考虑连续后处理与燃料流动的熔盐堆燃耗计算方法研究

《Annals of Nuclear Energy》：Development of depletion calculation method considering continuous reprocessing and fuel flowing for molten salt reactors analysis

　　

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  开发了一种适用于液体燃料熔盐堆的流动耗尽方法。
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  采用CRAM方法求解了非均匀燃耗矩阵重构问题。
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  连续加料和后处理模块已集成并验证。
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  燃料流动显著改变了MSBR中¹³⁵Xe和¹³⁵I的空间分布。

引言

熔盐堆（MSR）具有安全性和可靠性更高、放射性废物产生量减少、经济竞争力增强以及有效利用铀和钍资源等突出特点，已被第四代国际论坛（GIF）选为六种候选系统之一（Technology Roadmap 2002）。与传统的固体燃料堆不同，熔盐堆以氟化物或氯化物熔盐作为主冷却剂和燃料载体。得益于液态燃料的优势，这些系统中在线后处理和重新加料均可行且高效（Xiang-Zhou et al., 2016）。在运行过程中，氦气鼓泡系统可去除气态和难溶性裂变产物，而化学过程则允许连续提取重金属（HMs），如²³³Pa和铀，以实现再利用。此外，可裂变和可增殖燃料的连续补给确保了堆芯的临界状态，并使极深燃耗成为可能。这种闭式燃料循环显著提升了中子经济性和天然核资源的总体利用率。

然而，由于在线后处理和燃料循环的独特特性，传统的点耗尽代码（例如ORIGEN）（Jae et al., 2026），是为固体燃料堆设计的，无法处理液体系统中连续加料和燃料循环所引起的耗竭方程的非均匀项（即表示连续质量进料和移除速率的常矢量）（Marleau et al., n.d.）。Zhou（Zhou et al., 2020）开发了一种动态耗尽模型及相应的MAST1.0代码来量化核素输运特性。结果表明，在额定速度下，超过53.1%的短寿命核素（如¹⁶N、²⁰F）迁移到外部环路，且燃料盐的循环周期对核素的存量有影响。Wu（Wu et al., 2017）证实，在流动模式下，毒物（如¹³⁵Xe）的平衡浓度显著低于静态模式下的浓度。具体来说，在堆芯与环路体积比为1:1的情况下，与静态情况相比，堆芯中的¹³⁵Xe浓度降低了约50.0%。此外，Nuttin（Nuttin et al., 2005）和Yu（Chenggang et al., 2018）实现了一种"伪衰变"模型来模拟连续后处理，通过调节衰变常数来有效处理非均匀加料项，而Xia（Shaopeng Xia, 2019）则开发了Ext-CRAM方法来直接求解含有非均匀项的动态耗尽方程。然而，先前的研究主要聚焦于宏观系统演化，将整个堆芯视为单一耗竭区。因此，燃料流动与连续后处理耦合作用下核素的详细空间分布及其对堆芯物理特性的影响仍需进一步研究。

为了解决上述问题，本研究开发了一个与OpenMC蒙特卡洛代码集成的一维系统分析模块，用于连续加料和燃料流动。以MSBR作为基准验证所提出的模式。首先，将所提出的静态和双区动态耗尽模型的准确性与已有文献进行了验证。随后，通过一维堆芯建模研究了盐循环速度对重金属和裂变产物轴向空间分布的影响。最后，我们量化了连续加料条件下动态耗尽仿真与传统静态耗尽仿真之间的偏差。

章节摘要

堆芯蒙特卡洛模型

在本研究中，采用MSBR作为数值计算的参考模型（Nuttin et al., 2005）。堆芯几何模型由六边形燃料单元和分区循环回路组成，如图1所示。为了与已建立的MSBR基准模型保持严格一致，燃料盐体积严格守恒为46.2 m³。为考虑真实的中子泄漏和屏蔽，该模型包含了石墨反射层、10 cm厚的B₄C屏蔽层，

燃料流动模型

在MSR运行过程中，燃料盐持续通过中子通量较高的活性堆芯区域和中子通量可忽略的外部回路循环。尽管这些运行优势明显，但燃料流动以及MSR的连续后处理和加料会在非均匀通量场中引入核素曝光的空间依赖性。这种耦合效应显著增加了燃耗数学描述和数值模拟的复杂性，

熔盐堆耗竭分析

在验证静态加料和基本基于流动的耗竭之后，本节模拟了在真实运行条件下加料的MSR。开发了一个双区物理模型来耦合活性堆芯与外部回路。根据第3章的结论，在正常条件下燃料盐循环周期通常约为30秒。如此快速的循环确保了近乎均匀的混合，意味着核素空间不均匀性的影响可以忽略不计

结论

基于OpenMC开发的动态耗竭计算框架的可靠性已得到验证。与MSBR设计文件和TMCBurnup等代码的对比表明，该框架在处理连续加料和裂变产物去除方面具有准确性。静态模拟表明，关键核素（包括²³³U和²³²Th）的平衡质量偏差在± 0.5%以内。在动态演化验证中，具有显著反应性的同位素的相对误差

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金（编号：12475178、12475185）资助；中国博士后科学基金资助（项目编号：GZC20250610）；钍能国家重点实验室（编号：ThE202502）和基于钍的核裂变能源国家重点实验室项目（编号：2024000085）资助。

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