HFETR6LiD中子转换器芯体厚度优化研究

叶 滨，罗 勇，李全伟，傅 蓉

（1.西南科技大学 核废物与环境安全国防重点学科实验室，四川 绵阳 621010；2.中国核动力研究设计院，四川 成都 610005）

随着核能的发展，基于聚变堆材料辐照考验和长寿命核素嬗变的需求，人们越来越希望能获取较高注量的14MeV中子。这是因为材料问题是发展聚变堆技术的关键和瓶颈之一，聚变堆在运行过程中，材料将受到来自堆芯聚变产生的14MeV中子和包层中燃料裂变反应产生的裂变中子的高强度辐照，14MeV中子会严重影响聚变堆结构材料的力学性能，并可能使材料的性能失效，要开发核聚变能就必须研制出满足14MeV中子环境要求的结构材料［1－2］。近年来，人们提出把高放废物中毒性大的次锕系元素（MAs）、长寿命裂变产物（LLFPs）分离出来，采用14MeV中子嬗变的方法使其变为稳定或短寿命的核素，然后再进行深埋处置，可大幅减少放射性废物对生物圈可能造成的危害。因此，通过6LiD靶件在热中子堆内产生14MeV中子引起了广泛的关注。美国 Weiss等［3－5］首先使用6LiD 作转换靶，计算了6LiD的合理厚度、热－快中子转换效率和热量的发生，测量了快中子的注量率；日本Kimura等［6］在KUR研究堆的重水箱外侧布置14MeV中子转换器，该处热中子注量率为1.5×109cm－2·s－1；俄罗斯 Zouev等［7］拟在IVV－2M堆的外围充水孔道（6cm×50cm）内开发两个转换装置，转换材料分别为6LiD和6LiH；我国彭凤等［8］对应用于HFETR堆芯内部的6LiD中子转换器曾做过源强计算，结果约为2×1013s－1。本工作对6LiD 中子转换器芯体厚度进行优化研究。

1 热中子转换为14MeV中子原理

热中子转换为14MeV中子的原理是，利用热中子引发产生具有足够能量的氚核与其周围的氘核或6Li核进行聚变反应。在热中子堆辐照孔道中放置含有6Li和D核素的转换器，通过下面的反应链即可得到14MeV中子，核反应链示于图1。

图1 热中子与6 Li、D的核反应链Fig.1 Nuclear reaction chain of thermal neutron and 6 Li，D

图1的核反应式为：

式（2）、（3）反应产生的中子能量分别为14.07MeV和14.24MeV。由此可见，在热中子堆辐照孔道内完全可模拟聚变堆产生14.07MeV和14.24MeV能量的聚变谱中子，辐照孔道中既含聚变中子谱又含裂变中子谱。

2 转换器结构及其材料的选取

2.1 转换器结构选取

转换器将和HFETR一起运行，必须满足HFETR安全运行的要求［9］，转换器的结构应满足以下要求：1）经入堆、出堆和机械手的远距离操作后仍能保持结构稳定，同时还应便于加工、安装、解体；2）转换器布置于HFETR内热中子注量最高的中心孔道内，以便能得到尽可能高的14MeV中子注量；3）转换器的结构设计必须保证HFETR及其自身的热工水力安全。

HFETR燃料元件为套管形，堆芯辐照孔道的外套管均为圆筒形，转换器的结构为套筒形最容易在HFETR堆芯布置，且可有效利用堆芯热中子，因此将转换器设计为套筒形。

选取的转换器结构为：最外层为外套管，最内层为辐照管，中子转换材料及其内外包壳置于外套管和辐照管之间，外套管、转换靶、辐照管3者之间的两个环状空隙为冷却剂流道，转换器结构示于图2［8］。

图2 转换器结构示意图Fig.2 Scheme of converter

2.2 转换器各部件材料的选取

转换器的材料必须满足以下要求：1）中子吸收截面和活化截面要小（转换靶6LiD芯体除外），嬗变产物的半衰期要短，以便减小堆的反应性损失和降低材料中的放射性；2）耐腐蚀、不生锈、耐辐照、导热性能好、膨胀系数小、与冷却水的相容性好、芯体包壳和芯体相容性好；3）易加工、便于焊接和成本低廉。

根据HFETR 30年的运行经验，选取不锈钢作为6LiD芯体的包壳材料，铝为外套管和辐照管的包壳材料。

3 芯体厚度优化的目标函数

在辐照孔道放置6LiD转换靶后，由于6Li对热中子的微观吸收截面很大，热中子注量率在6LiD芯体内会下降很快，使得热中子注量率产生下陷扰动。通过优化设计6LiD芯体厚度，可在相同堆芯装载情况下使转换器中子源强最大，避免出现由于芯体厚度过大，不但使转换器中子源强降低，且减小HFETR后备反应性的情况。

HFETR在某一装载方式下运行，转换器中子源强S计算公式为：

式中：Σ6为热中子和6Li反应的宏观截面，cm－1；φc为转换靶芯体中平均热中子注量率，cm－2·s－1；P 为 1 个 T 核 和6LiD 反 应 的14MeV中子产额；Vc为6LiD靶体积，cm3。

式（4）中，Σ、P 可近似认为是常量，这样，S与Vc、φc有关。Vc、φc随着转换器芯体厚度d的改变而改变，因此，把A（d）＝φcd作为芯体厚度优化的目标函数。改变转换靶的芯体厚度，若可得到A（d）的最大值，则这个最大值对应的d即是6LiD芯体的最佳厚度。

4 对芯体厚度优化值的研究结果

4.1 转换器结构对芯体厚度优化值的影响

1）转换器结构的选取

HFETR堆芯按64mm栅距作三角形规则排列，为使转化器在堆芯紧凑布置，转换器外套管外径和燃料元件外径一样，6LiD芯体包壳厚度、辐照管厚度不变，结构示意图示于图3。优化计算时，辐照管内的介质分为水和氦气两种情况，在对芯体厚度进行优化计算时制定了3种结构，使6LiD芯体厚度从0.1mm增加到1.4mm。

方案1：小辐照管空间，内、外层冷却剂间隙厚度相等。保持辐照管内径17.5mm不变，内、外层冷却剂间隙厚度相等，减小6LiD靶内径R1，增加6LiD靶外径R2，R1、R2的改变量相等。

图3 选取的转换器结构示意图Fig.3 Scheme of selecting converter

方案2：大辐照管空间，内、外层冷却剂间隙厚度不等。保持辐照管内径21.5mm不变，外层冷却剂间隙厚度比内层厚0.5mm，减小6LiD靶内径R1，增加6LiD靶外径R2，R1、R2的改变量相等。

方案3：改变外层冷却剂间隙厚度。保持辐照管内径17.5mm不变，内层冷却剂间隙厚度2mm 不变，6LiD 靶内径 R1不变，增加6LiD靶外径R2。

2）优化计算结果

优化计算采用 WIMS－D4程序，采用的超栅元模型如下：转换器居中，周围为6个新燃料元件，按横截面面积不变将栅元等效成一维圆形几何栅元。A（d）优化计算结果的相对值列于表1。

表1 不同方案下的A（d）优化计算结果Table 1 Optimization computational results of A（d）at different cases

从表1可见：1）当辐照管内介质为水时，3种结构转换器的最佳芯体厚度均为0.7mm；2）当辐照管内介质为氦气时，方案1和方案3的最佳芯体厚度为0.6mm，方案2的最佳芯体厚度为0.5mm，芯体厚度在0.5～0.7mm间对目标函数值的影响小于1%；3）对于每种结构的转换器，辐照管内介质为水时的目标函数大于辐照管内介质为氦气时的结果。

4.2 辐照样品数量对芯体厚度优化结果的影响

选取的转换器辐照样品材料为不锈钢，形状和尺寸与 GB／T 229—1994《金属夏比缺口冲击试验方法》中规定的完全一样，转换器辐照管内放置1～4个辐照样品。A（d）优化计算的相对结果列于表2。

表2 不同样品数量下的A（d）优化计算结果Table 2 Optimization computational results of of A（d）at different sample numbers

从表2可知，不论转换器布置几个不锈钢辐照样品，辐照管内介质为氦气和水时，6LiD芯体的最佳厚度均分别为0.6、0.7mm，这说明辐照样品数量对芯体厚度优化无影响。

4.3 转换器对堆芯性能的影响

将芯体厚度为0.7mm的转换器放入HFETR典型装载的中心孔道中代替原来的同位素靶件进行堆芯物理计算。结果表明：转换器代替同位素靶件，不论辐照管内为何种介质，都使停堆深度增大约0.6βeff；3种转换器辐照管内充水时均使后备反应性减小约0.8βeff；用转换器代替同位素靶件，对堆芯径向和轴向功率不均匀系数的影响很小。将芯体厚度取为1.0mm的转换器放入中心孔道进行堆芯物理计算，结果表明，对堆芯的keff和径向功率不均匀系数的影响较大。

由此可见，就对堆芯性能的影响程度而言，转换器芯体厚度取为0.7mm是较优化的结果。

5 结论

1）套筒状转换器便于在HFETR堆芯辐照孔道的安装且有利于充分利用堆芯中子。

2）6LiD芯体厚度优化结果几乎不受转换器结构及辐照样品数量的影响，辐照管内冷却介质为水和氦气时，6LiD芯体厚度的优化值分别为0.7、0.6mm。

3）对堆芯性能的影响程度而言，芯体厚度为0.7mm的转换器和原有的同位素靶件基本相当。

4）综合考虑不同冷却介质对6LiD芯体优化厚度的影响以及芯体厚度对堆芯性能的影响，布置于HFETR辐照孔道中的6LiD转换器芯体厚度优化设计结果为0.7mm。

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