最新刊期
      2023 年 第 46 卷 第 9 期

        综述

      • “在先进核反应堆领域，中国原子能科学研究院专家建立了SiC晶体测温体系，验证了其可靠性，为提高测温效率提供解决方案。”
        刘心语,张利民,宁广胜,钟巍华,王绳鸿,何安平
        2023, 46(9): 090001. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090001
        摘要：碳化硅（SiC）晶体可以用作无源监控器测量反应堆的中子辐照温度，在未来高温强辐射的先进核反应堆中具有重要的应用前景。SiC测温技术自20世纪60年代被首次提出以来，基于SiC结构、热学和电学性质的中子辐照效应，人们建立了宏观尺寸法、质量密度法、热导率法和电阻率法等各种SiC测温方法。本文首先综述了这些SiC测温方法的基本原理和工作特点，然后着重介绍了中国原子能科学研究院（China Institute of Atomic Energy，CIAE）SiC测温系统的研究进展，通过中子辐照诱导SiC晶格肿胀的理论计算，分析和验证了该系统测温结果的可靠性，探讨了进一步提高SiC测温效率的实验方法。  
        关键词：SiC监控器;中子辐照温度;反应堆参数测量;晶格肿胀;电阻率   
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        发布时间：2024-10-25

        加速器技术、射线技术及应用

      • “上海硬X射线自由电子激光装置SHINE将使用40台真空内超导波荡器产生自由电子激光。为提高磁场测量精度，研究人员开发了高精度霍尔探头位置标定方法，标定精度优于±10μm，满足超导波荡器磁场测量要求。”
        吴泽州,张继东,陈金雅,周巧根
        2023, 46(9): 090201. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090201
        摘要：正在建设的上海硬X射线自由电子激光装置（Shanghai HIgh repetitioN rate XFEL and Extreme light facility，SHINE）将利用40台周期长度为16 mm、磁长度为4 m、净气隙高度为4 mm的真空内超导波荡器，以产生垂直线极化的自由电子激光。霍尔探头磁场测量是目前测量波荡器场图最可靠的测量方法之一，而霍尔探头灵敏中心的定位精度是影响磁场测量精度的主要因素之一。本文介绍了这些超导波荡器的磁场点测量系统，以及霍尔探头灵敏中心的高精度位置标定。通过翻转安装有霍尔探头与角锥棱镜的磁测滑车，可分别标定霍尔探头灵敏中心以及角锥棱镜顶点和磁测滑车翻转轴的横向间距，从而获得霍尔探头灵敏中心彼此之间的横向距离，以及霍尔探头灵敏中心与角锥棱镜顶点之间的横向距离。该方法的标定精度好于±10 μm，能满足该超导波荡器磁场测量的要求。  
        关键词：超导波荡器;磁场点测量;三维激光定位   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在放射源快速定位领域，专家设计了NaI（Tl）探测阵列装置，利用SVM方法建立预测模型，实现了对放射源的快速精确定位。”
        管弦,魏星,李子锟,樊海军,张济鹏,孙涛
        2023, 46(9): 090202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090202
        摘要：针对丢失放射源快速定位需求，设计了一套NaI（Tl）探测阵列装置，基于阵列探测器间的阴影效应，通过蒙特卡罗模拟软件，获得计数率与入射射线角度之间的变化响应曲线。利用支持向量机（Support Vector Machine，SVM）方法建立探测阵列计数-入射射线角度预测模型。搭建放射源定位物理实验平台，开展多种条件下的探测阵列-放射源角度响应实验与位置响应实验，并使用计数率-角度响应模型对放射源定位，测试结果表明：137Cs点源角度预测平均最大偏差为9.21°，最小偏差为1.77°，该方法可实现对放射源的快速、精确定位。  
        关键词：放射源快速定位;支持向量机;探测阵列;阴影效应   
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        发布时间：2024-10-25

        核电子学与仪器

      • ““澳科一号”卫星B星搭载的太阳X射线探测器，通过双通道设计观测太阳耀斑，为研究太阳活动提供数据支撑。”
        樊丽鹏,郭思明,石永强,陈建武,左富昌,周幸,黄仕葵,舒子瑶,郭锴悦,郄晓雨,余涛,吴金杰
        2023, 46(9): 090401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090401
        摘要：太阳X射线探测器（Solar X-ray Detector，SXD）是“澳科一号”卫星B星（Macau Science Satellite-1B，MSS-1B）的主要载荷，包括软X射线探测单元（Soft X-ray Detection Unit，SXDU）和硬X射线探测单元（Hard X-ray Detection Unit，HXDU）两部分，采用硅漂移探测器（Silicon Drift Detector，SDD）和碲锌镉探测器（Cadmium Zinc Telluride，CZT）双通道设计。太阳X射线探测器通过同时观测太阳精确的能量谱和强度信息，量化太阳耀斑的水平并研究其演化过程和机理等科学问题。为了实现从观测数据到真实太阳X射线数据的反演，需要对SDD和CZT的探测效率进行标定。利用蒙特卡罗程序MCNP5对SDD和CZT探测效率进行了模拟计算，并在单能X射线地面标定装置上开展了软、硬X射线探测效率标定实验。结果表明：SDD和CZT探测效率的实验结果与模拟预期结果吻合较好，其中，SDD-1的实验效率和模拟效率的最大相对误差不超过3.59%@16 keV，CZT-1的实验效率和模拟效率的最大相对误差不超过9.54%@120 keV。单能X射线流强测量的相对扩展不确定度为3.8%（k=2），太阳X射线探测器探测效率模拟结果的不确定度为0.12%。这项研究为“澳科一号”卫星的太阳X射线探测器提供了数据支撑，并对后续其他天文卫星的同类探测器标定提供指导和参考。  
        关键词：澳科一号卫星;太阳X射线探测器;探测效率;单能X射线   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核能科学与技术领域，基于LoRa无线通信技术，设计了γ辐射监测系统，具有组网灵活、传输距离远、成本低、拓展性强等优点，具有广泛的应用前景。”
        张迪,程懋松,戴志敏,施成龙
        2023, 46(9): 090402. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090402
        摘要：核能科学与技术和人们的生活联系紧密，但同时核辐射也可能危害人们的身体健康，因此需要加强对核辐射的监测。有线核辐射监测系统布线复杂、施工周期长、成本较高，且移动性差、故障排查较为困难。为了满足便捷测量γ辐射环境的需求，基于LoRa无线通信技术，设计了γ辐射监测系统。该系统的主要功能包括数据采集、数据处理及数据传输，采用硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier，SiPM）闪烁体探测器进行数据采集，STM32单片机作为核心处理器对采集的数据进行处理、打包，由LoRa无线通信模块进行数据传输。针对可能存在的因复杂电磁环境、传输距离等因素导致监测系统断线及数据传输频繁时造成的区域内信道拥堵问题，设计了动态最优路径通讯算法，通过筛选中继节点，寻找最优重连路径以及实现数据发送的优先级分配。实际测试结果表明：闪烁体探测器测试辐射数据结果可靠，且基于LoRa的γ辐射监测系统数据传输稳定性达到99.57%以上。该系统具有组网灵活、传输距离远、成本低、拓展性强等优点，具有广泛的应用前景。  
        关键词：SiPM;γ辐射;核辐射监测;LoRa无线通信   
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        发布时间：2024-10-25

        核物理、交叉学科研究

      • “在核能系统研究领域，专家利用质子活化法评估了加速器驱动次临界系统散裂靶内长寿命放射性核素含量，为放射性废物评估提供实验依据。”
        刘奇泽,欧宇福,景明坤,代文翰,曾志,薛涛,田阳,曾鸣,马豪,Titarenko Yu E,Pavlov K V,Titarenko A Yu,Zhivun V M,Kovalishin A A,Kulevoy T V,Khalikov R S
        2023, 46(9): 090501. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090501
        摘要：加速器驱动次临界系统（Accelerator Driven Sub-critical System，ADS）是最具潜力的下一代核能系统选型之一，准确评估ADS散裂靶内产生的长寿命放射性核素含量是应用研究中的重要课题，利用质子活化法可以有效评价质子与散裂靶材料发生相互作用产生长寿命核素的反应截面。4个质子辐照天然铅样品分别被能量为40 MeV、70 MeV、100 MeV和400 MeV的质子照射90 min、75 min、40 min和25 min，在冷却约20 a后，利用中国锦屏地下实验室（China Jinping Underground Laboratory，CJPL）的超低本底γ谱仪GeTHU进行测量，使用SAGE（Simulation and Analysis for Germanium Experiments）模拟框架计算了GeTHU的探测效率，测定了能量为40 MeV、70 MeV、100 MeV和400 MeV质子与天然铅发生natPb（p，x）207Bi和natPb（p，x）194Hg反应的总产生截面，并与其他理论及实验工作的结果进行了比较，基于相同样品的实验测量结果在误差范围内保持一致，natPb（p，x）207Bi的反应截面与TENDL的评价截面更为接近，natPb（p，x）194Hg的截面结果与INCL++/ABLA的理论预期保持一致，这些截面结果为ADS设施的放射性废物评估提供了实验依据。  
        关键词：GeTHU;激发函数;铅靶;剩余核素;CJPL   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核设施废液处理领域，专家研发了高压微雾蒸发技术，建立了数值分析方法，为内陆核设施废液处置提供新方案。”
        杨德睿,吴思远,聂保杰,顾卫国,王博,王德忠,张爱玲
        2023, 46(9): 090502. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090502
        摘要：核设施运行中会产生一定低水平放射性废液，通常经净化后以液态流出物形式在控制范围内进行海洋排放。内陆核设施往往缺乏弥散条件优良的受纳水体，并考虑公众接受度，低水平放射性废液的处置成为内陆核设施发展的难点之一。高压微雾蒸发技术利用高压喷嘴将液态流出物进行雾化，并控制载带气体条件使微雾充分蒸发，进行气载排放，具有一定应用前景。综合考虑微雾流动和传热传质模型，发展了用于分析微雾载带蒸发的数值方法，并研制了高压微雾蒸发示范系统，分别从流动蒸发过程中微雾粒径变化、微雾密度和沉积率三个角度对数值方法进行了实验验证。结果表明：建立的数值方法与实验结果偏差在15%以内，可用于不同厂址场景下低水平放射性废液气载排放工艺设计。  
        关键词：低放废液;高压微雾;气载排放;数值模型   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电军工、航空航天领域，专家基于CFD方法建立了SAPS等离子流场三维模型，分析了喷涂参数对粒子熔化和受力状态的影响，为核反应堆耐事故燃料包壳隔热涂层结构的精确控制提供理论指导。”
        张蕾,陈洪胜,刘建和,杨佳斌,刘云龙,武晋德
        2023, 46(9): 090503. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090503
        摘要：耐高温陶瓷材料氧化钇部分稳定的二氧化锆（Yttria Partially Stabilized Zirconia，YSZ）以其优异的隔热、抗高温氧化等特性，近年来在核电军工、航空航天等领域得到关注。本研究基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）方法，建立了关于超音速喷涂（Supersonic Atmospheric Plasma Spraying，SAPS）等离子流场三维模型，分析了不同喷涂参数在拉伐尔喷嘴中产生的射流特性和飞行粒子的熔化和受力状态。当喷涂参数从71 kW降低到36 kW，喷涂功率降低了49.2%，等离子体射流的最高速度降低了8.5%，最高温度降低了22.2%；使用在线监测设备Spray Watch 2i（Osier，Finland）对飞行粒子的速度和温度进行在线实测，与模拟结果的对比表明：两者的相对误差在15%以内，模拟与试验结果得到了有效地相验证，这为核反应中的耐事故燃料包壳所需的高性能隔热涂层结构的精确控制提供理论指导。  
        关键词：核材料隔热涂层;超音速等离子体射流;飞行粒子;计算流体动力学;传质传热   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电厂辐射监测领域，专家设计了静态搅浑装置，通过优化叶片结构，有效改善了气溶胶浓度分布均匀性，为提高取样代表性提供新方案。”
        冉鹏,顾卫国,聂保杰
        2023, 46(9): 090504. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090504
        摘要：对气载放射性流出物中的气溶胶监测是核电厂辐射监测的重要内容之一。受通风管道结构的影响，流场尤其湍流对气溶胶在管道中输运分布的均匀性具有较大影响，对辐射监测的取样代表性带来一定困难。通过优化设计实现送风管道中气溶胶的均匀分布对取样代表性具有重要意义。经过改变叶片的扭曲角度及叶片的占比面积，设计了三种结构的静态搅浑装置，并通过数值模拟方法分析了不同搅浑装置产生的空气流场及对气溶胶浓度分布规律的影响。结果表明：静态搅浑装置能形成较强的旋流，从而改善气溶胶浓度分布的均匀性；增大叶片的扭曲角度以及内叶片的占比面积都会加强产生的旋流场，进一步影响气溶胶的扩散；内叶片面积增大的静态搅浑装置有着适中的旋流强度，其搅浑效果较其他两种结构更优，气溶胶浓度的变异系数下降了30.60%。  
        关键词：送风管;静态搅浑装置;气溶胶;数值模拟;混合均匀性   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在X射线荧光光谱分析领域，专家提出了基于深度学习的Transformer模型，实现了堆积脉冲幅度的准确估计，为光谱分析提供解决方案。”
        唐琳,周爽,李勇,廖先莉,李跃鹏
        2023, 46(9): 090505. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090505
        摘要：传统脉冲成形方法对堆积脉冲幅度计算存在的误差将会导致X射线荧光光谱失真，因此，在高堆积率背景下测量得到的光谱很难对光谱进行准确分析。本文提出一种基于深度学习的Transformer模型，该模型采用编码器-解码器结构，通过嵌入位置编码的多头注意力来估计堆积脉冲的幅度，并将其应用于高性能硅漂移探测器的辐射测量，以及X射线荧光光谱学分析。为了训练该模型，通过预定义的数学模型模拟得到探测器输出的脉冲信号，为了模拟真实的核脉冲，在信号中加入了与热噪声和散粒噪声相对应的高斯噪声。训练后的模型通过截取粉末铁矿样品和粉末岩石样品的实测脉冲序列进行验证，使用相对误差作为模型性能评估指标，对应于脉冲幅度估计的准确度。在粉末铁矿样品和粉末岩石样品的实验测量8组离线脉冲序列中，得到的平均相对误差为0.89%。结果表明：该模型能够实现堆积脉冲幅度的准确估计。  
        关键词：堆积脉冲;深度学习;Transformer模型;位置编码   
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        发布时间：2024-10-25

        核能科学与工程

      • “在核能领域，专家基于ANSYS FLUENT建立模型，分析环形燃料组件流动换热特性，为优化设计提供参考。”
        曾付林,唐锚,赵鹏程,向钊才
        2023, 46(9): 090601. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090601
        摘要：环形燃料采用紧密栅结构，燃料棒束内沿周向的温度分布存在明显不均匀性现象。本文基于ANSYS FLUENT建立了环形燃料组件计算流体力学分析模型，分析不同栅径比下正方形与六边形环形燃料组件流动换热特性，研究组件内环形燃料外周向温度分布不均匀性。研究发现：适当增大栅径比有利于环形燃料外周向温度的展平，正方形组件栅径比在1.07~1.09之间较为合适；六边形组件环形燃料外周向温度分布不均匀性略低于正方形组件，栅径比可选择在1.06~1.09之间。增大栅径比对棒间隙处温度的均匀性改善最明显，对近壁面处的温度均匀性改善次之。研究结果可为环形燃料的优化设计提供参考。  
        关键词：环形燃料;周向温度分布;栅径比;子通道分析;计算流体力学   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在核电站燃料棒研究领域，专家分析了锆合金包壳与燃料芯块的化学相互作用层，揭示了其结构和形成机制，为燃料棒设计和安全运行提供重要参考。”
        王华才,杨大伟,程焕林,汤琪,王玮,钱进
        2023, 46(9): 090602. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090602
        摘要：反应堆运行期间，锆合金包壳与燃料接触后不断氧化，与燃料结合形成牢固的化学相互作用层，影响燃料间隙热导、包壳力学性能和燃料包壳机械相互作用。本文以压水堆核电站燃耗45 GWd·tU-1完整燃料棒为研究对象，利用金相显微镜（Metallographic Microscope）、扫描电子显微镜及能谱分析（Scanning Electron Microscopy-Energy Dispersive Spectroscopy，SEM-EDS）和热室内拉曼光谱（Raman Spectroscopy）方法对其化学相互作用层形貌及结构进行分析，国内首次获得堆内辐照后包壳和芯块化学相互作用层相关分析数据。结果表明：运行至45 GWd·tU-1燃耗后，燃料芯块与包壳间隙形成14~19 μm的化学相互作用层，不同位置机械接触的时间顺序差异，导致作用层的不连续形成与长大。SEM-EDS结果表明，相互作用层呈“蠕虫”状形貌，且由U、Zr、O三元素构成形成混合相（U，Zr）Ox化合物，并且发现化学相互作用层由化学黏附和机械作用共同作用的结果。拉曼光谱显示，化学相互作用层主要由四方相氧化锆（t-ZrO2）和单斜相（m-ZrO2）相组成。  
        关键词：压水堆核电站;完整燃料棒;化学相互作用层;化学黏附;（U，Zr）Ox化合物   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在轻水堆耐事故燃料包壳领域，研究了双层SiC结构包壳失效概率问题，为SiC复合材料包壳失效概率研究提供参考。”
        曹力文,易柏全,郝祖龙
        2023, 46(9): 090603. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090603
        摘要：碳化硅（SiC）复合包壳是未来轻水堆耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）包壳候选方案之一。本文主要研究了在失水事故（Loss Of Coolant Accident，LOCA）下双层SiC结构包壳的失效概率问题。基于SiC复合材料包壳失效概率计算方法，采用准稳态方法模拟计算了瞬态工况下的SiC复合材料包壳失效概率。通过分析各种应力在事故工况下的占比，对Weibull分布的两个特征参数进行敏感性分析；研究了不同燃耗对于失效概率的影响，模拟了在不同层厚比下包壳的失效概率。结果表明：复合层所占比例的变化、Weibull参数改变、在不同燃耗下发生LOCA事故，对于SiC复合材料包壳的瞬态失效概率都有着较为明显的影响。本文的研究有助于耐事故燃料包壳的开发与设计，为SiC复合材料包壳失效概率的进一步研究提供参考。  
        关键词：压水堆;碳化硅;复合包壳;失水事故;失效概率   
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        发布时间：2024-10-25
      • “南华大学研究团队在自然循环铅铋反应堆领域取得新进展，探索了堆芯最大功率输出，为提高反应堆安全性和经济性提供参考。”
        肖英杰,彭梁兴,赵鹏程,李琼,罗湾,于涛
        2023, 46(9): 090604. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090604
        摘要：为了提高自然循环铅铋反应堆的固有安全性和经济性，以南华大学自主设计的反应堆（Small PAssive Long-life LBE-cooled fast Reactor，SPALLER-100）为研究对象，探索其堆芯可输出的最大功率。在满足运输尺寸、材料耐久性、堆芯长时间运行的稳定性以及事故工况下的安全性等条件下，提出了5种稳态安全限制和2种事故安全限制。研究将稳态安全限制处理为多目标复杂多维非线性约束的优化问题，基于拉丁超立方抽样和克里金代理模型搭建了中子学最大功率计算平台；同时，考虑自然循环能力，分别计算不同堆芯高度下的中子学最大功率和自然循环功率，最终获得了满足中子学与热工的最大功率设计方案。基于设计方案与事故安全限制，采用准静态反应性平衡方法，开展了失热阱、超功率和入口冷却剂温度过冷等事故的全寿期安全分析。研究结果表明：堆芯功率由原100 MW提升到120 MW左右，中子学最大功率平台具有一定的准确性，且最大功率方案符合安全、经济的要求。研究结果为其他类型的自然循环反应堆的输出功率最大化设计提供参考思路。  
        关键词：铅铋反应堆;中子学最大功率;自然循环;准静态反应性平衡方法   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在医用同位素生产领域，研究了低富集铀启堆模式下MIPR生产99Mo的效率，为提高医用同位素生产效率提供新思路。”
        郁长清,朱贵凤,严睿,邹杨
        2023, 46(9): 090605. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090605
        摘要：医用同位素生产水溶液堆（Medical Isotope Production aqueous Reactor，MIPR）具有尺寸小、功率低和固有安全性高等优点，是99Mo和其他医用同位素生产的较佳候选堆型之一。本文重点研究低富集铀启堆模式下的提取方式以及处理能力对MIPR生产99Mo效率的影响。采用SCALE6.1蒙特卡罗程序、ENDF/B-Ⅶ 238群数据库进行计算。首先，根据已有的实验数据对MIPR中子学计算方法进行了验证，并对堆芯设计进行了中子学优化。然后，根据优化的堆芯模型对不同提取方式以及处理能力下的99Mo生产效率进行了研究，确定了可实现临界的铀浓度与富集度范围。结果表明：在不同富集度下存在最小临界质量，且随235U富集度的增加，最小临界铀质量时的铀浓度减小；有效倍增因子随硝酸浓度增加线性减小，相应的硝酸反应性系数约为-1.400×10-2 L·mol-1；随着铀浓度的增加，空泡和温度反应性系数减小，对应反应性系数分别约在（-100 ⁓ -250）×10-3 ℃-1和（-18 ⁓ -30）×10-5 ℃-1范围。MIPR生产99Mo的效率在线提取方式略高于离线批处理方式，5 d生产周期下，生产效率提高约16%。后处理能力对在线提取方式的生产效率影响较大，5 d生产周期下，后处理速率提高5倍，生产效率提高约113%。  
        关键词：水溶液堆;医用同位素;铀质量;99Mo;反应性系数   
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        发布时间：2024-10-25
      • “在铅铋反应堆领域，专家建立了堆芯模型，比较了3种燃料组件方案，为小型化及轻量化提供解决方案。”
        王昌,肖豪,刘紫静,常皓彤,王维嘉,赵鹏程
        2023, 46(9): 090606. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.090606
        摘要：燃料组件的几何结构和栅格参数显著影响铅铋反应堆的物理/热工特性，采用不同几何结构燃料组件的堆芯在相同换料周期、热工限值约束下的临界尺寸、燃料装载量存在差异。本文开展小型轻量化铅铋反应堆的燃料组件几何结构研究，通过建立铅铋反应堆堆芯模型，选取棒束型、环形、蜂窝煤型燃料组件方案，比较分析了3种方案在堆芯尺寸、燃料装载量、冷却剂流通面积、包壳和气隙体积相同和在换料周期为10 a、稳态热工安全裕量基本一致条件下堆芯的燃耗特性、反应性系数、稳态热工特性参数。结果表明：相比于棒束型与环形燃料组件，蜂窝煤型燃料组件良好的稳态热工特性与较硬的中子能谱，采用蜂窝煤型燃料组件的堆芯可以实现更小的堆芯尺寸及燃料装载量，具备显著的膨胀负反馈，同时能够有效展平功率分布和降低堆芯压降，是有利于铅铋反应堆小型化及轻量化的燃料组件方案。  
        关键词：铅铋反应堆;燃料组件;小型化;轻量化   
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        发布时间：2024-10-25
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