增殖比可調快堆的轉換方案初步研究

肖云龍，吳宏春，鄭友琦，袁顯寶，王昆鵬

（1.西安交通大學 核科學與技術學院，陜西 西安 710049；2.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；3.環境保護部 核與輻射安全中心，北京 100082）

傳統的快中子反應堆一般被設計為固定的轉換比。2006 年，為適應美國的核能發展形勢需求，阿貢國家實驗室提出了轉換比可調的快堆設計方案［1］。該方案使得快堆的設計不再局限于固定的轉換比，而是能根據工業的發展需求進行動態的調節。現階段，發展大型快中子增殖堆是國家核電“三步走”戰略的重要內容，但考慮到核工業的發展受未來核燃料供應以及核廢料處理的影響，未來對快堆的需求仍無法給出定論。因此，西安交通大學提出了使用金屬燃料、鈉冷卻的增殖比可調快堆設計方案［2］。

本文基于改進后的增殖比可調快堆設計提出轉換方案，并對增殖比可調快堆的控制棒價值、溫度參數以及固有安全性等進行分析，以進一步說明增殖比可調快堆的可行性。對轉換方案的評估也基于對改進方案的分析結果。

1 計算工具

堆芯方案及轉換方案的設計均使用西安交通大學自行開發的SARAX1.0（system for advanced reactor analysis at XJTU）軟 件 包。組件計算基于JENDL-3.3和碰撞幾率法，堆芯計算采用基于CITATION 的三維六角形幾何擴散程序。平衡循環分析采用自行開發的燃料管理 程 序FMEFR（fuel management evaluation code for fast reactor）。熱工計算采用單通道傳熱模型。安全分析采用阿貢國家實驗室提出的準靜態安全分析方法［3］。此方法能通過反應性系數方便地判斷快中子反應堆是否滿足固有安全性。

2 堆芯方案

2.1 堆芯布置

增殖比可調快堆選用有效密度為75%的U-Pu-Zr金屬燃料。增殖材料則為50 GW·d／t的壓水堆乏燃料。4個典型增殖比（BR）下的堆芯布置如圖1所示。4種堆芯布置具有相同的燃料組件設計以及相同的控制棒布置，這是進行轉換方案設計的前提。

圖1 不同增殖比的堆芯布置方案示意圖Fig.1 Sketch map of core layout with different breeding ratios

2.2 方案評估

為驗證增殖比可調方案的可行性，對控制系統、燃料及包殼溫度以及各堆芯的固有安全性進行評價。

在控制棒全提的情況下，各增殖比下keff的變化如圖2所示。整體上看，隨著增殖比的增大，剩余反應性逐漸減小。keff的最大值為1.031，出現在增殖比為1.1 時的第2 個循環初。

圖2 各增殖比下的keffFig.2 kefffor different breeding ratios

研究中根據不同控制系統的需求分別評價各增殖比下兩套控制系統的價值。結果表明，在考慮了事故工況下可能引入的反應性損失以及最大價值的控制組件不能工作的情況下，主控制系統能提供的停堆裕量在14 MYM 以上，次級控制系統能提供的停堆裕量在5 MYM 以上。這說明控制系統的價值是完全足夠的。

此外，在設計低增殖比堆芯時利用富集度分區，設計高增殖比時利用增殖組件的布置來展平堆芯的徑向功率分布，獲得的各方案中最大線功率密度均小于50kW／m。進一步的多通道計算表明，在各個方案的穩態運行過程中，燃料中心最大溫度為877 ℃，小于金屬燃料（U-Pu-Zr）的固相線溫度1 100 ℃；包殼內壁最大溫度為556 ℃，小于燃料-包殼的共晶溫度650 ℃。由此說明，在最大線功率不超過50kW／m 的前提下，最大燃料中心溫度和最大包殼內壁溫度是可接受的。

通過反應性系數的計算和準靜態安全分析方法［3］，證明了在不同的增殖比下，各方案均是滿足固有安全性的。

3 轉換方案設計與評價

針對增殖比可調快堆的特點，設計能實現增殖比轉換的方案十分必要。考慮到最具挑戰性的情況，轉換方案的設計選取了增殖比為1.1和1.4的兩個方案為目標。第1個轉換方案將增殖比從1.1調節到1.4；第2個轉換方案則反過來將增殖比從1.4調節到1.1。完整的轉換過程包含3個階段：初始階段，從啟堆到初始增殖比的平衡循環的階段；轉換階段，堆芯布置完成轉變的階段；最終階段，完成堆芯布置轉變后再次達到平衡循環的階段。分別用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ來代表這3個階段。

增殖比的轉變主要通過換料方案的設計實現。在增殖比為1.1和1.4的原始方案中，均采用了4批次只換料不倒料的策略，而循環長度分別為260d和240d。下面的轉換方案的設計中，均維持原始方案的換料批次和循環長度不變，僅依據最終階段的功率分布對某些組件的換料做針對性的變化。

根據各增殖比下堆芯的分析結果，各增殖比下的keff均小于1.031，最大線功率均小于50kW／m。因此，在轉換方案的設計中選取了最大剩余反應性和最大線功率密度作為設計準則。若轉換過程中最大keff不超過1.031、最大線功率密度不超過50kW／m，即認為轉換方案是滿足設計要求的。

3.1 增殖比從1.1調節到1.4

經研究計算，最終采用的轉換方案為兩批換料，每個循環260d。圖3為轉換方案的示意圖，從圖3可清楚看到轉換過程中堆芯布置的變化，圖中帶網格的六角形代表新加入堆芯的組件。

圖3 增殖比從1.1到1.4的轉換方案Fig.3 Transition scheme for breeding ratio from 1.1to 1.4

圖4為整個轉換過程中增殖比的變化，可看到在轉換階段初期，由于外圈大量增殖組件的加入，增殖比出現急劇上升，最終穩定在1.4附近。

圖4 增殖比從1.1到1.4的轉換過程Fig.4 Entire transition process of breeding ratio from 1.1to 1.4

圖5為整個轉換過程中keff的變化。可看到，與圖2相同，最大的剩余反應性出現在初始增殖比為1.1時的第2個循環。由此可見，轉換過程中的keff滿足設計準則。值得注意的是，keff在轉換階段后期和最終階段的初期出現了明顯下降，這主要是因為增殖組件的大量引入。因此，對于從低轉換比到高轉換比的轉換過程，需在轉換階段維持較高的反應性，防止最終階段初期的剩余反應性過低。

圖5 增殖比從1.1到1.4轉換過程中的keffFig.5 keffof entire transition process for breeding ratio from 1.1to 1.4

圖6為整個轉換過程中最大線功率的變化。線功率的峰值出現在初始階段和最終階段，所有的線功率均小于50kW／m，滿足設計準則的需求。

圖6 增殖比從1.1到1.4轉換過程中的最大線功率Fig.6 Maximum linear power of entire transition process for breeding ratio from 1.1to 1.4

3.2 增殖比從1.4調節到1.1

由于高增殖比堆芯中布置有較多的高富集度組件，而轉換過程中增殖組件被大量移出。因此，需較長的時間消耗掉較大的反應性。經研究，最終確定了3批換料、每批循環260d的換料方案。圖7為增殖比從1.4轉換到1.1的換料方案示意圖。

圖8為增殖比在整個轉換過程中的變化。從圖8 可看到，轉換方案成功地將增殖比為1.4的堆芯布置轉換成增殖比為1.1的堆芯布置。由于增殖組件移出，在轉換階段出現了明顯的增殖比下降。

圖7 增殖比從1.4到1.1的轉換方案Fig.7 Transition scheme for breeding ratio from 1.4to 1.1

圖8 增殖比從1.4到1.1的轉換過程Fig.8 Entire transition process of breeding ratio from 1.4to 1.1

圖9為轉換過程中keff的變化。與低增殖比到高增殖比的轉換方案類似，在轉換階段后期及最終階段初期也會出現大幅的反應性降低。與此同時，由于增殖組件移出，堆芯中還余有較多的高富集度燃料組件，在轉換階段出現了整個過程中的最大反應性。從數值上看，最大的keff未超過1.031，滿足設計要求。

圖9 增殖比從1.4到1.1轉換過程中的keffFig.9 keffof entire transition process for breeding ratio from 1.4to 1.1

圖10示出了整個轉換過程中最大線功率的變化。可明顯看到最大線功率的峰值出現在初始階段的第3個循環，且所有的線功率均不超過50kW／m。

圖10 增殖比從1.4到1.1轉換過程中的最大線功率Fig.10 Maximum linear power of entire transition process for breeding ratio from 1.4to 1.1

4 小結

本文針對增殖比可調的快堆方案，提出可實現增殖比靈活調節的兩套轉換方案。

基于對增殖比可調堆芯的詳細物理分析，在轉換方案的設計上選取了keff和最大線功率作為設計準則。對于兩套方案，在轉換階段后期和最終階段初期均出現了大幅的反應性下降。因此，在轉換階段中均需維持較高的剩余反應性。針對從高增殖比向低增殖比轉換和從低增殖比到高增殖比轉換的不同特點，在轉換方案的設計上前者傾向于使用多批次來使轉換過程中的反應性不超過限值，而后者更傾向于使用較少的批次來使加入增殖組件后的堆芯能保持臨界。

兩套方案的分析結果表明，兩套轉換方案均能順利實現增殖比轉換的目標。且整個轉換過程中堆芯均是安全可控的，最大線功率的變化也表明燃料及包殼的最大溫度滿足運行要求。兩套轉換方案均具有可行性。

［1］ HOFFMAN E A，YANG W S，HILL R N.Preliminary core design studies for the advanced burner reactor over a wide range of conversion ratios［R］.US：Argonne National Laboratory，2006.

［2］ 肖云龍，吳宏春，鄭友琦.增殖比可調快堆堆芯方案設計［J］.原子能科學技術，2013，47（增刊）：579-582.XIAO Yunlong，WU Hongchun，ZHENG Youqi.Core design of fast reactor with flexible breeding ratio［J］.Atomic Energy Science and Technology，2013，47（Suppl.）：579-582（in Chinese）.

［3］ WADE D C，CHANG Y I.The integral fast reactor（IFR）concept：Physics of operation and safety，CONF-870424-14［R］.US：Argonne National Laboratory，1987.