加速器驱动次临界堆嬗变次锕系与长寿命裂片核素的安全性影响与机理研究

随着核电事业的迅猛发展，如何处置长寿命高放核废料已成为核能可持续发展的重要课题，利用分离-嬗变策略处置高放MAs和LLFPs已成为国际同行的研究热点。ADS具有富余的高能中子，在嬗变处置MAs和LLFPs方面具有明显的优势。但在ADS中装载大量的MAs和LLFPs会给加速器驱动的次临界反应堆的安全性带来新的挑战。本项目瞄准嬗变MAs和LLFPs时对次临界堆所带来的安全性影响的核心问题，通过实验测量MAs核素的裂变释放中子数、缓发中子份额等关键核参数，制作适用于ADS中子学计算的核数据库；建立高精度的多核素共振计算模型、复杂环境下的有源中子学计算模型、功率分布强时空不均匀下的热工计算模型和有源物理-热工耦合动力学模型等；进行ADS嬗变能力分析与反应堆安全分析；利用ADS物理实验平台启明星1号进行瞬态模拟实验验证等一系列研究，揭示MAs和LLFPs对ADS的次临界反应堆的安全性影响规律和机理。

本项目组通过四年研究，从理论和实验两方面探索了加速器驱动次临界堆（ADS）嬗变次锕系核素（MA）和长寿命裂变产物（LLFP）的中子学机理和安全性影响。.开展了高能核数据对ADS中子学特性分析的影响规律研究。分析结果表明，对于ADS实验装置，能量为150MeV以上的中子截面对ADS的中子学计算具有重要的影响。为此，项目组开发了用于ADS嬗变数值模拟的专用高能核数据库，并进行了正确性校验。.系统开展了针对次临界反应堆和嬗变核素的共振参数计算方法、中子输运-燃耗计算方法、次临界时空动力学方法等中子学数值方法研究，分别开发了基于确定论的、具有自主知识产权的ADS嬗变中子学分析平台LAVENDER（稳态）和DAISY（瞬态），基于非确定论方法的输运-燃耗-热工水力耦合数值模拟平台MONSTER，以及基于核电厂系统分析软件RELAP的ADS安全分析平台，形成了功能完备、方法可靠的ADS嬗变分析系统。.对ADS实验装置和专用嬗变装置的堆芯方案进行了设计，优化了燃料装载方案、散裂中子源设计和冷却方案设计，形成了可用于ADS安全性分析和嬗变能力评价的方案。所提出的800MW专用嬗变装置方案每年可以嬗变超过300kgMA，并能够同时嬗变LLFP，达到目前国外最新设计的同类嬗变装置的嬗变能力。.开展了ADS装载嬗变核素后反应性反馈、动力学参数等安全参数的变化规律和影响机理研究。通过对失流、堆芯超功率、源超功率等瞬态的分析，揭示了ADS与传统临界快堆在安全特性上的区别。研究发现，ADS的次临界状态对反应性引入事故具有更大的裕量，但是，装载MA后反应性反馈变弱，使得失流事故下仍然需要可靠的停堆保护。运行过程中功率峰的变化对ADS运行安全同样具有显著的影响。.基于国内目前唯一的ADS实验装置启明星1号，开展了跳源实验、脉冲中子源实验和控制棒实验三项动态测量实验。通过在ADS装置中改变中子源，测量了快区、热区多个位置中子通量的动态变化过程。通过在ADS中引入中子吸收体，测量了通量瞬时变化规律。.通过四年研究，本项目组完成了申报书中计划的全部研究内容，建立了一整套针对ADS嬗变安全性研究的方法并开发了完整的数值分析平台，揭示了ADS嬗变条件下物理参数的变化规律及其对安全性的影响机理，分析了典型事故条件下ADS嬗变的安全性。所取得的一系列成果为ADS设计与研究奠定了丰厚的理论与方法基础。