張 庚，夏兆東，朱慶福，章秩峰，呂 牛，潘翠杰

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413)

核能技術(shù)的發(fā)展需要降低反應(yīng)堆成本并提高安全裕度，燃料元件是直接影響反應(yīng)堆輸出功率及安全性能的關(guān)鍵部件，采用高性能燃料元件是提高反應(yīng)堆安全性和經(jīng)濟(jì)性最直接和有效的手段。環(huán)形燃料作為一種先進(jìn)燃料元件可大幅度提高燃料元件的傳熱效率、降低燃料芯塊溫度，顯著提升反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性，目前已成為壓水堆先進(jìn)燃料組件的重要發(fā)展趨勢(shì)之一[1-3]。環(huán)形燃料是國(guó)際上新型燃料研究熱點(diǎn)方向[4-6]，具有廣闊的應(yīng)用前景。我國(guó)從2010年正式啟動(dòng)環(huán)形燃料的研發(fā)工作，突破了環(huán)形燃料設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)等方面的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[7-8]。

對(duì)于采用環(huán)形燃料的新型反應(yīng)堆系統(tǒng)，環(huán)形燃料柵元結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩層包殼和環(huán)形芯塊構(gòu)成，與實(shí)心燃料柵元存在較大差別，導(dǎo)致其堆芯物理計(jì)算分析程序的有效性和準(zhǔn)確性有待臨界實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證[9]。此前國(guó)際上并未開展由雙面慢化環(huán)形燃料的反應(yīng)堆臨界實(shí)驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外均沒有環(huán)形燃料堆芯物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致現(xiàn)階段開展的環(huán)形燃料堆芯物理計(jì)算研究都是依靠程序?qū)Τ绦虻姆绞竭M(jìn)行相互檢驗(yàn)，其有效性和可靠性得不到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證[10-11]。本文針對(duì)環(huán)形燃料柵元開展零功率物理性能實(shí)驗(yàn)研究，以獲取其臨界參數(shù)、控制棒價(jià)值、元件價(jià)值等堆芯物理性能參數(shù)，對(duì)環(huán)形燃料堆芯物理計(jì)算程序進(jìn)行驗(yàn)證，為環(huán)形燃料堆芯核設(shè)計(jì)提供參考。

1 環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆簡(jiǎn)介

環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆是一座以輕水為慢化劑和反射層、以控制棒進(jìn)行反應(yīng)性控制的立式小型臨界裝置。

環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆三維示意圖示于圖1。堆芯容器位于操作平臺(tái)上，進(jìn)水、排水回路以及啟動(dòng)反應(yīng)堆所用中子源的跑兔系統(tǒng)均直接與其相連。堆芯容器為立式桶狀容器，采用316L不銹鋼材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)時(shí)裝載去離子輕水作為慢化劑，上、下柵格板采用不銹鋼板，上柵格板采用裝飾鋁板進(jìn)行柵格顏色區(qū)分，柵格上開有396個(gè)通孔用于安裝燃料元件；燃料元件從上柵格板插入，下柵格板用來支撐燃料元件?；钚詤^(qū)內(nèi)燃料呈方形柵格排列，燃料元件柵距為23.6 mm；在堆芯周圍反射層外均勻布置有8個(gè)探測(cè)器孔道，孔道內(nèi)安裝反應(yīng)堆啟動(dòng)、功率測(cè)量、功率監(jiān)督和保護(hù)用的中子探測(cè)器。

圖1 環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆示意圖Fig.1 Schematic diagram of annular fuel zero power reactor

2 環(huán)形燃料堆芯核設(shè)計(jì)

2.1 元件選取

2.1.1核燃料元件 為開展環(huán)形先導(dǎo)燃料組件入堆的混合堆芯設(shè)計(jì)技術(shù)研究，需驗(yàn)證環(huán)形燃料和實(shí)心燃料內(nèi)外裝載工況的混合堆芯物理設(shè)計(jì)方法，因此臨界裝置的環(huán)形燃料堆芯選擇具有代表性的235U富集度為3%的UO2實(shí)心燃料元件和235U富集度為4.95%的UO2環(huán)形燃料元件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。UO2實(shí)心燃料元件總長(zhǎng)760 mm，直徑6.55 mm，由鋯管封裝。環(huán)形燃料元件包括不含釓和含釓兩種類型，不含釓環(huán)形燃料元件每根燃料元件總長(zhǎng)760 mm，由Zr-4元件管封裝。含釓環(huán)形燃料元件中Gd2O3與235U富集度為4.95%的UO2均勻混合，Gd2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、8%和10%。環(huán)形含釓燃料元件在尺寸和結(jié)構(gòu)上與環(huán)形燃料元件完全一致，只是核燃料成分存在差異。

圖2 實(shí)心燃料元件(a)和環(huán)形燃料元件(b)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of solid fuel cell (a) and annular fuel cell (b)

2.1.2占位元件 占位元件為實(shí)心鋁質(zhì)，與實(shí)心燃料元件外規(guī)格一致，占住柵格板上多余的孔位，防止誤插情況。

2.2 控制棒

環(huán)形燃料堆芯使用的控制棒結(jié)構(gòu)如圖3所示，控制棒系統(tǒng)由分別獨(dú)立的兩根安全棒和兩根調(diào)節(jié)棒控制反應(yīng)性，安全棒棒體的吸收材料采用金屬鎘，調(diào)節(jié)棒棒體的吸收材料采用不銹鋼，分別填充于316L不銹鋼套管內(nèi)，吸收體的長(zhǎng)度為800 mm。環(huán)形燃料堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒的尺寸與布置位置列于表1。

圖3 環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of safety rod and regulating rod for annular fuel zero power reactor

表1 環(huán)形燃料堆芯使用的安全棒與調(diào)節(jié)棒的尺寸與布置位置Table 1 Size and location of safety rod and regulating rod used in annular fuel core

2.3 柵格板系統(tǒng)

環(huán)形燃料堆芯使用的柵格板結(jié)構(gòu)示于圖4。采用環(huán)形燃料元件在內(nèi)、實(shí)心燃料元件在外的混合裝載方式，柵格板為480 mm×480 mm的方形不銹鋼材質(zhì)，在中心區(qū)開有10×10的100個(gè)孔位，其中96個(gè)為環(huán)形燃料元件的通孔，控制棒導(dǎo)向管占據(jù)4個(gè)通孔。在中心區(qū)外圍開有300個(gè)元件通孔，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要用于裝入不同數(shù)量的實(shí)心燃料元件，在裝入實(shí)心燃料元件之前，這些孔位插入鋁棒，占其位置。

圖4 環(huán)形燃料堆芯柵格板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of grid plate structure of annular fuel core

2.4 堆芯參數(shù)

環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯主要參數(shù)列于表2。

表2 環(huán)形燃料堆芯的主要參數(shù)Table 2 Main parameter of annular fuel core

3 實(shí)驗(yàn)方案

多邊形堆芯裝載方案為環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆的最小臨界質(zhì)量裝載方案，其臨界實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆臨界實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)，可以拓展不同燃料元件布置更多的實(shí)驗(yàn)方案。采用環(huán)形與實(shí)心燃料混合裝載模式，模擬環(huán)形先導(dǎo)組件入堆的工況，完成對(duì)最小臨界裝載的多邊形裝載系列堆芯裝載方案的臨界實(shí)驗(yàn)。

3.1 物理啟動(dòng)與臨界參數(shù)測(cè)量

為安全可靠地完成環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆的堆芯裝料及物理啟動(dòng)并完成啟動(dòng)參數(shù)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)通過外推臨界方法使環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯達(dá)到臨界狀態(tài)。具體實(shí)驗(yàn)方法為：1) 臨界裝置內(nèi)結(jié)構(gòu)材料完全就位，加入水慢化劑，堆芯未裝載核燃料時(shí)，用堆芯外的啟動(dòng)裝置記錄探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)率N0，作為本底計(jì)數(shù)率；2) 按臨界計(jì)算的臨界質(zhì)量的元件數(shù)的1/2作為第1次添加燃料元件數(shù)M1，然后由啟動(dòng)裝置探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)率扣除本底后，計(jì)數(shù)率為N1；3) 第2次添加元件按臨界計(jì)算的臨界質(zhì)量元件數(shù)的1/4，堆內(nèi)元件數(shù)為M2，探測(cè)器的中子計(jì)數(shù)率扣除本底后計(jì)數(shù)率為N2，根據(jù)兩次中子計(jì)數(shù)率結(jié)果N1、N2的倒數(shù)(即1/N1和1/N2)及其對(duì)應(yīng)的燃料裝載數(shù)M1和M2，以橫坐標(biāo)為燃料元件數(shù)，縱坐標(biāo)為1/N的坐標(biāo)系統(tǒng)作圖，進(jìn)行外推，外推到1/N=0時(shí)與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)即為臨界燃料元件數(shù)；4) 根據(jù)外推結(jié)果，按照到達(dá)臨界所需要的元件數(shù)的1/2添加燃料元件，添加元件后，按實(shí)驗(yàn)步驟3再一次進(jìn)行外推，確定第3次添加元件后的臨界元件數(shù)，如此重復(fù)步驟4，直到添加的燃料元件使反應(yīng)堆的裝置有效倍增因數(shù)大于或等于0.996時(shí)，向超臨界過渡，此時(shí)外推的臨界質(zhì)量元件數(shù)為外推的臨界質(zhì)量。向超臨界過渡是臨界實(shí)驗(yàn)所添加的燃料元件不再按外推的臨界所需元件數(shù)的1/2原則添加元件，可一次添加的燃料元件數(shù)使反應(yīng)堆達(dá)到臨界或超臨界。在超臨界后，用反應(yīng)堆功率上升周期法測(cè)量?jī)纱?至少兩次)超臨界狀態(tài)的反應(yīng)性，由兩次測(cè)量的反應(yīng)性作為縱坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的燃料元件數(shù)作為橫坐標(biāo)內(nèi)插到反應(yīng)性為零時(shí)，其燃料元件數(shù)即為周期法得到的臨界燃料元件數(shù)[12-14]。有時(shí)外推臨界的燃料元件數(shù)和內(nèi)插的臨界燃料元件數(shù)不相同，一般采用內(nèi)插的臨界燃料元件數(shù)作為最終結(jié)果。

3.2 控制棒系統(tǒng)反應(yīng)性價(jià)值

控制棒是環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯反應(yīng)性調(diào)節(jié)的重要手段，為此測(cè)量了調(diào)節(jié)棒與安全棒的微分、積分價(jià)值[15]。

采用反應(yīng)堆功率上升周期法測(cè)量控制棒系統(tǒng)的反應(yīng)性價(jià)值即將控制棒逐漸從反應(yīng)堆中移出，在移出的每一步測(cè)量功率上升周期，給出該控制棒的微分價(jià)值。在周期測(cè)量時(shí)，受到運(yùn)行規(guī)程的限制，反應(yīng)堆功率上升周期不能小于15 s。在測(cè)量某個(gè)控制棒價(jià)值時(shí)，當(dāng)其在某個(gè)位置時(shí)可能周期接近15 s，這時(shí)就要用另一根控制棒插入反應(yīng)堆來補(bǔ)償?shù)舨糠址磻?yīng)性，使反應(yīng)堆功率上升周期變得較長(zhǎng)，在較長(zhǎng)周期的基礎(chǔ)上，然后再將要測(cè)量的控制棒移出反應(yīng)堆進(jìn)行周期測(cè)量，以得到該控制棒位置的價(jià)值，如此重復(fù)，直到將整根控制棒各位置所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)性測(cè)量出來，得到該棒的微分價(jià)值，所有各位置的微分價(jià)值相加即為該棒的積分價(jià)值。這種利用另一根控制棒來補(bǔ)償反應(yīng)性的方法稱為交替法刻度調(diào)節(jié)棒的微分價(jià)值，同時(shí)用來補(bǔ)償反應(yīng)性的控制棒的微分、積分價(jià)值也可得到。

安全棒的價(jià)值采用落棒法得到。測(cè)量時(shí)，要測(cè)量的安全棒在反應(yīng)堆外，反應(yīng)堆處于臨界狀態(tài)，反應(yīng)堆在一定功率水平上穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，使緩發(fā)中子先驅(qū)核達(dá)到平衡，記錄此時(shí)的中子計(jì)數(shù)率N0，然后瞬時(shí)將安全棒插入堆內(nèi)，記錄落棒后的中子計(jì)數(shù)率N(t)隨時(shí)間t的變化，直到衰減到本底計(jì)數(shù)率為止，然后以控制棒插入堆內(nèi)開始為0，將中子計(jì)數(shù)率N(t)隨時(shí)間t的變化積分到本底計(jì)數(shù)率為止作為積分上限，給出積分計(jì)數(shù)。根據(jù)落棒前后的中子計(jì)數(shù)得到測(cè)量的安全棒反應(yīng)性。

3.3 元件價(jià)值

為了用燃料元件價(jià)值來刻度反應(yīng)堆內(nèi)的毒物價(jià)值，必須準(zhǔn)確得到邊緣燃料元件的反應(yīng)性價(jià)值。實(shí)驗(yàn)是以環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載下進(jìn)行的，在滿足全堆芯燃料元件由內(nèi)向外裝載、四周外圍元件由中心向兩側(cè)裝載模式下，得到元件的反應(yīng)性價(jià)值[12-14]。

采用周期法對(duì)堆芯多邊形裝載布置下特定位置處的燃料元件反應(yīng)性價(jià)值進(jìn)行測(cè)量，1/8堆芯對(duì)稱情況下有8根待測(cè)元件，由內(nèi)向外編號(hào)分別為A、B、C、D、E、F、G、H，位置如圖5所示。

CR為控制棒，AF為環(huán)形燃料元件，SF為實(shí)心燃料元件圖5 環(huán)形燃料堆芯元件反應(yīng)性價(jià)值測(cè)量的位置Fig.5 Position of cell’s worth measurement experiment of annular fuel core

3.4 含Gd元件反應(yīng)性效應(yīng)

含釓環(huán)型燃料元件在該實(shí)驗(yàn)中的用途是作為中子毒物使用，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于數(shù)值計(jì)算程序、數(shù)據(jù)庫(kù)分析含釓大負(fù)反應(yīng)性的驗(yàn)證。采用外推法確定環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯的含釓環(huán)形燃料元件的裝載情況及后備反應(yīng)性，采用外圍元件效率來確定含釓環(huán)形燃料元件的反應(yīng)性價(jià)值[16]。

由于釓為中子吸收體，其在堆內(nèi)表現(xiàn)為負(fù)反應(yīng)性價(jià)值。首先基于環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆堆芯臨界裝載方案(圖5)作為基準(zhǔn)裝載量，然后從堆內(nèi)取出一定數(shù)量燃料，使裝置重回次臨界狀態(tài)，將一定數(shù)量(1根、2根)的含釓燃料元件替換至堆內(nèi)環(huán)形區(qū)域與實(shí)心區(qū)域交界通量梯度顯著的角點(diǎn)位置處，在此基礎(chǔ)上重新外推臨界。

結(jié)合此前元件價(jià)值實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)有、無含釓燃料元件兩種裝載外推結(jié)果對(duì)應(yīng)裝載方案反應(yīng)性之差確定含釓燃料元件的反應(yīng)性價(jià)值。

4 零功率臨界實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 物理啟動(dòng)與臨界參數(shù)

中子計(jì)數(shù)率倒數(shù)外推臨界的臨界曲線如圖6所示。根據(jù)此外推過程確定的最終實(shí)驗(yàn)臨界裝載方案如圖7所示，共裝載環(huán)形燃料元件96根，實(shí)心燃料元件172根，占位元件128根。根據(jù)確定的裝載方案進(jìn)行臨界實(shí)驗(yàn)，凈堆狀態(tài)的臨界參數(shù)列于表3。

圖7 環(huán)形燃料堆芯臨界裝載方案Fig.7 Critical loading scheme of annular fuel core

表3 環(huán)形燃料堆芯臨界裝載參數(shù)Table 3 Critical loading parameter of annular fuel core

理論計(jì)算使用蒙特卡羅程序MCNP，使用ENDF/B-Ⅶ.1版本點(diǎn)截面數(shù)據(jù)，臨界計(jì)算時(shí)設(shè)置每代粒子數(shù)1×105個(gè)，有效代數(shù)100代，統(tǒng)計(jì)偏差1σ為0.000 10。臨界裝載和控制棒價(jià)值的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果如圖8所示，keff趨勢(shì)符合一致。

圖8 環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載臨界計(jì)算Fig. 8 Calculation of polygon loading criticality of annular fuel core

4.2 控制棒系統(tǒng)反應(yīng)性價(jià)值

分別采用周期法與逆動(dòng)態(tài)法對(duì)環(huán)形燃料堆芯的調(diào)節(jié)棒與安全棒價(jià)值進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果列于表4?？潭群蟮恼{(diào)節(jié)棒積分價(jià)值曲線如圖9所示。

圖9 調(diào)節(jié)棒積分價(jià)值曲線Fig.9 Integral worth curve of regulating rod

表4 多邊形裝載的調(diào)節(jié)棒、安全棒的積分價(jià)值Table 4 Integral worth of regulating rod and safety rod for polygon loading

4.3 元件價(jià)值

環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載在1/8堆芯對(duì)應(yīng)位置處的元件價(jià)值實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比對(duì)列于表5。實(shí)驗(yàn)值與MCNP計(jì)算值符合較好，平均偏差為1.3 pcm。

表5 環(huán)形燃料堆芯多邊形裝載的邊緣元件價(jià)值Table 5 Edge cell worth of polygon loading in annular fuel core

4.4 含Gd元件反應(yīng)性效應(yīng)

環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆裝載1根、2根含釓燃料元件的臨界裝載方案分別如圖10所示。根據(jù)裝載方案測(cè)量的燃料元件價(jià)值列于表6。理論計(jì)算使用MCNP，統(tǒng)計(jì)偏差1σ為0.000 10。對(duì)于小反應(yīng)性的臨界裝載，實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值在偏差范圍內(nèi)符合一致；對(duì)于大負(fù)反應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，元件價(jià)值理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的絕對(duì)值平均相對(duì)偏差為8.8%，在工程設(shè)計(jì)可接受的范圍內(nèi)。

表6 多邊形裝載含Gd2O3燃料元件裝載臨界參數(shù)Table 6 Critical parameter for loading Gd2O3 fuel cell for polygon loading

a——1根；b——2根標(biāo)紅元件為含Gd的核燃料元件圖10 含Gd2O3燃料元件堆芯臨界裝載方案Fig.10 Critical loading scheme of loading Gd2O3 fuel cell

5 總結(jié)

為驗(yàn)證環(huán)形燃料的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)計(jì)算程序，建立了環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆，在其上進(jìn)行了反應(yīng)堆物理參數(shù)測(cè)量，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均達(dá)到用于環(huán)形燃料核數(shù)據(jù)及計(jì)算程序校驗(yàn)的需求。環(huán)形燃料零功率反應(yīng)堆是首個(gè)由內(nèi)慢化環(huán)形燃料的反應(yīng)堆，開展的實(shí)驗(yàn)可用于指導(dǎo)環(huán)型燃料堆芯的物理設(shè)計(jì)工作，可為環(huán)形燃料先導(dǎo)組件入堆工程應(yīng)用的順利開展提供保障，對(duì)我國(guó)引領(lǐng)未來核燃料元件的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。