钠冷快堆控制棒分段设计研究

2020-10-24徐李，胡赟，张坚

原子能科学技术 2020年10期

徐李，胡赟，张坚

(中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究部，北京 102413)

在钠冷快堆中，反应堆运行时的反应性补偿和停堆安全主要由控制棒来实现[1]。当前的钠冷快堆设计中，一般含有安全棒(SA)、补偿棒(SH)和调节棒(RE)，最新的一些设计中还含有非能动停堆棒(PEP)。其中，安全棒主要用于反应堆的紧急停堆[2]，补偿棒主要用于燃耗反应性的补偿和反应堆的安全停堆，调节棒主要用于反应性的自动调节。在现有的快堆控制棒设计中，补偿棒中10B的富集度较高，使单个循环周期中补偿棒的燃耗较高，且发热量较大，并造成周围燃料组件功率峰因子偏大。基于上述原因，本文提出一种分段设计方案，用于改进上述缺点。

1 技术方案

与传统的控制棒设计方案相比，本研究方案最大的不同在于将控制棒活性段分为两段，其上部为10B含量高的高富集硼，下部采用10B含量较低的天然硼，二者的区别如图1所示。

图1 轴向结构示意图Fig.1 Axial configuration

在钠冷快堆中，控制棒有以下作用:1) 停堆；2) 补偿燃耗反应性；3) 补偿温度功率反应性。在本研究方案中，当反应堆满功率运行时，堆芯中仅含有低富集硼部分，高富集硼部分会提出堆芯。当反应堆停堆时，富集硼部分会插入堆芯，以满足停堆安全的要求。因此，分段方案仅需将控制棒分为两段即可。

在钠冷快堆中，控制棒组件会在堆芯中单独占据1个组件的位置，控制棒组件增多，会明显降低反应堆的经济性。因此，在传统方案中，补偿燃耗反应性损失的控制棒均采用了高富集硼，以减少控制棒组件的数量。

在本研究中，为不增加控制棒组件的数量，采用分段设计的整根控制棒的价值应与传统控制棒的价值保持一致。当控制棒下部采用低富集硼时，不可避免地会使整根控制棒的价值降低，为实现总价值不降低，在分段设计中还增加了控制棒活性段的长度，即在相同的堆芯活性区高度下，本研究方案控制棒活性段长度将较传统方案的长。同时在停堆时控制棒活性段底部在堆芯的位置也有所不同，在传统方案中，停堆时，控制棒活性段底部与堆芯活性区底部平齐，而本研究方案中，停堆时，控制棒活性段底部低于堆芯活性区底部。其原因是：在传统方案中，如果控制棒继续向下移动，反而使控制棒活性段远离堆芯，控制棒微分价值将变为负数，致使全堆反应性增加。因此，传统方案停堆控制棒活性段底部最低位置应与堆芯活性区底部平齐；而在分段方案中，控制棒活性段下端面从堆芯活性区底部向下移动时，低富集区逐渐远离堆芯，而高富集区逐渐插入堆芯，控制棒微分价值依然为正，全堆反应性仍减小，直至其微分价值变为0，因此，在本研究方案中，控制棒活性段下端面可低于堆芯活性区底部，其可插入的深度与堆芯的具体参数和控制棒的详细参数相关，最低位置处的控制棒微分价值为0。停堆时，传统方案与本研究方案的区别如图2所示。

图2 停堆时控制棒的位置Fig.2 Control rod position at shutdown state

此外，对于传统方案，由于其控制棒活性段长度已略大于堆芯活性区高度，其活性区长度的增加对于控制棒价值的提升已没有更多的价值。因此，在传统方案中，控制棒活性段长度一般略大于堆芯活性区长度10%。

2 技术优势

本研究方案通过适当地分配控制棒两种富集度区域的长度以及适当地增加控制棒长度，得到与传统方案相同的控制棒价值。同时，实现在反应堆运行过程中，控制棒仅有低富集区处于堆芯活性区范围内。因此，与传统方案相比，在控制棒价值相差不大的情况下，本研究方案可具有以下优点：1) 控制棒燃耗更小，可使用更多的循环周期；2) 控制棒发热量更小，循环初期和循环末期的发热量差别更小，有利于提升控制棒组件出口温度；3) 周围燃料组件的功率峰因子更小，且全堆功率峰因子也更小，有利于燃料提高平均燃耗；4) 在运行时，微分价值更小，有利于功率调节。

3 计算验证

对典型的钠冷快堆堆芯采用传统控制棒设计方案和本研究方案的控制棒设计方案的控制棒价值、燃耗、释热及其对堆芯功率分布的影响进行了对比分析，以验证上述技术优势。

3.1 计算程序

本文的计算分析基于NAS程序。NAS程序是在部分引进国外相关程序的基础上经过自主开发而建立的一套快堆中子学计算程序，可进行扩散和输运[3]两种计算。该程序采用六角形粗网节块法，用正交多项式展开逼近节块内中子通量密度分布，并通过平均偏流来确定节块间的耦合关系。与热堆相比，钠冷快堆的中子平均自由程较长，中子通量密度对空间畸变的敏感性要低得多，适于采用节块法进行计算[4]。

NAS程序在中国实验快堆[5]的物理设计和运行试验中得到了大量的应用，其计算结果与俄罗斯物理计算程序以及试验结果均符合良好[6]。目前NAS程序正作为物理程序应用于中国示范快堆[7-8]的设计中。

3.2 计算输入

燃料组件采用MOX燃料(工业钚和贫铀的混合物)，燃料组件和转换区组件的结构材料为奥氏体不锈钢。堆芯径向布置采用了常规的快堆堆芯布置。

3.3 计算方案

1) 传统方案

将用于控制反应性的堆芯控制棒分成4组，分别是13根补偿棒、6根安全棒、2根调节棒和3根非能动停堆棒，共计24根控制棒。其中补偿棒、调节棒组成第1停堆系统，安全棒为第2停堆系统。控制棒组件使用B4C作为中子吸收体。10B富集度列于表1。

表1 10B富集度Table 1 10B enrichment

2) 补偿棒分段方案

在传统方案的基础上，将补偿棒活性段加长为130 cm，并分为2段，其中上部10B富集度为80%，长度为75 cm，下部为天然硼，长度为55 cm。补偿棒的数量、其他控制棒的参数以及堆芯布置与传统方案相同。

3.4 计算结果对比分析

1) 控制棒价值

使用堆芯计算程序直接计算堆芯有效增殖因数keff，采用下述公式计算单棒和棒组的价值[9]：

(1)

计算keff时，除被计算的控制棒处于规定的状态外，其他各棒均处于反应堆堆芯上部运行位置。表2列出了传统方案和分段方案的棒组的控制价值[10]。从表2可看出，分段设计可实现与传统设计相近的控制棒价值，且能满足安全设计要求。

2) 控制棒燃耗

表3列出了各组控制棒在单个循环周期的最大燃耗、平均燃耗以及由于控制棒燃耗所引起的反应性变化。从表3可看出，由于补偿棒和调节棒最底端位于堆芯中平面附近，燃耗较大，但整盒组件的平均燃耗较最大燃耗小得多，因此单个循环周期总的反应性价值损失不大。与传统方案相比，分段方案补偿棒更长，对控制棒价值起主要作用的富集硼在满功率运行时更远离堆芯，分段方案的补偿棒的反应性价值变化量更小，仅约传统方案的1/3。

与传统方案相比，分段方案的补偿棒中B的最大燃耗要小得多，约为传统方案的1/2，因此，采用分段设计的补偿棒的寿命可大幅高于传统方案的，可达到传统方案的2倍。

表2 控制棒价值Table 2 Control rod worth

表3 控制棒燃耗Table 3 Control rod burnup

3) 控制棒释热

各控制棒在循环初期(BOC)和循环末期(EOC)平均释热列于表4。从表4可看出，两种方案补偿棒的发热存在一定偏差，BOC时分段方案较传统方案小约34%，而EOC时相差不大，使分段方案末期的功率相对于初期的变化更小。根据钠冷快堆流量分配原则，分段方案可有效降低控制棒组件的出口温度，有利于提高堆芯平均出口温度，从而改善堆芯性能，提高反应堆经济性。

表4 控制棒释热Table 4 Heat generation of control rod

4) 堆芯裂变功率分布

当计算BOC功率分布时，控制棒在堆芯内的轴向位置列于表5。

表5 控制棒临界棒位Table 5 Critical position of control rod

图3示出传统方案和分段方案燃料组件裂变功率峰因子。燃料组件最大功率峰因子是指当前位置组件活性区裂变最大点功率与全堆燃料组件活性区平均裂变功率的比值。从图3可看出，与传统方案相比，分段方案补偿棒附近的燃料组件最大功率峰因子明显偏小，且全堆最大功率峰因子也偏小(较传统方案小约2%)。因此，在相同时间内，分段方案的最大点燃耗较传统方案的可小约2%，这就表明，在全堆总功率和最大燃耗限值保持一致的情况下，分段方案可降低全堆最大线功率约2%和提高燃料循环周期约2%。

5) 补偿棒价值曲线

传统方案和分段方案补偿棒的积分价值曲线和微分价值曲线如图4所示。图4中的棒位为控制棒吸收体底部相对于堆芯燃料活性区下端面的高度。

由图4可看出，分段方案可通过更大的行程实现与传统方案几乎相同的积分价值。分段方案的控制棒价值曲线与传统方案的相比，存在一定的差别，特别是微分价值曲线，差别较大。分段方案的微分价值较传统方案的小，有利于反应性的调节。