使用CARR乏燃料的游泳池式研究堆概念性设计

黄韡　刘天才　安伟健　吴晓春

摘 要：中国先进研究堆（CARR）采用235U富集度（质量分数）为19.75%的U3Si2-Al弥散体做燃料芯体﹑铝合金做包壳的平板型燃料组件。按照目前的运行计划，CARR每年产生约40盒乏燃料组件，平均卸料相对燃耗为32%～33%，低于卸料燃耗限值（70%），因此，CARR乏燃料组件可直接再利用。该工作采用CARR乏燃料组件构建CARR乏燃料反应堆，优化选择临界运行的堆芯物理方案，并对设计参数进行优化。

关键词：CARR 游泳池式研究堆 方案设计

中图分类号：TL24 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）01（c）-0081-02

CARR堆采用235U的富集度为19.75 wt%﹑含铀密度为4.3 g/cm3的U3Si2-Al弥散体作为燃料芯体﹑铝合金作为包壳的平板型燃料组件。CARR的平均卸料燃耗约为32%，乏燃料中的235U富集度超过10 wt%，远高于核电厂初始装料的富集度，甚至接近于某些研究堆初始装料的富集度。而对CARR燃料芯体进行的堆内辐照考验结果表明，在相对燃耗达到70%时，芯体的各项性能指标仍能满足安全要求。在CARR的高温、高功率条件下，该燃料已不能使堆芯临界，但如果在池式堆常压、低功率的条件下，乏燃料仍具有足够的反应性使堆芯临界，因此，可以建造乏燃料池式对CARR乏燃料加以利用，用以替代已经退役的101重水堆以及即将退役的49-2游泳池式反应堆。文章探讨了使用CARR乏燃料的游泳池式反应堆核设计的某些特点，从而阐明CARR乏燃料泳池堆的可实现性。

1 CARR乏燃料特性

CARR堆内燃料组件分为3区。第1、2区各有8盒标准燃料组件，第3区包括4盒控制棒跟随体燃料组件和1盒标准燃料组件。CARR堆芯达到平衡态后，其换料周期为50个满功率天。预计每年运行120个等效满功率天，则每年从堆芯内卸出的乏燃料约40盒左右。对CARR标准燃料组件栅元内的重核素进行燃耗分析，标准组件在堆内运行50个满功率天后卸出，冷却衰变3年后加以使用，此次设计中对1、2区燃料均有使用，由于两者燃耗深度不同，分区布置有利于展平堆内功率密度分布。其中的1区乏燃料主要重核素成分见表1。

2 堆芯方案设计

此工作给出了3种堆芯布置方案如图1、2、3所示，3种方案分别布置了16盒、24盒、27盒燃料组件以及4、4、6根控制棒，且均为中心对称布置，轻水作为慢化剂及冷却剂，采用铍反射层布置在燃料外部空间，以提高反射层中的热中子注量率，减少堆芯临界體积。控制棒选择与CARR堆相同的铪材料，但为了避免换料时的复杂性，并未使用CARR堆使用的跟随体控制棒，跟随体燃料部分用铝块代替。方案1中预留孔道用铝块填充，方案2、3中用水通道填充，图中，1为控制棒，2为CARR 2区燃料，3为CARR 1区燃料，4为铝块，5为水通道，Be为Be反射层。

通过对以上各方案在不同状态下的临界计算，得到的临界参数如表2所示，其中卡棒准则下停堆深度是按照价值最大的一组控制棒卡在堆外考虑的。

3 方案优选

通过以上数据可以看出，方案A具有最小的临界体积以及最高的中子注量率，但是由于只使用了16盒燃料组件，初始反应性很低，仅为7.59，此设计堆芯循环长度小，且在实际应用中还需放入靶件，导致反应性进一步降低。方案B中将燃料组件盒数增加到了24，反应性相较方案A有了极大的提高，但在引入了反应性的同时并没有增加控制棒的数目，不满足卡棒准则，不满足设计要求。方案C中使用了27盒燃料组件以及6根铪控制棒，满足临界参数设计要求，但因为堆芯临界体积较大的缘故，虽然将燃料尽可能地放置于堆芯，将孔道布置在反射层中，但中子注量率对比与方案A仍然较低。

最终选取方案C作为优选方案。

4 优选方案中子注量率计算

对于辐照应用空间主要布置在铍反射层中的研究堆，铍反射层中热中子注量率是评价其性能的主要指标。在反应堆热功率为15 MW的条件下，各方案堆芯活性区外中心轴平面上沿径向的中子注量率分布示于表3。

由于堆芯对称布置，仅给出方案C堆芯的4分之1中子注量率分布，堆外最高中子注量率为3.49×1013 cm-2·s-1。与49-2堆注量率较为相近，满足设计需求。

5 功率密度分布

此工作仅给出反应堆初始状态下各组件的功率分布，如图5所示，径向功率分布不均匀因子为1.07，可见，反应堆功率分布较为平坦。

6 结语

通过对CARR乏燃料池式堆的初步性设想进行堆芯方案初步设计与优选，优选方案在临界运行模式下满足临界堆的核设计要求，堆芯外最大热中子注量率约为3.5×1013 cm-2·s-1，但乏燃料组件的安全性还受其特殊辐照条件的影响，特别是其铝包壳的抗辐照性能，因此，今后还需对其进行更加详细地论证与评估。

参考文献

[1] 袁履正，柯国土，金华晋，等.中国先进研究堆（CARR）的设计特点和创新技术[J].核动力工程，2006（S2）：1-5.

[2] 谢仲生，尹邦华.核反应堆物理分析[M].3版.北京：原子能出版社，1996.

[3] 蔡德昌，王侃，姚增华.使用大亚湾核电站乏燃料的池式堆概念设计[J].核动力工程，2004，25（5）：385-389.