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        耐事故包殼中子經(jīng)濟(jì)性分析*

        2021-06-04 06:23:16,,,,,,,
        中國(guó)核電 2021年2期
        關(guān)鍵詞:燃耗包殼中子

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        (中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610213)

        日本福島核事故之后,核燃料在事故工況下的安全性越來(lái)越受到重視。為了提高反應(yīng)堆的安全性,提出耐事故的概念。除核燃料采用TRISO顆粒等耐事故形式外,包殼也需要采用耐事故包殼材料。耐事故包殼材料可以防止鋯合金包殼燃料可能出現(xiàn)的“鋯水”反應(yīng),同時(shí)在深燃耗或一些極限工況下能夠承受更高的溫度,保持燃料棒包殼結(jié)構(gòu)完整性,阻止芯體內(nèi)的裂變產(chǎn)物釋放到包殼外的冷卻劑中,在反應(yīng)堆中起到更牢固的防線作用。

        目前主流的耐事故包殼有SiC、FeCrAl以及鋯合金SiC涂層包殼等,此外還有304SS、310SS以及APMT[1-3]等不銹鋼材料也在研究之列。SiC包殼具有耐高溫特性,同時(shí)與FCM燃料基體SiO2具有很好的相容性。FeCrAl不僅能夠有效防止堆芯可能出現(xiàn)的“鋯水”反應(yīng),而且中子經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于不銹鋼材料。

        本文主要分析幾種常見(jiàn)的耐事故包殼材料相比傳統(tǒng)壓水堆中鋯合金包殼的中子經(jīng)濟(jì)性,為耐事故包殼用于堆芯核設(shè)計(jì)做借鑒和指導(dǎo)。

        1 分析程序與方法

        本文計(jì)算程序采用HELIOS[4],它是二維組件(柵格)中子/光子輸運(yùn)計(jì)算程序,使用包含200多種核素的190群核截面數(shù)據(jù)庫(kù),采用子群法共振計(jì)算模型和中子流耦合碰撞概率法(CCCP方法)輸運(yùn)計(jì)算模型,能夠處理各種復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的組件,其適用性廣、計(jì)算精度高。

        以傳統(tǒng)壓水堆組件鋯合金包殼作為對(duì)照,分析將鋯合金包殼替換為不同材料的其他包殼時(shí)組件的中子學(xué)特性,然后分析不同包殼厚度對(duì)組件中子學(xué)影響,以及采用與鋯合金包殼厚度的其他包殼材料時(shí),若要達(dá)到鋯合金包殼相同的壽期,需要采用何種富集度,用以指導(dǎo)堆芯堆芯核設(shè)計(jì)。

        2 不同包殼中子經(jīng)濟(jì)性

        表1給出了包殼材料FeCrAl、SiC、304SS、310SS和APMT的材料成分及密度。以鋯合金包殼標(biāo)準(zhǔn)AFA3 G組件為參考對(duì)象,依次將標(biāo)準(zhǔn)AFA3 G組件的鋯合金包殼替換成表1中的五種材料。分析鋯合金SiC涂層包殼時(shí),按包殼中鋯合金和SiC涂層厚度相同處理,進(jìn)行燃耗計(jì)算,并與AFA3 G原有的鋯合金包殼結(jié)果進(jìn)行比較。計(jì)算過(guò)程中燃料富集度統(tǒng)一取4.45%,慢化劑中硼濃度取700 ppm,包殼內(nèi)外徑分別為0.4180 cm和0.4750 cm。

        表1 候選包殼材料成分和密度Table 1 Composition and density of candidate cladding materials

        不同包殼材料組件燃耗計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2,燃耗曲線如圖1所示。從計(jì)算結(jié)果可知:與鋯合金相比,由于Fe的中子吸收截面較大,F(xiàn)e基合金包殼的中子經(jīng)濟(jì)性低于鋯合金包殼;而FeCrAl、APMT的中子經(jīng)濟(jì)性要高于304SS、310SS,主要原因是304SS、310SS材料中含有吸收截面較大的Ni;而SiC的中子經(jīng)濟(jì)性要高于鋯合金。按中子經(jīng)濟(jì)性由高到底排序?yàn)椋篠iC>SiC涂層>Zr>FeCrAl>APMT>304SS>310SS。

        圖1 不同包殼材料組件kinf隨燃耗變化曲線Fig.1 Variation curve of kinf vs.burnup of fuel assemblies with different cladding materials

        表2 不同包殼材料組件kinf隨燃耗變化Table 2 Variation of kinf vs.burnup of fuel assemblies with different cladding materials

        為了達(dá)到相同壽期,需要提高Fe基合金包殼的燃料富集度,以增加235U裝量[5],或者減小包殼厚度(可能改變?nèi)剂涎b量);SiC相比Zr中子經(jīng)濟(jì)性更好,SiC包殼可以比鋯合金包殼略厚。

        3 包殼厚度敏感性分析

        表3給出了不同包殼厚度的計(jì)算方案,改變包殼厚度時(shí)有兩種方案:一是保持包殼外徑和氣隙厚度不變,包殼厚度減小將直接導(dǎo)致芯體外徑減小,在富集度一定的情況下,影響燃料裝量;二是保持包殼內(nèi)徑和氣隙厚度不變,芯體外徑因此保持不變,包殼厚度減小將導(dǎo)致包殼外徑減小,降低堆芯中冷卻劑含量,降低水鈾比,影響燃料利用率。敏感性分析中燃料富集度取4.95%。表3中方案2是當(dāng)前AFA3 G組件鋯合金包殼的尺寸,作為對(duì)比對(duì)象;方案1~5是保持包殼外徑不變,包殼厚度變化時(shí)各計(jì)算方案;方案6~9是保持包殼內(nèi)徑不變,包殼厚度變化時(shí)各計(jì)算方案。分析不同包殼厚度壽期末(60 000 MW·d/tU)組件kinf與參考狀態(tài)的組件kinf差別,即Δkinf。Δkinf定義為:

        表3 不同包殼厚度的組件計(jì)算方案Table 3 Calculation schemes for fuel assemblieswith different cladding thickness

        表4 不同包殼厚度組件計(jì)算方案的壽期末ΔkinfTable 4 Δ kinf of fuel assemblies with differentcladding thickness at the end of life

        表5給出滿足壽期要求,即壽期末(60 000 MW·d/tU)Δkinf為0時(shí),各包殼材料對(duì)應(yīng)的包殼厚度。從表5可以看出,若燃料富集度維持4.95%不變,為達(dá)到與AFA3 G組件相同的壽期,若采用FeCrAl包殼,包殼厚度需降至0.25 mm;若采用SiC包殼,包殼厚度可增加至0.68 mm;其他Fe基合金包殼的厚度也需大幅降低至0.20 mm左右。

        表5 滿足壽期要求的包殼厚度Table 5 Cladding thickness meeting the life requirements

        4 燃料富集度敏感性分析

        表6給出了燃料富集度敏感性分析計(jì)算方案,各計(jì)算方案維持包殼厚度不變,改變?nèi)剂细患龋?jì)算不同包殼類型下壽期末的Δkinf。表7給出表6各方案的壽期末Δkinf。從表7可以看出,若壽期末Δkinf為0,F(xiàn)e基合金包殼235U富集度需增加至6.0%左右;而SiC包殼235U富集度低于4.95%。

        表6 不同燃料富集度的計(jì)算方案Table 6 Calculation schemes for different fuel enrichment

        表7 不同燃料富集度的壽期末ΔkinfTable 7 Δ kinf of fuel assemblies with differentfuel enrichment at the end of life

        表8給出滿足壽期要求,即壽期末(60000 MWd/tU)Δkinf為0時(shí),各包殼材料對(duì)應(yīng)的235U富集度。從表8中可以看出,為達(dá)到與AFA3 G組件相同的壽期,采用FeCrAl包殼,235U富集度需增加到5.70%;而采用SiC包殼,235U富集度可降至4.85%;其他Fe基合金包殼富集度需增加到至少5.80%。

        表8 滿足壽期要求的燃料富集度Table 8 Fuel enrichment meeting the life requirements

        5 結(jié)論

        本文對(duì)包殼材料FeCrAl、SiC、304SS、310SS和APMT進(jìn)行中子經(jīng)濟(jì)性分析,分析的目標(biāo)燃耗為60 000 MWd/tU,并與鋯合金包殼進(jìn)行比較。按中子經(jīng)濟(jì)性由高到底排序?yàn)椋篠iC>SiC涂層>Zr>FeCrAl>APMT>304SS>310SS。保持包殼外徑不變,為達(dá)到與鋯合金包殼相當(dāng)?shù)娜己纳疃?,采用相同的包殼厚度,F(xiàn)eCrAl包殼富集度將超過(guò)5%,達(dá)到約5.70%;若富集度保持4.95%,F(xiàn)eCrAl包殼厚度需降至0.25 mm。SiC可以采用更厚的包殼厚度達(dá)到與鋯合金包殼相當(dāng)?shù)娜己纳疃龋?.95%富集度時(shí),包殼厚度可增加至0.68 mm。FeCrAl包殼工程設(shè)計(jì)時(shí),可以考慮在增大包殼內(nèi)徑的同時(shí)適當(dāng)增大包殼外徑,但冷卻劑減少對(duì)熱工水力的影響以及水鈾比降低對(duì)物理的影響,需開(kāi)展進(jìn)一步研究分析。

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