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美国发布《国际核能研究创新2012年报》

发布时间:2013-11-8 09:02   

“国际核能研究创新”(I-NERI)通过美国和国际伙伴之间双边合作研究支持核科学和技术的进步,是美国能源部核能办公室(DOE-NE)用来促进核科学和工程的研究与发展(R&D)的几种机制之一。I-NERI的创新研究主要针对影响未来核能使用和其全球部署的关键问题。2013年8月13日,美国能源部公布了《国际核能研究创新2012年报》。该年报介绍了I-NERI的概况、I-NERI支持的研究工作范围,更新了2012财年项目的完成业绩,包括已完成项目的成果及正在进行项目的进展情况。

一:I-NERI简介

为响应全球核领域的合作需求,2001年美国DOE-NE发起设立I-NERI。I-NERI的目标是:

1.开发核能与反应堆技术的先进概念并获得科学突破,以解决和克服核能在全球广泛使用中的主要科学和技术障碍;

2.促进与国际机构和科研机构的双边和多边合作,改进核能开发;

3.提升核科学与工程的基础设施,以满足未来的技术挑战。

通过I-NERI计划,DOE-NE与各国政府、产业界、学术界和全球研究界就先进反应堆概念和先进燃料循环问题开展广泛的科学讨论。图1说明了I-NERI计划的主要特征。

I-NERI研究工作范围主要分为两个领域:反应堆概念研究、研发与示范(RD&D)和燃料循环研究与开发(FCR&D)。

反应堆概念RD&D计划的使命是开发新的先进反应堆设计和技术,这些设计和技术具有更广泛的适用性及更好的经济性和竞争力。RD&D活动是致力于解决核能技术、成本、安全与安保方面的挑战,具体有:先进反应堆概念(ARC);下一代核电厂(NGNP)、小型模块堆先进概念研发、轻水堆可持续发展、先进建模与仿真。

FCR&D计划的使命是:①开发乏燃料管理策略和技术,以支持联邦政府管理和处置国家商用乏燃料和高放废物的职责;②开发可持续的燃料循环技术和方案,提高资源利用率和电力生产,减少废物,提升安全性并限制扩散风险。FCR&D的研究活动包括5个方面:燃料循环方案;先进燃料;分离、废物形式和燃料资源;乏燃料处置;材料保护、衡算和控制技术。

到目前,DOE-NE已经与6个国家(巴西、加拿大、法国、日本、韩国和南非)和2个国际组织(欧盟与经合组织(OECD))进行了合作,开展了107个项目。I-NERI项目一般为3年,经费由合作双方共同分摊。到目前,I-NERI的总研发投资经费为2.618亿美元,其中,美国出资1.399亿美元,其他合作机构出资1.219亿美元。

二、2012财年业绩

自I-NERI启动以来,共开展了107个项目,其中,正在进行的项目有18个,另外一个在2012财年完成(下见表1)。下面概述2012年I-NERI计划中两个研究领域项目的进展与完成情况。

1.反应堆概念RD&D

正在进行的反应堆概念RD&D项目有9个:3个是研究核系统的先进材料;5个是改进核研究工具,包括生成、验证和/或升级现有的数据/数据库与建模/仿真程序;1个致力于核电厂的安全。

与材料相关的研究正在开发微观和纳米级的测试技术。研究人员可以用它来评估宏观辐照引起的力学性能变化,从而评估材料能否经受住反应堆内的苛刻条件。研究小组已经开发了一系列的测试样品,并开始测试和比较不同方法的有效性和准确性。

其他两个项目正在研究降低应力腐蚀开裂(SCC)敏感度的方法。一个项目正在研究690合金的热处理对原子重新排序的影响。研究人员对该合金采取了各种形变热处理并进行了测试。结果表明,一些处理方法,尤其是冷处理,会明显改变材料的行为。中子衍射表明,晶格在400℃老化过程中会发生收缩。这可能是因为合金低温退火过程是短程有序(SRO)的。

第二个SCC项目是研究老化对异种金属焊接微观结构的影响,尤其是当用152合金焊料将低合金钢(LAS)焊接到690合金时,铬的稀释效应对焊接接口的影响。研究人员已经制成一个有代表性的异种钢焊接样品并进行了检测,发现热老化使焊根区域的铬和镍被浓集。浓集铬有助于焊根区域铬和镍的生长和形成,以及熔合边界区域铬沉淀物的生长与形成。样品在315℃的PbO+0.1MNaOH溶液中的测试结果显示,溶液中的PbO含量降低了600合金上形成的氧化物的钝性,使氧化物化学成分改变,最终导致SCC敏感度增加。

项目正在开发一种具有高分辨率的测量裂变碎片速度、能量和电荷的仪器。研究结果是依据现有核数据获得的新数据文件,即用于未来快堆系统的几种关键同位素的数据文件。先进的仪器将检测和测量同时产生的一对裂变碎片,而目前的仪器只能检测单个裂变碎片。第一年的工作重点是测试整套设备的单个部件,这套设备是利用薄的转换箔、静电镜和超快微通道板来测量碎片的飞行时间,具有高的分辨率。最终设计还将纳入能量测量。目前,原型电离室已制成,具有更高的分辨率的第二套设备的工作正在进行中。

数据项目团队正在对零功率钚反应堆(ZPPR)-15基准测试计划中的负荷记录归档,并用这些有价值的金属燃料测量数据生成高保真的蒙特卡罗模型。该小组已审阅了ZPPR-15的A~D四个阶段所有制图员的主标识和运行记录手册,以确保未来数据的可用性;分析了12个实验的配置,并为制图员提供了各种近似模型。项目研究人员还为BFS-76-1A(超铀元素燃烧堆)临界物理实验生成了35个蒙特卡罗模型。

项目通过比较反应堆堆芯的MCNP(蒙特卡罗N-粒子程序)计算和实验测量结果,验证和确认一套用于先进核反应堆的高保真多物理模拟方法。该项目是最近完成的I-NERI项目。2012财年的研究重点是完善DeCART中子程序,用标准题进行验证测试,更新截面库等。研究人员正在寻求新的方法来减少误差。例如,他们利用高斯求积提出了一种新的方位角离散方案,能将方位角离散化引起的误差降低2〜5倍。对于准确和可靠DeCART程序,研究小组开发了一个子群截面库生成程序,该工具能用MCNP5生成参考共振积分。初步试验结果表明,主锕系元素的估计共振截面是准确的。

在2012财年启动的新项目,将交叉地用高保真流体动力学(CFD)计算模型,进一步推进建模与仿真。CFD模型应用于核反应堆堆芯流量研究。四个伙伴机构将用团队成员间共享的通用数据,系统地交叉验证核反应堆堆芯几何(棒束或球床)的特性。

最后一个反应堆概念RD&D项目是研发和验证先进核电厂监控、诊断和预测超设计基准事故的方法。在极端工况下,自给能传感器及其网络将提供核电厂的相关信息。国内外的研究团队审查各自国家的轻水反应堆的重要安全功能和组件,提出监测超设计基准事故的技术建议。研究人员正在确定开发严重事故期间安全监测指标系统(SIMSA)的要求、方法和资源。团队成员做了大量的概念验证测试,证实了瞬时预测技术。研究人员还开发了用于诊断的工艺设备的监测和预测工具:一个MATLAB工艺设备监测工具箱和一个工艺与设备预测工具。研究团队还开始开发和验证核电厂全场断电情况下的工况监测的无线技术,并确定了目标准备建立一个网络。

2.燃料循环研究与开发(FCR&D)

正在进行的10个FCR&D项目中:3个是研究能承受高温和高辐射剂量的合金;2个是锕系元素的基础研究;4个是研究轻水堆(LWR)或快堆的先进燃料;1个是针对后段燃料循环,研究分离方法,改进乏燃料的废物管理。

2012年美国与韩国完成一个合作研究工作,即深入研究增强耐辐射能力的奥氏体不锈钢的微观结构,并评估由此产生的性能。该研究小组应用等通道转角挤压(ECAP)技术改变化学特性和细化氧化物纳米粒子的大小和分布。与大颗粒钢相比,纳米颗粒钢除了具有很好的耐氦、氪和铁离子辐照能力之外,还保持了高强度和适中的延展性。

第二个项目组也在研究纳米粒子强化钢。研究人员用两种先进的材料加工技术生产纳米结构的铁素体合金(NFA)和铁素体/马氏体(F/M)双相钢。在2012财年中,他们对两种氧化物弥散强化(ODS)的9Cr合金进行了热处理和性能检测。研究结果发现,增加NFA合金中的碳含量不能提高合金的断裂韧性。部分相变热处理增加了一种合金的强度和均匀延伸率,而热退火改善了合金的断裂韧性,受控热轧对合金的改善效果更加显著。

第三项合作正在开发先进的ODS和F/M钢并确定其性能、研究这些钢在钠中的腐蚀效应,并检验ODS钢的辐照行为。他们正利用若干辐照计划,以制备一些供辐照后分析的材料,并收集建模用的数据。团队成员已经获得三种ODS合金的福照后样快,正在共享测试数据,并在进行ODS合金在铅和铅-铋中的长期腐蚀试验。

为了增进对锕系元素的基本理解,一个项目团队正在研究新的主要和次要锕系元素的重要实验数据,包括裂变碎片质量分布以及随入射中子能量变化的瞬发中子发射情况。在2012财年中,研究人员测量了入射中子能量从1MeV到200MeV的235U和239Pu的中子诱发裂变的瞬发中子发射谱。他们用洛斯阿拉莫斯国家实验室模型对入射中子能量在1~8MeV的实验数据进行了分析,并用实验测量238U随入射中子能量变化的裂变碎片质量产量。

另一个项目组正在详细研究两个不同的中子探测器的特性,以测量瞬发裂变中子谱:传统的NE213探测器和对三联苯闪烁体探测器。在2012财年期间,欧洲原子能共同体的研究小组研究了对三联苯闪烁体探测器的性能,并准备将它用于调查能量范围高达10MeV的裂变中子谱。美国研究人员用NE213探测器测量了能量范围高达20MeV的不同的对称反应和靶。面临的主要挑战是制备合适的测量探测器效率的锂反应靶。目前已经确定并测试了两个靶。目前的任务主要集中在制备一个背衬为镍的锂靶。

两个项目正在研究先进的轻水堆燃料。一个是针对燃料/靶的制备和性能检测技术问题,进一步理解颗粒燃料技术。在2012财年中,项目团队完成了初步的压制和烧结研究,测量了多孔二氧化铀(UO2)颗粒的孔隙率。低密度颗粒的微观结构薄弱,因此非常适合作为轻水堆燃料芯块制造中的UO2粉末的替代品。

第二个项目是支持引入全陶瓷微型密封(FullyCeramicMicro-encapsulated,FCM)燃料。这种燃料被认为具有强的耐事故性能。项目团队已确立了燃料组件概念,并通过兼容性分析确定了可行性。研究人员已用设计基准事故及超设计基准事故分析手段对燃料增强的耐事故能力进行了验证,并已研制和辐照了燃料样品。目前开始对其测试和分析。

其他两个燃料项目正在检验快堆燃料。一个团队铸造了几个公斤级的合金,用以在研究钠冷快堆的金属燃料棒制造过程中最大限度地减少损失和废物流的方法。最有前途的样品将与三元合金进行比较。团队成员也已开始制造包覆样品,这些样品将在2012财年设计与制造的实验室规模的铸造系统中进行测试。

第二个快堆燃料项目旨在更好地了解快中子谱条件下的次锕系元素嬗变燃料的行为特征,例如先进混合氧化物燃料、先进金属合金燃料、惰性基质燃料和其他陶瓷燃料。在2012财年中,研究人员致力于开发高空间分辨率的仪器,这将有助于确定燃料的导热性和机械性能。他们采用聚焦离子束(FIB)并结合计算建模和仿真,对辐照燃料样品进行电子背散射衍射(EBSD)研究。美国研究组成员克服了重大挑战将FIB制备的样品运输到德国超铀元素研究所,支持对辐照碳化硅的联合检测。

最后一个FCR&D合作项目是设计电化学技术方法,回收乏燃料棒中的锆,使废物管理更有效。在2012财年中,研究人员对熔盐进行实验测量,目的是提供关键的建模参数。这些参数将被用于建立铀-锆电解精炼的三维动力学模型。该项目团队还开发了一个共沉积计算模型,用以在竞争电沉积的基础上研究电解锆回收系统。为了验证计算模型,研究人员分别在一个静态室和一个旋转滚筒室中开展了铜和镍的沉积实验。

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