摘要
近十年来，中国加速器驱动次临界系统（ADS）的发展取得了重大进步。随着ADS超导直线加速器国际样机、铅基临界/次临界零功率装置VENUS-II和LBE（铅铋）冷却剂综合热工水力与材料测试装置的成功建造和运行，中国在迈向下一步ADS项目的先进稳定运行中发挥着关键作用。中国加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）是中国ADS项目的下一个装置，旨在弥补ADS实验和LBE冷却次临界反应堆之间的差距。CiADS的总功率将达到10MW。CiADS工程设计于2018年获得国家批复后，已全面进入工程应用阶段。次临界反应堆是CiADS的重要组成部分。当前，CiADS选用池式LBE冷却快堆作为其次临界反应堆。为支撑CiADS-LBE冷却次临界反应堆的设计和建造，同时进行了LBE冷却剂的物理和热工实验及软件开发。为进一步设计和开发ADS提供一定的数据支撑和参考，有必要介绍中国在LBE冷却快堆方面所做的努力。因此，本文介绍了中国ADS的发展路线、CiADS的发展过程、当前CiADS次临界反应堆的重要设计以及为建设LBE冷却快堆所做的努力。
Graphical abstract
研究背景及意义
随着化石燃料的大量开采和使用，化石能源短缺和环境污染已成为21世纪人类面临的两个重要问题。发展绿色能源已成为世界各国的当务之急。核能因其具有高效、可靠和低碳排放等优点，被认为是解决未来能源供应和保障经济社会可持续发展的战略选择。但是，在确保核电可持续发展的同时，必须解决两大问题：核燃料资源的稳定可靠供应和乏燃料的安全处置。20世纪90年代，为解决乏燃料安全处置问题，“分离-嬗变”式先进核燃料循环概念被提出。即加速器驱动次临界系统（ADS）利用加速器产生的高能质子束流轰击重原子核，产生高通量、广谱的散裂中子，进而驱动次临界反应堆将长寿命放射性核素转化为短寿命或稳定的核素。ADS被认为是未来最有希望解决次要锕系元素（MAs）安全处置问题的嬗变设施。自ADS概念被提出以后，国内外开展了大量的ADS技术研究。然而，完整的ADS装置至今尚未建成。中国加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）致力于建成完整的实验和验证性ADS装置。因此，有必要介绍中国在ADS技术和LBE冷却快堆方面所做的努力。本文介绍了中国ADS的发展路线、CiADS的发展过程、当前CiADS次临界反应堆的重要设计以及为建设LBE冷却快堆所做的努力，可为进一步设计和开发ADS提供一定的数据支撑和实践参考。
研究内容
我国从上世纪90年代中期开始研究ADS技术，近十年来ADS的发展取得了重大进步。随着超导质子直线加速器、VENUS-II装置和LBE冷却剂综合实验装置的成功建设和运行，我国在下一步ADS项目的先进稳态运行中起着举足轻重的作用。中国科学院已经为中国ADS的发展制定了明确的路线图。中国加速器驱动嬗变研究装置（CiADS）项目是中国ADS技术发展的第一阶段。总功率为10MW的CiADS项目于2018年获中国政府批准在广东惠州开工建设，预计于2024年完工，当前CiADS的概念设计已经完成。
次临界堆是CiADS的重要组成部分。目前，池式LBE冷却快堆被选为CiADS次临界反应堆的首选类型。52盒格架定位的燃料组件将提供约9.76兆瓦的热能。为了避免热交换器管道破口（HXTR）事故的风险，采用熔盐作为二次侧的冷却剂以带走堆芯热量。
目前，基于LBE-熔盐冷却的池式CiADS次临界堆的初步设计已经完成，并进入原型样机制造阶段。中国科学院近代物理研究所领导的详细工程设计正在进行，以填补CiADS次临界反应堆建设和运行方面的空白。为支撑CiADS次临界反应堆的优化设计，中子学分析程序、堆芯燃耗计算程序、LBE冷却剂三维热工水力分析程序、系统安全分析程序和燃料性能分析程序等仿真软件已经或正在开发。许多物理及热工的实验正在多个实验平台上进行，如铅铋实验回路STELA、LBE冷却剂标定平台、PIV燃料组件流体实验室、Venus-I和Venus-II，为软件开发提供可靠的验证数据。为积累CiADS次临界堆的建造和运行经验，小型集成验证装置和LBE综合实验回路正在设计和建造。
希望本文提出的相关数据和设计思路能为LBE冷却次临界堆设计提供一定的参考。
图1.CiADS池式铅铋冷却次临界反应堆结构
图2.CiADS反应堆燃料组件结构示意图
图3.LBE冷却三维热工水力CFD程序框架
图4.多物理场燃料性能分析程序计算框架
图5.基于可视化实验技术的燃料组件流体实验回路
研究展望
在中国ADS先导专项的支持下，中国ADS的LBE冷却反应堆关键技术取得了重大突破，包括LBE热工水力综合实验装置、零功率装置以及LBE腐蚀的材料协同效应和辐照实验装置等。这些科学基础设施为中国ADS的LBE冷却反应堆技术做出了卓越贡献。然而，仍然需要更多的研究和开发工作来支持CiADS-LBE次临界反应堆的建设和验证。由中国科学院近代物理研究所领导的未来科学与技术研究将集中在物理、热工、燃料、结构等领域内的设计软件开发、实验验证、核安全验证和集成系统性能测试等方面。
原文信息
Latest research progress for LBE coolant reactor of Chinainitiative accelerator driven system project
Long GU*, Xingkang SU
作者单位：
Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China
School of Nuclear Science and Technology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China
Abstract：
China’s accelerator driven subcritical system (ADS) development has made significant progress during the past decade. With the successful construction and operation of the international prototype of ADS superconducting proton linac, the lead-based critical/subcritical zero-power facility VENUS-II and the comprehensive thermal-hydraulic and material test facilities for LBE (lead bismuth eutectic) coolant, China is playing a pivotal role in advanced steady-state operations toward the next step, the ADS project. The China initiative Accelerator Driven System (CiADS) is the next facility for China’s ADS program, aimed to bridge the gaps between the ADS experiment and the LBE cooled subcritical reactor. The total power of the CiADS will reach 10 MW. The CiADS engineering design was approved by Chinese government in 2018. Since then, the CiADS project has been fully transferred to the construction application stage. The subcritical reactor is an important part of the whole CiADS project. Currently, a pool-type LBE cooled fast reactor is chosen as the subcritical reactor of the CiADS. Physical and thermal experiments and software development for LBE coolant were conducted simultaneously to support the design and construction of the CiADS LBE-cooled subcritical reactor. Therefore, it is necessary to introduce the efforts made in China in the LBE-cooled fast reactor to provide certain supporting data and reference solutions for further design and development for ADS. Thus, the roadmap of China’s ADS, the development process of the CiADS, the important design of the current CiADS subcritical reactor, and the efforts to build the LBE-cooled fast reactor are presented.
Keywords:
LBE (lead bismuth eutectic) coolant reactor, China initiative Accelerator Driven System (CiADS) project, research progress
Cite this article
Long GU, Xingkang SU. Latest research progress for LBE coolant reactor of China initiative accelerator driven system project. Front. Energy,https://doi.org/10.1007/s11708-021-0760-1
原文刊载于【FIE能源前沿期刊】公众号
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