鉛鉍冷卻氮化物燃料小型模塊化快中子反應(yīng)堆堆芯物理特性分析

袁顯寶 曹良志 吳宏春

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鉛鉍冷卻氮化物燃料小型模塊化快中子反應(yīng)堆堆芯物理特性分析

袁顯寶1,2曹良志2吳宏春2

1（三峽大學(xué)理學(xué)院機械與動力學(xué)院 宜昌443002） 2（西安交通大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 西安710049）

國際原子能機構(gòu)(International Atomic Energy Agency, IAEA)認(rèn)為小型模塊化反應(yīng)堆具有很好提高核能安全性、經(jīng)濟性和防止核擴散的能力，是未來核能最具發(fā)展前景的堆型之一。為適應(yīng)未來核能發(fā)展的需求，提出了一種鉛鉍冷卻氮化物燃料小型模塊化反應(yīng)堆(Small Modular Pb-Bi Cooled Reactor with Nitride Nuclear Fuel, SMPBN)設(shè)計方案，并利用PIJ組件計算程序和CITATION堆芯計算程序?qū)MPBN的物理特性和安全特性，包括反應(yīng)性系數(shù)及其隨燃耗變化、卸料燃耗、功率峰因子、燃料轉(zhuǎn)換比和停堆余量等進行了深入分析。通過分析，認(rèn)為SMPBN在20年壽期內(nèi)，具有很好的燃料轉(zhuǎn)換能力，不需要換料，反應(yīng)性波動很小，反應(yīng)性系數(shù)均為負(fù)值，具有固有安全性，符合國際上第四代反應(yīng)堆的要求。

鉛鉍冷卻氮化物燃料小型模塊化反應(yīng)堆，鉛鉍冷卻，氮化物燃料，物理特性

核能被認(rèn)為是解決當(dāng)前世界范圍內(nèi)的能源危機、環(huán)境污染和經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展等問題最有效途徑之一，然而核安全、核燃料利用率、核能經(jīng)濟性、核廢料處理和核擴散問題成為核能持續(xù)發(fā)展最關(guān)鍵的制約因素。為了有效解決前述幾個方面的問題，具備高燃料轉(zhuǎn)換比和固有安全性的小型模塊化反應(yīng)堆正逐漸成為世界矚目的焦點[1?5]。

本文在充分調(diào)研國際上小型模塊化反應(yīng)堆設(shè)計理念的基礎(chǔ)上[6?10]，提出以鉛鉍為冷卻劑氮化物燃料的小型模塊化反應(yīng)堆(Small Modular Pb-Bi Cooled Reactor with Nitride Nuclear Fuel, SMPBN)設(shè)計方案，并利用堆芯物理計算程序分析了SMPBN的物理特性和安全特性，包括反應(yīng)性系數(shù)及其隨燃耗變化、卸料燃耗、功率峰因子、燃料轉(zhuǎn)換比和停堆余量等。

1 堆芯設(shè)計

1.1 燃料、冷卻劑和包殼材料選擇

眾所周知，乏燃料處理是核電發(fā)展一個重要制約因素。目前大多數(shù)國家采用的方式是深埋或暫存，不僅要耗費大量乏燃料處理花費，也使得乏燃料中易裂變的钚和可裂變的鈾沒有得到充分利用，浪費了燃料資源。SMPBN小型模塊化堆反應(yīng)堆采用閉式燃料循環(huán)，可以充分地利用乏燃料中的239Pu，提高燃料的利用率和經(jīng)濟性。另外，氮化物(15N)燃料是最近最受重視的燃料類型，具有熱導(dǎo)率高、密度大、熔點高、抗輻照性能強及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等特點，采用氮化物燃料可以提高燃料增值比并加深燃耗深度，是目前國際上反應(yīng)堆燃料研究的熱點。SMPBN以乏燃料中提取出來的239Pu為驅(qū)動燃料，232Th為增殖燃料，可降低乏燃料處理成本、提高燃料的利用率和擴展燃料的利用空間。

鉛-鉍冷卻劑有很高的導(dǎo)熱性能，比鈉的導(dǎo)熱性能略差，但是鉛-鉍具有較低的熔點(123.5°C)，并有很高的沸點(1670°C)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。另外，從中子學(xué)角度上講，由于彈性散射中子和鉛-鉍相互作用損失的能量比與鈉相互作用上損失的要小，并且鉛-鉍具有很好的反射能力，從而可以提高中子的利用率。因此，在本文中選擇液態(tài)鉛-鉍作為SMPBN的冷卻劑。

燃料包殼是反應(yīng)堆中最重要的材料之一，由于T91具有良好的抗中子輻照、耐高溫和耐腐蝕性，因此在SMPBN中采用T91作為包殼材料和屏蔽材料[11]。

1.2 燃料棒和組件的設(shè)計

圖1給出了SMPBN組件和燃料棒的結(jié)構(gòu)。燃料棒采用圓柱狀結(jié)構(gòu)，外徑是0.83cm，不銹鋼T91包殼的厚度是0.75mm，/比值是1.2[12]，燃料主要成分是PuN和ThN，其中Pu是壓水堆中經(jīng)過33GW·d·t?1燃耗后冷卻15 a后乏燃料中的钚，釷是100%的232Th。燃料等效直徑是0.59cm。由于反應(yīng)堆要滿功率運行20 a，因此在燃料棒中要有足夠的空間容納裂變氣體，在燃料棒的上方留有2.05m的空間，燃料棒總長4 m，其中活性區(qū)高度是1.95m。組件采用六邊形的結(jié)構(gòu)，包含127根燃料棒，組件對邊距是11.2cm，組件盒的厚度是0.1cm。

圖1 燃料組件設(shè)計和燃料棒結(jié)構(gòu)

1.3 堆芯布置

反應(yīng)堆在運行的過程中很重要的一點就是保證堆芯的功率分布要平，因此采用分4區(qū)布料，圖2中，從淡到深依次為12%、13%、14%和15%富集度的燃料，富集度是按照燃料棒中PuN所占的質(zhì)量比定義。最內(nèi)三圈36個組件布置的是12%富集度，并且在燃料棒中的中間30cm部分設(shè)置了100% ThN的增殖區(qū)，主要是為了提高燃料的轉(zhuǎn)換比、展平功率分布和降低堆芯的空泡系數(shù)。堆芯活性區(qū)外是一個組件厚度的鉛鉍反射層，最外兩圈是不銹鋼屏蔽層。為了提高控制系統(tǒng)的效率，反應(yīng)堆控制系統(tǒng)分為兩組，一組用于在正常運行情況下的功率和反應(yīng)性調(diào)節(jié)以及停堆(Reaction Control System,RCS)，另一組僅用于停堆(Revision Control System, RSS)，其堆芯的布置見圖2。

圖2 SMPBN堆芯燃料及控制棒布置

2 物理分析

本部分將利用PIJ組件計算程序和CITATION堆芯計算程序[13?14]，對SMPBN的物理學(xué)特性進行詳細(xì)的分析，并利用單通道換熱模型對鉛鉍冷卻劑進行簡單的熱工水力分析[14]。分析的主要內(nèi)容包括：SMPBN在整個壽期內(nèi)的反應(yīng)性隨著燃耗的變化、反應(yīng)性系數(shù)、卸料燃耗、峰功率因子、冷卻劑平均流速、燃料的轉(zhuǎn)換比和控制棒的停堆裕量。

2.1 keff及反應(yīng)性系數(shù)

圖3給出了反應(yīng)堆在20 a壽期內(nèi)eff隨燃耗的變化。由于钚在總體上成線性規(guī)律下降，而在壽期初233U尚未產(chǎn)生，233Pa和234U的快速生成導(dǎo)致反應(yīng)性迅速下降。隨著233U的逐漸產(chǎn)生和累積，下降趨勢將得到遏制，反應(yīng)性將逐步上升，大約在運行5 a的時候eff達到最大值1.013，隨后由于232Th的消耗，增值能力變?nèi)酰琫ff開始下降直到壽期末。在整個壽期內(nèi)eff的變化非常小，表明反應(yīng)堆易于 控制。

圖3 反應(yīng)性隨燃耗的變化

SMPBN的主要反應(yīng)性參數(shù)：燃料溫度系數(shù)為?0.536×10?5K?1；冷卻劑溫度系數(shù)為?0.21×10?5K?1；空泡系數(shù)為?0.0467357；燃料棒軸向伸長系數(shù)為?81.0×10?5；組件徑向膨脹系數(shù)為?1.7×10?5。通過計算結(jié)果可以看出，反應(yīng)堆的主要反應(yīng)性系數(shù)都為負(fù)值。尤其空泡系數(shù)的值非常小，主要是因為SMPBN的設(shè)計采用池式結(jié)構(gòu)，冷卻劑同時充當(dāng)了反射層，在冷卻劑全部喪失的情況下，中子的泄漏也變得相當(dāng)嚴(yán)重，從而導(dǎo)致反應(yīng)堆達到很深的次臨界狀態(tài)。由于反應(yīng)堆一回路采用的是閉式循環(huán)，即在一回路沒有任何管道和貫穿件，并且使一回路處于自然循環(huán)。SMPBN的這些特點使得其自身具有固有安全性。

2.2 卸料燃耗、功率峰因子、冷卻劑平均流速和轉(zhuǎn)換比

圖4給出了1/6堆芯各組件經(jīng)過20 a滿功率運行后的卸料燃耗。從堆芯向外燃耗深度逐漸降低，雖然最外層具有最高富集度的燃料，但由于在堆芯外圍中子泄漏很強導(dǎo)致外圍的中子通量較低，因此堆芯最外圍的卸料燃耗低。然而，卸料燃耗最大值出現(xiàn)在富集度為13%的燃料組件，并不是出現(xiàn)在中子通量最大的中心區(qū)域。引起這一結(jié)果的原因是由于在堆芯中心區(qū)域的燃料棒中加入了30cm的增值區(qū)域，該區(qū)域的燃料僅含有氮化釷，沒有氮化钚。整個堆芯的最大卸料燃耗達到229.62 GW·d·t?1，但是通過對該組件原子位移次數(shù)(Displacements per Atom, DPA)分析，其值約為160，低于核反應(yīng)堆包殼材料T91的限制值200。同時，由于在SMPBN的燃料棒中留有足夠容納裂變氣體的空間，燃料棒在20 a滿功率運行過程中燃料棒內(nèi)的壓強不會很大，因此燃料棒包殼在壽期內(nèi)不會出現(xiàn)破裂。

圖4 卸料燃耗分布

圖5中給出了反應(yīng)堆1/6堆芯各組件壽期末的峰功率因子，壽期初和壽期中各組對應(yīng)功率峰因子，其值均小于1.25。反應(yīng)堆在壽期末的峰功率因子達到最大值1.36。但反應(yīng)堆整個壽期內(nèi)線功率最大值在8.2 kW·m?1，遠低于當(dāng)前設(shè)計快堆的最大線功率密度[5?6]，并且最大值是隨著燃耗的加深不斷從外向內(nèi)移動，表明SMPBN在壽期內(nèi)不會出現(xiàn)局部位置燃耗過深帶來的安全問題。同時，利用單通道換熱模型冷卻劑進行簡單的熱工水力分析，分析中設(shè)定冷卻劑進出口溫度分別為320°C和500°C，通過計算表明：在正常工況下，鉛鉍冷卻劑平均流速在1.1m·s?1情況下能夠保證堆芯的冷卻。

圖5 堆芯壽期末各組件功率峰因子分布

圖6給出了反應(yīng)堆壽期初1/6堆芯各組件的燃料轉(zhuǎn)換比。在壽期初，各組件燃料轉(zhuǎn)化比幾乎都大于1，并且在越靠近堆芯的組件燃料轉(zhuǎn)化越大，最大值達到1.35。主要是由于越靠近中心中子通量大并且232Th的含量越高（堆芯中心的組件布置有100%的232Th）。

圖7給出了整個壽期內(nèi)所有組件平均燃料轉(zhuǎn)化比隨著燃耗的變化。壽期內(nèi)隨著燃耗的加深，總的平均轉(zhuǎn)化比逐漸減少，約在5 a滿功率運行后，轉(zhuǎn)化比小于1。在整個壽期內(nèi)總的平均轉(zhuǎn)化比是0.97，高于絕大多數(shù)現(xiàn)行快堆設(shè)計方案，從而保證在20 a壽期內(nèi)滿足燃料自持。

圖6 堆芯壽期初各組件轉(zhuǎn)化比

圖7 壽期內(nèi)堆芯燃料總的轉(zhuǎn)化比隨燃耗的變化

2.3 停堆余量

停堆余量是反應(yīng)反應(yīng)堆安全可控的一個重要指標(biāo)，控制棒的價值要滿足反應(yīng)堆在任何工況下都能夠保證安全停堆。表2給出了反應(yīng)堆需要的反應(yīng)性和控制棒價值的比較。需要最小的控制系統(tǒng)價值主要考慮了反應(yīng)堆從滿功率運行到零功率狀態(tài)冷卻劑處于正常運行時入口溫度狀態(tài)（熱備狀態(tài)）和從熱備狀態(tài)到換料狀態(tài)時溫度變化引入的正反應(yīng)性，反應(yīng)堆出現(xiàn)最大控制組件卡棒和彈棒的情況下導(dǎo)致控制組件系統(tǒng)反應(yīng)性的減少，反應(yīng)堆本身具有的剩余反應(yīng)性以及10%的誤差。通過計算結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)堆出現(xiàn)最嚴(yán)重事故的情況下，控制系統(tǒng)有足夠的停堆裕量，RCS和RSS分別代表控調(diào)節(jié)棒組和停堆棒組。

表2 需要的反應(yīng)性和控制系統(tǒng)的反應(yīng)性

3 結(jié)語

初步設(shè)計了SMPBN，并研究了其物理學(xué)特性。首先，SMPBN在整個壽期內(nèi)反應(yīng)性的波動很小，并且該堆幾個重要反應(yīng)性系數(shù)都為負(fù)值，表明SMPBN在壽期內(nèi)易于控制，且具有固有安全性的特點。其次，SMPBN采用四區(qū)布料方式和堆內(nèi)增值焚燒，使得反應(yīng)堆壽期內(nèi)功率峰因子很小且隨著燃耗的加深逐步從堆心外圍向堆心內(nèi)移動，最大值出現(xiàn)在壽期末。同時反應(yīng)堆在壽期內(nèi)的最大的線功率密度僅為8.2kW·m?1。因此，反應(yīng)堆的功率分布很均勻，不會出現(xiàn)局部位置燒毀的問題。最后，堆心的平均卸料燃耗在200GW·d·t?1左右，最大值是229.62 GW·d·t?1。但是通過對最大值的組件進行DPA分析，其值僅為160，小于包殼材料給出的最大值限制。另外在燃料棒設(shè)計的時候充分考慮到裂變氣體導(dǎo)致棒內(nèi)壓力的改變。因此，燃料棒在經(jīng)過20 a滿功率運行后仍然會保證完整，不會出現(xiàn)破裂。同時保證反應(yīng)堆的控制系統(tǒng)可以提供足夠的停堆余量，保證反應(yīng)堆在任何工況下都能夠安全停堆。

總之，以氮化钚為驅(qū)動燃料、氮化釷為增值燃料的鉛鉍冷卻小型模塊化快中子堆不僅能夠滿足未來反應(yīng)堆具有長壽命、自然循環(huán)、非能動安全特點的設(shè)計目標(biāo)，而且具有很好的中子學(xué)特性，必將成為未來核反應(yīng)堆的研究熱點和重要發(fā)展堆型。

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Physical characteristics of small modular Pb-Bi cooled reactor with nitride nuclear fuel

YUAN Xianbao1,2CAO Liangzhi2WU Hongchun2

1(College of Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China) 2(School of Nuclear Science and Technology, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The small modular reactor is considered by International Atomic Energy Agency (IAEA) to be one of the most promising nuclear reactors in the future, which could not only improve the safety and economy of nuclear energy, but also prevent the nuclear proliferation.This paper puts forward a small modular Pb-Bi cooled reactor with nitride nuclear fuel (SMPBN) which is designed to meet the requirements for nuclear energy improvement.The physical characteristics and security features of the SMPBN were analyzed by PIJ and CITATION, including the reactive coefficient and its change with burnup, discharge burnup, power peak factor, fuel conversion ratio and shut-down allowance,.The SMPBN is expected to possess a good fuel conversion capability during the life-time of 20 a, with a small reactive fluctuation and a negative reactivity coefficient, which means that the SMPBN has inherent safety.It is considered to be satisfying the requirements of the G-IV, which provides a valuable reference for development of small modular fast neutron reactor in future.

SMPBN, Lead-bismuth coolant, Nitride fuel, Physical characteristics

YUAN Xianbao, male, born in 1974, graduated from University of Padua in Italy with a doctoral degree in physics in 2011, focusing on nuclear reactor physics

2016-11-30, accepted date: 2017-04-07

TL27

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.100603

袁顯寶，男，1974出生，2011年于意大利帕多瓦大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位，專業(yè)領(lǐng)域核反應(yīng)堆物理

2016-11-30，

2017-04-07

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.91226106, No.11247021), the China Postdoctoral Science Foundation (No.2013M532051), the Shaanxi Postdoctoral Science Foundation (No.20130018)

國家自然科學(xué)基金(No.91226106、No.11247021)、中國博士后科學(xué)基金(No.2013M532051)、陜西省博士后科學(xué)基金(No.20130018)資助