百萬千瓦環(huán)形燃料堆芯方案初步設(shè)計

呂 牛，夏兆東，張 庚

（中國原子能科學研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413）

環(huán)形燃料是一種由內(nèi)、外兩層包殼和環(huán)形燃料芯塊構(gòu)成的新型燃料元件，元件內(nèi)部增加了冷卻劑通道，相比于現(xiàn)有的實心燃料元件，減少了熱傳導路徑、增加了元件的傳熱面積，因此，在相同功率水平下，環(huán)形燃料元件的溫度要低于實心燃料元件[1,2]，一定程度上增加了核電站的安全性。同時，由于燃料溫度的降低，從而減少了裂變氣體的釋放量，為提高組件的燃耗提供了可行性。

美國麻省理工學院（MIT）的研究結(jié)果顯示，環(huán)形燃料在保持或增進現(xiàn)有反應(yīng)堆安全裕量的前提下，可提升堆芯功率密度30%或更高，顯著提高了核電廠的經(jīng)濟性[3]，韓國原子能機構(gòu)（KAERI）計劃使用環(huán)形燃料提升現(xiàn)役OPR-1000 堆芯功率密度20%[4]，環(huán)形燃料應(yīng)用于壓水堆將具有廣闊的發(fā)展前景。本工作采用CASMO5/SIMULATE5 程序包對環(huán)形燃料組件物理特性進行了計算與分析，在此基礎(chǔ)上進行百萬千瓦堆芯環(huán)形燃料管理方案設(shè)計研究。

1 設(shè)計準則與程序

1.1 設(shè)計目標與準則

環(huán)形燃料堆芯燃料管理設(shè)計準則參考了實心燃料棒堆芯[5]，且對這些設(shè)計準則進行了安全分析，滿足工程化設(shè)計安全要求。

（1）長周期平衡循環(huán)長度不小于450 有效滿功率天（EFPD）；

（2）平衡循環(huán)堆芯換料燃組件的235U 富集度限值不超過5%；

（3）最大卸料組件燃耗限值不超過52 GW·d·tU-1（燃料包殼為M5 合金）；

（4）焓升因子（FΔH）≤1.65（包括11.4%的不確定性）；

（5）熱點因子（FQ）≤2.45（包括11.7%的不確定性）；

（6）壽期初（BOL）、熱態(tài)零功率（HZP）、零氙、控制棒全部提出堆芯狀態(tài)下（ARO），慢化劑溫度系數(shù)必須為負值或零，使堆芯具有負反饋特性；

（7）壽期末（EOL）停堆裕量≥3 300 pcm。

1.2 設(shè)計程序

本設(shè)計中，采用從美國Studsvik 公司引進的 CASMO5/SIMULATE5 程序包進行計算分析，該程序包經(jīng)過升級開發(fā)，可以模擬實心燃料和環(huán)形燃料[6,7]。

2 堆芯設(shè)計

2.1 組件設(shè)計

與傳統(tǒng)的實心燃料元件相比，環(huán)形燃料元件的徑向尺寸有所增加，內(nèi)部增加了冷卻劑通道，如圖1 所示。

從核電站自身的安全性考慮，在組件設(shè)計中，首先要確保組件具有負的慢化劑溫度系數(shù)。組件的慢化劑溫度系數(shù)與元件柵距相關(guān)，為了研究環(huán)形燃料組件的慢化特性，計算了不同235U 富集度燃料棒在不同柵距下的無限增殖系數(shù)（kinf），如圖2 所示。計算狀態(tài)為熱態(tài)、零功率，冷卻劑溫度取 285 ℃，冷卻劑壓力取15.5 MPa。

如圖2 所示，不同235U 富集度燃料元件kinf隨柵距的增加先變大、后減小，這是因為燃料元件隨著柵距的增大逐漸由欠慢化狀態(tài)達到最佳慢化，之后進入過慢化區(qū)域。因此，本次組件的燃料元件柵距確定為1.642 cm，均小于其最佳慢化柵距，所有組件均處于欠慢化區(qū)域，這為反應(yīng)堆具有負慢化劑溫度系數(shù)提供了先決條件。

對于不同燃料棒，最佳柵距隨著235U 富集度的增加而變大，這是因為高富集度的燃料棒中235U 含量多，只有在更大柵距條件下才能達到最佳H/235U，也即是最佳慢化。

環(huán)形燃料元件、導向管和儀表管以1.642 cm 為柵距，它們按13 × 13 方陣排列成正方形柵格組成一個組件，如圖3 所示。環(huán)形燃料組件包括160 根燃料棒（部分載有釓可燃毒物）、8 根M5 合金材料的導向管和1 根M5 合金材料的儀表測量管，冷態(tài)時燃料組件對邊距為21.504 cm。

為了展平功率、抑制壽期初大量剩余反應(yīng)性，本次設(shè)計中選用了分別含0 根、4 根、8 根、12 根可燃毒物棒的組件，可燃毒物棒為UO2-Gd2O3混合燃料棒。在循環(huán)中期，由于可燃釓的消耗釋放反應(yīng)性導致含釓燃料棒變成“熱棒”，故含釓燃料棒需采用較低的富集度確保FΔH不會超限值。Gd2O3在釓棒中含量既要達到展平功率、抑制壽期初剩余反應(yīng)性的目的，又要考慮壽期末不能有大量殘留而影響循環(huán)長度，經(jīng)過多次迭代優(yōu)化，燃料組件的235U 富集度與可燃毒物參數(shù)如表1 所示。

表1 組件類型Table 1 Assembly types

2.2 堆芯描述

該環(huán)形燃料反應(yīng)堆堆芯裝載177 盒燃料組件，堆芯活性段高度（冷態(tài)）為365.76 cm，等效直徑為323 cm，堆芯參數(shù)如表2 所示。反應(yīng)堆共布置84 束控制棒。

表2 堆芯參數(shù)Table 2 Core parameters

2.3 堆芯燃料管理設(shè)計

根據(jù)1.1 節(jié)的設(shè)計準則與目標要求，初步設(shè)計該燃料管理方案首堆循環(huán)長度為年換料，經(jīng)歷3 個循環(huán)過渡到長周期平衡循環(huán)，為了實現(xiàn)該目標，經(jīng)過多次優(yōu)化，首先確定了首循環(huán)堆芯布置，如圖4 所示，首循環(huán)堆芯組件采用3區(qū)裝載，3 區(qū)組件的235U 富集度分別為2.1%、2.8%、3.6%，組件數(shù)目分別是73 盒、56 盒、48 盒。在部分燃料組件中布置了4 根、8 根釓棒，整個堆芯共使用404 根。為了避免功率峰超設(shè)計準則，高富集度組件布置在堆芯外部區(qū)域，較低富集度的兩種組件交錯的布置在堆芯內(nèi)部區(qū)域。

從第2 循環(huán)開始歷經(jīng)3 個過渡循環(huán)至第5循環(huán)達到平衡，新燃料采用235U 富集度4.95%或5.5%的組件，含釓燃料棒的數(shù)目有4 根、8 根、12 根三種類型。為了研究換料組件數(shù)、富集度對平衡循環(huán)長度、卸料燃耗的影響，本次針對平衡循環(huán)堆芯布置設(shè)計了三個方案，如圖5 所示。

方案一每次換料組件數(shù)為72 盒，其中4904類型16 盒，4908 類型20 盒，4912 類型36 盒；方案二每次換料組件數(shù)為72 盒，其中5504 類型20 盒，5508 類型16 盒，5512 類型36 盒；方案三每次換料組件數(shù)為81 盒，其中4904 類型16 盒，4908 類型12 盒，4912 類型53 盒。

3 計算結(jié)果

3.1 組件kinf

圖6（a）比較了環(huán)形燃料組件與實心燃料組件kinf隨燃耗變化曲線，相同組件柵距、相同235U 富集度情況下，環(huán)形燃料組件的kinf低于實心燃料組件，這是因為環(huán)形燃料元件內(nèi)部增加了冷卻劑通道，導致環(huán)形燃料組件235U 裝載量少于實心燃料組件。因此，實現(xiàn)相同的燃料管理策略情況下，環(huán)形燃料組件235U 富集度要高于實心燃料組件，通過二者的比對可以為環(huán)料燃料組件富集度的選擇提供參考。

以235U 富集度4.95%的環(huán)形組件為例，圖6（b）比較了含不同釓棒數(shù)目組件kinf隨燃耗的變化，在燃耗初期，kinf出現(xiàn)快速減小，該現(xiàn)象是由于135Xe 濃度在燃耗初期很快增加并趨于飽和，使得組件kinf在短時間內(nèi)發(fā)生了較大變化，之后隨著燃耗增加，可裂變材料減少，kinf逐漸降低。對于含釓組件，其含釓棒數(shù)目越多，燃耗初期其kinf也就越小，在燃耗達到18 GW·d·tU-1之后，組件中的155Gd、157Gd接近消耗完畢，不同含釓棒組件的kinf逐漸趨于一致。

以4912 類型的環(huán)形燃料組件為例，圖6（c）研究了釓棒中Gd2O3不同含量對組件kinf的影響。燃耗初期，由于135Xe 濃度增加使得kinf出現(xiàn)快速減小，之后隨著燃耗增加，組件中的可燃釓的消耗釋放的大量反應(yīng)性，使得kinf隨燃耗增加出現(xiàn)先升高、后降低的現(xiàn)象，kinf拐點即所謂的“釓峰”，“釓峰”的出現(xiàn)意味著組件中毒物釓基本消耗完畢。從圖中可以看出，由于組件中Gd2O3不同，其出現(xiàn)“釓峰”的燃耗點也不同，Gd2O3含量越高，“釓峰”對應(yīng)的燃耗點越大，因此，在進行堆芯燃料管理設(shè)計時，應(yīng)選擇合適的Gd2O3含量，盡量避免經(jīng)歷一個燃料循環(huán)的組件中毒物釓的殘留影響循環(huán)長度。

本次堆芯燃料管理設(shè)計的平衡循環(huán)燃耗大于18 GW·d·tU-1，因此，選用Gd2O3的含量為10%不會對循環(huán)長度造成大的影響。

3.2 堆芯物理參數(shù)

表 3 比較了三種方案堆芯平衡循環(huán)的主要物理參數(shù)（包括循環(huán)長度、卸料燃耗、焓升因子、熱通道因子、慢化劑溫度系數(shù)、臨界硼酸濃度、停堆裕量等）。

表3 平衡循環(huán)堆芯物理參數(shù)Table 3 Equilibrium cycle core physical parameters

（1）方案一，平衡循環(huán)長度430EFPD 略小于設(shè)計目標外，其余參數(shù)均滿足設(shè)計目標與準則；

（2）方案二，平衡循環(huán)組件富集度、卸料燃耗超出設(shè)計準則，其余參數(shù)均滿足設(shè)計目標與準則；

（3）方案三，所有參數(shù)均滿足設(shè)計目標與準則。

表3 結(jié)果表明，同一富集度下，循環(huán)長度隨組件單批次換料盒數(shù)的增加而增加，卸料燃耗隨單批換料盒數(shù)的增加而減少；在相同單批次換料盒數(shù)情況下，循環(huán)長度隨組件富集度增加而增加。因此需要統(tǒng)籌考慮循環(huán)長度、燃料富集度與卸料燃耗后選擇一個合適方案。通過對上述三個方案優(yōu)缺點的比較，目前設(shè)計限值條件下，方案三符合設(shè)計目標與準則。

4 結(jié)論

應(yīng)用CASMO5/SIMULATE5 程序包，對環(huán)形燃料的物理特性進行了分析計算，從燃料組件慢化特性、組件kinf隨燃耗變化規(guī)律出發(fā)研究了元件柵距、235U 富集度和可燃毒物含量的合理性。在此基礎(chǔ)上進行了百萬千瓦環(huán)形燃料管理方案初步設(shè)計，通過對新燃料和乏燃料優(yōu)化布置，分別給出了72 盒和81 盒換料新組件平衡循環(huán)的燃料管理方案，通過對不同設(shè)計方案進行比較，得出結(jié)論如下：

目前的組件富集度、卸料組件燃耗限值條件下，方案三換料81 盒新組件的方案主要堆芯物理參數(shù)滿足設(shè)計目標與準則。