基于包覆燃料的气冷快堆堆芯核设计

周梦飞，刘国明，霍小东

(中国核电工程有限公司，北京100840)

气冷快堆是用高温气体冷却的快中子反应堆。由于使用高温惰性气体作为冷却剂并采用闭式燃料循环，因此，气冷快堆同时具备快堆的可持续性优势和高温系统的经济性优势。但堆芯高温环境和恶劣的中子辐照环境，对堆内材料提出了更高的要求，也给安全性和防核扩散要求带来一系列挑战。目前，受材料选择和安全问题的制约，国内外气冷快堆的发展都还很不成熟。

包覆燃料颗粒由可裂变材料的碳化物、氧化物等材料构成的燃料核芯及沉积在燃料核芯表面的多层难熔陶瓷材料包覆层组成，可以包容裂变产物和裂变碎片，具有良好的高温性能，可适应高燃耗和防核扩散需求。因固有安全性高，包覆燃料在高温热堆中应用广泛。但在快堆中使用包覆燃料面临燃料装载量低和引入大量碳原子可使堆芯能谱软化2个主要问题。

为解决这2个问题，本文提出了一种新型包覆颗粒弥散体燃料模型。燃料颗粒结构采用双层包覆层，同时，用不含碳原子的耐熔金属硅化物取代现有设计中的石墨或碳化硅基体；给出了棒状燃料(pin-type)和块状燃料(block-type)2种堆芯布置方案；使用堆芯蒙特卡罗计算程序RMC对设计堆芯进行中子学参数计算，验证了新型燃料在气冷快堆中的适用性和堆芯核设计方案的合理性。

1 堆芯主要组成材料

1.1 核燃料

目前使用最广的包覆颗粒结构为TRISO(tri-structural isotropic)颗粒，其燃料核芯占整个燃料颗粒的体积份额仅为10%～30%[1]。2007年，美国提出了一种用于气冷快堆的双层包覆燃料颗粒设计方案，可将燃料核芯的体积份额提高到60%以上，该燃料的相关参数列于表1[2]。

表1 用于气冷快堆的包覆颗粒弥散体燃料参数[2]Tab.1Reference parameters for gas cooledfast reactor dispersion fuel[2]

本文参照文献[2]进行双层包覆颗粒燃料设计。包覆层和基体材料使用SiC，会向堆芯引入大量的碳原子，从而使堆芯能谱软化。因此，本文考虑使用耐高温陶瓷材料替换SiC。由于SiC与UC-PuC燃料具有很好的相容性，且使用SiC作为燃料颗粒包覆层的工艺成熟，包覆层所占体积份额不高，因此，本文主要使用耐高温陶瓷材料替换弥散体燃料中占据最大体积份额的基体材料。

SiC具有良好的高温性能，熔点高达2 800℃，在温度低于2 100℃时具有高稳定性，且裂变产物的迁移速率随温度的降低而降低，在温度低于1 600 ℃时，裂变产物的迁移速率变得非常低，因此，常将1 600 ℃作为SiC包覆燃料颗粒的温度设计限值[3]。在选择基体材料时，要求所用材料的熔点不低于1 600 ℃。

耐高温陶瓷材料主要为难熔的金属氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等。O、N原子同C原子一样，也会引起较强的中子慢化作用，故本文使用难熔金属硅化物作为基体材料。典型难熔金属硅化物的熔点，如表2所列[4]。

表2 典型金属硅化物的熔点[4]Tab.2Melting points of several typical metal silicides[4]

由表2可见，金属硅化物具有良好的耐高温性能。由于金属原子的存在，金属硅化物还具有良好的导热性能。考虑到金属原子往往具有比非金属原子更大的中子俘获截面，因此，需要计算基体材料对堆芯有效增殖因子keff的影响。本文选取ZrSi2，MoSi2，NbSi2，WSi24种金属硅化物，按照SiC与金属硅化物摩尔数之比为1∶1构成基体材料，在相同堆芯结构下分别计算不同基体材料堆芯的有效增殖

因子，计算结果列于表3。由表3可见，在所选取的4种金属硅化物材料中，ZrSi2的中子俘获效应最小，中子经济性最高。综合考虑后，本文选择单一ZrSi2作为基体材料。与SiC相比，ZrSi2熔点较低，使用ZrSi2会使燃料的热工裕度有所下降，但仍可满足设计要求。

表3 不同基体材料对应的堆芯有效增殖因子Tab.3keff corresponding todifferent matrix materials

1.2 反射层和屏蔽层材料

由于气冷快堆具有更高的中子泄漏率，且使用包覆颗粒燃料会降低燃料装载量，所以，设计中对反射层的要求格外严格。反射层材料既要尽可能多地反射泄漏中子，又要对中子不产生明显的慢化作用。本文选择了4种反射层材料，分别为高温气冷堆中使用的石墨反射层(graphite)、钠冷快堆使用的316不锈钢反射层(316SS)[5-6]、欧洲GFR2400气冷快堆项目使用的Zr3Si2反射层(Zr3Si2)[7]和ZrC反射层(ZrC)。在同样的堆芯布置条件下，对比了4种反射层材料的使用效果，相应的有效增殖因子keff和剩余反应性列于表4。图1给出了4种反射层对应的堆芯能谱。为便于比较，表5列出了各个能量区间内的中子份额。

表4 不同反射层材料对应的堆芯有效增殖因子和剩余反应性Tab.4Core keff and ρex values correspondingto different reflector materials

图1 不同反射层材料下的堆芯中子能谱Fig.1 Neutron energy spectra corresponding to different cores with different reflector materials

表5 不同反射层材料下堆芯中子份额随中子能量的分布Tab.5 Core neutron share in different energy interval

计算结果表明，石墨和ZrC材料均能较好地减少中子泄漏，但这2种材料中的碳原子具有明显的中子慢化作用，从而使堆芯能谱软化；316不锈钢和Zr3Si2中的金属原子具有较大的中子吸收截面，可使堆芯的keff减小，但保留了快堆堆芯能谱优势。用Zr3Si2作反射层得到的能谱较硬，且可在一定程度上保证中子经济性，因此，本文采用Zr3Si2作为反射层材料。

屏蔽层材料与控制棒吸收段材料相同，均采用B4C材料。

2 堆芯布置

基于双层包覆颗粒弥散体燃料形式，本文提出了棒状燃料和块状燃料2种堆芯布置方案。棒状燃料制造工艺成熟，运行经验丰富；块状燃料可使堆芯结构更加紧凑，可在更低的冷却剂份额条件下达到较好的堆芯冷却效果[8]。燃料颗粒核芯材料为UC-PuC，包覆层材料分别为疏松SiC缓冲层和致密SiC层，基体材料选择致密ZrSi2陶瓷材料。冷却剂均使用氦气。由于气体冷却剂的载热能力差，因此，需要保持堆芯的高压状态。此时，堆芯压降会对反应堆运行状态造成不可忽略的影响。为降低冷却剂流经堆芯过程中产生的压力损失，需要适当减小堆芯活性区的轴向高度[9]。

Pin-type堆芯的燃料型式为：先将包覆燃料颗粒弥散体制成燃料芯块，再装载为燃料棒。为减少组件套管在堆芯中所占的体积，设计中增大每个组件内的燃料棒数，从而减少组件总数。燃料棒组件内按照正六边形排布方式共布置9圈燃料棒，控制棒组件采取控制棒和燃料棒相间分布的排列方式。pin-type堆芯活性区共设6圈组件，其中预留13个控制棒组件位。

Block-type堆芯组件的排列方式与pin-type堆芯基本相同。由于block-type堆芯结构可在更小的堆芯体积和更低的燃料装载量条件下达到较高的剩余反应性，故block-type堆芯活性区共布置5圈组件，其燃料型式为：燃料弥散体构成正六棱柱状块体，其上预留出冷却剂/控制棒通道；燃料块体在正六边形套管内堆叠构成组件。燃料组件内按照正六边形排列9圈冷却剂孔道。控制棒组件采取冷却剂孔道与控制棒孔道相间分布的排列方式。通过设计可使block-type堆芯中2种组件的燃料装载量十分接近。2种堆芯布置方案的整体设计参数，如表6所列。

表6 2种堆芯布置方案的整体设计参数Tab.6Overall design parameters of two core layout schemes

3 堆芯中子学参数计算

3.1 临界计算

使用堆芯蒙特卡罗计算程序RMC分别对2种堆芯布置方案进行全堆计算，得到零燃耗满功率运行状态下的堆芯有效增殖因子keff和剩余反应性ρex，如表7所列。由表7可见，设计堆芯具有较好的临界度和充足的剩余反应性，说明所使用的新型包覆核燃料有效解决了燃料装载量低的问题。剩余反应性可通过在堆芯合理布置控制棒进行调节。

表7 堆芯有效增殖因子keff和剩余反应性ρexTab.7Calculation results of effectivemultiplication factor and excess reactivity

堆芯能谱的计算结果，如图2所示。为便于对比分析，图2还给出了法国CEA建造的气冷快堆小型实验示范堆ALLEGRO[10-11]、钠冷快堆SFR[6]及使用传统基体材料SiC的pin-type堆芯(SiC matrix)3种参考堆芯的能谱计算结果。由图2可见，pin-type和block-type的能谱近乎重合，这是因为这2种堆芯使用相同的核燃料、冷却剂、包壳材料及结构材料。与采用均匀UC-PuC燃料的气冷堆ALLEGRO相比，本文的设计堆芯能谱有所软化，这是由燃料中包覆层和基体材料的慢化作用造成的；但与SFR相比，本文的设计堆芯能谱未见明显软化，这是因为SFR中Na冷却剂的中子散射截面较大，散射作用与本文设计堆芯燃料的中子慢化作用相抵消。与SiC matrix的能谱相比，本文设计堆芯的能谱明显更硬，验证了ZrSi2作为基体材料的优势。上述结果表明，本文设计堆芯的能谱可以很好地满足气冷快堆的要求。

图2 堆芯能谱的计算结果Fig.2 Calculated results of core energy spectra

3.2 停堆裕度分析

本文通过调节B4C控制棒插入堆芯的深度，控制反应性大小。堆芯共有13盒控制棒组件，可分为调节棒和安全棒2组，它们在堆芯运行过程中及停堆时，可起到调节反应性和安全停堆的作用。本文计算了2组控制棒全部抽出、全部插入及“卡棒”条件下堆芯的有效增殖因子和剩余反应性，计算结果如表8所列。

表8 控制棒全部抽出、全部插入及“卡棒”条件下的堆芯有效增殖因子和剩余反应性Tab.8keff and ρex with control rod totally withdrawn, totally inserted and stuck-rod conditions

由表8可见，控制棒组件的设计可以充分补偿堆芯的剩余反应性；同时，可以满足设计准则中的“卡棒”原则[12]。

3.3 多普勒系数计算

快堆中最重要的反应性效应为燃料的多普勒温度效应。本文在900～1 200 K选取4个温度点，利用有限差分方法计算了各温度点对应的多普勒温度系数，计算结果列于表9。由表9可见，燃料温度升高会导致多普勒温度系数的绝对值降低，block-type堆芯的多普勒系数绝对值更小，主要原因是其燃料中使用的Pu含量更低。表9结果表明，2种设计堆芯均具有较大的燃料多普勒负反应性，说明设计堆芯具有较好的安全性。

表9 多普勒温度系数的计算结果Tab.9Calculation results of Doppler temperature coefficients

3.4 燃耗分析

本文堆芯寿期设计的有效满功率运行时间tEFPD为1 000 d。堆芯整体热功率可根据燃料装载量和燃料比功率确定。由于包覆颗粒燃料可以达到较深的燃耗，所以，本文设定棒状燃料堆芯的燃料比功率为50 W·g-1，到寿期末燃料的燃耗深度达到50 GW·d·t-1；块状燃料堆芯结构更加紧凑，为了避免堆芯功率密度过高，将块状燃料堆芯的燃料比功率设为45 W·g-1，到寿期末燃料的燃耗深度达到45 GW·d·t-1。计算得到2种堆芯布置方案的keff随tEFPD的变化关系，如图3所示。由图3可见，2种布置方案都较好地满足了tEFPD=1 000 d的寿期设计目标。

图3 keff随tEFPD的变化关系Fig.3 keff vs. tEFPD

由于堆芯功率分布会随着燃耗加深而变化，因此，本文分别计算了寿期初(BOC，零燃耗)和寿期末(EOC，tEFPD=1 000 d)的堆芯功率分布，即功率峰因子f随1/12堆芯中每个组件中心到堆芯中心轴的距离r的变化关系，结果如图4和图5所示。

图4 Pin-type堆芯功率分布Fig.4 Power distribution of pin-type core

图5 Block-type堆芯功率分布Fig.5 Power distribution of block-type core

图4中，功率峰因子突然变小的3个位置均为控制棒组件位，其燃料装载量低于燃料组件的相应装载量，因此，功率峰因子较低。图5中未见功率峰因子突然降低，这是因为block-type堆芯的控制棒组件与燃料组件的燃料装载量十分接近，故功率分布整体比较平缓。表10给出了2种堆芯布置方案下，寿期初和寿期末的功率峰因子。其中，pin-type堆芯同时计算了考虑与不考虑控制棒组件2种情况。由表10可见，寿期内pin-type堆芯的功率分布更加平缓，block-type堆芯结构更加紧凑，不利于堆芯的热量传导。

表1 0寿期初和寿期末的功率峰因子Tab.10Power peaking factors of BOC andEOC of the designed core

4 结论

本文基于高温气冷堆中已广泛应用的包覆燃料模型，针对其在气冷快堆中使用时面临的低燃料装载量和能谱软化问题，进行了新型包覆燃料的结构和材料设计。双层包覆层的燃料颗粒结构提高了燃料核芯在整个颗粒中的体积占比，燃料装载量明显提升，同时保证了燃料颗粒包容裂变气体和裂变碎片的能力。通过使用不含慢化原子的金属硅化物耐高温陶瓷材料作为包覆燃料的基体材料，使能谱软化问题得到明显改善。使用新型核燃料设计了棒状燃料和块状燃料2种堆芯布置方案，其中，棒状燃料具有加工技术成熟、运行经验丰富的优势，块状燃料可利用更小的冷却剂体积份额达到较好的堆芯冷却效果，从而使堆芯结构更加紧凑。研究结果表明，本文提出的2种气冷快堆核设计方案合理，将新型包覆燃料应用于气冷快堆，可在原有经济性和可持续性优势的基础上进一步增强安全性。本文研究可为后续气冷快堆设计提供参考。