徑向倒料式駐波堆堆芯概念設(shè)計

婁 磊，曹良志，吳宏春，鄭友琦

（西安交通大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710049）

駐波堆是通過堆內(nèi)燃料組件的定期倒換料，在實現(xiàn)燃料增殖的同時維持堆芯內(nèi)燃耗區(qū)穩(wěn)定的一種堆型，又稱駐波式行波堆。

行波堆最初的概念是完全自動化的長壽期反應(yīng)堆模型［1］。其基本思想是用一臨界系統(tǒng)來形成一臨界波，點燃含有可裂變核素的次臨界系統(tǒng)，通過可裂變核素238U 或232Th等轉(zhuǎn)化為易裂變核素239Pu或233U 而形成增殖波先行，燃耗波后行，邊增殖邊燃燒。

東 京 工 業(yè) 大 學(xué) 的Sekimoto 課 題 組［2］從2000年開始進行行波堆（CANDLE 堆）研究，完成了鉛鉍快堆式的行波堆設(shè)計，并對其進行安全分析，設(shè)計了換料方案。CANDLE 堆是沿軸向燃燒的行波堆，堆芯功率分布穩(wěn)定，剩余反應(yīng)性小，便于控制。但其功率峰因子很大，堆芯內(nèi)最大線功率密度很高，受燃料最大燃耗深度的限制，其停堆更換包殼周期較短。Terra-Power公司［3］將行波的概念與鈉冷快堆相結(jié)合，提出沿徑向燃燒的行波堆概念，點火區(qū)與增殖區(qū)倒料，在充分利用相對較成熟的快堆技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過在布料和倒料策略上的優(yōu)化提高燃料利用率，以保證堆芯壽期。

本工作借鑒TerraPower公司沿徑向燃燒的行波堆概念，設(shè)計采用棋盤式布置的駐波堆堆芯布料方案，壽期結(jié)束時停堆倒料，以展平功率分布、降低個別組件的最大燃耗深度。結(jié)合國外提出的干法更換包殼的新技術(shù)，在每個壽期結(jié)束時，卸出堆內(nèi)燃料，更換包殼，然后重新裝入堆芯繼續(xù)燃燒。一般更換包殼是在堆芯停堆后冷態(tài)下進行的，因此可采用離線更換燃料包殼的策略，使得一堆芯中經(jīng)過增殖的燃料更換包殼后可裝入另一堆芯繼續(xù)燃燒。

1 組件與堆芯設(shè)計

徑向倒料式駐波堆堆芯設(shè)計采用傳統(tǒng)的反應(yīng)堆設(shè)計方法，計算流程示于圖1。

1.1 組件設(shè)計

組件設(shè)計是通過對組件進行中子學(xué)分析，確定組件類型、材料選擇、幾何結(jié)構(gòu)等參數(shù)，然后對各種富集度組件在各種工況下進行計算得到少群截面供堆芯計算使用。

組件計算采用日本原子能研究所（JAEA）開發(fā)的大型中子物理學(xué)計算程序包SRAC［4］，該程序包適用于多種反應(yīng)堆類型的設(shè)計計算。本工作采用的數(shù)據(jù)庫是107群JENDL-3.3數(shù)據(jù)庫，其中快群62群，熱群45群。共振處理采用超細群共振方法（PEACO），組件燃耗計算采用SRAC自帶燃耗功能。

1.2 堆芯設(shè)計

堆芯計算使用JAEA 開發(fā)的堆芯燃耗計算程序COREBN［5］。首先按照第1 燃料循環(huán)的堆芯裝料開始進行堆芯計算，得出壽期初和壽期末的堆芯參數(shù)，第1循環(huán)結(jié)束后，按照堆芯換料方案進行倒料，然后進行第2燃料循環(huán)的堆芯計算，以此類推。各循環(huán)計算結(jié)束后，分析各循環(huán)的計算結(jié)果是否滿足設(shè)計準則。如不滿足，則根據(jù)計算結(jié)果重新設(shè)計裝載方案和換料方案進行計算；如各循環(huán)計算結(jié)果均滿足設(shè)計準則，則計算結(jié)束。

2 設(shè)計目標和準則

為提高駐波堆的市場競爭優(yōu)勢，且確保堆芯安全，參考國際上先進核電站的設(shè)計要求及第4代核能系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，為行波堆的設(shè)計確定如下設(shè)計目標和準則。

圖1 堆芯設(shè)計計算流程Fig.1 Calculation process of core design

2.1 設(shè)計目標

1）電功率達到1 000 MW

較高的輸出電功率可降低單位發(fā)電成本，提高核電廠廠址利用率。目前3代、4代核電站的設(shè)計，主流輸出功率均在1 000 MW 左右或以上。為保證行波堆達到一定的經(jīng)濟效益，本工作駐波堆的設(shè)計目標為1 000 MW。按40.0%的熱效率計算，堆芯熱功率為2 500MW。

2）換料周期不小于5a

長的換料周期對于提高核電站負荷因子和燃料利用率具有重要作用，考慮到駐波堆中材料的耐輻照能力，換料或倒料周期設(shè)定為5a。

2.2 設(shè)計準則

1）最大線功率密度不超過50kW／m

最大線功率密度限制是為了保護燃料芯塊不被融化，本工作參考了快堆設(shè)計中最大線功率密度限值［6］。

2）最大卸料燃耗深度不超過150GW·d／tHM

最大卸料燃耗深度限值受目前包殼材料的影響，本工作中設(shè)定限值為150 GW·d／tHM［7］，在每次停堆后會將堆芯內(nèi)的燃料包殼全部更換，以確保下一壽期內(nèi)燃料包殼的完整性。隨著材料性能的提高，該限值可進一步放大，換料周期延長，換料成本進一步降低。

3 堆芯設(shè)計方案

3.1 組件設(shè)計

本工作設(shè)計的徑向倒料式駐波堆與TP-1堆均是用液態(tài)鈉作為冷卻劑的快堆，因此借鑒TP-1堆的組件設(shè)計，采用傳統(tǒng)快堆的六邊形組件類型。燃料組件設(shè)計示意圖示于圖2。圖2中，燃料棒直徑為12.6mm，棒間距為1.16mm，有效燃料棒長度為2.5m，氣腔高度為2m，包殼厚度為0.55 mm，燃料成分為U-5%Zr合金，包殼成分為HT9 不銹鋼。1 個組件包含127根燃料棒，組件的兩個平面之間的距離為16.46cm。

圖2 燃料組件設(shè)計示意圖Fig.2 Design scheme of fuel assembly

燃料組件類型分為兩類：點火組件和增殖組件。點火組件材料為U-5%Zr合金，其中鈾富集度約為10%。增殖組件的成分是采用壓水堆經(jīng)冷卻處理后的廢料，即U+TRU。

控制棒組件參考BN-600 中控制棒結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)示于圖3。

圖3 控制棒組件設(shè)計圖Fig.3 Design scheme of control rod assembly

3.2 堆芯尺寸設(shè)計

考慮到堆芯設(shè)計時必須滿足特定的設(shè)計目標和準則，根據(jù)堆芯功率、壽期和燃料富集度可計算出堆芯重金屬裝載量約為30.4t。本文中設(shè)計的組件高3 m，每個組件中重金屬裝載量為0.15t，因此共需約202個組件。考慮到在實際堆芯中，增殖組件相對于點火組件的功率幾乎可忽略，且點火組件的功率分布也不均勻，考慮一定裕量后堆芯尺寸最終設(shè)計為直徑3.8m、高3m，全堆芯除25根控制棒外共可排布414個組件。

3.3 堆芯布料方案

堆芯初始裝料方案影響堆芯內(nèi)裝料的富集度及堆芯功率分布等情況。本工作給出兩種初始布料方案：低泄漏布料方案和棋盤式布料方案，示于圖4。設(shè)計方案中包括300根點火組件，114根增殖組件。堆芯前5a的功率分布示于圖5。

圖4 低泄漏布料方案（a）和棋盤式布料方案（b）Fig.4 Low leakage loading scheme（a）and checkerboard loading scheme（b）

圖5 堆芯功率分布Fig.5 Core power distribution

上述兩種布料方案中，低泄漏布料方案的最大線功率密度發(fā)生在堆芯的最內(nèi)側(cè)，達到122kW／m，遠超過設(shè)計限值50kW／m。而棋盤式布料方案的最大線功率密度出現(xiàn)在偏外區(qū)域，為47kW／m，符合設(shè)計限值。這是由于將部分低富集度的增殖組件置于堆芯內(nèi)側(cè)，壓低了堆芯內(nèi)側(cè)的功率。

圖5a所示的低泄漏布料方案的優(yōu)點是中子泄漏少，使堆芯臨界的燃料初始富集度低，但由于最大線功率密度較高，超過設(shè)計限值，故不能被采用。而棋盤式布料方案的缺點是中子泄漏多，初始燃料富集度較低泄漏布料方案的高，但其優(yōu)點是展平了功率分布，降低了功率峰因子和最大線功率密度。棋盤式布料方案中初始235U的富集度為10%。本工作采用棋盤式布料方案。

堆芯倒換料方案的目的一方面是為了展平堆芯功率，另一方面則是確保倒換料后堆芯臨界。目前的堆芯倒換料方案是在每一循環(huán)結(jié)束更換燃料包殼后，所有組件重新放入堆芯內(nèi)原來的位置，即目前不進行倒換料依然可滿足功率展平和新一循環(huán)堆芯臨界的要求。

4 計算結(jié)果及分析

4.1 堆芯參數(shù)

堆芯keff和功率分布分別示于圖6、7。從圖6可看出，堆芯在前3個燃料循環(huán)共15a的時間內(nèi)，堆芯易裂變核素總量處于產(chǎn)生大于損耗階段，堆芯keff持續(xù)上升，在第4個燃料循環(huán)即15～20a的時間內(nèi)，keff才開始下降，表明易裂變核素總量開始進入損耗大于產(chǎn)生階段。

圖6 堆芯keff隨時間的變化Fig.6 Core keffvs.time

第1個燃料循環(huán)結(jié)束后，堆芯內(nèi)組件最大燃耗深度為100.718GW·d／tHM，最大線功率密度為49kW／m，均在設(shè)計限值內(nèi)。第1循環(huán)結(jié)束停堆后，采用冷態(tài)更換包殼技術(shù)［1］對全堆芯燃料元件更換包殼，以保證元件結(jié)構(gòu)的完整性，同時將燃料元件內(nèi)氣腔中的裂變氣體釋放。照此方法，各燃耗步結(jié)束時，凈增的組件最大燃耗深度和最大線功率密度列于表1。

圖7 堆芯功率隨時間的分布Fig.7 Core power vs.time

表1 各燃耗步中組件凈增的最大燃耗深度和最大線功率密度Table 1 Net increase of maximum burnup and maximum linear power density of assembly in every burnup step

從表1可看出，燃耗深度和最大線功率密度均滿足設(shè)計基準值。且從keff變化趨勢可看出，堆芯內(nèi)部依然有大量的易裂變核素可維持堆芯臨界，第4循環(huán)結(jié)束后，可繼續(xù)更換堆芯燃料元件包殼，放入堆芯燃燒。實際操作中需將堆芯內(nèi)燃料組件進行適當(dāng)調(diào)整，以展平功率分布，達到降低最大線功率密度和組件最大燃耗深度的目的。

4.2 燃料利用率

本工作中的倒料式駐波堆每5a停堆，更換燃料元件包殼，然后重新裝入堆芯繼續(xù)燃燒［8］。這樣既可保證燃料元件結(jié)構(gòu)的完整性，又能在更換包殼的過程中釋放燃料元件氣腔中的裂變氣體。每5a的燃燒使堆芯內(nèi)組件的最大燃耗深度達到了燃耗限值，但堆芯內(nèi)仍含有大量易裂變核素。表2列出堆芯點火組件和增殖組件內(nèi)235U、238U 及Pu的總量隨燃料循環(huán)的變化。

表2 兩類組件中重要核素的質(zhì)量隨時間的變化Table 2 Important nuclide quality in two types of assemblies vs.time

從表2可看出，堆芯內(nèi)235U 和238U 逐漸減少，而Pu 的量逐漸增加，且Pu 中各分量（包括239Pu和241Pu）均呈增加趨勢。這是由于堆芯內(nèi)238U 吸收中子轉(zhuǎn)換為239Pu，而239Pu可吸收中子發(fā)生裂變或轉(zhuǎn)換為Pu的其他同位素。

本工作采用堆芯某一個壽期結(jié)束時燃燒掉重金屬的比例η 來衡量鈾資源的利用率，在以鈾為燃料的堆芯內(nèi)，η為：

式中，M初、M末分別為壽期初和壽期末鈾的總質(zhì)量。

表3列出4個循環(huán)壽期結(jié)束時燃燒掉重金屬鈾的比例。由表3可看出，每一壽期末平均消耗了堆芯內(nèi)鈾總質(zhì)量的3.5%，表明徑向倒料式駐波堆對鈾資源有較高的利用率。每個壽期結(jié)束后，只需更換燃料元件包殼，不需加入新料即可保持堆芯臨界，節(jié)約了燃料成本；不需將燃料中增殖產(chǎn)生的钚分離而直接放入堆芯燒掉，簡化了操作難度。此外，從表2還可看出，堆芯內(nèi)易裂變核素的總量在整個堆芯壽期中呈遞增趨勢，表明每個燃料循環(huán)結(jié)束后卸出的燃料中含有大量易裂變核素，如果選用全部或部分卸出的點火組件和增殖組件重新組合放入其他行波堆，還可用于點燃這些行波堆堆芯。

表3 4個循環(huán)結(jié)束時燒掉堆芯重金屬的比例Table 3 Proportion of burned heavy metal at the end of four cycles

5 結(jié)論

本工作提出的徑向倒料式駐波堆，在堆芯每個壽期末對堆芯燃料更換包殼，然后繼續(xù)放入堆芯燃燒。堆芯燃料放入堆芯時可根據(jù)易裂變核素的含量在堆芯內(nèi)進行棋盤式布料，展平功率分布，降低了組件最大燃耗深度；每個壽期末卸出的燃料不需钚的分離，減少了核擴散風(fēng)險；由于燃料的增殖性能，每一燃料循環(huán)結(jié)束后更換包殼，放入堆芯即可繼續(xù)臨界，降低燃料成本，提高了燃料利用率；卸出的燃料中含有大量的易裂變核素，可用來點燃其他行波堆。對該堆芯的安全性能指標進行了檢驗，組件最大燃耗深度和最大線功率密度等均符合設(shè)計準則。

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