杨珏;张勇;赵传奇;单建强;王飞;曹良志
【摘 要】结合国际上多种超临界水堆堆芯设计方案的优点,提出了一种新的压力容器式低泄漏堆芯设计方案,其特点是,堆芯中采用了双排棒正方形闭式燃料组件和三区低泄漏换料.双排棒燃料组件由两排燃料棒包围一个慢化剂水棒构成,可以使得慢化均匀；三区低泄漏换料可以大大延长堆芯寿期,降低压力容器快中子注量.通过堆芯三维物理热工耦合计算发现,该方案寿期内的最大包壳温度(MCST)为684℃,堆芯寿期为300个有效满功率天,且功率分布平坦.在此基础上,对所有组件进行了更为保守的子通道热工水力计算,得出MCST为685.3℃,进一步表明所提堆芯设计方案在物理热工方面是可行的.%A new pressure-vessel type supercritical water cooled reactor (SCWR) core concept was proposed by combining merits of several SCWR core designs in the world. This core design employs a new type of closed assembly with double-row fuel rods in square geometry and a three-batch low-leakage refueling scheme. The assembly consists of two rows of fuel rods and a moderator rod, which causes the moderation more uniform. The three-batch low leakage refueling scheme obvio usly increases the cycle length and reduces the neutron fluence on the pressure vessel. Three-dimensional neutronics/thermohydraulics coupling calculation shows that the maximum cladding surface temperature (MCST) is 684 ℃, the cycle life is 300 effective full power days and the power distribution is flat. Then the more conservative sub-channel analysis was performed for all fuel assemblies. The MCST was evaluated to be 685. 3 ℃, showing that the core design is feasible.
【期刊名称】电缆防盗《西安交通大学学报》
【年(卷),期】2012(046)009
【总页数】5页(P78-82)
【关键词】超临界水堆;双排棒组件;低泄漏堆芯;热工水力分析
【作 者】杨珏;张勇;赵传奇;单建强;王飞;曹良志
【作者单位】中科华核电技术研究院,518026,广东深圳;中科华核电技术研究院,518026,广
东深圳;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;中科华核电技术研究院,518026,广东深圳;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安
【正文语种】中 文
【中图分类】TL421
超临界水冷反应堆（SCWR）是第四代核能系统国际论坛（GIF）推荐的6种四代堆中唯一的水冷堆，它继承了沸水堆、压水堆和超临界火电的技术，具有出口温度高、热效率高、系统简单等优势.
世界各核能发达国家和地区都对SCWR开展了大量的研发工作，相继提出了多种SCWR组件和堆芯方案，例如日本东京大学的热中子和快中子谱堆芯方案 Super LWR［1］和 SCFR［2］，欧盟的 HPLWR方案［3］，韩国原子能研究院KAERI的采用氢化锆固体慢化剂燃料组件方案［4］，加拿大AECL的CANDU－SCWR方案［5］，刘晓晶等的混合谱堆芯方案［6］.
本文在研究这些SCWR方案的基础上，提出了一种新的压力容器式低泄漏SCWR堆芯方案，并进行了堆芯物理热工耦合计算分析和子通道热工水力计算分析.
1 双排棒组件和堆芯技术方案
1.1 燃料组件方案批量抓鸡
由于SCWR运行在高温高压环境下，所以包壳材料选用了316不锈钢（高铬高镍奥氏体不锈钢）.燃料棒外径8mm，包壳厚度0.5mm.燃料组件采用双排棒且为正方形闭式结构，如图1所示.每个组件入口处设置了不同尺寸的开口，以进行流量分配.组件中由水棒实现中子慢化.水棒为3×3排列，燃料棒在水棒周围呈双排正方形排列，每个组件包含180根燃料棒.控制棒导向管置于组件水棒之中，在运行过程中反应堆由B4C控制棒控制反应性.组件中布置有钆棒，以展平组件径向功率分布.组件盒壁和水棒壁材料均采用不锈钢，并为三明治夹层，夹层为蜂窝状结构，在蜂窝空隙中填充ZrO2绝热材料.壁盒转角处填充强化了的肋片，以提高转角的支撑能力.
图1 双排棒组件方案
懒人床
为使组件轴向功率分布更为均匀，燃料棒沿轴向分为3层，即从上到下富集度分别为6.6%、7.0%、6.6%，每层的高度分别为0.84、1.68、1.68 m.组件计算采用碰撞概率法.经过反复调节燃料棒尺寸、栅距、水棒和组件盒壁厚度等参数，最终确定的组件参数如表1所示.
表1 双排棒燃料组件参数16 180燃料棒栅距/mm 9.44正方形水棒边长/mm 36.32正方形组件边长/mm 175.36水棒壁厚/mm 2组件盒壁厚/mm 2轴向燃料富集度/% 6.6，7.0，6.6 Gd2O3质量分数/% 3钆棒数名称 数值燃料棒数
1.2 堆芯方案
堆芯冷却剂流动采用双流程方式，如图2所示.冷却剂从压力容器入口流入，其中一部分向下流动，经过堆芯围板与压力容器间的环形下降段流入下腔室，另一部分进入压力容器后向上流动，流入上腔室.所有组件水棒和堆芯周围组件的冷却剂经通道向下流入堆芯下腔室，所有流入下腔室的冷却剂经混合后自下而上流入堆芯中心区域的组件通道，并从组件上部出口流出，最终从压力容器出口流出.
图2 堆芯冷却剂流动方式百分比为冷却剂分配比
堆芯包括241个燃料组件，中间为冷却剂向上流组件，周围区域为冷却剂向下流组件，如图3所示.
图3 堆芯径向布置
堆芯方案的主要参数如表2所示，其中最大包壳外表面温度MCST（TMCST）的设计限值为700℃.
为提高燃料利用率，堆芯采用低泄漏3批换料方案，每1批中有80个组件，另有1个第4循环组件位于堆芯中心.
表2 堆芯参数MW 2 283电功率/MW 1 000热效率/% 43.8工作压力/MPa 25进/出口的平均温度/℃ 280/500组件数 241组件中心距/cm 17.736组件高度/cm 420名称 值热功率/TMCST/℃700
2 堆芯物理热工耦合计算分析
2.1 计算方法
超临界水沿轴向流过堆芯，密度变化剧烈，需要进行堆芯三维物理和热工水力耦合计算.堆芯物理计算基于107的JENDL数据库，组件参数计算采用碰撞概率方法，堆芯计算利用三维细网差分扩散程序CITATION，同时考虑冷却剂温度、慢化剂温度、功率及燃耗的反馈.堆芯热工水力计算中首先对单通道分析方法与物理计算进行耦合，然后利用子通道对所有组件进行详细计算，最后给出MCST分析结果.
2.2 组件计算结果
图4为组件物理计算得到的无限增值因子Kinf随燃耗的变化.计算时水棒密度的平均值为0.7g/cm3，冷却剂密度的平均值为0.3g/cm3，U－235富集度为6.7%.从图4可以看出，组件的最大燃耗可达35GW·d/t.
图4 组件无限增值因子随燃耗的变化
2.3 堆芯计算结果
外用贴剂平衡循环堆芯计算结果如表3所示.从表3可以看出，组件平均卸料燃耗为35.0GW·d/t，最大卸料燃耗为42.0GW·d/t，冷却剂空泡反应率为负.通过单通道热工水力计算分析，得到寿期
内最大包壳温度为684℃.
经过优化计算获得1/4堆芯的换料方案，如图5所示.具体换料方法：以燃料编号是1的组件为例，新料在1－0位置，燃烧了1个循环后换到1－1位置，燃烧了2个循环后1－1位置换到1－2位置，燃烧了3个循环后1－2位置燃料卸出堆芯.
法兰轴表3 堆芯计算结果注：Keff为有效增值因子；h为组件平均卸料燃耗深度；hmax为组件最大卸料燃耗深度；ρ为燃料棒平均线功率密度；ρmax为燃料棒最大线功率密度；η为堆芯冷却剂空泡反应率；Tc－out为冷却剂平均出口温度；Sm为停堆裕量，即最大价值控制棒卡棒时反应堆达到的次临界度.1.007 4η/% 寿期初 －2.89寿期末 －3.74Sm/10－5 寿期初 1 509寿期末 4 698h/GW·d·t－1 350hmax/GW·d·t－1 42.0ρ/kW·m－1 12.58ρmax/kW·m－1 32.5TMCST/℃ 684Keff 1.041 5寿期末寿期初500Tc－out/℃
图5 堆芯换料方案下划线左边数字表示燃料编号；下划线右边数字表示循环数
受超临界水自身特点的影响，堆芯控制需采用无硼控制.在运行过程中，为了对堆芯进行反应性控制和径向功率峰展平，控制棒的需求量增多.图6为平衡循环寿期初1/4堆芯控制棒位
分丝辊
置.在轴向上控制棒共有49步，图6中数字表示控制棒底端距离堆芯活性区底部的步数，如坐标为x＝4、y＝6（4，6）位置的控制棒步数为12.堆芯整个寿期控制棒方案如表4所示.
表4 堆芯控制棒方案注：DEFPD表示有效满功率天数.＝300 2，x，y控制棒步数DEFPD＝0DEFPD＝2 DEFPD＝5 DEFPD＝30 DEFPD＝70 DEFPD＝110 DEFPD＝150 DEFPD＝190 DEFPD＝230 DEFPD＝270 DEFPD9 29 29 29 29 31 33 35 39 41 43 45 1，8 29 29 29 29 31 33 35 39 41 43 45 3，7 29 29 29 29 31 33 35 39 41 43 45 5，7 25 27 27 29 31 35 37 39 41 43 45 3，5 25 27 27 29 31 35 37 39 41 43 45 7，7 31 31 31 31 33 35 37 39 41 43 45 3，3 31 31 31 31 33 35 37 39 41 43 45 4，6 33 33 33 35 37 39 41 41 41 41 41 1，6 31 31 31 31 33 35 37 39 41 43 43 4，9 31 31 31 31 33 35 37 39 41 43 43
堆芯径向最大功率峰因子为1.34，轴向最大功率峰因子为1.618，均出现在寿期初，如图7、图8所示.从图中可以看出，径向功率分布比较平缓，轴向功率峰值略大，寿期初该峰值位于组件底部，在循环过程中会逐步上移，寿期末该峰值位于组件顶部.
堆芯冷却剂出口温度最大值为530℃，出现在寿期初，如图9所示.堆芯周围区域冷却剂向下流组件（见图3）温度较低，向上流组件温度较高.
图6 平衡循环寿期初控制棒位置
图7 寿期初堆芯相对径向功率分布
寿期内，MCST出现在寿期末，为684℃，低于MCST限值700℃.从图10中可以看出，中间冷却剂向上流组件的包壳外表面温度分布相对均匀，外围组件的包壳外表面温度较低.这是由于外围组件为冷却剂向下流组件，冷却剂平均温度较低的缘故.
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