一种基于MOX燃料的SPWR堆芯物理设计方案

来源 :科技创新导报 | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangchun2000
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  摘   要:长寿期小型压水堆设计,不仅要求具备较好的反应性补偿能力,同时应具有高燃耗深度。通过提高富集度和堆芯燃料转化,本文提出了一种长寿期小型压水堆堆芯设计方案,完成了概念设计并使用MCNP和ORIGEN程序对重要物理参数进行了计算分析。结果表明,基于MOX燃料的长寿期堆芯方案,具有较好的反应性控制能力,较高的燃耗深度和更长的燃耗寿期。
  关键词:长寿期  小型压水堆  MOX燃料  MCNP  ORIGEN
  中图分类号:TL364                                 文献标识码:A                       文章编号:1674-098X(2019)07(b)-0118-06
  Abstract: The design of a long-life small reactor requires not only better reactivity compensation capability, but also high burn-up depth. By improving fuel enrichment and conversion, this paper presents a design scheme for a long-life small pressurized water reactor core. The MCNP and ORIGEN programs were then used to calculate and analyze important physical parameters. The results show that the long-life core solution based on MOX fuel has better reactivity control ability, higher burnup depth and longer core life.
  Key Words: Long life core; Small PWR; MOX Fuel; Burnup; MCNP; ORIGEN
  相对于大型商用压水堆,小型压水堆由于体积小,系统简单,在偏远地区及海上供电具有较大优势。而长寿期堆芯可以减少换料次数,降低燃料成本,提高经济性。
  现有小型压水堆[1,6]通常采用低富集度235U作为核燃料,换料周期相对较短;部分采用高富集度235U作核燃料的堆型,虽相对延长了堆芯寿期,但仍有较大的提升空间(见表1)。
  本文旨在设计一种燃耗寿期更长,安全性更高,自然循环能力更强的小型压水堆,以满足经济性和安全性的需要。
  1  长寿期堆芯特点和设计指标
  1.1 长寿期堆芯特点
  在长寿期小型压水堆设计中,为达到长寿期的目标,不仅要实现高燃耗,同时应达到最小的反应性随燃耗变化,减少对控制系统的要求。此外,提高自然循环能力,可以简化系统配置。
  长寿期反应堆物理特点[2]:
  (1)最大卸料燃耗深度100000MWd/t(U),平均燃耗深度达到50000MWd/t(U)。
  (2)较小的反应性随燃耗变化。
  (3)保证停堆裕量的同时,尽量简化反应性控制系统。
  (4)保证堆芯具有负的温度系数。
  (5)较大的停堆深度。
  (6)燃耗末期较小的反应性惩罚。
  1.2 长寿期堆芯设计指标
  根据现有小型压水堆方案,文中提出了长寿期小型压水堆设计指标。反应堆功率100MW,设计压力16.5MPa,堆芯出口温度335℃,堆芯等效直径1400mm,活性区高度1400mm,235U富集度20%,换料周期达到40个月以上,设计寿命60年,平均燃耗深度达到100000MWd/t(U)以上(见表2)。
  2  材料及栅距选择
  2.1 燃料选择
  为实现长寿期,文中采用235U富集度为20%的UO2作为燃料,但堆芯初始剩余反应性非常大,反应性控制存在难度。在PWR乏燃料中,存在部分吸收截面较大的锕系核素(231Pa、240Pu、241Am),且在吸收中子后可转化为易裂变核素[3]。
  根据锕系核素燃耗特性,文中选取对反应性抑制较好且寿期末反应性惩罚较小的240Pu作为弥散型可燃毒物,并实现燃料增值。
  文中采用PuO2与UO2均匀混合的MOX燃料,其中235U富集度20%,240Pu富集度10%。但高富集度燃料功率密度大,容易造成燃料芯块中心温度过高,文中采用Φ5燃料棒,以利于热工设计,降低芯块中心温度。燃料芯块直径4mm,气隙采用加壓He气尺寸0.25mm,包壳材料采用Zr-4合金,壁厚0.75mm(见图1)。
  2.2 中子吸收体选择
  大型压水堆通常采用B4C或Ag-In-Cd合金作为中子吸收材料,但B与中子反应会产生He气,导致燃料元件在高燃耗下肿胀,In元素在燃耗后期有较多残留,反应性惩罚太大,不满足长寿期堆芯反应性控制的需要。
  根据相关研究,天然Hf元素较适合作为长寿期堆芯中子吸收材料,其在燃耗寿期末残留少,反应性惩罚小,特别是177Hf可以改善天然Hf元素的反应性惩罚,延长堆芯寿期。文中采用提高177Hf富集度的Hf元素作为中子吸收材料。   2.3 栅距选择
  为保证反应堆具有负温度系数和较好的中子慢化能力,需计算水铀比,确定最佳栅格尺寸。文中计算了冷态和热态下水铀比从0.77~95的栅格增值因数(见图2)。水铀比在0.77~6区间内为稠密栅,具有正温度系数,且堆芯阻力较大,不利于自然循环的实现。水铀比在6~95区间内为稀疏栅,堆芯阻力小,利于自然循环的实现。其中水铀比6~36为欠慢化区,36~95为过慢化区。
  为保证堆芯具有负温度系数,应在水铀比为6-36的欠慢化区选择。同时为保证堆芯具有较好的慢化能力,应尽量选择大栅距。在MOX燃料[5]装量不变的情况下,增大栅距也有利于提高循环长度。确定最佳水铀比为29.75,最佳栅距为12mm。栅格尺寸如图3所示。
  2.4 长寿期堆芯方案
  采用成熟的大型商用压水堆17×17截短型燃料组件,高度1400mm。燃料组件尺寸204mm×204mm。
  全堆共37组燃料组件,其中17组控制棒组件,20组可燃毒物组件。其中A控制棒4组,B控制棒4组,C控制棒8组,S停堆棒4组(见图4)。其中,A/C作为主调节棒。
  可燃毒物组件含256根燃料棒,32根毒物棒,1根仪表管。A/B/C控制棒组件含244根燃料棒,32根控制棒,12根毒物棒和1根仪表管。S控制棒组件含248根燃料棒,24根控制棒,16根毒物棒和1根仪表管。
  3  长寿期堆芯特性分析
  针对与堆芯性能、安全性密切相关的设计参数,如燃耗寿期、反应性控制能力等,从核设计角度进行分析评价。利于MCNP程序对长寿期堆芯方案进行建模(见图5),计算冷态和热态条件下反应性分配情况,同时计算是否满足卡棒准则。
  3.1 反应性分配计算
  表3给出了冷态零功率初始反应性分配,控制棒组总价值为23097pcm,可燃毒物总价值15371pcm,停堆深度8997pcm。
  表4给出了热态零功率初始反应性分配,控制棒组总价值为28876pcm,可燃毒物总价值17390pcm。
  3.2 卡棒准则
  根据卡棒准则,最大价值一束棒卡在堆外,其余棒全插(包括停堆棒),保持堆芯次临界状态,同时考虑0.5%不确定性,即Keff<0.95。由于堆芯具有负温度系数,冷态条件下更容易出现临界事故,故针对冷态卡棒情况进行计算。
  卡A组棒一束keff=0.99157,卡B控制棒一束Keff=0.98764,卡C组棒一束Keff=0.99293,卡S组棒一束Keff=0.97556,均满足卡棒准则要求(见表5)。
  在满足卡棒准则的基础上,进行了冷态和热态条件下的临界棒位计算。其中A/C组为主控制棒,B组为补偿棒,以利于展平堆芯功率分布,降低功率峰因子(见表6)。
  3.3 燃耗特性分析
  采用MCNP与ORIGEN程序耦合,进行两步法循环燃耗计算。堆芯径向共分37个燃耗区,以燃耗寿期末Keff>1为设计准则,分别对100%UO2和不同Pu含量的MOX燃料装载进行100MW滿功率燃耗计算。
  文中计算了三种不同Pu含量(6%/8%/10%)下的堆芯燃耗情况,随着燃料中Pu含量的增加,初始剩余反应性不断减小,反应性随燃耗变化也更加平缓。同时在燃耗末期的反应性惩罚较小,十分有利于简化控制系统设计。
  6%Pu装载方案下,燃耗寿期达到1680EFPD,8%Pu装载方案下,燃耗寿期为1600EFPD,10%Pu装载方案下,燃耗寿期为1500EFPD。随Pu含量的增加,燃耗寿期略有减小。说明在现有堆芯方案下,存在最佳Pu含量,既能充分降低初始剩余反应性,又能保证燃耗后期较小的反应性惩罚,不降低堆芯寿期(见图6)。
  6%Pu含量下,寿期末堆芯平均燃耗深度为115800MWd/tU,组件最大卸料燃耗深度达到166400MWd/tU。8%Pu含量下,寿期末堆芯平均燃耗深度为109900MWd/tU,组件最大卸料燃耗深度达到164200MWd/tU。10%Pu含量下,寿期末堆芯平均燃耗深度为103000 MWd/tU,组件最大卸料燃耗深度达到158800 MWd/tU。均具有较高燃耗深度,远远超过50000 MWd/tU。
  6%Pu含量下,235U利用率为45.5%,易裂变核素241Pu产量为18.66kg。8%Pu含量下,235U利用率为41.8%,易裂变核素241Pu产量为23.31kg。10%Pu含量下,235U利用率为39%,易裂变核素241Pu产量为27.5kg。由于Pu增加了对中子的吸收,故随Pu含量增加,235U利用率不断降低。
  综合考虑以上因素,在现有堆芯方案下MOX燃料中Pu的最佳含量为8%~10%。为尽量降低初始剩余反应性,降低对控制系统的要求,文中选择了10%-Pu的装载方案。
  3.4 长寿期堆芯方案
  经以上计算,本文设计了一种长寿期堆芯方案,反应堆设计功率100MW,设计压力16.5MPa,冷却剂平均温度310℃,换料周期达到50个月,设计寿命60年。其余参数见表7。
  堆芯寿期达到50个月,比表1中所列举的俄罗斯KLT-40S型反应堆的28个月还要长22个月。
  堆芯平均燃耗深度达到了103000MWd/tU,远高于50000MWd/tU;同时,最大燃耗深度到达158800MWd/tU,远高于100000MWd/tU。燃料利用率约为38.5%,远高于现有压水堆。
  堆芯初始剩余反应性约为1.1,这对减小控制棒价值,延长堆芯寿期非常有好处。
  反应性变化:整个寿期内,反应性变化不仅非常小(ΔK约为0.1),而且十分平缓。在2~800EFPD,随燃耗进行,反应性几乎无变化,在800~1500EFPD区间内,反应性随燃耗进行缓慢下降,非常有利于简化控制系统设计。   用Pu做彌散型可燃毒物,所带来的反应性惩罚非常小,相比于无Pu状态,堆芯寿期仅仅减小约100EFPD,也就是说寿期仅降低了6.25%。
  通过对以上结果的分析可知,此堆芯方案满足第2节提出的相关长寿期堆芯特性指标,并实现了第3节所述的预期堆芯设计目标。
  4  结语
  本文通过MOX燃料特性分析、棒元件正方形栅格分析、反应性分配计算、堆芯燃耗计算,给出了一种基于MOX燃料的长寿期堆芯设计方案,并得出以下结论。
  (1)在高富集度燃料下,稀疏栅更有利于中子慢化及实现自然循环能力。对于压水堆装载富集度为20%的UO2燃料时,最佳水铀比约为30。
  (2)用Pu作弥散型可燃毒物和可增值材料的MOX燃料,不仅能压低高富集度燃料堆芯装载下的初始剩余反应性,而且可使反应性随燃耗变化更加平缓,十分有利于简化控制系统设计。
  (3)对于235U富集度为20%的UO2燃料,Pu的最佳含量约为8%~10%。
  (4)采用10%Pu和20%235U的MOX燃料堆芯装载方案,具有较好的反应性分配能力,满足卡棒准则的要求,具有较高的安全性。
  (5)采用MOX燃料堆芯装载方案,设计寿期可以达到1500EFPD,且反应性随燃耗变化非常平缓,表明MOX燃料是小型压水堆实现长寿期设计的重要技术途径。
  致谢
  本工作受国家重点研发计划(海洋核动力平台核动力装置技术研究:2017YFC0307800-06)资助。
  参考文献
  [1] STATUS OF SMALL AND MEDIUM SIZED REACTOR DESIGNS. A Supplement to the IAEA Advanced Reactors Information System (ARIS) .IAEA,2012,4-31.
  [2] YU Gang-lin, WANG Kan. Physical Design of a Thorium Fuel-based Long Life Reactor Core.Nuclear Power Engineering, 2010,31(2):116-120.
  [3] Qiang Shenglong, Qin Dong, Chai Xiaoming, Yao Dong.The Research on Burnup Characteristic of Doping Burnable Posion in PWR. Nuclear Power Engineering, 2014,35(2):1-4.
  [4] Zheng Hongtao, Xia Bangyang, Xiao Peng, Li Songling.Research on Physical Properties of Long Life Core Using Thorium-Uranium Fuel. Nuclear Power Engineering, 2015,36(3):1-5.
  [5] CUO Zhi-peng,HUO Xiao-dong.Application Research of 100% MOX Fuel in Advanced PWRs.Atomic Energy Science and Technology, 2015,49:420-424.
  [6] ZHANG Guo-xu,XIE Heng,XIE Fei. Overview of Design for Small Modular Pressurized Reactor.Atomic Energy Science and Technology, 2015,49:40-47.
其他文献
大学生体质是建设人力资源强国的重要保障。我国教育部等部门自1985年以来共进行了7次全国学生体质与健康调查研究。通过第7次调研报告发现,与2010年相比,中、小学生身体素质
现在全社会都在呼唤工匠精神,这反映了人们对精益求精,一丝不苟精神的一种渴望。去年,李克强总理在视察国家“十二五”科技成果展在临离开制笔展位时仍不忘嘱咐我们要坚持工
篮球作为大学体育的重要教学内容,对学生的体能训练、体育意识培养、体育精神发展有着重要的促进作用。实际体育训练活动与理论教学是篮球课程的两大教学重点,二者缺一不可。
摘 要:随着科学技术的不断发展,数控技术在机械制造中所发挥的作用也越来越重要。数控技术作为一种以计算机控制技术为基础进行机械产业加工制造的技术,这一技术的应用不仅实现了传统机械制造与现代数控技术之间的有机融合,而且为我国工业的发展指明了方向。本文主要就数控技术在机械加工技术中的应用进行了简单的阐述和分析。  关键词:数控技术 机械制造 应用方法  中图分类号:TG659 文献标识码:A 文章编号:
近年来,中国经济水平急速增长,科技水平也逐渐提升,互联网络的发展与高校体育文化的不断改革进步,各种运动手机APP如同雨后春笋一般呈现在人们眼前。这种手机传播设备,能够在
以高校的体育赛事为研究对象,采用文献资料、专家访谈等研究方法,通过研究发现,高校的体育赛事较多,但是赛事开发力度不够,赛事包装略显粗糙,缺乏具有品牌效应的赛事;提出树
本文采用文献资料法、逻辑分析法等对国际篮球联合会的2014篮球规则和2016篮球规则进行对比研究,发现2016篮球规则在篮球器材、决胜期、名次判定、规则解释、三对三篮球规则等
本文利用计算机数值模拟方式分别对普通足球、团队之星足球、C4D NIKE顶级比赛用球进行空气动力学分析,通过SolidWorks构建模型,PointWise划分网格及计算域,利用WALE亚格子湍