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。     

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(k_inf)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。     

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。     

长寿期小型棒控压水堆控制棒方案研究

小型棒控压水堆舍弃了可溶硼,并高度依赖控制棒与可燃毒物棒控制堆芯的反应性。为研究控制棒对堆芯关键性能的影响,本文以核动力破冰船用KLT-40模型为对象,以轴向功率偏移、堆芯寿期、燃料利用率与径向功率峰因子为指标,开展长寿期小型棒控压水堆控制棒布置与动作策略设计分析。首先,基于OpenMC程序开发带棒燃耗程序;其次,比较堆芯带控制棒与无控制棒运行时的堆芯寿期等指标;最后,分析不同动作策略对轴向功率偏移等指标的影响。结果表明：控制棒将堆芯寿期从590 EFPDs（等效满功率天,Effective full power days）延长至650～698 EFPDs;低价值棒组优先动作策略使轴向功率偏移程度由-0.69与+0.80分别下降至-0.29与+0.52。因此,要准确计算长寿期压水堆寿期必须采用带控制棒燃耗计算策略,并且通过合理的动作策略能够有效减小控制棒带来的轴向功率偏移。     

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。     

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。     

百万千瓦级压水堆核电站长燃烧堆芯钆可燃毒物优化研究

对百万千瓦参考核电站长燃耗堆芯采用的可燃毒物含量与堆芯燃料管理主要结果进行分析研究。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据的进行了计算，给出了组件无了增殖因子随燃耗的变化关系，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。     

改进双排棒组件超临界水堆堆芯设计

为了提升堆芯性能,本文对现有的双排棒组件设计及堆芯设计方案进行了优化,并利用超临界核热耦合计算平台评估了优化后的方案。在组件设计中,为了减少寿期末堆芯中可燃毒物残余,优化了组件中可燃毒物棒的位置及可燃毒物含量。在堆芯设计中,为了延长堆芯寿期、降低包壳温度,对堆芯给水分配方案、换料方案及控制棒方案进行了一系列的优化。耦合计算结果表明,改进后的堆芯设计方案满足设计准则,堆芯寿期、卸料燃耗和包壳温度等参数均优于原方案。     

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。     

反应堆堆芯积存量算法比较

对压水反应堆分别采用反应堆平衡循环寿期末和燃耗包络两种计算方法计算堆芯积存量,对比结果的差异。结果表明:各种核素受计算方法的影响程度不同,^83mKr、¹³⁵Xe和¹³⁸Cs等10余个核素受影响较大,燃耗包络法计算结果更为保守,其余核素受影响较小。核素放射性活度随着反应堆运行时间的增长可分为核素活度逐渐增加、核素活度先增大后趋于稳定、核素活度逐渐减小和核素活度先增大后减小等不同的变化规律。     

Multi-recycling in the ENHS and the equilibrium core

This work investigates the effect of initial fuel composition, power density and number of recycles on the pitch-to-diameter (P/D) ratio and TRans-Uranium isotopes (TRU) loading required for attaining one of the most important design goals of the Encapsulated Nuclear Heat Source (ENHS) – nearly zero burnup reactivity swing over the 20 years of core life. It is found that the required P/D ratio is sensitive to, primarily, the initial concentration of the short-lived isotope ²⁴¹Pu in the fuel loaded into the first core and to the core power density. The longer is the cooling time of the TRU from LWR spent fuel the smaller becomes the relative ²⁴¹Pu concentration and the smaller becomes the fraction of ²⁴¹Pu lost via radioactive decay and, hence, the smaller needs be the conversion ratio required for nearly zero burnup reactivity swing and the larger can be the P/D ratio. Likewise, the higher is the ENHS power density, the smaller becomes the fraction of ²⁴¹Pu lost via radioactive decay and the larger becomes the P/D required for the first core. The optimal P/D ratio tends to increase with the number of times the fuel is recycled from one ENHS core to the next one. The optimal P/D ratio for the equilibrium composition core is in between 1.53 and 1.59. For a given discharge burnup it tends to somewhat increase with the equilibrium core power density. However, if structural materials will be developed to enable a 20 years core life at elevated power densities, the higher the power density the smaller is the required equilibrium P/D ratio.     

Simulation study on candle burnup applied to block-type high temperature gas cooled reactor

The CANDLE burnup is a new reactor burnup concept, where the distributions of fuel nuclide densities, neutron flux, and power density move with the same constant speed along the core axis from bottom to top (or from top to bottom) of the core and without any change in their shapes. It can be applied easily to a block-type high temperature gas cooled reactor (HTGR) using an appropriate burnable poison with a high neutron absorption cross section mixed with uranium oxide fuel. In this study, natural gadolinium is used as burnable poison. In the present paper, the simulation of the burnup for the steady state and the startup is performed.

For the steady state simulation with direct solutions of steady state nuclide densities as inputs, the difference between the results of the steady state analysis and the simulation analysis is very small. It confirms that the steady state analysis is correct. When the initial core is constructed from easily available nuclides, the simulation result gives a reactivity change of 1.7% at a burnup time of 0.7 years.     

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。     

Small PWR Using Coated Particle Fuel of Thorium and Plutonium

An innovative concept of PFPWR50 for district heating has been studied, which is a small PWR of 50MWt capability using coated particle fuels with conventional zircaloy cladding. This concept takes advantages of fuel integrity against fission products release of coated particle fuels and a high reliability of PWR technology based on the long history of a successful operation. We have investigated burnup characteristics of fuel rods, assemblies, and reactor cores by the calculation code SRAC95 in order to establish a core concept of long life without on-site refueling. The loading pattern of assemblies with various concentrations of burnable poison is optimized to obtain a flat excess reactivity during the core life in order to eliminate a soluble boron control system. The core life of a cycle is about 8.9 equivalent full power years. And we have also studied the applicability of SiC/SiC composite cladding in place of zircaloy cladding, which is now under development for gas cooled fast reactor fuels. It could be applicable to high burnup fuel rods for a long term operation. From the calculation results, it is found out that the burnup characteristics do not change significantly with SiC cladding and contribute to elongate the core life to 9.2 equivalent full power years.     

压水堆堆芯换料设计优化的研究

讨论压水堆堆芯换料设计优化问题，并研制一套实用的换料优化软件包，可用于低泄漏、外－内和改进的外－内装料方案的优化。在低泄漏方案优化时，利用哈林原理将燃料组件布置与可燃毒物配置的优化问题脱耦成两步优化问题。先用线性规划方法进行无可燃毒物时燃料组件布置的优化，然后再用可变容差法寻找可燃毒物的优化布置。应用该软件对秦山核电厂首次难芯换料方案进行了优化，提出了可供参考的一些优化布置方案。     

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。     

颗粒可燃毒物空间自屏效应分析研究

可燃毒物被布置于反应堆堆芯中以控制堆芯剩余反应性,颗粒可燃毒物由于空间自屏效应而具有区别于常规均匀弥散可燃毒物的特性,同时颗粒可燃毒物可以增加可燃毒物的使用自由度,通过调整可燃毒物类型、可燃毒物颗粒尺寸以及可燃毒物体积份额以实现堆芯反应性的长期和平稳控制。本文重点研究颗粒可燃毒物的颗粒尺寸对系统反应性以及颗粒内有效核素核子密度变化规律的影响,并解释颗粒可燃毒物由于空间自屏效应而产生的"洋葱"效应,同时对比分析了多种常见可燃毒物不同颗粒尺寸下的中子学规律,对颗粒可燃毒物用于堆芯反应性控制具有重要的指导意义。