铅基模块化核电不同功率水平经济性初步分析

2023-07-10王连杰周冰燕严明宇向宏志王星博赵子凡刘佳艺

中国核电 2023年2期

娄磊，王连杰，周冰燕，赵晨，张斌，严明宇，张策，向宏志，蔡云，王星博，赵子凡，周楠，刘佳艺

(中国核动力研究设计院，四川成都 610213)

铅基冷却快堆作为第四代核能系统的堆型之一具有经济性、安全性和可持续性。铅基冷却剂不仅具有金属的高导热率特性，常压下沸点高于1 000 ℃，而且相比钠等活泼金属，更具有化学惰性，几乎不与水和空气等发生反应。铅基冷却剂不仅能提高堆芯的固有安全性，而且反应堆系统能够采用两回路设计，铅基冷却剂与水直接采用蒸汽发生器进行换热，大大提高堆芯经济性[1，2]。

快堆中子能谱偏硬，由于易裂变核素在热中子区裂变截面较大，在快中子区裂变截面很小，而可裂变核素在热中子区俘获截面相对较小，在快中子区俘获截面较大，能够通过俘获中子由可裂变核素转换为易裂变核素，因此快堆能够将238U转化为239Pu，从而有效提高铀资源的利用率。同时由于快堆的热群中子份额相比热堆低得多，因此快堆的临界质量远远大于热堆，因此对快堆的经济性分析不仅要考虑铀资源的利用率，也需要考虑寿期初的U装量和235U装量。

目前常用的铅铋快堆燃料芯体类型为UO2和U-10Zr，UO2燃料芯体在压水堆中具有丰富的使用经验和辐照数据，而U-10Zr燃料芯体具有在单位体积内更多U装量的优势，同时其堆芯能谱相对稍硬，燃料增殖性能更好。因此本文也将着重分析UO2和U-10Zr两种燃料芯体在不同功率水平堆芯的特性。

核电厂堆芯的装机容量需要考虑的因素较多，其中从反应堆物理角度需要考虑单堆功率水平的经济性，进而采用模块化核电的概念根据核电厂的功率需求进行多堆模块化设计，以从各方面提升其经济性。

本文基于铅基模块化核电的特点和需求，进行堆芯功率水平与经济学的初步分析研究，主要分析不同功率水平堆芯的寿期初堆芯U装量、235U装量以及寿期末的燃料利用率，并根据计算分析给出不同功率水平铅基快堆堆芯设计的特点，并给出推荐的铅基模块化核电功率水平。

1 计算程序

本文的计算由RMC程序完成，堆用蒙特卡罗分析程序RMC[3，4]是由清华大学工程物理系核能科学与工程管理研究所反应堆工程计算分析实验室(REAL团队)自主研发的，用于反应堆堆芯计算分析的三维输运蒙特卡罗程序。RMC程序针对反应堆计算分析中的基本需求，同时结合新概念反应堆系统设计时几何结构灵活、中子能谱复杂及材料组分多样、各向异性及泄漏强等特点进行研发，能够处理复杂几何结构、采用连续能量点截面对复杂能谱和材料进行描述，并能够根据实际问题的需要对临界问题本征值、本征函数、系统燃耗模拟、瞬态过程分析等进行计算。

2 研究思路

为了从反应堆物理角度分析论证铅基模块化核电功率水平的经济性，本文将采用一种燃料组件结构类型，在保证堆芯体功率基本保持相同水平的前提下，设计堆芯功率水平为100 MW、300 MW、500 MW、700 MW和1 000 MW共五种类型的堆芯方案，堆芯寿期需满足2 000 EFPD[5]，堆芯燃料类型有UO2和U-10Zr两种，共计10个堆芯方案，见表1，分析给出不同堆芯功率水平与U装量、235U装量和U资源利用率的分析论证。

表1 10个堆芯方案基本设计参数Table 1 Main design parameters of 10 core schemes

3 组件设计

堆芯采用的组件类型参考中国核动力研究设计院(NPIC)的铅基研究堆SLBR-50(50 MWt)[6]的组件设计，组件示意图如图1所示，组件的主要设计参数见表2。

图1 燃料组件示意图Fig.1 The schematic of fuel assemblies

表2 组件主要设计参数Table 2 Main design parameters of the fuel assembly

4 堆芯设计及计算分析

根据研究思路以及组件设计结果，利用上文选取的组件类型进行不同功率水平堆芯的方案设计，为保证堆芯具有相应的反应性控制能力，堆芯布置时预留出相应的组件位置作为控制棒设计使用，为简化堆芯设计，本文不进行控制棒的设计，堆芯寿期直接采用全提棒燃耗进行计算，寿期末堆芯keff大于1.005(即考虑计算程序500 pcm的计算不确定性)。10个堆芯方案的堆芯径向和轴向布置示意图如图2～图6所示。堆芯各方案设计参数如表3所示。

图2 100 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意图Fig.2 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 100 MW power level

图3 300 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意图Fig.3 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 300 MW power level

图4 500 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意图Fig.4 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 500 MW power level

图5 700 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意图Fig.5 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 700 MW power level

图6 1 000 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意图Fig.6 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 1 000 MW power level

表3 各堆芯方案设计参数Table 3 Design parameters of various core schemes

各堆芯方案铀装量、235U装量随堆芯功率变化曲线如图7所示，堆芯铀装量和235U装量随总功率呈线性增长。这是由于各堆芯均保持“矮胖”型堆芯设计，堆芯整体泄漏率差异不大。各堆芯方案的临界质量基本相同，为保持给定功率和寿期的能量输出，均需在临界质量的基础上增加相应的铀装量和235U装量，因此，不同功率水平相同燃料类型的各堆芯方案铀装量和235U装量随总功率水平呈线性趋势。

图7 各堆芯方案铀装量和235U装量随堆芯功率变化曲线Fig.7 The amount of U and 235U of each core scheme changing with the core power

各堆芯方案的燃料利用率见表3，通过对比可以看出，随着堆芯功率水平增加，同类型燃料堆芯的利用率呈增加趋势，这是由于燃料利用率近似等于消耗的燃料装量/(消耗的燃料装量+临界质量)，随着堆芯功率水平增加，相同的寿期内消耗的燃料装量逐渐增加，而临界质量基本保持不变，因此燃料利用率呈逐渐增加趋势。

各堆芯方案的keff随堆芯寿期变化曲线如图8和图9所示。UO2燃料各堆芯方案的堆芯keff随燃耗变化趋势除100 MW堆芯外均相差不大，这是由于所有堆芯方案均采用了“扁平”状设计，除100 MW堆芯高径比接近于1外，其余堆芯高径比远小于1，UO2燃料堆芯随堆芯尺寸增大，虽然燃料利用率稍有提升，但增殖性能基本变化不大，因此keff变化趋势也基本保持不变。U-10Zr燃料各堆芯随堆芯尺寸增大，堆芯keff出现随堆芯寿期逐渐增加的趋势，如500 MW堆芯在1 000 EFPD时刻keff达到最大值，然后随燃耗加深逐渐下降，到寿期末2 000 EFPD时刻与寿期初基本相当，700 MW和1 000 MW堆芯从寿期初时刻开始堆芯keff逐渐增大，到寿期末2 000 EFPD时刻堆芯keff基本达到或还未达到最大值，从评价堆芯反应性角度可知尚未达到寿期末，预估还能燃耗2 000 EFPD以上，寿期将达到4 000 EFPD或更长。

图8 UO2燃料各堆芯方案堆芯keff随堆芯寿期变化曲线Fig.8 Core keff curves of all core schemes with UO2 fuel changing with the core life

图9 U-10Zr燃料各堆芯方案堆芯keff随堆芯寿期变化曲线Fig.9 Core keff curves of all core schemes with U-10Zr fuel changing with the core life

通过对比相同功率水平下UO2和U-10Zr燃料堆芯的特性可以看出，在低功率水平下，由于堆芯总的能量输出较小，堆芯尺寸也相对较小，采用UO2燃料单位体积内铀装量更少，即更节省铀资源，更为经济；在高功率水平下，由于堆芯总的能量输出较大，堆芯尺寸也相对较大，采用U-10Zr燃料更能体现堆芯的增殖效应，寿期初堆芯235U装量更少，更为经济。

UO2燃料堆芯随着功率水平的提高和堆芯尺寸的增大，堆芯增殖效应会出现增强趋势，燃料利用率逐渐提高，高功率水平堆芯(如700 MW、1 000 MW等功率水平的堆芯)更适宜采用UO2燃料进行装载。

U-10Zr燃料堆芯随着功率水平的提高和堆芯尺寸的增大，堆芯增殖效应增长速度远高于UO2堆芯，700 MW功率水平下堆芯keff已经呈现上升趋势，2 000 EFPD的堆芯寿期不足以完整释放堆芯的增殖能力，因此需要适当降低堆芯功率水平(即减少堆芯尺寸)以使堆芯的增殖效应匹配堆芯寿期，因此，U-10Zr燃料适用于500 MW级堆芯功率水平的堆芯装载。