葛艳艳+骆贝贝+丁丽+王玉林
摘 要：本文的主要内容是在中国先进研究堆（CARR）堆内固进行态氚增殖剂陶瓷球床辐照实验的物理计算。本文采用Monte Carlo 粒子输运模拟程序MCNP5对陶瓷球床进行堆内建模计算得到不同功率下球床的中子注量率、发热功率和产氚速率。通过更改氚增殖剂球床组件的结构尺寸或堆功率來满足实验的要求，得到满足实验要求的球床结构，在堆内辐照陶瓷球床组件进行物理计算和分析，从而为热工计算分析提供数据，为整体装置在堆内辐照实验提供安全分析。最终得到球床的中子注量率为5.63x1012n/cm2s，球床的发热功率为491.9W。
关键词：陶瓷球床组件 堆内辐照 物理计算和分析
中图分类号：TL32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（b）-0095-04
Abstract：The main content of this paper is in-pile irradiation experiment of International Thermonuclear Fusion Reactor Experiment （ITER） tritium breeder blanket module （TBM） have been carried out in China Advanced Research Reactor （CARR）.This paper adopts the Monte Carlo particle transport MCNP5 simulation program to modeling the pebble bed. By using the statistical pebble-bed neutron flux， counting card energy deposition and yield， get the pebble bed under different power of neutron flux rate， heating power and the tritium production rateis introduced into reactor.In order to ensure the safety of the reactor and ceramic pebble beds assembly， and to meet requirements of the experiment， it can be realized by changing the structure size of pebble beds or the power of reactor， in pile irradiation breeder pebble bed assembly physical calculation and analysis， so as to provide data for the thermodynamic calculation and analysis， the pile irradiation experiments provide safety analysis as a whole install. Finally the physics showed neutron flux of the pebble beds is 5.63x1012n/cm2s， heating power is 491.9W.
Key Words：Tritium breeder pebble beds assembly； In-pile irradiation； Physical calculation and Analysis
国际热核聚变实验堆ITER（International Thermonuclear Experimental Reactor）氚增殖包层模块（TBM）是实现未来聚变示范堆（DEMO）的关键。聚变堆固态氚增殖剂包层作为ITER实验的六类包层之一，在目前被广泛研究。固态增殖剂锂陶瓷小球为最有可行性和最有希望实现的材料，在众多锂陶瓷小球中，本文选取正硅酸锂（Li4SiO4）作为氚增殖剂。本文主要对球床组件装置的结构和位于堆芯的位置，完成小球的球床组件进行中子注量率，体积释热率和球床发热功率，产氚特性和反应堆功率的计算并且结合热工计算结果，完成球床组件装置的优化设计，得到满足实验要求的结构，从而为堆内进行实验打下良好的基础。
1 陶瓷球床组件物理的模型
根据陶瓷球床组件堆内辐照实验的要求，确定陶瓷球床的实验要求如下：（1）陶瓷球床组件在堆内辐照工况下，球床的温度不超过950℃；（2）铝传热块的辐照温度不超过260℃。组件是由多层组成，组件具体的结构如图1所示。
球床组件由内到外结构分别是陶瓷球床、Φ10mm316L不锈钢1、Φ10mm316L不锈钢2、铝传热块、工艺管。陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆积而成的，陶瓷球床为Φ32mm，装料高为120mm。两层厚1mm的不锈钢，整个球床在Φ59mm的铝传热块上，其中铝传热块高度为650mm。
2 计算方法
本文采用的是MCNP5，按照球床组件的实际要求，在堆内建立模型，由于陶瓷球床是由Φ1mmLi4SiO4小球堆积而成，根据堆积因子将球床进行均匀化处理。在计算球床的中子注量率时，利用F4卡来统计通过几何块的平均通量，粒子类型是中子（n），光子（p），其物理意义是：，单位：粒子数/cm3；在计算球床的发热功率时，利用F6卡来统计中子和光子通过几何块的平均沉积能量，粒子类型是中子（n），中子、光子（n、p），其物理意义：，单位：Mev/g。
3 实验设计
为了得到满足实验要求的球床组件的结构，本文通过改变反应堆功率和球床位于堆芯活性区的位置等方法来实现，最终得到符合实验要求的球床组件，进而计算球床各部件的中子注量率、体积释热率和发热功率等。endprint
3.1 调温气隙的改变满足实验要求
球床组件有两层内充氖气的气隙腔，其中最外一层可作为调温气隙，调节球床的温度。最初设计最外层气隙为0.5mm，热工一维计算得到的球床温度959.3℃，超过实验要求。通过改变最外层气隙为0.4mm，最后热工一维计算得到球床温度为839.18℃。得到最外层气隙为0.4mm或更小。
3.2 反应堆功率的变化
反应堆功率与球床温度有很大的关系，反应堆功率越大，球床中心辐照温度越大，当反应堆功率为25MW时，热工一维计算得到球床中心辐照温度为892.47℃；当反应堆功率为22MW时，热工一维计算得到球床中心辐照温度为827.05℃。当反应堆功率为20MW时，热工一维计算得到球床中心辐照温度为781.5℃。考虑到此装置要放入反应堆内进行实验，需进行超功率事故分析，综合得反应堆功率为20MW。
3.3 组件放入堆芯活性区的位置
球床温度与球床组件放入堆芯活性区位置有关系，现分3种位置，分别如下。
位置a，当球床组件顶端位于堆芯活性区上14.5cm处时，在反应堆功率为20MW时，计算得到球床的中子注量率为6.45×1012n/cm2s，球床的发热功率为554.5W，球床的体积释热率为5.75W/cm3，热工一维计算得到球床中心辐照温度为839.21℃。
位置b，当球床组件顶端位于堆芯活性区处时，在反应堆功率为20MW时，计算得到球床的中子注量率为8.63×1012n/cm2s，球床的发热功率为725.41W，球床的体积释热率为7.51W/cm3，热工一维计算得到球床中心辐照温度为984.94℃。
位置c，当球床组件顶端位于堆芯活性区上22cm处，含锂组件中心位于球床中心上8cm处，在反应堆功率为20MW时，计算得到球床的中子注量率为5.63×1012n/cm2s，球床的发热功率为491.86W，球床的体积释热率为5.1W/cm3，热工一维计算得到球床中心辐照温度为781.5W。
根据上述不同位置处球床的中子注量率和发热功率，最终热工得到的球床中心辐照温度，得到满足实验要求的位置是球床位置c，即球床組件顶端位于堆芯活性区上22cm处。
4 球床组件的物理分析
综合上述的结构设计：反应堆功率为20MW，球床组件顶端位于堆芯活性区上22cm处。图2为球床的MCNP建模模型图。
4.1 中子注量率
在反应堆物理分析中，中子通量最早用Φ表示，即，表示该点的中子密度与相应中子速度的乘积，表示在单位体积内所有中子在单位时间内穿行距离的总和。
球床组件在堆内进行辐照实验，计算在功率为20MW时，球床各部位的平均中子注量率，如表1所示。
在计算时将球床进行均匀化等效为一个圆柱体，为了更好的得到球床每个位置的中子注量率，将球床进行径向划分为8层，分布计算了每层的中子注量率如图3所示为球床径向平均中子注量率分布图。
在图3中横坐标“0”为球床中心位置，“1.6”为球床边界处，从图中可以看出球床边界处中子注量率比较大。
4.2 发热功率与体积释热率
取反应堆功率为20MW时，球床的发热功率为491.86W，球床的体积释热率为5.10W/cm3，整个球床的发热功率为627.7W，表2为球床各部位的发热功率和体积发热量。
铝传热块在功率20MW时的发热功率为115.2W，平均体积释热率为0.11W/cm3。
5 结论
本文采用MCNP对陶瓷球床进行了建模，通过调整球床结构得到满足实验要求的实验结构，根据此结构对中子注量率、发热功率和体积释热率等物理方面进行了计算和分析，得到结论如下。
（1）球床进行实验时，反应堆的功率为20MW且球床组件顶端位于堆芯活性区上22cm处。
（2）球床组件对反应堆的安全影响很小，球床的平均热中子注量率为5.63×1012n/cm2s，组件总发热功率为627.7W。
参考文献
[1]HAN Jingru，CHEN Yixue，YANG Shouhai，et al.Preliminary analysis of neutronics performance for Chinese ITER HCSB-TBM[J].Journal of North China Electric Power University，2009，36（2）：71-75.
[2]杨洪广，占勤，韩志博.堆内辐照产氚陶瓷球床组件总体初步设计及物理热工计算要求[R].北京：中国原子能科学研究院，2011.
[3]谢仲生.核反应堆物理分析[M].西安：西安交通大学出版社，2004.
[4]冯开明.ITER实验包层计划综述[J].核聚变与等离子体物理，2006，26（3）：161-169.
[5]郭春秋，解家春，刘兴民.堆内辐照在线产氚氦冷陶瓷氚增殖剂包层球床组件热工流体力学计算分析[J].原子能科学技术，2013（6）：940-946.
[6]许淑艳.蒙特卡罗方法在实验核物理中的应用[M].北京：原子能出版社，2006.endprint
