張亞東，劉振華，岳芷廷，冉懷昌，喬雅馨

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

中國先進(jìn)研究堆(CARR)燃料出堆燃耗與最大考驗燃耗之間有較大的裕量，CARR乏燃料有繼續(xù)加深燃耗的可行性；CARR燃料和49-2游泳池式反應(yīng)堆(簡稱49-2堆)燃料的包殼同為鋁合金材料[1]，所以CARR乏燃料在49-2堆使用不存在材料相容性問題；49-2堆運(yùn)行參數(shù)低，CARR乏燃料在低參數(shù)水平下運(yùn)行更安全。以上3點是CARR乏燃料可在49-2堆繼續(xù)使用的主要原因。如果CARR乏燃料能繼續(xù)在49-2堆使用，將更有效利用核材料，并為49-2堆節(jié)省大量新燃料采購經(jīng)費(fèi)，減小大量的乏燃料儲存、后處理費(fèi)用。

CARR燃料芯體較49-2堆燃料芯體長，所以CARR乏燃料在49-2堆繼續(xù)使用能有效降低49-2堆的軸向功率峰因子，垂直輻照孔道中也可裝入更長的輻照樣品。

雖然國內(nèi)有些科研院所已進(jìn)行了直接使用乏燃料的研究，并在乏燃料直接使用方面已有了20多年的經(jīng)驗，但目前僅新建一個反應(yīng)堆來再使用乏燃料，即岷江試驗堆是為利用高通量工程試驗堆乏燃料而專門設(shè)計建造的，而無通過改造舊反應(yīng)堆來直接再使用另一個反應(yīng)堆乏燃料的先例。國外也無直接使用乏燃料建成研究堆的先例。本文根據(jù)49-2堆本身、應(yīng)用需求和CARR乏燃料的特點，研究CARR乏燃料在49-2堆直接再使用的堆芯方案，計算物理和熱工參數(shù)，并進(jìn)行典型事故分析。

1 CARR燃料和49-2堆概況

CARR燃料芯體為U3Si2-Al彌散體，包殼為6061-0鋁合金的平板型燃料組件，富集度為19.75%。標(biāo)準(zhǔn)燃料組件截面尺寸為76.2 mm×76.2 mm，全長為1 375 mm[2]。

CARR標(biāo)準(zhǔn)燃料組件的平均燃耗為34.9%，最大燃耗為57.4%[3]。在CARR進(jìn)行的先驗實驗中，小燃料板堆內(nèi)輻照考驗的最大燃耗為71.8%，未見芯體從包殼脫開及自身裂紋，芯體與基體鋁的反應(yīng)層小，未發(fā)現(xiàn)包殼材料晶粒結(jié)構(gòu)變化，燃料板厚度基本無變化[3-4]，還可繼續(xù)使用。

49-2堆始建于1959年，其堆芯柵距為71.5 mm。燃料元件為棒狀燃料，外徑10 mm，長588 mm，芯體長500 mm，10%富集度的UO2與Mg彌散體燃料，鋁合金包殼。

2 CARR乏燃料在49-2堆直接使用的堆芯設(shè)計要求

堆芯設(shè)計要求如下：1) 考慮49-2堆水池深度、廠房屏蔽能力及氣體流出物濃度等的限制，反應(yīng)堆功率與49-2堆原加強(qiáng)功率5 MW相當(dāng)；2) 輻照孔道中的熱中子、快中子注量率在滿功率下與現(xiàn)49-2堆相當(dāng)或更高；3) 有較長的換料周期，以滿足科研生產(chǎn)需求；4) 有足夠空間布置輻照孔道；5) 堆芯尺寸滿足49-2堆水池內(nèi)現(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)備的空間限制。

3 物理設(shè)計

物理設(shè)計使用了MCNP、MVP-BURN、WIMSD4、CITATION、ORIGEN2、NJOY、RXSP Beta2.0等程序。

3.1 堆芯結(jié)構(gòu)

選用CARR標(biāo)準(zhǔn)組件乏燃料設(shè)計堆芯。采用CARR原柵格間距(77.2 mm)，無反射層，裝載21個乏燃料組件時堆芯有效增殖因數(shù)keff僅為0.999 72。新設(shè)計堆芯也不宜過大，否則在相當(dāng)功率情況下熱中子注量率較低。由于CARR設(shè)計為反中子阱[5]，堆芯內(nèi)中子慢化不充分，所以可增加組件柵距來增加慢化，從而提高反應(yīng)性。

設(shè)計確定了由17組CARR標(biāo)準(zhǔn)乏燃料組件組成的堆芯方案、柵距82.2 mm、功率5 MW的輕水反應(yīng)堆(圖1、2)。反射層材料為鈹，反射層有兩種。堆芯外邊一層為正方形反射層，尺寸為80.2 mm；每個濕孔道內(nèi)側(cè)有兩塊長方形反射層，長為80.2 mm，寬為39.1 mm。

控制棒有3種：安全棒、自動調(diào)節(jié)棒和功率補(bǔ)償棒。十字型安全棒4根，布置在中間一組燃料的四角，十字的長度為50 mm，吸收體為厚度2 mm的B4C。T型功率補(bǔ)償棒6根(圖1中綠色)，T型的橫邊長為32 mm，豎邊長為16 mm，吸收體為厚度2 mm的B4C。T型自動調(diào)節(jié)棒2根(圖1中黃色)，T型的橫邊長為9 mm，豎邊長為4.5 mm，吸收體為厚度2 mm的B4C。

圖1 用CARR乏燃料的49-2堆的堆芯布置Fig.1 Core arrangement of 49-2 SPR loading CARR spent fuel assembly

圖2 用CARR乏燃料的49-2堆的堆芯軸向布置Fig.2 Core axial arrangement of 49-2 SPR loading CARR spent fuel assembly

使用17組CARR乏燃料組件的新堆芯長寬均為595 mm，49-2堆原堆芯長為878 mm，寬為663 mm。新設(shè)計的堆芯較原堆芯更緊湊，不受堆水池內(nèi)不可拆卸的熱柱和水平孔道的限制。

3.2 物理參數(shù)

1) 控制棒價值

單根安全棒的價值為3.19×10-2Δk/k，考慮干涉效應(yīng)后4根安全棒的總價值為13.48×10-2Δk/k；自動調(diào)節(jié)棒的價值為0.64×10-2Δk/k，考慮干涉效應(yīng)后的總價值為1.21×10-2Δk/k；單根補(bǔ)償棒的價值為1.89×10-2Δk/k，考慮干涉效應(yīng)后的總價值為11.33×10-2Δk/k；所有控制棒在考慮干涉效應(yīng)后的總價值為25.3×10-2Δk/k。

2) 溫度系數(shù)

20～100 ℃之間的平均多普勒系數(shù)為-2.58×10-5Δk/k·℃-1。20～60 ℃之間的平均慢化劑溫度系數(shù)為-8.87×10-5Δk/k·℃-1，60～100 ℃之間的平均慢化劑溫度系數(shù)為-1.12×10-4Δk/k·℃-1，20～100 ℃之間的平均慢化劑溫度系數(shù)為-1.00×10-4Δk/k·℃-1。

3) 堆功率和中子注量率

堆芯設(shè)計為額定功率5 MW，軸向熱中子分布的不均勻因子為1.33。四角是濕孔道時其內(nèi)最大熱中子注量率為6.5×1013cm-2·s-1，最大快中子注量率為8.76×1012cm-2·s-1。四角是干孔道時其內(nèi)最大熱中子注量率為2.02×1013cm-2·s-1，最大快中子注量率為2.04×1013cm-2·s-1。反射層外緊貼反射層處熱中子注量率最大為7.56×1013cm-2·s-1。冷態(tài)無中毒時燃料板間隙中軸向中子注量率相對分布示于圖3(相對于-20 cm高的熱中子注量率)，各組件燃料板水隙中熱中子(<1 eV)注量率示于圖4。

圖3 燃料板間隙中軸向中子注量率相對分布Fig.3 Axial neutron fluence rate relative distribution of fuel plate clearance

使用CARR乏燃料的49-2堆的輻照孔道中熱中子注量率高于現(xiàn)49-2堆的，干輻照孔道的熱中子注量率提高了21.3%，濕輻照孔道的熱中子注量率提高了28.2%。

新設(shè)計堆芯內(nèi)垂直輻照孔道的輻照空間較現(xiàn)49-2堆的大。如果以1×1013cm-2·s-1的熱中子注量率為有效輻照段，新設(shè)計堆芯反射層內(nèi)垂直輻照孔道有效輻照段長為110 cm，49-2堆現(xiàn)垂直輻照孔道的有效輻照段長為60 cm；新設(shè)計堆芯內(nèi)垂直輻照孔道的內(nèi)徑為8 cm，49-2堆現(xiàn)堆內(nèi)垂直輻照孔道的內(nèi)徑為6.8 cm。

4) 中子能譜

用CARR乏燃料的49-2堆輻照孔道中子能譜分布列于表1。

5) 中心為輻照孔道時的反應(yīng)性和中子注量率

中心燃料組件可取出變?yōu)檩椪湛椎?。中心和四角均是濕輻照孔道時最大后備反應(yīng)性為4.97×10-2Δk/k，中心和四角均是干輻照孔道時為1.074×10-2Δk/k，中心干孔道而四角濕輻照孔道時為1.067×10-2Δk/k(表2)。

圖4 各組件燃料板水隙中熱中子注量率Fig.4 Thermal neutron fluence rate in water gap of fuel plate

表1 用CARR乏燃料的49-2堆輻照孔道中子能譜分布Table 1 Neutron spectrum in irradiation channel of 49-2 SPR loading CARR spent fuel assembly

表2 有中心孔道時孔道內(nèi)中子注量率Table 2 Neutron fluence rate in channel at core with central channel

6) 毒性、燃耗變化和換料周期

CARR中毒平衡時149Sm的濃度能達(dá)8×1017cm-3，而新設(shè)計的用CARR乏燃料的49-2堆在中毒平衡時149Sm的濃度為1.7×1017cm-3，149Sm的濃度基本達(dá)平衡需運(yùn)行20 EFPD(滿功率天)(圖5)。由149Sm的濃度降低引入的正反應(yīng)性達(dá)2.32×10-2Δk/k。新設(shè)計堆芯運(yùn)行時239Pu的濃度在逐漸減小，從入堆時的5.78×1019cm-3降至4.98×1019cm-3(圖6)。

圖5 149Sm濃度隨運(yùn)行時間的變化Fig.5 149Sm concentration vs. operation time

圖6 239Pu濃度隨運(yùn)行時間的變化Fig.6 239Pu concentration vs. operation time

換料周期為292 EFPD，其中考慮了反應(yīng)堆從停堆到功率運(yùn)行過程中溫度升高引入的反應(yīng)性約-0.43×10-2Δk/k，反射層內(nèi)四角干輻照孔道全換為濕孔道時反應(yīng)性降低0.83×10-2Δk/k，從零功率到滿功率中毒引入的反應(yīng)性約-2.82×10-2Δk/k，樣品引入反應(yīng)性約0.5×10-2Δk/k，共計-4.58×10-2Δk/k的負(fù)反應(yīng)性引入。運(yùn)行292 EFPD后燃料組件最深燃耗為82 781 MW·d/t(U)(圖7)，未達(dá)到燃料考驗的最大燃耗。

壽期初反應(yīng)堆的后備反應(yīng)性為 8.64×10-2Δk/k，壽期末的后備反應(yīng)性為3.75×10-2Δk/k(未考慮輻照孔道干濕變化的影響)。

4 熱工計算

熱工計算分析使用了CARRthA和RELAP5程序等。一次水系統(tǒng)使用現(xiàn)在的49-2堆一次水系統(tǒng)、主泵和換熱器等主要設(shè)備。49-2堆二回路是直接通過風(fēng)塔向外環(huán)境排熱的，受室外溫度的影響較大。49-2堆在3.5 MW運(yùn)行時二次側(cè)入口水溫夏天一般為30 ℃左右，冬天為18 ℃左右。49-2堆曾經(jīng)4.5 MW運(yùn)行時二次側(cè)入口水溫較3.5 MW時約提高2～3 ℃。新設(shè)計堆芯熱工計算時選擇夏天二次側(cè)入口水溫為33.3 ℃。

圖7 燃耗隨運(yùn)行時間的變化Fig.7 Burnup vs. operation time

在5 MW中毒平衡工況下堆芯入口溫度為51.29 ℃，入口壓力為150.6 kPa，此時冷卻劑出口溫度為55.70 ℃，燃料芯體最高溫度僅71.74 ℃，燃料包殼外表面最高溫度僅70.21 ℃(表3、4)。泡核沸騰比最小值為9.02，與最小偏離泡核沸騰比運(yùn)行限值1.4相比還有很大裕量。泡核沸騰起始點溫度從堆芯入口熱通道的126.72 ℃到出口的118.25 ℃，較穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時燃料包殼表面溫度高得多。泡核沸騰裕度有56 ℃以上。

初始裝料時由于無中毒平衡，功率分布較不均勻，此時第2圈每邊中心的組件功率最高，為熱通道。熱通道燃料包殼表面最高溫度為67.53 ℃，燃料芯體最高溫度為68.61 ℃，泡核沸騰比最小值為6.76。僅從熱工角度分析，冷卻劑入口溫度的運(yùn)行限值可取接近100 ℃，此時池表不沸騰，此值距不致堆芯產(chǎn)生泡核沸騰的109.8 ℃尚有裕量，但考慮池壁腐蝕和堆頂蒸發(fā)的不利影響后冷卻劑入口溫度的運(yùn)行限值可取70 ℃左右。芯塊和包殼的安全限值應(yīng)為其熔點，遠(yuǎn)高于正常運(yùn)行值。

表3 堆功率5 MW時平均通道溫度Table 3 Average channel temperature at power of 5 MW

表4 堆功率5 MW時熱通道溫度Table 4 Hot channel temperature at power of 5 MW

5 事故分析

5.1 滿功率時控制棒失控提升

反應(yīng)堆在額定功率5 MW下價值最大的1根補(bǔ)償棒以8 mm/s的速度失控提升事故中，隨著控制棒的提出引入正反應(yīng)性，功率達(dá)到5 MW的120%，即6 MW時，保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出事故停堆信號，落棒時間為1 s，隨即功率下降。此事故中元件包殼外表面最高溫度為73.84 ℃，燃料芯體最高溫度為75.55 ℃，均遠(yuǎn)低于其安全限值(圖8)。

圖8 控制棒失控事故中燃料芯體、 包殼外表面及冷卻劑溫度隨時間的變化Fig.8 Fuel meat, shell outside surface and coolant temperatures vs. time in control rod runaway accident

5.2 反應(yīng)堆啟動事故

圖9 反應(yīng)堆啟動事故中燃料芯體、 包殼外表面及冷卻劑溫度隨時間的變化Fig.9 Fuel meat, shell outside surface and coolant temperatures vs. time in start-up accident

初始時反應(yīng)堆已處于臨界，堆功率假定為50 W，假定一次水入口溫度為42 ℃。此時1根功率補(bǔ)償棒失控提升，功率達(dá)6 MW時，保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出事故停堆信號，落棒時間為1 s。此事故中堆功率變化范圍很大，達(dá)到了5個量級，但起作用的功率釋放時間很短。元件包殼外表面最高溫度為60.45 ℃，燃料芯體最高溫度為62.11 ℃，均遠(yuǎn)低于其安全限值(圖9)。

5.3 全廠斷電事故

全廠斷電事故中，不考慮應(yīng)急冷卻泵的緩解作用，即在失去外電源的情況下，主泵惰轉(zhuǎn)完成后，通過建立自然循環(huán)帶出堆芯衰變熱，如圖10所示。該事故中，元件包殼外表面最高溫度為106.14 ℃，燃料芯體最高溫度為106.16 ℃，均遠(yuǎn)低于其安全限值，如圖11所示。

圖10 全廠斷電事故下回路漏流與堆芯流量隨時間的變化Fig.10 Leakage and core flow rates vs. time in station blackout accident

6 小結(jié)

新設(shè)計的在49-2堆直接使用CARR乏燃料組件的5 MW堆芯繼續(xù)保持游泳池式反應(yīng)堆的運(yùn)行費(fèi)用低、啟停堆方便、輻照裝置出入堆方便、常溫低壓等優(yōu)點，同時主要參數(shù)優(yōu)于現(xiàn)49-2堆的。主要輻照孔道中子注量率較現(xiàn)49-2堆的提高了20%以上，垂直輻照孔道內(nèi)有效輻照空間為現(xiàn)49-2堆的2.5倍。新設(shè)計堆芯滿功率運(yùn)行時包殼外表面最高溫度為70.21 ℃，燃料芯體最高溫度為71.74 ℃，均低于現(xiàn)49-2堆的。