CAP1400灰棒吸收體材料入堆輻照方案設(shè)計(jì)和安全論證

葉丁丁 張堅(jiān) 趙文博

摘??要：應(yīng)用于大型先進(jìn)壓水堆CAP1400的灰控制棒吸收體材料，需要在中國實(shí)驗(yàn)快堆（CEFR）內(nèi)進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，獲得輻照數(shù)據(jù)。該文對輻照方案進(jìn)行設(shè)計(jì)介紹，從反應(yīng)堆中子學(xué)、熱工流體力學(xué)以及堆芯整體安全等方面進(jìn)行研究論證，證明輻照組件入堆后對原有堆芯改變很小，不增加反應(yīng)堆的原放射性物質(zhì)釋放總量，實(shí)驗(yàn)可行。也對后續(xù)同類輻照工作的開展提供了具體參考。

關(guān)鍵詞：CAP1400??灰棒??CEFR??材料輻照??方案設(shè)計(jì)??安全論證

中圖分類號：TL31????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design?and?Safety?Demonstration?of?the?Irradiation?Scheme?for?the?Gray?Control?Rod?Absorber?Material?of?CAP1400?into?the?Reactor

YE?Dingding??ZHANG?Jian??ZHAO?Wenbo

（Division?of?Reactor?Engineering?Technology?Research，?China?Institute?of?Atomic?Energy，?Beijing，102413?China）

Abstract：?The?gray?control?rod?absorber?material?used?in?the?large-scale?advanced?pressurized?water?reactor?CAP1400?needs?to?be?irradiated?in?the?China?Experimental?Fast?Reactor?（CEFR）?to?obtain?radiation?data.?This?paper?designs?and?introduces?the?irradiation?scheme，?and?studies?and?demonstrates?from?the?aspects?of?reactor?neutronics，?thermo-hydraulics?and?overall?core?safety，?which?proves?that?the?original?core?is?changed?little?after?the?irradiation?module?is?put?into?the?reactor，the?total?release?of?original?radioactive?material?is?not?increased，?and?that?the?experiment?is?feasible，?and?also?provides?specific?reference?for?the??development?of?follow-up?similar?irradiation?work.

Key?Words：?CAP1400;?Gray?control?rod;?CEFR;?Material?irradiation;?Scheme?design;?Safety?demonstration

CEFR是一座采用液態(tài)金屬鈉為冷卻劑、鈉-鈉-水三回路設(shè)計(jì)、一回路為一體化池式結(jié)構(gòu)的熱功率65?MW的快中子實(shí)驗(yàn)堆[1]。結(jié)合配套實(shí)驗(yàn)設(shè)施及燃料與材料檢驗(yàn)、放射性化學(xué)等領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)，共同構(gòu)建了我國快堆及其閉式燃料循環(huán)技術(shù)研發(fā)平臺。

應(yīng)用于大型先進(jìn)壓水堆CAP1400高性能的灰控制棒吸收體[2]，使用壽命主要取決于材料在快中子場下的中子輻照損傷，因此獲得材料的輻照性能數(shù)據(jù)是灰控制棒吸收體材料研發(fā)的關(guān)鍵。

1??輻照組件介紹

因CEFR沒有專門的輻照孔道供樣品的輻照實(shí)驗(yàn)，需要采用輻照實(shí)驗(yàn)組件替換堆內(nèi)反射層位置的組件進(jìn)行隨堆輻照實(shí)驗(yàn)，累積快中子注量。

此次輻照實(shí)驗(yàn)，將灰棒材料制作成輻照樣品，封裝入特定的容器，并組裝入專門設(shè)計(jì)的輻照實(shí)驗(yàn)組件[3-5]。輻照組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考CEFR?Ⅱ型不銹鋼組件，主要由操作頭、上過渡接頭、上屏蔽棒、六角管、吸收體輻照棒、支撐管、下屏蔽棒、下過渡接頭和管腳組合件等組成。不同之處是將7根不銹鋼棒與堆芯燃料活性區(qū)中平面位置對應(yīng)的軸向上下約100?mm范圍設(shè)計(jì)為樣品輻照區(qū)。結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

原周邊6根棒的位置改造為布置輻照樣品的輻照容器，中心1根棒的位置改造為布置溫度及中子注量離線測量裝置的容器，布置截面示意如圖2所示。輻照樣品為直徑5?mm、高度4.8?mm的小芯塊形式，共6種樣品，每種樣品20個芯塊，共120個芯塊。

2??輻照方案設(shè)計(jì)

灰控制棒吸收體材料輻照組件制作過程中充分考慮了CEFR的運(yùn)行特點(diǎn)，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)輻照任務(wù)統(tǒng)籌安排，為了不影響堆芯性能參數(shù)，灰棒材料輻照組件布置在活性區(qū)外圍第1排反射層組件位置，即6-1位置，如圖3所示。

3??堆芯變更參數(shù)對比

輻照組件入堆對于堆芯性能的主要影響如表2所示。可見，輻照組件替換堆芯外圍6-1位置處1盒Ⅱ型不銹鋼屏蔽組件，對于堆芯性能影響很小，不影響堆芯安全性能。

4??堆芯物理計(jì)算分析

對于輻照組件，主要的釋熱來自伽馬光子的能量沉積，因此輻照實(shí)驗(yàn)方案的計(jì)算主要采用能夠進(jìn)行中子光子耦合輸運(yùn)的蒙卡程序MCNP進(jìn)行。該程序具有精細(xì)幾何模型描述能力，并且采用連續(xù)點(diǎn)截面數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算采用的核數(shù)據(jù)為基于ENDF/B-Ⅶ.1的連續(xù)點(diǎn)截面數(shù)據(jù)庫。

在計(jì)算建模中，由于CEFR的中子能譜硬，中子自由程較長，中子的空間自屏效應(yīng)較小。因此除控制棒組件采用精細(xì)幾何模型描述外，堆芯其他組件采用組件均勻化模型，可獲得足夠的計(jì)算精度，全堆計(jì)算模型如圖4所示。堆芯計(jì)算整體建模至堆芯圍板區(qū)域，采用真空邊界條件。對于輻照組件，采用了精細(xì)的模型進(jìn)行計(jì)算，輻照樣品罐和樣品的模型示意如圖5所示。每個輻照容器位置，軸向羅列4個裝有相同樣品的輻照罐，通過不同的氣隙設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)不同的輻照溫度。

采用MCNP進(jìn)行全堆的中子釋熱和光子釋熱計(jì)算，按照全堆額定功率65?MW進(jìn)行歸一。輻照組件材料均為不銹鋼結(jié)構(gòu)材料，主要發(fā)熱是伽馬光子的能量沉積，需要對光子釋熱計(jì)算進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。在MCNP直接計(jì)算中，包括瞬發(fā)光子釋熱，（F6：p計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)），中子釋熱（F6：n計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)）。對于緩發(fā)光子的釋熱，假定其能譜和分布與瞬發(fā)相同，可基于瞬發(fā)光子釋熱進(jìn)行修正計(jì)算。

最終計(jì)算結(jié)果表明，輻照組件整體發(fā)熱功率為20.0?kW（所替換的Ⅱ型不銹鋼組件為19.1?kW）。計(jì)劃輻照約315?d，接近4個循環(huán)周期，結(jié)構(gòu)材料最大累積輻照損傷約為18?dpa，小于目前已有的18.6?dpa的結(jié)構(gòu)材料輻照數(shù)據(jù)，本次輻照實(shí)驗(yàn)是安全的。對于輻照堆芯裝載，輻照組件替換原位置組件后，堆芯keff變化-18?pcm，控制棒價(jià)值相對變化在1%以下，典型組件功率的相對變化最大為0.14%，對燃料組件的安全性能影響非常小。

5??組件熱工分析

輻照組件的外形尺寸與Ⅱ型不銹鋼反射層組件的結(jié)構(gòu)保持一致。進(jìn)口管腳一致，內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)一致，則流經(jīng)輻照裝置的冷卻劑的流量和流體溫度與反射層組件的相應(yīng)參數(shù)一致。所不同的是密封輻照罐的內(nèi)部溫度不同，以下給以說明。

參考根據(jù)CEFR的Ⅱ型不銹鋼屏蔽組件設(shè)計(jì)，軸向位于活性區(qū)中間位置附近的密封輻照罐外部鈉冷卻劑的平均溫度按照424?℃計(jì)算[6-7]（組件進(jìn)口溫度360?℃，組件出口溫度487?℃）。

輻照組件內(nèi)，徑向上布置6個輻照容器內(nèi)的輻照樣品熱物性參數(shù)，分別采用如表3所示的實(shí)測數(shù)據(jù)。

最終計(jì)算結(jié)果表明，按照120%堆功率假設(shè)條件，并考慮輻照樣品的最大發(fā)熱率最大不確定度及加工公差等最不利因素的組合，輻照樣品最高溫度低于690?℃，并且輻照樣品支架以及輻照罐壁溫低于樣品溫度，不會導(dǎo)致輻照罐因熱工因素失效的問題。另外，該輻照實(shí)驗(yàn)的6種輻照樣品的熔點(diǎn)均高于1?000?℃，因此輻照過程中不會產(chǎn)生樣品熔化的風(fēng)險(xiǎn)。

6??組件液力自緊性能評價(jià)

設(shè)計(jì)的材料輻照容器裝入材料樣品和液鈉后，比原不銹鋼反射層組件質(zhì)量減少1.2?kg，組件結(jié)構(gòu)外形基本與Ⅱ型不銹鋼組件相同，參考不銹鋼反射層組件的自緊分析[8-9]。

自緊安全系數(shù)n為組件浸入鈉中所受的重力與由于作用在管腳密封面上的壓差而造成向上的推力的比值，計(jì)算如下：

其中，W為輻照容器質(zhì)量，不銹鋼組件質(zhì)量為41?kg；

Ff為輻照容器浮力，本計(jì)算取和不銹鋼組件所受浮力相同，43.82?N，偏保守；

：作用在輻照容器上的推力，，分別為錐－球密封與螺旋密封處的面積，根據(jù)計(jì)算，。

計(jì)算結(jié)果表明，自緊安全系數(shù)大于2，具有很大的裕度，輻照組件設(shè)計(jì)能夠滿足自緊要求。

7??結(jié)語

針對計(jì)劃在CEFR中開展輻照的先進(jìn)壓水堆CAP1400灰棒吸收體材料輻照組件的入堆輻照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析，給出了能夠滿足輻照技術(shù)條件需求的組件設(shè)計(jì)、堆內(nèi)輻照方案。重點(diǎn)從反應(yīng)堆安全的角度，對輻照組件本身的物理、熱工、力學(xué)性能進(jìn)行了評價(jià)。對于輻照組件，組件中不含裂變材料，入堆替換的是第1排不銹鋼反射層組件位置，二者結(jié)構(gòu)材料成分基本相同，替換前后對于堆芯性能影響很小。輻照組件的裝載不增加反應(yīng)堆的放射性物質(zhì)釋放總量，不增加額外風(fēng)險(xiǎn)，對于反應(yīng)堆的安全性能不會產(chǎn)生附加影響，實(shí)驗(yàn)滿足反應(yīng)堆安全要求。同時，本次分析及論證對后續(xù)該類輻照工作的開展提供了具體參考。

參考文獻(xiàn)[1]劉尚波，李國才，文勝，等.中國實(shí)驗(yàn)快堆2020年度運(yùn)行年報(bào)[J].中國原子能科學(xué)研究院年報(bào)，2020（00）：117-120.