池式低溫供熱堆整體換料式方案核設(shè)計(jì)

巫騰飛

(中國原子能科學(xué)研究院核工程設(shè)計(jì)研究所 北京 102413)

核能供熱是利用核反應(yīng)堆生產(chǎn)的能量直接供熱。其供熱的優(yōu)點(diǎn)是相比于傳統(tǒng)的鍋爐供熱，在環(huán)境排放污染小的同時(shí)，燃料也從煤炭和天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)楹巳剂希看味研緭Q料才需要運(yùn)輸一次燃料，燃料的運(yùn)輸需求量小，因此核能供熱優(yōu)勢明顯，市場前景廣闊[1]。在20世紀(jì)80年代，清華大學(xué)完成了一體化布置的5 MW殼式供熱堆的設(shè)計(jì)工作[2]。為了能夠在允許建造在城市附近，將殼式堆放入泳池中即池殼式供熱堆，在2019年國電投完成了HAPPY200池殼式反應(yīng)堆的總體技術(shù)方案[3]。

而相比于殼式和池殼式供熱堆，池式低溫供熱堆是在泳池堆幾十年安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，針對北方城市供熱需求新研發(fā)的堆型，比較其他反應(yīng)堆，因?yàn)?9-2原型堆運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富，使供熱堆在設(shè)計(jì)上可靠性高、技術(shù)成熟；加上池式的設(shè)計(jì)、低溫低壓的運(yùn)行工況也使得其具有固有安全性、系統(tǒng)簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，更適于靠近城市居民區(qū)進(jìn)行建造。在2017 年，中國原子能科學(xué)研究院成功在49-2 泳池式反應(yīng)堆上進(jìn)行了冬季供暖演示[4]，驗(yàn)證了池式反應(yīng)堆在進(jìn)行城市供暖時(shí)具有良好的固有安全性[5]。

在2021年，中國原子能科學(xué)研究院完成了69盒組件，三批倒料方式的核設(shè)計(jì)方案[6]。其中設(shè)計(jì)為每供暖450 天需要倒換一次料，但是由于供暖季節(jié)度連續(xù)性以及負(fù)荷跟蹤問題，倒換料不一定會(huì)在不供暖的間隙，可能在供暖期間需要倒換料，而供暖期間倒換料會(huì)暫停供暖，影響市民生活。因此減少倒換料次數(shù)或更改換料方法能夠有效減少可能發(fā)生的在供暖季期間進(jìn)行倒換料帶來的負(fù)面影響。該文參考了韓國無可溶硼模塊化小型堆（SBF-SMR）的設(shè)計(jì)思路[7]，考慮在低溫供熱堆上采用整體換料方式的堆芯設(shè)計(jì)，即卸料時(shí)堆芯全部組件卸出，換入全新的所有組件的倒料方式，每900EFPDS 倒換一次料，相比于每450EFPDS 倒換料一次，所需倒料次數(shù)減半。

該文設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆堆芯采用整體換料式堆芯布置設(shè)計(jì)，由37 個(gè)國產(chǎn)CF3-S 燃料組件構(gòu)成，具有較低的功率密度和較好的熱工水力性能；該堆芯為無硼棒控系統(tǒng)，通過載釓燃料棒補(bǔ)償燃耗等反應(yīng)性損失，具有較強(qiáng)的負(fù)荷跟蹤能力和足夠的停堆裕量。該文介紹了設(shè)計(jì)池式低溫供熱堆堆芯時(shí)依據(jù)的核設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、堆芯的主要物理參數(shù)及設(shè)計(jì)，并給出了堆芯核設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。

1 核設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.1 堆芯燃料和燃料管理

堆芯燃料裝載應(yīng)具備足夠的后備反應(yīng)性，使設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆在運(yùn)行了設(shè)計(jì)目標(biāo)的循環(huán)長度后仍具有剩余反應(yīng)性；同時(shí)由于經(jīng)濟(jì)性需求，堆芯換料方案應(yīng)盡可能降低燃料成本，并使全堆平均卸料燃耗達(dá)到預(yù)期值[8]。

1.2 反應(yīng)性控制

池式低溫供熱堆是一個(gè)無硼棒控系統(tǒng)，不能依靠調(diào)節(jié)可溶硼補(bǔ)償燃耗等反應(yīng)性損失，因此其所依賴的反應(yīng)性控制手段只有可燃毒物和控制棒系統(tǒng)。供熱堆的反應(yīng)性控制要求：（1）當(dāng)反應(yīng)堆最大價(jià)值的一束棒卡在堆外，僅依靠第一套控制棒系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)熱停堆并具備適當(dāng)?shù)耐６焉疃?；?）當(dāng)?shù)谝惶卓刂瓢粝到y(tǒng)處于臨界棒位時(shí)，僅依靠第二套緊急停堆系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)冷停堆并具備適當(dāng)?shù)耐６焉疃取?/p>

1.3 反應(yīng)性系數(shù)

在反應(yīng)堆的各種運(yùn)行工況以及啟動(dòng)工況下，為保證堆芯具有負(fù)反饋特性，應(yīng)使空泡反應(yīng)性系數(shù)、慢化劑反應(yīng)性溫度系數(shù)在循環(huán)中的任意時(shí)刻，始終均為負(fù)值。

1.4 熱工水力限制

由于供熱堆依靠深水靜壓獲得較高的出口飽和溫度，但其余量也較小，因此要求熱工水力方面不發(fā)生DNBR和流動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。

1.5 計(jì)算機(jī)程序和數(shù)據(jù)庫

應(yīng)采用評價(jià)過的核數(shù)據(jù)，所使用的計(jì)算機(jī)程序應(yīng)通過基準(zhǔn)例題和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的驗(yàn)證，證明所采用的核數(shù)據(jù)和計(jì)算機(jī)程序是合理的，計(jì)算精度是滿足工程設(shè)計(jì)要求的。

2 計(jì)算機(jī)程序

堆芯核設(shè)計(jì)采用上海核星核電科技有限公司開發(fā)的堆芯核設(shè)計(jì)程序Orient程序系統(tǒng)。改程序采用二步法堆芯計(jì)算。程序包含采用MOC 方法進(jìn)行組件參數(shù)計(jì)算程序ROBIN、基于節(jié)塊法的堆芯三維計(jì)算程序EGRET、組件程序與堆芯三維計(jì)算程序的連接程序IDLLY這3個(gè)部分。

3 堆芯描述

3.1 堆芯主要設(shè)計(jì)參數(shù)

供熱堆輸出熱功率為200 MW，區(qū)別于放置于之前的池式堆，供熱堆的堆芯將置于地下水池深26 m 處，使用水深提供靜壓力，運(yùn)行壓力約為0.258 MPa，堆芯進(jìn)出口溫度為68 ℃/98 ℃，冷卻劑流量為5 717 t/h。堆芯具體見圖1。

圖1 堆芯示意圖

反應(yīng)堆堆芯由37個(gè)CF3-S燃料組件組成，燃料組件中心距為215.04 mm。全堆共布置了37束控制棒，即每個(gè)組件中均布置有控制棒束，37束中的28束控制棒是作為在正常運(yùn)行期間的調(diào)節(jié)棒束和補(bǔ)償棒束；其余的9束則是作為備用停堆棒束，用于組成第二停堆系統(tǒng)。堆芯活性區(qū)高度為215 cm，等效直徑為147 cm。全堆金屬鈾總裝量為10 t，平均線功率密度為95 kW/m。表1給出與堆芯核設(shè)計(jì)相關(guān)的反應(yīng)堆總體性能參數(shù)。

表1 200 MW堆芯核設(shè)計(jì)總體性能參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2 燃料組件

反應(yīng)堆采用CF3-S 組件，共計(jì)37 組。CF3-S 組件是17×17-25 排列方形結(jié)構(gòu)，由骨架、24 根導(dǎo)向管、一根儀表管及264 根燃料棒組成的。燃料骨架由上管座、下管座、2 個(gè)端部格架、3 個(gè)攪混格架、2 個(gè)跨間攪混格架以及相應(yīng)的連接件組成。單盒組件的尺寸為21.4 cm×21.4 cm，總高度254.8 cm。所有燃料組件均通過安裝在堆芯下板和堆芯上板的燃料定位銷進(jìn)行定位，按照既定布置安裝在堆芯吊籃中。

3.3 載釓燃料棒

由于供熱堆不采用調(diào)硼濃度控制方式，因此需要采用可燃毒物來補(bǔ)償燃耗、氙釤毒、功率虧損等。同時(shí)通過合理布置可燃毒物棒及燃料富集度也可展平功率分布。

供熱堆的固體可燃毒物吸收體材料為三氧化二釓（Gd2O3），它與二氧化鈾（UO2）均勻打混制作成型，由鋯包殼密閉包絡(luò)，結(jié)構(gòu)和燃料棒類型，構(gòu)成載釓燃料棒。在所需要的燃料組件中，可布置4、8、12、16、20根不等的載釓燃料棒，但都需按1/8對稱布置。在每根載釓燃料棒中，Gd2O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.0%。對于富集度為2.0%、2.4%、3.2%、4.8%的燃料組件，載釓燃料棒中UO2彌散體的U-235 富集度分別為0.714%、1.8%、1.8%、2.5%。

3.4 控制棒

全堆共布置37 束控制棒，其中9 束棒組成緊急停堆系統(tǒng)，其余28 束控制棒作為調(diào)節(jié)棒束和補(bǔ)償棒束，控制棒束在堆內(nèi)的布置具體見圖2。其中C0/C5/C05/C6/C06作為緊急停堆棒束。在循環(huán)壽期的前半段，C4/C04棒束作為調(diào)節(jié)棒束；在循環(huán)壽期的后半段，C2/C02棒束作為調(diào)節(jié)棒束。

圖2 控制棒束分布圖

3.5 堆芯裝載和換料方式

經(jīng)過設(shè)計(jì)計(jì)算，在滿足功率展平的基礎(chǔ)上，堆芯設(shè)置了4個(gè)區(qū)域，分別布置了2.0%、2.4%、3.2%、4.8%這4種不同富集度的燃料組件，其數(shù)目分別為1、12、8、16。堆芯所用燃料組件類型見表2。

表2 燃料組件類型

堆芯富集度布置具體見圖3。供熱堆采用整體換料方式，每年運(yùn)行150 天（1 個(gè)供暖季），運(yùn)行滿900 個(gè)EFPDs（6個(gè)供暖季）將全堆燃料整體換出。

圖3 堆芯富集度布置

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 堆芯燃耗

供熱堆為棒控系統(tǒng)，不能通過改變可溶硼濃度來維持堆芯的臨界。堆芯燃耗和功率分布計(jì)算是在熱態(tài)滿功率、控制棒處于臨界棒位下進(jìn)行的。整個(gè)循環(huán)壽期的循環(huán)長度為900 個(gè)EFPDs。整個(gè)循環(huán)壽期熱點(diǎn)最大為3.78，熱焓升最大為1.78。經(jīng)熱工水力計(jì)算表明，均不發(fā)生流動(dòng)不穩(wěn)定性和偏離泡核沸騰。

壽期末堆芯各組件的燃耗深度見圖4，其單位是MWd/tU。

圖4 壽期末堆芯各組件的燃耗深度

4.2 慢化劑和燃料溫度系數(shù)

反應(yīng)性系數(shù)反映了由于反應(yīng)堆運(yùn)行條件（如功率水平、慢化劑平均溫度、燃料溫度、壓力等）變化引起有效增殖因子的變化能力。為了確保堆芯具有良好的穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求反應(yīng)堆在任何功率水平下運(yùn)行時(shí)，慢化劑溫度系數(shù)必須為負(fù)值或零。同時(shí)，由于供熱堆冷卻劑裝料非常大，整個(gè)深池水容量約為1 800 m3，通過主泵加熱冷卻劑不太實(shí)際，因而池式低溫供熱堆將采用冷啟動(dòng)方式，這就要求慢化劑溫度系數(shù)必須達(dá)到一定的負(fù)值，以確保供熱堆的安全啟動(dòng)。

表3給出循環(huán)分別在壽期初、壽期中、壽期末三個(gè)時(shí)刻的堆芯慢化劑和燃料溫度系數(shù)，對應(yīng)計(jì)算的具體工況均為功率為零（0 Power）、氙毒為零（0 Xe），以及控制棒全部提出堆芯（ARO）。經(jīng)過計(jì)算這些值均為負(fù)值，且大小滿足要求，符合前文提及的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

表3 慢化劑和燃料溫度系數(shù)

4.3 停堆裕量

此次設(shè)計(jì)的反應(yīng)堆的反應(yīng)性控制系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立的控制棒系統(tǒng)組成，分別為控制棒調(diào)節(jié)補(bǔ)償系統(tǒng)和緊急停堆系統(tǒng)。控制棒設(shè)計(jì)必須滿足如下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：在保守考慮下，假設(shè)在反應(yīng)堆運(yùn)行期間，出現(xiàn)意外工況需要使用第一套控制棒調(diào)節(jié)補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行停堆，但是其中反應(yīng)性價(jià)值最大的一束控制棒被卡在堆芯頂部無法插入堆內(nèi)，其余控制棒束均全部插入堆芯，在這種情況下依然可使反應(yīng)堆處于熱停堆狀態(tài)并具有所要求的停堆裕量；對于緊急停堆棒系統(tǒng)，假定第一套棒系統(tǒng)卡在臨界棒位，僅投入緊急停堆棒束可使反應(yīng)堆達(dá)到冷停堆狀態(tài)并具有一定的停堆深度。

經(jīng)計(jì)算，在剩余反應(yīng)性最大的燃耗點(diǎn)，如果最大一束控制棒卡在堆外時(shí)，第一套停堆系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)熱停堆，并具有3 000 pcm 的停堆深度；在第一套控制系統(tǒng)處于臨界棒位時(shí)，僅投入第二套緊急停堆系統(tǒng)可達(dá)到冷停堆，并具有2 000 pcm的停堆深度。

5 結(jié)語

計(jì)算結(jié)果表明，池式低溫供熱堆的堆芯循環(huán)長度達(dá)900 個(gè)EFPDs，平均卸料燃耗為18 000 MWd/tU，最大卸料組件燃耗為21 900 MWd/tU，最大棒燃耗小于51 000 MWd/tU，在燃耗設(shè)計(jì)限值要求范圍內(nèi)，符合燃料管理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；同時(shí)經(jīng)過計(jì)算，整個(gè)循環(huán)壽期堆芯，在臨界狀態(tài)下，各燃耗時(shí)刻的最大棒功率峰因子小均于1.78，最大熱點(diǎn)因子均小于3.78，符合設(shè)計(jì)要求；慢化劑溫度系數(shù)均為負(fù)值且大小也滿足要求，剩余反應(yīng)性最大燃耗點(diǎn)處的停堆裕量大于2 000 pcm，能夠確保反應(yīng)堆具有良好的穩(wěn)定性和安全性。