HFETR低濃化堆芯設計

劉水清 梁光遠 劉紅倩 康長虎 徐濤忠 冉忠康

【摘 要】高通量工程試驗堆（HFETR）從開始運行至第72-1爐一直以高濃鈾為燃料。從第72-2爐開始， HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換，至第74-1爐起堆芯全部順利地轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料元件，安全地實現(xiàn)了HFETR的低濃化。HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料過渡的方法是每爐加一定數(shù)量的低濃鈾燃料組件，逐步向全低濃鈾堆芯過渡。該方法使高濃鈾燃料組件得到充分利用。HFETR從高濃鈾堆芯逐步向低濃鈾堆芯過渡是可行的，到第74-1爐止，順利的實現(xiàn)了高濃鈾燃料向轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料的過渡，堆運行情況良好。

【關(guān)鍵詞】高濃鈾燃料組件；低濃鈾燃料組件；過渡堆芯

中圖分類號： R197.39 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.013

【Abstract】High flux engineering test reactor（HFETR） has been using high enriched uranium as fuel for its operation from 72-1.Starting from furnace 72-2，HFETR converts from high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel，and the core of the 74-1 furnace is converted to low enriched uranium fuel elements successfully，and the low concentration of HFETR is safely realized.The HFETR transition from high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel is to add a certain amount of low enriched uranium fuel assembly to each furnace and gradually transition to the core of all low enriched uranium.This method makes full use of high enriched uranium fuel assemblies.The transition of HFETR from high enriched uranium core to low enriched uranium core is feasible.By the end of furnace 74-1，the transition of high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel is successfully realized，and the reactor operation is good.

【Key words】High enriched uranium fuel；Low enriched uranium fuel；Transition core

0 前言

高通量工程試驗堆（HFETR）從開始運行至第72-1爐一直以高濃鈾為燃料。從第72-2爐開始， HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料轉(zhuǎn)換，至第74-1爐起堆芯全部順利地轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料元件，安全地實現(xiàn)了HFETR的低濃化。HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料過渡的方法是每爐加一定數(shù)量的低濃鈾燃料組件，逐步向全低濃鈾堆芯過渡。該方法使高濃鈾燃料組件得到充分利用。

對高、低濃鈾燃料組件混裝堆芯進行了大量的計算研究，對堆芯功率不均勻系數(shù)、對堆的運行功率、對堆的安全、同位素生產(chǎn)影響等重要問題進行了深入研究。本工作的主要目的是研究HFETR逐步向低濃鈾燃料組件堆芯過渡時，過渡堆芯是否可以滿足核安全要求？是否可以滿足燃料元件輻照、同位素生產(chǎn)的要求？分析計算結(jié)果表明，過渡堆芯能滿足徑向功率不均勻系數(shù)和軸向功率不均勻系數(shù)的要求，HFETR從高濃鈾堆芯逐步向低濃鈾堆芯過渡是可行的。提供了滿足堆的安全運行、燃料元件輻照、同位素生產(chǎn)條件的堆芯方案，順利的實現(xiàn)了HFETR高濃鈾燃料向轉(zhuǎn)換為低濃鈾燃料的過渡。

1 設計原則

1.1 安全原則

堆芯和回路運行是安全的， 并且滿足燃料組件考驗、同位素生產(chǎn)等要求；

1.2 經(jīng)濟原則

在滿足基本安全原則的前提下力求降低運行成本，使得較小的投入得到較大的產(chǎn)出。

1.3 可操作性

設計的方案在HFETR上易實現(xiàn)。

2 計算模型和程序

HFETR堆芯計算采用CELL程序和ECP493程序，它們的計算模型和功能如下：

2.1 CELL程序[1]

CELL程序是分層圓環(huán)組件少群參數(shù)計算程序，采用WIMS-4/D 69群數(shù)據(jù)庫，通過計算共振能區(qū)的有效截面和溫度內(nèi)插的熱群截面之后，計算各核素少群微觀參數(shù)和各材料區(qū)少群宏觀截面參數(shù)。CELL程序用碰撞幾率方法求解積分輸運方程，對強吸收體柵元采用超柵元計算方法。CELL程序可作泄漏修正的基模計算和輸運—擴散等效計算。CELL程序可以計算堆芯核設計中使用的各類組件、部件（包括強吸收體組件）的少群參數(shù)。

2.2 ECP493程序[2]

原HFETR堆芯物理計算程序不能對一體化板組件入堆輻照進行跟蹤計算，為此設計所專門開發(fā)了一個鑲嵌耦合中子擴散程序ECP493。ECP493程序是一個三維xyz坐標細網(wǎng)格堆芯燃料管理程序。用細網(wǎng)有限差分方法求解中子擴散方程，采用粗網(wǎng)再平衡方法加速外迭代收斂。ECP493程序是計算有考驗回路堆芯的程序，它采用鑲嵌耦合方法，解決了實驗回路既和大堆同時運行，又要特殊處理的問題。因此ECP493程序除了能計算堆芯核設計所需參數(shù)外，還能給出鈷-60等同位素靶件的產(chǎn)量，實驗回路中考驗燃料組件的精細功率分布和通量分布，各燃耗時刻考驗燃料組件的燃耗以及提供乏燃料貯存庫。

3 堆芯和考驗回路描述

HFETR堆內(nèi)有18根控制棒，堆芯內(nèi)可布置燃料組件、鈹組件、鋁組件、不銹鋼組件，也可布置占柵元的同位素靶件，HFETR堆芯布置不是固定不變的，它將隨著輻照考驗試驗和生產(chǎn)任務的變化而改變。設計時，堆芯內(nèi)燃料組件數(shù)目為77盒。

4 HFETR實際過渡堆芯設計

HFETR堆芯從第72-2爐開始過渡，經(jīng)過三個爐段后，堆芯高濃鈾燃料組件過渡完畢；從第74-1爐開始全低濃鈾燃料組件堆芯運行。

高、低濃鈾燃料組件的過渡堆芯的爐段分別為第72-2爐、73-1爐、73-2爐、74-1爐。第72-2爐、73-1爐、73-2爐、74-1爐主要計算結(jié)果見表1；

各爐段裝載除元件和同位素靶件外，還有鈹塊87盒，不銹鋼塊33盒。高濃鈾燃料元件堆芯壽期可達成1600MWd，低濃鈾燃料元件堆芯壽期可達成1960MWd。各爐段控制棒在不同狀態(tài)下的棒價值，熱盒位置以及堆芯徑向功率不均勻系數(shù)均滿足安全、經(jīng)濟生產(chǎn)的要求。

從表1知：高、低濃鈾燃料組件的過渡堆芯的徑向功率不均勻系數(shù)可小于2.0和軸向功率不均勻系數(shù)可小于1.5，滿足熱工安全分析要求；保證堆芯的徑向功率不均勻系數(shù)和軸向功率不均勻系數(shù)小于設定值。

5 結(jié)論

通過對低濃鈾燃料組件的過渡堆芯優(yōu)化計算并經(jīng)過HFETR4個爐段實際過渡的結(jié)果表明：

HFETR堆芯設計時，加高、低濃鈾燃料組件的過渡堆芯的徑向功率不均勻系數(shù)和軸向功率不均勻系數(shù)按熱工安全分析要求進行設計：徑向功率不均勻系數(shù)可小于2.0和軸向功率不均勻系數(shù)可小于1.5，滿足了過渡堆芯的要求，安全的完成了HFETR從高濃鈾燃料組件到低濃鈾燃料組件的過渡工作，使得HFETR從第74-1爐開始全低濃鈾燃料組件運行，堆運行情況良好。

6 建議

HFETR從高濃鈾燃料向低濃鈾燃料過渡的方法是每爐加一定數(shù)量的低濃鈾燃料組件，逐步向全低濃鈾堆芯過渡。該方法使高濃鈾燃料組件得到充分利用。這方法在以后MJTR堆芯的過渡中值得參考。

【參考文獻】

[1]姚棟.CELL程序理論手冊，內(nèi)部資料（500-223），1994.8.20.

[2]李大圖，吳英華.ECP493程序使用手冊，內(nèi)部資料.