HALEU UMo燃料微反应堆中氢化钇温度反馈系数的中子学分析

《Annals of Nuclear Energy》：Neutronic analysis of Yttrium Hydride temperature feedback coefficient in HALEU UMo fuelled microreactors

　　

研究人员针对采用氢化钇(YH)作为慢化剂的HALEU UMo燃料微反应堆，开展了单元胞与堆芯尺度分析以评估其慢化剂温度系数(MTC)。通过对正慢化剂温度系数进行唯象分解，识别出热利用因子是驱动MTC为正的主导因素；同时量化了轴向热膨胀贡献，其引入约?0.2 pcm/K的负向修正。研究采用OpenMC蒙特卡洛程序与ENDF/B-VIII.0核数据库，选取H/Y=1.85的YH1.85及19.75%富集度U-10Mo燃料，分别在无限栅格（燃料棒阵、反向棒阵、平板）与PoliMi-TASI改进堆型中进行临界计算，结合四因子与六因子公式分解反馈来源。结果表明：过慢化构型下YH升温使慢化剂内热中子通量下降且吸收截面减小，导致热利用因子贡献为正，从而MTC转正；反向棒阵因燃料尺寸效应呈现负MTC；在PoliMi-TASI分层慢化堆中，MTC随单层厚度增大而增大、随层数增多而减小，单层层厚约1 cm时MTC趋零；计入YH轴向热膨胀（CLTE=11.8×10-6 K-1）后MTC整体下移约?0.2 pcm/K。该工作为空间微堆慢化剂设计与正反馈抑制提供了定量依据。

研究背景方面，随着空间与陆地核微反应堆发展，亟需高温下高效紧凑的慢化剂。氢化锆(ZrH)受氢扩散限制耐温不高，而氢化钇(YH)因氢滞留能力强、热稳定性优成为候选。PoliMi-TASI设计组在RocketRoll项目背景下将KRUSTY原型扩展为200 kWt、HALEU富集度的热管堆，但无慢化构型质量达1139 kg，加装YH层可减重。然而已有研究提示YH可能存在正温度反馈系数(TFC)，威胁安全，且其中子学行为尚未充分表征。因此研究人员开展本工作，旨在从物理上溯源YH的正MTC并指导堆芯优化。论文发表于《Annals of Nuclear Energy》。

主要关键技术方法上，研究人员使用OpenMC蒙特卡洛中子输运程序与ENDF/B-VIII.0库（含YH热散射律），在无限栅格与PoliMi-TASI改进堆两层框架内计算k_∞与k_eff；栅格分析固定燃料温700 K、慢化剂由300 K升至700 K，调节慢化剂/燃料体积比ξ=1~3；堆芯分析引入分层YH_1.85（外覆TZM包壳），变动层数N_L与ξ，并用四因子公式分解无限系、六因子公式（增补热/快中子非泄漏概率P_NL^th、P_NL^f）分解有限堆芯贡献；另设轴向约束情形按CLTE=11.8×10^-6 K^-1对YH作轴向膨胀、保质量变密度，量化热膨胀项。

研究结果部分，3.1无限栅格分析中，三种构型（燃料棒阵、反向棒阵、平板）显示MTC强烈依赖ξ与几何：棒阵在ξ≈2变号，平板在ξ≈1变号，反向棒阵因固定慢化剂半径变燃料尺寸而全区间负MTC；四因子分解表明高ξ下热利用因子f贡献主导为正，其下又因慢化剂升温使慢化剂吸收截面σ_a^M下降（正贡献）、燃料σ_a^F下降（负贡献）、不利因子ζ（慢化剂/燃料热通量比）减小，综合致f对MTC正贡献；反向棒阵中η（再生因子）谱硬化效应压过f而呈负。燃料温由700 K降至300 K时(1/k_∞)(Δk_∞/ΔT)偏差小于5%，故MTC主要受慢化剂温控。

3.2微反应堆分析中，在PoliMi-TASI加YH层后，k_eff随N_L增而升，约12层达平台；MTC随ξ与单层厚t_l增而增，随N_L增而减，t_l≈1 cm时MTC趋零。六因子分解（ξ=1.6）显示f的温度导数仍为主因，层越薄该贡献越小，快裂变因子ε项变号部分抵消。3.2.1热膨胀贡献表明，仅计YH轴向膨胀使各ξ下MTC平均降?0.2 pcm/K，低ξ时该负项甚至成为MTC主导。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：YH的MTC多呈正，根源在慢化剂自身吸收随温变；棒阵/平板趋势相近，反向棒阵因燃料尺寸效应得负MTC；PoliMi-TASI分层堆中MTC还依赖层厚，径向约束下轴向膨胀贡献?0.2 pcm/K不可忽略。虽OpenMC已验证，仍须实验校核YH MTC。未来应扩至温度/富集度影响、长期氢扩散、功率系数（需完整热工耦合）及复合慢化剂评估。即便某些ξ下MTC为正，也被负多普勒系数抵消，故总功率系数需另行计算。该分解为空间微堆YH慢化层质量减重与正反馈抑制提供了设计支点。