壓水堆核電廠無源裝料及啟動研究

摘 要：反應(yīng)堆堆芯實(shí)行無外中子源起動可以有效減少氚產(chǎn)量和放射性廢物產(chǎn)量，具有很好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。文章簡要介紹壓水堆核電廠反應(yīng)堆無源裝料以及啟動過程，并采用MCNP程序包對反應(yīng)堆堆芯進(jìn)行模擬，對其換料及啟動的可行性進(jìn)行分析和研究。

關(guān)鍵詞：壓水反應(yīng)堆；無源啟動；模擬計(jì)算

前言

目前國內(nèi)運(yùn)行和在建的壓水堆核電廠，基本上都是按照有外中子源（包括一次中子源和二次中子源）啟動設(shè)計(jì)。二次中子源的主要功能是在裝料和卸料時提供足夠的中子以使源量程能夠獲得有效計(jì)數(shù)。乏燃料組件中包含能產(chǎn)生大量中子的（α，n）中子源和自發(fā)裂變中子源。在無二次中子源的情況下，利用一定燃耗的乏燃料組件也可以使源量程獲得有效計(jì)數(shù)。

根據(jù)EDF（法國電力公司）的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，取消二次中子源可以有效降低一回路氚的產(chǎn)量。因此，為了降低核電廠氚的排放量（源棒內(nèi)的銻-鈹芯塊活化會產(chǎn)生氚），減少氚排放對環(huán)境的影響、消除二次源棒包殼破損所引起的一回路放射性污染，各核電站啟動了取消二次中子源改進(jìn)研究項(xiàng)目。秦山二期電站現(xiàn)有4個65萬千瓦級機(jī)組，分別為1、2、3、4 號機(jī)組，依次為2002年、2004 年、2010 年、2011 年商運(yùn)，目前正在運(yùn)行的依次是第11、10、4、3 燃料循環(huán)。秦山核電廠一號機(jī)第5循環(huán)、第11循環(huán)和大亞灣核電廠二號機(jī)第15循環(huán)分別在1999、2008和2010年成功實(shí)現(xiàn)了無源啟動。這在實(shí)踐上初步證明了不改變后續(xù)循環(huán)硬件的條件下壓水堆核電廠無源啟動具有可行性，但依然屬于個別嘗試，尚不具備在國內(nèi)全面推廣的條件。

文章簡單介紹堆芯燃料管理的主要特點(diǎn)，采用MCNP程序包成功模擬了秦山核電站某壓水堆堆芯的無源裝料及啟動過程，進(jìn)一步探索無源啟動的可行性。

1 堆芯描述

燃料組件由燃料棒、組件骨架、壓緊彈簧等部件組成，長約3200mm，截面尺寸為199.5mm×199.5mm，重約470kg。按15×15排列成正方形的柵格，堆芯內(nèi)總的燃料組件數(shù)為121個。該堆芯采用三種富集度的燃料組件，分別為3.0%W/O、2.67%W/O、2.4%W/O。其中，3.0%W/O組件40個，位于堆芯外區(qū)；2.67%W/O組件40個，2.4%W/O組件41個交叉分布在堆芯內(nèi)區(qū)，整個堆芯所處含硼水環(huán)境，硼濃度為2400ppm。燃料組件最高燃耗深度約<39.3GWd/tU，局部最大燃耗<50GWd/tU。全堆芯模型見圖1所示，反應(yīng)堆壓力容器參數(shù)見表1。

圖1 MCNP模擬的反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)圖

表1 反應(yīng)堆壓力容器參數(shù)

2壓水反應(yīng)堆的無源啟動

2.1 反應(yīng)堆臨界

實(shí)際反應(yīng)堆啟動時，依靠堆外布置的探測器檢測中子密度變化，即是檢測中子的倍增速率，反應(yīng)堆內(nèi)中子數(shù)量的變化是由源中子和裂變材料裂變反應(yīng)產(chǎn)生的。探測器中的中子計(jì)數(shù)率R為：

R=■ （1）

其中，keff為堆芯有效增殖因子，探測器所處中子環(huán)境完全相同時，C為常數(shù)。則中子倍增因子M應(yīng)為：

M=■=■ （2）

式（2）中R0為參考的計(jì)數(shù)，固倍增因子M為：

M=■ （3）

當(dāng)反應(yīng)堆接近臨界時，keff趨近于1，倍增因子MM逐漸減小。當(dāng)最終反應(yīng)堆達(dá)到臨界時，M趨近于0。

2.2 堆芯裝料

該P(yáng)WR反應(yīng)堆堆芯共裝載121組燃料組件，燃料裝載次序見圖2所示，圖中相同顏色代表同一次裝載，數(shù)字從小到大代表裝料的順序，前23次裝料每次裝載5組，最后一次裝載6組。

圖2 堆芯燃料組件裝載

2.3 臨界硼稀釋過程

在前一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行硼酸稀釋過程的模擬計(jì)算研究。按照預(yù)先制定的步驟：大流量稀釋--小流量稀釋--更小流量稀釋達(dá)到臨界的步驟設(shè)置臨界程序中的硼酸濃度變化區(qū)間，經(jīng)過多次執(zhí)行程序計(jì)算分析得到：大流量稀釋對應(yīng)60ppm，小流量稀釋對應(yīng)20ppm，更小流量對應(yīng)5ppm值較好，以避免堆芯反應(yīng)性瞬跳。

2.4 計(jì)算結(jié)果

2.2和2.3節(jié)的燃料裝載過程以及臨界硼稀釋過程計(jì)算結(jié)果見圖3、4、5所示。

3 結(jié)束語

研究結(jié)果表明，隨著堆芯燃料裝載量的增大以及一回路循環(huán)水硼濃度的逐步降低，反應(yīng)堆的反應(yīng)性逐步增加，最后能夠在硼酸濃度為1640ppm附近成功臨界，由此可見換料壓水堆堆芯取消次級中子源是可行的。

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通訊作者：葉濱，四川省綿陽市西南科技大學(xué)國防科技學(xué)院，四川，綿陽。