钴调节棒在堆芯内的发热分析

2011-07-30梅其良付亚茹

原子能科学技术 2011年10期

梅其良，李亢，付亚茹

（上海核工程研究设计院，上海 200233）

60Co源衰变时放出1.33和1.17MeV的光子，其半衰期为5.27a，是一种很好的γ放射源，在工业、医疗及科研领域均具有很广泛的用途。目前，世界上钴源的生产主要使用研究堆或CANDU－6型重水堆。在一些西方国家，如美国、加拿大、英国等早已开始利用钴的中子特性制成调节棒来展平堆芯功率分布，同时附带生产放射性钴源，尤其是加拿大，如今世界上90%左右的放射性钴源由其供货，几乎垄断了世界钴源市场。秦山第三核电厂引进这一技术，将CANDU－6型重水堆中的不锈钢调节棒更换成钴调节棒，可利用59Co在堆芯吸收热中子发生（n，γ）反应产生60Co的特性，生产工业和医用放射性钴源。

由于钴调节棒和不锈钢调节棒几何结构的不同，以及钴芯块与不锈钢的吸收截面的差异，导致调节棒在堆内受到辐照产生的发热率发生了变化。本工作采用MCNP程序模拟秦山三期CANDU－6型重水堆堆芯（包括燃料、控制棒、调节棒、冷却剂和慢化剂等）的几何结构，研究不锈钢、钴芯块的发热率［1］，确保找出对发热贡献最大的钴调节棒，为进一步分析钴调节棒的温度场及慢化剂相应的热负荷提供输入数据，确保反应堆热工安全性。

1 调节棒设计变更情况

调节棒作为反应堆控制系统的重要组成部分，在原CANDU－6堆芯设计中由21根不锈钢材质的调节棒组成。在正常运行情况下，所有调节棒全部插入堆芯，用来展平堆内的功率分布。在换料机故障或反应堆降功率导致的氙毒积累等情况下，通过提出调节棒来引入正反应性。秦山三期CANDU－6型重水堆采用卧式的压力管式设计，共有380个燃料通道。调节棒在堆芯中间隔地插于两根排管之间的重水慢化剂中，与燃料通道呈垂直布置，其在堆内的具体位置如图1所示。

图1 秦山三期CANDU－6型重水堆堆芯内调节棒系统Fig.1 Adjustment system of CANDU－6core

21组不锈钢调节棒分成A、B、C、D等4种类型，其中，A、B、C型为长棒，其高度为12个栅格距（1个栅格距为28.575cm），D型为短棒，高度为4个栅格距。原不锈钢调节棒采用薄壁钢管式的设计，轴向中间部分（inner）和两端部分（outer）管壁厚度不同。调节棒装置除了调节棒外还包括导向管等主要部件，导向管为开了疏水孔的Zr－2合金管。

与原不锈钢调节棒薄壁钢管式的设计不同，新设计的钴调节棒采用了由钴棒和锆棒组成的束棒型设计，通过调整束棒型钴调节棒中钴棒和锆棒的棒数，来调整不同位置的调节棒价值。类似于不锈钢调节棒，钴调节棒也分为A、B、C和D 4种类型。为保持与原设计的不锈钢调节棒的中子吸收特性一致，各类型的钴调节棒具有不同的钴单棒装载量，且某些调节棒在轴向也具有不同的钴单棒装载量，分别以两端为outer和中间为inner表示（表1）。各种钴调节棒棒束结构［2］如图2所示。

表1 各类型钴调节棒Table 1 Type of cobalt adjusters

图2 各种钴调节棒径向结构简图Fig.2 Radial layout of different cobalt adjusters

2 计算模型与假设

2.1 计算程序

由于21组调节棒在堆芯中的位置不同，导致其在堆芯内所受到的辐照水平也不同，为找出发热率最大的调节棒，必须用具有三维几何模拟功能的程序来模拟全堆芯中燃料、控制棒和调节棒等结构，本工作选择MCNP程序。MCNP程序可用于计算中子、光子及中子－光子耦合的输运问题，也可计算临界系统（包括次临界和超临界）的本征值问题。MCNP使用精细的点截面数据，考虑了ENDF／B－Ⅵ库给出的所有中子反应类型。

2.2 几何建模

从理论上，几何模拟越真实，计算结果也越接近真实值。然而，对于蒙特卡罗程序，仿真程度越高，模型参数越多，计算所需的栅元数（程序模拟的实体个数）也越多，这给程序计算带来了复杂性，会耗费大量机时。因此，怎样取得最优，即在不用耗费大量机时的情况下能得到最接近真值的近似解，就成为运用蒙特卡罗程序进行数值模拟计算需解决的重要问题。

在模拟计算秦山三期CANDU－6型重水堆堆芯时，在尽可能反映堆芯实际结构和实际运行工况的前提下，在计算时间和计算精度许可的范围内，描述了堆芯内包括调节棒等各部分的详细结构和运行条件。

对全堆芯进行了如下描述：1）针对全堆芯结构进行了整体描述，对每组燃料棒束及其在堆芯中的分布，对各种导向管、压力管、排管、排管容器及端部屏蔽等的几何结构和尺寸，以及燃料元件、燃料元件包壳、慢化剂和冷却剂等的材料成分均进行了详细描述，全堆芯描述示于图1，钴调节棒结构示于图2，单个燃料通道示于图3，调节棒和液体区域控制系统在堆芯中的相对位置示于图4；2）对区域水位控制系统进行了几何结构及材料成分的详细描述；3）针对原来的21根不锈钢调节棒进行了几何结构和材料成分的详细描述；4）针对设计的21根钴调节棒进行了几何结构和材料成分的详细描述；5）对其它相关几何模型和物理条件进行了描述。

图3 单个燃料通道截面图Fig.3 Section drawing of single fuel tube

图4 调节棒和液体区域控制系统在堆芯中的相对位置Fig.4 Relative location of adjusters and liquid control system in reactor core

3 数值模型的基准校验

3.1 反应性校算

为了检验所建立的秦山三期CANDU－6型重水堆堆芯数值模拟模型的准确性和可靠性，参考CANDU－6堆芯物理设计手册［3］进行了一些基准问题（反应性价值）的计算，并将计算结果与文献［3］中提供的参考值进行了比较，结果列于表2。

根据校算结果，验证了全堆芯数值模型的准确性和可靠性，为进一步进行通量和发热率分析计算提供了很好的基础条件。

表2 反应性价值的校算Table 2 Checkout of reactivity value

3.2 区域发热率校算

根据秦山三期CANDU－6型重水堆全堆芯三维结构的MCNP数值模型，运用MCNP程序进行计算，得到调节棒分别为不锈钢调节棒和钴调节棒时，堆芯燃料元件、燃料元件包壳、冷却剂、压力管和燃料组件排管等的中子、光子总发热，结果列于表3。

表3 堆芯内部中子和光子总发热Table 3 Total heat of neutron and gamma in reactor core

从表3可看出，全堆芯数值模拟的燃料元件等总的中子、光子发热与AECL辐射发热报告［4］计算结果很接近，这进一步说明了该模型的准确性和可信性。在此基础上，将不锈钢调节棒替换成钴调节棒进行了钴调节棒中子、光子发热率的计算。

4 发热率计算和结果

21组调节棒在堆芯内的相对位置示于图5。从图5可见，除11号调节棒位于堆芯中心位置没有对称的调节棒外，其它位置均有对称布置的调节棒。在对称位置，调节棒的光子和中子注量是相同的。由于采用MCNP计算时，不仅对全堆芯几何进行了模拟，且需计算直径仅为0.622cm钴调节棒的发热率。为了得到精确结果，达到满意的统计误差，在MCNP程序计算中，把对称位置的调节棒分类联合统计，分类方法列于表1。