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<...     

长寿期板状压水堆组件可燃毒物装载形式选型研究

板状压水堆在长寿期反应堆中具有较好的应用前景。针对长寿期板状压水堆的需要,对中子学性能较好的4种可燃毒物:157Gd₂O₃、167Er₂O₃、231Pa₂O₃和PACS-J开展可燃毒物装载形式选型研究,筛选出中子学性能较优的装载形式。研究结论为:针对不同可燃毒物采用不同装载形式,可以更好地满足长寿期板状压水堆的综合要求;对于中子学性能较优的可燃毒物,157Gd₂O₃和167Er₂O₃可采用可燃毒物与燃料均匀混合的装载形式;231Pa₂O₃可采用包壳中掺杂可燃毒物的装载形式;PACS-J可采用可燃毒物以颗粒形式与燃料混合的装载形式。      

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。     

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。     

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。     

富集同位素用于长循环堆芯可燃毒物的中子学分析

长循环堆芯候选弥散型可燃毒物Sm_2O_3、HfO_2、Dy_2O_3、Eu_2O_3及Er_2O_3在寿期末具有一定残留,影响燃料经济性。从反应性补偿角度对寿期初引入负反应性、寿期内消耗速率和寿期末反应性残留3方面研究分析了富集同位素~(149)Sm、~(177)Hf、~(164)Dy、~(151)Eu、~(167)Er用于可燃毒物的可行性。研究表明采用富集同位素作为可燃毒物有一定优势:同位素富集后,弥散型可燃毒物装量下降,降低了对燃料芯块性能的影响;寿期内反应性曲线更加平缓,有利于反应性控制;寿期末可燃毒物残留有较大改善,提高堆芯燃料经济性。     

紧凑型压水堆钍-铀燃料长寿期堆芯物理特性研究

针对棒元件正方形栅格组件,进行均匀混合钍-铀燃料中子学分析。分析表明:钍-铀燃料能够使组件反应性随燃耗变化曲线更平缓,非常有利于提高反应性控制能力。在此基础上,以紧凑型压水堆为对象,进行钍-铀燃料长寿期堆芯方案概念设计研究并进行评价。计算表明:堆芯燃耗寿期可达到1000等效满功率天(EFPD),235U利用率可达到51.3%。研究表明:紧凑型压水堆应用钍-铀燃料,是实现长寿期设计的重要技术途径之一。     

PWR堆芯中弥散型可燃毒物的燃耗特性研究

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。     

基于遗传算法的可燃毒物设计优化方法研究

可燃毒物可补偿寿期初过剩反应性及展平功率分布,因此对堆芯燃料组件设计具有重要意义。目前传统的优化设计主要依靠设计者的主观经验及判断,复杂耗时,其设计效率及可靠性急待改进。本文将多目标并行遗传算法应用于压水堆组件毒物选型优化,以反应性控制、功率分布和不同时期燃耗剩余等为目标,对可燃毒物材料类型、含可燃毒物燃料棒排列方式、毒物含量、轴向分层等决策变量进行优化,研究了遗传算法在燃料组件毒物多目标优化设计中的理论模型及实现方法。同时将遗传算法与蒙特卡罗粒子输运方法有机结合,应用到压水堆燃料组件设计中,得到了组件可燃毒物优化方案。针对二维和三维燃耗计算,分别筛选了13和40种优化方案。计算结果表明：Er2O3用作毒物的综合效果最好;Gd2O3、Eu2O3和Sm2O3的应用需结合堆芯方案开展进一步研究;HfO2和Dy2O3不适合用作可燃毒物。该结果与通过人工搜索优化得到的结论基本一致。同时,三维轴向分层可为优化提供更多可选的材料种类方案,以部分毒物的分层布置方式可减小功率峰因子。本文研究为堆芯燃料/毒物设计提供了先进方法及工具。     

Optimization of PWR fuel assembly radial enrichment and burnable poison location based on adaptive simulated annealing

The focus of this paper is to present a concurrent optimization scheme for the radial pin enrichment and burnable poison location in PWR fuel assemblies. The methodology is based on the Adaptive Simulated Annealing (ASA) technique, coupled with a neutron lattice physics code to update the cost function values. In this work, the variations in the pin U-235 enrichment are variables to be optimized radially, i.e., pin by pin. We consider the optimization of two categories of fuel assemblies, with and without Gadolinium burnable poison pins. When burnable poisons are present, both the radial distribution of enrichment and the poison locations are variables in the optimization process. Results for 15 × 15 PWR fuel assembly designs are provided.     

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。     

百万千瓦级压水堆核电站长燃耗堆芯钆可燃毒物优化研究

对百万千瓦级参考核电站长燃耗堆芯（１８个月换料）采用的可燃毒物（钆）含量与堆芯燃料管理主要结果进行了分析研究。该研究采用先进的燃料管理程序系统,对不同可燃毒物含量和不同可燃毒物棒根数的燃料组件进行了计算,给出了组件无限增殖因子（ｋｉｎｆ）随燃耗的变化关系,据此对参考堆芯采用相同的装载进行了４种方案燃料管理计算。计算结果表明,对于堆芯燃料管理,采用低可燃毒物含量、含可燃毒物棒数多的装载方案明显优于高可燃毒物含量、含可燃毒物棒少的堆芯装载方案。     

Technetium transmutation in thin layer coating on PWR fuel rods

Based on the EFTTRA-T2 experiment results, we study the transmutation characteristics of pressurized water reactors (PWR) after coating a thin layer of Tc-99 on the fuel rods. Our calculation shows that for the same Tc-99 loading amount, the effect on the PWR k_eff after coating Tc-99 on the PWR fuel rods is much less than that of the homogeneous addition of Tc-99 to uranium dioxide nuclear fuel. If we just coat 0.2λ_c (0.0065 mm) thickness Tc-99 on PWR fuel rods, the total Tc-99 coating amount is about 291.37 kg, this is approximately equivalent to the 4 PWR Tc-99 annual outputs, and the system k_eff merely decreases to 0.98530.Loading Tc-99 to the PWR is equivalent to introducing extra poisons to PWR system to control excess reactivity, some control poisons like boric acid concentration in primary coolant or burnable poison rods in fuel assemblies are needed to be removed to keep the reactor in criticality. As Tc-99 coating thickness increases from 0.05λ_c to 0.2λ_c, no matter which substitution pattern is used, B16→12 or C16→12, the system k_eff variations are almost the same and can return to criticality again after removing corresponding burnable poison rods from fuel assemblies. For coating 0.15λ_c or 0.2λ_c thickness on the fuel rods of PWR, the system k_eff is slightly below the criticality either in B16→12 or C16→12 substitution pattern, we may reduce the concentration of the boric acid slightly to let the system in criticality again.Our calculation results indicate that the optimal coating thickness of Tc-99 on PWR fuel rods is probably between 0.15λ_c to 0.2λ_c, i.e. 0.00488–0.0065 mm.