基于一次通过式和闭式燃料循环的快堆堆芯概念设计研究

分别针对一次通过式和闭式燃料循环提出了2种钠冷快堆概念设计,2种堆芯均采用金属燃料以达到更优的增殖性能。首先,设计了高增殖比的快堆堆芯,该方案增殖比可达到1.4,倍增时间约11 a。提出了用于长寿期运行的快堆堆芯,该方案利用倒料的方式实现堆内增殖-焚烧,达到38 a的不换料运行。在此基础上,比较了两种基于不同策略快堆设计的差异,从堆芯参数、资源利用率和经济性等角度对不同理念的快堆设计进行了初步的分析。     

一体化增殖燃烧堆双向递推式倒料方案研究

一体化增殖燃烧堆利用自身的增殖特性,在堆芯内实现核燃料增殖和燃烧的一体化利用。其实现途径之一是将堆芯的燃料布置固定,而增殖燃烧波逐渐移动的行波堆概念,另一种则是通过定期倒料,保持堆芯内燃烧区相对固定的驻波堆。对于驻波堆,需要通过合理的堆芯布置与倒料方案来平衡燃料的燃烧和增殖过程,从而维持堆芯在整个寿期内的稳定运行。提出的双向式堆芯布置与倒料方案中,堆芯中心为燃烧区,燃料组件由内向外依次倒料,而在堆芯外围是增殖区,燃料组件由外向内依次倒料,该方案可以保持堆芯在整个反应堆寿期内具有稳定的功率分布。另外双向递推式堆芯布置与倒料方案最终的组件卸料燃耗是相对均衡的,所有从燃烧区倒出的组件都具有相近的燃耗,一般在30%左右。这使得一体化增殖燃烧堆可以在不进行燃料后处理的条件下,实现铀资源的高效利用。     

小型长寿命快堆堆芯物理设计研究

完成使用金属燃料、液态钠冷却的小型长寿命快堆设计。长寿命反应堆要求在较长的时间内堆芯能够维持临界而不需任何的倒料或换料操作。燃耗反应性补偿的设计思路为：利用金属燃料较强的增殖能力实现较大的堆芯内转换比，以减小燃耗反应性损失，同时辅以控制棒补偿。     

增殖燃烧一体化快堆插花式倒料方案研究

增殖燃烧一体化快堆利用快堆的增殖特性,通过倒料完成从增殖组件向燃烧组件的过渡,从而实现增殖和燃烧过程的一体化。全寿期内燃烧组件提供堆芯的绝大部分功率,而在燃烧组件周围的贫铀组件则将其中的²³⁸U转化为²³⁹Pu,实现增殖功能。通过定期倒料,堆芯在一次装料后可实现长期自持临界,维持几十年的稳定运行。合理的堆芯布置与倒料方案可更好地平衡燃料的燃烧和增殖过程。插花式的堆芯布置与倒料方案是将一部分增殖组件分散布置在堆芯高通量区,保证了增殖组件的快速增殖,同时可保持堆芯在整个反应堆寿期内具有稳定的功率分布。另外,插花式堆芯布置与倒料方案最终的组件卸料燃耗是相对均衡的,所有从燃烧区倒出的组件均具有相近的燃耗,一般在250~300 GW•d/t左右。这使得增殖燃烧一体化快堆可在不进行燃料后处理的条件下,实现铀资源的高效利用。     

径向倒料式驻波堆堆芯概念设计

本工作在综合分析日本CANDLE堆和美国TerraPower公司设计的TP-1堆的基础上,提出沿径向倒料的驻波堆堆芯设计初步方案,通过高、低富集度组件在堆芯的混合布置展平功率,降低了堆芯的功率峰因子和组件的最大燃耗深度。通过倒换料,实现了增殖 燃耗波的传递。为能有效地利用行波堆增殖产生的易裂变核素,采用更换包壳的新技术,实现核燃料的持续利用。     

钠冷驻波堆堆芯概念设计研究

采用自开发程序开展了钠冷驻波堆堆芯概念设计研究,为降低内堆芯功率峰,堆芯采用径向分区设计;为控制径向功率分布,采用由内向外的倒料策略。采用MCNP-ORIGEN耦合程序MCORE开展堆芯物理分析,研究结果表明:约30个倒料循环后堆芯及其各位置燃料组件达到稳态,反应性和增殖系数只随倒料波动;功率和中子注量率主要集中在内堆芯中间区域,呈"M"型分布,功率峰较低;239Pu核密度在内堆芯沿径向从内到外逐渐升高,裂变产物核密度分布与238U核密度分布相反;堆芯平衡循环卸料燃耗约27.6%,最大卸料燃耗达到29.3%。     

基于MCNP-ORIGEN2耦合程序的小型行波堆堆芯概念设计

研究设计了基于中国实验快堆(China Experimental Fast Reactor,CEFR)的小型"行波"概念堆。采用中子输运程序MCNP和点燃耗程序ORIGEN2的耦合程序进行堆芯设计,重点研究了不同点火组件的富集度和不同布料方案对小型堆的物理参数的影响,设计堆芯寿期为30 a,并给出相应的倒料方案。不同点火组件富集度对比结果表明,小堆需要选取合适的富集度,富集度太低无法维持临界,而太高会影响堆芯增殖效应;而低泄漏和棋盘式布料两种方式对比结果表明,后者的增殖组件增殖效应明显高于前者。最终确定倒料周期为8 a,倒料三次,堆芯实现较长寿期,且整个寿期内反应性变化小,各组件燃耗深度相对均匀,组件平均卸料燃耗深度约为238 MWD/kg HM。     

国内特别报道

<正>田湾核电站首次采用堆芯倒料获得成功2010年6月4日12时47分,随着田湾核电站2号机组最后一组新燃料组件被平稳地从乏燃料水池送往反应堆堆芯存放,田湾核电站首次采用堆芯倒料模式实施装换料操作宣告成功。(摘编自江苏核电有限公司网2010年6月9日报道)     

环形燃料的小型堆物理设计

<正>基于具备计算环形燃料能力的压水堆堆芯燃料管理程序CMS开展了装载环形燃料且能满足长寿期换料目标的小型堆物理参数、堆芯布置及燃料管理策略研究,并以此为基础设计了100 MW级小型堆各循环的堆芯装载及换料方案。反应堆经历过渡循环后,至第4循环起堆芯各项物理参     

一体化先进压水堆小型核电站堆芯燃料管理设计

采用SCIENCE核程序包进行装载方案的设计计算,确定了满足设计准则的各个过渡循环至平衡循环的堆芯.选择合理的平衡循环堆芯燃料的富集度、换料燃料组件数以及各循环的装载和换料方式,使平衡循环达到预定的2 a换料循环长度.堆芯采用低泄漏"内-外"式布置,旧燃料组件布置于堆芯外区.第一循环堆芯,高富集度的组件置于堆芯外区,低富集度的组件排列在堆芯内区.第二循环堆芯装入44个富集度为4.95%的新燃料组件,同时卸出44个旧燃料组件,旧燃料组件布置于堆芯外区.第三循环开始到反应堆寿期内的所有堆芯,都只使用含0、12和20根载钆燃料棒的燃料组件.各循环燃料组件最大卸料燃耗满足设计准则要求.