新型可燃毒物的混合應用研究

秦冬　陳長　盧迪　樊興　魏彥琴　李健　楊平　魏學棟

摘要：可燃毒物是長壽期小型無可溶硼堆芯全壽期反應性控制的重要手段。可燃毒物的燃耗特性對反應堆全壽期的功率分布具有重要影響，獲取與堆芯燃耗匹配性好的新型可燃毒物是目前研究的一個重要方向。本文在單種可燃毒物研究的基礎上，考慮對兩種可燃毒物進行混合使用。分析結果表明：采用分區混合使用的方式，可使可燃毒物在初始引入負反應性相當的情況下，壽期中反應性振蕩和壽期末反應性懲罰比其他方案具有明顯優勢。本文的工作為新型可燃毒物的研究提供了一種新的思路。

關鍵詞：長壽期堆芯 可燃毒物 混合應用

Research on the Mixed Application of New Burnable Poisons

QIN Dong1 CHEN Zhang1 LU di1 FAN xing1 WEI Yanqin1 LI Jian1 YANG Ping2 WEI Xuedong1

（ 1. Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan， 610041 China;

2. Nuclear Power Institute of China， Chengdu， Sichuan， 610041 China）

Abstract： Burnable poison is an important means of reactivity control of the whole life for longlife small non-soluble boron core. Burnup characteristics of burnable poisons have an important impact on the reactor power distribution for whole life， and to get a burnable poison which is good match with the core burnup is an important new direction of the current study. On the basis of a single study burnable poison before， the paper consider the mixed use of two kinds of burnable poisons. The analysis show that the mixed use of partitions can enable the reactivity oscillation in mid-life and the reactivity penalty in the end of life have obvious advantages over others under the situation of introducing equivalent negative reactivity at the beginning of life.The work in this paper provides a new idea for the research of new combustible poisons.

Key Words： Long life core; Burnable poisons; Mixed application

1 前言

長壽期小型無可溶硼堆芯采用控制棒和可燃毒物作為堆芯反應性控制的主要手段。由于堆芯所能布置的控制棒驅動機構數量有限，同時為了實現長壽期堆芯裝載的后備反應性較大，對反應性控制能力需求更強，因此可燃毒物在堆芯反應性控制中的作用尤為重要。

此外堆芯運行時，堆內控制棒動作對于堆芯空間功率分布的影響非常明顯，會形成較大的功率峰值，對堆芯安全造成不利影響。因此，為了減少堆芯運行時的控制棒動作，展平全壽期堆芯功率分布來提升堆芯安全性，獲取能與堆芯燃耗匹配較好的可燃毒物以減少堆芯壽期內的反應性波動是目前研究的一個重要方面。

為此開展了多種新型可燃毒物的中子學性能研究，這些研究主要集中在單種可燃毒物的中子學特性上^[1-6]。然而，可燃毒物的類型總是相對有限，通過使用某一種可燃毒物而實現多目標性能匹配的難度相對較大。本文在前期研究的基礎上，考慮對兩種可燃毒物進行混合使用，通過對混合使用的方式、類型進行計算分析，研究新型可燃毒物的混合使用效果，為新型可燃毒物的研究提供一種新的思路。

2 研究原則和內容

對于可燃毒物而言，中子學的需求主要體現在三個方面：

• 壽期初能夠引入較大的負反應性;

• 壽期中可燃毒物消耗釋放的反應性與燃料燃耗消耗的反應性相匹配，即全壽期的Kinf較為平緩;

• 壽期末可燃毒物消耗較為徹底，帶來的反應性懲罰盡可能少。

本文選取目前較為典型的幾種可燃毒物類型：B₄C、Gd₂O₃、Er₂O₃和Eu₂O₃開展研究。其中，硼和釓燃耗速度較快，鉺和銪的燃耗速度相對較慢，在進行混合時需考慮快慢的搭配。混合的形式主要考慮兩種：均勻混合和分區混合。均勻混合即把快、慢兩種可燃毒物均勻混合作為一種材料處理;分區混合即把快、慢可燃毒物在毒物棒芯體內部獨立分離處理，如圖1所示。

3 KYLIN程序^[7][8]

本文計算研究采用的KYLIN程序是二維組件（柵格）中子/光子輸運計算程序，使用包含兩百多種核素的190群核截面數據庫，采用子群法共振計算模型和中子流耦合碰撞概率法輸運計算模型，能夠處理各種復雜幾何結構的組件，其適用性廣、計算精度高。

4 計算結果分析

4.1 均勻混合研究

對于上述四種可燃毒物，在均勻混合時考慮快慢搭配，形成四種組合：釓和鉺、釓和銪、硼和鉺、硼和銪。在燃料組件（輕水堆棒形燃料組件）裝載一致（燃料富集度、可燃毒物棒布置數量及位置）的條件下，通過調整混合毒物中單種毒物的含量使得組件初始Kinf基本一致，得到不同組合類型、不同毒物含量的組件燃耗情況如圖2～圖5所示。

從圖中明顯可見，通過調整混合毒物中不同類型毒物的含量，可使得組件初始Kinf在基本相當的情況下，組件燃耗特性呈現出不同的形態。總體上而言混合可燃毒物的燃耗特性曲線介于兩種單獨可燃毒物燃耗特性曲線之間，可通過調整混合毒物中不同類型單種毒物的含量，使得初始引入負反應性一定的情況下，調整壽期中的燃耗特性，即控制可燃毒物的燃耗速率，以便和堆芯燃耗相匹配。

4.2 分區混合研究

由于可燃毒物對中子的強吸收作用，整個毒物棒芯體燃耗在徑向上是不均衡的，外區毒物大量吸收中子，從而對內區毒物形成屏蔽，即所謂“空間自屏”。一般而言，毒物芯體的外區可燃毒物消耗較多，內區由于自屏效應消耗較少，在壽期末剩余較多造成反應性懲罰。為了降低壽期末反應性懲罰，同時不影響全壽期的反應性控制能力，考慮通過在內外區設置不同特性的可燃毒物，增加調整可燃毒物燃耗特性的手段。

將毒物芯體從徑向上分為10圈，考慮在內區設置快燃耗毒物釓（加快壽期末的消耗，減少壽期末剩余量），在外區設置慢燃耗毒物鉺，其含量均為采用單一毒物時組件Kinf接近1.1時各毒物的含量。內釓-外鉺不同圈數下的組件燃耗特性曲線如圖6所示。

根據圖6計算結果，選擇反應性釋放較為平緩的內外分區比例，在該內外區占比下，研究內區Gd2O3毒物含量對反應性釋放的影響。圖7給出釓含量變化對反應性釋放的影響，其中圖中數值表示釓含量與原含量的比值。從圖中可以看出，通過改變釓的含量，可進一步優化反反應性釋放速率。根據圖7計算結果，釓含量提升至原含量的2.8倍時，反應性釋放較為平緩，在該釓含量下，研究外區鉺毒物含量對反應性釋放的影響。圖8給出鉺含量變化對反應性釋放的影響，其中，圖中數值表示鉺含量與原含量的比值。從圖中可以看出，通過改變鉺的含量，可進一步優化反反應性釋放速率。根據圖8計算結果，鉺含量提升至原含量的1.2倍時，反應性釋放更為平緩。最終給出的優化方案為：在內外區占比4：6，釓含量提升至原含量的2.8倍，鉺含量提升至原含量的1.2倍。

圖9給出該優化方案與單類型毒物方案及均勻混合方案的燃耗結果比較，表1 給出了不同毒物布置方案的結果比較。從表中可見，對于不同的毒物布置方案，在壽期初初始Kinf基本相當（壽期初引入負反應性基本相當）的情況下，分區混合布置的壽期中反應性振蕩最小，約是均勻混合布置的1/2， 鉺毒物方案的1/5， 其壽期末的燃耗深度達到無毒物布置的87.2%，僅次于釓方案，比均勻混合布置方案高20%左右，比鉺毒物方案高88%。 可見，毒物分區混合布置方案在壽期初引入相當負反應性的情況下，在壽期中反應性振蕩和壽期末反應性懲罰方面與其他毒物布置方案相比，具有較為明顯的優勢。

5 結語

本文面向長壽期小型無可溶硼堆芯全壽期反應性控制問題，開展了新型可燃毒物的混合應用研究，從均勻混合和分區混合方面開展了計算評估，結果表明：

（1）采用均勻混合布置方案的組件燃耗特性曲線介于兩種單獨可燃毒物燃耗特性曲線之間，在初始引入負反應性一定的情況下，增加了調節壽期中燃耗特性的手段;

（2）與其它方案相比，分區混合方案在壽期初引入負反應性相當的情況下，在壽期中反應性振蕩和壽期末反應性懲罰方面具有明顯的優勢，但是設計更為復雜。

本文的工作為新型可燃毒物的研究提供了一種新的思路。

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