俄罗斯BN—1200快堆核燃料的选型研究

刘舒　江林

摘 要：该文简述了俄罗斯BN-1200快堆核燃料组件选型的研究工作。燃料组件有三种备选方案。通过堆芯计算程序得出三种燃料的核物理相关特性。比较分析得出氮化物燃料的性能最优，是BN-1200反应堆最合适的燃料方案。

关键词：BN-1200 快堆 核燃料 氮化物燃料 MOX燃料

中图分类号：TL32 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）06（c）-0091-02

Abstract：This paper describes the nuclear fuel component selection researches for BN-1200 sodium cold fast reactor in Russia. The fuel assembly has three options. The nuclear physics characters of the three fuels are derived from the reactor core calculation program. The comparative analysis shows that the best performance of the nitride fuel is the most suitable fuel scheme for the BN-1200 reactor.

Key Words：BN-1200； Fast Reactor； Nuclear Fuel； Nitride Fuel； MOX Fuel

近年来，俄罗斯核工业的主要发展方向是快中子反应堆（快堆）。由于在BOR-60、BN-350及BN-600等项目上获得了丰富的经验，俄罗斯在快堆研究领域占有领先地位。快堆技术的发展促使BN-800反应堆建成，也促使BN-1200、BN-1800和BREST（铅冷）等快堆项目立项。

BN-1200反应堆正处于设计阶段，燃料成分及结构仍未最终确定。俄罗斯无机材料研究院（无机院）对BN-1200反应堆的几种燃料组件方案进行了选型研究。该文介绍了该研究机构对3种燃料组件方案的选型研究工作。

1 BN-1200燃料组件选型方案

BN-1200反应堆燃料组件目前有以下3种备选方案[1]。

（1）芯块法MOX燃料组件（芯块型燃料（U+Pu）O2）。

（2）振动密实法MOX燃料组件（振动密实型燃料，93% （U+Pu）O2+7%U天然金属）。

（3）氮化物燃料组件（具有高含量钚同位素的再生芯块型燃料（U+Pu）N）。

选择前两种燃料组件方案是为了充分利用BN-800反应堆燃料的设计经验。目前BN-800反应堆所需的两种MOX燃料组件已实现首批交付。MOX燃料能较充分利用乏燃料后处理中的钚元素，有利于提高铀资源利用率，有利于保护环境和防止核扩散[2]。

选择氮化物燃料方案的原因是，俄罗斯“突破”项目计划在BN-1200和BREST（铅冷快堆）上使用更加先进和安全的氮化物燃料。氮化物燃料具有MOX燃料所具的优点，即在闭式燃料循环中充分利用乏燃料中的钚元素[3]，此外相比于MOX燃料，氮化物燃料还具有其他优势：首先，氮化物燃料工作温度低，可以避免发生失冷事故和引入反应性时燃料包壳过热或破损[4]；其次，氮化物燃料对裂变气体产物和活性化学元素，如铯、碘、硒及碲等有较强滞留作用，可以降低腐蚀性裂变气体与燃料棒的化学作用[5]；另外，同等条件下氮化物燃料中的裂变气体产物释放量要小于氧化物燃料。

为具体比较3种燃料方案的特性，无机院通过堆芯计算程序对3种燃料进行了核物理特性研究[1]。

2 堆芯燃料分析计算模型

为分析燃料特性，通过精密程序MCU建立了BN-1200反应堆堆芯的非均匀计算模型。

计算模型中燃料组件和增殖区组件单独作为均匀结构进行研究。由于堆芯中有控制棒栅格，单独模拟了一些栅格，其中控制棒位于不同下插深度。堆芯是裂变区，周围是轴向增值区和径向增殖区。

BN-800和BN-1200反应堆的燃料组件类似。为进行模型验证，对BN-1200的计算参数与BN-800堆芯组件运行值进行了对比，偏差平均不超过7%。由此可判断所建立计算模型合理。

3 堆芯增殖系數比较

通过所建立的模型计算得到3种燃料在两区域内的堆芯增殖系数。如表1所示，具有最大增殖系数的是氮化物燃料堆芯。采用氮化物燃料可以使增殖系数在没有补充增殖区时超过1，氮化物燃料的增值系数最高可达1.47[3] 。所以氮化物燃料最适合于增殖堆使用。

4 能量特性比较

反应堆最重要的运行参数是初始反应性裕量和换料周期。表2给出了使用不同燃料的BN-1200反应堆的主要能量特性。

由表2可以看出，采用氮化物燃料其反应性裕量相对较低，但由于燃耗深度大，燃料在堆内停留时间会增加，提高了燃料的使用效率。因此使用氮化物燃料将具有良好的经济效应。

5 反应性效应比较

燃料组件选型的一个标准是在反应堆功率或温度升高时，燃料有负反馈效应。计算堆芯在两种状态下的反应性效应得到钠空泡效应，两种状态是堆芯充钠和堆芯相关区域失钠。计算得到的反应性效应见表3。

根据表3所得结果，3种燃料具有类似的反应性效应值。然而，在正常运行条件下使用氮化物燃料可以通过更大的温度功率效应提高额定功率水平下的运行稳定性。

6 控制棒效应比较

通过控制棒的积分重量对比不同燃料堆芯的控制棒效应，积分重量表示插入堆芯的不同组合的控制棒从下部位置提到最上部位置时堆芯反应性的变化。endprint

核安全标准[6]要求的反应堆停堆时的次临界水平≥2%（?K/K），从表4中可以看出该数值对于所计算的3种类型燃料，在最不利的情况下都可以得到可靠保证。

7 结语

该文介绍了俄罗斯BN-1200反应堆3种燃料组件方案的选型研究情况。

無机院计算了3种燃料的增值系数、燃耗深度、经济性和反应性效应等核物理参数，对计算结果进行比较分析得出氮化物燃料的总体核物理特性最优。

相比于MOX燃料，氮化物燃料的优势可量化为：在堆内的停留时间增加12%，燃料燃耗深度增加2%，增值系数增加9%。这些优势可以保证燃料被更有效地利用，因此氮化物燃料是BN-1200反应堆最合适的燃料方案。

参考文献

[1] Чуйкина АВ，Аникин МС.Перспективные виды топливных композиций для проекта реакторной установки БН-1200[R].XX Международная научно-практическая конференция ?современные техника и технологии?.Москва，2014.

[2] 尹邦跃.中国试验快堆MOX燃料研究进展[J].核科学与工程，2008，28（4）：305-312.

[3] VA Eliseev，LM Zaboudko.Nitride fuel for a prospective BN-1200 type fast sodium reactor[J].Atomic Energy，2013，114（5）：331-336.

[4] Рогозкин Б.Д.и др.Послереакторные исследования мононитридного и оксидного плутониевого топлива с инертной матрицей выгоранием～19% ТЯЖ.АТ.В БОР-60[J].Атомная энергия，2010，109（6）.

[5] Рогозкин Б.Д.и др. Термохимическая стабильность， радиационные испытания， изготовление и регенерация моно-нитридного топлива[J].Атомная энергия，2003，95（6）：428-438.

[6] НП-082-07，Правила ядерной безопасности реакторных установок атомных станций[S]. Москва，2008.endprint