HFETR低浓化堆芯Co60同位素生产优化研究

刘水清　康长虎　刘红倩　谭晶华　邹鹏　冉忠康

【摘 要】高通量工程试验堆（HFETR）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。本文将对HFETR的堆芯布置进行研究，探讨HFETR低浓元件堆芯生产同位素的堆芯装载优化模式。结果表明：HFETR堆芯元件装载采用低泄漏即“内→外”装载方式，提棒方式采用先提中心棒后提外围棒，Co60同位素靶同位素生产转换比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生产的最佳方案。

【关键词】低浓铀燃料;堆芯装载;转换比;优化方案;HFETR

中图分类号： F416.23文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）15-0064-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.031

The Optimization Research of Co60 Isotope Production in HFETR Low-enriched Core

LIU Shui-qing KANG Chang-hu LIU Hong-qian TAN Jing-hua ZOU Peng RAN Zhong-kang

（Nuclear Power Inistitute of China，Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】From the beginning of the 72-2th core，the high-enriched uranium fuel was changed to low-enriched uranium fuel in the High Flux Engineering Test Reactor（HFETR） core gradually，and the whole core has been changed to low-enriched uranium fuel element successfully from the start of the 74-1th core.The paper will research the core arrangement of the HFETR，and discuss the core loading optimization model of the Co60 isotope production using HFETR low-enriched element core.The result shows when using the core fuel loading model with low leakage（that is “in-out” model） and rod lifting model which lifting the center rods first and then the perimeter rods in HFETR，the isotope production conversion ratio of the isotope target is the highest.The above research scheme is the best scheme at present.

【Key words】Low-enriched uranium fuel;Core loading;Conversion ratio;Optimization scheme;HFETR

0 前言

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低浓元件堆芯生产Co60同位素，其堆芯装载也没有一定的固定模式，人为随意性较大。为了提高HFETR生产Co60同位素靶同位素的产量，使相同的投入得到較大的产出，亦即得到相同的Co60同位素靶同位素产量而投入较小，本文将对HFETR的堆芯布置进行研究，选择最合适的堆芯布置方案，使之既能满足同位素年生产任务要求，又能追求较大的产出、投入比，获得较大的经济效益。本文以同位素生产为主，兼顾其他同位素的生产，同时还要考虑单晶硅等民品的辐照生产，探讨HFETR低浓元件堆芯生产同位素的堆芯装载优化模式。

1 HFETR堆芯优化原则

HFETR堆芯装载方案必须是可运行的，因此应遵从以下原则：

1.1 径向功率不均匀系数小于热工安全限值2.5，轴向功率不均匀系数小于热工安全限值1.5

1.2 堆芯必须有足够的后备反应性

保证足够的寿期：每炉段积分功率任务要求为1960MWd。

1.3 除要求全插棒有足够的停堆深度外，还要求在只提安全棒时堆仍有一定的次临界度（大于1βeff）

在运行过程中，堆必须能被有效的加以控制，堆运行安全是必须要保证的。

1.4 Co60同位素靶栅元的平均热中子注量率不大于1.5×1014n·cm-2·s-1

Co60同位素靶同位素生产过程中，靶件本身的热工限制。

1.5 追求 Co60同位素靶同位素的最大转换比

在确保2.1-2.4四条以后，要求HFETR堆芯的优化结果使同位素有较大的转换比，并追求最大转换比。

2 HFETR堆芯优化研究

2.1 定义

“内→外”式亦称低泄漏式（L-LEAK）装载定义为将元件布置区域分成几个区，燃耗浅的元件入堆时放置于元件区的中心，将元件逐渐分区外移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

“外→内”式亦称高泄漏式（H-LEAK）装载定义为：将元件布置区域分成几个区，燃耗浅的元件入堆时放置于最外区，将元件逐渐分区内移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

“混合式”亦称中泄漏式（M-LEAK）装载定義为：将元件布置区域分成几个区，燃耗浅的元件和燃耗深的元件插花布置，将元件根据燃耗分区内移和外移，直至元件燃耗接近限值（55%）出堆。

转换比Rc定义为：每消耗一个U235原子所生产的同位素的H3原子数。根据燃耗计算输出的核密度数据，可以把某一时间间隔Δt=ti+1-ti中同位素的转换比写为：

Rc=（N3（ti+1）-N3（ti））/（N5（ti）-N5（ti+1））

=（ΔN6/Δt）/（ΔN5/Δt）

式中，N5（ti）和N5（ti+1）分别为ti和ti+1时刻全堆U235原子数;N3（ti）和N3（ti+1）为相应时刻产生的同位素原子数;N6为靶元素的原子数。

2.2 HFETR堆芯优化

经过大量HFETR堆芯布置方案的计算比较与筛选，选择了在77盒元件、几个不同的元件倒料模式下的三个典型装载方案进行计算：“内→外”式即低泄漏式（L-LEAK），“外→内”式即高泄漏式（H-LEAK）， “混合式”即中泄漏式（M-LEAK）。为了使计算简单易行，且不失一般性，尤其重要的是所计算堆芯装载布置具有可运行性。计算中，考虑元件组成为：元件、Co60同位素靶件、铍、铝等;见表1。

影响Co60同位素靶同位素生产的主要物理因素有：

2.2.1 堆芯装载布置

这是关键因素，提高同位素的产量，关键是要合理布置堆芯。HFETR堆芯布置非常灵活，除18根控制棒，2个Ф63孔道、2个Ф180孔道和2个Ф120孔道外，元件、铍块和铝块可以灵活调整，通过改变堆芯的布置，在确保堆安全的前提下，使转换比较大并追求最大。

2.2.2 靶元素的燃耗效应

随着靶元素燃耗的加深，靶内热中子注量率因靶的自屏因子减小而上升，但由于靶元素的核密度降低，使宏观吸收截面减小，两者的综合效应会使靶内的反应率密度下降，从而使转换比降低。

R（t）=K/（1/β（t）+θ）

式中，R（t）为靶芯中t时刻的反应率密度;K为常数，β（t）为t时刻靶件的密度，定义为入射到靶内的中子被靶吸收的份额;θ为表征靶件中除靶材料外其余材料核性质的参数，可以认为是常数。

2.2.3 提棒方式

HFETR堆芯中除两根安全棒和两根自动调节棒外，有14根手动调节棒分布于堆芯内的不同位置。在堆芯运行中逐渐提出堆芯以补偿反应性消耗。如果先提外围棒，后提中心棒，整个堆内的通量分布相对平坦，这对布置在活性区外的反射层中的Co60同位素靶件内的热中子注量率相对提高，但对活性区内的Co60同位素靶件内的热中子注量率则相对降低;反之，先提中心棒，后提外围棒，会使活性区内Co60同位素靶件内的热中子注量率相对提高，而反射层中的Co60同位素靶件内的热中子注量率相对降低。

2.3 优化计算结果

通过大量的计算比较和筛选，着重对表1中列出的3个方案进行了计算，计算的主要结果见表2。堆芯装载示意图见附图。

由表2可知，三种布置方案均满足堆芯优化设计原则的前四条，且寿期都达到1960MWd，并满足同位素生产要求，4个Ф63孔道、2个Ф180孔道和1个Ф120孔道能满足同位素和民品生产要求。径向功率不均匀系数和轴向功率不均匀系数小于热工安全限值。低泄漏即“内→外”装载方式较高泄漏“外→内”装载方式Co60同位素靶同位素生产转换比提高23%，这可以大大提高Co60同位素靶同位素生产的产量。“内→外”式换料方式中，先提中心棒后提外围棒，转换比可提高3.2%;“外→内”式换料方式中，先提外围棒，后提中心棒，转换比可提高4.0%。可见，HFETR堆芯元件装载采用低泄漏即“内→外”装载方式，提棒方式采用先提中心棒后提外围棒，Co60同位素靶同位素生产转换比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生产的最佳方案。

堆芯优化研究结果已于HFETR第72-2炉起应用于堆芯换料物理方案设计中。

3 结束语

HFETR堆芯优化研究是一个非常有价值和广阔应用前景的项目。目前的研究表明：低泄漏即“内→外”装载方式较高泄漏“外→内”装载方式，Co60同位素靶同位素生产转换比提高23%，这可以大大提高Co60同位素靶同位素生产的产量。HFETR堆芯元件装载采用低泄漏即“内→外”装载方式，提棒方式采用先提中心棒后提外围棒，Co60同位素靶同位素生产转换比最高，是目前HFETR Co60同位素靶同位素生产的最佳方案。堆芯优化研究结果已于HFETR第72-2炉起应用于堆芯换料物理方案设计中。以后还可以继续从HFETR堆芯中子能谱入手，采用遗传算法等方法对堆芯装载进行更深入的研究，进一步提高 Co60同位素靶同位素生产的转换比，追求转换比的最大值。