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。     

三区非均匀栅元X-Y几何块方法中子输运计算

基于中子积分输运理论,应用综合界面流和碰撞几率技巧的块方法,导出了处理三区非均匀栅元结构的二维（Ｘ－Ｙ）几何多群中子输运问题的数值模型。即对于由若干栅元组成的按Ｘ－Ｙ几何排列的堆芯结构,对每一类栅元剖分为圆柱形元件（如燃料棒、控制棒、可燃毒物棒等）、包壳和慢化剂三个均匀区,用碰撞几率（ＣＰ或ＰＩＪ）方法计算各区的中子通量分布;对于相邻栅元用ＤＰ１近似的中子流来耦合;因此,块方法具有精度高、速度快、能灵活处理各种几何问题的优点,是目前动力堆组件计算最有前途的方法之一。基于块方法基本理论,发展了三区栅元模型,导出了计算方法,编制了ＦＯＲＴＲＡＮ计算机程序。为验证其精度和适用性,对两个例题进行了计算,并与其它程序的计算结果进行了比较,证明功率分布和本征值均符合较好。     

燃耗信任制中可燃毒物对乏燃料反应性的影响分析

以压水堆(PWR)常用的可燃毒物棒(BPRs)为研究对象,定性分析了组件燃耗过程中不同类型的BPRs对燃料组件反应性的影响,为基于燃耗信任制的乏燃料贮存系统临界安全分析保守参数的选取提供参考。分析表明,在组件燃耗过程中含有BPRs时,忽略含钆毒物可使临界分析结果保守,而必须考虑涂硼燃料元件(IFBA)、湿式环状可燃毒物棒(WABA)、硼玻璃可燃毒物棒(PYREX)等对乏燃料反应性的影响。     

IFBA/WABA可燃毒物元件的燃耗特性分析

针对AP1000反应堆采用的燃料元件表面涂硼毒物(IFBA)和湿式环状可燃毒物棒(WABA),分别采用蒙卡程序MCNP5和组件均匀化计算程序CASMO构建含可燃毒物的燃料组件计算模型,基于MCNP5分析了可燃毒物棒布置方式及数目对组件初始k_(inf)、局部功率分布的影响;基于CASMO分析了不同类型可燃毒物组件的燃耗特性。结果表明:在燃料表面涂硼作为可燃毒物具有良好的燃耗跟踪特性,燃耗寿期内k_(inf)变化较小且几乎没有残留;同时将含IFBA毒物燃料元件交叉布置可获得较小的组件初始k_(inf)值,并能更好地展平组件局部功率分布,但随IFBA涂层变厚,组件k_(inf)的变化率逐渐变小,但温度系数绝对值呈上升趋势。     

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。     

先进中子学栅格计算程序KYLIN-Ⅱ共振计算基准验证

针对先进栅格计算程序KYLIN-Ⅱ的共振计算模块,开展了多个基准题数值验证,包括单栅元、IAEA板型燃料组件、钍基组件、多层套管型燃料组件、带可燃毒物的燃料栅格、带中心大水腔的超临界水堆燃料栅格、AFA3G含钆燃料组件基准题。验证结果表明,本文的共振计算模块适用于棒栅元方型组件、板型燃料组件、六角形组件等几何结构较复杂的问题,同时可以正确计算含有铀、钍、毒物等复杂材料的共振问题,满足未来工程使用的需求。      

不同燃耗步长对KYLIN-Ⅱ软件kinf计算结果的影响分析

KYLIN-II软件基于改进预估修正方法进行临界燃耗迭代求解。本文针对压水堆纯UO₂燃料组件、含硼可燃毒物的UO₂燃耗组件和含钆可燃毒物的UO₂燃料组件,使用KYLIN-II软件,分析了不同燃耗步长对组件无限增殖系数k_inf计算结果的影响。通过比较分析,对于不同类型的燃料组件,给出了适合的燃耗步长选取,使其可以获得较高的计算精度。      

CELL程序及其应用

介绍了ＣＥＬＬ程序的理论模型及其应用。ＣＥＬＬ程序采用碰撞几率方法求解多层圆环几何中的积分输运方程，得到中子能谱和栅元少数参数。对于燃料棒栅元和可燃毒物棒栅元，本程序计算的Ｋ∞与ＷＩＭＳ－Ｄ／４相应值的偏差分别为０．０２４％和０．２３％。利用ＣＥＬＬ程序计算ＨＦＥＴＲ堆各类栅元的参数，用ＣＩＴＡＴＩＯＮ程序计算的５个零功率临界实验堆芯Ｋｅｆｆ与测量值的偏差〈０．５％。ＨＦＥＴＲ堆首炉堆芯冷态和热态     

三维六角形组件压水堆堆芯燃料管理计算及程序系统研究

介绍所研制的WWER型压水堆堆芯燃料管理计算程序系统TPFAP-H／CSIM-H，六角形组件均匀化计算程序TPFAP-H是在压水堆正方形组件程序TPFAP的基础上，采用穿透概率法与响应矩阵方法相结合计算六角形组件内中子能谱分布，并考虑六角形栅元特点改造开发而成的CSIM-H是以先进六角形节块扩散程序为基础．参照SIMULATE程序功能而研制的物理-热工水力耦合的三维六角形节块PWR堆芯燃料管理程序两者通过接口程序LINK连接起来，可以考虑燃耗，功率、慢化剂密度变化．控制棒、氙等参数的多种反馈效应对IAEA的WWER-1000型Kalinin核电厂基准问题的校算的结果表明，临界硼浓度、功率和燃耗分布等结果与国际各研究机构的结果吻合良好，偏差均在工程要求之内。     

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。     

耐事故燃料双重非均匀性RPT方法研究

采用体积均匀化方法计算含有弥散燃料或弥散可燃毒物的双重非均匀性的系统会带来一定的计算偏差。传统反应性等效物理变换方法(Reactivity-equivalent Physical Transformation,RPT)可以用来处理弥散燃料以及吸收截面随燃耗变化不剧烈的可燃毒物,但对于硼等吸收截面随燃耗变化剧烈的可燃毒物,传统RPT方法也会带来较大的计算偏差。本文对新型RPT方法进行了初步探索,使其不仅适用于传统RPT方法适用的弥散燃料和弥散可燃毒物类型,也适用于硼等吸收截面随燃耗变化相对剧烈的可燃毒物,为RPT方法的扩展和应用提供思路和借鉴。     

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。     

蒙卡燃耗计算程序的工程开发研究

分析了反应堆设计中燃耗计算程序的基本功能需求,指出了相关功能在传统确定论中的实现方式并不适用于蒙卡燃耗计算程序,针对蒙卡燃耗计算程序MOI精确组合几何与复杂燃耗链的特点,为MOI程序开发了应用于燃料/可燃毒物燃耗功能的混合燃耗模式,采用更精确的体移动实现调棒临界功能,同时还开发了复杂燃耗链下的再启动功能,初步实现了蒙卡燃耗计算程序MOI在工程上的可用性。     

大亚湾核电站可燃毒物组件处置

可燃毒物组件是反应堆首次装料中使用的含有可燃中子吸收剂组件,第1个燃料循环终了换料时被卸出,以后不再使用。大亚湾核电站每台机组有可燃毒物组件68组,为束棒结构,长3961.2 mm,每根棒由含硼玻璃封入不锈钢管中组成,每组为24根可燃毒物棒、阻力塞棒固定于160.4 mm×160.4     

用于六角形组件均匀化的不规则栅元等效方法及其数值验证

为了简化六角形组件的均匀化过程,提高均匀化方法对组件几何形状的适应性,提出一种简单、有效的六角形组件不规则栅元等效方法,即在保证各种成份质量不变的条件下,将元件盒及边界水隙等不规则栅元等效成均匀、规则的六角形栅元.数值计算结果表明,该方法能够准确预测组件反应性及功率分布随燃耗的变化.     

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。      

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。     

硼或浓缩硼-10在UO2中的用途

本发明提供一种核燃料组件，其中含硼化合物用作可燃毒物且分布在该组件的大多数棒内。该组件包括多个燃料棒，每一燃料棒含有多个核燃料芯块，其中，在燃料组件内大于50％的燃料棒中至少有1个燃料芯块包括金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物和含硼化合物的烧结混合物。     

硼或浓缩硼-10在UO2中的用途

本发明提供一种核燃料组件，其中含硼化合物用作可燃毒物且分布在该组件的大多数棒内。该组件包括多个燃料棒，每一燃料棒含有多个核燃料芯块，其中在燃料组件内大于50%的燃料棒中至少一个燃料芯块包括金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物和含硼化合物的烧结混合物。     

弥散颗粒对中子学计算影响的初步分析

弥散颗粒燃料是一种先进的燃料元件形式,双重非均匀性是它的固有特性。本文基于弥散型燃料,使用MCNP程序对不同燃料颗粒直径、燃料富集度、燃料相体积、可燃毒物颗粒直径和可燃毒物类型的板栅元进行了分析,研究了双重非均匀性对中子学计算的影响,指出双重非均匀性在一定的尺寸下,对于纯燃料芯体板栅元影响较小,对含有弥散可燃毒物的板栅元影响较大,在反应性计算、临界安全分析时必须加以考虑。