从纳米托卡马克到数字微堆
曾富
微型数字化反应堆原理
数字微堆简称数字微型中子源反应堆,它能更加直观地展现出微堆结构简单、易于操作和固有安全性好等优点。2016年7月29日记者陆琦,从中核集团中国原子能科学研究院获悉,我国首座数字微堆开发成功。在这之前的2016年7月27日,还报道过他们成功实现加纳微堆低浓铀堆芯零功率实验首次临界。这是我国承担的加纳微堆低浓化改造项目中一个重要的里程碑节点,标志着该项目中方负责的所有技术准备工作均已完成,项目的关键步骤已经取得成功。这是继我国在2016年3月完成首座微堆高浓缩铀低浓化改造、实现满功率运行后,在践行国际承诺、推广减少高浓铀合作模式层面取得的又一项重大进展,也是中国为世界反核恐怖主义、加强国际核安保作出的实实在在的贡献。
反应堆工程的研究、设计、建造、运行、延寿、退役等,需要开展大量的材料和燃料研究、热工流体和物理试验,进行协同设计和优化;希望降低初期建造投资并减少建造周期,降低燃料成本,减少核废料的产生,保证各种环境条件下的安全运行;需要开展大量的反应堆安全评价工作,优化退役流程,减少放射性废物和对环境的影响。因此通常是一个漫长、耗费巨大的过程。特别是数字反应堆,是基于高精度模拟技术、大数据应用技术和高速数据传输技术,应用先进的反应堆物理、热工水力、安全、燃料、结构力学、三维设计等计算机软件,对反应堆进行全方位、全周期的数字化模拟,使之具有可视及可操作性等,以完成反应堆现实的或超越现实的研究。
微堆是微型中子源反应堆的简称;微堆也被称“傻瓜堆”。因为它类似一个实验仪器,操作简单,使用方便、运行安全、价格便宜,具有临界质量低、物理尺寸小、中子泄漏大的特点。它是用高浓铀作燃料,轻水作减速剂和冷却剂,金属铍作反射层的优化组合成堆的临界系统。该堆可置于直径2.7米左右的地下水池中,结构简单紧凑,全部运行工作只由一台微机控制。因此微堆不像传统的核反应堆,它没有散热塔,也没有高耸的烟囱,堆芯只有高压锅大小。微堆反应堆装料很少,上部又有4米多厚的水层,对中子和伽马射线起到了很好的屏蔽作用。它的侧铍反射层内的中子通量水平与堆芯内的相当,便于引出较强的中子束流,因此它可作中子源。用于中子活化分析、少量的短寿命放射性核素的制备、中子照相、中子治疗肿瘤、科学研究、教学和人员培训等方面。
而数字反应堆有三大优势:降低反应堆工程建设成本、提高反应堆安全性、协助促进核废物最小化。目前原子能院开发的数字微堆,采用三维建模、蒙卡方法、计算流体力学、屏蔽计算、燃料性能分析、系统瞬态分析、虚拟现实等先进设计技术,构建了一个虚拟数字反应堆集成开发环境,在该环境下可进行微堆“沉浸式”全厂漫游和设备展示,以及对安装、首次临界、运行、应用、退役和安全等全方位的模拟仿真,可为设计人员、建造人员、运行人员、维修人员、参观者等各类人员带来“所见及所得”的真实体验。采用数字微堆技术后,新设计和建造一个微堆将显著缩短建设周期,节省建设投资,并可为用户提供数字化运行和维修的培训和教学系统,这将为微堆走出国门插上数字化的翅膀,为和平利用原子能做出更大的贡献。
2016年3月我国首座微堆----原型微堆实施了低浓化改造,并实现首次满功率运行。原子能院的原型微堆的每一根燃料元件的直径仅有5毫米,即只有约5张纸的厚度,每两根元件间隙只有5.48毫米,这些燃料元件被放置在实验用的“鸟笼架”内,直径240毫米、高270毫米的狭小空间,也就是该堆的堆芯。微堆低浓化目的,是在不改变堆芯几何尺寸的前提下,将高浓铀堆芯燃料替换为低浓铀堆芯燃料;转化后还需利用原有筒体装料运行。2011年中国国家原子能机构批准中国原子能科学研究院与美国能源部阿贡实验室合作,对原子能院微堆进行低浓化改造,卸出微堆高浓铀堆芯,装入低浓铀燃料堆芯。微堆低浓化改造,是降低高浓铀流失风险、提升核安保水平的有力举措,也是中美核安保领域合作的重要内容。而微堆低浓化改造涉及堆芯物理设计、结构设计、燃料组件设计制造、装卸料、乏燃料管理、反应堆实验调试等诸多环节。由于低浓铀堆芯的燃料芯体和包壳材料与之前的不同,其热工、物理性能等也均有较大不同,须重新进行物理、热工和结构设计,且只能在原有小尺寸的堆芯空间内做出合理调整,设计难度大大增加。那么什么是微堆?其原理如何?
我国的微堆研究建造可追溯到上世纪70年代末、80年代初。1984年3月原子能院自主开发设计建造的我国第一座微堆顺利建成并投入满功率运行。此后,该院为国内外用户设计和建造了9座商用微堆,其中5座出口到了巴基斯坦、伊朗、加纳、叙利亚、尼日利亚。加纳微堆是中国原子能科学研究院于1995年通过国际原子能机构技术合作项目为加纳设计、建造的该国第一座研究堆,采用高浓铀为燃料,其建成为加纳核技术人员的培训等工作发挥了积极作用。所有这些微堆已累计安全运行超过100堆·年,为国家创造了巨大的经济效益。
但此期间,我国微堆使用的是武器级的高浓铀作为燃料;燃料棒一旦流失,就可能造成核材料扩散的威胁。由于所用燃料的特殊性,微堆在推广中一直受到限制。所以国际原子能机构多次提出,希望微堆燃料实施低浓铀转化。