夏榜樣，秦 冬

（中國核動力研究設計院核反應堆系統(tǒng)設計技術實驗室，四川 成都610041）

緊湊型壓水堆的用途非常廣泛，如：邊遠地區(qū)及海上供電、低溫供熱、海水淡化等。為了降低成本，提高其經(jīng)濟競爭力，實現(xiàn)較長的換料周期以及簡化堆芯結構設計成為了緊湊型壓水堆的重要研究課題。

緊湊型壓水堆主要采用固體控制棒進行反應性控制，并不采用核電站可溶硼系統(tǒng)，主要是為了簡化系統(tǒng)，實現(xiàn)快速靈活的反應堆運行控制。但反應堆壓力容器頂蓋所容納的控制棒驅動機構是非常有限的，換而言之，通過增加控制棒束數(shù)量來延長堆芯壽期的裕量較小。此外，堆芯核設計還必須滿足苛刻的“卡棒準則”。

對于安裝在壓力容器頂蓋上的控制棒驅動機構，其驅動桿與處于數(shù)米外堆芯中的控制棒組件鏈接，活性區(qū)高度為1.5m的堆芯，從上到下驅動線的總高度一般在7m以上。因而，控制棒也是緊湊型壓水堆進一步降低高度、減小體積的最大障礙之一。

液態(tài)金屬控制是一種無固體控制棒的新型反應性控制概念[1］，其采用具有較大吸收截面的低溶點合金（如銦鎘合金）作為中子吸收體代替固體控制棒，在冷態(tài)工況下為固體，在熱態(tài)運行工況下為液體。

2003年在西班牙召開的先進核電國際會議上，法國科學家EMIN Michel[1］首次提出將液態(tài)金屬作為中子吸收體代替固體控制棒，隨后設計了液態(tài)金屬控制方案，命名為MP98系統(tǒng)，并開展了相關試驗研究。

20世紀80年代，美國通用電氣在其S7G陸上模式堆中也開展了類似控制方法研究。在堆內布置大量鉿管，當管內充滿水時，大量快中子被慢化為熱中子，鉿管吸收能力增強，引入所需負反應性。通過泵將鉿管內的水抽到堆芯上方儲水箱，降低慢化能力，引入所需正反應性。該系統(tǒng)設計簡單，但可靠性較差。

目前，國內對于液態(tài)金屬反應性控制方法及其在緊湊型壓水堆上的應用研究較少，尚處于起步階段。

液態(tài)金屬反應性控制在正常運行工況下，通過內部的壓縮氣體，將其壓入或移出堆芯，從而實現(xiàn)堆芯功率調節(jié)、停堆、燃耗補償和軸向功率展平等由固體控制棒完成的功能。在事故工況下，依靠內部儲存的氣體，快速將液態(tài)中子吸收體注入堆芯，實現(xiàn)緊急停堆。因此，該控制方法從根本上解決了固體控制棒系統(tǒng)因采用機械傳動帶來的諸多技術問題，如：因導向機構變形等因素引起的卡棒事故，因主回路密封邊界破壞等因素引起的彈棒事故，從而使緊湊型壓水堆核設計擺脫“卡棒準則”的嚴格限制，堆芯裝載方案更為合理，設計性能得以提高。反應堆頂部和上部幾乎變空，上封頭大量穿孔數(shù)量大幅縮減，反應堆結構及其整體設計得以極大簡化，堆芯高度明顯降低。

因此，開展液態(tài)金屬反應性控制方法及其在緊湊型壓水堆中的應用研究，對于進一步簡化緊湊型壓水堆的堆芯結構設計，豐富其反應性控制方法，提高其設計性能具有重要意義。

1 系統(tǒng)概念設計

本文針對緊湊型壓水堆，以法國 MP98[1］系統(tǒng)為參考，初步設計了如圖1所示的緊湊型壓水堆液態(tài)金屬反應性控制系統(tǒng)。

圖1 液態(tài)金屬反應性控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of liquid metal reactivity control system

與法國的 MP98[1］系統(tǒng)相比，在本文提出的設計方案中，燃料組件的每個吸收體導管均構成了一個完整回路，而且回路之間相互并聯(lián)，毛細氣管、吸收體儲罐、貯氣管、減壓閥組等部件均封裝在組件上部構件中，大幅減小了這些部件的破損概率，系統(tǒng)的可靠性更高。該控制系統(tǒng)體積小，可將其同時應用于堆內所有組件，圖2為應用該系統(tǒng)的組件示意圖。

1.1 系統(tǒng)描述

本文提出的液態(tài)金屬反應性控制系統(tǒng)代替導向管構成組件骨架，主要包括四部分：

圖2 液態(tài)金屬控制組件示意圖Fig.2 Schematic Diagram of fuel assembly with liquid metal control system

1）位于活性區(qū)的吸收體導管。導管底部相互連接，防止某個導管失效。毛細液管連接吸收體儲罐，并插入導管底部，毛細氣管位于導管最頂端，另一端位于電控閥和減壓閥之間。組件內可注入液態(tài)金屬導管數(shù)量取決于其用途，若用于停堆或燃耗補償，需要引入較大的反應性控制能力，則所有導管內均可注入，若用于功率調節(jié)或軸向功率形狀修正，部分導管注入即可。

2）吸收體儲罐及探測器。每個吸收體儲罐內均設置液位、壓力探測器，實時監(jiān)測注入或排出堆芯的液態(tài)金屬體積，從而計算出各組件吸收體導管內的液位高度。

3）貯氣罐及減壓閥組。貯氣罐內氣體具有較高的壓力，在緊急停堆時，能將液態(tài)金屬快速注入堆芯，引入足夠的負反應性。減壓閥組由兩個單向減壓閥并聯(lián)組成，形成用于液態(tài)金屬注入或移出堆芯的壓差。正常運行工況下，貯氣罐內壓力取決于吸收體注入堆芯的速率，以及控制系統(tǒng)所承載的最大壓力。

4）外部泄壓罐、電控閥及氣源。在啟堆或運行過程中，需要氣源向系統(tǒng)內注入氣體并達到一定壓力，以排出堆內的中子吸收體。當停堆或降功率時，打開電控閥，系統(tǒng)內的氣體泄到外部泄壓罐中，部分中子吸收體從儲罐注入堆芯。在進行停堆換料時，泄壓罐恢復為常壓，關閉各子系統(tǒng)的電控閥，解除外邊連接管與燃料組件上封部件中“連接頭”的連接。

此外，在如圖2所示系統(tǒng)控制組件中，“支撐板”除了起到“上管座”的作用之外，冷卻劑還需要通過“支撐板”橫向流出堆芯?！斑B接頭”用于外部氣源、探測器與組件相互連接。

1.2 功能描述

在冷停堆狀態(tài)，堆內所有導管均充滿固態(tài)中子吸收體，控制系統(tǒng)壓力高于標準大氣壓，以監(jiān)測系統(tǒng)的完整性和密閉性。在堆芯預熱之前，將系統(tǒng)壓力緩慢提升至備用壓力，再將堆芯預熱至中子吸收體熔點（銦鎘合金為120℃）以上，成為液態(tài)金屬后再進行系統(tǒng)操作。

在啟堆過程中，首先利用外部氣源向用于停堆的子系統(tǒng)注入氣體，提升壓力，依靠減壓閥形成的壓差，將此類子系統(tǒng)位于堆內的液態(tài)中子吸收體移出，回流至組件頂部的儲罐中。當停堆子系統(tǒng)內所有吸收體均移出堆芯，而且壓力達到預定值，關閉停堆子系統(tǒng)的電控閥，再將其泄壓罐內的壓力降至初始壓力，此時停堆子系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，打開電控閥即可實現(xiàn)快速停堆。采用類似操作，將燃耗補償子系統(tǒng)內的中子吸收體逐步移出堆芯。

在升降功率過程中，直接利用外部氣源提升或降低功率調節(jié)子系統(tǒng)壓力，從而移出或注入中子吸收體，補償功率變化引起的反應性變化。

若需要進行正?；蚓o急停堆時，打開所有控制系統(tǒng)電控閥，依靠貯氣罐內的壓力即可實現(xiàn)快速停堆。任意子系統(tǒng)回路發(fā)生破損，其壓力即迅速下降，中子吸收體也會快速注入堆芯。

2 反應性控制能力分析

2.1 堆芯方案

為了說明液態(tài)金屬控制系統(tǒng)的反應性控制能力，本文設計了如下堆芯方案進行分析。

堆芯熱功率為180MW，一回路系統(tǒng)壓力為15.5MPa，出入口溫度為330℃／290℃，堆芯平均溫度為310℃。

組件吸收體導管為304不銹鋼，選用銦鎘合金作為中子吸收體，密度為7.95g／cm3，系統(tǒng)氣體為氦氣。由于液態(tài)合金被移出組件后，導管內為氣體，不會形成局部慢化效應。為了提高反應性控制能力，導管占用多個柵元位置。圖3為燃料組件示意圖。采用14×14方形排列，共設置了4個方形液態(tài)金屬導管，每個導管占用9個棒柵位置，對邊距為37.8mm，壁厚為0.8mm。位于中心區(qū)域的毛細液管，內徑為1.0mm，壁厚為0.4mm。組件共含有160根外徑為φ9.5mm燃料棒，柵距1.26mm，組件中心距177.0mm。燃料棒包殼厚度0.57mm，芯塊直徑8.19mm，包殼材料為Zr－4合金。

圖3 燃料組件示意圖Fig.3 Schematic Diagram of fuel assembly

圖4 堆芯裝載方案示意圖Fig.4 Schematic Diagram of core loading pattern

圖4為堆芯裝載方案以及控制系統(tǒng)分組示意圖。堆芯共由45盒組件組成，其等效直徑為1 340mm，活性區(qū)高度為1 400mm。堆芯共采用了6%和10%兩種富集度。位于堆芯的最外圍且控制系統(tǒng)標識為“S1”的8盒燃料組件，富集度均為10%。其余組件均采用軸向富集度分區(qū)布置，燃料棒下半部70cm富集度為10%，上半部70cm為6%。按照不同使用功能，將控制系統(tǒng)劃分為7組：1）堆芯功率調節(jié)組P1；2）緊急停堆組S1和S2；3）燃耗補償組B1、B2、B3和B4。正常運行情況下，各子系統(tǒng)的液態(tài)金屬高度按以下程序調節(jié)：1）P1組從140cm降至70cm，即滿功率；2）S1組和S2組依次從140cm降至0；3）B1、B2、B3和B4組依次從140cm降至0。

2.2 計算程序

本文以 DRAGON[2］、TRIVAC[3］、DONJON[4］為基礎開發(fā)了LMCDTD程序包，用于液態(tài)金屬控制堆芯概念設計研究。DRAGON程序主要用于組件計算分析及其均勻化，產(chǎn)生堆芯擴散－燃耗計算所需的少群截面參數(shù)。TRIVAC程序采用有限差分或有限元方法進行堆芯擴散計算，獲得不同工況下的有效增殖因子keff及三維空間功率分布。DONJON程序主要用于堆芯宏觀燃耗計算，以及液態(tài)金屬臨界高度自動搜索功能。

2.3 計算結果

為了保證堆芯擁有足夠的停堆裕量，假設反應性價值最大的液態(tài)金屬控制子系統(tǒng)失效，其余子系統(tǒng)正常運作時，仍然能夠實現(xiàn)冷停堆。對于如圖4所示的堆芯裝載方案，其最大反應性時刻為壽期初冷態(tài)工況（20℃），對任一組件控制系統(tǒng)進行失效分析，最大keff僅為0.91，滿足設計要求。

壽期初，堆芯冷態(tài)（20℃）和熱態(tài)（310℃）工況下的慢化劑溫度系數(shù)分別為－2.24pcm／℃和－55.6pcm／℃，保證了堆芯具有負反饋效應。

壽期初熱態(tài)工況下，堆芯液態(tài)金屬控制系統(tǒng)總的反應性價值為55 343pcm。上述方案235U 初裝量為402.0kg，壽期末為222.8kg，燃耗壽期可以達到1 000EFPD，最大功率峰因子為2.69。

3 結論

針對緊湊型壓水堆，本文提出了可代替固體控制棒的液態(tài)金屬反應性控制方法，設計的控制系統(tǒng)布置非常靈活、反應性控制能力強，并大幅簡化堆芯結構。通過180MW堆芯方案計算分析表明：在擁有足夠停堆裕量條件下，堆芯燃耗壽期可以達到1 000EFPD，而且最大功率峰因子僅為2.69。因此，液態(tài)金屬控制方法能夠大幅提高緊湊型壓水堆的設計性能。

符號表：

[1]Emin M.MP98－New Passive Control Rod System for a Full and Extended Reactivity Control on LWR [C］.2003International Congress on Advances in Nuclear Power Plants（ICAPP 03），Cordoba，Spain，May 4－7，2003.

[2]Marleau G，Hebert A，Roy R.A User Guide for Dragon Version4 [R］.IGE－294，Technical Report，Ecole Poly－technique de Montreal，2008.

[3]Hebert A，Sekki D.A User Guide for Trivac Version4[R］.IGE－293，Technical Report，Ecole Polytechnique de Montreal，2008.

[4]Sekki D，Hebert A，Chambon R.A User Guide for Donjon Version4 [R］.IGE－300，Technical Report，Ecole Polytechnique de Montreal，2008.