论文标题：Influence of TRISO Fuel Particle Arrangements on Pebble Neutronics and Isotopic Evolution

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/6/3/27

期刊名： Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

球床反应堆（PBRs）作为第四代核能系统的重要候选堆型，其燃料元件由数万个TRISO（三结构同向性）燃料颗粒弥散于石墨基体中构成。然而，TRISO颗粒在燃料球内的空间分布存在随机性，制造缺陷或设计差异可能导致颗粒排布偏离理想状态，进而影响同位素演化与中子经济性。现有研究多关注全堆芯尺度下随机排布对临界性的影响，但针对单球尺度内不同颗粒构型对中子谱和燃耗行为的系统性评估仍较为有限。针对这一问题，来自美国弗吉尼亚联邦大学（Virginia Commonwealth University）机械与核工程系的Ben Impson、Mohamed Elhareef、Zeyun Wu和Braden Goddard组成研究团队，在Journal of Nuclear Engineering发表研究成果，系统评估了多种TRISO颗粒排布构型对球床中子学及同位素演化的影响。

研究过程与结果

研究团队基于X-Energy公司Xe-100反应堆的TRISO-X燃料球设计，采用MCNP6.2蒙特卡洛程序构建了多种颗粒排布模型：均匀分布（Even）、半随机分布（Semi-Random）、URAN随机几何模型，以及代表制造缺陷或特殊设计的Iris（颗粒集中于外壳）、Pupil（颗粒集中于中心）和Bottom（颗粒集中于底部）模型。所有模型均以等效均匀化模型作为基准，在1200 K的ENDF/B VII.1截面数据下进行无限倍增系数(k_∞)计算与燃耗模拟，燃耗计算耦合CINDER程序，目标燃耗深度为160 GWd/MTU。

研究结果表明，TRISO颗粒排布对球床中子学参数具有不可忽略的影响。均匀化模型的k_∞ 最低（1.43316），而颗粒局部聚集的Pupil和Bottom模型k_∞ 显著升高（分别达1.62349和1.61136）。中子能谱分析显示，随着颗粒分布不规则性增加，中子谱逐渐软化，共振逃逸概率提高。下图展示了各球床模型的中子能谱对比，均匀化模型的能谱明显硬于非均匀化模型，表明其共振逃逸概率最低；而颗粒越聚集，热中子份额越高，k_∞ 越大。

各球床几何模型的中子能谱对比

燃耗计算进一步揭示，非均匀化模型的²³⁵U消耗速率略慢于均匀化模型，且²³⁹Pu积累量显著低于均匀化模型（后者约为前者的两倍）。在非均匀化模型之间，半随机和URAN模型的k_∞ 略高于均匀分布模型，表明随机化方法本身也会影响燃耗行为。

结论总结

本研究系统揭示了TRISO颗粒空间分布对球床中子学与同位素演化的显著影响。主要结论包括：非均匀化模型的k_∞ 高于均匀化模型，颗粒局部聚集会软化中子谱并提高共振逃逸概率；颗粒分布越不规则，超临界运行时间越长，²³⁵U消耗越慢，²³⁹Pu积累越少，这对燃料利用率和核保障均具有重要意义；随机化方法（如半随机与URAN）对反应性和钚积累存在细微但统计显著的影响，模拟中需谨慎选择。研究建议单球模拟应避免过度简化的均匀化模型，制造过程中TRISO颗粒排布的质量控制可有效提升反应堆性能并降低预测不确定性。未来工作应聚焦全堆芯模拟，以评估这些局部效应在大尺度下是否平均化或持续存在，并结合热工水力学与力学行为分析，评估优化TRISO分布的可行性与安全性。

Impson, B.; Elhareef, M.; Wu, Z.; Goddard, B. Influence of TRISO Fuel Particle Arrangements on Pebble Neutronics and Isotopic Evolution. J. Nucl. Eng. 2025, 6, 27.

期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci, University of South Carolina, USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.7，CiteScore 2.3，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。

截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。