PWR堆芯中弥散型可燃毒物的燃耗特性研究.doc

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1、文章编号：0258-0926(2014)02-0001-04PWR堆芯中弥散型可燃毒物的燃耗特性研究强胜龙，秦　冬，柴晓明，姚　栋中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610041摘要：在压水反应堆（PWR）堆芯核设计中，通常采用可燃毒物来补偿反应性和展平功率分布。对于长寿期堆芯设计，可燃毒物的消耗和燃料燃耗的匹配研究更为重要。利用基于蒙特卡罗方法开发的堆芯燃耗计算程序（MOI）对天然元素、人工核素、可溶硼等多种弥散型可燃毒物进行燃耗特性分析。结果表明锕系可燃核素231Pa、240Pu等弥散型可燃毒物可用于长寿期PWR的设计。关键词：压水反应堆；可燃毒物；弥散型；蒙特

2、卡罗；燃耗特性；长寿期堆芯中图分类号：TL329文献标志码：A0前言长寿期堆芯设计主要采用提高堆芯燃料转化比和提高富集度两种方式。目前在压水反应堆（PWR）中，采用低富集度燃料和较小水铀比栅格来提高堆芯燃料转化，延长堆芯燃耗寿期。采用高富集度的燃料提高堆芯初始剩余反应性，也能达到长寿期压水堆的设计，但其难点是大反应性的控制。为实现对堆芯反应性随燃耗的控制，可采用可燃毒物和控制棒进行反应性补偿。使用控制棒进行反应性随燃耗的控制存在3个方面的困难：①受控制棒的数目限制，能够实现的控制能力有限；②控制棒还需承担调节功率分布、补偿快速反应性变化等功能，这要求控制棒价值不能太大；③通过控制棒对反应

3、性进行随燃耗的控制容易扰动功率分布，使得功率峰因子较大。鉴于以上原因，可燃毒物在反应堆反应性控制方面起着非常重要的作用。本文利用基于蒙特卡罗方法开发的堆芯燃耗计算程序（MOI）对天然元素、人工核素、可溶硼等多种弥散型可燃毒物进行中子吸收能力和燃耗特性的计算分析，给出适用于长寿期反应堆反应性控制的可燃毒物特性。收稿日期：2013-03-25；修回日期：2013-11-211MOI程序简介MOI程序是基于连续能量蒙特卡罗方法开发的堆芯燃耗计算程序，在UNIX平台下运行，可以实现并行的调棒临界燃耗计算，具有蒙特卡罗方法可处理任意几何、异性散射、任意边界条件等优点，程序流程如图1所示。2弥散型可

4、燃毒物的燃耗特性可燃毒物是堆芯反应性控制的重要手段之一，作为可燃毒物的核素必须满足2个条件：①有较大的吸收截面；②产物吸收截面小。这样它才能在初期有效地抑制过剩的反应性，又能在末期能被烧尽而不影响堆芯寿期。与分离型可燃毒物相比，弥散型可燃毒物不需要额外的空间，具有天然的几何优势，因此选择弥散型可燃毒物作为研究对象。首先筛选具备可燃毒物特性的天然元素，并采用MOI程序对其燃耗特性进行计算分析；其次对PWR中采用人工核素作为弥散可燃毒物的燃耗性进行计算分析；此外，本文还对PWR中采用可溶硼的燃耗特性进行了计算分析。2.1天然元素的燃耗特性筛选的天然元素可在寿期初抑制反应性，图2中给出了这些天

5、然元素的燃耗特性，按照燃耗特性可分为4类：（1）Cd、Gd、Sm元素：含Cd、Gd、Sm元素的无限介质增殖系数（kinf）曲线在燃耗后期与图1MOI调节棒临界并行燃耗计算的流程图Fig.1FlowChartofMultipleCalculationforCriticalSearchandDepletioninMOI图2不同弥散型可燃毒物（天然元素）下的kinf随燃耗变化曲线Fig.2kinfasaFunctionofBurnupforDifferentDopingBurnablePosion(NaturalNuclide)EFPD—有效满功率天“无可燃毒物”的kinf曲线重合，说明Cd、

6、Gd、Sm等可燃毒物元素在燃耗后期会消耗殆尽，没有反应性惩罚，利用这类可燃毒物可以大大提高铀的利用率，但反应性释放太快，不太适用于长寿期堆芯的反应性随燃耗控制。（2）B、Hf、Er、Eu元素：含Hf、Er、Eu元素的kinf曲线在燃耗后期仍然与“无可燃毒物”的kinf曲线存在一定差距，说明Hf、Er、Eu在燃耗后期仍然有少量残余，存在一定的反应性惩罚；其中Er、Eu的反应性惩罚较小，Hf的反应性惩罚稍大。B在燃耗后期会消耗殆尽，没有反应性惩罚，但B与中子反应后会产生氦气，导致燃料元件在高燃耗下肿胀。Hf、Er、Eu较适合作为主要可燃毒物来控制长寿期反应堆堆芯的反应性。（3）In、Dy、R

7、h元素：含In、Dy、Rh元素的kinf曲线在燃耗后期与“无可燃毒物”的kinf曲线存在较大差距，说明In、Dy、Rh可燃毒物元素在燃耗后期仍然有较多残余，存在较大的反应性惩罚。这些可燃毒物不适合单独使用来控制反应堆的反应性，因为使用这些可燃毒物后，反应堆的剩余反应性较快单调下降，不能实现堆芯的长寿期运行。（4）Tb、Lu、Ta元素：含Tb、Lu、Ta元素的kinf曲线在燃耗后期与“无可燃毒物”的kinf曲线存在非常大的差距，说明T