CNSC乏燃料组件运输容器临界安全分析

张 敏 王 婧洪 哲李小龙 张 亮 潘玉婷

1（生态环境部核与辐射安全中心 北京 102445）

2（国防科工局核技术支持中心 北京 100080）

中国核工业集团有限公司（China National Nuclear Corporation，CNSC）乏燃料组件运输容器是为安全运输AFA-2G、AFA-3G和AFA-3GAA型乏燃料组件而设计的专用设备，可用于公路、铁路和水路运输，单个运输容器可装载21组不带相关组件的乏燃料组件。为验证CNSC乏燃料组件运输容器临界安全设计满足《放射性物品安全运输规程》（GB11806-2019）的相关要求［1-2］，依据乏燃料运输容器的结构构建保守的临界安全计算模型，建立合理的情景假设，对正常运输条件和事故工况下进行临界计算分析。

1 乏燃料组件与运输容器

1.1 乏燃料组件参数

CNSC乏燃料组件运输容器最多可以装载21组AFA-2G、AFA-3G或AFA-3GAA型乏燃料组件。上述组件的235U预期最高初始富集度为4.5%，组件最大截面尺寸为214 mm×214 mm，总长度（压紧板弹簧不受压）为4 104.9 mm，活性段长度为3 657.6 mm。具体参数见表1、表2和表3。

表1 乏燃料组件特性Table 1 Spent fuel assembly characteristics

表2 乏燃料棒特性Table 2 Spent fuel rod characteristics

表3 乏燃料组件主要参数（冷态）Table 3 Main parameters of spent fuel components(cold state)

1.2 运输容器参数

CNSC乏燃料组件运输容器主要由上减震器、容器本体、下减震器和减震器螺栓组成。容器本体包括容器盖、排水管组件、筒体、吊篮、容器盖与筒体的连接螺栓。容器的包容边界包括：上部锻件；内筒体（内筒体Ⅰ、内筒体ⅠⅠ、内筒体ⅠⅠⅠ）；底部内锻件；容器盖及其第一道O型密封圈、进气孔盖、排水孔盖及其第一道O型密封圈；容器盖与筒体的连接螺栓；孔盖螺钉。具体参数见表4。

表4 运输容器主要参数Table 4 Shipping container main parameters

2 临界分析计算模型

单个货包模型为容器内装载21个富集度为4.45%的指定类型的新燃料组件，计算模型中模拟了主要的结构部件，21个燃料组件分别装载在四面有中子吸收体的方管组件中，中子吸收体的材料为硼铝合金，计算模型所采取的参数均采用有利于keff增大的参数取值。对于不同的正常和事故状态分别进行了货包单体和货包阵列的计算，中子吸收体置信75%的10B的量。各方管组件之间有平行分布的支撑板和传热板，共同构成吊篮组件，吊篮组件放置于容器筒体内，筒体内依次向外的结构为：内筒体、材料为Pb99.97的γ屏蔽层、外筒体、周向中子屏蔽层，中子屏蔽层外壳，运输容器上下两端均有中子屏蔽层。

以单个货包为评价对象，分析了货包内部为真空条件和充满不同密度的水条件下的反应性，水密度从1.0～0.001 g·cm-3变化，货包外设有30 cm厚的水密度为1 g·cm-3的反射层。

正常运输条件下货包阵列的计算模型以一个货包为基础，在货包外边界设置镜面反射，该模型相当于运输货包在空间中无限排列，对于正常运输工况而言这种计算模型是保守的。假设正常运输工况时货包内部为真空，分析了各货包之间充满不同密度的水和真空的情况［3-6］。

事故工况下，根据力学分析结论，容器有可能在减震器部分发生变形，但容器主要筒体部分不会发生挤压变形且燃料组件无损伤，火烧试验后周向屏蔽材料将损坏［7-8］，基于以上的假设条件对容器分析了进水事故并假设事故下的周向中子屏蔽材料被水代替，为评价事故状态下系统的最佳慢化条件，假设此时货包内部充满不同密度的水，货包外部也淹没在不同密度的水中，水密度从1.0～0.001 g·cm-3变化，分析内外部的水密度分别变化时系统的反应性，计算得出该事故模型下货包阵列的有效增殖系数的变化，以评价事故货包阵列最大反应性。具体模型见图1和图2。

图1 货包计算模型纵截图Fig.1 Package calculation model vertical screenshot

图2 货包计算模型横截面Fig.2 Package calculation model cross section

3 次临界限值确定

根据GB 15146.2-2008《反应堆外易裂变材料的核临界安全第2部分：易裂变材料操作、加工、处理的基本技术准则与次临界限值》规定［9］，本文选择了11个试验的54个基准实验方案［10］，使用MCNP4C程序（ENDF/B-ⅤⅠ截面库）对上述实验方案进行计算，将计算结果代入式（1），得出次临界限值为0.940。本文针对对象的次临界限值如式（1）所示。

式中：ks为正常条件或可信的异常条件或事故情况下，被评价系统的keff的最大值，即次临界上界值；kc为利用特定计算方法对基准实验进行计算所得keff的平均值。本文中每一个案例的ks均由MCNP程序给出；Δks为计算的统计不确定度，在本文中，Δks由MCNP程序给出；Δkm为确保的ks次临界性而留出的裕量。本文中属于正常运输情况和事故运输情况，Δkm取0.05。

部分试验（5个）及基准实验方案（22个）简介如下：

试验1：235U富集度为2.35%的UO2棒栅系统，实验构形由三组放置于大型蓄水池中的用于轻水堆的燃料棒束（每束17×20根燃料棒）组成。实验所用的燃料棒为235U含量为2.35%的UO2，棒栅元中等效的氢铀原子比为398.8。选取试验1的6个实验方案，中子吸收板的类型有：硼板、硼化钢板（含硼1.05%）、硼化钢板（含硼1.62%），反射层为水。

试验2：235U富集度为4.31%的UO2棒栅系统，实验构形由三组放置于大型蓄水池中的用于轻水堆的燃料棒束（每束8×15根燃料棒）组成。实验中使用的燃料棒是235U的富集度为4.31%的UO2，棒栅元的氢铀原子比为256.4。选取试验2的4个不同的实验构形，中子吸收板的类型有：两个使用硼化钢板（含硼1.05%），两个使用硼化钢板（含硼1.62%）。

试验3：235U富集度为2.46%的UO2棒栅系统，实验构形包含了9个轻水堆燃料棒束，每个棒束包含8×15根燃料棒，3×3阵列。实验使用的燃料棒为235U富集度为2.46%的UO2棒，其中燃料芯块的长度为153.34 cm。燃料棒栅元等效的氢铀比为453.8。选取了试验3的4个实验构形，包括B4C棒、硼板、不锈钢板，可溶硼酸浓度在0～1 037 μg·g-1。

试验4：235U富集度为9.83%的铀氧化物棒栅系统，实验包含了一个不锈钢包壳的UO2棒的三角形排列。选取了试验4的2个实验方案，实验方案1燃料棒数目为1 969根，棒间距为0.7 cm，实验方案2燃料棒数目为1 151根，棒间距为0.8 cm，各方案中燃料棒底部的反射层包含两层，12 mm厚的D16铝合金支撑板和177 mm的水层。燃料棒顶部的反射层是200厚的水层。

试验5：235U富集度为1.6%、3.6%、4.4%的铀氧化物系统，实验包含了以六角型栅格放置的燃料棒阵列。选取了试验5的6个实验方案，方案1为3.6%富集度，燃料棒栅距1.27 cm，硼浓度为5.8 μg·g-1，不锈钢板；方案2为3.6%富集度，燃料棒栅距1.27 cm，硼浓度为7.2 μg·g-1，不锈钢和树脂玻璃板；方案3为3.6%富集度，燃料棒栅距1.1 cm，硼浓度为0 μg·g-1，不锈钢；方案4为3.6%富集度，燃料棒栅距1.1 cm，硼浓度为0.96 μg·g-1，不锈钢板；方案5为3.6%富集度，燃料棒栅距1.27 cm，硼浓度为7.2 μg·g-1，铝板。

4 临界安全分析

正常运输条件下单个运输货包的反应性为0.408 34，考虑2σ后为0.409 22，远小于次临界安全限值0.94。单个货包内充满水的计算结果见图3，从图3可以看到，单个货包内部充满不同密度的水时，系统的keff值随水密度下降而下降。在水密度为1.0 g·cm-3，keff的值为 0.801 87，考虑了 2σ后为0.804 25，此值为单个货包的最大反应性。由此可见，单个货包模型考虑了计算统计误差的keff峰值0.804 25，小于次临界限值0.94，所以单个货包是临界安全的。

图3 事故工况单个货包反应性随货包内水密度变化趋势Fig.3 Reactivity trend of single package in accident conditions with water density in the package changes

在货包阵列的正常工况下，货包内部处于真空环境条件下，货包之间充满不同密度的水或真空，计算模型中在货包边界设置镜面反射，正常叠放状态货包之间为真空时，货包阵列的计算结果为0.407 84，考虑2σ后为0.408 46。当货包之间充满不同密度的水时，其反应性的变化见图4，随着水密度从1.0 g·cm-3变化到0.001 g·cm-3，货包阵列的反应性变化不大，最大反应性出现在水密度为0.01 g·cm-3时，为0.408 02，考虑2σ后为0.408 64，乏燃料运输货包在径向方向包括了内筒体、周向中子屏蔽层和外筒体等结构，货包与货包之间的耦合效应较小，因此货包阵列的反应性受到货包间的水密度变化的影响较小。根据以上分析结果可知，正常工况下货包阵列的反应性小于次临界限值0.94，所以正常工况下货包阵列是临界安全的。

图4 正常情况货包阵列反应性随货包外水密度变化趋势Fig.4 Reactivity trend of package array in normal situation with water density outside the package changes

在事故模型下，分析货包内外部的水密度分别变化时系统的反应性，计算了以下两种条件下货包的反应性：

事故工况1：货包内水密度从1.0 g·cm-3变化到0.001 g·cm-3，货包外为真空；

事故工况2：货包内水密度分别为1.0 g·cm-3、0.8g·cm-3、0.6g·cm-3、0.4g·cm-3、0.2g·cm-3、0.1g·cm-3、0.05 g·cm-3、0.01 g·cm-3、0.001 g·cm-3，货包外水密度从1.0 g·cm-3变化到0.001 g·cm-3。

图5为事故工况1和2下货包阵列的keff计算结果，横坐标为货包内的水密度。图6为事故工况2下货包阵列的keff计算结果曲线图，横坐标为货包外的水密度。

图5 事故工况1(a)和2(b)货包阵列反应性随货包内水密度变化趋势Fig.5 Reactivity trend of package array of accident condition 1(a)and 2(b)with water density in the package changes

从图5（a）的计算结果可以看到事故工况1下货包阵列的keff值随货包内的水密度而下降，在水密度为1.0 g·cm-3时有最大值，最大keff的值为0.803 20，考虑了2σ后为0.804 88；由图5（b）可知，货包阵列的反应性随着货包内水密度而增大，当水密度为1.0 g·cm-3时，系统的keff最大为0.811 53。从图6可以看出，当货包内部水密度相对较大时，如水密度为1.0～0.05 g·cm-3时，货包外部水密度的变化对于整个货包系统的keff基本无影响，当货包内的水密度相对较小时，如0.01 g·cm-3和0.001 g·cm-3两条曲线，货包阵列之间将有一定的耦合效应出现，此时当货包外部水密度也很小时，货包的反应性更大，随着货包外部水密度的增大，货包的反应性减小而后保持不变。结合以上的计算结果，可以得出以下结论：事故工况货包阵列反应性keff基本不受货包外部水密度变化的影响，只当货包内部水密度非常小时，且货包外的水密度也较小时，货包阵列将出现一定的耦合效应。综合事故工况1和2的结果可知，货包阵列的keff最大值出现在货包内的水密度为1.0 g·cm-3货包外为真空的情况下，最大值考虑了2σ后为0.813 17，小于次临界限值0.94，运输事故工况下货包阵列是临界安全的。

5 结语

根据《放射性物品安全运输规程》关于临界安全指数计算的要求，对CNSC乏燃料组件运输容器临界模型进行了计算分析，正常运输条件下单个货包和货包阵列的keff最大值为0.804 25，小于次临界限值0.94，临界安全指数为0；事故工况下单个货包和货包阵列的keff最大值为0.813 17，小于次临界限值0.94，临界安全指数为0。结果表明：在正常和事故运输工况下，CNSC乏燃料组件运输容器是临界安全的。