压水堆核电站生产放射性同位素堆芯设计研究

压水堆核电站生产放射性同位素堆芯设计研究
张明;马仓;曾献;张勇;刘鹏亮
【摘要】对压水堆核电站生产放射性同位素进行了堆芯设计研究.采用钴棒替换阻流塞棒方案,对传统的压水堆阻流塞组件进行改进,在改进后的阻流塞组件压紧部件下对称悬挂24根钴棒,在确保反应堆安全的前提下生产放射性同位素.本文对钴芯块、钴棒节和钴靶件组件的设计进行了详细介绍,分析了钴靶件组件的特性及其对堆芯装载方案设计的影响.结果表明:用压水堆生产钴的放射性同位素在堆芯设计上可行,堆芯各项安全参数满足限值要求,生产的放射源可为核电站带来良好的经济收益.%Core design for radioisotope production in pressurized water reactor (PWR) nuclear power plant was carried out .Cobalt rod replaces thimble plug rod .24 cobalt rods were symmetrically suspended under the new design thimble plug assembly to produce radioisotope under the premise of ensuring the safety of the reactor .In this paper ,the design of cobalt pellets ,cobalt rods and cobalt target assembly was described in detail .The characteristics of cobalt target assembly and its influence on the core load-ing pattern design were analyzed .The results show that the cobalt radioisotope produc-tion by PWR is feasible in core design .The core safety parameters meet the requirment of limit values ,and the production of radioactive sources can bring good economic bene-fits to the nuclear power plant .
【期刊名称】《原子能科学技术》
【年(卷),期】2018(052)001
【总页数】6页(P112-117)
【关键词】压水堆;钴靶件组件;放射性同位素
【作者】张明;马仓;曾献;张勇;刘鹏亮
【作者单位】中广核研究院有限公司,广东深圳 518031;中广核研究院有限公司,广东深圳 518031;中广核研究院有限公司,广东深圳 518031;中广核研究院有限公司,广东深圳 518031;中广核研究院有限公司,广东深圳 518031
【正文语种】中文
【中图分类】TL92.1
全球具备60Co放射源生产能力的国家目前有5个，分别为加拿大、俄罗斯、阿根廷、中国和美国(2012年产业化)。

加拿大在1946年实现了CANDU重水堆生产60Co，技术已很成熟，目前有8座重水堆机组生产60Co，提供了全世界80%～90%的钴源，几乎垄断了世界钴源市场。

2002年中国核工业集团公司启动重水堆制备放射源设计和论证工作，2010年5月首批靶件出堆，实现了年产18.5×1016 Bq(500万Ci) 60Co的供应能力。

但目前国内很多钴源用户仍依赖进口。

由于压水堆热中子通量较重水堆低，各国压水堆的运行没有形成规模效应或没有该领域的战略规划，所以国际上没有用压水堆生产放射性同位素60Co。

本文将从钴靶件设计、钴靶件组件的特性和钴靶件组件入堆对堆芯方案设计的影响等方面分析研究压水堆生产钴放射性同位素的可行性。

1 钴靶件组件设计
1.1 钴靶件组件设计原则
钴靶件组件是一种新型的固定式相关组件，用于装载生产放射性同位素的钴材料，并提供支承和保护钴材料的功能，同时还起限制燃料组件导向管的旁流量、满足热工水力安全分析要求的功能。

因此钴靶件组件设计需考虑以下因素：1) 要与吊装
工具相容[1]；2) 能承载钴针重量；3) 对堆芯重量的增加不会影响堆芯的正常运行；
4) 具有较好的经济性；5) 较小的中子吸收截面。

1.2 钴靶件
压水堆(CPR1000)有92～94盒燃料组件不插控制棒，相应控制棒导向管位置放阻流塞以限制旁流，每盒燃料组件有对称布置的24个控制棒导向管[2-3]，如图1
所示。

图1 控制棒布置示意图Fig.1 Schematic diagram of control rod location
利用阻流塞的位置布置59Co棒为压水堆核电站生产钴的放射性同位素提供了便捷。

先对传统的压水堆阻流塞组件进行改进，在改进后的阻流塞组件压紧部件下对称悬挂一定数目的钴棒取代阻流塞棒，用以生产放射源。

本文所用钴靶件如图2所示。

图2 钴靶件示意图Fig.2 Schematic diagram of cobalt target assembly
1.3 钴棒
钴棒为双层包壳结构。

Zr-4外包壳内装有9节长度为204.6 mm的钴棒节，并由上、下端塞封焊而成，钴棒内充氦气预加压到4.5 MPa。

钴棒节为装载钴芯块的Zr-4基体管，该基体管为装载钴源材料的结构体，为多孔
结构件，有100排孔，每排有9个孔，共900个孔，装载900个钴芯块，外部为Zr-4套管，套管用上、下端塞封焊而成，钴棒节充氦气预加压到2 MPa。

钴棒节的结构如图3所示。

图3 钴棒节示意图Fig.3 Schematic diagram of cobalt rod
钴芯块是生产放射性同位素的钴源材料，密度为8.6 g/cm3，为细而短的实心圆
柱棒，表层镀镍，横向放置于钴棒节内层的Zr-4基体管的小孔内。

2 钴靶件组件入堆分析
2.1 计算机程序选择
本文采用AREVA公司转让的SCIENCE V2[4]软件包。

该软件包主要由组件计算程序APOLLO2-F和堆芯计算程序SMART组成。

APOLLO2-F程序采用碰撞概率法求解99群两维几何的组件中子输运方程进行栅元群常数的计算，得到组件的两群群常数；SMART采用节块法求解两群三维堆芯中子扩散方程，得到堆芯的功率分布。

SCIENCE V2程序已经过广泛的工程和实验验证，其计算精度满足工程设计的需求。

2.2 计算限制条件
采用压水堆核电站生产钴的放射性同位素需减小对核电站燃料循环长度、中子学参数、热工水力和安全等方面的影响。

本文以18个月换料平衡循环来分析钴靶件组件入堆后的影响，遵循如下经济性和安全性限制条件：1) 工业源在堆内辐照2个循环；2) 医用源在堆内辐照3个循环；
3) 钴靶件组件水下操作工艺依托于现有压水堆核电站燃料操作方案，尽可能利用
现有操作工艺和专用工具，主要过程尽量利用非大修时间，减少钴靶件组件的操作时间；4) 在寿期初(BOL)、热态零功率(HZP)、控制棒全提(ARO)条件下，要求慢
化剂温度系数(MTC)为负或零；5) 寿期末(EOL)，要求反应堆停堆裕量大于2 300 pcm；6) 堆芯焓升因子(FΔH)小于1.481；7) 燃料组件的燃耗限值为52 GW·d·t-
1(U)，燃料棒的燃耗限值为57 GW·d·t-1(U)。

2.3 钴靶件组件特性
本文使用的钴靶件组件(全M5 AFA3G组件，可燃毒物棒为钆棒)类型如下：1) 235U富集度为4.45%的燃料组件，不含钆棒，含24根钴棒；2) 235U富集度为4.45%的燃料组件，含8根钆棒和24根钴棒；3) 235U富集度为4.45%的燃料组件，含20根钆棒和24根钴棒。

图4为钴靶件组件(AFA3GAA_445_24CO)、不含可燃毒物燃料组件
(AFA3GAA_445)和含可燃毒物燃料组件(AFA3GAA_445_8GD、
AFA3GAA_445_16GD、AFA3GAA_445_20GD、AFA3GAA_445_24GD)的无限
增殖因数kinf随组件燃耗的变化[5]。

从图4可看出，含钆燃料组件中可燃毒物随燃耗不断消耗，约在燃耗为16 GW·d·t-1(U)时可燃毒物基本消耗完全。

钴靶件组
件的kinf变化趋势与不含钆棒的燃料组件的变化趋势基本相同，但kinf有5%左
右的降低，表明59Co为弱中子吸收体，其随燃耗的消耗相对较小。

图4 燃料组件kinf随燃耗的变化Fig.4 kinf as a function of burnup
2.4 钴靶件组件入堆分析
一般来说，为控制风险，要尽量减少钴靶件的操作次数。

同时为满足钴靶件的辐照剂量要求，需将钴靶件组件布置在堆芯内圈。

所以钴靶件组件入堆需满足以下要求：1) 钴靶件组件需布置在堆芯内圈没有控制棒的位置；2) 第1次入堆的钴靶件随新
燃料组件一起入堆；3) 仅辐照过1次的钴靶件无需拔出燃料组件，在下一循环随
旧燃料组件再次入堆。

本文主要分析钴靶件入堆对堆芯的影响，不分析具体入堆辐照和倒料过程。

1) 方案A(基准方案)
图5为新燃料组件数目为64的基准方案(1/4堆芯模型)的装载情况。

64组新组件的富集度均为4.45%，其中24组含8根钆棒，40组含20根钆棒。

含钆燃料棒中钆的质量分数为8%，UO2的富集度为2.5%。

图5 方案A堆芯装载示意图Fig.5 Core reshuffling pattern of scheme A
从图5可看出，整个堆芯157组组件中，含新入堆组件64组、第2次入堆组件
72组和第3次入堆组件21组。

燃料组件在堆芯内呈棋盘式布局，燃耗较深的组
件布置于堆芯外围，堆芯采用低泄漏的装载模式。

2) 方案B(对比方案1)
方案B(1/4堆芯模型)是在方案A的基础上，将C10、F13位置上含20根钆棒的
燃料组件替换为含24根钴棒、20根钆棒的钴靶件组件。

这样布置有两个目的：1) 分析钴靶件组件对堆芯循环长度的影响；2) 分析钴靶件入堆对堆芯轴向功率的影响。

方案B不计算堆芯基本参数，不考虑安全参数。

3) 方案C(对比方案2)
方案C(1/4堆芯模型)是在方案A的基础上，将C10、F13位置上含20根钆棒的
燃料组件替换为含24根钴棒、8根钆棒的钴靶件组件。

这样布置的目的是分析用
含24根钴棒、8根钆棒的钴靶件组件替换含20根钆棒的燃料组件后，堆芯循环
长度和径向功率分布的变化情况。

4) 方案D(对比方案3)
图6为方案D(1/4堆芯模型)的堆芯装载示意图。

方案D是在方案A基础上，不
改变旧燃料组件的布置，在C10、F13位置上布置含24根钴棒、8根钆棒的钴靶件组件，同时调节其他位置上新燃料组件钆棒的数目搜索出符合安全要求的方案，这样布置有两个目的：1) 通过减少钆棒的使用来降低钴靶件组件入堆对堆芯循环
长度的影响；2) 对用钴棒替换钆棒进行量化分析。

图6 方案D堆芯装载示意图Fig.6 Core reshuffling pattern of scheme D
方案D入堆的64组新燃料组件变更为：32组含8根钆棒(包括8组含24根钴棒、8根钆棒的钴靶件组件)，32组含16根钆棒。

2.5 方案对比分析
1) 堆芯参数对比
A、B、C、D 4种方案堆芯参数的比较列于表1。

由表1可知，A、C、D 3种方
案的主要设计参数基本能满足1.1节中相关设计准则的要求。

对比方案A和方案B 可知，加入8组钴靶件组件(每组钴靶件组件含24根钴棒)后，堆芯循环长度缩短
了7.3 EFPD，对于C10、F13位置组件平均卸料燃耗，方案B较方案A下降了
7%(经过3个循环后，含钴靶件的燃料组件卸出堆芯时的最终卸料燃耗和不含钴靶件相比损失了约4%)。

表1 4种装载方案堆芯参数比较Table 1 Core parameter comparison of four loading schemes堆芯特性参数数值方案A方案B方案C方案D富集度为4.45%新燃料组件数目64646464钆棒数量992992896768钴棒数量0192192192停
堆燃耗,GW·d·t-1(U)19.3319.0319.1219.21循环长
度,EFPD479.2471.9474.0476.3C10、F13位置组件平均卸料燃耗,GW·d·t-
1(U)22.9991)21.423整个循环内最大焓升因子1.4511.4451.444堆芯平均卸料燃耗,GW·d·t-1(U)50.149.949.7组件最大卸料燃耗,GW·d·t-
1(U)54.354.254.0MTC(BOL、HZP、ARO),pcm/℃-2.7-2.40.63堆芯临界硼浓度(BOL、HZP、ARO),ppm207421362275停堆裕量(EOL),pcm297130423034 注：1) 方案A停堆燃耗修正到19.03 GW·d·t-1(U)
对比方案A和方案C可知，用含24根钴棒、8根钆棒的钴靶件组件替换含20根钆棒的燃料组件的方案虽然堆芯基本参数满足设计要求，但是方案C较方案A缩
短了5.2 EFPD。

对比方案B和方案C可知，方案C较方案B少用96根钆棒，循环长度增加2.1 EFPD。

对比方案A和方案D可知，方案D较方案A多用192根钴棒，少用224根钆棒，循环长度缩短了2.9 EFPD。

方案D在BOL、HZP、ARO时MTC大于0(工程设
计时MTC<1为可接受)。

由以上结果可知，虽然钴靶件入堆会缩短堆芯循环长度，但可通过减少钆棒的使用来减小这种影响。

另一方面，钆棒的减少受MTC设计限值的制约。

2) FΔH对比
A、C、D 3个方案的FΔH随燃耗的变化示于图7。

从图7可看出，3个方案在整
个寿期内的FΔH均满足限值要求，在11 GW·d·t-1(U)附近都出现了一个明显的局部峰值，这是因为钆的消耗导致堆芯反应性释放而引入的钆峰，此后FΔH呈单调
下降趋势。

对比方案A和方案C可看出，从BOL到MOL(11 GW·d·t-1(U))期间
方案C的FΔH明显低于方案A，这是由于钴靶件组件布置在堆芯内圈，降低了内圈的功率分布，这为通过降低堆芯中子泄漏来优化装载方案提供了优化空间。

图7 FΔH随燃耗的变化Fig.7 FΔH versu s burnup
3) 硼降曲线对比
A、C、D 3个方案的堆芯临界硼浓度随燃耗的变化示于图8。

从图8可看出，3
个方案的硼降曲线变化趋势相似，前半段均呈单调下降趋势，在11 GW·d·t-1(U)
附近略有抬升(钆可燃毒物的消耗导致堆芯反应性释放，而需要增加硼浓度来保持
堆芯临界)，之后又呈单调下降趋势。

方案C、D由于减少了钆棒的使用，BOL时
的临界硼浓度大于方案A。

方案D钆棒减少得最多，BOL时临界硼浓度最大。

同样，钆棒的减少受HZP时临界硼浓度的制约。

图8 堆芯临界硼浓度随燃耗的变化Fig.8 Critical boron concentration in core versus burnup
4) 堆芯轴向功率偏移对比
A、C、D 3个方案的堆芯轴向功率偏移随燃耗的变化示于图9。

从图9可看出，3个方案的轴向功率变化趋势相似，变化范围为-7%～2%(不包括零燃耗点)，可见，钴靶件组件入堆对反应堆轴向功率偏移影响不大，不会对堆芯控制策略造成影响。

图9 堆芯轴向功率偏移随燃耗的变化Fig.9 Core axial power offset versus burnup
3 结论
以上分析表明，钴靶件组件入堆减少了换料方案的循环长度，降低了含钴靶件燃料组件的卸料燃耗，对此可通过减少可燃毒物的使用、优化装载方案降低中子泄漏，
或通过延伸运行等方法来削弱钴靶件组件入堆带来的影响，以满足核电站的发电需求，使钴靶件组件入堆对堆芯循环长度的影响降到核电站可接受的范围。

压水堆生产钴的放射性同位素不但可缓解国内钴源的缺口，打破国外的垄断，而且生产的放射源带来的高收益完全可弥补核电站的经济损失，给核电站带来良好的经济收益。

综上所述，压水堆生产钴的放射性同位素在堆芯设计方面可行。

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