氟盐冷却球床反应堆栅元中反应性等效物理变换方法的灵敏度研究

《Energies》：Sensitivity Study of the Reactivity-Equivalent Physical Transformation Method for Fluoride Salt Coolant Pebble Bed Reactor Lattice

　　

传统的分散颗粒燃料系统（如TRISO燃料）表现出典型的双异质性。反应性等效物理变换（RPT）方法可通过简化的几何建模将双异质性系统转换为单异质性系统。在氟盐冷却球床反应堆（PB-FHR）中，随机堆积的燃料球与氟盐冷却剂进一步影响了空间自屏蔽效应、燃料装载量与慢化比，从而引起RPT半径的变化。研究人员基于OpenMC建立了TMSR-SF1球床栅元的中子学模型，从中子学角度对比并验证了体积均匀化方法（VHM）、RPT方法与随机TRISO模型。系统评估了球床栅元结构、燃料球堆积分数、FLiBe冷却剂温度、TRISO装载分数、多种可燃中子毒物及边界反照率对RPT半径的影响。结果表明：RPT半径不受燃料球堆积结构影响，与燃料球堆积分数或冷却剂温度呈正相关，与慢化比呈负相关；强中子吸收毒物可降低RPT半径，弱吸收毒物影响甚微；降低中子泄漏会导致RPT半径增大。该工作为PB-FHR中RPT方法的改进提供了有效视角，并可作为后续全堆芯分析的基础。

研究背景方面，分散型TRISO燃料在高温气冷堆、压水堆及氟盐冷却高温堆（FHR）中广泛应用，其燃料基体与TRISO颗粒之间引入的二级空间自屏蔽使系统呈现双异质性，传统确定性两步法或随机介质模型处理复杂且需代码级二次开发，而直接蒙特卡洛显式建模计算成本高昂。球床型FHR（PB-FHR）如TMSR-SF1在栅元层面因随机堆积燃料球与FLiBe冷却剂进一步叠加了冷却剂慢化与自屏蔽扰动，既有RPT研究多聚焦棒状/板状燃料，球床氟盐体系下的RPT半径灵敏度尚缺乏系统评估。为此，研究人员以TMSR-SF1球床栅元为对象，采用OpenMC（v0.15.1，ENDF/B-VIII.0）建立中子学模型，通过二分法迭代搜索使等效单异质模型k_inf匹配显式随机TRISO模型的RPT半径R_RPT，系统分析栅元结构、堆积分数、冷却剂温度、TRISO装载分数、可燃中子毒物（BNPs）与边界反照率的影响，研究发表于《Energies》。

关键技术方法上，研究人员构建SC/BCC/FCC三类理想球床栅元，TRISO分别采用RSA随机堆积、规则堆积及聚合至球心经VHM均匀化后的RPT等效球区；以500活跃代、50非活跃代、每代10⁵粒子、统计不确定度约20 pcm运行OpenMC；以随机TRISO模型为基准，用二分法在[f^1/3R_f, R_f]区间搜得R_RPT，并对SC结构做776天燃耗验证（905.55 W/球）。

研究结果部分，模型与方法验证表明：规则与随机TRISO的UO₂装载差<0.1%但k_inf偏差达?194~?262 pcm，校正燃料体积后仍有?162~?239 pcm，证明偏差主因非装载量而是颗粒分布；SC/BCC/FCC在60 vol%堆积下k_inf互差仅39 pcm，说明球堆积结构非主因。RPT模型将k_inf误差由VHM的?5800~?7200 pcm压至±20 pcm内，燃耗776天后绝对误差仍<1000 pcm，计算耗时较随机TRISO模型由47.4 h降至22.0 h。球堆积分数影响显示：50%→60 vol%时R_RPT由1.62 cm升至1.675 cm，50%→70%区间变化<5%，随分数升高球心通量低于外层、外层裂变率上升，空间自屏蔽略增强。冷却剂温度影响显示：300→1200 K时FLiBe密度下降，k_inf降4256 pcm（温度系数?4.7 pcm/K），R_RPT由1.70 cm增至1.77 cm（+4.1%），外层归一化通量降低、自屏蔽略增。TRISO装载分数影响显示：5%→25%时慢化比下降、由过慢化转欠慢化，R_RPT由1.41 cm增至2.22 cm（+57.4%），外层通量高于内层，自屏蔽增强，故燃耗中需在线修正半径。可燃中子毒物影响显示：Gd₂O₃强吸收使内层中子被吞没、R_RPT减小；Er₂O₃与B₄C弱吸收对R_RPT几乎无影响，即吸收越强R_RPT越小。边界反照率影响显示：反照率升高则k_inf与R_RPT同增，芯内通量更均匀、球外层裂变率升、自屏蔽减弱，故堆芯边角与中心燃料球R_RPT不同。

讨论与结论翻译：本研究对PB-FHR栅元RPT方法开展灵敏度分析，通过球床栅元建模与二分搜索确定R_RPT，评估了球栅结构、堆积分数、冷却剂温度、TRISO分数、BNPs及边界反照率的影响。相较VHM，RPT在燃耗周期内绝对误差<1000 pcm。R_RPT不受球堆积结构影响，与球堆积分数及氟盐温度正相关，与慢化比负相关；强吸收BNP减小R_RPT，弱吸收BNP影响甚微。提高堆积分数、升高冷却剂温度、降低慢化比、使用强吸收毒物或降低中子泄漏均会略增强空间自屏蔽。现有RPT模型半径受慢化特征、温度与中子吸收扰动显著，且缺乏全燃耗历程评价，未来需结合全堆芯模型、空间通量修正及在线换料等进一步拓展。