劉黎麗

摘 要：SPACE-R是設(shè)計(jì)目標(biāo)為40 kWe、10年壽命的空間發(fā)電用反應(yīng)堆。SPACE-R反應(yīng)堆的徑向功率分布很不均勻，應(yīng)該采取一定的功率分布優(yōu)化方案，使堆芯在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)具有平坦的功率分布。適合SPACE-R反應(yīng)堆的徑向功率分布優(yōu)化方案有：在慢化劑中布置可燃毒物棒以及分區(qū)使用不同含氫量的慢化劑。利用MCNP程序分別對(duì)兩種方案下反應(yīng)堆的徑向功率因子進(jìn)行計(jì)算，可知通過(guò)在合理位置布置可燃毒物棒或降低內(nèi)圍慢化劑的含氫量可有效優(yōu)化功率分布。兩種方案均會(huì)使反應(yīng)堆損失一定的反應(yīng)性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮這一因素。經(jīng)綜合考慮得出兩個(gè)最終設(shè)計(jì)方案，均能滿足徑向功率因子不超過(guò)1.20的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：SPACE-R反應(yīng)堆 徑向功率分布優(yōu)化 MCNP程序 方案研究

中圖分類號(hào)：TL34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（b）-0176-03

SPACE-R是美國(guó)研究設(shè)計(jì)的空間核反應(yīng)堆，它采用熱離子轉(zhuǎn)換器將核裂變能轉(zhuǎn)換為電能。其設(shè)計(jì)目標(biāo)為滿足40 kWe的功率水平要求以及10年的壽期要求。

堆芯功率分布優(yōu)化是空間熱離子反應(yīng)堆中子學(xué)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題之一。與一般的動(dòng)力堆相比，空間熱離子反應(yīng)堆對(duì)功率分布的要求更加嚴(yán)格，這是因?yàn)榭臻g熱離子反應(yīng)堆的能量轉(zhuǎn)換方式為堆內(nèi)熱電直接轉(zhuǎn)換，堆芯中功率分布的狀況與反應(yīng)堆的熱電轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)，直接影響其作為空間電源的性能。在堆芯設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡可能使堆芯在整個(gè)運(yùn)行期內(nèi)具有平坦的功率分布，因?yàn)檫^(guò)熱的燃料元件可能需要特殊的冷卻措施，而且熱功率差過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致燃料元件失效。

該工作利用MCNP程序計(jì)算了SPACE-R反應(yīng)堆在正常運(yùn)行工況初期的徑向功率因子，提出了若干種功率分布優(yōu)化方案，并對(duì)各種方案的有效性進(jìn)行了論證。

1 SPACE-R反應(yīng)堆堆芯描述

SPACE-R反應(yīng)堆選擇單節(jié)熱離子燃料元件作為基本設(shè)計(jì)。堆芯由150根熱離子燃料元件（TFE）、慢化劑、堆芯筒體、端部鈹反射層、側(cè)鈹反射層、12個(gè)轉(zhuǎn)鼓以及其他堆內(nèi)構(gòu)件組成。150根TFE分七圈布置，呈六邊形均勻分布在慢化劑中。堆芯中央布置了一根采用碳化硼吸收體的安全棒，作為事故工況下保證臨界安全和停堆時(shí)的反應(yīng)性控制裝置。在堆芯活性區(qū)的外部和兩端，分別布置了側(cè)反射層和端部反射層。在側(cè)反射層中布置了12根鑲嵌了碳化硼的鈹控制鼓，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)控制鼓來(lái)控制反應(yīng)性和調(diào)節(jié)功率。

TFE主要由核燃料、發(fā)射極、接收極及隔離發(fā)射極和接收極的陶瓷絕緣環(huán)構(gòu)成。發(fā)射極和接收極之間充銫蒸汽，核燃料裂變產(chǎn)生的熱把發(fā)射極加熱到1 500 ℃以上高溫，使發(fā)射極產(chǎn)生熱電子發(fā)射，并由接收極接收，和負(fù)載形成回路。發(fā)射極和接收極一般由難熔單晶材料（鎢、鉬等）做成。銫蒸汽的作用是用來(lái)中和空間電荷及降低發(fā)射極材料的表面功函數(shù)。反應(yīng)堆產(chǎn)生的廢熱由液態(tài)金屬帶出堆芯后靠熱輻射器向太空輻射[1]。

SPACE-R反應(yīng)堆的堆芯結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

2 計(jì)算程序及模型

2.1 計(jì)算程序

由于SPACE-R反應(yīng)堆堆芯的體積小，結(jié)構(gòu)和材料組成復(fù)雜且有強(qiáng)烈的不均勻性，不適于采用確定論的擴(kuò)散程序計(jì)算。MCNP程序具有很好的處理復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)及模擬復(fù)雜物理過(guò)程的能力，在小型反應(yīng)堆的物理設(shè)計(jì)中已得到廣泛應(yīng)用。該工作利用MCNP程序計(jì)算SPACE-R反應(yīng)堆的徑向功率分布[3]。

2.2 計(jì)算模型及設(shè)計(jì)目標(biāo)

燃料元件徑向功率因子是指各根燃料元件功率與平均值的比值，可根據(jù)下式求得：

（1）

式中：KR，i為燃料元件徑向功率因子；Pi為第i根燃料元件功率；150為堆芯中有150根燃料元件。

根據(jù)功率分布控制的規(guī)定，應(yīng)采取有效措施，保證功率峰因子在規(guī)定的限值內(nèi)。參照中國(guó)空間熱離子反應(yīng)堆功率分布控制的做法，在設(shè)計(jì)目標(biāo)中要求燃料元件的徑向功率因子不超過(guò)1.20。

3 徑向功率分布優(yōu)化方案及計(jì)算結(jié)果

3.1 TFE徑向功率因子計(jì)算

利用MCNP程序計(jì)算SPACE-R反應(yīng)堆TFE的徑向功率因子，計(jì)算結(jié)果表明SPACE-R反應(yīng)堆的TFE徑向功率分布很不均勻，第一圈和第二圈TFE的徑向功率因子均超過(guò)1.2的限值，最大峰因子為1.433，出現(xiàn)在第一圈。而第六圈和第七圈TFE徑向功率因子較小。

第一圈和第二圈TFE徑向功率因子出現(xiàn)較大值的原因是因?yàn)槠湮恢每拷醒氚踩簦＿\(yùn)行狀態(tài)下安全棒在堆芯外，其孔道周圍的TFE相對(duì)于其他TFE占有了更多的慢化劑份額，而SPACE-R反應(yīng)堆是欠慢化堆，更充分的慢化使得這些TFE具有更高功率。

3.2 徑向功率分布優(yōu)化方案

SPACE-R反應(yīng)堆徑向功率分布的特點(diǎn)是，靠近安全棒的內(nèi)圈TFE的徑向功率因子較大，而外圈TFE的徑向功率因子較小。因此提出以下幾種徑向功率分布優(yōu)化方案。

（1）調(diào)整TFE的布置半徑，從內(nèi)到外逐漸增加各圈TFE的慢化劑份額，使外圈TFE得到更多的有效熱中子，從而展平功率。

（2）調(diào)整TFE的內(nèi)孔徑，使內(nèi)圈TFE的孔徑大，外圈TFE的孔徑小，通過(guò)改變?nèi)剂象w積來(lái)展平功率。

（3）分區(qū)使用不同235U富集度的燃料，使內(nèi)圈TFE的燃料富集度小，外圈TFE的燃料富集度大，通過(guò)改變裂變材料密度來(lái)展平功率。

（4）在慢化劑中合理布置可燃毒物，通過(guò)在內(nèi)圈TFE周圍的慢化劑中布置可燃毒物來(lái)展平功率。

（5）分區(qū)使用不同含氫量的慢化劑，使內(nèi)圈TFE周圍的慢化劑含氫量少，外圈TFE周圍的慢化劑含氫量多，使外圈TFE得到更多的有效熱中子，從而展平功率[4]。

對(duì)于SPACE-R反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)，燃料富集度為93%，堆芯布置150根燃料棒且節(jié)距比較小，通過(guò)調(diào)整TFE布置半徑和燃料富集度來(lái)展平功率的空間很小。而通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)孔徑來(lái)展平功率的效果也是有限的，因?yàn)門FE內(nèi)孔徑調(diào)節(jié)范圍是有限制的，TFE內(nèi)孔徑應(yīng)不小于0.5 cm，否則會(huì)因?yàn)槿剂夏[脹堵塞內(nèi)孔，也不宜大于1.0 cm，否則會(huì)影響燃料芯體的機(jī)械強(qiáng)度。僅方案四和方案五比較適合SPACE-R反應(yīng)堆。

3.2.1 慢化劑中加入可燃毒物

堆芯中靠近安全棒的內(nèi)圈TFE徑向功率因子很大，可在其周圍的慢化劑中布置一定數(shù)量的毒物棒。毒物棒的數(shù)量必須適當(dāng)，數(shù)量過(guò)多會(huì)使反應(yīng)堆的反應(yīng)性過(guò)小，堆芯缺乏可運(yùn)行性。該工作設(shè)計(jì)在堆芯中布置氧化釓芯棒，其長(zhǎng)度為全堆芯長(zhǎng)度，外徑4 mm，材料為天然氧化釓。利用MCNP程序計(jì)算堆芯中布置不同根數(shù)氧化釓芯棒時(shí)的有效增殖因子（keff），結(jié)果如表1所示。

為使反應(yīng)堆具有一定的反應(yīng)性，初步設(shè)計(jì)在堆芯內(nèi)布置66根氧化釓芯棒，利用MCNP程序計(jì)算布置66根毒物棒時(shí)TFE的徑向功率因子，計(jì)算結(jié)果表明在內(nèi)圈TFE周圍布置毒物棒能使對(duì)應(yīng)位置TFE的徑向功率因子有效降低。然而，反應(yīng)堆仍不能滿足徑向功率因子不超過(guò)1.20的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在第六圈六邊形頂點(diǎn)處的TFE出現(xiàn)了較大的徑向功率因子，最大峰因子為1.228，也出現(xiàn)在該位置。這是因?yàn)榇宋恢玫腡FE所占慢化劑份額較大，徑向功率因子偏大，而布置毒物棒后堆芯整體功率降低，導(dǎo)致原本偏大的徑向功率因子變得更大?？赏ㄟ^(guò)在對(duì)應(yīng)位置的TFE附近布置毒物棒來(lái)解決，這會(huì)使堆芯損失一定的反應(yīng)性，應(yīng)同時(shí)在內(nèi)圈TFE的周圍撤去一定數(shù)量的毒物棒作為補(bǔ)償。重新布置毒物后的堆芯中共有72根氧化釓芯棒。利用MCNP程序計(jì)算布置72根毒物棒時(shí)TFE的徑向功率因子，分析計(jì)算結(jié)果可知通過(guò)在堆芯中合理布置毒物棒能有效達(dá)到功率分布優(yōu)化，優(yōu)化后最大峰因子為1.191，滿足徑向功率因子不超過(guò)1.20的要求。經(jīng)MCNP程序計(jì)算，此時(shí)堆芯keff為1.00 892，堆芯具有可運(yùn)行性。

3.2.2 分區(qū)使用不同含氫量的慢化劑

調(diào)整慢化劑的含氫量可改變堆芯局部的慢化狀況，影響能譜，進(jìn)而影響功率分布。為了展平功率，可沿徑向?qū)⒙瘎┓譃椴煌膮^(qū)域，由內(nèi)到外增加各區(qū)中慢化劑的含氫量，使外圍區(qū)域更接近最佳慢化狀態(tài)，這樣外圈TFE可得到更多的有效熱中子，從而提高裂變反應(yīng)率。

該工作簡(jiǎn)單的將慢化劑沿徑向分為兩個(gè)區(qū)，分區(qū)半徑為12.1 cm，內(nèi)區(qū)慢化劑的含氫量為80%。利用MCNP程序計(jì)算慢化劑分區(qū)布置時(shí)TFE的徑向功率因子，分析計(jì)算結(jié)果可知，簡(jiǎn)單的兩區(qū)方案使內(nèi)圈TFE的功率分布有很好地改善。此種方案中特殊位置（第六圈六邊形頂點(diǎn)處）的TFE不滿足徑向功率因子不超過(guò)1.20的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這是因?yàn)樗浇羞^(guò)量慢化的局部不規(guī)則區(qū)，這種不規(guī)則性很容易處理，可通過(guò)在其周圍合理布置毒物棒來(lái)解決，在其周圍布置天然氧化釓芯棒，芯棒為全堆芯長(zhǎng)度，外徑為2.5 mm。利用MCNP程序計(jì)算慢化劑分區(qū)并且在堆芯布置毒物棒后TFE的徑向功率因子，計(jì)算結(jié)果表明優(yōu)化后最大峰因子為1.185，滿足徑向功率因子不超過(guò)1.20的要求。經(jīng)MCNP程序計(jì)算，此時(shí)堆芯keff為1.01 792，堆芯具有可運(yùn)行性。

3.3 最終設(shè)計(jì)方案

該工作給出了兩種SPACE-R反應(yīng)堆的徑向功率分布優(yōu)化方案，均能滿足最大徑向功率因子不超過(guò)1.20的設(shè)計(jì)目標(biāo)。第一是在慢化劑中布置72根氧化釓芯棒，此方案最大峰因子為1.191，keff為1.00 892。第二是將慢化劑沿徑向分為兩個(gè)區(qū)，分區(qū)半徑為12.1 cm，內(nèi)區(qū)慢化劑的含氫量為80%，并在局部不規(guī)則區(qū)合理布置毒物棒，此方案最大峰因子為1.185，keff為1.01 792。

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