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。     

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。     

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<...     

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。     

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。     

钍基柱状高温气冷堆不同启动燃料特性初步分析

钍是一种可转换材料,将其转换成²³³U能极大提高现有核燃料资源的储量。为实现对钍的合理利用,以模块式柱状高温气冷堆GT-MHR的燃料组件作为研究对象,选取低浓缩铀、武器级钚、核反应堆级钚等作为其启动燃料。利用栅格输运计算程序DRAGON对这3种启动燃料下的钍基柱状燃料组件的寿期初中子能谱、无限增殖系数、燃耗、转换比以及²³³U和²³²Th的含量等参数进行了分析。结果表明,在易裂变物质初装量约为9%时,与低浓缩铀和武器级钚相比,核反应堆级钚作为启动燃料时组件寿期初中子能谱较硬、转换比较高;其燃耗达90 GW•d/tHM;其无限增殖系数在寿期内的波动最小;燃耗为75 GW•d/tHM时组件中²³³U存余量与²³²Th消耗量之比达0.566。     

中子能谱对压水堆慢化剂温度系数的影响分析

在压水堆中,水铀比和²³⁵U富集度是影响中子能谱分布的重要参数。本工作在不同水铀比、²³⁵U富集度下分析两群中子能谱随燃耗的变化。利用中子能谱分布对慢化剂温度系数的变化进行分析,结果表明：在给定²³⁵U富集度条件下,随着水铀比的变化,堆芯存在一慢化剂温度系数绝对值最大值;²³⁵U富集度的增加、燃耗的加深,不一定导致慢化剂温度系数绝对值增大。     

使用均匀混合型燃料组件的压水堆钍-铀增殖循环研究

为提升压水堆燃料利用率,设计了一种包含适量²³²Th和²³³U的均匀混合型燃料组件。对该型燃料组件的核特性分析表明,其具备随燃耗增加k_inf下降更缓慢的特性,有利于堆芯获得更长的循环长度。以岭澳核电厂一号机组为例,对包含均匀混合型含钍燃料组件的堆芯进行了分析,结果表明,当前压水堆中采用均匀混合型含钍燃料组件是可行的,并且具备²³⁵U利用率高、堆芯循环长度长的优势。     

事故容错燃料UO2-BeO应用于压水堆燃料组件的中子学分析

本文基于中子学角度对典型压水堆中的事故容错燃料UO₂-BeO设计进行分析。选取西屋公司的2D燃料组件问题,使用组件计算程序ALPHA对不同体积分数BeO的燃料进行计算。临界及燃耗计算结果表明：在燃料中加入BeO,一方面由于中子吸收,导致反应性惩罚;另一方面由于BeO的慢化作用,导致反应性补偿,两个相反影响相互竞争共同决定UO₂-BeO燃料带来的综合效应。由反应性匹配基准可知,适量增加²³⁵U富集度对维持反应堆整个运行循环的反应性平衡十分必要,其中基准1相对于基准2和3需对燃料富集度进行较大调整才可满足寿期末得到的k_inf与参考组件一致。由反应性扰动分析结果可知,当燃料中加入BeO后,燃料温度系数随BeO体积分数的变化基本保持恒定,慢化剂温度系数降低,空泡系数增高。     

双富集度18个月换料燃料管理可行性研究

针对核电厂18个月换料模式下组件批卸料燃耗不高、燃料利用率不高等问题,采用富集度分别为4.45%和4.95%的2种燃料组件进行燃料管理方案设计,给出了双富集度18个月换料的主要计算结果。结果表明,通过对燃料组件和可燃毒物进行合理化布置,双富集度18个月换料方案可以满足18个月换料周期运行的设计准则要求。在相同的循环长度下,堆芯平均卸料燃耗更高,组件使用费用更少,经济性更好。     

先进聚合物可燃毒物燃耗特性分析

针对当前新提出的先进聚合物材料(PACS),分析聚合物可燃毒物的材料特性与慢化特性,基于秦山核电厂与Crystal River Three两类堆型燃料组件,对比分析采用不同类型可燃毒物材料时组件的燃耗特性。结果表明:聚合物材料的慢化特性随含氢量呈线性变化关系,调节聚合物分子组成可以改变毒物的燃耗特性。相对传统的可燃毒物材料,先进聚合物可燃毒物体现了良好的毒物特性,全寿期具有更低的局部功率峰,在燃耗初期PACS聚合物可燃毒物有较低的初始k_(inf)值,而在燃耗后期释放高于1%的k_(inf)值,可燃吸收体核素B-10消耗更加充分,且具有较大的热通量,可提高热中子利用率,并促进裂变核素Pu的消耗。     

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.     

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。     

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。     

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。      

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。     

Nuclear Analysis of PIE Data of Irradiated BWR 8×8-2 and 8×8-4 UO2 Fuel Assemblies

The measured pellet average inventories of actinides and fission product nuclides on the fifteen samples taken from a three-cycle irradiation BWR 8×8-2 UO₂ assembly were compared with those of assembly burnup calculations using a collision probability method (SRAC) with the JENDL-3.2 nuclear data library. The present calculations overestimate the inventories of ²³⁵U, well reproduce those of ²³⁹Pu and ²⁴⁰Pu, yet underestimate those of ²³⁶U, ²³⁷Nd, ²³⁸Pu, ²⁴¹Pu, and ²⁴²Pu. The inventories of minor actinides are underestimated by the present analysis except for ²⁴¹Am. The major FP nuclides contributing to neutron absorption such as Nd, Cs, Eu, and Sm are almost well reproduced by the present calculations. The measured pellet average burnups and major actinide inventories on the twenty samples taken from four BWR 8×8-4 UO₂ assemblies were also compared with those of the burnup calculations using SRAC and a continuous energy Monte Carlo burnup analysis code (MVP-BURN). Most of the calculated pellet average burnups of both codes agree with the measurements within the range of ±10%. The general trends of the measured pellet radial distributions of actinide and FP nuclides on six samples of the 8×8-4 UO₂ assemblies were well reproduced by the burnup calculations of MVP-BURN.