使用CARR乏燃料的游泳池式研究堆概念性設(shè)計(jì)

黃韡　劉天才　安偉健　吳曉春

摘 要：中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）采用235U富集度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為19.75%的U3Si2-Al彌散體做燃料芯體﹑鋁合金做包殼的平板型燃料組件。按照目前的運(yùn)行計(jì)劃，CARR每年產(chǎn)生約40盒乏燃料組件，平均卸料相對(duì)燃耗為32%～33%，低于卸料燃耗限值（70%），因此，CARR乏燃料組件可直接再利用。該工作采用CARR乏燃料組件構(gòu)建CARR乏燃料反應(yīng)堆，優(yōu)化選擇臨界運(yùn)行的堆芯物理方案，并對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：CARR 游泳池式研究堆 方案設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TL24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）01（c）-0081-02

CARR堆采用235U的富集度為19.75 wt%﹑含鈾密度為4.3 g/cm3的U3Si2-Al彌散體作為燃料芯體﹑鋁合金作為包殼的平板型燃料組件。CARR的平均卸料燃耗約為32%，乏燃料中的235U富集度超過(guò)10 wt%，遠(yuǎn)高于核電廠初始裝料的富集度，甚至接近于某些研究堆初始裝料的富集度。而對(duì)CARR燃料芯體進(jìn)行的堆內(nèi)輻照考驗(yàn)結(jié)果表明，在相對(duì)燃耗達(dá)到70%時(shí)，芯體的各項(xiàng)性能指標(biāo)仍能滿足安全要求。在CARR的高溫、高功率條件下，該燃料已不能使堆芯臨界，但如果在池式堆常壓、低功率的條件下，乏燃料仍具有足夠的反應(yīng)性使堆芯臨界，因此，可以建造乏燃料池式對(duì)CARR乏燃料加以利用，用以替代已經(jīng)退役的101重水堆以及即將退役的49-2游泳池式反應(yīng)堆。文章探討了使用CARR乏燃料的游泳池式反應(yīng)堆核設(shè)計(jì)的某些特點(diǎn)，從而闡明CARR乏燃料泳池堆的可實(shí)現(xiàn)性。

1 CARR乏燃料特性

CARR堆內(nèi)燃料組件分為3區(qū)。第1、2區(qū)各有8盒標(biāo)準(zhǔn)燃料組件，第3區(qū)包括4盒控制棒跟隨體燃料組件和1盒標(biāo)準(zhǔn)燃料組件。CARR堆芯達(dá)到平衡態(tài)后，其換料周期為50個(gè)滿功率天。預(yù)計(jì)每年運(yùn)行120個(gè)等效滿功率天，則每年從堆芯內(nèi)卸出的乏燃料約40盒左右。對(duì)CARR標(biāo)準(zhǔn)燃料組件柵元內(nèi)的重核素進(jìn)行燃耗分析，標(biāo)準(zhǔn)組件在堆內(nèi)運(yùn)行50個(gè)滿功率天后卸出，冷卻衰變3年后加以使用，此次設(shè)計(jì)中對(duì)1、2區(qū)燃料均有使用，由于兩者燃耗深度不同，分區(qū)布置有利于展平堆內(nèi)功率密度分布。其中的1區(qū)乏燃料主要重核素成分見(jiàn)表1。

2 堆芯方案設(shè)計(jì)

此工作給出了3種堆芯布置方案如圖1、2、3所示，3種方案分別布置了16盒、24盒、27盒燃料組件以及4、4、6根控制棒，且均為中心對(duì)稱(chēng)布置，輕水作為慢化劑及冷卻劑，采用鈹反射層布置在燃料外部空間，以提高反射層中的熱中子注量率，減少堆芯臨界體積?？刂瓢暨x擇與CARR堆相同的鉿材料，但為了避免換料時(shí)的復(fù)雜性，并未使用CARR堆使用的跟隨體控制棒，跟隨體燃料部分用鋁塊代替。方案1中預(yù)留孔道用鋁塊填充，方案2、3中用水通道填充，圖中，1為控制棒，2為CARR 2區(qū)燃料，3為CARR 1區(qū)燃料，4為鋁塊，5為水通道，Be為Be反射層。

通過(guò)對(duì)以上各方案在不同狀態(tài)下的臨界計(jì)算，得到的臨界參數(shù)如表2所示，其中卡棒準(zhǔn)則下停堆深度是按照價(jià)值最大的一組控制棒卡在堆外考慮的。

3 方案優(yōu)選

通過(guò)以上數(shù)據(jù)可以看出，方案A具有最小的臨界體積以及最高的中子注量率，但是由于只使用了16盒燃料組件，初始反應(yīng)性很低，僅為7.59，此設(shè)計(jì)堆芯循環(huán)長(zhǎng)度小，且在實(shí)際應(yīng)用中還需放入靶件，導(dǎo)致反應(yīng)性進(jìn)一步降低。方案B中將燃料組件盒數(shù)增加到了24，反應(yīng)性相較方案A有了極大的提高，但在引入了反應(yīng)性的同時(shí)并沒(méi)有增加控制棒的數(shù)目，不滿足卡棒準(zhǔn)則，不滿足設(shè)計(jì)要求。方案C中使用了27盒燃料組件以及6根鉿控制棒，滿足臨界參數(shù)設(shè)計(jì)要求，但因?yàn)槎研九R界體積較大的緣故，雖然將燃料盡可能地放置于堆芯，將孔道布置在反射層中，但中子注量率對(duì)比與方案A仍然較低。

最終選取方案C作為優(yōu)選方案。

4 優(yōu)選方案中子注量率計(jì)算

對(duì)于輻照應(yīng)用空間主要布置在鈹反射層中的研究堆，鈹反射層中熱中子注量率是評(píng)價(jià)其性能的主要指標(biāo)。在反應(yīng)堆熱功率為15 MW的條件下，各方案堆芯活性區(qū)外中心軸平面上沿徑向的中子注量率分布示于表3。

由于堆芯對(duì)稱(chēng)布置，僅給出方案C堆芯的4分之1中子注量率分布，堆外最高中子注量率為3.49×1013 cm-2·s-1。與49-2堆注量率較為相近，滿足設(shè)計(jì)需求。

5 功率密度分布

此工作僅給出反應(yīng)堆初始狀態(tài)下各組件的功率分布，如圖5所示，徑向功率分布不均勻因子為1.07，可見(jiàn)，反應(yīng)堆功率分布較為平坦。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)CARR乏燃料池式堆的初步性設(shè)想進(jìn)行堆芯方案初步設(shè)計(jì)與優(yōu)選，優(yōu)選方案在臨界運(yùn)行模式下滿足臨界堆的核設(shè)計(jì)要求，堆芯外最大熱中子注量率約為3.5×1013 cm-2·s-1，但乏燃料組件的安全性還受其特殊輻照條件的影響，特別是其鋁包殼的抗輻照性能，因此，今后還需對(duì)其進(jìn)行更加詳細(xì)地論證與評(píng)估。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁履正，柯國(guó)土，金華晉，等.中國(guó)先進(jìn)研究堆（CARR）的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和創(chuàng)新技術(shù)[J].核動(dòng)力工程，2006（S2）：1-5.

[2] 謝仲生，尹邦華.核反應(yīng)堆物理分析[M].3版.北京：原子能出版社，1996.

[3] 蔡德昌，王侃，姚增華.使用大亞灣核電站乏燃料的池式堆概念設(shè)計(jì)[J].核動(dòng)力工程，2004，25（5）：385-389.