基于行波堆技术的核燃料增殖与嬗变关键基础理论研究

行波堆是一种可实现自持增殖和燃耗的新概念反应堆，它使用低富集度的燃料、持续运行几十年无需换料、无需燃料后处理，基于行波堆的核燃料利用体系在核燃料的有效利用、防扩散和经济性等方面具有显著的先进性和竞争力。然而目前国际上对利用行波堆进行核燃料的增殖和嬗变的研究还只是处于概念提出阶段。本项目拟从理论与工程相结合的角度出发，建立行波堆的专有核数据库，对行波堆进行增殖-燃耗的计算，通过中子动力学-精细燃耗-热工水力的双重非线性耦合计算研究行波堆的安全特性，确定利用行波堆进行增殖和嬗变的技术方案，分析行波堆进行增殖和嬗变的能力，建立一套先进的行波堆堆芯设计的理论模型和计算方法，开发具有自主知识产权的行波堆堆芯设计和分析软件，并在此基础上完成现实可行的行波堆的初步概念设计。本项目属于反应堆物理学、热工水力学等多学科的交叉，在学术研究和提升我国先进核燃料循环系统的研究水平方面都有重要意义。

本项目按照申请书设定的研究内容和目标，通过模型建立和数值求解对行波堆所涉及的基础问题进行了研究。（1）鉴于行波堆物理计算中中子通量密度和燃耗计算需要耦合求解，开发了蒙特卡罗中子输运程序MCNP和点燃耗程序ORIGEN耦合程序MCORE，通过编写数据传递子程序达到耦合目的；通过OECD/NEA压水堆组件基准题和快堆基准题验证了本耦合程序计算结果的可靠性。（2）针对CANDLE燃耗策略，设计了轴向钠冷行波堆；采用MCORE燃耗程序进行分析计算，得到了稳定的功率和核子密度分布，并验证了增殖-燃烧波，结果表明燃耗深度可达55%。针对径向步进式倒料行波堆概念，提出了棋盘式径向倒料行波堆；部分增殖组件布置在内堆芯，增强了堆芯的增殖能力；采用MCORE燃耗计算程序进行分析计算，得到了渐进稳态解，并分析了堆芯活性区高度和有效半径对堆芯关键参数的影响。为进行行波堆系统安全分析，开发了池式钠冷快堆系统安全分析程序THACS；通过参与国际原子能机构IAEA快堆基准题项目并与其它机构的结果进行比较，验证了THACS程序的正确性；基于验证的程序对行波堆系统进行典型事故的安全分析，结果表明堆芯在事故下处于安全状态。（3）为进一步挖掘行波堆在燃料利用方面的潜力，在行波堆堆芯设计的基础上开展了MA嬗变研究；MA均匀加入堆芯，分析了不同MA添加量下的嬗变量和嬗变效率；并分析了不同MA添加量对堆芯关键安全参数的影响。本项目的研究为行波堆的物理、热工水力和安全分析提供借鉴，采用的方法和编制的程序可方便的使用到行波堆的研究中。项目进展过程中积极进行国际交流，项目参与者中一人赴日本东京大学攻读博士学位，一人赴美国威斯康星大学进行为期一年的合作交流。本项目培养了3名博士生，3名硕士生，共发表SCI论文5篇（其中Review一篇），EI论文4篇（国际会议2篇，中文核心期刊2篇），国内会议特邀报告1篇，其它会议论文8篇，软件著作权2项,教材专著1部。