俄羅斯BN—1200快堆核燃料的選型研究

劉舒　江林

摘 要：該文簡述了俄羅斯BN-1200快堆核燃料組件選型的研究工作。燃料組件有三種備選方案。通過堆芯計算程序得出三種燃料的核物理相關特性。比較分析得出氮化物燃料的性能最優，是BN-1200反應堆最合適的燃料方案。

關鍵詞：BN-1200 快堆 核燃料 氮化物燃料 MOX燃料

中圖分類號：TL32 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（c）-0091-02

Abstract：This paper describes the nuclear fuel component selection researches for BN-1200 sodium cold fast reactor in Russia. The fuel assembly has three options. The nuclear physics characters of the three fuels are derived from the reactor core calculation program. The comparative analysis shows that the best performance of the nitride fuel is the most suitable fuel scheme for the BN-1200 reactor.

Key Words：BN-1200； Fast Reactor； Nuclear Fuel； Nitride Fuel； MOX Fuel

近年來，俄羅斯核工業的主要發展方向是快中子反應堆（快堆）。由于在BOR-60、BN-350及BN-600等項目上獲得了豐富的經驗，俄羅斯在快堆研究領域占有領先地位?？於鸭夹g的發展促使BN-800反應堆建成，也促使BN-1200、BN-1800和BREST（鉛冷）等快堆項目立項。

BN-1200反應堆正處于設計階段，燃料成分及結構仍未最終確定。俄羅斯無機材料研究院（無機院）對BN-1200反應堆的幾種燃料組件方案進行了選型研究。該文介紹了該研究機構對3種燃料組件方案的選型研究工作。

1 BN-1200燃料組件選型方案

BN-1200反應堆燃料組件目前有以下3種備選方案[1]。

（1）芯塊法MOX燃料組件（芯塊型燃料（U+Pu）O2）。

（2）振動密實法MOX燃料組件（振動密實型燃料，93% （U+Pu）O2+7%U天然金屬）。

（3）氮化物燃料組件（具有高含量钚同位素的再生芯塊型燃料（U+Pu）N）。

選擇前兩種燃料組件方案是為了充分利用BN-800反應堆燃料的設計經驗。目前BN-800反應堆所需的兩種MOX燃料組件已實現首批交付。MOX燃料能較充分利用乏燃料后處理中的钚元素，有利于提高鈾資源利用率，有利于保護環境和防止核擴散[2]。

選擇氮化物燃料方案的原因是，俄羅斯“突破”項目計劃在BN-1200和BREST（鉛冷快堆）上使用更加先進和安全的氮化物燃料。氮化物燃料具有MOX燃料所具的優點，即在閉式燃料循環中充分利用乏燃料中的钚元素[3]，此外相比于MOX燃料，氮化物燃料還具有其他優勢：首先，氮化物燃料工作溫度低，可以避免發生失冷事故和引入反應性時燃料包殼過熱或破損[4]；其次，氮化物燃料對裂變氣體產物和活性化學元素，如銫、碘、硒及碲等有較強滯留作用，可以降低腐蝕性裂變氣體與燃料棒的化學作用[5]；另外，同等條件下氮化物燃料中的裂變氣體產物釋放量要小于氧化物燃料。

為具體比較3種燃料方案的特性，無機院通過堆芯計算程序對3種燃料進行了核物理特性研究[1]。

2 堆芯燃料分析計算模型

為分析燃料特性，通過精密程序MCU建立了BN-1200反應堆堆芯的非均勻計算模型。

計算模型中燃料組件和增殖區組件單獨作為均勻結構進行研究。由于堆芯中有控制棒柵格，單獨模擬了一些柵格，其中控制棒位于不同下插深度。堆芯是裂變區，周圍是軸向增值區和徑向增殖區。

BN-800和BN-1200反應堆的燃料組件類似。為進行模型驗證，對BN-1200的計算參數與BN-800堆芯組件運行值進行了對比，偏差平均不超過7%。由此可判斷所建立計算模型合理。

3 堆芯增殖系數比較

通過所建立的模型計算得到3種燃料在兩區域內的堆芯增殖系數。如表1所示，具有最大增殖系數的是氮化物燃料堆芯。采用氮化物燃料可以使增殖系數在沒有補充增殖區時超過1，氮化物燃料的增值系數最高可達1.47[3] 。所以氮化物燃料最適合于增殖堆使用。

4 能量特性比較

反應堆最重要的運行參數是初始反應性裕量和換料周期。表2給出了使用不同燃料的BN-1200反應堆的主要能量特性。

由表2可以看出，采用氮化物燃料其反應性裕量相對較低，但由于燃耗深度大，燃料在堆內停留時間會增加，提高了燃料的使用效率。因此使用氮化物燃料將具有良好的經濟效應。

5 反應性效應比較

燃料組件選型的一個標準是在反應堆功率或溫度升高時，燃料有負反饋效應。計算堆芯在兩種狀態下的反應性效應得到鈉空泡效應，兩種狀態是堆芯充鈉和堆芯相關區域失鈉。計算得到的反應性效應見表3。

根據表3所得結果，3種燃料具有類似的反應性效應值。然而，在正常運行條件下使用氮化物燃料可以通過更大的溫度功率效應提高額定功率水平下的運行穩定性。

6 控制棒效應比較

通過控制棒的積分重量對比不同燃料堆芯的控制棒效應，積分重量表示插入堆芯的不同組合的控制棒從下部位置提到最上部位置時堆芯反應性的變化。endprint

核安全標準[6]要求的反應堆停堆時的次臨界水平≥2%（?K/K），從表4中可以看出該數值對于所計算的3種類型燃料，在最不利的情況下都可以得到可靠保證。

7 結語

該文介紹了俄羅斯BN-1200反應堆3種燃料組件方案的選型研究情況。

無機院計算了3種燃料的增值系數、燃耗深度、經濟性和反應性效應等核物理參數，對計算結果進行比較分析得出氮化物燃料的總體核物理特性最優。

相比于MOX燃料，氮化物燃料的優勢可量化為：在堆內的停留時間增加12%，燃料燃耗深度增加2%，增值系數增加9%。這些優勢可以保證燃料被更有效地利用，因此氮化物燃料是BN-1200反應堆最合適的燃料方案。

參考文獻

[1] Чуйкина АВ，Аникин МС.Перспективные виды топливных композиций для проекта реакторной установки БН-1200[R].XX Международная научно-практическая конференция ?современные техника и технологии?.Москва，2014.

[2] 尹邦躍.中國試驗快堆MOX燃料研究進展[J].核科學與工程，2008，28（4）：305-312.

[3] VA Eliseev，LM Zaboudko.Nitride fuel for a prospective BN-1200 type fast sodium reactor[J].Atomic Energy，2013，114（5）：331-336.

[4] Рогозкин Б.Д.и др.Послереакторные исследования мононитридного и оксидного плутониевого топлива с инертной матрицей выгоранием～19% ТЯЖ.АТ.В БОР-60[J].Атомная энергия，2010，109（6）.

[5] Рогозкин Б.Д.и др. Термохимическая стабильность， радиационные испытания， изготовление и регенерация моно-нитридного топлива[J].Атомная энергия，2003，95（6）：428-438.

[6] НП-082-07，Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций[S]. Москва，2008.endprint