回收鈾堆芯物理設(shè)計(jì)可行性研究

閆新龍 王 帥 蔣朱敏 蔡 云 于穎銳

（1.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都610213；2.核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610213）

0 引言

為了研究回收鈾載釓燃料棒應(yīng)用于一般壓水堆的可行性，以國(guó)內(nèi)M310核電廠長(zhǎng)循環(huán)燃料管理為基礎(chǔ)，在保持原燃料管理方案不變的前提下，將常規(guī)的載釓燃料棒替換為回收鈾載釓燃料棒，研究其對(duì)組件K-inf和堆芯循環(huán)長(zhǎng)度、FHΔH等關(guān)鍵參數(shù)的影響。

1 程序描述

本文采用的SCIENCE V2核程序包[1]主要由APOL LO2-F和SMART程序組成。

APOLLO2-F程序采用碰撞幾率方法進(jìn)行組件輸運(yùn)計(jì)算。對(duì)于一個(gè)燃料組件，該程序求解99群輸運(yùn)方程，并為SMART程序提供兩群均勻化的截面。采用6群均勻化的二維耦合計(jì)算模型及多柵元計(jì)算，可在計(jì)算精度和計(jì)算費(fèi)用之間找到最佳平衡點(diǎn)，該程序所具有的輸運(yùn)和輸運(yùn)等效特性可以確保耦合模型的正確性。利用該程序還可以對(duì)具有不同邊界條件和不同幾何對(duì)稱性的堆芯組件（1/8堆芯、1/4堆芯）進(jìn)行計(jì)算。采用臨界曲率搜索來(lái)進(jìn)行通量計(jì)算。為了正確處理共振，對(duì)截面采用改進(jìn)的自屏模型。APOLLO2-F還可以對(duì)燃料元件的燃耗進(jìn)行計(jì)算。徑向和軸向反射層常數(shù)的生成可通過(guò)激活SN選項(xiàng)（離散坐標(biāo)法），利用APOLLO2-F的一維計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)。

SMART是一個(gè)三維兩群堆芯擴(kuò)散—燃耗計(jì)算程序，采用先進(jìn)節(jié)塊方法，可以對(duì)多種類型的壓水堆進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況的計(jì)算。該程序采用節(jié)點(diǎn)展開法和燃料棒功率重構(gòu)方法，求解與時(shí)間無(wú)關(guān)的兩群穩(wěn)態(tài)中子擴(kuò)散方程，結(jié)合多參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行反饋修正。空間的離散采用二階多項(xiàng)式或者二階多項(xiàng)式與雙曲項(xiàng)的組合，以表示橫向積分通量。橫向泄漏通量則由一個(gè)二階多項(xiàng)式來(lái)表示。堆芯不連續(xù)因子對(duì)組件參數(shù)均勻化造成的誤差進(jìn)行修正。譜效應(yīng)和燃耗效應(yīng)用燃料的微觀燃耗模型來(lái)表征。SMART程序?qū)χ饕闹卦雍撕椭饕牧炎儺a(chǎn)物鏈都做了處理。

SCIENCE V2核程序包已通過(guò)大量的基準(zhǔn)例題和實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的檢驗(yàn)，其計(jì)算精度滿足工程設(shè)計(jì)要求。

2 含回收鈾載釓棒的組件計(jì)算模擬

與常規(guī)的載釓燃料棒（235U富集度2.5%，Gd2O3質(zhì)量百分比為8%）相比，應(yīng)用回收鈾的載釓燃料棒235U富集度較低，且芯塊中234U和236U的成分增加，這些因素都會(huì)對(duì)組件物理性能產(chǎn)生影響。為了分析采用回收鈾時(shí)235U、234U、236U的成分變化帶來(lái)的影響， 利用APOLLO2-F程序?qū)?、8、16、20根常規(guī)載釓棒和回收鈾載釓棒的AFA3G組件（組件中其他燃料棒235U富集度為4.45%）進(jìn)行了模擬計(jì)算，比較組件K-inf隨燃耗變化過(guò)程的差異。其中回收鈾載釓棒考慮了兩種不同的材料成分：其一是采用大亞灣核電站初始富集度為4.45%、燃耗深度為45 000 MWd/tU的乏燃料冷卻5年后處理得到的回收鈾，235U富集度為1.115%，234U富集度為0.023%，236U富集度為0.634%，且載釓棒中Gd2O3質(zhì)量百分比為8%；其二是235U富集度為1.10%，234U富集度為0.023%，236U富集度為0.634%，載釓棒中Gd2O3質(zhì)量百分比降為7%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 含4根釓棒AFA3G組件計(jì)算結(jié)果

圖2 含8根釓棒AFA3G組件計(jì)算結(jié)果

圖3 含16根釓棒AFA3G組件計(jì)算結(jié)果

圖4 含20根釓棒AFA3G組件計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，采用回收鈾時(shí)235U富集度下降和234U、236U的成分增加會(huì)對(duì)組件物理性能產(chǎn)生影響。比較常規(guī)載釓燃料組件（Gd2O3質(zhì)量百分比8%，235U富集度為2.5%）和回收鈾載釓燃料組件（Gd2O3質(zhì)量百分比8%，235U富集度為1.115%）的計(jì)算結(jié)果可以看出：采用回收鈾時(shí)235U富集度下降造成的裂變截面減小和234U、236U的成分增加造成的中子吸收截面增加將使得組件K-inf相對(duì)于常規(guī)載釓組件下降，而且組件中含釓棒數(shù)量越多，下降越明顯。

載釓棒中的Gd2O3質(zhì)量百分比變化也會(huì)對(duì)組件K-inf產(chǎn)生影響。比較兩種回收鈾載釓燃料組件（Gd2O3質(zhì)量百分比分別為8%和7%，235U富集度分別為1.115%和1.10%）的計(jì)算結(jié)果可以看出：相對(duì)于鈾元素各同位素富集度變化帶來(lái)的影響來(lái)說(shuō)，載釓棒中的Gd2O3質(zhì)量百分比減少1%將對(duì)組件K-inf產(chǎn)生更為顯著的影響，Gd2O3質(zhì)量百分比減少造成Gd成分減少，中子吸收下降，在燃耗初期（0-20000MWd/tU）提高組件K-inf，但釓成分減少將使得其更快地燃耗并釋放反應(yīng)性，組件的釓峰出現(xiàn)得更早且更高；在燃耗中后期（20 000～60 000 MWd/tU），隨著釓進(jìn)一步燃耗殆盡，兩種回收鈾載釓組件的K-inf差異將顯著減小。

3 含回收鈾載釓棒的堆芯計(jì)算模擬

在國(guó)內(nèi)M310核電廠的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案中，第4、5、6循環(huán)為三個(gè)過(guò)渡循環(huán)，從第7循環(huán)開始進(jìn)入平衡循環(huán)；從第4循環(huán)起，每次裝入72組富集度為4.45%的帶改進(jìn)型格架的AFA3G燃料組件，包括含有4根、8根、16根載釓燃料棒的組件各12組，以及含有20根載釓燃料棒的組件36組。

為了分析采用回收鈾載釓燃料棒帶來(lái)的影響，利用SCIENCE V2核程序包對(duì)采用常規(guī)載釓棒和回收鈾載釓棒的國(guó)內(nèi)M310核電廠的長(zhǎng)循環(huán)燃料管理方案分別進(jìn)行了模擬計(jì)算，比較堆芯主要參數(shù)的差異。其中回收鈾載釓棒仍考慮了兩種不同的材料成分：其一是235U富集度為1.115%，載釓棒中Gd2O3質(zhì)量百分比為8%；其二是235U富集度為1.10%，Gd2O3質(zhì)量百分比降為7%；兩者的234U富集度都為0.023%，236U富集度都為0.634%。

載釓棒中的材料成分變化會(huì)影響堆芯的鈾裝量，表1比較了采用不同載釓棒成分時(shí)堆芯鈾裝量的差異。

采用回收鈾載釓燃料棒后過(guò)渡循環(huán)和平衡堆芯主要參數(shù)計(jì)算結(jié)果及其與原燃料管理計(jì)算結(jié)果的比較示于表2。

三個(gè)過(guò)渡循環(huán)和平衡循環(huán)采用回收鈾和常規(guī)載釓燃料棒時(shí)反應(yīng)堆在額定工況下臨界硼濃度隨燃耗的變化的比較如圖5所示。

由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，采用回收鈾載釓燃料棒替換常規(guī)載釓燃料棒，對(duì)于國(guó)內(nèi)M310核電廠長(zhǎng)循環(huán)燃料管理策略的過(guò)渡循環(huán)和平衡循環(huán)，F(xiàn)HΔH均有所增大，但滿足相關(guān)限值要求；235U富集度下降導(dǎo)致其裝量減少，加之234U和236U的含量增加，造成反應(yīng)堆循環(huán)長(zhǎng)度略微縮短，過(guò)渡和平衡循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度均縮短約為10EFPD；另外235U富集度下降也造成各循環(huán)壽期初的臨界硼濃度略有降低，第二種回收鈾載釓燃料棒由于毒物Gd含量減少，壽期中的臨界硼濃度略有增加，但臨界硼濃度隨燃耗變化的總體趨勢(shì)沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明采用回收鈾載釓燃料棒也能夠較好的控制堆芯剩余反應(yīng)性。兩種不同成分的回收鈾載釓燃料棒相比，由于芯塊中毒物Gd含量減少，UO2含量增大，采用第二種回收鈾載釓燃料棒（7%Gd2O3、235U富集度1.10%）時(shí)，各循環(huán)的循環(huán)長(zhǎng)度比采用第一種回收鈾載釓燃料棒（8%Gd2O3、235U富集度1.115%）略微增加，同時(shí)壽期初的臨界硼濃度略微提高，但FHΔH也略微增大。總體而言，采用兩種不同成分的回收鈾載釓燃料棒的堆芯主要特性參數(shù)相差不大。

表1 不同載釓棒成分時(shí)堆芯鈾裝量變化

表2 過(guò)渡及平衡循環(huán)堆芯主要參數(shù)比較

圖5 平衡循環(huán)模擬結(jié)果比較

（1）常規(guī)指采用常規(guī)載釓燃料棒

（2）回收鈾1指采用回收鈾載釓燃料棒（8%Gd2O3、235U富集度1.115%）

（3）回收鈾2指采用回收鈾載釓燃料棒（7%Gd2O3、235U富集度1.10%）

（4）FHΔH計(jì)算結(jié)果均未考慮不確定性，ARO時(shí)對(duì)應(yīng)的限值為1.481。

綜上分析，采用兩種回收鈾載釓燃料棒替換常規(guī)載釓燃料棒都會(huì)使得循環(huán)長(zhǎng)度略有縮短，堆芯FHΔH略有增加但仍滿足限值要求。

4 結(jié)論

本文在國(guó)內(nèi)M310核電廠長(zhǎng)循環(huán)燃料管理的基礎(chǔ)上，對(duì)采用回收鈾載釓燃料棒的組件和堆芯進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究其對(duì)關(guān)鍵中子學(xué)參數(shù)的影響。結(jié)果表明，采用回收鈾載釓燃料棒時(shí)循環(huán)長(zhǎng)度略有降低（約10EFPD），但仍基本滿足18個(gè)月?lián)Q料的總體要求（可通過(guò)調(diào)整裝載方案適當(dāng)延長(zhǎng)循環(huán)長(zhǎng)度）；堆芯FHΔH略有增加，但仍滿足相關(guān)安全限值要求。從上述分析結(jié)果來(lái)看，在現(xiàn)有的燃料管理中采用回收鈾載釓燃料棒的堆芯物理設(shè)計(jì)是切實(shí)可行的，且不會(huì)對(duì)反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性和安全性產(chǎn)生明顯影響。