HFETR6LiD中子轉換器芯體厚度優化研究

葉 濱，羅 勇，李全偉，傅 蓉

（1.西南科技大學 核廢物與環境安全國防重點學科實驗室，四川 綿陽 621010；2.中國核動力研究設計院，四川 成都 610005）

隨著核能的發展，基于聚變堆材料輻照考驗和長壽命核素嬗變的需求，人們越來越希望能獲取較高注量的14MeV中子。這是因為材料問題是發展聚變堆技術的關鍵和瓶頸之一，聚變堆在運行過程中，材料將受到來自堆芯聚變產生的14MeV中子和包層中燃料裂變反應產生的裂變中子的高強度輻照，14MeV中子會嚴重影響聚變堆結構材料的力學性能，并可能使材料的性能失效，要開發核聚變能就必須研制出滿足14MeV中子環境要求的結構材料［1－2］。近年來，人們提出把高放廢物中毒性大的次錒系元素（MAs）、長壽命裂變產物（LLFPs）分離出來，采用14MeV中子嬗變的方法使其變為穩定或短壽命的核素，然后再進行深埋處置，可大幅減少放射性廢物對生物圈可能造成的危害。因此，通過6LiD靶件在熱中子堆內產生14MeV中子引起了廣泛的關注。美國 Weiss等［3－5］首先使用6LiD 作轉換靶，計算了6LiD的合理厚度、熱－快中子轉換效率和熱量的發生，測量了快中子的注量率；日本Kimura等［6］在KUR研究堆的重水箱外側布置14MeV中子轉換器，該處熱中子注量率為1.5×109cm－2·s－1；俄羅斯 Zouev等［7］擬在IVV－2M堆的外圍充水孔道（6cm×50cm）內開發兩個轉換裝置，轉換材料分別為6LiD和6LiH；我國彭鳳等［8］對應用于HFETR堆芯內部的6LiD中子轉換器曾做過源強計算，結果約為2×1013s－1。本工作對6LiD 中子轉換器芯體厚度進行優化研究。

1 熱中子轉換為14MeV中子原理

熱中子轉換為14MeV中子的原理是，利用熱中子引發產生具有足夠能量的氚核與其周圍的氘核或6Li核進行聚變反應。在熱中子堆輻照孔道中放置含有6Li和D核素的轉換器，通過下面的反應鏈即可得到14MeV中子，核反應鏈示于圖1。

圖1 熱中子與6 Li、D的核反應鏈Fig.1 Nuclear reaction chain of thermal neutron and 6 Li，D

圖1的核反應式為：

式（2）、（3）反應產生的中子能量分別為14.07MeV和14.24MeV。由此可見，在熱中子堆輻照孔道內完全可模擬聚變堆產生14.07MeV和14.24MeV能量的聚變譜中子，輻照孔道中既含聚變中子譜又含裂變中子譜。

2 轉換器結構及其材料的選取

2.1 轉換器結構選取

轉換器將和HFETR一起運行，必須滿足HFETR安全運行的要求［9］，轉換器的結構應滿足以下要求：1）經入堆、出堆和機械手的遠距離操作后仍能保持結構穩定，同時還應便于加工、安裝、解體；2）轉換器布置于HFETR內熱中子注量最高的中心孔道內，以便能得到盡可能高的14MeV中子注量；3）轉換器的結構設計必須保證HFETR及其自身的熱工水力安全。

HFETR燃料元件為套管形，堆芯輻照孔道的外套管均為圓筒形，轉換器的結構為套筒形最容易在HFETR堆芯布置，且可有效利用堆芯熱中子，因此將轉換器設計為套筒形。

選取的轉換器結構為：最外層為外套管，最內層為輻照管，中子轉換材料及其內外包殼置于外套管和輻照管之間，外套管、轉換靶、輻照管3者之間的兩個環狀空隙為冷卻劑流道，轉換器結構示于圖2［8］。

圖2 轉換器結構示意圖Fig.2 Scheme of converter

2.2 轉換器各部件材料的選取

轉換器的材料必須滿足以下要求：1）中子吸收截面和活化截面要小（轉換靶6LiD芯體除外），嬗變產物的半衰期要短，以便減小堆的反應性損失和降低材料中的放射性；2）耐腐蝕、不生銹、耐輻照、導熱性能好、膨脹系數小、與冷卻水的相容性好、芯體包殼和芯體相容性好；3）易加工、便于焊接和成本低廉。

根據HFETR 30年的運行經驗，選取不銹鋼作為6LiD芯體的包殼材料，鋁為外套管和輻照管的包殼材料。

3 芯體厚度優化的目標函數

在輻照孔道放置6LiD轉換靶后，由于6Li對熱中子的微觀吸收截面很大，熱中子注量率在6LiD芯體內會下降很快，使得熱中子注量率產生下陷擾動。通過優化設計6LiD芯體厚度，可在相同堆芯裝載情況下使轉換器中子源強最大，避免出現由于芯體厚度過大，不但使轉換器中子源強降低，且減小HFETR后備反應性的情況。

HFETR在某一裝載方式下運行，轉換器中子源強S計算公式為：

式中：Σ6為熱中子和6Li反應的宏觀截面，cm－1；φc為轉換靶芯體中平均熱中子注量率，cm－2·s－1；P 為 1 個 T 核 和6LiD 反 應 的14MeV中子產額；Vc為6LiD靶體積，cm3。

式（4）中，Σ、P 可近似認為是常量，這樣，S與Vc、φc有關。Vc、φc隨著轉換器芯體厚度d的改變而改變，因此，把A（d）＝φcd作為芯體厚度優化的目標函數。改變轉換靶的芯體厚度，若可得到A（d）的最大值，則這個最大值對應的d即是6LiD芯體的最佳厚度。

4 對芯體厚度優化值的研究結果

4.1 轉換器結構對芯體厚度優化值的影響

1）轉換器結構的選取

HFETR堆芯按64mm柵距作三角形規則排列，為使轉化器在堆芯緊湊布置，轉換器外套管外徑和燃料元件外徑一樣，6LiD芯體包殼厚度、輻照管厚度不變，結構示意圖示于圖3。優化計算時，輻照管內的介質分為水和氦氣兩種情況，在對芯體厚度進行優化計算時制定了3種結構，使6LiD芯體厚度從0.1mm增加到1.4mm。

方案1：小輻照管空間，內、外層冷卻劑間隙厚度相等。保持輻照管內徑17.5mm不變，內、外層冷卻劑間隙厚度相等，減小6LiD靶內徑R1，增加6LiD靶外徑R2，R1、R2的改變量相等。

圖3 選取的轉換器結構示意圖Fig.3 Scheme of selecting converter

方案2：大輻照管空間，內、外層冷卻劑間隙厚度不等。保持輻照管內徑21.5mm不變，外層冷卻劑間隙厚度比內層厚0.5mm，減小6LiD靶內徑R1，增加6LiD靶外徑R2，R1、R2的改變量相等。

方案3：改變外層冷卻劑間隙厚度。保持輻照管內徑17.5mm不變，內層冷卻劑間隙厚度2mm 不變，6LiD 靶內徑 R1不變，增加6LiD靶外徑R2。

2）優化計算結果

優化計算采用 WIMS－D4程序，采用的超柵元模型如下：轉換器居中，周圍為6個新燃料元件，按橫截面面積不變將柵元等效成一維圓形幾何柵元。A（d）優化計算結果的相對值列于表1。

表1 不同方案下的A（d）優化計算結果Table 1 Optimization computational results of A（d）at different cases

從表1可見：1）當輻照管內介質為水時，3種結構轉換器的最佳芯體厚度均為0.7mm；2）當輻照管內介質為氦氣時，方案1和方案3的最佳芯體厚度為0.6mm，方案2的最佳芯體厚度為0.5mm，芯體厚度在0.5～0.7mm間對目標函數值的影響小于1%；3）對于每種結構的轉換器，輻照管內介質為水時的目標函數大于輻照管內介質為氦氣時的結果。

4.2 輻照樣品數量對芯體厚度優化結果的影響

選取的轉換器輻照樣品材料為不銹鋼，形狀和尺寸與 GB／T 229—1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》中規定的完全一樣，轉換器輻照管內放置1～4個輻照樣品。A（d）優化計算的相對結果列于表2。

表2 不同樣品數量下的A（d）優化計算結果Table 2 Optimization computational results of of A（d）at different sample numbers

從表2可知，不論轉換器布置幾個不銹鋼輻照樣品，輻照管內介質為氦氣和水時，6LiD芯體的最佳厚度均分別為0.6、0.7mm，這說明輻照樣品數量對芯體厚度優化無影響。

4.3 轉換器對堆芯性能的影響

將芯體厚度為0.7mm的轉換器放入HFETR典型裝載的中心孔道中代替原來的同位素靶件進行堆芯物理計算。結果表明：轉換器代替同位素靶件，不論輻照管內為何種介質，都使停堆深度增大約0.6βeff；3種轉換器輻照管內充水時均使后備反應性減小約0.8βeff；用轉換器代替同位素靶件，對堆芯徑向和軸向功率不均勻系數的影響很小。將芯體厚度取為1.0mm的轉換器放入中心孔道進行堆芯物理計算，結果表明，對堆芯的keff和徑向功率不均勻系數的影響較大。

由此可見，就對堆芯性能的影響程度而言，轉換器芯體厚度取為0.7mm是較優化的結果。

5 結論

1）套筒狀轉換器便于在HFETR堆芯輻照孔道的安裝且有利于充分利用堆芯中子。

2）6LiD芯體厚度優化結果幾乎不受轉換器結構及輻照樣品數量的影響，輻照管內冷卻介質為水和氦氣時，6LiD芯體厚度的優化值分別為0.7、0.6mm。

3）對堆芯性能的影響程度而言，芯體厚度為0.7mm的轉換器和原有的同位素靶件基本相當。

4）綜合考慮不同冷卻介質對6LiD芯體優化厚度的影響以及芯體厚度對堆芯性能的影響，布置于HFETR輻照孔道中的6LiD轉換器芯體厚度優化設計結果為0.7mm。

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