HFETR低濃化堆芯Co60同位素生產(chǎn)優(yōu)化研究

劉水清　康長虎　劉紅倩　譚晶華　鄒鵬　冉忠康

【摘 要】高通量工程試驗(yàn)堆（HFETR）從第72-2爐開始，HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換，至第74-1爐起堆芯全部順利地轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料元件。本文將對HFETR的堆芯布置進(jìn)行研究，探討HFETR低濃元件堆芯生產(chǎn)同位素的堆芯裝載優(yōu)化模式。結(jié)果表明：HFETR堆芯元件裝載采用低泄漏即“內(nèi)→外”裝載方式，提棒方式采用先提中心棒后提外圍棒，Co60同位素靶同位素生產(chǎn)轉(zhuǎn)換比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的最佳方案。

【關(guān)鍵詞】低濃鈾燃料;堆芯裝載;轉(zhuǎn)換比;優(yōu)化方案;HFETR

中圖分類號(hào)： F416.23文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）15-0064-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.031

The Optimization Research of Co60 Isotope Production in HFETR Low-enriched Core

LIU Shui-qing KANG Chang-hu LIU Hong-qian TAN Jing-hua ZOU Peng RAN Zhong-kang

（Nuclear Power Inistitute of China，Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】From the beginning of the 72-2th core，the high-enriched uranium fuel was changed to low-enriched uranium fuel in the High Flux Engineering Test Reactor（HFETR） core gradually，and the whole core has been changed to low-enriched uranium fuel element successfully from the start of the 74-1th core.The paper will research the core arrangement of the HFETR，and discuss the core loading optimization model of the Co60 isotope production using HFETR low-enriched element core.The result shows when using the core fuel loading model with low leakage（that is “in-out” model） and rod lifting model which lifting the center rods first and then the perimeter rods in HFETR，the isotope production conversion ratio of the isotope target is the highest.The above research scheme is the best scheme at present.

【Key words】Low-enriched uranium fuel;Core loading;Conversion ratio;Optimization scheme;HFETR

0 前言

高通量工程試驗(yàn)堆（HFETR）從開始運(yùn)行至第72-1爐一直以高濃鈾為燃料。從第72-2爐開始，HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換，至第74-1爐起堆芯全部順利地轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料元件，安全地實(shí)現(xiàn)了HFETR的低濃化。

HFETR低濃元件堆芯生產(chǎn)Co60同位素，其堆芯裝載也沒有一定的固定模式，人為隨意性較大。為了提高HFETR生產(chǎn)Co60同位素靶同位素的產(chǎn)量，使相同的投入得到較大的產(chǎn)出，亦即得到相同的Co60同位素靶同位素產(chǎn)量而投入較小，本文將對HFETR的堆芯布置進(jìn)行研究，選擇最合適的堆芯布置方案，使之既能滿足同位素年生產(chǎn)任務(wù)要求，又能追求較大的產(chǎn)出、投入比，獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。本文以同位素生產(chǎn)為主，兼顧其他同位素的生產(chǎn)，同時(shí)還要考慮單晶硅等民品的輻照生產(chǎn)，探討HFETR低濃元件堆芯生產(chǎn)同位素的堆芯裝載優(yōu)化模式。

1 HFETR堆芯優(yōu)化原則

HFETR堆芯裝載方案必須是可運(yùn)行的，因此應(yīng)遵從以下原則：

1.1 徑向功率不均勻系數(shù)小于熱工安全限值2.5，軸向功率不均勻系數(shù)小于熱工安全限值1.5

1.2 堆芯必須有足夠的后備反應(yīng)性

保證足夠的壽期：每爐段積分功率任務(wù)要求為1960MWd。

1.3 除要求全插棒有足夠的停堆深度外，還要求在只提安全棒時(shí)堆仍有一定的次臨界度（大于1βeff）

在運(yùn)行過程中，堆必須能被有效的加以控制，堆運(yùn)行安全是必須要保證的。

1.4 Co60同位素靶柵元的平均熱中子注量率不大于1.5×1014n·cm-2·s-1

Co60同位素靶同位素生產(chǎn)過程中，靶件本身的熱工限制。

1.5 追求 Co60同位素靶同位素的最大轉(zhuǎn)換比

在確保2.1-2.4四條以后，要求HFETR堆芯的優(yōu)化結(jié)果使同位素有較大的轉(zhuǎn)換比，并追求最大轉(zhuǎn)換比。

2 HFETR堆芯優(yōu)化研究

2.1 定義

“內(nèi)→外”式亦稱低泄漏式（L-LEAK）裝載定義為將元件布置區(qū)域分成幾個(gè)區(qū)，燃耗淺的元件入堆時(shí)放置于元件區(qū)的中心，將元件逐漸分區(qū)外移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

“外→內(nèi)”式亦稱高泄漏式（H-LEAK）裝載定義為：將元件布置區(qū)域分成幾個(gè)區(qū)，燃耗淺的元件入堆時(shí)放置于最外區(qū)，將元件逐漸分區(qū)內(nèi)移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

“混合式”亦稱中泄漏式（M-LEAK）裝載定義為：將元件布置區(qū)域分成幾個(gè)區(qū)，燃耗淺的元件和燃耗深的元件插花布置，將元件根據(jù)燃耗分區(qū)內(nèi)移和外移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

轉(zhuǎn)換比Rc定義為：每消耗一個(gè)U235原子所生產(chǎn)的同位素的H3原子數(shù)。根據(jù)燃耗計(jì)算輸出的核密度數(shù)據(jù)，可以把某一時(shí)間間隔Δt=ti+1-ti中同位素的轉(zhuǎn)換比寫為：

Rc=（N3（ti+1）-N3（ti））/（N5（ti）-N5（ti+1））

=（ΔN6/Δt）/（ΔN5/Δt）

式中，N5（ti）和N5（ti+1）分別為ti和ti+1時(shí)刻全堆U235原子數(shù);N3（ti）和N3（ti+1）為相應(yīng)時(shí)刻產(chǎn)生的同位素原子數(shù);N6為靶元素的原子數(shù)。

2.2 HFETR堆芯優(yōu)化

經(jīng)過大量HFETR堆芯布置方案的計(jì)算比較與篩選，選擇了在77盒元件、幾個(gè)不同的元件倒料模式下的三個(gè)典型裝載方案進(jìn)行計(jì)算：“內(nèi)→外”式即低泄漏式（L-LEAK），“外→內(nèi)”式即高泄漏式（H-LEAK）， “混合式”即中泄漏式（M-LEAK）。為了使計(jì)算簡單易行，且不失一般性，尤其重要的是所計(jì)算堆芯裝載布置具有可運(yùn)行性。計(jì)算中，考慮元件組成為：元件、Co60同位素靶件、鈹、鋁等;見表1。

影響Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的主要物理因素有：

2.2.1 堆芯裝載布置

這是關(guān)鍵因素，提高同位素的產(chǎn)量，關(guān)鍵是要合理布置堆芯。HFETR堆芯布置非常靈活，除18根控制棒，2個(gè)Ф63孔道、2個(gè)Ф180孔道和2個(gè)Ф120孔道外，元件、鈹塊和鋁塊可以靈活調(diào)整，通過改變堆芯的布置，在確保堆安全的前提下，使轉(zhuǎn)換比較大并追求最大。

2.2.2 靶元素的燃耗效應(yīng)

隨著靶元素燃耗的加深，靶內(nèi)熱中子注量率因靶的自屏因子減小而上升，但由于靶元素的核密度降低，使宏觀吸收截面減小，兩者的綜合效應(yīng)會(huì)使靶內(nèi)的反應(yīng)率密度下降，從而使轉(zhuǎn)換比降低。

R（t）=K/（1/β（t）+θ）

式中，R（t）為靶芯中t時(shí)刻的反應(yīng)率密度;K為常數(shù)，β（t）為t時(shí)刻靶件的密度，定義為入射到靶內(nèi)的中子被靶吸收的份額;θ為表征靶件中除靶材料外其余材料核性質(zhì)的參數(shù)，可以認(rèn)為是常數(shù)。

2.2.3 提棒方式

HFETR堆芯中除兩根安全棒和兩根自動(dòng)調(diào)節(jié)棒外，有14根手動(dòng)調(diào)節(jié)棒分布于堆芯內(nèi)的不同位置。在堆芯運(yùn)行中逐漸提出堆芯以補(bǔ)償反應(yīng)性消耗。如果先提外圍棒，后提中心棒，整個(gè)堆內(nèi)的通量分布相對平坦，這對布置在活性區(qū)外的反射層中的Co60同位素靶件內(nèi)的熱中子注量率相對提高，但對活性區(qū)內(nèi)的Co60同位素靶件內(nèi)的熱中子注量率則相對降低;反之，先提中心棒，后提外圍棒，會(huì)使活性區(qū)內(nèi)Co60同位素靶件內(nèi)的熱中子注量率相對提高，而反射層中的Co60同位素靶件內(nèi)的熱中子注量率相對降低。

2.3 優(yōu)化計(jì)算結(jié)果

通過大量的計(jì)算比較和篩選，著重對表1中列出的3個(gè)方案進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算的主要結(jié)果見表2。堆芯裝載示意圖見附圖。

由表2可知，三種布置方案均滿足堆芯優(yōu)化設(shè)計(jì)原則的前四條，且壽期都達(dá)到1960MWd，并滿足同位素生產(chǎn)要求，4個(gè)Ф63孔道、2個(gè)Ф180孔道和1個(gè)Ф120孔道能滿足同位素和民品生產(chǎn)要求。徑向功率不均勻系數(shù)和軸向功率不均勻系數(shù)小于熱工安全限值。低泄漏即“內(nèi)→外”裝載方式較高泄漏“外→內(nèi)”裝載方式Co60同位素靶同位素生產(chǎn)轉(zhuǎn)換比提高23%，這可以大大提高Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的產(chǎn)量。“內(nèi)→外”式換料方式中，先提中心棒后提外圍棒，轉(zhuǎn)換比可提高3.2%;“外→內(nèi)”式換料方式中，先提外圍棒，后提中心棒，轉(zhuǎn)換比可提高4.0%。可見，HFETR堆芯元件裝載采用低泄漏即“內(nèi)→外”裝載方式，提棒方式采用先提中心棒后提外圍棒，Co60同位素靶同位素生產(chǎn)轉(zhuǎn)換比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的最佳方案。

堆芯優(yōu)化研究結(jié)果已于HFETR第72-2爐起應(yīng)用于堆芯換料物理方案設(shè)計(jì)中。

3 結(jié)束語

HFETR堆芯優(yōu)化研究是一個(gè)非常有價(jià)值和廣闊應(yīng)用前景的項(xiàng)目。目前的研究表明：低泄漏即“內(nèi)→外”裝載方式較高泄漏“外→內(nèi)”裝載方式，Co60同位素靶同位素生產(chǎn)轉(zhuǎn)換比提高23%，這可以大大提高Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的產(chǎn)量。HFETR堆芯元件裝載采用低泄漏即“內(nèi)→外”裝載方式，提棒方式采用先提中心棒后提外圍棒，Co60同位素靶同位素生產(chǎn)轉(zhuǎn)換比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的最佳方案。堆芯優(yōu)化研究結(jié)果已于HFETR第72-2爐起應(yīng)用于堆芯換料物理方案設(shè)計(jì)中。以后還可以繼續(xù)從HFETR堆芯中子能譜入手，采用遺傳算法等方法對堆芯裝載進(jìn)行更深入的研究，進(jìn)一步提高 Co60同位素靶同位素生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換比，追求轉(zhuǎn)換比的最大值。