高温气冷堆不确定性分析的新进展

球床高温气冷堆由于采用流动球床堆芯和燃料多次通过的运行方式,不能直接套用轻水堆中一般采用的“系统分解,逐级传递”的分析思路,其不确定性的传播和分析具有特殊性。清华大学核能与新能源技术研究院基于高温气冷堆的设计分析经验,开展了高温堆的不确定性研究,并取得了一些进展。目前高温气冷堆已建立起完整的不确定性分析计算框架。在此框架内,基于VSOP程序,开发能反映球床高温气冷堆实际运行特点的不确定性分析程序VSOP-UAM,实现了核数据不确定性隐式效应和显式效应的完整分析。然后使用SCALE/TSUNAMI-3D和VSOP-UAM程序,建立燃料球、堆芯单元、初装堆芯和平衡堆芯的分析模型,量化了核数据的不确定性对各种模型关键参数的影响。此外,还量化了球流混流效应、燃料富集度、燃料孔隙率这些球床堆芯参数的不确定性对堆芯有效增殖因数k_eff和功率分布的影响。从计算结果可看出,高温气冷堆的不确定性分析显示出了有别于传统轻水堆的结果。     

球床式高温气冷堆球流混流的影响分析

研究球床式高温气冷堆球流存在的混流对堆芯关键参数的影响。开发了能模拟球流混流过程与效果的MFVSOP程序。选择球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)平衡堆芯为研究对象,对比分析不同的混流程度对堆芯功率峰值、功率密度等参数的影响及其不确定性。分析发现,混流对球床式高温气冷堆关键参数的不确定性影响不大,多次通过的燃料循环方式可降低不确定性。     

基于精细燃耗历史及精细燃耗链的球床高温气冷堆燃耗不确定性分析

球床高温气冷堆的燃料管理具有燃料球多次通过堆芯的特点,使得燃料元件经历的燃耗历史十分复杂。球床高温气冷堆堆芯物理设计程序VSOP可以提供燃料元件的精细燃耗历史,但仅包含少量燃耗链和核素种类。而清华大学自主开发的燃耗计算程序NUIT可实现精细燃耗计算,且包含完整燃耗链和核素信息,但不具备精细燃耗历史跟踪功能。本文基于NUIT,结合VSOP提供的球床高温气冷堆精细燃耗历史,开发了球床高温气冷堆堆芯的精细燃耗计算功能,搭建了带有精细燃耗历史模拟和精细燃耗链核素的燃耗分析流程,并实现燃耗不确定性分析功能。在此基础上研究了裂变产额不确定性对球床高温气冷堆燃耗计算不确定性的贡献,并与VSOP的计算结果进行对比。计算分析结果显示,基于NUIT的精细燃耗计算结果和VSOP的燃耗计算结果得到了相互验证,且可以得到更多的核素浓度信息,该计算结果是开展球床高温气冷堆衰变热不确定性研究的基础。     

高温气冷堆和轻水堆超铀元素管理特性研究

乏燃料中长寿命锕系元素对环境造成长期潜在危害,本文研究球床高温气冷堆不同燃料循环中超铀元素的产生和焚烧特性。在250 MW球床模块式高温气冷堆示范电站HTR-PM铀钚循环的乏燃料中提取铀和钚作为核燃料,设计了PuO₂和MOX燃料元件,将新设计的燃料元件重新装入与HTR-PM相同结构和尺寸的堆芯,分别形成纯钚燃料循环和MOX燃料循环。采用高温气冷堆物理设计程序VSOP,研究了高温气冷堆一次通过燃料循环和不同闭式燃料循环的超铀元素焚烧特性,并与轻水堆燃料循环结果进行比较和分析。结果表明：高温气冷堆一次通过燃料循环超铀元素生成率约为轻水堆的1/2;高温气冷堆闭式燃料循环能有效嬗变超铀元素。     

球床式高温气冷堆MOX燃料循环优化

与压水堆相比,球床式高温气冷堆能在堆芯结构不做明显改变的情况下采用全堆芯装载混合氧化物（MOX）燃料元件。基于250 MW球床模块式高温气冷堆堆芯结构,设计了4种球床式高温气冷堆下MOX燃料循环方式,包括铀钚混合的燃料球和独立的钚球与铀球混合装载的等效方式,采用高温气冷堆设计程序VSOP进行分析,比较了初装堆的有效增殖因数、燃料元件在堆芯内滞留时间、卸料燃耗、温度系数等主要物理特性。结果表明：采用纯铀和纯钚两种分离燃料球且铀燃料球循环时间更长的方案,平均卸料燃耗较高,总体性能较其他循环方式优越。     

球床式高温气冷堆的余热不确定性分析

反应堆在停堆后相当长时间内仍具有较高的剩余发热是核电站的重要特性,也是核电站安全分析的关键。因此,对反应堆余热及其不确定性进行分析,对于合理设计余热排出系统、研究论证燃料元件在事故后的安全特性等均具有重要意义。本工作结合德国针对球床式高温气冷堆制定的余热计算标准,介绍了球床式高温气冷堆剩余发热及其不确定性的计算方法,并结合200 MWe球床模块式高温气冷堆示范工程（HTR-PM）的初步物理设计,对长期运行在满功率平衡堆芯状态下的反应堆停堆后的余热及其不确定性进行了计算分析,为进一步的事故分析提供依据。     

MVP程序用于HTR-10首次临界的计算

使用MVP程序对10 MW球床式高温气冷堆(HTR-10)的首次临界进行计算。计算中根据HTR-10的特点,应用MVP程序的统计几何模型来描述燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯内的随机混合分布。使用JENDL-3.3数据库时,MVP程序的结果与VSOP程序和MCNP程序相比差别稍大,而使用ENDF/B-Ⅵ.8数据库时结果则非常接近。与首次临界实验结果相比,相对误差均小于0.7%。结果表明,MVP程序可以用于球床式高温气冷堆的堆芯物理计算。     

核数据对HTR-10和HTR-PM堆芯k_(eff)不确定性贡献的差别与机理分析

使用SCALE6.1程序中TSUNAMI-3D-K5模块,建立了10 MW球床高温气冷实验堆HTR-10和球床模块式高温气冷堆HTR-PM的完整三维堆芯模型,并采用其内置的44群协方差矩阵,分析了核数据不确定性对HTR-10及HTR-PM两种不同堆芯有效增值因子(keff)的影响。通过比较不同物质组成、不同堆芯状态下两种堆芯keff对不同核素、不同核反应的敏感性及不确定性,从机理上分析了核数据不确定性对HTR-10及HTR-PM两种不同堆芯keff不确定性贡献的差别。研究结果表明,堆芯尺寸不同导致中子泄漏不同、239Pu和235U物质比例不同及其平均裂变中子反应是造成两种堆芯keff不确定性差别的主要原因。     

球床模块式高温气冷堆失冷事故特性研究

利用高温气冷堆专用系统分析软件THERMIX程序,对球床模块式高温气冷堆(HTR-PM)失冷失压和失冷不失压事故的动态特性进行了研究,分析了堆芯功率、燃料最高温度及堆舱水冷壁余热载出功率等关键参数的变化过程,并对影响余热排出功率和燃料最高温度的不确定性进行了评价.研究结果表明,在失冷事故下,堆芯余热可通过热传导、辐射和自然对流等非能动方式传至最终热阱大气,燃料元件和压力容器等重要部件的最高温度均在设计限值内.这为HTR-PM保持模块式高温气冷堆固有安全性不变的同时实现单堆250 MW的功率方案奠定了基础,也为后续高温气冷堆电站示范工程进一步的深入设计研究提供了依据.     

基于γ测量的球床式高温气冷堆内乏燃料球探测方案的模拟分析

在球床式高温气冷堆中,对排出堆芯的乏燃料球的探测和数量统计是燃料监测的重要内容。按国际原子能机构针对球床式高温气冷堆核安保的要求,对于燃料装卸系统管道内的燃料监测应开发一种独立于现有涡流检测原理的新监测方案。本文提出了一种基于γ测量原理的新探测方案,设计了探测器构型,对其在堆稳态运行时的探测功能进行验证。结合球床式高温气冷堆HTR-10的燃料球放射性核素数据,及对不同球速不同燃耗的燃料球经过探测区域过程的蒙特卡罗模拟分析,验证了此方案对单个燃料球鉴别和计数的可靠性,同时证明了该方案对于燃料球球流探测的可行性,为今后该探测方案的完善和实际装置的制作提供了设计基础。     

350MW环型球床高温气冷堆失冷失压事故下的热工特性研究

由于环型球床高温气冷堆特殊的堆芯结构，使其在失冷失压事故下堆内最高温度能够明显低于模块式球床高温气冷堆在相同事故下堆内最高温度。当堆芯热功率有较大幅度提高时，环型堆芯仍然能够凭借自身传热机能将衰变热量及时排出，满足失冷失压事故下燃料最高温度限制。这不仅增大了反应堆的安全性能，同时也能够有效地增加反应堆单堆功率，使环型球床高温气冷堆在经济上更具竞争力。本文研究环型球床高温气冷堆在提高功率水平时，反应堆在失冷失压事故下堆内的热工特性，并综合分析了几个重要的结构尺寸热工参数对失冷失压事故下燃料最高温度的影响。     

基于CITATION-ORIGEN2球床堆平衡态计算程序的实现

基于确定论中子扩散软件CITATION和点燃耗软件ORIGEN2,编写了球床堆分析程序COBBLE,以实现指定燃料球加载策略下的球床堆平衡态燃耗计算。COBBLE程序采用谱区能谱修正方法,通过迭代求解得到球床堆堆芯平衡态参数。本文选取简化的球床模块高温气冷堆(PBMR)堆芯进行建模,计算其功率分布及燃耗分布,并使用基于蒙特卡罗方法的球床堆燃耗计算程序PBRE进行了验证与分析。结果表明,COBBLE程序适用于球床堆的平衡态燃耗计算。     

球床式高温气冷堆初次临界物理计算的蒙特卡罗方法模型分析

对HTR-10初次临界的几何模型进行了对比和分析,运用基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4．3程序描述了高温气冷堆的包缀燃料颗粒在燃料球内的随机分布以及燃料球和石墨球在堆芯的随机混合分布应用TRIPOLI-4．3对HTR-10进行了初次临界物理计算,并且与已有的MCNP4B的计算结果进行了比较结果表明：基于蒙特卡罗方法的MCNP4B和TRIPOLI-4．3程序,采用适当的几何描述方式可以用手球床式高温气冷堆的初次临界堆芯物理计算．     

高温气冷堆放射性总量计算程序研发与验证

堆芯放射性总量计算是核电站辐射防护设计、屏蔽计算和环境影响评价的基础。为进一步提高高温气冷堆堆芯放射性总量计算分析能力,自主研发了高温气冷堆堆芯源项计算程序NUIT,计算了HTR-10和HTR-PM堆芯内特定燃耗的燃料元件的放射性,并与KORIGEN程序的计算结果进行了对比。计算结果表明,NUIT程序可用于高温气冷堆堆芯放射性总量计算,并具有较好的计算精度和效率。     

HTR-10过渡过程的模拟方法

以10MW球床式高温气冷堆(HTR-10)实际运行数据为基础,利用高温气冷堆物理分析程序VSOP,对HTR-10的实际过渡过程进行模拟计算。模拟的思路是精确跟踪堆芯的功率历史和燃料装卸历史;描述不同时刻堆芯内物质组成的空间分布;确定燃料循环的详细模拟方案;根据控制棒位置历史加入适当的等效控制毒物;根据实际的热工水力学初始条件做热工反馈计算。     

球床堆卸料管中燃料效应的研究

介绍了球床式高温气冷堆卸料管中燃料倒料的模拟方法，并以１０ＭＷ高温气冷堆为实例，使用ＣＨＴＲＰ程序计算和分析了卸料管中燃料对反应堆物理及热工性能的影响，给出了卸料管中的功率分布及温度分布，这对进一步研究反应堆物理和安全分析是很重要的。     

高温气冷堆球形乏燃料处置策略及容量探讨

核电作为清洁高效能源形式,在使用时也带来了高放射性乏燃料妥善处置问题,而目前全世界只有不到1/3的乏燃料进行了后处理,与传统轻水堆乏燃料处理处置研究相比,高温气冷堆乏燃料相关研究更加匮乏。本文梳理了高温气冷堆乏燃料处置的情况,分析了直接整体处置、分离石墨处置及后处理燃料核芯处置三种处置策略,计算了高温气冷堆示范工程平衡堆芯后年产生乏燃料的容量,并进行了分析及优缺点比较。     

小型高温气冷堆的堆型方案比较

本文对模块式高温气冷堆的棱柱状和球床两种堆芯型式和一体化与肩并肩分置式两种总体设计方案分别进行了技术特点、设计制造、运行经验和安全性与经济性的比较,提出了在我国发展高温气冷堆的堆型选用原则和建议.     

HTR—10石墨球与燃料球均匀混合装料初装堆方案研究

分析了球床式高温气冷堆几种可能的初装堆方案的特点，选取石墨球与燃料球均匀混合作为１０ＭＷ高温气冷实验堆的初装堆方案。利用高温气冷堆物理设计程序ＶＳＯＰ进行计算，分析屯ＨＴＲ－１０从初始装料向平衡态过渡过程中的倒换料方式，最大单球功率及最大燃耗变化情况。     

先进的规则床模块式高温气冷堆概念

规则床模块堆是燃料球呈规则堆积的一种先进的模块式高温气冷堆设计。燃料球在平面上成正方形排列,四个球的中心是次一层球的位置,形成正四棱锥堆积。当燃料球落入被做成一定几何形状的堆芯空腔时,就自动形成规则堆积。燃料球可以从反应堆顶部装入和卸出,能够在较短的停堆时间内完成换料操作。规则床堆芯是一种密实体,具有很强的结构适应性和稳定性。在模块化设计中,保持非能动冷却和限制最高燃料温度的条件下,它能够提高输出功率和降低堆芯压降,同时还兼有球形燃料堆和柱状燃料堆的主要优点。本文介绍规则堆积床特性和预测规则床模块堆的设计性能。