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中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计彭天骥;顾龙;王大伟;李金阳;朱彦雷;秦长平【摘要】According to the construction requirement of China Initiative Accelerator Driven System (CiADS ) , a conceptual design of subcritical reactor in CiADS was completed .The subcritical reactor is a liquid lead-bismuth cooled fast reactor with the semi-pool semi-loop type arrangement mode ,and the center tube in vessel was used to realize the structure coupling with the spallation target . The relatively mature fuel scheme and refueling pattern were adopted ,the unique lead-bismuth coolant auxiliary system was designed ,and a variety of engineering safety systems were set up to ensure the safety of the reactor .In the design of the CiADS subcritical reactor ,the feasibility of the reactor-target interface is fully considered ,and the favorable heat transfer capaci-ty of the liquid lead-bismuth is utilized .The natural circulation capacity characteristic of the pool-type reactor and low coolant capacity characteristic of the loop-type reactor are realized together . The good feasibility , safety , arrangement flexibility and technical scalability are combined in the CiADS reactor design .%根据中国加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的建设要求,完成了CiADS中次临界反应堆的概念设计.次临界反应堆为液态铅铋冷却快中子反应堆,采用半池式-半回路式的布置方式,通过主容器的中心管实现了与散裂靶在结构上的耦合.燃料组件及换料方式采用相对成熟的技术方案,设置了铅铋主冷却剂辅助系统,通过多种专设安全设施来保证反应堆的安全.CiADS次临界反应堆充分考虑了堆靶耦合界面的可实现性,利用了液态铅铋冷却剂良好的传热性,结合了池式堆冷却剂自然循环的特性及回路式堆冷却剂装量少的特性,具有良好的可行性、安全性、布置灵活性和技术扩展性.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2017(051)012【总页数】7页(P2235-2241)【关键词】中国加速器驱动嬗变研究装置;次临界反应堆;概念设计【作者】彭天骥;顾龙;王大伟;李金阳;朱彦雷;秦长平【作者单位】中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000【正文语种】中文【中图分类】TL371加速器驱动次临界系统(ADS)[1-5]是国际公认的最有前景的长寿命核废料安全处理装置。
加速器驱动的次临界系统的燃耗分析计算和堆芯优化设计王育威;杨永伟;崔鹏飞【摘要】The premise of the accelerator driven sub-critical system (ADS) in the accident is still subcritical, the biggest keff change with burn time is less than 1.5 ％ and the cladding material, HT9 steel, can withstand the maximum radiation damage, core fuel area is divided into fuel transmutation area and fuel multiplication area, and fuel transmutation area maintains the same fuel composition in the whole process. Through the analysis of the composition of the fuel, shape of core layout and the power distribution,etc. , supposed outer and inner Pu enrichment ratio range of 1.0-1.5, then the fuel components of fuel multiplication area was adjusted. Time evolution of keff was calculated by COUPLED2 which coupled with MCNP and ORIGEN. At the same time the power peaking factors, minoractinides transmutation rate desired to maximization and burnup were considered. A sub-critical system fitting for engineering practice was established.%以加速器驱动的次临界系统(ADS)在事故情况下仍处于次临界、keff随燃耗时间变化的最大范围不超过1.5%和包壳材料HT9钢可承受的最大辐照损伤的前提下,将堆芯燃料区分为嬗变区和增殖区,并将整个过程保持嬗变区的燃料成分不变.通过对ADS燃料的组成成分、堆芯布置和堆芯功率分布等方面的研究,在Pu的外层富集度与内层富集度之比为1.0～1.5范围内,调整增殖区的燃料成分,并利用MCNP和ORIGEN耦合的COUPLED2程序计算keff随燃耗时间的变化.同时,综合考虑功率展平、次锕系核素的嬗变率和燃耗深度等因素,建立1套符合工程实际的次临界系统.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2011(045)006【总页数】5页(P700-704)【关键词】keff;嬗变;燃耗【作者】王育威;杨永伟;崔鹏飞【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京100084【正文语种】中文【中图分类】TL329随着核电事业的快速发展,乏燃料的后处理成为核能领域备受关注的话题。
中国加速器驱动次临界系统主加速器初步物理设计闫芳，李智慧，唐靖宇(中国科学院高能物理研究所，北京100049)摘要：中国加速器驱动次临界系统(C-ADS)计划采用一个平均流强为10mA的连续波质子加速器作为次临界堆的驱动器，驱动加速器的束流功率为15MW，最终能量1.5GeV，其中主加速器是驱动加速器的一个重要部分，完成束流能量从10MeV到1.5GeV的加速，所有加速腔均采用超导结构。
为了避免频繁束流中断对反应堆的损坏，设计要求驱动加速器在运行过程中束流可以中断的次数非常有限，因此加速器在设计过程植入了容错机制，尝试了各种可能的方法以最大程度地满足C-ADS加速器的高可靠性和稳定性的要求。
介绍了C—ADS主加速器的基本设计：总长度306．4 m，束流的归一化RMS发射度增长控制在5％以内。
总结了各个重要参数选择过程中的考虑以及整个加速段多粒子跟踪模拟的束流动力学结果。
关键词：中国加速器驱动次临界系统；连续波；质子；超导直线加速器；容错机制；束流动力学中国加速器驱动的次临界系统（C-ADS）计划是解决核废料和核燃料问题的一个重要的战略研究。
一个1.5GeV电子直线加速器计划建成作为C-ADS的驱动程序加速器。
它包括两个主要部分：注射器和主加速器的主要部分。
高能物理所（IHEP）和近代物理研究所（IMP）合作，在20年内构建驱动程序加速器。
IMP负责注射器2，它基于162.5兆赫的射频四极（RFQ）和超导半波谐振器（HWR）的空腔，高能所负责的是基于325 MHz RFQ和轮辐腔的主直线加速器和注射器1。
这两个注射器将被独立设计和建造。
最后只有一个计划将被选择并且两个相同的注射器将作为彼此的热待机备用。
主直线加速器的设计将根据喷射器的选择进行调节。
虽然目前的主加速器的设计是基于注射器I框架，设计原则和方案是根据同时两个注射器的条件考虑。
1、设计原则在大电流的射频（RF）线性加速器的现有设计中，聚束粒子束不处于热平衡[1]。
加速器驱动的10 MW次临界反应堆物理方案研究付元光;赵晶;顾龙;杨永伟【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2013(047)0z1【摘要】加速器驱动的次临界系统(ADS)是未来最有可能实现工业化嬗变核废料的装置.通过设计1个10 MW的ADS物理方案,研究ADS的嬗变能力.采用MCNPX和ORIGEN的耦合程序,利用基于ENDF6.8处理所得的6个温度(300、600、900、1 200、1 500、1 800 K)下连续能量核数据库,计算得到ADS随燃耗时间变化的有效增殖因数keff、功率峰因子和质子束流强度.同时通过计算给出了该设计方案下ADS燃料多普勒系数、冷却剂空泡系数和有效缓发中子份额,利用这些物理量研究了该ADS方案的安全特性,并通过燃耗计算研究了ADS的嬗变能力.结果表明,在1 000 d燃耗时长内,keff和质子流强随时间的波动较小,燃料燃耗深度较浅,系统可提升功率运行,在假想事故下系统能保持次临界状态.系统嬗变支持比约为8.【总页数】4页(P261-264)【作者】付元光;赵晶;顾龙;杨永伟【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084;清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州 730000;清华大学核能与新能源技术研究院,北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TL329【相关文献】1.加速器驱动次临界反应堆次临界度测量方法研究 [J], 魏书成;蒋校丰;张少泓2.中国加速器驱动嬗变研究装置次临界反应堆概念设计 [J], 彭天骥;顾龙;王大伟;李金阳;朱彦雷;秦长平3.加速器驱动的次临界10MW气冷快堆物理方案研究 [J], 秦长平;顾龙;李金阳4.加速器驱动10 MW快热耦合气冷堆物理方案研究 [J], 李金阳;顾龙;秦长平;王大伟;刘璐5.加速器驱动的10MW次临界反应堆物理方案研究 [J], 付元光;赵晶;顾龙;杨永伟;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
核 动 力 工 程Nuclear Power Engineering第28卷 第1 期 2 0 0 7 年2月V ol. 28. No.1 Feb. 2 0 0 7文章编号：0258-0926(2007)01-0013-05加速器驱动快-热包层耦合 次临界系统的性能研究蒋校丰1，2，谢仲生2（1.上海交通大学核科学与系统工程系，200030；2. 西安交通大学核科学与技术系，710049）摘要：通过研究表明：加速器驱动快-热包层耦合次临界系统(ADFTS)具有同时高效嬗变锕系元素(MA)和裂变产物(FP)的优点。
从中子物理学角度，对ADFTS 的能量放大行为进行了分析，提出了快包层中子放大系数和快-热包层中子耦合系数的概念，并给出了中子放大系数的计算方法。
对加速器驱动次临界系统的增殖能力进行了研究。
研究表明，ADS 具有比常规临界反应堆更高的增殖能力。
关键词：嬗变；放大系数；耦合系数；增殖 中图分类号：TL329. 2 文献标识码：A1 前 言最近Barzilov 等人提出了加速器驱动快-热包层耦合次临界系统(Accelerator Driven Coupled Fast/Thermal Spectrum System , ADFTS)[1]的概念，它通过快包层的中子放大和快、热包层的单向耦合设计提高了散裂源中子的效率，从而大大降低了对加速器的要求，克服了ADS 作为能量放大器的主要困难。
本文在Barzilov 等人的研究基础上对该系统进行了初步的性能研究。
主要工作有：①对锕系元素(MA)和裂变产物(FP)嬗变行为的研究；②对ADFTS 的能量放大行为的研究；③提出了快包层中子放大系数和快-热包层中子耦合系数等概念，并给出了放大系数的计算方法，对耦合系数进行了详细的讨论；④对ADS 的增殖能力进行了研究。
目前国内外尚未有过类似的研究报道。
ADFTS 系统的工作原理是：加速器产生的高能质子在散裂靶区发生散裂反应，产生大量散裂中子驱动快包层，使散裂中子倍增，从而产生更多的中子泄漏到次临界的热包层。
快包层对散裂中子具有放大的作用，相当于快中子倍增器。
快包层装有MA ，使其得到嬗变，并包以B 4C ，使快-热包层单向耦合。
热包层中实现能量放大，用以产能，相当于能量放大器，同时装有FP ，使FP 得到嬗变。
2 ADFTS 的嬗变优势2.1 MA 在不同能谱下的嬗变研究国内外研究表明，发生裂变反应是嬗变MA 的唯一途径，因此裂变-俘获截面比α是决定MA 嬗变效率的主要参数。
本文计算了MA 在热中子谱、快中子谱下的α，计算结果在表1中给出。
表中的热中子谱为美国核学会压水堆基准问题[2]能谱，快中子谱为IAEA ADS 基准题[3]能谱。
从表1可以看出：与热中子谱相比，快中子谱具有更高的裂变-俘获截面比，因此具有更高的表1 MA 在不同能谱下的裂变-俘获截面比Table 1 Ratio of Fission-Capture Cross Sections forMA in Different Spectrums核素热中子谱 快中子谱237Np 0.0124 0.138 238Np 25.57 30.12 238Pu 0.0555 1.364 239Pu 1.971 3.355 240Pu 0.0024 0.61241Am 0.0095 0.116 242Am 4.96 9.83 243Cm 9.86 10.06 244Cm 0.0608 0.428收稿日期：2005-06-15；修回日期：2006-09-27 基金项目：国家自然科学基金项目资助(10505014)核 动 力 工 程 V ol. 28. No. 1. 200714嬗变效率。
而与临界快中子堆相比，ADFTS 的快包层具有更多的富余中子嬗变MA ；另外，在ADFTS 的快包层中，MA 的装载量也不像快堆那样受到限制，从而可以提高MA 的嬗变支持比。
因此，ADFTS 的快包层是嬗变MA 最理想的选择。
2.2 FP 在不同能谱下的嬗变研究在核反应堆乏燃料中，主要的高放射性长寿命FP 有： 99Tc 、129I 、135Cs 等，处置这些FP 最妥当的方法是通过俘获、衰变反应将它们嬗变成稳定或短寿命的核素。
FP 的嬗变效率用嬗变到初始装料一半的时间(T transum )来衡量。
表2给出了主要长寿命FP 在快中子谱和热中子谱中的嬗变参数。
表2中，快谱的中子注量率为1015(cm 2・s)－1，热谱的中子注量率为1014 (cm 2・s)－1。
表2 长寿命FP 在不同能谱下的嬗变参数[4] Table 2 Transmutation Parameters for LLFP inDifferent Spectrumsσn, r /10-24cm 2T transum /a同位素快中子谱 热中子谱快中子谱热中子谱99Tc 0.2 4.3 110 51 129I 0.14 4.3160 51 135Cs 0.071.3310 170从表2可知，热中子谱具有更高的FP 嬗变效率。
临界热中子堆的中子富裕度很低，而FP 的嬗变需要消耗中子，将进一步恶化中子经济性。
如用ADFTS 的热包层嬗变FP ，由于外中子源的存在，可以克服这一不利影响。
综上所述，ADFTS 同时具有嬗变MA 和FP 的条件，是嬗变核废物的理想堆型。
3 ADFTS 的能量放大行为和参数研究3.1 ADFTS 的能量放大行为研究按照Rubbia 的观点，ADS 是固有安全的能量放大器。
这里，定义ADS 的能量放大系数M e 为系统热功率和加速器功率的比值，下面给出M e 的计算公式。
ADS 的中子输运方程可以写成S M D A +=+ΦΦΦ (1)式中，A 为中子吸收算子；D 为中子泄漏算子；M 为裂变中子产生算子；S 为外中子源项；Φ为中子注量率。
定义在外中子源条件下，快包层的增殖因数为><+><><=S M M K ΦΦS (2)式中，< >表示算子在整个区域内对能量、角度的积分算符。
一个散裂中子在整个包层所产生的裂变中子数为SS f 1K K S M S −=><><=Φ (3) 因此，一个散裂中子在包层中产生的裂变能量为ν)1(S fS f p K E K E −== (4)那么，能量放大系数M e 可以表示为pS f S e )1(E K zE K M ν−= (5)式中，E f 为平均裂变能量，MeV ；ν为平均裂变中子数；E p 为质子能量，MeV ；z 为单位质子产生的散裂中子数。
其中，E f 、ν可认为常数，E p 、z 成正比，因此K S 决定了ADS 的能量放大系数。
K S 与散裂中子源效率和包层的次临界度有关[3]111S eff *−−=K K ϕ (6)从以上的分析可知，提高ADS 功率的3种途径为：①提高加速器功率；②降低包层的次临界度；③提高散裂中子源效率。
大功率高能加速器的造价昂贵，影响了系统的经济性，过低的次临界度影响系统的安全性，因此前2种途径都会给ADS 带来不利影响。
ADFTS 具有比一般ADS 更高的能量放大系数，正是采用了第三条途径。
从原理上来说，在ADFTS 的快包层实现中子的放大，而在热包层实现能量的放大，这样一个级联放大的过程可以使散裂中子源的效率大大提高。
3.2 快包层中子放大系数ADFTS 的核设计特点之一是快包层相当于快中子倍增器，对散裂中子具有放大作用。
因此，快包层的中子放大能力对ADFTS 来说是非常重要的。
本文引入快包层中子放大系数的概念，定义它为一个散裂中子通过ADFTS 的快包层的倍增后泄漏到热包层的中子数，用m 表示。
下面将讨论它的计算方法。
蒋校丰等：加速器驱动快-热包层耦合次临界系统的性能研究 15在快、热包层耦合情况下，快包层的中子输运方程为S M D A +=+ΦΦΦf f f (7)算符含义同上，下标f 表示快包层，以下相同。
一个散裂中子在快包层所产生的裂变中子数为f S,f S,f f f,1K K S M S −=><><=Φ (8) 式中，K s,f 为快包层在散裂源条件下的有效增殖系数，其定义如式(2)。
另外定义><><=ΦΦγf f M A (9) 式中，γ为与堆芯成分和几何相关的参数。
当堆芯成分、几何结构确定的情况下，一般可认为γ为常数。
对方程(7)积分，并将式(9)代入，得)1(f f γΦΦ−><+>>=<<M S D (10) 根据m 的定义，把式(8)代入到式(10)，得到)1(11f S,f S,f γΦ−−+=><><=K K S D m (11)式(11)即为m 和K S, f 之间的关系式。
为了验证式(11)的正确性，对ADFTS 进行了简化设计，并用MCNP 程序计算了在不同K S, f 下的m 值，同时选定某个m 下的γ值作为参考，用式(11)也计算了K S, f 下的m 。
结果列于表3中。
表3 不同增殖因数下快包层的放大系数m Table 3 Amplification Factor as a Function ofMultiplication Factor增殖因数MCNP式(6)偏 差0.92787 6.7123 6.5948 1.75% 0.94101 7.8074 7.9690 2.1% 0.95146 8.9839 8.904 0.93% 0.96186 10.586 8.904 — 0.97028 12.730 12.534 1.5% 0.98164 16.463 16.667 1.2%从表3可以看到：①随着系统增殖因数K S, f 的增大，m 也将增大，一般情况下，K S, f =0.96，m 将达到10以上；②与MCNP 的计算结果相比，公式(11)的计算偏差非常小。
3.3 中子耦合系数实现快-热包层中子单向耦合是ADFTS 的另一个设计特点，这一方面可以提高中子的利用率，另一方面是因为从热包层返回到快包层的中子大部分是热中子；它将软化快包层的能谱，降低MA 的嬗变效率。
为此，本文提出了中子耦合系数C 的概念，定义它为从热包层返回的中子数与从快包层泄漏到热包层的中子数的比值。
为了减小C ，需要采取一些措施：①在快-热包层间增加空腔；②快包层外包一定厚度的B 4C 以吸收热中子；③降低热包层内区燃料的富集 度e 。
图1给出了热包层燃料富集度、空腔大小和C 的关系。
R 1为快包层外径，R 2为热包层内径。
从图中可以发现，在给定热包层的燃料富集度时，C 随着R 2/R 1的增大而减小；而在相同的空腔下，C 随着热包层燃料富集度的减小而减小。
