先进聚合物可燃毒物燃耗特性分析

谢明亮，陈玉清，于 雷

(海军工程大学，核能科学与工程系，湖北武汉430033)



先进聚合物可燃毒物燃耗特性分析

谢明亮，陈玉清，于 雷

(海军工程大学，核能科学与工程系，湖北武汉430033)

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kinf值，而在燃耗后期释放高于1%的kinf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。

可燃毒物;碳硼烷;PACS;燃耗特性

固体可燃毒物的合理应用可平衡循环寿期初(BOC)各种反应性控制矛盾，有效地增加燃料的循环燃耗，缩短停堆换料频率，降低燃料循环成本，并有效地控制堆芯的功率分布，提高堆芯控制的安全裕量。同时，堆芯核设计的高性能追求也对可燃毒物提出了更高的要求，在核燃料循环初期(BOC)希望毒物具有较大的热中子吸收截面，然后不断将束缚的反应性逐步、彻底地释放出来，在循环末期(EOC)还能使燃料组件具有设定的反应值，同时还希望毒物具有一定的慢化特性，软化堆芯能谱，提高易裂变核Pu的消耗率，减少热中子从堆芯的泄漏率，增加可燃核素的利用率，降低毒物及产物对慢化剂及燃料的影响，同时还要有良好的腐蚀性、稳定性等，在这些方面，先进的聚合物可燃毒物(PACS)展现了良好的优势。

1 PACS概述

先进聚合物可燃毒物是一种含氢量较高，具有高富集度硼的聚合材料，新型材料PACS[1](Poly-acetylenic-Carborane-Siloxane)作为其中的典型代表，其分子式为(B10H10C2)a((CH3)2SiO)b(C2)c[2]，最初由Dr. Keller等提出，其分子结构如图1所示。

图1 PACS化学结构式Fig.1 The PACS chemical structure

碳硼烷[3](C2B10H12)是一个具有二十面体的笼状结构。由于C2B10H12特殊的分子结构使得其具有较强的耐温与抗氧化能力，在碳硼烷主链上嵌入硅氧聚合物得到聚碳硼烷-硅氧烷显著提高热稳定性和耐高温性[4]，该聚合物现由Olin公司生产，并命名为商品Dexil，聚碳硼烷-硅氧烷中的碳硼烷相对数量影响聚合物的热稳定性，随碳硼烷含量的增加，聚合物的分解温度与分解后质量残留也随之增加[5]，在聚碳硼烷-硅氧烷的主链上嵌入乙炔基团模压成型,加热固化成为热固性材料[6]，得到聚碳硼烷-硅氧烷-乙炔基，该聚合物具有优异的耐热、耐高温抗热氧化及高残炭率，同时有很好的黏结性能不易发生裂缝[7]，可承受温度高达1000℃的热稳定性。图2给出了聚碳硼烷-硅氧烷-乙炔基[8]的合成路线。

图2 聚合物PACS合成简图Fig.2 Synthesis of PACS (carborane-siloxane-acetylene)

PACS聚合物组合成分可以进行调整，通过改变化学式中系数a、b和c的数值从而调整毒物中的硼和氢的含量，这种调整性质可以使得PACS毒物具有较高的含氢量与高的含硼量，这样在寿期末PACS毒物可以充当慢化剂效应同时消除挤水效应带来的反应性惩罚，能谱变软提高了含聚合可燃毒物棒组件(BPRAs)在燃耗初期硼的价值，增强了寿期末易裂变核Pu的消耗率。

2 PACS慢化特性

由于PACS聚合物可以通过改变下标a、b和c的值来改变具体的组合成分，通过调整可以使得PACS毒物具有较高的含氢量和硼含量，由于PACS毒物的特殊组成结构，改变组成材料可能引起的物理效应比较微小，比如聚合物的热稳定性。高的含氢量可以使毒物具有优良的慢化性质，堆芯能谱软化可提高了聚合毒物BPRAs在燃耗初期硼的价值，在寿期末PACS毒物可以充当慢化剂消除挤水效应带来的反应性惩罚，增强了寿期末易裂变核Pu的消耗率。表1给出PACS聚合物常见的几种组合[9]下的核素组成及慢化特征参数，由于随着燃耗的不断加深，硼含量具有较大的变化，所以在寿期初(BOC)ξ∑s/∑a基准没有多大意义，∑a的基准值不包含硼，并假设所有的硼在寿期末已经耗尽，所以关心的是寿期末(EOC)的慢化效应。

表1 不同聚合物分子结构的慢化性质

图3给出PACS聚合物的宏观截面、慢化能力与慢化比随聚合物氢元素含量的变化情况，可以看出调整氢在聚合物中的含量明显影响寿期末聚合物的慢化效应，且呈线性关系，拟合的经验公式可为聚合物组成设计氢含量提供参考，以聚合物I为例，慢化能力、慢化比随聚合物含氢量的拟合关系分别为式(1)和式(2)。

∑sξ(H)=10.63*H%+0.0616，R2=1

(1)

∑sξ/∑a(H) =-120.95*H%+68.58，

R2=0.9932

(2)

其中：H%为聚合物氢的百分含量，可见聚合物的慢化能力随含氢量呈线性递增关系，而慢化比呈线性递减趋势，氢含量在2%附近慢化特性逐渐消失，这种线性拟合关系同时也适用其他氢化物等。

图3 不同含氢量下聚合物的慢化性质Fig.3 Moderator effectiveness of PACS vs. hydrogen content in carborane

结果表明不同结构组合方案下，聚合物慢化比都比轻水堆运行基准值要高，在热态温度 (583K) 运行压力13.79MPa下轻水堆的慢化比基准值在45附近[9]，而可以通过调节先进聚合物的化学组成以获得设定数目的硼含量与含氢量，在寿期末先进聚合物充当慢化剂，软化反应堆能谱，消除固体可燃毒物占位而引起的挤水效用。因此，利用这些聚合物来改进可燃毒物组件将非常可取。

3 PACS燃耗特性分析

为进一步评估分析PACS的燃耗特性，本文基于秦山核电厂与CrystalRiverThree[10]的燃料组件，假设同样的固体可燃毒物布置下，对比分析当前常用的几种可燃毒物材料，表2给出各可燃毒物材料的成分[11]。

表2 可燃毒物材料组成

采用CASMO[12]建立Crystal River Three堆芯组件模型(组件I)，图4给出了15×15组件含BPRAs毒物的组件布置图，该组件可以布置16根可燃毒物棒(BPRAs)，核燃料富集度为4.66%浓缩铀。建立秦山首次装料的堆芯组件分析模型(组件II)，每个燃料组件按15×15的形式布置，内有204根燃料棒，20根控制棒导向管和1根堆内测量管，毒物类型为硼硅玻璃，密度为2.23g/cm3，如图5所示，给出15×15燃料组件截面图和相关的毒物棒的位置，选取组件平均富集度为2.672%为分析对象，运行压力15.3MPa。

图4 15×15组件I含BPRAs毒物示意图Fig.4 15×15 assembly I with BPRAs

图5 15×15组件II含BPRAs毒物示意图Fig.5 15×15 assembly II with BPRAs

图6给出了热态(Tfu=900K，Tmo=576.5K)满功率(HFP)无可溶硼下，组件I在三种常用可燃毒物类型下kinf随燃耗的变化情况，相比B4C-Al2O3BPRAs和WABA 毒物，PACS-L聚合物在燃耗初期具有较小而又平滑的初始kinf值，并在15MWD/kg燃耗点后逐渐释放更高的kinf值，较B4C-Al2O3BPRAs和WABA毒物组件释放高出约1%的kinf值，在燃耗末期，PACS-L聚合物的反应性仍高于其他可燃毒物与无毒物组件，说明聚合物材料的慢化效应弥补了可燃毒物棒在组件挤水效应，延长了燃料的循环燃耗，提高燃料的利用率。图7给出了热态(Tfu=862K，Tmo=568.16K)无可溶硼下，燃料组件II含不同可燃毒物组件kinf值随燃耗的变化情况，可以看出PACS-L聚合物同样具有上述优势，可燃毒物的消耗与剩余反应性的减少量相匹配，且kinf值偏离初始值得程度较小，在组件反应性的控制上优于硼硅玻璃等毒物。

图6 不同含可燃毒物组件(I)下的kinf变化Fig. 6 kinf vs. time for various BPRAs in assembly I

图7 不同含可燃毒物组件(II)下的kinf变化Fig. 7 kinf vs. time for various BPRAs in assembly II

可燃毒物合理布置于组件内以展平局部功率峰，图8给出两类组件栅元功率峰随燃耗的变化情况，从结果可以看出在燃耗初期PACS-L比B4C-Al2O3BPRAs有较低的相对功率峰值，并在燃耗末期呈现最大的功率峰，这是由于在寿期末反应性的释放增加导致功率峰的增加，但在整个过程中PACS-L平均功率峰均低于其它BPRAs，而在实际的安全分析主要关注的是循环初期，然而燃耗末期相对有更高的安全裕量。

图8 组件I、II功率峰随燃耗的变化Fig.8 Pin power peaking for various burnable absorbers in assembly (I, II)

可燃核素B-10在可燃毒物中作为吸收材料，影响毒物的燃耗特性，图9给出组件I三种可燃毒物下核素B-10随燃耗的变化规律，可以看出PACS-L聚合物的B-10含量低于B4C-Al2O3BPRA与WABA毒物，并随着燃耗的加深偏差逐渐增大，聚合物可燃毒物在燃耗后期具有非常小的毒物残留，提高核素B-10的利用率。

图9 不同毒物下核素B-10随燃耗的变化Fig.9 B-10 atoms present vs. burnup for various burnable absorbers

由于PACS聚合物宏观截面、慢化能力及慢化比受聚合物氢元素含量的影响，在燃耗后期将影响聚合物毒物占据慢化剂引起的挤水效应，图10给出在热态满功率(HFP)下(P=33W/gU)，组件I中几种不同含氢量的PACS毒物随燃耗的变化情况，可以看出随着氢含量的减少，PACS可燃毒物较B4C-Al2O3BPRA与WABA毒物的燃耗优势逐渐降低，在PACS毒物氢含量在3.5%附近与其他毒物燃耗特性相当，为聚合物毒物中氢含量的选取提供参考。

图10 PACS不同含氢量下的kinf随燃耗Fig.10 kinf of PACS with different hydrogen content vs. burnup

PACS聚合物有较高的含氢量与很好的慢化性能，能减少占用慢化剂带来的惩罚，在燃耗末期更好地慢化中子提高热中子利用率，图11给出了同一工况下，组件I平均热中子通量在不同可燃毒物布置下随燃耗的变化情况，在燃耗后期PACS聚合物组件的平均热中子通量均大于B4C-Al2O3BPRA与WABA毒物热中子通量，增加热中子产生和利用，提高热中子利用价值，并促进裂变核素Pu的消耗，图12给出含可燃毒物组件I中裂变核素Pu相对U含量随燃耗的变化情况，可以看出相比B4C-Al2O3BPRA与WABA毒物，PACS可燃毒物在燃耗前期产生的裂变核素Pu逐步地积累，并在燃耗后期逐渐地被消耗且消耗量高于前期的积累量，促进裂变核素Pu消耗，提高裂变核Pu的利用率。

图11 PACS热中子通量ΔφT1ΔφT2随燃耗变化Fig.11 PACS thermal flux vs. burnup

图12 PACS裂变核素Pu/U相对含量随燃耗变化Fig.12 PACS fission nuclides Pu/U vs. burnup

4 结论

针对含氢量较高，具有高富集度硼的聚合材料PACS，分析聚合物的材料特性与慢化特性，聚合物的慢化比随含氢量呈线性递减关系，并得到慢化性能的拟合关系式，选择合理的含氢聚合物可以有效地消除燃耗末期可燃毒物占据慢化剂而带来的惩罚，氢含量在2%附近达到临界值，相比传统的可燃毒物材料，先进聚合物可燃毒物展现了良好的毒物特性，全寿期具有更低的局部功率峰，PACS聚合物中可燃吸收体核素B-10消耗更加充分，在燃耗初期PACS聚合物毒物有较低的初始kinf值，而在燃耗后期释放高出1%的kinf值，具有较大的热中子通量，提高堆芯热中子利用率，并促进裂变核素Pu的消耗。高分子聚合物特殊结构决定这类材料的多样性，同时可燃毒物材料还具有优异的热稳定性与抗氧化性，该材料的合理选择与应用将可进一步优化堆芯的核设计特征，为新型可燃毒物设计及燃料管理提供参考，值得国内同行关注。

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Analysis for Burnup Characteristics of Advanced Polymeric Burnable Poison

XIE Ming-liang, CHEN Yu-qing, YU Lei

(Department of Nuclear Energy Science and Engineering, Naval University of Engineering,Wuhan, Hubei Prov. 430033, China)

In allusion to the current of new advanced polymer materials (PACS), material properties and moderator characteristics of the polymeric burnable poison were analyzed. Burnup characteristics of different types of burnable poison materials were analyzed based on two types of fuel assemblies of Qinshan NPP and the Crystal River Three NPP. The results show that moderator properties of the polymer material has linear relationship with the hydrogen content, and the polymer molecules can be adjusted to change the characteristics of poisons. Relative to traditional burnable poison materials, advanced polymeric burnable poison shows good burnup characteristics, which has a lower local power peak in the whole life cycle. Polymers PACS has lower initial kinfvalue in BOC, which release higher kinfvalue than 1% in EOC, and burnable absorber nuclide B-10 consumes more sufficiently. Polymers PACS has a large heat flux, it also can improve the utilization of thermal neutron and promote the consumption of fission nuclide Pu.

Burnable poison; Carborane; PACS; Burnup characteristics

谢明亮(1990—)，男，湖南衡阳人，硕士研究生，现从事核反应堆安全分析方面研究

TL341

A

0258-0918(2017)02-0320-07

修改日期：2016-09-11