小型輕量化鉛鉍反應(yīng)堆燃料組件幾何結(jié)構(gòu)研究

王 昌 肖 豪 劉紫靜 常皓彤 王維嘉 趙鵬程

1（南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院 衡陽 421001）

2（南華大學(xué) 湖南省數(shù)字化反應(yīng)堆工程技術(shù)研究中心 衡陽 421001）

得益于鉛鉍材料良好的中子學(xué)特性、優(yōu)異的載熱性能、突出的γ屏蔽與放射性產(chǎn)物包容能力，鉛鉍反應(yīng)堆可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)換料周期、常壓安全運(yùn)行、簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［1］；但由于快譜條件下燃料裂變截面較小，鉛鉍反應(yīng)堆臨界通常需要裝載數(shù)噸燃料，加之鉛鉍反應(yīng)堆通常采用大棒徑和疏松柵格設(shè)計(jì)來限制冷卻劑流速以減輕鉛鉍腐蝕，使得現(xiàn)有鉛鉍反應(yīng)堆質(zhì)量偏重、體積偏大［2-4］；開展鉛鉍反應(yīng)堆小型化及輕量化設(shè)計(jì)研究，可提高反應(yīng)堆裝置的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)靈活性和運(yùn)輸便捷性，以提供穩(wěn)定、可靠和隱蔽的移動(dòng)式伴隨能源保障。

目前，國(guó)內(nèi)外提出了多種鉛鉍反應(yīng)堆燃料組件設(shè)計(jì)方案：2013 年，歐盟鉛冷示范快堆（Advanced Lead Fast Reactor European Demonstrator，ALFRED）［5］采用中空的環(huán)形燃料組件設(shè)計(jì)，能夠有效降低燃料芯塊中心溫度，容納中子輻照及釋熱引起的燃料芯塊膨脹，減輕芯塊-包殼的機(jī)械相互作用；2017 年，韓國(guó)基于小型長(zhǎng)壽命鉛鉍快堆（Ubiquitous，Robust，Accident-forgiving，Nonproliferating and Ultra-lasting Sustainer，URANUS）提出了改進(jìn)的反轉(zhuǎn)堆芯方案［6］，采用蜂窩煤型燃料組件代替棒束型燃料組件，能夠有效改善反應(yīng)性系數(shù)，減小堆芯尺寸；2018 年，歐盟提出用于偏遠(yuǎn)地區(qū)熱-電聯(lián)供的小型鉛冷快堆（SwEdish Advanced LEad Reactor，SEALER）［7］，采用棒束型燃料組件設(shè)計(jì)，換料周期達(dá)30 a，降低了燃料成本與核擴(kuò)散風(fēng)險(xiǎn)；2019年，西安交通大學(xué)提出小型可運(yùn)輸長(zhǎng)壽命鉛鉍冷卻快 堆（Small Transportable Long-life Lead-bismuth Cooled Fast Reactor，STLFR）［8］，研究發(fā)現(xiàn)采用蜂窩煤型內(nèi)冷式燃料組件設(shè)計(jì)方案，可提高堆芯燃料轉(zhuǎn)換比并減小反應(yīng)堆體積。上述鉛鉍反應(yīng)堆燃料組件設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)勢(shì)，但何種燃料組件方案更有利于鉛鉍反應(yīng)堆小型化與輕量化尚需開展進(jìn)一步研究。

本文以降低鉛鉍反應(yīng)堆燃料裝量、減小堆芯體積為設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件構(gòu)建鉛鉍反應(yīng)堆模型，比較分析了在堆芯體積、燃料裝載量相同的條件下以及在換料周期為10年、穩(wěn)態(tài)熱工安全裕量基本一致的條件下堆芯的物理特性和穩(wěn)態(tài)熱工特性分析，評(píng)估了有利于鉛鉍反應(yīng)堆小型化與輕量化的燃料組件幾何結(jié)構(gòu)方案。

1 鉛鉍反應(yīng)堆及計(jì)算程序

1.1 鉛鉍反應(yīng)堆模型

構(gòu)建4 MWt 小型鉛鉍反應(yīng)堆模型，堆芯采用PuN-ThN 燃料（Pu 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為24.63%），208Pb-Bi 作為冷卻劑和反射層，屏蔽材料為B4C，結(jié)構(gòu)材料為HT-9，燃料棒間隙填充氣體為He。堆芯入口溫度583 K，堆芯等效直徑為84.16 cm，活性區(qū)高度為85 cm。堆芯活性區(qū)由31個(gè)燃料組件、132個(gè)反射層組件、150個(gè)屏蔽層組件構(gòu)成，堆芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。燃料組件采用傳統(tǒng)的棒束型、內(nèi)外冷卻的環(huán)形、內(nèi)冷的蜂窩煤型燃料組件，3種燃料組件的體積尺寸、燃料裝載量、冷卻劑流通面積、包殼和氣隙體積均相同。每個(gè)燃料組件包含61 個(gè)燃料元件，柵距為1.62，組件盒厚度為4 mm，組件盒與組件盒之間的距離為5 mm，圖2給出了3種燃料組件的截面圖。

圖1 鉛鉍反應(yīng)堆堆芯Fig.1 Lead-bismuth cooled reactor core

圖2 鉛鉍反應(yīng)堆燃料組件(a) 棒束型，(b) 環(huán)形，(c) 蜂窩煤型Fig.2 Diagram lead-bismuth cooled reactor fuel assembly(a) Rod bundle type, (b) Annular type, (c) Honeycomb coal type

對(duì)于環(huán)形燃料組件，在燃料裝量恒定的條件下，其內(nèi)/外環(huán)尺寸會(huì)影響鉛鉍反應(yīng)堆的物理/熱工特性，為取得最好的堆芯性能，開展環(huán)形燃料元件內(nèi)外徑敏感性分析，發(fā)現(xiàn)其對(duì)于堆芯的物理性能影響較小，而對(duì)堆芯的熱工性能影響顯著。在環(huán)形燃料芯塊內(nèi)環(huán)直徑由0.2 cm 增加到1 cm，芯塊厚度相應(yīng)變薄的情況下，內(nèi)/外包殼最大溫度、內(nèi)/外冷卻劑最大溫度、燃料芯塊最大溫度隨內(nèi)環(huán)直徑的變化關(guān)系如圖3所示，以內(nèi)外包殼溫差最小為依據(jù)，選取0.66 cm 作為環(huán)形燃料芯塊的內(nèi)環(huán)直徑。表1給出了堆芯分別采用3種燃料元件的設(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 鉛鉍反應(yīng)堆堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Lead-bismuth cooled reactor core design parameters

圖3 穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)隨環(huán)形燃料元件內(nèi)徑變化情況Fig.3 Steady-state thermal-hydraulic parameters vary with the inner diameter of the annular fuel element

1.2 計(jì)算程序介紹

鉛鉍反應(yīng)堆的物理特性分析采用由清華大學(xué)反應(yīng)堆工程計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)室完全自主開發(fā)的RMC 蒙特卡羅程序與IAEA（International Atomic Energy Agency）于2008 年發(fā)布的核數(shù)據(jù)庫ADS-2.0 進(jìn)行模擬運(yùn)算，計(jì)算時(shí)采用的溫度為：燃料1 200 K、包殼600 K、冷卻劑600 K。計(jì)算時(shí)在堆芯投入50 000 個(gè)粒子數(shù)，迭代運(yùn)算300次，忽略前50次計(jì)算結(jié)果。堆芯的穩(wěn)態(tài)熱工特性分析采用課題組自主研發(fā)的鉛鉍反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工計(jì)算程序STAC［9］，其能夠依據(jù)堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)及徑/軸向功率分布開展最熱通道的燃料芯塊/包殼/冷卻劑最大溫度、堆芯壓降、堆芯進(jìn)出口溫度等穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)的計(jì)算，同時(shí)可以根據(jù)包殼最大溫度、冷卻劑流速等熱工安全限值自動(dòng)搜索匹配堆芯功率的柵格參數(shù)。燃料元件控制體劃分如圖4所示，對(duì)3 種不同燃料元件在其軸向和徑向方向上進(jìn)行控制體劃分，計(jì)算節(jié)點(diǎn)取在相鄰控制體的邊界上，忽略軸向?qū)嵋约鞍鼩?nèi)熱源的影響。

圖4 控制體劃分示意圖 (a) 棒束型，(b) 環(huán)形，(c) 蜂窩煤型Fig.4 Diagram of control body division (a) Rod bundle type, (b) Annular type, (c) Honeycomb coal type

為驗(yàn)證所開發(fā)鉛鉍反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工計(jì)算程序STAC 的正確性，針對(duì)使用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的鉛鉍反應(yīng)堆開展STAC程序驗(yàn)證。棒束型燃料組件計(jì)算模塊驗(yàn)證選用華南理工大學(xué)［10］的結(jié)果開展對(duì)比分析，環(huán)形燃料組件計(jì)算模塊選用南洋理工大學(xué)［11］開發(fā)的環(huán)形燃料計(jì)算程序作為參考開展驗(yàn)證，蜂窩煤型燃料組件計(jì)算模塊選用韓國(guó)首爾大學(xué)設(shè)計(jì)的鉛鉍反應(yīng)堆URANUS［6］為參考開展驗(yàn)證。棒束型、環(huán)形燃料組件計(jì)算結(jié)果如表2、3所示，蜂窩煤型燃料組件計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。驗(yàn)證結(jié)果表明，STAC程序中的3種穩(wěn)態(tài)熱工計(jì)算模塊的計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證數(shù)據(jù)吻合良好，所得結(jié)果具有一定可信度，可用來開展鉛鉍反應(yīng)堆初步安全分析。

表2 STAC程序中棒束型燃料組件計(jì)算模塊驗(yàn)證結(jié)果(℃)Table 2 Verification results of rod bundle type fuel assembly computing module in STAC code (℃)

表3 STAC程序中環(huán)形燃料組件計(jì)算模塊驗(yàn)證結(jié)果(℃)Table 3 Verification results of annular type fuel assembly computing module in STAC code (℃)

圖5 STAC程序中蜂窩煤型燃料組件計(jì)算模塊驗(yàn)證結(jié)果Fig.5 Verification results of computing module in STAC code for honeycomb coal fuel assembly

2 相同堆芯體積與燃料裝量條件下的燃料組件性能分析

2.1 燃耗特性

首先比較在堆芯燃料裝量、冷卻劑流通面積、包殼/氣隙體積都相同的條件下，采用3 種燃料組件設(shè)計(jì)的鉛鉍反應(yīng)堆的燃耗特性，圖6 給出了3 種堆芯keff隨時(shí)間的變化情況，棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件鉛鉍反應(yīng)堆的初始keff分別為1.013 158、1.012 763、1.010 971，換料周期分別為10 a、9 a、7 a，燃耗反應(yīng)性損失分別為1 247.14×10-5、1 143.85×10-5、965.64×10-5。

表4 給出了采用3 種燃料組件設(shè)計(jì)的鉛鉍反應(yīng)堆的中子能譜?？梢钥闯觯谕热剂涎b載量與冷卻劑流通面積條件下，蜂窩煤型燃料組件堆芯在高能區(qū)與中能區(qū)的中子通量密度均低于棒束型、環(huán)形燃料組件堆芯，中子能譜相對(duì)較軟。由239Pu 的微觀裂變截面、有效裂變中子數(shù)可知：在高能區(qū)，隨中子能譜的軟化，239Pu的微觀裂變截面小幅上升、有效裂變中子數(shù)大幅下降，導(dǎo)致堆芯的初始keff與燃料增殖能力下降，最終使堆芯換料周期縮短。計(jì)算得到棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型方案的堆芯中子泄漏率分別為14.11%、14.11%、14.12%，棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型堆芯的活性區(qū)與包殼/氣隙體積相同，中子泄漏率與無效吸收基本一致，故采用不同燃料組件設(shè)計(jì)的堆芯，其初始keff和換料周期不同是由于燃料在組件內(nèi)的不同布置形式以及中子能譜的差異導(dǎo)致的。

表4 3種堆芯的中子能譜Table 4 Neutron energy spectrum of three cores

2.2 反應(yīng)性系數(shù)

為了比較采用3種燃料組件設(shè)計(jì)的鉛鉍反應(yīng)堆的固有安全性，計(jì)算分析了3種堆芯的反應(yīng)性系數(shù)，燃料溫度系數(shù)采用1 200/1 800 K 連續(xù)點(diǎn)截面數(shù)據(jù)庫，冷卻劑溫度系數(shù)采用600/900 K連續(xù)點(diǎn)截面數(shù)據(jù)庫進(jìn)行計(jì)算。表5 給出了3 種堆芯的燃料溫度系數(shù)αD、冷卻劑溫度系數(shù)αC、軸向膨脹系數(shù)αA、徑向膨脹系數(shù)αR。

表5 3種堆芯的反應(yīng)性系數(shù)Table5 Reactivity coefficients of three cores

由表5 的計(jì)算結(jié)果可知3 種燃料組件堆芯的反應(yīng)性系數(shù)均為負(fù)值。堆芯壽期初、中、末的等溫溫度系數(shù)為：環(huán)形＞蜂窩煤型＞棒束型，其中蜂窩煤型燃料組件具備最顯著的徑向膨脹負(fù)反饋，而膨脹反饋是液態(tài)金屬快堆的主要瞬時(shí)負(fù)反饋，當(dāng)堆芯功率或溫度發(fā)生變化時(shí)，蜂窩煤型燃料組件幾何結(jié)構(gòu)膨脹產(chǎn)生的負(fù)反饋效應(yīng)更大，具有更高的安全裕量。因此在相同堆芯體積、燃料裝載量條件下，采用蜂窩煤型燃料組件的鉛鉍反應(yīng)堆具備較好的固有安全性。

2.3 功率分布研究

本節(jié)研究了不同燃料組件幾何結(jié)構(gòu)對(duì)堆芯最熱組件的影響。圖7分別為采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的堆芯最熱組件內(nèi)燃料元件相對(duì)功率分布圖，可以看出，采用蜂窩煤型燃料組件的堆芯最熱組件內(nèi)功率因子最低，為1.013，功率分布更平坦，故采用蜂窩煤型燃料組件設(shè)計(jì)的堆芯可有效展平功率分布。

圖7 堆芯最熱組件燃料元件徑向功率分布 (a) 棒束型，(b) 環(huán)形，(c) 蜂窩煤型Fig.7 Radial power distribution of fuel element in core hottest assembly(a) Rod bundle type, (b) Annular type, (c) Honeycomb coal type

表6為采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的堆芯最熱組件不同區(qū)域能量沉積份額，以堆芯最熱組件能量沉積份額相對(duì)值為100%，研究組件內(nèi)不同區(qū)域能量沉積的相對(duì)份額，從表中可以看出，因環(huán)形燃料組件增大了燃料冷卻劑接觸面積，故環(huán)形燃料組件冷卻劑中沉積的能量份額較其他兩種燃料組件高，同理蜂窩煤型燃料中包殼和冷卻劑中沉積的能量較低；相比于棒束型和環(huán)形燃料組件，由于蜂窩煤型燃料組件中燃料與組件盒接觸，組件盒中沉積的能量略高，并不會(huì)影響其組件盒的結(jié)構(gòu)及安全性能；而蜂窩煤型燃料元件包殼中沉積的能量份額僅為其他兩種組件的1/3，使其具備更高的安全可靠性。

表6 不同燃料組件能量沉積分布Table 6 Distribution of energy deposition in different fuel assemblies

2.3 穩(wěn)態(tài)熱工特性

以鉛鉍反應(yīng)堆的熱工安全設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為依據(jù)，分析采用3種燃料組件設(shè)計(jì)的堆芯穩(wěn)態(tài)熱工特性。根據(jù)堆芯的功率分布及柵格參數(shù)分別計(jì)算在堆芯入口溫度為583 K 時(shí)，冷卻劑流速為0.25 m·s-1條件下的穩(wěn)態(tài)熱工特性參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表7所示。3種堆芯的燃料芯塊最大溫度均遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)限值2 573 K，包殼最大溫度均小于熱工安全上限值823 K，且具備很大的熱工安全裕量。在冷卻劑流通面積相等的情況下，內(nèi)外冷卻的環(huán)形燃料元件的芯塊最大溫度低于棒束型元件，而包殼最大溫度由于單側(cè)冷卻劑的減少高于棒束型元件。其中蜂窩煤型燃料組件具有最小的燃料芯塊/包殼/冷卻劑最大溫度，這是因?yàn)閳D7 的結(jié)果顯示，堆芯采用蜂窩煤型燃料組件的功率分布較均勻，最大線功率密度更低。此外，蜂窩煤型燃料組件能夠有效降低堆芯壓降，提高自然循環(huán)能力。因此，蜂窩煤型燃料組件的穩(wěn)態(tài)熱工特性優(yōu)于棒束型和環(huán)形燃料組件。

表7 3種堆芯的主要穩(wěn)態(tài)熱工特性參數(shù)Table 7 Main thermal-hydraulic parameters of three cores

3 相同換料周期與熱工安全裕量約束下的燃料組件性能分析

由于3種堆芯的主要穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)均具有很大的安全裕量，堆芯參數(shù)可以開展進(jìn)一步優(yōu)化，以換料周期10年為目標(biāo)，同時(shí)具備相當(dāng)?shù)臒峁ぐ踩Ａ繛榧s束條件，迭代搜索滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)與約束條件的最小燃料裝載量方案。

3.1 燃耗特性分析

以換料周期10年為設(shè)計(jì)目標(biāo)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下包殼最大溫度約為810 K 為約束條件，優(yōu)化上述采用3種燃料組件的鉛鉍反應(yīng)堆設(shè)計(jì)參數(shù)。首先通過減少冷卻劑流通面積來減小堆芯體積，堆芯冷卻劑份額降低導(dǎo)致冷卻劑對(duì)中子的有害吸收減少，加之緊湊的燃料布置對(duì)中子的有效吸收增加使得堆芯初始keff上升，需要降低燃料裝量以保持換料周期為10年。然后通過調(diào)整堆芯活性區(qū)高度和直徑、燃料芯塊直徑來降低燃料裝量，并盡量調(diào)節(jié)堆芯高徑比為1 以減少中子泄漏，再利用鉛鉍反應(yīng)堆穩(wěn)態(tài)熱工計(jì)算程序STAC自動(dòng)搜索匹配堆芯功率、活性區(qū)高度、燃料芯塊直徑的柵格參數(shù)，確定鉛鉍反應(yīng)堆優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。表8給出了優(yōu)化后3種堆芯的設(shè)計(jì)參數(shù)，采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的堆芯優(yōu)化后活性區(qū)體積分別為266 392 cm3、254 281 cm3、218 549 cm3；燃料裝量分別為1 502.80 kg、1 460.90 kg、1 367.71 kg。

表8 優(yōu)化后采用3種組件設(shè)計(jì)的堆芯設(shè)計(jì)參數(shù)Table 8 The design parameters of three optimized cores

圖8給出了優(yōu)化后采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件設(shè)計(jì)的鉛鉍反應(yīng)堆keff隨時(shí)間變化情況。3種 堆 芯 初 始keff分 別 為1.017 008、1.018 105、1.022 219，剩余反應(yīng)性滿足控制要求。在換料周期為10 年，熱工安全裕量基本一致的條件下，采用蜂窩煤型燃料組件的鉛鉍反應(yīng)堆具備最小的堆芯尺寸與燃料裝量。

圖8 優(yōu)化后3種堆芯keff隨時(shí)間的變化Fig.8 keff of three optimized cores vary with time

表9給出了優(yōu)化后3種堆芯的中子能譜，在中能區(qū)與高能區(qū)，中子通量密度的大小為：蜂窩煤型＞環(huán)形＞棒束型。優(yōu)化后棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型方案的堆芯中子泄漏率分別為13.37%、13.32%、12.78%，冷卻劑比例低，燃料布置更緊湊導(dǎo)致泄漏率更小是蜂窩煤型方案初始keff較大的主要原因。同時(shí)冷卻劑流通面積的較少使得蜂窩煤型堆芯的中子能譜硬化，239Pu 有效裂變中子數(shù)的大幅增長(zhǎng)提升了堆芯的中子通量密度與燃料轉(zhuǎn)換比，使得堆芯在低燃料裝載量下能獲得較大的初始keff并維持長(zhǎng)換料周期。

3.2 反應(yīng)性系數(shù)分析

表10 給出了優(yōu)化后3 種堆芯的反應(yīng)性系數(shù)，采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的堆芯反應(yīng)性系數(shù)均為負(fù)值。堆芯壽期初、中、末的等溫溫度系數(shù)為：蜂窩煤型＞環(huán)形＞棒束型，由于中子能譜的硬化，蜂窩煤型燃料組件堆芯的冷卻劑溫度負(fù)反饋減弱，但其依然具備較大的膨脹負(fù)反饋，可確保堆芯的固有安全性。

表10 優(yōu)化后3種堆芯的反應(yīng)性系數(shù)Table 10 Reactivity coefficients of three optimized cores

3.3 穩(wěn)態(tài)熱工特性參數(shù)分析

表11 給出了換料周期與熱工安全裕量基本一致條件下3種堆芯的穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)。優(yōu)化后采用棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件的堆芯均符合穩(wěn)態(tài)熱工設(shè)計(jì)限值，3種燃料組件的包殼最大溫度、冷卻劑最大溫度基本相同，但燃料芯塊最大溫度區(qū)別較大，燃料芯塊最大溫度由大到小依次為：棒束型＞蜂窩煤型＞環(huán)形。堆芯采用蜂窩煤型和環(huán)形燃料組件具有更好的穩(wěn)態(tài)熱工特性。

表11 優(yōu)化后3種堆芯的主要穩(wěn)態(tài)熱工參數(shù)Table 11 Thermal-hydraulic parameters of three optimized cores

4 燃料組件制造工藝分析

目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)行的二三代反應(yīng)堆大多采用棒束型燃料組件設(shè)計(jì)，具有完善的制造工藝以及堆用經(jīng)驗(yàn)。對(duì)于環(huán)形燃料組件［12-14］，其外形尺寸可與現(xiàn)有的棒束型燃料組件完全一致，可充分利用傳統(tǒng)棒束型燃料制造工藝進(jìn)行研發(fā)，且制造成本不會(huì)明顯增加，具有良好的可實(shí)現(xiàn)性。目前我國(guó)已基本完成環(huán)形燃料組件設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)等關(guān)鍵技術(shù)研究，并計(jì)劃2025年之前完成商用組件入堆。

蜂窩煤型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的燃料組件具有優(yōu)良的物理、熱工特性，但是其結(jié)構(gòu)對(duì)于常規(guī)生產(chǎn)工藝來說比較困難，韓國(guó)在URANUS反轉(zhuǎn)堆芯設(shè)計(jì)中提出可以采用3D打印技術(shù)解決蜂窩煤型燃料組件制造問題。3D打印技術(shù)作為制造領(lǐng)域的一次重大技術(shù)突破，在核電領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，中核北方燃料元件有限公司成功利用3D技術(shù)打印出了CAP1400燃料組件下管座［15］。在未來新技術(shù)能夠突破制造工藝和力學(xué)性能等方面的挑戰(zhàn)，蜂窩煤型燃料組件其優(yōu)異的物理、熱工特性將成為燃料組件的重要發(fā)展方向。

5 結(jié)語

本文開展了有利于鉛鉍反應(yīng)堆小型化和輕量化的燃料組件幾何結(jié)構(gòu)研究。選擇棒束型、環(huán)形、蜂窩煤型燃料組件構(gòu)建鉛鉍反應(yīng)堆堆芯并分析了物理、穩(wěn)態(tài)熱工特性，得出以下結(jié)論：

1）相同的堆芯體積及燃料裝量條件下，堆芯采用棒束型燃料組件的換料周期最長(zhǎng)；采用蜂窩煤型燃料組件可有效展平徑向功率分布，同時(shí)具備最顯著的負(fù)膨脹負(fù)反饋，最大的穩(wěn)態(tài)熱工安全裕量。

2）相同換料周期及熱工安全裕量約束下，蜂窩煤型燃料組件具有最小的堆芯體積與燃料裝量，且在整個(gè)壽期內(nèi)反應(yīng)性系數(shù)均為負(fù)值。

相比于棒束型與環(huán)形燃料組件，蜂窩煤型燃料組件具備更好的穩(wěn)態(tài)熱工特性，采用其作為組件的鉛鉍反應(yīng)堆可減少冷卻劑流通面積，以提高堆芯的初始keff與換料周期，達(dá)到減小堆芯體積與燃料裝量的目的。蜂窩煤型燃料組件還可以降低堆芯壓降，提高自然循環(huán)能力。因此，蜂窩煤型組件是有利于鉛鉍反應(yīng)堆小型化與輕量化的燃料組件幾何結(jié)構(gòu)。如果在未來工藝制造水平可以達(dá)到要求的情況下，堆芯采用蜂窩煤型燃料組件是一種理想的選擇。

致謝本文在計(jì)算分析過程中采用了清華大學(xué)工程物理系反應(yīng)堆工程計(jì)算分析實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的反應(yīng)堆蒙特卡羅程序RMC，在此深表感謝。

作者文獻(xiàn)聲明王昌負(fù)責(zé)起草文章，分析/解釋數(shù)據(jù)；肖豪負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)；劉紫靜負(fù)責(zé)獲取研究經(jīng)費(fèi)，行政、技術(shù)或材料支持；常皓彤負(fù)責(zé)參與論文修改；王維嘉負(fù)責(zé)參與論文修改；趙鵬程負(fù)責(zé)提供研究思路，理論指導(dǎo)。