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钍资源在地壳中的储量是铀资源的3倍多,聚变-裂变混合能源堆(FFHR)由于具有强的聚变中子源,可以高效地把232Th转换成易裂变核233U,此种路径将有效的扩充现有核燃料的资源。由于混合堆包层具有较高的能量放大能力,与纯聚变能源堆相比FFHR其对托克马克装置聚变参数的要求低近一个量级,目前国际热核聚变实验堆(ITER)的堆芯参数就可以满足要求,FFHR可以提前应用聚变能。但纯钍燃料装载的FFHR存在的问题是运行初期能量放大倍数M很低,这会对聚变功率和聚变增益(Q)提出更高的要求,而这在短期内难以实现。为实现堆内钍燃料的高效利用,本文的目标是研究FFHR在仅使用天然钍/铀燃料并保持较高的能量放大倍数(M≥6)和氚增殖比(TBR≥1.05)的前提下,达到较高的233U增殖能力,同时将增殖的233U在堆内烧掉,实现钍-铀燃料自持循环的设计方案。在上述目标下,本文围绕混合能源堆含钍燃料包层开展中子学研究,包层的燃耗计算采用清华大学核研院开发的输运燃耗程序COUPLE2.0,主要内容包括:1.基于ITER堆芯参数建立的简化二维D字型包层模型计算结果,创新性地提出了一种可实现上述目标的基于环向或极向交叉布置策略的水冷包层方案。包层由独立的钍燃料和铀燃料模块构成,两种燃料模块在包层的环向进行交叉布置。堆芯首炉优化后环向可支持60%钍燃料模块体积份额,20年末时,将铀模块替换成新的天然钍燃料模块,第二炉堆芯在60年的燃耗时间内可烧掉90吨的232Th。2.建立了FFHR水冷三维模型并与二维模型进行了对比,获得二维模型的参数M及TBR比三维模型偏高10%左右的结论。对钍铀燃料模块极向交叉布置的三维水冷包层进行了优化,得到较佳233U增殖性能的首炉布置方案。20年末时,三维模型同样可以过渡到全钍燃料装载的第二炉堆芯。为提高首炉堆芯233U的增殖速率,以降低首炉到第二炉的过渡时间,还研究了采用抑制裂变、氦气冷却和熔盐冷却的钍模块方案,各方案233U增殖速率分别是水冷方案的2、2.5和3.2倍。3.提出了基于233U启动的全钍熔盐燃料包层设计方案,包层采用产能与产氚功能分区布置。产能区(ThF4+233UF4)的摩尔组分为4.5%,其中233UF4占的比例为12%;产氚区在装载15%6Li富集度的产氚熔盐条件下,系统启动仅需要8.2吨233U,并在满足M和TBR设计要求条件下,采用周期性燃料后处理方式,可实现233U燃料自持循环,反应堆的运行只需要添加232Th燃料。