李 想，肖會文，劉國明，楊海峰

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

關(guān)鍵字：鉛冷快堆；SARAX；增殖堆芯優(yōu)化；增殖比

鉛冷快堆作為國際原子能機構(gòu)推薦的第四代先進(jìn)反應(yīng)堆堆型之一，除了具有更高的安全性外，另一大突出的優(yōu)勢，是由于其更硬的中子能譜，可以更有效地實現(xiàn)核燃料的增殖和核廢料的處理[1-3]。近年來，鉛冷快堆越來越受到國內(nèi)外機構(gòu)的重視，如俄羅斯的SVBR-100、BREST-OD-300 鉛冷快堆，美國的SUPERSTAR堆，歐盟的 ELFR 示范堆，中國的鉛冷快堆CLEAR-I、CIADS、M～2LFR-1000、SNCLFR-100 等[4-8]。如何提高反應(yīng)堆的增殖性能，更好地利用核燃料，一直是鉛冷快堆堆芯優(yōu)化設(shè)計中的關(guān)鍵。因此，在鉛冷快堆的設(shè)計優(yōu)化中，保證堆芯增殖比（BR）盡可能的大，這樣才可以使核燃料在核燃料循環(huán)中達(dá)到可持續(xù)使用的目的。

本文選取了國內(nèi)某鉛鉍冷快堆作為研究對象，從燃料選型及富集度、屏蔽材料的布置、反射材料的布置等方面對原堆芯進(jìn)行優(yōu)化，得到了可以提高堆芯增殖比的設(shè)計方案，可為鉛冷快堆的堆芯優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 計算模型

本文針對鉛冷快堆堆芯的建模計算使用了西安交通大學(xué)開發(fā)的快中子反應(yīng)堆中子學(xué)計算分析軟件包SARAX 程序[9,10]。鉛冷快堆堆芯[11]如圖1 所示。

圖1 堆芯示意圖Fig.1 The schematic of the reactor core

堆芯由379 組六角形組件柵元組成，包括內(nèi)區(qū)燃料組件、外區(qū)燃料組件、控制棒組件、緊急停堆棒組件、反射組件以及屏蔽組件。采用鉛鉍合金作為冷卻劑，UO2作為燃料，按照不同富集度燃料組件呈內(nèi)、外兩區(qū)布置，內(nèi)區(qū)235U 富集度為 16.00%，外區(qū)235U 富集度為19.75%。燃料活性區(qū)高度90 cm，上部布置氣腔區(qū)，活性區(qū)外再布置反射組件和屏蔽組件。堆芯額定熱功率為 30 MW，額定電功率為10 MW，壽期內(nèi)不倒料或換料，堆芯目標(biāo)壽期為滿功率連續(xù)運行6 年。堆芯容器內(nèi)外直徑分別為 116.0 cm 和 118.0 cm，堆芯總高度為215.0 cm，循環(huán)初時堆芯內(nèi)總的重核素裝載量為5.89 t。

采用SARAX 程序?qū)Χ研具M(jìn)行計算，表1中給出了堆芯參數(shù)的計算結(jié)果，可以看出采用傳統(tǒng)的UO2燃料時，雖可以滿足堆芯壽期長度達(dá)到6 年的要求，但經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，堆芯的轉(zhuǎn)換比（CR）只能達(dá)到0.6，并不能充分地利用核燃料資源。為進(jìn)一步提升堆芯核燃料的增殖能力，必須對堆芯裝載進(jìn)行優(yōu)化。

表1 堆芯參數(shù)計算結(jié)果Table 1 Results of the reactor core parameters

2 堆芯優(yōu)化方案

2.1 組件的優(yōu)化

為了提高堆芯增殖比，使用混合氧化物（MOX）燃料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的UO2燃料。堆芯內(nèi)部依舊采取不同富集度的內(nèi)、外兩區(qū)燃料布置設(shè)計，燃料組件分為兩種，均使用MOX 燃料，由貧化度為0.3%的貧鈾和钚的氧化物混合而成，钚的同位素成分見表2 所示。

表2 钚的同位素成分Table 2 The component of plutonium isotopes

為了提升燃料的增殖能力，還需要在堆芯中布置增殖材料來進(jìn)行U-Pu 的增殖轉(zhuǎn)換，提高堆芯整體的增殖比。增殖材料通?？刹贾迷谌剂蠀^(qū)的上部、下部形成軸向轉(zhuǎn)換區(qū)或增殖區(qū)，也可布置在燃料的徑向周圍區(qū)域，形成徑向轉(zhuǎn)換區(qū)。根據(jù)圖1 中堆芯的布置，可在燃料組件、屏蔽組件和反射組件內(nèi)布置增殖材料，實現(xiàn)增殖比BR 的提升，如圖2 所示。其中，增殖材料選用0.3%的貧鈾。

圖2 優(yōu)化后的組件示意圖Fig.2 The schematic of optimized assembly

對于燃料組件，在原燃料組件設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，上下封頭、上下反射層不變，將原燃料區(qū)高度減小至50 cm，同時縮小上方氣腔區(qū)高度，并在燃料區(qū)下方以及氣腔區(qū)和燃料區(qū)之間布置增殖材料，構(gòu)成軸向轉(zhuǎn)換區(qū)。此時燃料區(qū)下方為下轉(zhuǎn)換區(qū)，高度固定為20 cm；燃料區(qū)上方為上轉(zhuǎn)換區(qū)，高度至少為20 cm，隨著方案的調(diào)整上轉(zhuǎn)換區(qū)高度也將有所調(diào)整。為提高堆芯增殖比，在部分反射組件中布置增殖材料形成徑向轉(zhuǎn)換區(qū)。堆芯最外層布置了屏蔽組件，用于減小堆芯中子泄漏率，降低輻射，保證反應(yīng)堆運行安全。在原有的屏蔽組件的基礎(chǔ)上，將其中部分的屏蔽材料B4C 替換為增殖材料，形成徑向轉(zhuǎn)換區(qū)組件。既可以起到中子的吸收作用，也可以轉(zhuǎn)換238U 為Pu 元素，提高燃料利用率，其中徑向轉(zhuǎn)換區(qū)的高度與優(yōu)化后燃料組件的活性區(qū)高度保持一致。

2.2 堆芯優(yōu)化方案與結(jié)果分析

堆芯改用MOX 燃料，并在內(nèi)外兩區(qū)燃料組件中布置上下轉(zhuǎn)換區(qū)，同時在屏蔽組件中布置徑向轉(zhuǎn)換區(qū)。對于堆芯的兩圈反射組件，將內(nèi)圈的54 組反射組件也布置徑向轉(zhuǎn)換區(qū)，優(yōu)化后的堆芯如圖3 所示。其中，堆芯內(nèi)外區(qū)所有的燃料組件，相比于優(yōu)化前都引入了增殖材料，此時相對于堆芯的MOX 燃料活性區(qū)，燃料組件的增殖材料位于燃料活性區(qū)的上方和下方，相當(dāng)于在堆芯中構(gòu)成了軸向增殖區(qū)。堆芯原有的兩圈反射組件，外圈的反射組件保持不變，在內(nèi)圈的反射組件中布置增殖材料。堆芯所有的屏蔽組件中也布置了增殖材料。此時反射組件和屏蔽組件中的增殖材料位于MOX 燃料活性區(qū)的外部，相當(dāng)于在堆芯中構(gòu)成了徑向增殖區(qū)。

圖3 優(yōu)化后堆芯示意圖Fig.3 The schematic of the optimized core

反射組件的減少，增大了堆芯中子的泄漏率，為維持堆芯壽期長度，需對燃料區(qū)組件PuO2含量進(jìn)行調(diào)整。通過對內(nèi)外燃料區(qū)PuO2含量進(jìn)行方案組合篩選，得到調(diào)整后PuO2的質(zhì)量含量：內(nèi)區(qū)25.05%，外區(qū)30.50%。下轉(zhuǎn)換區(qū)高度保持20 cm 不變，燃料區(qū)高度保持在50 cm 不變，增加燃料組件的上轉(zhuǎn)換區(qū)高度，屏蔽組件和反射組件中徑向轉(zhuǎn)換區(qū)高度始終與燃料組件的燃料區(qū)和上下轉(zhuǎn)換區(qū)高度總和保持一致。如表3 中所示，從方案1 到方案10，堆芯活性區(qū)高度、增殖材料的含量逐漸增加。對這10 種方案開展在6EFPY（滿功率年）內(nèi)的全壽期燃耗計算。

表3 優(yōu)化組件的主要高度參數(shù)Table 3 The main height parameters of the optimized assembly

堆芯的徑向功率峰因子是描述組件功率分布展平程度的重要參數(shù)，也是堆芯優(yōu)化的一項重要研究對象，表4 給出了從方案1 到方案10中，堆芯徑向功率峰因子計算結(jié)果。從結(jié)果中可看出優(yōu)化后的堆芯徑向功率峰因子會比優(yōu)化前有所降低，而10 種優(yōu)化方案的堆芯徑向功率峰因子基本沒有差別，從功率展平程度上優(yōu)化度相同。

表4 堆芯徑向功率峰因子Table 4 The radial power peaking factor of the core

表5 給出了堆芯各部分材料和整體的增殖比計算結(jié)果，從中可知：

表5 堆芯的增殖比Table 5 The breeding ratio of the core

（1）10 種方案全壽期堆芯整體的增殖比都滿足BR≥1 的優(yōu)化目標(biāo)。

（2）當(dāng)活性區(qū)高度達(dá)到120 cm 后（方案7），隨著增殖材料高度繼續(xù)增加，堆芯整體的BR始終為1.15，不再繼續(xù)升高。為保證燃料組件的燃耗深度，需保證氣腔高度，綜合考慮堆芯整體增殖比和燃料組件氣腔高度，推薦使用方案 7，即堆芯活性區(qū)高度 120 cm，氣腔高度45 cm 的優(yōu)化方案。

為分析優(yōu)化方案的可行性，進(jìn)一步與原堆芯方案開展堆芯壽期長度、堆芯燃料組件kinf分布、堆芯功率分布以及壽期末的燃耗分布進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表6 和圖4 所示。

表6 堆芯的壽期長度Table 6 The life length of the reactor core

圖4 優(yōu)化前后堆芯其他參數(shù)分布Fig.4 Other parameter distribution of the reactor core before and after optimization

從表6 中堆芯壽期長度的結(jié)果可以看出，由于在優(yōu)化方案中內(nèi)外兩區(qū)燃料的PuO2含量在25%以上，使堆芯在相同運行時間下的keff相比于優(yōu)化前有所升高。雖然增殖材料替換了優(yōu)化前方案的部分燃料，使得燃料區(qū)的體積有所減小，但優(yōu)化后堆芯在6EFPY 全壽期內(nèi)的燃耗深度從之前的10.831 GWd/tU 增加到了20.298 GWd/tU。

通過圖4 中對堆芯功率分布和燃耗分布結(jié)果比較可知，優(yōu)化后燃料組件的最大燃耗也由優(yōu)化前的14.76 GWd/tU 增加到了29.4 GWd/tU。

3 結(jié)論

為提高國內(nèi)某鉛冷快堆堆芯的增殖比，本文采用SARAX 程序?qū)Σ煌研痉桨高M(jìn)行了設(shè)計分析，形成了優(yōu)化方案。優(yōu)化方案的增殖比BR 為：壽期初1.15，壽期末1.20；堆芯的燃耗深度為20.298 GWd/tU，能夠達(dá)到6EFPY 的壽期目標(biāo)；堆芯功率峰因子、堆芯功率分布、燃耗分布計算結(jié)果等都可初步滿足優(yōu)化設(shè)計的要求。本文得到的結(jié)論，可為鉛冷快堆優(yōu)化設(shè)計提供參考。