重水堆醫用鈷調節棒變更物理分析1)

2019-10-16 08:58:46

中國核電 2019年4期

(中核核電運行管理有限公司堆芯燃料處，浙江海鹽 314300)

重水堆中用鈷調節棒組件代替原先的不銹鋼調節棒組件，可在維持堆芯正常運行的同時，利用59Co在堆芯內發生(n,γ)反應而產生60Co的特性生產工業或醫用60Co放射性源。此前，秦山第三核電廠已順利開展工業用60Co放射源的生產。為解決我國的伽瑪刀放射源的供應問題，秦山三核又開展了醫用60Co放射性源生產變更工作。2017年6月首批高比活度59Co調節棒入堆，填補了我國在醫用60Co方面的空白。

1 醫用鈷調節棒變更物理分析

1.1 CANDU6型重水堆物理設計

CANDU6型核電站采用臥式管道重水反應堆，堆芯反應性控制設計如下：堆芯燃料燃耗引起的長期慢反應性下降，主要由帶功率不停堆換料控制；堆芯總體和區域的短時間快速的小反應性變化主要由14個輕水區域控制裝置(LZC)控制；氙毒和換料機不可用情況下的反應性補償，主要由21根鈷調節棒(ADJ)控制；快速降功率產生的附加反應性和負的燃料溫度效應，由4根鎘機械吸收棒控制(MCA)；初始過剩反應性和長期停堆產生的氙衰變，由慢化劑毒物(硼或釓)補償。

1.2 醫用鈷調節棒變更設計說明

21根鈷調節棒按照一定的優化布置，垂直地插入堆芯的慢化劑中，并根據優化的插入順序被分成了7組，在正常運行時起到展平功率分布的作用；在功率減少的變工況運行情況下順序拔出，以補償氙毒增加引起的負反應性增量。

調節棒組件分成A、B、C和D型，每一種類型的鈷調節棒組件由一根中心棒串聯若干鈷棒束部件組成，每個鈷棒束部件由鈷棒(包括錯包殼)、錯棒、中心管以及上下端板等組成。不同類型的鈷調棒組件中包含有不同數目的鈷棒和鋯棒。醫用鈷調節棒變更只替換全部或者部分D型工業鈷調節棒，原工業鈷調節棒的A-inner、A-outer、B、C-inner 和C-outer 型調節棒保持不變。

本次變更采用醫用鈷調節棒替換4根原位置為1、7、15和21 號D2型工業鈷調節棒，8 和14 號仍然保持工業鈷調節棒設計，見圖1。

圖1 鈷調節棒堆芯布置示意圖

1.3 軟件介紹

秦山第三核電廠使用RFSP程序進行重水堆物理設計、安全分析和換料設計等。RFSP利用有限差分求解兩群中子擴散方程，使用兩群三維中子擴散理論計算全堆芯的中子通量和功率分布。

調節棒更換后，其結構與材料組分與原堆芯設計都發生了變化，首先要重新進行堆芯幾何建模，更改相應截面數據；另外基于堆芯運行歷史，利用RFSP進行跟蹤計算，模擬調節棒價值。

1.4 醫用鈷棒與工業鈷棒反應性價值對比分析

醫用鈷調節棒設計結構與截面參數，決定了其入堆后的反應性價值變化趨勢與工業鈷之間存在一定的差別。本文分別模擬了相同堆芯狀態下，0～18個月工業鈷調節棒與醫用鈷調節棒的反應性價值變化，隨著燃耗加深更多的59Co轉化成60Co，鈷吸收截面變小，鈷棒的反應性價值也逐漸變小；如圖2所示，醫用鈷入堆早期略大于工業鈷，但由于醫用鈷的吸收截面更大，價值下降趨勢也更快，燃耗后期兩種鈷棒的價值開始接近，醫用鈷整體反應性略高于工業鈷，符合堆芯安全控制設計，可以保證燃耗后期有等效的控制功能。

圖2 四根D2型醫用鈷棒組與相應工業鈷棒組長期價值比較

1.5 醫用鈷棒與工業鈷棒比活度對比分析

醫用60Co生產與工業60Co生產相比，除開兩者的芯塊結構不同以外，兩者的最大差異在于對比活度要求上。一般醫用60Co放射源的比活度要求在220 Ci/g以上。

堆內鈷產量計算可采用如下燃耗方程進行計算：

(1)

(2)

初值條件取為：

(3)

N60(0)=0

(4)

60Co產量即60Co活度可以按照下式計算得出：

(5)

式中：ρ——鈷芯塊密度，一般取8.6 g/cm3；

NA——阿伏伽德羅常數，6.02×1023atoms /mol;

A——59Co的原子量，58.933;

N59(t)——59Co在t時間的核子密度， atoms/cm3;

N60(t)——60Co在t時間的核子密度， atoms/cm3;

c——鈷芯塊的熱中子通量， n/cm2·s;

N59——59Co的有效微觀俘獲截面，bars;

N60——60Co的衰變常數,1/s。

上述方程中鈷芯塊的熱中子通量無法直接計算得到。采用的計算方法是：首先對鈷調節棒束所在節塊建模，利用RFSP程序插值計算出節塊的平均熱中子通量，再折算鈷芯塊的熱中子通量。

考慮到程序的建模能力，計算的產量和實際測量的結果之間可能存在一定的差異。根據歷史批次鈷棒實測活度數據與理論計算活度對比結果，理論計算的鈷活度與實測值偏低約12%，因此核電廠在計算鈷產量活度時根據積累的計算和測量產量數據，取測量修正因子并放入到程序中應用。

由于重水堆不停堆換料，長時間平均通量維持不變，本文首先計算108批鈷棒整個循環ADJ01/ADJ07/ADJ15/ADJ21的平均柵元通量，考慮轉換因子，計算得到鈷芯塊的通量；以108批次通量作為分析基礎，利用RFSP程序進行跟蹤計算，模擬醫用鈷調節棒隨著輻照的比活度變化。從圖3可以看出，醫用鈷調節棒比活度相比工業鈷調節棒比活度要大，在入堆520 d左右，醫用鈷就已經達到220 Ci/g，工業鈷棒則要620 d左右，在輻照到24個月(24×30.5 d=732)時，醫用鈷可以接近300 Ci/g。

圖3 兩種調節棒長期比活度對比

2 調節棒價值模擬計算和測量試驗

2.1 鈷調節棒價值模擬

采集堆芯相應狀態參數，包括反應堆功率水平，通道換料情況，燃料密度，燃料溫度，慢化劑溫度、密度，慢化劑重水純度，冷卻劑溫度、密度，冷卻劑重水純度，LZC、ADJ、MCA 和SOR (1號停堆系統停堆棒)狀態，慢化劑中的毒物濃度等，初始 TAPE基于停堆之前對應等效滿功率天，圖4給出模擬停堆、大修、啟堆期間的堆芯過程狀態，更改相應模塊計算卡片，進行參數修正與跟蹤計算。更新相應鈷截面數據。對每根或每組調節棒進行單獨模擬。模擬反應性價值為調節棒拔出前后堆芯剩余反應性的差值。

圖4 堆芯模擬跟蹤與狀態過程示意

2.2 鈷調節棒價值測量試驗

調節棒變更完成以后，需要進行相應的功能驗證試驗。在平衡堆芯熱態零功率下對兩種結構的調節棒進行積分價值測量試驗并比較。

通過添加價值已知的釓包測量液體區域控制裝置(LZC)的微分價值，然后利用其微分價值對刻調節棒單棒和棒組的積分價值。

2.2.1 液體區域控制裝置(LZC)反應性價值

程序處理LZC 反應性系數時取一系列的LZC平均液位，在每個平均液位上進行瞬時模擬計算堆芯的剩余反應性。LZC 反應性系數取堆芯剩余反應性與平均液位之間的斜率。

試驗測量LZC的反應性價值，首先將平均液位調到80%，然后向慢化劑系統添加硝酸釓，直到平均液位降低20%左右。最終根據加入的硝酸釓量和平均液位響應來確定平均液位在20%～80%內的反應性總價值和反應性系數。

模擬與試驗數據比較分析，LZC價值測量滿足驗收準則后，即可用來對刻鈷調節棒價值。

2.2.2 ADJ單棒反應性價值測量

ADJ單棒價值測量是手動將單根ADJ拔出和插入堆芯，反應堆控制系統自動調節LZC平均液位維持反應堆臨界。根據拔出和插入單根ADJ前后的平均液位相應來確定其反應性價值。

測量得到的ADJ單棒價值與預計值之間的均方根偏差很小，如圖5所示，調節棒變更后計算的反應性價值與試驗值吻合良好，滿足驗收要求。

另外對比108與109批次鈷調節棒試驗價值，從圖6可以看出，兩者差別很小，其中關注ADJ1/7/15/21號醫用調節棒，可以發現醫用鈷棒價值確實略大于工業鈷棒。

2.2.3 ADJ棒組反應性價值測量

ADJ棒組價值測量，按照第一組到第七組的順序將ADJ組依次拔出堆芯。在每組ADJ拔出前，將LZC的平均液位調節到標準參考值，每拔出一組棒，反應堆控制系統將自動調節LZC液位維持反應堆臨界。根據LZC的平均液位變化來確定各ADJ棒組的反應性價值。

如圖7所示，測量得到的ADJ總價值與預計值之間的偏差很小。棒組價值與預計值之間的最大偏差滿足驗收要求。

另外從圖8可以看出，第一組鈷調節棒109批次的反應性價值要略大一些，這是因為第一組棒束剛好包括了全部的醫用鈷調節棒。而兩個批次的棒組的總體價值是相當的。

圖5 鈷調節棒單棒價值測量

圖6 108與109批次鈷調節單棒價值比較

圖7 調節棒組價值測量

圖8 108與109批次鈷調節棒組價值比較

3 通量分布模擬計算與檢查試驗

3.1 通量分布模擬

CANDU6型計算通量分布的物理方法有兩種：中子擴散方程求(RFSP-SIMULATE)和通量繪圖計算(FLUX-MAPPING)。中子擴散方程求解，主要是跟蹤反應堆運行歷史，用擴散理論計算當前反應堆堆芯的通量和功率分布，可作為RIPPLE模塊計算基模的數據來源，是做FLUX-MAPPING計算的基礎。通量繪圖計算使用有限的數學函數(諧波模)繪制中子通量分布圖，這些函數可以再現反應堆內每一點的中子通量。用諧波模線性組合來進行諧波擬合，使擬合值盡可能地接近102個Vd-探測器的測量值。