Vol. 55 ,No. 5
May2021
第55卷第5期
2021年5月
原子能科学技术
AtomicEnergyScienceandTechnology
中子学设计与分析
夏羿12，谢金森1'2'*
*，徐士坤12，于涛12，姚磊12，邓年彪12，李满仓3收稿日期2020-12-15 &修回日期：2021-02-19
作者简介：夏 羿(1996-)，男，湖南衡阳人，硕士研究生，核能科学与工程专业
* 通信作者：谢金森,E-mail : jinsen_xie@use. edu. cn
*1南华大学核科学技术学院，湖南衡阳421001&
2.南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心，湖南衡阳421001&3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，四川成都610213)
摘要：为实现长寿期压水堆的低硼运行，对颗粒弥散可燃毒物进行了中子学设计与分析，颗粒弥散可燃
毒物的自屏效应可通过颗粒半径进行调节，能实现可燃毒物消耗和燃料燃耗的较优匹配。本文选取目 前压水堆常用的快燃耗可燃毒物B 、Gd 为对象，研究了颗粒弥散可燃毒物不同颗粒半径和填充份额对
光化学衍生器组件中子学特性的影响°结果表明，颗粒弥散可燃毒物能实现长期稳定的反应性控制，其中BISO 含硼
弥散颗粒符合长寿期压水堆低硼运行的要求，适合作为长寿期压水堆的候选可燃毒物进行下一步研究。
关键词：长寿期压水堆；可燃毒物；BISO 颗粒；低硼运行勒夫波
中图分类号:TL32
文献标志码:A 文章编号：1000-6931(2021)05-0873-08
doi ：10. 7538/yzb 2020. youxian. 0901
Neutronic Design and Analysis of Dispersed Particle Burnable Poison
for Long Cycle PWR
XIA Yi 1'2 , XIE Jinsen 1'2'* , XU Shikun 1'2 , YU Tao 12 , YAO Lei 1'2 ,
DENG Nianbiao 1'2 , LI Mancang 3
(1. School of Nuclear Science and Technology , University of South China , Hengyang 421001 , China &
2. Hunan Engineering&Technology Research Center for Virtual Nuclear Reactor ,
University of South China , Hengyang 421001 , China &
3. Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory ,
Nuclear Power Institute of China , Chengdu 610213 , China )
Abstract : In order to achieve low boron operation of pressurized water reactors
(PWRs) , neutronics design and analysis of dispersed particle burnable poisons were carried out , the self-shielding effect of dispersed particle burnable poison could be adjusted by the particle radius , which could achieve a better match between burnable poisonconsumptionandfuelbu.nup.Thecommonlyusedfastbu.n-upbu.nablepoisons BandGd we.eselectedinthispape. andtheinfluenceofdi pa.ticle.ad i and
packingf.actionofthedispe.sedpa.icscha.acte.is-
874原子能科学技术第55卷
ticswasstudied.Theresultsshowthatdispersedparticleburnablepoisonscanachieve long-term stable reactivity control,BISO boron-containing particles can meet the requirements of the low boron operation of long cycle PWRs and are suitable as candi-dateburnablepoisonsforlong:y:lePWRsforfurtherresear:h.
Key words:long cycle pressurized water reactor；burnable poison；BISO particle；pe.ati
on
目前冷却剂中的可溶硼在商用压水堆中起着至关重要的作用，可溶硼能长期稳定的控制过剩反应性以保持堆芯临界，但也存在如下问题。冷却剂中的硼会导致一回路结构和材料腐蚀，并产生大量的含硼废液，需要使用化学和容积控制系统（CVCS）从冷却剂中清除这些腐蚀性元素并净化和控制冷却剂中稀释的可溶硼" CVCS不仅操作维护复杂，还增加了额外的管道和子系统，使得冷却剂丧失事故（LOCA）的发生概率增加，操纵员的错误操作可能会意外导致硼稀释事故（BDA）引入正反应性导致反应堆功率上升，硼浓度过大会导致寿期初反应堆的慢化剂温度系数为正，这在反应堆的正常运行中是不被允许的'1（。使用减少冷却剂中可溶硼的技术能有效解决上述问题。
采用减少冷却剂中可溶硼的技术，对长寿期堆芯可燃毒物的反应性控制提出了更高要求，解决这一问题的关键是实现可燃毒物消耗和燃料燃耗的最佳匹配。为减少冷却剂中的可溶硼，在UO2燃料中掺入颗粒弥散毒物，由于毒物颗粒存在空间自屏效应，当毒物颗粒弥散在UO2燃料中，不仅存在着毒物颗粒与外围燃料的非均匀性，还存在燃料与周围慢化剂、包壳的非均匀性，这构成了双重非均匀性将颗粒弥散毒物掺入UO2燃料与目前常用的将可燃毒物与UO2燃料均匀打混形成烧结体相比，颗粒弥散毒物存在的空间自屏效应使可燃毒物寿期内的消耗速率变慢，使得可燃毒物的消耗与燃料燃耗能更好地匹配，并且为反应性控制增加了颗粒尺寸维度，提高了反应性控制的灵活性。目前国内的长寿期压水堆主要采用均匀弥散可燃毒物减少冷却剂中的可溶硼3，用于长寿期压水堆冷却剂中低硼运行的颗粒
弥散可燃毒物的研究相对较少。
本文针对冷却剂中低硼运行的UO2燃料长寿期压水堆颗粒弥散可燃毒物进行研究，选择目前压水堆广泛使用的两种可燃毒物B和Gd作为弥散颗粒研究对象，对颗粒弥散可燃毒物进行中子学设计和分析，从反应性控制角度对颗粒弥散可燃毒物进行评价，为冷却剂中低硼运行的长寿期压水堆堆芯设计提供参考。
1计算程序和方法
在中子学设计与分析中，本文使用的组件计算程序为DRAGON5⑷,DRAGON5是由加拿大蒙特利尔理工大学研发的确定论反应堆物理计算程序曰，DRAGON5支持多种数值方法进行粒子追踪，包括界面流法、碰撞概率法、特征线法（MOC）等，可使用广义斯丹姆勒法和子方法进行共振处理，支持Sanchez6、Hebert7.She等间的3种方法求解双重非均匀性系统中子输运方程。本文使用基于Jeff 3.2评价库的SHEM能结构的Draglib格式截面库9，选用Sanchez-Promraning方法耦合MOC处理双重非均匀性问题'珂，共振计算采用子方法2。DRAGON5使用Sanchez-Promraning 方法处理弥散颗粒问题的准确性已经得到初步验证'11（。
本文使用国内压水堆常用的棒状燃料组件AFA3G进行建模计算，将可燃毒物B或Gd 以颗粒形式弥散在燃料中进行燃耗计算，研究不同尺寸的B或Gd颗粒弥散毒物的中子学性能，比较不同类型颗粒弥散毒
物的反应性控制能力，得到满足长寿期堆芯低硼运行要求的颗粒弥散可燃毒物。AFA3G燃料组件采用17X17正方形栅格布置，包含264根燃料棒、24根控制棒导向管和1根仪表管，燃料包壳材料为M5合金，燃料芯块的材料为陶瓷二氧化铀，燃料中235U富集度为4.95%。
2可燃毒物设计与选型
可燃毒物选型和设计从中子学角度应考虑
第5期夏羿等：长寿期压水堆颗粒弥散可燃毒物中子学设计与分析875
3个原则：1)寿期初，可燃毒物初始引入足够的负反应性价值；2)寿期内，可燃毒物应逐步释放反应性与燃料燃耗消耗的反应性相匹配;
3)寿期末，可燃毒物导致的反应性惩罚应尽可能小「12(。由于长寿期压水堆对燃料性能提出了更高的要求，在高燃耗情况下燃料芯块的热导率随燃耗降低「13(，要求长寿期堆芯的燃料应具有较高的热导率且燃耗过程中不产生额外气体，因此可燃毒物除中子学角度外还需考虑与燃料和包壳的相容性，对燃料和包壳物性的影响、成本、可获取性等因素。
将可燃毒物以颗粒形式弥散在燃料中，当毒物颗粒较大时，毒物颗粒的非均匀性不可忽略，且当毒物含有共振核素时，需考虑共振自屏效应。对于热中子吸收截面过大的可燃毒物，采用传统的燃料和毒
物均匀打混的方法，在燃耗前期反应性释放过快，寿期内存在较大的反应性波动，寿期末基本不存在反应性惩罚，这种可燃毒物可被归类为快燃耗可燃毒物「14(。若将快燃耗可燃毒物B、Gd以颗粒形式弥散在燃料中可增加其空间自屏效应，能有效解决可燃毒物［和Gd的反应性波动问题，同样不会增加寿期末的反应性残留，即反应性惩罚。
硼存在裂变气体释放，因此硼目前主要以燃料芯块涂层或单独分离形式装载在燃料组件中，燃料芯块表面涂硼(IFBA)存在的问题是单根棒毒性较小且燃耗前期存在正反应性释放o 而单独分离型可燃毒物如湿式环状可燃毒物棒(WABA)、硼硅玻璃可燃毒物棒(Pryex)不仅存在挤水效应导致的反应性惩罚，且反应性控制的灵活性较差，且可能不足以控制寿期初过剩反应性。而如图1所示的包覆毒物颗粒BISO和无包覆毒物颗粒，最外层为23*m厚的热解炭(PyC)，中间层为18*m厚的石墨缓冲层，最内层为可燃毒物内核，其中热解炭的密度为1.90g/cm3「15(。BISO颗粒弥散毒物可通过调节体积填充份额、颗粒半径、毒物材料进行反应性随燃耗的精准匹配。B存在氮气释放的问题，这会导致燃料棒的内部压力增加而产生肿胀,BISO颗粒的石墨缓冲层能容纳B4C毒物内核10B(n,-)7Li反应产生的氮气，有利于提升含可燃毒物燃料棒的性能「16(，能有效解决使用含硼毒物弥散在燃料中导致的燃料棒内部压力增加的问题。
图1BISO颗粒*)和无包覆可燃毒物颗粒(b)示意图
Fig.1Schematic diagram ofBISO particle(a)anduncoatedburnablepoisonparticle(b)
本文主要研究不同弥散装载形式对中子学的影响，由于冷却剂中硼浓度较低，因此需要更多的可燃毒物棒，比较不同含可燃毒物组件布置对反应性控制的影响。图2所示的布置方式能实现寿期内更为平缓的反应性释放「门。图3是以不同装载形式填充相同体积份额的b4c 的无限增殖因数k inf随燃耗的变化，3种装载形式寿期初可燃毒物棒的自屏效应BISO颗粒最强，无包覆颗粒次之，均匀弥散最弱。不同的装载形式影响了可燃毒物棒内中子通量密度的分布，导致寿期初引入的负反应性从大到小依次是均匀弥散、无包覆颗粒、BISO颗粒。3种装载形式加入弥散可燃毒物后燃料装载量会略微减少，但寿期末可燃毒物的中子吸收体10［都能完全耗尽，且寿期初添加了较多可燃毒物使中子能谱变硬，导致239Pu的生成量有所增加。这部分反应性在寿期末得到释放!因此含可燃毒
物组件与无可燃毒物组件寿期末的居世基本相同。考虑B4C若采用无包覆颗粒弥散存在气体释放的问题，因此B4C适合以BISO颗粒弥散在燃料中。
Gd作为可燃毒物目前普遍采用UO2
和
876原子能科学技术第55卷
图2颗粒弥散可燃毒物1/4组件布置示意图Fig.2Schematic diagram of1/4fuel assemby withdispersedparticleburnablepoison
图3不同装载形式下B4C颗粒
弥散可燃毒物的k inf随燃耗的变化Fig.3k inf vs.burnupforB4Cdispersedparticle burnable poison with di f erent loading types
Gd2O3粉末混合形成烧结体的形式装载，采用这种装载形式的优点在于不占据燃料位置，不影响燃料装量，且具有较好的空间灵活性"由于Gd的热中子吸收截面较大，若采用均匀弥散的装载形式需要利用其较强的自屏效应，将Gd富集在少量燃料棒中避免过快消耗，但这样会使得燃料芯块的热导率大幅下降。Gd的应用经验表明!随Gd含量的增加会导致含钆二氧化铀芯块（UO2-GdzOs）的热导率明显下降'17（，此时需降低含可燃毒物燃料棒的235U富集度，这会导致燃料装载量减少[18]0Iwasaki 等'19（的研究表明,Gd2O3以颗粒形式弥散在燃料芯块中可显著提高燃料芯块的热导率，因此颗粒弥散能够在不降低235U富集度的前提下实现较强的自屏效应。图4示出采用不同装载形式填充相同体积份额Gd
的k inf随燃耗的变化，无包覆颗粒和BISO颗粒具有更强的空间自屏效应，燃耗前期k nf的曲线比较平缓，而均匀弥散寿期内存在正反应性释放。可燃毒物Gd使用无包覆颗粒弥散在燃料中不仅能实现寿期内稳定的反应性控制，且寿期初引入的负反应性相比BISO颗粒更大。Gd无裂变气体释放的问题，但Gd的填充份额过高会降低燃料芯块热导率，因此Gd宜采用无包覆颗粒弥散的装载形式'16（-
图4不同装载形式下Gd2O3颗粒
弥散型可燃毒物的k inf随燃耗的变化
Fig.4k inf vs.burnupforGd2O3dispersedparticle burnablepoison withdi f erentloadingtypes
3颗粒弥散毒物反应性控制分析
由于颗粒弥散毒物装载的控制变量多且关系紧密，为研究不同颗粒弥散可燃毒物装载对反应性控制的影响，将B4C和Gd2O3颗粒弥散在组件中。由于冷却剂中的硼浓度较低，寿期初可燃毒物引入的负反应性较大，图5分别以11%的体积填充份额和250*m的毒物颗粒半径为例，使用图2所示的含可燃毒物组件布置，在特定工况（燃料中235U富集度为4.95%，硼浓度为500ppm）下单一变量含可燃毒物组件的k nf随燃耗的变化。如图5a所示，保持可燃毒物填充份额不变，随着颗粒半径增大k nf曲线有更加平缓的趋势!由于包覆结构存在自屏效应!导致毒物颗粒内部的中子吸收减少；随着颗粒半径的增加，
包覆结构的自屏效应减弱，寿期内可燃毒物引入的负反应性略有增加。如图5b 所示，以可燃毒物体积填充份额表示燃料组件
第5期 夏羿等：长寿期压水堆颗粒弥散可燃毒物中子学设计与分析
877
中可燃毒物装量的多少，增加可燃毒物装量能 有效抑制寿期初过剩反应性，不同可燃毒物装
量对寿期内反应性波动影响较小，寿期末的反 应性残留并未随可燃毒物装量增加而变大。
图6示出不同颗粒弥散毒物Gd 2O 3的反应
性随燃耗的变化，与BISO 结构B 4C 颗粒弥散毒
物相比，无包覆颗粒弥散毒物Gd 寿期内的反应 性波动大于弥散毒物B o 由图6a 可见，随颗粒
半径的增加，毒物颗粒的空间自屏效应会更明
显，寿期初引入的负反应性减小，燃耗中期Gd 的主要中子吸收体155Gd 和157Gd 逐渐耗尽，因此 燃耗后期存在一定的正反应性释放。颗粒半径柴油机启动器
较小时，寿期初引入的负反应性更大，可燃毒物 的消耗速率较快，燃耗后期的正反应性释放较 多。由图6b 可见，以体积填充份额表示可燃毒
物装量的多少，增加可燃毒物装量寿期初引入的
负反应性增加，寿期内的反应性波动也略微增 加，寿期末的反应性曲线基本重合，增加可燃毒
物装量并不会导致寿期末的反应性残留增加。
4颗粒弥散毒物装载设计与中子学分析
表1#列出含硼和含轧可燃毒物组件的初 步计算结果。以AFA3G 燃料组件为例比较了特 定工况下不同类型颗粒弥散可燃毒物的燃耗特 性，含硼燃料组件的硼浓度均为300 ppm，含轧燃 料组件的硼浓度均为600 ppm，燃料富集度均为
4. 95%，不同装载形式寿期初可燃毒物引入相同
的负反应性，控制寿期初的组件居nf 均为1 05，比
较不同类型可燃毒物反应性随燃耗的变化。
图7a 为特定工况下不同含硼可燃毒物的
燃耗曲线，硼作为可燃毒物只有10［具有较大的 吸收截面，硼的燃耗链非常简单！［吸收中子
a
■无可燃毒物
▲ B 4C, 100 gm ▼ B 4C, 150 gm ♦ B 4C, 200 gm ◄ B 4C, 250 gm ► B 4C, 300 gm ・ B 4C, 350 gm
1.4
2436
090
智慧杀虫灯
12
燃耗深度/(GWdtUT)
48
■无可燃毒物
▲ B 4C, 7%▼ B4C, 9%♦ B4C, 11%v B4C, 13%► B4C, 15%• B4C, 17%
污水止回阀
b
1.3
1.2
1.4stimulsoft
1.0
2436
O9o
12
燃耗深度/(GWdtUT)
48
a ——B 4C 体积填充份额为11%不变；
b ——B 4C 颗粒半径为250 *m
图5不同BISO 含硼颗粒弥散毒物的為f 随燃耗的变化
Fig. 5 =nf vs. burnup with diferent boron-containing dispersed particle burnable poisons of BISO
48
O9o
O9o
■无可燃毒物
• Gd 2O 3, 50 gm
▲ Gd 2O 3, 100 gm ▼ Gd 2O 3, 200 gm ♦ Gd 2O 3, 250 gm ◄ Gd 2O 3, 300 gm ► Gd 2O 3, 400 gm
■无可燃毒物
▲ Gd 2O 3, 5%▼ Gd 2O 3, 7%♦ Gd 2O 3, 9%v Gd 2O 3, 11%► Gd 2O 3, 13%・ Gd 2O 3, 15%
12
24 36
燃耗深度/(GWdtUT)
12
24 36
燃耗深度/(GWdtUT)
48
a
填充份额为10% ；b 毒物颗粒半径为250 *m
图6不同含钆颗粒弥散毒物的為f 随燃耗的变化
Fig. 6 =nf vs. burnup with d i fferent ga d o linium-containing dispersed particle burnable poisons
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议