加速器驱动洁净核能系统中的核素平衡条件.pdf

第34卷第6期原子能科学技术Vol.34,No.6
2000年11月AtomicEnergyScienceandTechnologyNov.2000

加速器驱动洁净核能系统中的核素平衡条件

樊胜1,赵志祥2,丁大钊2

(11北京大学技术物理系,北京100871;
21中国原子能科学研究院核物理研究所,北京102413)

摘要:对加速器驱动洁净核能系统(ADS)次临界堆内核素的转换进行了研究。研究结果表明:ADS
具有充分利用核资源的可能性。次临界热堆只能工作在φ<1×1014cm-2·s-1的中子注量率下,
快堆则在φ=1015～1016cm-2·s-1下仍可稳定工作,且平衡时的易裂变核素(233U和239Pu)数目与
初始装料核素的比值远高于热堆的。ADS中,外源中子可有效地将可裂变核素转换成易裂变核
素。为加速达到平衡,初始装料中加入少量233U及239Pu是一种可行的选择。
关键词:加速器驱动洁净核能系统;核素转换;中子注量率
中图分类号:TL411+.1文献标识码:A文章编号:100026931(2000)0620544206

加速器驱动洁净核能系统(ADS)是目前国际上的一个研究热点[1～4]。其研究内容目前主
要集中在系统的物理和技术基础、系统的总体概念设计和相关的实验研究基地的建立等方
面[4～6]。这一课题涉及加速器技术、堆物理、核物理、核化学、材料和辐射屏蔽等诸多学科。
从核物理角度来看,主要有以下3个方面的研究内容:次临界堆内核素的燃耗演化行为的物理
研究、满足ADS设计需要的中子数据测量和评价以及多群常数的制作、中能质子和靶的相互
作用[7,8]。
临界堆的中子通量直接关系着ADS中核素的转换。研究系统在稳定的核燃料(233U和
239Pu)“贮备”情况下运行的次临界堆内易裂变核素的增殖、平衡条件与堆内中子注量率的关
系是重要的。同时,堆内中子注量率的提高使得放射性核素的“有效”半衰期缩短,有利于次要
锕系核素(MA)和裂变产物(FP)的嬗变。
本工作根据ADS的特点,以232Th和天然铀为初始装料,在不考虑装置的具体结构和元件
允许的燃耗深度等实际工程物理问题和装置内中子注量率稳定、分布均匀的假定下,就次临界
堆内不同中子能谱对堆内易裂变核素的增殖和平衡条件等系统的物理性质进行分析和比较。

1ADS燃耗过程与计算方法
111计算方法
在稳定中子注量率下,由次临界反应堆内核素的全反应链[9]可知:对于核素A,可能发生

收稿日期:1999208223;修回日期:1999211208
基金项目:国家自然科学基金资助项目(19675073)
作者简介:樊胜(1968—),男,湖南常德人,在读博士后,核物理专业
第6期樊胜等:加速器驱动洁净核能系统中的核素平衡条件545

如下过程:

A核的形成有2种可能:i核衰变(β和α衰变)成A核和j核俘获中子形成A核。A核的
消失有3种可能:衰变、俘获中子和裂变。因此,稳定情况下的A核燃耗方程为:

dNA(t)
=N(t)λ+φN(t)σc-N(t)λ-φN(t)σc-φN(t)σf
dt∑ii→Ajj→AA∑A→mAA→lAA
(1)

式中:NA(t)、Ni(t)、Nj(t)分别为A、i和j核在t时刻的数目;λi→A和λA→m分别为i核衰变到
cc
A核和A核衰变到m核的衰变常量;σj→A和σA→l分别为j核俘获中子形成A核和A核俘获中
f
子形成l核的俘获中子截面;σA为A核的中子裂变截面;φ为反应堆内的中子注量率。
由于假定堆内中子注量率为稳定、分布均匀,因此,采用变步长龙格2库塔法求解t时刻的

A核数目NA(t)(0～t时间内通过所有途径转化为A核的累积量)。积分步幅为h,积分到

t+h时刻,A核数目为NA(t+h),NA(t)是此步积分的起点。
裂变产物主要考虑长寿命的99Tc、129I等和对堆的反应性影响大的105Rh、151Sm等。
233239
t=0时刻的主要易裂变核素U和Pu及其它可裂变核素的数目为ni(0),则t时刻的

裂变产物核素K的核数目nK(t)为

dnK(t)
=φσin(t)Yi-λn(t)-σKφn(t)(2)
dt∑fiKKKcK
i
其中:YK为中子诱发i核裂变的裂变产物核素K的产额;λK为核素K的衰变常量。式中忽
略了由于衰变和中子俘获再次产生核素K的可能性。
中子在次临界堆中可被俘获,也可诱发裂变。俘获过程消耗中子,裂变过程通常放出2～
3个中子。可诱发裂变中子份额F和每次裂变放出的平均中子数ν€由以下公式给出:
i
∑niσf
()
F=ii3
∑ni(σf+σc)
i
∑niσfν€i
ν()
€=i4
∑niσf
在不考虑中子泄漏等情况下,反应堆的中子倍增系数为

k∞=Fν€(5)
[9]
针