改进Flower型超临界水冷快堆负空泡反应性初步分析设计

改进Flower型超临界水冷快堆负空泡反应性初步分析设计彭红花;于涛;谢金森;钱金栋;李庆;夏榜样
【摘要】The Supercritical Water-Cooled Fast Reactor has a characteristic of plant simplification design and high power density,without burnout or drying out crisis.It is a very promising advanced Nuclear Power system.However,the potentially positive void reactivity coefficient requires serious considerations.A model of improved SCWFR core-＂Flower type＂is established in this paper,negative void reactivity effect is obtained by the ways of core zoning scheme,Axial coolant densities zoning,MOX fuel with reasonable design and axial enrichment zoning,blanket assembly with thick box and solid uranium matrix cooled by internal clad channels,finally the primary demand for reactor safety is met.%超临界水冷快堆结构简化,堆芯功率密度高并且不存在沸腾危机,是一种比较有前途的先进核能系统.但潜在的正空泡反应性系数是需要认真考虑的安全问题.本文建立了改进Flower型超临界水冷快堆堆芯模型,并通过对堆芯分区布置,冷却剂密度分层、MOX燃料合理设计、燃料富集度轴向分层布置,blanket组件盒厚度增加及内部通道采用贫铀冷却的方案,获得了负的空泡反应性系数,初步达到了堆芯的安全设计要求.
【期刊名称】《南华大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(025)004
【总页数】6页(P13-18)
【关键词】超临界水冷快堆;冷却剂密度分层;MOX燃料;厚blanket组件盒;负空泡反应性系数
【作者】彭红花;于涛;谢金森;钱金栋;李庆;夏榜样
【作者单位】南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;南华大学核科学技术学院,湖南衡阳421001;中国核动力研究设计院,四川成都640041;中国核动力研究设计院,四川成都640041
【正文语种】中文
【中图分类】TL421.1
0 引言
超临界水冷堆(The Supercritical Water-Cooled Reactor，简称 SCWR，下同)采用25 MPa压强超临界水冷却，不存在沸腾危机，蒸汽可直接循环，热效率达44%以上，第四代先进核能系统中唯一的轻水堆型［1］.而超临界水冷快堆(The Supercritical Water-Cooled Fast Reactor，简称SCWFR，下同)不仅继承了超
临界水冷堆的优点，而且具有组件形状简单、功率密度高、堆芯设计紧凑等特点，同时SCWFR可采用闭式燃料循环并具有嬗变次锕系核素和长寿命裂变产物的潜力［2］.然而由于SCWFR堆芯采用seed区与blanket区混合排布，当冷却剂发生空泡时，由于堆芯能谱硬化、seed区中子向blanket区泄漏增加使得堆芯239
Pu共振裂变与238 U阈裂变增加，堆芯倾向于正的空泡反应性系数［3］，所以
从安全的角度考虑，需要对SCWFR堆芯进行计算优化，以确保负的空泡反应性.
1 改进“Flower”型SCWFR堆芯初步设计
1.1 双冷却剂流程设计
M.Mori等人曾对SCWFR空泡反应性进行了广泛研究［3-4］，得出“Flower”型 SCWFR 堆芯在适当的设计条件下，可以实现负空泡反应性［4］.本文以
M.Mori的“Flower”型SCWFR堆芯概念设计为基础，为增强冷却剂流动稳定性与提高堆芯出口温度，将其采用的单流层设计修改成适用于SCWFR的双流程冷却方案［5-6］(如图1所示)，冷却剂压力为25 MPa，入口温度为280℃.进入堆芯
后一部分入口水向下流入下腔室，另一部分向上进入上腔室后由 blanket流至下
腔室，温度从280℃升至329℃，两部分冷却剂在下腔室汇合后再往上流入seed 区，温度从304℃升至出口温度523℃.初步设计依据轴向密度变化(见表1)对单个blanket及seed组件内冷却剂进行分层.
图1 改进“Flower”型SCWFR冷却剂流程图Fig.1 Flow path of
improved“Flower”type SCWFR
表1 冷却剂密度分层结果Table 1 Axial coolant density distribution层高(冷却
剂密度/(g·cm－3))第一层第二层第三层第四层第五层Seed区组件 0～30
cm(0.75) 30～50 cm(0.7) 50～70 cm(0.4) 70～100 cm(0.3) 100 ～376
cm(0.2)Blanket区组件 0 ～276 cm(0.71) 276 ～306 cm(0.73)306 ～326
cm(0.75)326 ～346 cm(0.77) 346 ～376 cm(0.79)
1.2 堆芯初步设计参数
堆芯采用驱动区(seed区)和增殖区(blanket区)组件分区布置，初步组件参数见表2.为了降低正空泡反应性系数，blanket组件采用1 mm的不锈钢304作为外包
壳的薄组件盒型设计，同时使用固体慢化剂ZrH1.7将其与seed区隔离，活性区
高度和直径分别为376 cm和360 cm，活性区顶部和底部为20 cm贫铀增殖层，燃料组件与堆芯布置分别如图2、图3所示.在堆芯36个seed组件内均匀插入共684根控制棒，采用理论上高浓度10B的B4C［90%(原子分数)的10B］.
表2 改进Flower型SCWFR组件参数Table 2 Assembly parameters of improved“Flower”type SCWFR组件燃料成分/密度(g/cm3) MOX/TD11.02 g/cm Seed 3燃料棒直径(mm)/包壳(mm)/栅距比 8.9 mm/0.54 mm(因科镍718)/1.127氦气层间距/mm 0.02 Pu质量百分数 12%燃料棒数量 169组件包壳材料/包壳厚度(mm) 因科镍718/1mm组件个数 270 Blanket 组件水棒直径(mm)/栅距比 4.00 mm/2.875燃料棒包壳材料/内、外包壳厚度(mm) 因科镍718/0.26 mm/0.63 mm增殖材料贫铀(235U占0.3%，238U占99.7%)固体慢化剂 ZrH1.7组件包壳材料/包壳厚度(mm) 不锈钢304/1 mm组件个数150
图2 改进“Flower”型SCWFR组件示意图Fig.2 Schematic diagram of improved“flower”type SCWFR assembly
图3 改进“Flower”型SCWFR堆芯布置示意图Fig.3 Layout of
improved“Flower”type SCWFR core
2 堆芯临界计算及空泡反应性分析
2.1 seed组件MOX燃料组分对空泡反应性系数的敏感性分析
Seed区采用 MOX燃料.由于239 Pu在0.3 ev处有一个大而宽的共振裂变峰，当堆芯产生空泡时，能谱变硬导致239 Pu共振裂变增加，产生正的空泡反应性系数［7］.有文献指出［7-8］，通过合理的调整seed组件内MOX燃料中易裂变核素Pu和235U的富集度，可以实现负空泡反应性.本文分析计算了不同Pu和235U的富集度时，SCWFR在完全空泡时堆芯keff的计算结果，见表3.
表3 正常工况及完全空泡时keff随MOX燃料组分变化结果Table 3 Keff varied with MOX components in normal and completely voided conditions0.7 0.7 4 4 6 6 6 Pu质量百分比235U质量百分比/%/% 11 13 11 13 11 13 14正常工况 Keff(控制棒全抽出) 0.865 94 0.908 99 0.954 71 0.990 92 1.019 89 1.033 55 1.049 39完全空泡 keff 0.812 35 0.873 91 0.918 76 0.970 09 1.000 43 1.024
82 1.049 04空泡反应性值(pcm)－5 359 －3 508 －3 595 －2 083 －1 946 －873 +35
从表3结果可以看出，通过对MOX中235U和Pu富集度进行调整可以实现堆芯负空泡反应性.经过计算发现，当MOX燃料元件中235 U占6%时，Pu富集度11% ～13%，堆芯能够达到临界，且具负的空泡反应性.但是由于SCWFR堆芯冷却剂沿轴向方向密度变化大，会造成堆芯各向异性强烈，因此本文对seed组件燃料成分进行轴向分层，如图4所示.各区各层燃料成分见表4，其中seed区内百分数表示为Pu在MOX燃料元件中的百分含量.
选取该种MOX燃料设计，计算SCWFR堆芯keff随堆芯空泡份额的变化，结果见表5.从表5可以看出，这种seed组件达到了设计要求.
图4 seed组件MOX燃料轴向分层Fig.4 Axial MOX enrichment distribution in seed assembly
表4 SCWFR堆芯分区布置图Table 4 Zoning scheme of
improved“Flower”type SCWFR core反射层上0层堆芯上部20 cm贫铀分区 Seed Blanket seed blanket seed Blanket seed Blanket第4 层 12.8%第3 层 12.8%第2 层 11.23%第1 层 11.80%贫铀12.8%12.8%11.23%11.80%贫铀12.8%12.8%11.23%11.80%贫铀12.8%12.8%11.23%11.80%贫铀水下0层堆芯下部20 cm贫铀
表5 不同空泡份额下Keff值Table 5 Keff varied with void fractions/% 90 70 60 50 30 10 0 Keff值(控制棒全抽出) 1.004 31 1.006 60 1.004 17 1.007 40 1.013 72 1.01空泡份额9 85 1.022 75 Keff值(控制棒全下插) 0.920 18 0.923 74 0.922 26 0.927 29 0.931 96 0.936 45 0.942 94控制棒价值/ΔK/K % 9.10 8.91 8.92 8.70 8.89 9.08 8.66
2.2 blanket组件盒厚度对空泡反应性系数的敏感性分析
SCWFR正空泡反应性系数的另外一个原因来自于堆芯发生空泡时，seed区向blanket区泄漏中子数目增多，导致blanket区贫铀阈裂变反应增加.增加blanket 组件盒的厚度可有效的降低seed区向blanket区的中子泄漏［6］，实现负空泡反应性.本文通过保持blanket组件燃料棒尺寸不变，减少blanket组件内燃料棒数目增加blanket组件盒厚度，组件盒采用 SUS304不锈钢，厚度为1.05 cm.厚组件设计如图5所示.其中图5a为厚blanket组件盒设计形式.
图5 厚blanket组件设计Fig.5 Schematic diagram of blanket assembly with thick box
采用厚组件盒blanket时Keff随堆芯空泡份额的计算结果见表6.可以看出，采用厚blanket组件盒方案，SCWFR能够获得更负的空泡反应性系数.
表6 不同空泡份额下Keff值(厚blanket组件盒)Table 6 Keff varied with void fractions(thick blanket assembly box)/% 90 70 60 50 30 10 0 Keff值(控制棒全抽出) 0.995 14 1.001 98 1.002 62 1.006 64 1.009 33 1.01空泡份额7 37 1.021 74 Keff值(控制棒全下插) 0.913 98 0.912 97 0.916 48 0.916 75 0.924 52 0.934 94 0.937 59控制棒价值/ΔK/K % 8.84 9.77 9.42 9.87 9.26 8.97 9.17
2.3 减少blanket组件盒内冷却剂装载对堆芯空泡反应性的敏感性分析
减少堆芯内冷却剂成分，可以提高堆内中子能谱，并减少堆芯发生空泡时带来的反应性.本文进一步对blanket组件盒进行改进，将其空隙间的水改用贫铀填充，如图5(b)所示.计算Keff随堆芯空泡份额的计算结果见表7所示.
表7 不同空泡份额下Keff值(厚blanket组件盒，盒内周围间隙由水改为贫
铀)Table 7 Keff varied with void fractions(thick blanket assembly box＆coolant loading deduction)/% 90 70 60 50 30 10 0 Keff值(控制棒全抽出) 0.991 36 0.997 33 0.999 54 1.003 04 1.011 90 1.01空泡份额5 89 1.019 26 Keff值(控制棒全下插) 0.905 18 0.905 03 0.911 26 0.913 35 0.924 92 0.930 88
0.938 25控制棒价值/ΔK/K % 9.44 10.17 9.68 9.85 9.52 9.28 8.80
从表7可以看出，将blanket组件间距用贫铀填充时，将有效减少堆芯冷却剂装载，提高堆芯中子能谱的同时，能更有效的减少堆芯空泡反应性.
图6为薄、厚组件盒及减少冷却剂水装载量的SCWFR堆芯不同空泡份额时keff 变化曲线比较图.
图6 薄组件盒、厚组件盒及减少冷却剂水装载量的SCWFR堆芯不同空泡份额时Keff变化曲线Fig.6 Keff curve of thin，thick assembly box，and coolant loading reduction in different void fraction
3 结论
如何实现负空泡反应性系数一直是SCWFR安全方面一个很重要的考虑因素，本文通过建立改进“Flower”型 SCWFR堆芯物理模型，进行MOX燃料组分与blanket组件盒厚度对空泡反应性系数敏感性分析，得到以下结论:1)降低MOX燃料中239Pu含量可确保SCWFR获得负的空泡反应性系数;2)采用厚blanket组件盒能有效降低空泡时seed区向blanket区的中子泄漏，使SCWFR获得更负的空泡反应性系数;3)减少blanket组件盒内冷却剂装载量，增加贫铀装载，紧凑blanket组件，能够有效降低堆芯空泡发生时的正反应性.
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