后處理效率對(duì)熔鹽堆燃料循環(huán)性能的影響

鄒春燕 伍建輝 余呈剛 朱貴鳳 蔡翔舟 鄒 楊 陳金根

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院先進(jìn)核能創(chuàng)新研究院 上海 201800）

液態(tài)熔鹽堆將核燃料溶解于高溫載體鹽，液態(tài)熔鹽既作為核燃料，同時(shí)也是堆芯冷卻劑，因而無(wú)需復(fù)雜的燃料制備工藝，大大降低了其制備成本。在線加料和燃料后處理是熔鹽堆區(qū)別于傳統(tǒng)固態(tài)反應(yīng)堆的重要特征之一［1］。由于熔鹽具有流動(dòng)性，通過(guò)物理和化學(xué)方法可實(shí)現(xiàn)堆內(nèi)裂變產(chǎn)物的在線去除以及錒系核素的分離提取，能夠有效減少堆內(nèi)中子吸收，從而提高中子經(jīng)濟(jì)性。由此，熔鹽堆被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)釷鈾閉式循環(huán)的理想堆型，并且在2002年被第四代國(guó)際論壇評(píng)選為6種先進(jìn)核能系統(tǒng)之一［2?3］。2011年，中國(guó)科學(xué)院基于能源領(lǐng)域國(guó)家重大戰(zhàn)略需求，啟動(dòng)了“未來(lái)新進(jìn)核裂變能——釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)”戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)，成立了釷基熔鹽堆（Thorium Molten Salt Reactor，TMSR）中心，目標(biāo)是研發(fā)第四代釷基熔鹽堆核能系統(tǒng)，解決熔鹽堆的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)釷資源的高效利用［4?5］。

干法后處理技術(shù)是TMSR專項(xiàng)重點(diǎn)攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要目標(biāo)是分離裂變產(chǎn)物，回收釷、鈾和載體鹽，并且返回堆芯循環(huán)利用，從而實(shí)現(xiàn)釷資源高效利用和放射性核廢料的最小化。目前，在干法后處理技術(shù)中，通常采用氟化揮發(fā)技術(shù)分離鈾燃料，采用熔鹽電解沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)釷燃料的分離，同時(shí)采用減壓蒸餾技術(shù)實(shí)現(xiàn)載體鹽的回收利用。通過(guò)回收TMSR 乏燃料中的Th、U 及載體鹽，特別是昂貴的7Li的分離和循環(huán)使用，可以極大提高反應(yīng)堆運(yùn)行的燃料利用率和經(jīng)濟(jì)性。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，不同的干法后處理技術(shù)具有不同的分離效率，且在分離過(guò)程中由于一些核素的化學(xué)相似性將影響核素的分離效率，從而對(duì)熔鹽堆的燃耗性能產(chǎn)生影響。

本文旨在研究不同核素的分離效率對(duì)燃料循環(huán)性能的影響，從中子物理層面提出核素分離種類及效率的需求。首先，基于液態(tài)熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)分析了經(jīng)過(guò)一段燃耗時(shí)間之后不同核素的中子經(jīng)濟(jì)性；其次，重點(diǎn)分析了不同干法后處理效率對(duì)堆芯燃料循環(huán)性能的影響。

1 模型及計(jì)算方法

1.1 熔鹽堆堆芯模型

目前，TMSR 專項(xiàng)已完成了2 MW 釷基液態(tài)熔鹽實(shí)驗(yàn)堆（Thorium Molten Salt Reactor-Liquid Fuel1，TMSR-LF1）的物理設(shè)計(jì)，并預(yù)計(jì)在2021年左右完成該實(shí)驗(yàn)堆的建設(shè)［6?7］。TMSR-LF1 的主要目標(biāo)是用于驗(yàn)證熔鹽堆的關(guān)鍵技術(shù)，釷的裝量為千克級(jí)、燃耗深度僅約為1.5 GW·d·t?1。實(shí)驗(yàn)堆的低釷裝量和淺燃耗無(wú)法完全滿足未來(lái)熔鹽示范堆的規(guī)?；Q利用的驗(yàn)證［8］。本文沿用實(shí)驗(yàn)堆的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)堆芯物理參數(shù)和釷裝量進(jìn)行放大，以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化釷利用的驗(yàn)證：包括釷基熔鹽堆的系統(tǒng)集成與工程熱驗(yàn)證、釷燃料轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)際工況下材料、儀器和設(shè)備實(shí)驗(yàn)與評(píng)估、熔鹽堆技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和材料加工規(guī)范的制定驗(yàn)證等，以建立2 MWt TMSR-LF1 與百兆瓦熔鹽堆的技術(shù)橋梁。計(jì)算分析模型和主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別如圖1和表1所示。

表1 堆芯詳細(xì)參數(shù)Table 1 Detailed parameters of reactor core

圖1 堆芯結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of reactor core

堆芯主要包括堆芯活性區(qū)和外側(cè)石墨反射層：堆芯活性區(qū)等效直徑和高度均為2 200 mm；石墨側(cè)反射層厚約300 mm，以降低堆芯中子泄漏率。堆芯活性區(qū)由多個(gè)六棱柱石墨組件及其中包含的熔鹽通道組成。石墨組件對(duì)邊距為180 mm，中心設(shè)置直徑60 mm 的燃料鹽流道，燃料鹽體積占比約為10%。堆芯熱功率為65 MW，釷裝量約為300 kg，采用與實(shí)驗(yàn)堆相同的基鹽（FLiBeZr）和富集度為19.75%的低富集鈾燃料。堆芯中布置了8個(gè)控制棒以滿足不同狀態(tài)的反應(yīng)性控制需求，同時(shí)布置了8 個(gè)輻照通道用于高功率、深燃耗模式下熔鹽堆關(guān)鍵材料的輻照實(shí)驗(yàn)。該熔鹽堆中的石墨及堆芯關(guān)鍵部件壽命設(shè)計(jì)為10 a。

1.2 燃料運(yùn)行模式

如圖2所示，在本熔鹽堆設(shè)計(jì)中，采用兩套燃料后處理系統(tǒng)，一套是通過(guò)在熔鹽泵中設(shè)計(jì)在線吹氣系統(tǒng)-空泡系統(tǒng)（bubbling system），另一套是在采用批處理方式對(duì)燃料鹽組分進(jìn)行化學(xué)分離。在液態(tài)熔鹽堆中，氣體裂變產(chǎn)物和難溶貴金屬均不溶于熔鹽，可通過(guò)空泡系統(tǒng)去除。其他可溶裂變產(chǎn)物及錒系元素，通過(guò)干法后處理技術(shù)進(jìn)行分離提取。目前通常采用的后處理技術(shù)主要有氟化揮發(fā)、電解還原和減壓蒸餾等?？紤]到反應(yīng)堆運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，燃料批處理周期與堆本體壽命相同，即燃料鹽運(yùn)行10 a后，從堆芯卸載至離線后處理中心，冷卻并儲(chǔ)存一段時(shí)間至233Pa 衰變成233U 之后，首先通過(guò)氟化揮發(fā)技術(shù)分離U，其次通過(guò)減壓蒸餾技術(shù)分離載體鹽，最后通過(guò)電解沉積技術(shù)分離釷，其他裂變產(chǎn)物和次錒系核素（Minor Actinide，MA）作為核廢料儲(chǔ)存。在燃料運(yùn)行過(guò)程中，反應(yīng)堆維持低反應(yīng)性運(yùn)行，通過(guò)在線添料模塊持續(xù)補(bǔ)充低富集鈾燃料以維持堆內(nèi)易裂變?nèi)剂系南摹?/p>

圖2 燃料運(yùn)行模式Fig.2 Fuel operation mode

1.3 計(jì)算方法

與傳統(tǒng)固態(tài)燃料反應(yīng)堆不同，液態(tài)熔鹽堆的氣體及難溶貴金屬等裂變產(chǎn)物可通過(guò)泵碗中的氣泡系統(tǒng)在線去除，其他可溶裂變產(chǎn)物及燃料鹽可通過(guò)在線或離線進(jìn)行后處理，同時(shí)，熔鹽堆還具有在線加料特點(diǎn)。

本文計(jì)算所采用的工具為本課題組基于SCALE6.1 程序自主開發(fā)的適用于熔鹽堆的后處理程序MSR-RS［9?12］。SCALE6.1程序中包含了臨界計(jì)算CSAS、臨界-燃耗耦合計(jì)算TRITON 及燃耗/衰變計(jì)算ORIGEN-S等多個(gè)功能模塊。然而，SCALE6.1本身無(wú)法滿足熔鹽堆在線加料及后處理的需求，因此，本項(xiàng)目研究組通過(guò)添加外部耦合程序研發(fā)了MSR-RS 程序，以實(shí)現(xiàn)熔鹽堆的在線加料和后處理等功能的模擬計(jì)算。該程序已和現(xiàn)有的燃耗耦合程序進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證，結(jié)果符合較好，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性［13?15］。

SCALE6.1提供了44群、238群及連續(xù)點(diǎn)能量等多種不同形式的中子截面數(shù)據(jù)庫(kù)。本文采用的是基于ENDF/B-Ⅶ數(shù)據(jù)庫(kù)加工而成的238 群數(shù)據(jù)庫(kù)。SCALE6.1 為該數(shù)據(jù)庫(kù)提供了不同溫度下的截面加工模塊，能夠滿足熔鹽堆的溫度需求。

2 結(jié)果與討論

2.1 重要核素對(duì)反應(yīng)性的貢獻(xiàn)

核素的反應(yīng)性貢獻(xiàn)是決定燃料后處理方式的重要指標(biāo)。反應(yīng)堆運(yùn)行一段時(shí)間后，裂變產(chǎn)物的累積以及錒系元素的產(chǎn)生都將對(duì)反應(yīng)性產(chǎn)生影響。為了評(píng)估不同元素對(duì)反應(yīng)性的貢獻(xiàn)，本文首先評(píng)估了65 MW熔鹽堆運(yùn)行10 a后核素反應(yīng)性變化。在10 a運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)在線添加19.75% LEU 維持臨界，鼓泡系統(tǒng)在線去除氣體和難溶貴金屬裂變產(chǎn)物（去除周期為30 s）。通過(guò)去除該種元素前后的keff差值計(jì)算得到不同核素對(duì)反應(yīng)性的貢獻(xiàn)。表2 給出了65 MW 熔鹽堆以LEU 和Th（300 kg）為燃料運(yùn)行10 a 之后，將主要錒系核素和裂變產(chǎn)物去除引起的反應(yīng)性變化?？梢钥闯?，超鈾核素中，Np、Am和Cm等次錒系核素對(duì)反應(yīng)性起負(fù)貢獻(xiàn)，Pu 同位素中由于239Pu的裂變貢獻(xiàn)，對(duì)堆內(nèi)反應(yīng)性起正貢獻(xiàn)。因此，若將Pu 同位素去除時(shí)，將引起2 010×10?5的反應(yīng)性降低。此外，裂變產(chǎn)物的去除將引起較明顯的反應(yīng)性增加。從表2 可以看出，裂變產(chǎn)物的毒性主要集中在Nd、Sm、Eu和Pm等核素，其去除引起的反應(yīng)性增 加 分 別 為2 560×10?5、2 580×10?5、1 210×10?5和680×10?5。綜上所述，從中子經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，次錒系核素和裂變產(chǎn)物的累積將對(duì)中子學(xué)性能產(chǎn)生明顯的影響，是后處理中的重要處理對(duì)象之一。

表2 不同核素對(duì)反應(yīng)性的貢獻(xiàn)Table 2 Contributions to reactivity for different elements

2.2 化學(xué)后處理對(duì)燃料循環(huán)性能的影響

在后處理過(guò)程中，通過(guò)采用不同的化學(xué)后處理方法回收利用有用的核素，如U、Th 和載體鹽等。然而，在實(shí)際過(guò)程中，不同核素由于化學(xué)性質(zhì)的相似性導(dǎo)致在分離過(guò)程中不可避免地與其他核素混合，如分離釷元素時(shí)，由于一些稀土裂變產(chǎn)物和釷的性質(zhì)接近，在分離過(guò)程中將可能有一些裂變產(chǎn)物與釷混合進(jìn)入燃料鹽中。因此，本文分析不同化學(xué)后處理效率對(duì)熔鹽堆燃耗性能的影響，從中子物理性能的角度給出對(duì)化學(xué)后處理的需求。分別假設(shè)了如下不同的后處理方案：

1）不進(jìn)行后處理，每隔10 a 后將燃料鹽中所有組分全部返回堆芯；

2）考慮到Pu的正反應(yīng)貢獻(xiàn)，每隔10 a之后將所有的U、Pu、Th及載體鹽返回堆芯；

3）每隔10 a 之后將所有的U、Th 及載體鹽返回堆芯；

4）每隔10 a 之后將所有的U、Th 及載體鹽返回堆芯，同時(shí)裂變產(chǎn)物的分離效率分別為20%、50%、80%、95% 和100%，此時(shí)假定所有TRU 的后處理效率為0；

5）每隔10 a 之后將所有的U、Th 及載體鹽返回堆芯，同時(shí)超鈾核素的分離效率分別為20%、50%、80%、95% 和100%，此時(shí)假設(shè)裂變產(chǎn)物的后處理效率為0。

基于上述5 種不同的后處理方案，從剩余反應(yīng)性、LEU需求量、燃耗深度等中子學(xué)性能進(jìn)行詳細(xì)的討論分析。

2.2.1 剩余反應(yīng)性變化

本文采用的熔鹽堆堆本體壽命設(shè)計(jì)為10 a，燃料鹽后處理周期與堆本體更換周期一致。運(yùn)行過(guò)程中，液態(tài)熔鹽堆通過(guò)持續(xù)在線添料維持低反應(yīng)性運(yùn)行，通過(guò)調(diào)整LEU 的添加量將keff設(shè)置為1.0～1.005。經(jīng)過(guò)每個(gè)后處理周期之后的燃料鹽由于中子毒物的分離，重新返回堆芯的燃料鹽將改善堆內(nèi)的剩余反應(yīng)性。

圖3給出了上述返回Th/U/Pu、返回Th/U 及不同裂變產(chǎn)物分離效率等不同后處理方式對(duì)剩余反應(yīng)性的影響。從圖3 可見(jiàn)，當(dāng)所有裂變產(chǎn)物和超鈾核素全部分離時(shí)，引起的剩余反應(yīng)性大于6 500×10?5。對(duì)于65 MW熔鹽堆而言，每天運(yùn)行減少的反應(yīng)性約25×10?5。由此可知，在無(wú)需添料的情況下，反應(yīng)堆可維持臨界運(yùn)行大于260 d。此外，在第一個(gè)10 a批處理之后，返回Th/U/Pu 引起的剩余反應(yīng)性低于只返回Th/U 的情況，而在第二個(gè)10 a 之后出現(xiàn)反轉(zhuǎn)。這主要是因?yàn)樵诜磻?yīng)堆前10 a運(yùn)行期間，Pu同位素中易裂變核素239Pu 和241Pu 的占比較高，且238Pu和242Pu 等非易裂變核素占比較小，如圖4 所示。此時(shí)，將Pu 返回堆芯時(shí)能夠引起正反應(yīng)性貢獻(xiàn)，因此其剩余反應(yīng)性大于只回收Th/U 的后處理方式。當(dāng)反應(yīng)堆運(yùn)行20 a 之后，242Pu 累積量增加。從圖4 可以看到，242Pu累積量在第一個(gè)10 a之后高于241Pu，且在后續(xù)運(yùn)行中逐漸增加。由此導(dǎo)致Pu 的總反應(yīng)性貢獻(xiàn)減小，低于只回收Th/U 的后處理方式。此外，由于所有的裂變產(chǎn)物均為中子毒物，剩余反應(yīng)性與裂變產(chǎn)物分離效率成正比。例如在第一個(gè)10 a批處理周期后，100%裂變產(chǎn)物去除效率比20%的裂變產(chǎn)物去除效率引起的剩余反應(yīng)性高約5 900×10?5。總而言之，從中子經(jīng)濟(jì)性角度考慮，裂變產(chǎn)物的中子吸收明顯，后處理過(guò)程中需要盡可能提高裂變產(chǎn)物的分離效率。

圖3 不同后處理效率對(duì)剩余反應(yīng)性的影響Fig.3 Influence of separation efficiency on excess reactivity

圖4 返回Th/U/Pu方案下Pu同位素隨運(yùn)行時(shí)間變化Fig.4 Evolution of Pu isotopes with the Th/U/Pu recycled scheme

圖5給出了不同TRU分離效率對(duì)剩余反應(yīng)性的影響。由圖5，與裂變產(chǎn)物去除引起的反應(yīng)性變化相比，TRU 去除引起的反應(yīng)性變化很小，主要有兩方面原因：一方面TRU在堆內(nèi)的累積量遠(yuǎn)小于裂變產(chǎn)物；另一方面TRU中有些核素（如239Pu）為易裂變核素，對(duì)反應(yīng)性起正貢獻(xiàn)。因此，在前兩個(gè)10 a批處理末期，TRU分離效率為20%時(shí)引起的剩余反應(yīng)性出現(xiàn)負(fù)值。在運(yùn)行后期，Pu引起的正反應(yīng)性減小甚至變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)，TRU的分離效率越高，引起的剩余反應(yīng)性越高。

圖5 TRU分離效率對(duì)剩余反應(yīng)性的影響Fig.5 Influence of TRU separation efficiency on excess reactivity

2.2.2 燃耗性能分析

在上面討論了不同后處理方案對(duì)剩余反應(yīng)性的影響。剩余反應(yīng)性的大小對(duì)堆芯的燃耗性能如LEU的需求量、燃耗深度、熔鹽重金屬摩爾比等參數(shù)都將產(chǎn)生影響。

圖6給出了上述不同的后處理方式下，反應(yīng)堆運(yùn)行40 a總LEU添加量。在無(wú)任何后處理時(shí)，運(yùn)行40 a 需添加的LEU 總量約為4 750 kg。返回Pu 時(shí)，239Pu和241Pu的裂變貢獻(xiàn)降低了LEU的需求量，因此返回Th/U/Pu 時(shí)所添加的LEU 總量最小，約為4 170 kg。這意味著通過(guò)分離裂變產(chǎn)物和次錒系核素可節(jié)省約580 kg的LEU燃料。此外，LEU的需求量與裂變產(chǎn)物的分離率成正比，裂變產(chǎn)物分離率從0% 增加到100% 時(shí)，LEU 添加量可節(jié)省約520 kg。由于TRU引起的反應(yīng)性變化較小，TRU的分離效率對(duì)LEU 的添加量影響也不明顯，可節(jié)省LEU 約60 kg。

圖6 不同后處理方式對(duì)LEU添加量的影響Fig.6 Influence of reprocessing schemes on LEU feeding inventory

熔鹽中的重金屬摩爾比是影響熔鹽化學(xué)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。重金屬摩爾比的變化對(duì)熔鹽的熔點(diǎn)及溶解度等參數(shù)均有影響。在運(yùn)行過(guò)程中，隨著LEU的逐漸添加以及錒系核素的不斷累積，熔鹽中的重金屬摩爾比將持續(xù)增加。圖7給出了不同后處理方式對(duì)熔鹽重金屬摩爾比的影響。由圖7 可知，反應(yīng)堆運(yùn)行40 a之后，重金屬摩爾比與LEU的添加量的變化趨勢(shì)基本相似。燃料不進(jìn)行后處理時(shí)，燃料鹽中的重金屬摩爾占比將達(dá)到12.8% 左右；采用返回Th/U 或Th/U/Pu 時(shí)，重金屬摩爾比分別降為11.42%和11.35%。此外，隨著裂變產(chǎn)物的分離效率提高，中子經(jīng)濟(jì)性增加降低了對(duì)LEU的依賴，熔鹽中的重金屬摩爾比也有效減少。裂變產(chǎn)物分離效率從0%增加到100% 時(shí)，重金屬摩爾比降低約9.6%，由于TRU 為重金屬，因此TRU 的分離效率越高，熔鹽中金屬摩爾比越低，TRU分離效率從0%增加到100%時(shí)，重金屬摩爾比降低約3.1%。

圖7 不同后處理方式對(duì)熔鹽重金屬摩爾比的影響Fig.7 Influence of reprocessing schemes on heavy metal mole fraction

熔鹽重金屬摩爾比的變化將對(duì)熔鹽的熔點(diǎn)、粘滯系數(shù)、熱容以及熱導(dǎo)率等性質(zhì)產(chǎn)生影響，在未來(lái)的工作中將對(duì)這部分內(nèi)容展開詳細(xì)的分析。

燃耗深度（Burnup，BU）是衡量反應(yīng)堆燃料利用率的重要參數(shù)，其定義如下：

式中：BU表示燃耗深度；P為熱功率；T為運(yùn)行時(shí)間；TFL（Total Fuel Loading）表示整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中的總?cè)剂希ǔ跏嫉膯?dòng)燃料和在線過(guò)程中添加的燃料。

不同后處理方式對(duì)燃耗深度的影響如圖8 所示。由圖8可知，由于具有在線添料的優(yōu)勢(shì)，熔鹽堆能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃耗深度，即使在沒(méi)有后處理的情況，運(yùn)行40 a 之后燃耗深度仍可達(dá)到158 GW?d·t?1左右。此外，相同功率運(yùn)行相同時(shí)間時(shí)，燃耗深度與LEU 添加量近似成反比。由此可知，提高燃料鹽中裂變產(chǎn)物及TRU核素的分離效率，能夠有效提高燃料的利用率，從而增加燃耗深度。當(dāng)裂變產(chǎn)物分離率從0% 增加至100% 時(shí)，熔鹽堆運(yùn)行40 a 時(shí)，燃耗深度可從158 GW?d·t?1左右提高到約174 GW?d·t?1，提高了約10%。

圖8 不同后處理方式對(duì)燃耗深度的影響Fig.8 Influence of reprocessing schemes on burnup

3 結(jié)語(yǔ)

化學(xué)后處理是熔鹽堆的特點(diǎn)，不同的后處理方式對(duì)反應(yīng)堆的中子學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。本文采用MSR-RS 耦合程序，基于65 MW 熔鹽堆堆芯結(jié)構(gòu)，研究了使用不同化學(xué)后處理方式對(duì)中子學(xué)性能的影響，結(jié)論如下：

1）反應(yīng)堆運(yùn)行10 a之后產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物和超鈾元素中，裂變產(chǎn)物引起的負(fù)反應(yīng)性遠(yuǎn)大于超鈾，在反應(yīng)堆運(yùn)行初期Pu對(duì)反應(yīng)性起正貢獻(xiàn)。

2）裂變產(chǎn)物的分離效率對(duì)燃料循環(huán)的中子學(xué)性能影響最為明顯，LEU添加量、熔鹽重金屬摩爾比和燃耗深度等性能均隨著后處理分離效率的增加而明顯改善。當(dāng)裂變產(chǎn)物分離效率從0% 增加到100%時(shí)，熔鹽堆運(yùn)行40 a時(shí)LEU的添加量節(jié)省約520 kg，重金屬摩爾比降低約9.6%，燃耗深度提高約10%。

綜上所述，從燃料循環(huán)性能的角度考慮，在化學(xué)后處理過(guò)程中，需提高裂變產(chǎn)物的分離效率，以提高熔鹽堆燃料循環(huán)的中子學(xué)性能。