池式低溫供熱堆整體換料式方案核設計

巫騰飛

(中國原子能科學研究院核工程設計研究所 北京 102413)

核能供熱是利用核反應堆生產的能量直接供熱。其供熱的優點是相比于傳統的鍋爐供熱，在環境排放污染小的同時，燃料也從煤炭和天然氣轉變為核燃料，每次堆芯換料才需要運輸一次燃料，燃料的運輸需求量小，因此核能供熱優勢明顯，市場前景廣闊[1]。在20世紀80年代，清華大學完成了一體化布置的5 MW殼式供熱堆的設計工作[2]。為了能夠在允許建造在城市附近，將殼式堆放入泳池中即池殼式供熱堆，在2019年國電投完成了HAPPY200池殼式反應堆的總體技術方案[3]。

而相比于殼式和池殼式供熱堆，池式低溫供熱堆是在泳池堆幾十年安全穩定運行的基礎上，針對北方城市供熱需求新研發的堆型，比較其他反應堆，因為49-2原型堆運行經驗豐富，使供熱堆在設計上可靠性高、技術成熟；加上池式的設計、低溫低壓的運行工況也使得其具有固有安全性、系統簡單、占地面積小等優點，更適于靠近城市居民區進行建造。在2017 年，中國原子能科學研究院成功在49-2 泳池式反應堆上進行了冬季供暖演示[4]，驗證了池式反應堆在進行城市供暖時具有良好的固有安全性[5]。

在2021年，中國原子能科學研究院完成了69盒組件，三批倒料方式的核設計方案[6]。其中設計為每供暖450 天需要倒換一次料，但是由于供暖季節度連續性以及負荷跟蹤問題，倒換料不一定會在不供暖的間隙，可能在供暖期間需要倒換料，而供暖期間倒換料會暫停供暖，影響市民生活。因此減少倒換料次數或更改換料方法能夠有效減少可能發生的在供暖季期間進行倒換料帶來的負面影響。該文參考了韓國無可溶硼模塊化小型堆（SBF-SMR）的設計思路[7]，考慮在低溫供熱堆上采用整體換料方式的堆芯設計，即卸料時堆芯全部組件卸出，換入全新的所有組件的倒料方式，每900EFPDS 倒換一次料，相比于每450EFPDS 倒換料一次，所需倒料次數減半。

該文設計的反應堆堆芯采用整體換料式堆芯布置設計，由37 個國產CF3-S 燃料組件構成，具有較低的功率密度和較好的熱工水力性能；該堆芯為無硼棒控系統，通過載釓燃料棒補償燃耗等反應性損失，具有較強的負荷跟蹤能力和足夠的停堆裕量。該文介紹了設計池式低溫供熱堆堆芯時依據的核設計準則、堆芯的主要物理參數及設計，并給出了堆芯核設計的計算結果及相應的數據分析。

1 核設計準則

1.1 堆芯燃料和燃料管理

堆芯燃料裝載應具備足夠的后備反應性，使設計的反應堆在運行了設計目標的循環長度后仍具有剩余反應性；同時由于經濟性需求，堆芯換料方案應盡可能降低燃料成本，并使全堆平均卸料燃耗達到預期值[8]。

1.2 反應性控制

池式低溫供熱堆是一個無硼棒控系統，不能依靠調節可溶硼補償燃耗等反應性損失，因此其所依賴的反應性控制手段只有可燃毒物和控制棒系統。供熱堆的反應性控制要求：（1）當反應堆最大價值的一束棒卡在堆外，僅依靠第一套控制棒系統就能實現熱停堆并具備適當的停堆深度；（2）當第一套控制棒系統處于臨界棒位時，僅依靠第二套緊急停堆系統能實現冷停堆并具備適當的停堆深度。

1.3 反應性系數

在反應堆的各種運行工況以及啟動工況下，為保證堆芯具有負反饋特性，應使空泡反應性系數、慢化劑反應性溫度系數在循環中的任意時刻，始終均為負值。

1.4 熱工水力限制

由于供熱堆依靠深水靜壓獲得較高的出口飽和溫度，但其余量也較小，因此要求熱工水力方面不發生DNBR和流動不穩定現象。

1.5 計算機程序和數據庫

應采用評價過的核數據，所使用的計算機程序應通過基準例題和實驗測量結果的驗證，證明所采用的核數據和計算機程序是合理的，計算精度是滿足工程設計要求的。

2 計算機程序

堆芯核設計采用上海核星核電科技有限公司開發的堆芯核設計程序Orient程序系統。改程序采用二步法堆芯計算。程序包含采用MOC 方法進行組件參數計算程序ROBIN、基于節塊法的堆芯三維計算程序EGRET、組件程序與堆芯三維計算程序的連接程序IDLLY這3個部分。

3 堆芯描述

3.1 堆芯主要設計參數

供熱堆輸出熱功率為200 MW，區別于放置于之前的池式堆，供熱堆的堆芯將置于地下水池深26 m 處，使用水深提供靜壓力，運行壓力約為0.258 MPa，堆芯進出口溫度為68 ℃/98 ℃，冷卻劑流量為5 717 t/h。堆芯具體見圖1。

圖1 堆芯示意圖

反應堆堆芯由37個CF3-S燃料組件組成，燃料組件中心距為215.04 mm。全堆共布置了37束控制棒，即每個組件中均布置有控制棒束，37束中的28束控制棒是作為在正常運行期間的調節棒束和補償棒束；其余的9束則是作為備用停堆棒束，用于組成第二停堆系統。堆芯活性區高度為215 cm，等效直徑為147 cm。全堆金屬鈾總裝量為10 t，平均線功率密度為95 kW/m。表1給出與堆芯核設計相關的反應堆總體性能參數。

表1 200 MW堆芯核設計總體性能參數設計

3.2 燃料組件

反應堆采用CF3-S 組件，共計37 組。CF3-S 組件是17×17-25 排列方形結構，由骨架、24 根導向管、一根儀表管及264 根燃料棒組成的。燃料骨架由上管座、下管座、2 個端部格架、3 個攪混格架、2 個跨間攪混格架以及相應的連接件組成。單盒組件的尺寸為21.4 cm×21.4 cm，總高度254.8 cm。所有燃料組件均通過安裝在堆芯下板和堆芯上板的燃料定位銷進行定位，按照既定布置安裝在堆芯吊籃中。

3.3 載釓燃料棒

由于供熱堆不采用調硼濃度控制方式，因此需要采用可燃毒物來補償燃耗、氙釤毒、功率虧損等。同時通過合理布置可燃毒物棒及燃料富集度也可展平功率分布。

供熱堆的固體可燃毒物吸收體材料為三氧化二釓（Gd2O3），它與二氧化鈾（UO2）均勻打混制作成型，由鋯包殼密閉包絡，結構和燃料棒類型，構成載釓燃料棒。在所需要的燃料組件中，可布置4、8、12、16、20根不等的載釓燃料棒，但都需按1/8對稱布置。在每根載釓燃料棒中，Gd2O3的質量分數為8.0%。對于富集度為2.0%、2.4%、3.2%、4.8%的燃料組件，載釓燃料棒中UO2彌散體的U-235 富集度分別為0.714%、1.8%、1.8%、2.5%。

3.4 控制棒

全堆共布置37 束控制棒，其中9 束棒組成緊急停堆系統，其余28 束控制棒作為調節棒束和補償棒束，控制棒束在堆內的布置具體見圖2。其中C0/C5/C05/C6/C06作為緊急停堆棒束。在循環壽期的前半段，C4/C04棒束作為調節棒束；在循環壽期的后半段，C2/C02棒束作為調節棒束。

圖2 控制棒束分布圖

3.5 堆芯裝載和換料方式

經過設計計算，在滿足功率展平的基礎上，堆芯設置了4個區域，分別布置了2.0%、2.4%、3.2%、4.8%這4種不同富集度的燃料組件，其數目分別為1、12、8、16。堆芯所用燃料組件類型見表2。

表2 燃料組件類型

堆芯富集度布置具體見圖3。供熱堆采用整體換料方式，每年運行150 天（1 個供暖季），運行滿900 個EFPDs（6個供暖季）將全堆燃料整體換出。

圖3 堆芯富集度布置

4 計算結果及分析

4.1 堆芯燃耗

供熱堆為棒控系統，不能通過改變可溶硼濃度來維持堆芯的臨界。堆芯燃耗和功率分布計算是在熱態滿功率、控制棒處于臨界棒位下進行的。整個循環壽期的循環長度為900 個EFPDs。整個循環壽期熱點最大為3.78，熱焓升最大為1.78。經熱工水力計算表明，均不發生流動不穩定性和偏離泡核沸騰。

壽期末堆芯各組件的燃耗深度見圖4，其單位是MWd/tU。

圖4 壽期末堆芯各組件的燃耗深度

4.2 慢化劑和燃料溫度系數

反應性系數反映了由于反應堆運行條件（如功率水平、慢化劑平均溫度、燃料溫度、壓力等）變化引起有效增殖因子的變化能力。為了確保堆芯具有良好的穩定性和安全性，設計準則要求反應堆在任何功率水平下運行時，慢化劑溫度系數必須為負值或零。同時，由于供熱堆冷卻劑裝料非常大，整個深池水容量約為1 800 m3，通過主泵加熱冷卻劑不太實際，因而池式低溫供熱堆將采用冷啟動方式，這就要求慢化劑溫度系數必須達到一定的負值，以確保供熱堆的安全啟動。

表3給出循環分別在壽期初、壽期中、壽期末三個時刻的堆芯慢化劑和燃料溫度系數，對應計算的具體工況均為功率為零（0 Power）、氙毒為零（0 Xe），以及控制棒全部提出堆芯（ARO）。經過計算這些值均為負值，且大小滿足要求，符合前文提及的設計準則。

表3 慢化劑和燃料溫度系數

4.3 停堆裕量

此次設計的反應堆的反應性控制系統是由兩套獨立的控制棒系統組成，分別為控制棒調節補償系統和緊急停堆系統。控制棒設計必須滿足如下設計準則：在保守考慮下，假設在反應堆運行期間，出現意外工況需要使用第一套控制棒調節補償系統進行停堆，但是其中反應性價值最大的一束控制棒被卡在堆芯頂部無法插入堆內，其余控制棒束均全部插入堆芯，在這種情況下依然可使反應堆處于熱停堆狀態并具有所要求的停堆裕量；對于緊急停堆棒系統，假定第一套棒系統卡在臨界棒位，僅投入緊急停堆棒束可使反應堆達到冷停堆狀態并具有一定的停堆深度。

經計算，在剩余反應性最大的燃耗點，如果最大一束控制棒卡在堆外時，第一套停堆系統可以實現熱停堆，并具有3 000 pcm 的停堆深度；在第一套控制系統處于臨界棒位時，僅投入第二套緊急停堆系統可達到冷停堆，并具有2 000 pcm的停堆深度。

5 結語

計算結果表明，池式低溫供熱堆的堆芯循環長度達900 個EFPDs，平均卸料燃耗為18 000 MWd/tU，最大卸料組件燃耗為21 900 MWd/tU，最大棒燃耗小于51 000 MWd/tU，在燃耗設計限值要求范圍內，符合燃料管理設計準則；同時經過計算，整個循環壽期堆芯，在臨界狀態下，各燃耗時刻的最大棒功率峰因子小均于1.78，最大熱點因子均小于3.78，符合設計要求；慢化劑溫度系數均為負值且大小也滿足要求，剩余反應性最大燃耗點處的停堆裕量大于2 000 pcm，能夠確保反應堆具有良好的穩定性和安全性。