工业加速器驱动次临界嬗变堆的设计分析

周生诚，吴宏春，郑友琦，李勋昭，何明涛

（西安交通大学 核科学与技术学院，陕西 西安 710049）

分离-嬗变技术是解决乏燃料中高放长寿命核素后处理和储存问题的有效途径之一。作为专用嬗变装置之一，加速器驱动次临界系统（ADS）具有次临界安全、能谱较硬等优点，有利于高放长寿命核素的嬗变。在ADS的概念设计方面，美国提出了加速器嬗变废物系统（ATW）［1］，欧 洲 提 出 了 工 业 铅 冷 嬗 变 装 置（EFIT）对次锕系核素（MA）进行嬗变［2］，日本对铅铋冷却800 MWt的加速器驱动嬗变装置进行了设计研究［3］，韩国提出了加速器驱动铅铋冷却嬗变系统（HYPER）［4］。在国内，清华大学对加速器驱动铅铋冷却快堆嬗变MA 进行了相关研究［5］，核工业西南物理研究院对工业用铅冷加速器驱动次临界系统进行了初步概念设计［6］，中国科学院核能安全技术研究所对加速器驱动核废料嬗变次临界堆进行了初步设计分析［7］，西安交通大学对加速器快-热耦合驱动次临界系统进行了相关研究［8］。

为在可行的技术条件下实现MA 的高效嬗变，本文首先对燃料组件进行详细设计，选择适当的燃料组分比例和燃料棒栅距直径比用以优化堆芯的物理和热工性能，然后对ADS突出的径向功率展平问题进行研究，通过比较3种展平方法，将表现稳定且通用的堆芯分区惰性基质布置方法作为径向功率展平方法，并提出最终的优化方案。

1 计算方法和设计

本文的设计研究主要采用自主开发的加速器驱动次临界堆芯稳态分析程序LAVENDER［9］，其中，散裂靶外中子源由高能粒子输运程序MCNPX［10］计算得到，表示为具有空间分布的少群体源。堆芯中子学分析基于确定论的两步法和全堆燃耗计算，均匀化截面参数由组件程序SRAC［11］产生，堆芯输运计算采用基于三棱柱网格的离散纵标节块输运程序DNTR［12］，计算有外源及无外源两种情况，并根据有外源时的堆芯功率分布采用自主开发的线性链解析燃耗计算程序［13］进行全堆燃耗计算。进行堆芯热工水力学分析时，将每个燃料组件视为一个独立的通道，不考虑通道间的热量和流量搅混，采用平行多通道分析模型。

ADS主要由质子加速器、散裂靶和次临界堆芯3部分构成。在该设计中，采用直线质子加速器驱动次临界堆芯运行，质子束能量为1.5GeV，加速器提供的最大束流为20 mA。散裂靶利用液态铅铋合金（LBE）作为散裂材料，并采用无窗设计。堆芯采用金属弥散体燃料（TRU-10Zr）-Zr以缓解深燃耗时金属燃料的肿胀现象。冷却剂采用LBE，为缓解LBE对包壳和结构材料的腐蚀和冲蚀作用，冷却剂最大流速不超过2.0m／s。包壳和结构材料采用低肿胀不锈钢HT-9，相应的LBE 冷却剂的最高温度不超过600℃。堆芯采用紧凑的六角形组件结构，中心处的7个组件位置用以安放散裂靶装置，燃料组件156 根，堆芯活性区外围LBE反射层和B4C 屏蔽层。堆芯的热功率为800 MWt，循环初始有效增殖因数（keff）为0.97。堆芯的冷却剂入口温度为300 ℃，出口温度为450℃。为保证堆芯内各组件通道的冷却剂出口温度分布均匀，在组件入口处安装节流装置，调整堆芯内冷却剂流量的分配，使各组件的冷却剂流量与功率密度相匹配。

2 系统设计的参数选择

2.1 燃料组件设计

1）燃料组分中MA 和Pu的混合比例

堆芯的循环反应性变化及嬗变率取决于燃料中MA 和Pu的混合比例，为得到适宜的混合比例，进行下述研究。这里，Pu 在TRU 中的质量份额称为Pu的富集度。

不同Pu富集度下堆芯keff随时间的变化如图1所示。随着Pu富集度下降，keff下降的斜率降低，当Pu富集度低于28%时，keff开始随时间上升。对于Pu富集度为28%的情况，堆芯keff在初始循环几乎不变。

图1 不同Pu富集度下keff随时间的变化Fig.1 Variation of keffwith time at different Pu enrichments

由于该设计方案的主要目的是嬗变MA，在次临界堆芯中裂变或增殖Pu的成本明显高于临界快堆，因此理想情况下在次临界MA 焚烧堆中Pu 的质量应近似保持不变。本研究中，嬗变率定义为嬗变掉的核素质量与初始装载核素质量之比。在不同Pu 富集度下，MA和Pu的嬗变率如图2 所示。当Pu富集度约为39%时，循环过程中Pu的质量近乎不变，但相应的循环反应性变化却大于4 000pcm。

图2 MA 和Pu的嬗变率随Pu富集度的变化Fig.2 Transmutation rates of MA and Pu vs Pu enrichment

综合考虑反应性变化和Pu 质量变化，本研究中Pu富集度选为34%。

2）燃料棒的栅距直径比

在燃料组件设计时，燃料棒的栅距直径比P／D 是影响堆芯中子学和热工水力性能的重要参数。本研究中，保持燃料棒的栅距不变，通过调节燃料棒的直径来实现不同的P／D，并调节燃料中惰性基质Zr的质量份额使堆芯初始keff＝0.97，进而对堆芯的性能表现加以分析。

质子束流及三维功率峰因子随时间的变化如图3所示。从整个初始循环来看，P／D 较大的堆芯所需的质子流较强，对加速器性能的要求较高。随着P／D 增大，堆芯的三维功率峰因子下降，同时，燃料组件中冷却剂体积份额增大，使得堆芯的冷却能力提高。因此，在堆芯冷却剂入口和出口温度相同的条件下，随着P／D 增大，堆芯内冷却剂的最大流速下降，如图4所示。尽管由于P／D 较大时燃料棒直径较小，燃料中心温度有所上升，但仍远低于燃料熔化温度。

为保证堆芯初始keff＝0.97，P／D 较大的堆芯装载的TRU 质量较小。尽管随着P／D增大，初始循环Np 和Am 的消耗量以及Cm的增加量稍有减小，考虑到TRU 的初始装载量，MA 和TRU 的嬗变率随着P／D 增大而增大，如图4所示。

图3 质子束流及三维功率峰因子随时间的变化Fig.3 Variations of beam current and 3Dpower peak factor with time

图4 堆芯内冷却剂最大流速及TRU 嬗变率随P／D 的变化Fig.4 Maximum coolant velocity and transmutation rate vs P／D

随着燃料棒直径减小，即P／D 增大，ADS堆芯对于加速器性能的要求有所提高，但MA的嬗变率和堆芯的冷却能力有明显提高，堆芯内冷却剂最大流速下降显著，同时考虑到燃料棒的机械性能要求和制造工艺，燃料棒直径选为6.6mm，相应的P／D 为1.61。最终燃料组件设计参数列于表1。

表1 燃料组件设计参数Table 1 Design parameters of fuel assembly

2.2 径向功率展平

通常由于中心强外源的存在，ADS的堆芯径向功率峰高于临界堆。而为弥补随时间下降的反应性和保证堆芯输出功率不变，散裂中子源的强度一般随时间增强。因此，ADS中随着燃耗加深，径向功率峰会更加严重。为了展平径向功率分布，在快堆设计中通常采用分区装载不同富集度燃料的方案。分区装载可通过不同燃料棒直径、不同惰性基质份额或不同MA／Pu混合比例的方式实现。本文在两区装料的基础上对比了上述3种分区装载方案，其中保证内区和外区Pu的装载质量比为1∶3 以实现在循环初类似的展平功率分布，两区堆芯布置示于图5。3种分区装载方案的详细设计参数列于表2。

图5 两区装料的ADS堆芯布置Fig.5 Core layout of two-zone fuelled ADS

图6为3种分区装载方案的最高线功率密度及最大冷却剂流速随时间的变化。对于3种不同的分区装载方案，堆芯的初始最高线功率密度很接近，但对于Case1采用的不同MA／Pu混合比例装载方案，最高线功率密度随时间显著上升，在循环末时达到42.78kW／m。相应地，为保证出口温度在燃耗过程中不变，堆芯内冷却剂的最大流速，即功率峰所在组件所需的冷却剂流速随之增大。造成这种现象的主要原因是循环初时由于外区装载较多的易裂变核素Pu，可缓解径向功率峰，随着燃耗进行，内区中装载较多的MA 特别是237Np 转化为易裂变的238Pu，而外区中的Pu随燃耗消耗，装载较少的MA 转化为Pu的量有限，加之外源强度随燃耗而增强。因此，不同MA／Pu混合比例装载方案几乎不可行。

表2 3种分区装载方案的设计参数Table 2 Design parameters of three different zone-loading schemes

图6 3种分区装载方案的最高线功率密度及最大冷却剂流速随时间的变化Fig.6 Variations of peak linear power density and maximum coolant velocity with time

Case2和Case3中的展平功率分布随着循环几乎不变。考虑到在多次回收循环中，通常通过调整初始几个循环中燃料的惰性基质份额来降低循环反应性变化［3］，因此不同惰性基质份额装载的径向功率展平方法更具通用性，在最终设计方案中将采用该展平方法。

2.3 最终设计方案

基于以上参数选择研究，本文提出一种三区装载的ADS设计方案，如图7所示，从内到外各区的惰性基质Zr 的质量份额分别为61.79%、52.62%和43.45%。堆芯keff、源增殖因数（ks）及所需质子束流随时间的变化如图8所示。堆芯的反应性变化约为1 300pcm／a，循环末的最大质子束流不超过20 mA。经过初始循环，嬗变掉超过500kg的MA，而只增殖50kg的Pu，如图9所示。MA 总的嬗变率为328.8 kg／a。从循环初（BOC）到循环末（EOC）径向功率分布得到较好的展平，最高的径向功率峰因子不超过1.25（图10）。

图7 最终设计方案的示意图Fig.7 Diagram of final design scheme

图8 堆芯keff、ks及所需质子束流随时间变化Fig.8 Variations of keff，ksand beam current with time

图9 堆芯内重核素质量变化Fig.9 Variaiton of mass of heavy metal with time

图10 循环初和循环末堆芯径向功率分布Fig.10 Power distributions at beginning and end of fuel cycle

3 结论

本文提出一种工业加速器驱动次临界嬗变堆设计方案对MA 进行嬗变，在燃料组件设计及堆芯径向功率展平研究的基础上，得到了最终三区装载的优化设计方案。在最终的设计方案中，所需最大质子束流小于20 mA，径向功率在整个循环过程中得到较好的展平，MA 的嬗变率达到328.8kg／a。

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