HFETR低浓化堆芯设计

刘水清 梁光远 刘红倩 康长虎 徐涛忠 冉忠康

【摘 要】高通量工程试验堆（HFETR）从开始运行至第72-1炉一直以高浓铀为燃料。从第72-2炉开始， HFETR从高浓铀燃料向低浓铀燃料转换，至第74-1炉起堆芯全部顺利地转换为低浓铀燃料元件，安全地实现了HFETR的低浓化。HFETR从高浓铀燃料向低浓铀燃料过渡的方法是每炉加一定数量的低浓铀燃料组件，逐步向全低浓铀堆芯过渡。该方法使高浓铀燃料组件得到充分利用。HFETR从高浓铀堆芯逐步向低浓铀堆芯过渡是可行的，到第74-1炉止，顺利的实现了高浓铀燃料向转换为低浓铀燃料的过渡，堆运行情况良好。

【关键词】高浓铀燃料组件；低浓铀燃料组件；过渡堆芯

中图分类号： R197.39 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）18-0030-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.013

【Abstract】High flux engineering test reactor（HFETR） has been using high enriched uranium as fuel for its operation from 72-1.Starting from furnace 72-2，HFETR converts from high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel，and the core of the 74-1 furnace is converted to low enriched uranium fuel elements successfully，and the low concentration of HFETR is safely realized.The HFETR transition from high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel is to add a certain amount of low enriched uranium fuel assembly to each furnace and gradually transition to the core of all low enriched uranium.This method makes full use of high enriched uranium fuel assemblies.The transition of HFETR from high enriched uranium core to low enriched uranium core is feasible.By the end of furnace 74-1，the transition of high enriched uranium fuel to low enriched uranium fuel is successfully realized，and the reactor operation is good.

【Key words】High enriched uranium fuel；Low enriched uranium fuel；Transition core

0 前言

高通量工程試验堆（HFETR）从开始运行至第72-1炉一直以高浓铀为燃料。从第72-2炉开始， HFETR从高浓铀燃料向低浓铀燃料转换，至第74-1炉起堆芯全部顺利地转换为低浓铀燃料元件，安全地实现了HFETR的低浓化。HFETR从高浓铀燃料向低浓铀燃料过渡的方法是每炉加一定数量的低浓铀燃料组件，逐步向全低浓铀堆芯过渡。该方法使高浓铀燃料组件得到充分利用。

对高、低浓铀燃料组件混装堆芯进行了大量的计算研究，对堆芯功率不均匀系数、对堆的运行功率、对堆的安全、同位素生产影响等重要问题进行了深入研究。本工作的主要目的是研究HFETR逐步向低浓铀燃料组件堆芯过渡时，过渡堆芯是否可以满足核安全要求？是否可以满足燃料元件辐照、同位素生产的要求？分析计算结果表明，过渡堆芯能满足径向功率不均匀系数和轴向功率不均匀系数的要求，HFETR从高浓铀堆芯逐步向低浓铀堆芯过渡是可行的。提供了满足堆的安全运行、燃料元件辐照、同位素生产条件的堆芯方案，顺利的实现了HFETR高浓铀燃料向转换为低浓铀燃料的过渡。

1 设计原则

1.1 安全原则

堆芯和回路运行是安全的， 并且满足燃料组件考验、同位素生产等要求；

1.2 经济原则

在满足基本安全原则的前提下力求降低运行成本，使得较小的投入得到较大的产出。

1.3 可操作性

设计的方案在HFETR上易实现。

2 计算模型和程序

HFETR堆芯计算采用CELL程序和ECP493程序，它们的计算模型和功能如下：

2.1 CELL程序[1]

CELL程序是分层圆环组件少群参数计算程序，采用WIMS-4/D 69群数据库，通过计算共振能区的有效截面和温度内插的热群截面之后，计算各核素少群微观参数和各材料区少群宏观截面参数。CELL程序用碰撞几率方法求解积分输运方程，对强吸收体栅元采用超栅元计算方法。CELL程序可作泄漏修正的基模计算和输运—扩散等效计算。CELL程序可以计算堆芯核设计中使用的各类组件、部件（包括强吸收体组件）的少群参数。

2.2 ECP493程序[2]

原HFETR堆芯物理计算程序不能对一体化板组件入堆辐照进行跟踪计算，为此设计所专门开发了一个镶嵌耦合中子扩散程序ECP493。ECP493程序是一个三维xyz坐标细网格堆芯燃料管理程序。用细网有限差分方法求解中子扩散方程，采用粗网再平衡方法加速外迭代收敛。ECP493程序是计算有考验回路堆芯的程序，它采用镶嵌耦合方法，解决了实验回路既和大堆同时运行，又要特殊处理的问题。因此ECP493程序除了能计算堆芯核设计所需参数外，还能给出钴-60等同位素靶件的产量，实验回路中考验燃料组件的精细功率分布和通量分布，各燃耗时刻考验燃料组件的燃耗以及提供乏燃料贮存库。

3 堆芯和考验回路描述

HFETR堆内有18根控制棒，堆芯内可布置燃料组件、铍组件、铝组件、不锈钢组件，也可布置占栅元的同位素靶件，HFETR堆芯布置不是固定不变的，它将随着辐照考验试验和生产任务的变化而改变。设计时，堆芯内燃料组件数目为77盒。

4 HFETR实际过渡堆芯设计

HFETR堆芯从第72-2炉开始过渡，经过三个炉段后，堆芯高浓铀燃料组件过渡完毕；从第74-1炉开始全低浓铀燃料组件堆芯运行。

高、低浓铀燃料组件的过渡堆芯的炉段分别为第72-2炉、73-1炉、73-2炉、74-1炉。第72-2炉、73-1炉、73-2炉、74-1炉主要计算结果见表1；

各炉段装载除元件和同位素靶件外，还有铍块87盒，不锈钢块33盒。高浓铀燃料元件堆芯寿期可达成1600MWd，低浓铀燃料元件堆芯寿期可达成1960MWd。各炉段控制棒在不同状态下的棒价值，热盒位置以及堆芯径向功率不均匀系数均满足安全、经济生產的要求。

从表1知：高、低浓铀燃料组件的过渡堆芯的径向功率不均匀系数可小于2.0和轴向功率不均匀系数可小于1.5，满足热工安全分析要求；保证堆芯的径向功率不均匀系数和轴向功率不均匀系数小于设定值。

5 结论

通过对低浓铀燃料组件的过渡堆芯优化计算并经过HFETR4个炉段实际过渡的结果表明：

HFETR堆芯设计时，加高、低浓铀燃料组件的过渡堆芯的径向功率不均匀系数和轴向功率不均匀系数按热工安全分析要求进行设计：径向功率不均匀系数可小于2.0和轴向功率不均匀系数可小于1.5，满足了过渡堆芯的要求，安全的完成了HFETR从高浓铀燃料组件到低浓铀燃料组件的过渡工作，使得HFETR从第74-1炉开始全低浓铀燃料组件运行，堆运行情况良好。

6 建议

HFETR从高浓铀燃料向低浓铀燃料过渡的方法是每炉加一定数量的低浓铀燃料组件，逐步向全低浓铀堆芯过渡。该方法使高浓铀燃料组件得到充分利用。这方法在以后MJTR堆芯的过渡中值得参考。

【参考文献】

[1]姚栋.CELL程序理论手册，内部资料（500-223），1994.8.20.

[2]李大图，吴英华.ECP493程序使用手册，内部资料.