基于长寿期压水堆的新型可燃毒物材料组合研究

长寿期压水堆采用单一可燃毒物组件的设计不是最优选择。为满足长寿期压水堆中可燃毒物对反应性控制的综合需求,本文针对具有较好中子学性能的新型可燃毒物²³¹Pa₂O₃、PACS-J、PACS-L、¹⁶⁷Er₂O₃和¹⁵⁷Gd₂O₃进行组合研究。结果表明,采用“快燃耗”与“慢燃耗”可燃毒物进行组合的组件可以达到更优的结果。其中对于“低富集度”下的燃料组件,可以选用²³¹Pa₂O₃与PACS-J、PACS-L与¹⁶⁷Er₂O₃的组合方案;对于“高富集度”下的燃料组件,可以选用²³¹Pa₂O₃与PACS-J、¹⁵⁷Gd₂O₃和^167<...     

长寿期压水堆板状燃料组件可燃毒物选型研究

可燃毒物在长寿期压水堆中起着至关重要的作用,板状燃料组件在长寿期压水堆中具有较好的应用前景。本文开展长寿期压水堆板状燃料组件可燃毒物选型及中子学特性研究,对含不同可燃毒物的板状燃料组件进行输运-燃耗计算,筛选出中子学性能较好的可燃毒物。结果表明,采用富集同位素157Gd、167Er和B4C作为可燃毒物时,几乎无反应性惩罚;当采用PACS-J和231Pa作为可燃毒物时,因其自身特性,在寿期末不仅未造成反应性惩罚,且延长了组件寿期,提高了燃料利用率;PACS-J与慢燃耗可燃毒物组合,可获得更优的反应性曲线。由本文结果可知,板状燃料组件可以选用富集同位素157Gd、富集同位素167Er、B4C、231Pa和PACS-J作为可燃毒物,可燃毒物组合可以选用PACS-Er和PACS-Pa两种组合方案。     

FCM燃料压水堆弥散可燃毒物中子学分析

为将全陶瓷微胶囊封装（FCM）燃料应用于小型压水堆，对FCM燃料组件开展了可燃毒物中子学设计与分析。通过寿期初引入负反应性、寿期内消耗速率和寿期末残留3个方面，对弥散在SiC基体中的弥散型可燃毒物Gd₂O₃、Er₂O₃、Sm₂O₃、Eu₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂进行评价。FCM燃料中TRISO颗粒核芯直径达800 μm，燃料颗粒自屏效应强烈，在RMC程序中引入随机介质计算功能，对FCM燃料进行随机几何建模，保证了反应性计算精度。分析表明：Er₂O₃可作为FCM燃料堆芯的候选可燃毒物，Gd₂O₃和Eu₂O₃需结合堆芯开展进一步研究，Sm₂O₃、Dy₂O₃及HfO₂的反应性惩罚过大，不适合作为FCM燃料可燃毒物。     

长寿期压水堆颗粒弥散可燃毒物中子学设计与分析

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。     

可燃毒物提高小型压水堆堆芯寿期研究

针对长寿期堆芯的应用需求,开展了提高小型压水堆堆芯寿期研究。以棒状燃料为对象,对不同栅格尺寸和不同可燃毒物的选取进行计算,得出小型压水堆堆芯寿期相关影响因素。通过对不同尺寸的燃料栅格进行输运 燃耗计算,得到燃耗最佳栅格尺寸。以燃耗最佳栅格尺寸建立组件,并选择转换性能好的锕系核素²⁴⁰PuO₂作为可燃毒物,利用²⁴⁰Pu吸收中子转换成易裂变核素²⁴¹Pu的特性,对堆芯实现反应性控制和寿期延长。本研究通过对燃料栅格尺寸和可燃毒物的合理选择,提高了燃料利用率,达到延长堆芯寿期的目的。     

CSR150反应性控制研究

超临界水冷技术示范堆(CSR150)借鉴了中国超临界水冷堆(CSR1000)的反应性控制方式，依靠可燃毒物及控制棒进行反应性控制。本文在优选Er₂O₃作为可燃毒物的基础上，提出采用富集167Er的设计方式，以降低寿期末Er₂O₃带来的反应性惩罚。对CSR150的控制棒设计进行研究，提出控制棒分区设计方案，采用富集硼作为安全棒吸收体材料，提升堆芯反应性控制能力。通过对堆芯关键设计参数进行分析评价可知，本文提出的反应性控制方案满足CSR150设计要求。     

空间离散对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响

单栅元燃耗计算是全堆芯燃耗计算的基础，栅元空间离散对燃耗计算的结果有显著影响。弥散颗粒燃料由于双重非均匀性的存在，空间离散的情况更为复杂。本文基于ALPHA组件程序，分析了颗粒在平源区上归类的宏观离散方案与颗粒内部细分燃耗区的微观离散方案对弥散颗粒燃料燃耗计算的影响。算例包括无毒物的UC颗粒单栅元，含Gd₂O₃层的QUADRISO颗粒单栅元和含UC颗粒与Gd₂O₃毒物颗粒的双颗粒单栅元。数值结果表明，无毒物栅元宏观需分3圈以上，含Gd₂O₃栅元宏观需分5圈以上；无毒物算例微观不需要分圈，含Gd₂O₃层的QUADRISO颗粒需在微观燃料区细分2圈，双颗粒问题的Gd₂O₃毒物颗粒微观需分12～15圈。     

UO2?-Er2O3燃料芯块制备技术初步研究

对Er₂O₃质量分数为4.32%的UO₂-Er₂O₃可燃毒物燃料芯块的制备技术进行了初步研究。通过对比不同工艺条件（混料、成型、烧结）下，芯块的外观完整度、密度、晶粒度等性能，初步得到了UO₂-Er₂O₃燃料芯块的制备技术。试验表明:干法球磨混合6?h，添加5‰的聚乙烯醇（PVA），300~350?MPa压力下冷压成型，1700~1750℃、H₂气氛中烧结2~3?h，可得到外观完整、密度大于等于95%理论密度（T.D.）、晶粒尺寸大于8?μm的UO₂?-Er₂O₃燃料芯块。      

锕系可燃毒物板状燃料组件燃耗特性研究

为研究锕系可燃毒物在板状燃料组件的燃耗特性和延长寿期的适用性，本研究以不同富集度的板状燃料为对象，计算分析了相同初始组件无限增殖因数（kinf）情况下的锕系可燃毒物装载量、燃耗深度、235U利用率等。结果表明，在低富集度（4%~7%）情况下，240Pu可燃毒物在寿期内表现出较好的转换效应，235U利用率高，可起到延长堆芯寿期的作用；在中等富集度（25%~40%）情况下，240Pu可燃毒物的转换效应减弱，而231Pa可燃毒物表现出较好的转换效应；在高富集度（70%~97%）情况下， 231Pa可燃毒物的转换效应减弱，但含231Pa组件的235U利用率和达到的燃耗深度在所选锕系核素中最大；240Pu可作为长寿期低富集度燃料可燃毒物的选择，231Pa可作为长寿期中等、高富集度燃料可燃毒物的选择。      

可燃毒物提高小型压水堆堆芯寿期研究

针对长寿期堆芯的应用需求,开展了提高小型压水堆堆芯寿期研究。以棒状燃料为对象,对不同栅格尺寸和不同可燃毒物的选取进行计算,得出小型压水堆堆芯寿期相关影响因素。通过对不同尺寸的燃料栅格进行输运-燃耗计算,得到燃耗最佳栅格尺寸。以燃耗最佳栅格尺寸建立组件,并选择转换性能好的锕系核素~(240)PuO_2作为可燃毒物,利用~(240)Pu吸收中子转换成易裂变核素~(241)Pu的特性,对堆芯实现反应性控制和寿期延长。本研究通过对燃料栅格尺寸和可燃毒物的合理选择,提高了燃料利用率,达到延长堆芯寿期的目的。     

Design of a gadolinia bearing mixed-oxide fuel assembly for pressurized water reactors

A study on neutronics design of a gadolinia (Gd₂O₃) bearing mixed-oxide (MOX) fuel assembly (MOX-UO₂ (Gd₂O₃) assembly) was performed for the purpose of suppressing the use of fresh lumped burnable poison rods (BPRs). The MOX-UO₂ (Gd₂O₃) assembly investigated consists of MOX and UO₂ (Gd₂O₃) fuel rods, which have already been verified through both fabrication and irradiation experiences. In all, 16 UO₂ (10 wt% Gd₂O₃) fuel rods are located at every corner and the peripheral region of the MOX-UO₂ (Gd₂O₃) assembly in order to reduce the power peaking of MOX fuel rods due to the thermal neutron inflow, and to reduce the reactivity penalty at the end of cycle (EOC). Since fresh BPRs are not expected to be inserted and UO₂ (Gd₂O₃) fuel rods are located at every corner of the assembly, the number of splits in plutonium (Pu) content can be only two, which is less than three splits required for a standard MOX assembly. Core characteristics of an equilibrium core loaded with MOX-UO₂ (Gd₂O₃) assemblies are evaluated and it is verified that adoption of the MOX-UO₂ (Gd₂O₃) assembly is effective to avoid the use of fresh BPRs with securing both the core safety and cycle length. The simplication of the splits in Pu content is also supposed to be beneficial, since it has the possibility of reduce MOX fuel fabrication costs.     

Plutonium rock-like fuel burning in LWR

Plutonium rock-like oxide(ROX) fuel burning in LWR has been studied. To improve reactivity insertion accident(RIA) behavior of zirconia(ZrO₂) type ROX(Zr-ROX) fuel PWR, small negative Doppler reactivity coefficient of the fuel is increased with the additives such as 24mol% ThO₂ or 15mol% UO₂ in the fuel. There is also an approach of a heterogeneous core with 1/3 ROX and 2/3 UO₂ fuels. From the loss of coolant accident(LOCA) analysis of Zr-ROX fuel PWR, the importance to decrease the large power peaking is shown. The ThO₂ additive can make it easier to flatten the power distribution in the core, and improve not only the reactivity accident behavior but also the LOCA behavior. The power flattening can also be achieved by reducing the content of Gd₂O₃ mixed in ZrO₂ and adding Er₂O₃ in place.

In the case of weapons-grade plutonium burning, the plutonium transmutation rate in Zr-ROX fuel LWR is about 0.9tonne/GWe/300 days, and far larger than that of full MOX LWR. The additives of ThO₂ or UO₂ decrease the plutonium transmutation rate, yet it is still larger than that in full MOX LWR by more than 2 times. Even in 1/3 Zr-ROX fuel core, the transmutation rate is comparable with the full MOX case. Total amount of discharged plutonium becomes less than 1/4 to 1/6 in these cores.     

Gd2O3-Nd2O3-ZrO2-CeO2体系的高温固相反应研究

为研究Gd₂O₃-Nd₂O₃-ZrO₂-CeO₂四元氧化物体系的高温固相反应，以Gd₂O₃、Nd₂O₃、ZrO₂、CeO₂混合粉体为原材料，在1 673 K和1 773 K温度下煅烧24、48、72 h，分别制备了系列样品，并对合成样品进行了XRD和SEM分析。结果表明，合成产物为具有缺陷萤石相且伴有少量烧绿石相的Gd_2-xNd_xZr_2-xCe_xO₇（0≤x≤2）晶体化合物。随着煅烧温度的升高和煅烧时间的延长，产物中立方烧绿石相的化合物增多，晶粒尺寸变大，且有少量未知相生成。进而探讨了锆基陶瓷固化多核素的潜在应用，并提出了未来研究的相关热点问题。