超臨界水冷堆MOX燃料組件控制棒特性研究

王 鋒，徐 晗，張 晗，任琦頎，周小為

(1.重慶大學(xué)動力工程學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400030)

超臨界水冷堆MOX燃料組件控制棒特性研究

王 鋒1，2，徐 晗1，張 晗1，任琦頎1，周小為1

(1.重慶大學(xué)動力工程學(xué)院，重慶 400030；2.重慶大學(xué)低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400030)

超臨界水冷堆(SCWR)因具有較高的熱效率和較強的經(jīng)濟競爭性等優(yōu)勢引起許多國家和地區(qū)的廣泛關(guān)注。MOX燃料即普通燃料UO2與PuO2的混合陶瓷燃料替換UO2會給SCWR堆芯安全帶來一定的不確定性。因而MOX燃料組件的反應(yīng)性控制與普通燃料有較大差異。論文采用MCNP5軟件對SCWR采用傳統(tǒng)核燃料與MOX燃料組件的控制棒控制性能進(jìn)行了分析和對比，結(jié)果表明：MOX燃料組件中子能譜硬化，控制棒中硼(B)的豐度越大，控制棒直徑越大，其控制效果越理想。控制棒對徑向功率峰抑制效果明顯，而對軸向功率分布影響較小。計算結(jié)果對壓水堆新型MOX燃料組件控制棒設(shè)計有一定參考意義。

超臨界水冷堆；MOX燃料；控制材料；燃料組件；物理分析

超臨界水冷堆(SCWR)因具有較高的熱效率以及經(jīng)濟競爭性等優(yōu)勢引起許多國家和地區(qū)的廣泛興趣[1]。目前針對SCWR裝載普通UO2燃料的研究十分廣泛，而對MOX燃料，即普通燃料UO2與PuO2的混合陶瓷燃料的研究有待深入[2-5]。SCWR采用MOX燃料，不僅可和平利用钚燃料，降低钚擴散風(fēng)險，也為軍用钚的銷毀提供了途徑，加速核裁軍[6]。MOX燃料的制造和應(yīng)用有近40年的經(jīng)驗，從20世紀(jì)80年代開始國際上對MOX燃料在壓水堆上的應(yīng)用進(jìn)行了分析并獲得較多運行經(jīng)驗[7]。但在SCWR反應(yīng)堆上采用MOX燃料有一定的技術(shù)創(chuàng)新，需要對反應(yīng)堆堆芯和組件進(jìn)行設(shè)計和研究[8-10]。并且由于MOX燃料替換普通燃料后的性質(zhì)差異，給堆芯安全帶來了極大的不確定性，致使MOX燃料組件的反應(yīng)性控制與普通燃料有一定差異，所以控制棒材料的選擇需進(jìn)一步優(yōu)化，其控制特性也需要進(jìn)一步研究。

1 物理模型

圖1 新型組件的控制棒布置Fig.1 The new assembly of SCWR

研究不同棒徑的控制棒對MOX燃料組件反應(yīng)性控制效果，采用17%、30%、50%、90%這4種B豐度的B4C作為控制棒材料。MOX燃料組件的控制棒分布如圖1所示。組件邊長174.2mm，慢化劑通道邊長為38mm，控制棒采用8mm、9mm、10mm、11mm、12mm五種不同棒徑，燃料棒直徑8mm，燃料棒包殼厚度1mm，材料為Alloy718。MOX燃料采用PuO2和UO2的混合物。PuO2含量為4%，慢化劑采用輕水。采用蒙特卡羅方法對MOX燃料組件的控制材料影響進(jìn)行分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 控制材料對UO2與MOX燃料的控制比較

2.1.1 不同燃料組件對能譜和keff的影響

采用UO2與MOX燃料分別分析其有與無控制棒時的能譜，結(jié)果如圖2所示。當(dāng)控制棒插入時，處于高能區(qū)的中子變多，低能區(qū)中子減少，而UO2替換為MOX燃料時，處于高能區(qū)的中子也增加，低能區(qū)中子同樣減少，插入控制棒會使能譜硬化。對比MOX和UO2燃料的能譜可知，MOX在熱中子能區(qū)份額較少，而快中子能區(qū)份額較高，其能譜相對偏硬，這與其燃料成分Pu的同位素的俘獲共振相關(guān)。

圖2 不同燃料組件中子能譜分布Fig.2 Neutron spectrum distribution of different fuel assembly

進(jìn)一步采用棒徑為8mm、B豐度為自然豐度的控制棒，對4%豐度的UO2和4%豐度的MOX燃料keff值進(jìn)行計算，如圖3所示。由圖可見同種豐度B4C控制棒在插入深度較低時對UO2和MOX燃料的控制基本相同，而在插入較深時對UO2的控制強于對MOX燃料的控制。由于Pu的同位素在熱能區(qū)附近有較大的俘獲共振峰，導(dǎo)致組件中子能譜硬化，結(jié)果堆芯對熱中子吸收效率降低，因而控制棒價值也有所降低。

圖3 控制棒對不同燃料組件keff值的控制Fig.3 The control of different fuel assembly keff

2.1.2 MOX與UO2燃料組件功率分布

以自然豐度的B4C為控制棒材料對4%豐度的UO2與MOX燃料組件進(jìn)行軸向功率控制，結(jié)果如圖4和圖5所示。隨控制棒插入深度的變化，兩種燃料所得軸向功率變化趨勢和分布規(guī)律基本一致。在控制棒插入深度為360cm時UO2組件的軸向峰值略大于MOX組件。其中插入深度為60cm和420cm功率分布相似。插入深度60cm時控制棒只影響堆芯上部很小部分的功率，而插入深度是420cm時，影響全堆芯的軸向功率分布，雖然功率大小不同，但分布相似。

圖4 UO2燃料軸向功率分布Fig.4 The axial power distribution of UO2 fuel assembly

圖5 MOX燃料軸向功率Fig.5 The axial power distribution of MOX fuel assembly

圖6為控制棒全部插入時UO2與MOX燃料的徑向功率對比，觀察圖6發(fā)現(xiàn)兩條曲線接近重合。由此可知MOX燃料代替UO2燃料后控制棒全部插入對徑向功率影響不大。

圖6 UO2與MOX燃料組件的徑向功率分布對比Fig.6 Radial power comparison between UO2 and MOX assembly

2.2 控制棒對MOX燃料組件性能的影響

2.2.1控制棒B4C豐度和棒徑對keff值的影響

采用4%豐度的MOX燃料，控制棒棒徑為8mm，對不同B4C豐度控制棒進(jìn)行計算，結(jié)果如圖7所示。在相同棒徑、不同豐度的B4C控制棒插入300cm深以前，對keff的影響并不大；而控制棒繼續(xù)插入時B4C豐度越高的控制棒其對keff的影響越大。

圖7 棒徑為8mm的不同B4C豐度控制棒下的keffFig.7 The keff under different B4C abundance at 8 mm diameter control rod

進(jìn)一步采用4%豐度的MOX燃料，對B4C控制棒不同棒徑的影響進(jìn)行計算，結(jié)果如圖8所示。隨控制棒的插入，對keff起到很好的控制作用，且隨插入深度的增加，控制棒控制效果越明顯，而在控制棒插入300cm之前，插入深度對keff值的影響很小。對比了30%、50%、90% 的B4C豐度及5種棒徑下的keff，發(fā)現(xiàn)隨控制棒棒徑和B4C豐度增加，在其全部插入堆芯時，得到的keff值會減小，說明控制作用更明顯。同時可知控制棒在B4C為天然豐度與30%豐度時，即使采用棒徑為12mm的控制棒，當(dāng)其全插時keff值仍大于1。當(dāng)采用50%與90%豐度B4C時，棒徑大于9mm且全插時可使keff值小于1。

圖8 自然B4C豐度不同棒徑的控制棒的keffFig.8 The keff under natural abundance of B4C control rod

2.2.2控制棒插入深度、棒徑和B4C豐度對徑向和軸向功率影響

采用4%豐度的MOX燃料，B4C控制棒棒徑為12mm，豐度為50%控制棒分為7個插入深度計算，結(jié)果如圖9所示。在插入深度不變情況下，控制棒插入處柵格，堆芯平均功率功率很低，隨著控制棒的插入，堆芯的總體功率下降。當(dāng)控制棒全部插入時，對堆芯的功率抑制達(dá)到最大。

圖9 50%豐度B4C控制棒控制下的徑向功率Fig.9 Radial power distribution at 50% abundance B4C control rod

采用4%豐度的MOX燃料，控制棒棒徑為8mm、9mm、10mm、11mm、12mm，B4C 豐度為90%，控制棒全部插入，結(jié)果如圖10所示。同種豐度不同棒徑下的徑向功率分布趨勢基本一致，但隨著棒徑的增加功率越低，抑制作用越強。

圖10 同種豐度不同棒徑控制棒控制下的徑向功率Fig.10 Radial power distribution at same abundance of B4C under different rod diameter

采用4%豐度的MOX燃料，控制棒棒徑為8mm，B4C豐度為天然豐度、30%、50%、90%，控制棒全部插入，結(jié)果如圖11所示。雖然控制棒材料中B4C的豐度不同，但在較小插入深度時，其對功率分布的抑制作用差別不大，在全部插入時兩者才有顯著區(qū)別。B4C豐度高對功率分布的抑制作用更為明顯。

圖11 同種棒徑不同豐度控制棒控制下的徑向功率Fig.11 Radial power distribution at different abundance of B4C

進(jìn)一步分析了控制棒對軸向功率的影響，得到不同控制棒豐度與棒徑下軸向功率分布，發(fā)現(xiàn)改變控制棒的B4C豐度和棒徑對燃料組件的軸向分布趨勢影響不大，結(jié)果如圖12所示。由控制棒插入深度為360cm時三種不同控制棒的控制下軸向功率的分布，可以看出隨著控制棒棒徑的增加與B4C豐度的提高，軸向功率峰值略有增加。

圖12 不同棒徑不同B4C豐度控制棒控制下軸向功率Fig.12 Axial power distribution at different diameter and different B4C abundance of the control rod

3 結(jié)論

對MOX燃料新型組件的控制棒控制進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：在同一燃料組件中對比相同豐度UO2與MOX燃料的keff值、軸向功率，徑向功率以及能譜分布，發(fā)現(xiàn)相同豐度MOX比UO2燃料組件的能譜硬，控制棒對MOX燃料的控制不如對UO2燃料效果好，MOX燃料徑向功率峰值略大于UO2燃料組件，但兩者徑向功率與軸向功率分布相似。相同豐度的MOX燃料在相同B4C豐度、不同棒徑控制棒控制下keff值、軸向與徑向功率分布結(jié)果表明隨棒徑增加，keff值總體變化趨勢相同，當(dāng)控制棒最初插入時控制作用小，而隨著控制棒繼續(xù)插入，keff值會隨控制棒棒徑和B4C豐度增大而減小，軸向功率分布隨棒徑變化不大；徑向功率隨棒徑和豐度的增大而其分布趨勢不變，但功率減小，且控制棒插入越深功率越小。由MOX燃料控制棒棒徑與其B4C豐度綜合考慮，在不添加可燃毒物情況下，控制棒棒徑大于8mm且B4C中B豐度大于50%，且當(dāng)控制棒全部插入時，可使組件keff值小于1。

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NewMOXFuelAssemblyControlofSCWR

WANGFeng1，2，XUHan1，ZHANGHan1，RENQi-qi1，ZHOUXiao-wei1

(1. College of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems(Chongqing University)，Ministry of Education，Chongqing 400030，China)

Because of its high thermal efficiency and strong economic competitiveness and other advantages，super-critical water-cooled reactor(SCWR)aroused wide interests in many countries and regions. Replacement of UO2by MOX fuel，which is a mixture of UO2and PuO2will bring uncertainties to SCWR core safety. Reactivity control of the MOX fuel assembly is quite different with that of the ordinary fuel. In this paper，MCNP5 software is used to analyze and compare the control rods of traditional nuclear fuel and MOX fuel in SCWR module. Results show that the MOX fuel has a hardening neutron energy spectrum，the greater the abundance of B in the control rod and the larger the diameter of the rod，the better effect of the control rod. The radial power peak is inhibited，while it has little effect on the axial power distribution. Results are useful for the design of a new MOX fuel assembly control system.

SCWR；MOX fuel；Control material；Fuel assembly；Physical analysis

2017-11-03

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費科研專項(CDJZR10140010)

王 鋒(1977—)，男，河北人，副教授，博士，主要從事核能與新能源化工及材料中的熱物理問題研究

TL48

A

0258-0918(2017)06-1039-06