新概念包层高效焚烧乏燃料并尽可能长时间运行焚烧而不换料的特性和规律。为装入复杂燃料的次临界堆包层长寿命不换料燃烧研究提供一定的理论支持。

(对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述，800字以内)：.聚变驱动的次临界堆是一种有发展前景的长寿命高效核废料嬗变装置。本项目主要开展了在有限强度中子源条件下，研究次临界包层尽可能长期稳定运行焚烧而不换料的中子学特性及建立一套与之相适应的三维输运燃耗耦合计算方法。首先，通过采用欧洲经济合作与发展组织发布的反应堆燃耗信任制基准例题进行校验，校验并完善三维输运燃耗耦合计算方法。在此基础上，选用固定聚变功率为50MW的FDS-I设计作为参考方案，在乏燃料焚烧堆次临界包层不装料不卸料连续运行10年、20年及24年的情况下，计算了中子有效倍增因子Keff，包层能量倍增因子M，氚增值比TBR，包层内部中子能谱分布，超铀核素嬗变支持比TSR等关键中子学参数，通过系统分析，得到了得出次临界堆新概念包层高效焚烧乏燃料并尽可能长时间运行焚烧而不换料的特性和规律。获得重要结果如下：（1）对关键核素U、Pu及其同位素进行燃耗分析，得到次临界乏燃料焚烧反应堆中，乏燃料中超铀核素占总燃料15%时可以得到较优的次临界包层中子学性能。（2）在系统不装料卸料连续运行10年，系统的中子倍增系数Keff始终在系统的安全裕度（Keff≤0.960）范围内。但是随着运行的燃耗时间的加长，系统内产生易裂变钚不足以平衡系统消耗易裂变核素及系统产生的裂变产物累积等对中子学的影响，开始慢慢地下降。（3）在系统不装料卸料连续运行20年，系统的有效增殖系数是不断地下降，产电能力逐渐减弱，其产生的能量已不能获得约~1.0GWe的电功率。（4）在不装料卸料连续运行10年和20年的情况下，系统燃深度最高达到264824MWD/T(HM)，其方案具备现实可行性的；但连续运行到了24年，燃耗深度达到317789MWD/T(HM)，该方案现实可行性有待考证。本项目能够为装入复杂燃料的次临界堆包层长寿命不换料燃烧研究提供一定的理论支持。