液态金属控制紧凑型压水堆概念设计研究

夏榜样，秦 冬

（中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术实验室，四川 成都610041）

紧凑型压水堆的用途非常广泛，如：边远地区及海上供电、低温供热、海水淡化等。为了降低成本，提高其经济竞争力，实现较长的换料周期以及简化堆芯结构设计成为了紧凑型压水堆的重要研究课题。

紧凑型压水堆主要采用固体控制棒进行反应性控制，并不采用核电站可溶硼系统，主要是为了简化系统，实现快速灵活的反应堆运行控制。但反应堆压力容器顶盖所容纳的控制棒驱动机构是非常有限的，换而言之，通过增加控制棒束数量来延长堆芯寿期的裕量较小。此外，堆芯核设计还必须满足苛刻的“卡棒准则”。

对于安装在压力容器顶盖上的控制棒驱动机构，其驱动杆与处于数米外堆芯中的控制棒组件链接，活性区高度为1.5m的堆芯，从上到下驱动线的总高度一般在7m以上。因而，控制棒也是紧凑型压水堆进一步降低高度、减小体积的最大障碍之一。

液态金属控制是一种无固体控制棒的新型反应性控制概念[1］，其采用具有较大吸收截面的低溶点合金（如铟镉合金）作为中子吸收体代替固体控制棒，在冷态工况下为固体，在热态运行工况下为液体。

2003年在西班牙召开的先进核电国际会议上，法国科学家EMIN Michel[1］首次提出将液态金属作为中子吸收体代替固体控制棒，随后设计了液态金属控制方案，命名为MP98系统，并开展了相关试验研究。

20世纪80年代，美国通用电气在其S7G陆上模式堆中也开展了类似控制方法研究。在堆内布置大量铪管，当管内充满水时，大量快中子被慢化为热中子，铪管吸收能力增强，引入所需负反应性。通过泵将铪管内的水抽到堆芯上方储水箱，降低慢化能力，引入所需正反应性。该系统设计简单，但可靠性较差。

目前，国内对于液态金属反应性控制方法及其在紧凑型压水堆上的应用研究较少，尚处于起步阶段。

液态金属反应性控制在正常运行工况下，通过内部的压缩气体，将其压入或移出堆芯，从而实现堆芯功率调节、停堆、燃耗补偿和轴向功率展平等由固体控制棒完成的功能。在事故工况下，依靠内部储存的气体，快速将液态中子吸收体注入堆芯，实现紧急停堆。因此，该控制方法从根本上解决了固体控制棒系统因采用机械传动带来的诸多技术问题，如：因导向机构变形等因素引起的卡棒事故，因主回路密封边界破坏等因素引起的弹棒事故，从而使紧凑型压水堆核设计摆脱“卡棒准则”的严格限制，堆芯装载方案更为合理，设计性能得以提高。反应堆顶部和上部几乎变空，上封头大量穿孔数量大幅缩减，反应堆结构及其整体设计得以极大简化，堆芯高度明显降低。

因此，开展液态金属反应性控制方法及其在紧凑型压水堆中的应用研究，对于进一步简化紧凑型压水堆的堆芯结构设计，丰富其反应性控制方法，提高其设计性能具有重要意义。

1 系统概念设计

本文针对紧凑型压水堆，以法国 MP98[1］系统为参考，初步设计了如图1所示的紧凑型压水堆液态金属反应性控制系统。

图1 液态金属反应性控制系统示意图Fig.1 Schematic Diagram of liquid metal reactivity control system

与法国的 MP98[1］系统相比，在本文提出的设计方案中，燃料组件的每个吸收体导管均构成了一个完整回路，而且回路之间相互并联，毛细气管、吸收体储罐、贮气管、减压阀组等部件均封装在组件上部构件中，大幅减小了这些部件的破损概率，系统的可靠性更高。该控制系统体积小，可将其同时应用于堆内所有组件，图2为应用该系统的组件示意图。

1.1 系统描述

本文提出的液态金属反应性控制系统代替导向管构成组件骨架，主要包括四部分：

图2 液态金属控制组件示意图Fig.2 Schematic Diagram of fuel assembly with liquid metal control system

1）位于活性区的吸收体导管。导管底部相互连接，防止某个导管失效。毛细液管连接吸收体储罐，并插入导管底部，毛细气管位于导管最顶端，另一端位于电控阀和减压阀之间。组件内可注入液态金属导管数量取决于其用途，若用于停堆或燃耗补偿，需要引入较大的反应性控制能力，则所有导管内均可注入，若用于功率调节或轴向功率形状修正，部分导管注入即可。

2）吸收体储罐及探测器。每个吸收体储罐内均设置液位、压力探测器，实时监测注入或排出堆芯的液态金属体积，从而计算出各组件吸收体导管内的液位高度。

3）贮气罐及减压阀组。贮气罐内气体具有较高的压力，在紧急停堆时，能将液态金属快速注入堆芯，引入足够的负反应性。减压阀组由两个单向减压阀并联组成，形成用于液态金属注入或移出堆芯的压差。正常运行工况下，贮气罐内压力取决于吸收体注入堆芯的速率，以及控制系统所承载的最大压力。

4）外部泄压罐、电控阀及气源。在启堆或运行过程中，需要气源向系统内注入气体并达到一定压力，以排出堆内的中子吸收体。当停堆或降功率时，打开电控阀，系统内的气体泄到外部泄压罐中，部分中子吸收体从储罐注入堆芯。在进行停堆换料时，泄压罐恢复为常压，关闭各子系统的电控阀，解除外边连接管与燃料组件上封部件中“连接头”的连接。

此外，在如图2所示系统控制组件中，“支撑板”除了起到“上管座”的作用之外，冷却剂还需要通过“支撑板”横向流出堆芯。“连接头”用于外部气源、探测器与组件相互连接。

1.2 功能描述

在冷停堆状态，堆内所有导管均充满固态中子吸收体，控制系统压力高于标准大气压，以监测系统的完整性和密闭性。在堆芯预热之前，将系统压力缓慢提升至备用压力，再将堆芯预热至中子吸收体熔点（铟镉合金为120℃）以上，成为液态金属后再进行系统操作。

在启堆过程中，首先利用外部气源向用于停堆的子系统注入气体，提升压力，依靠减压阀形成的压差，将此类子系统位于堆内的液态中子吸收体移出，回流至组件顶部的储罐中。当停堆子系统内所有吸收体均移出堆芯，而且压力达到预定值，关闭停堆子系统的电控阀，再将其泄压罐内的压力降至初始压力，此时停堆子系统处于备用状态，打开电控阀即可实现快速停堆。采用类似操作，将燃耗补偿子系统内的中子吸收体逐步移出堆芯。

在升降功率过程中，直接利用外部气源提升或降低功率调节子系统压力，从而移出或注入中子吸收体，补偿功率变化引起的反应性变化。

若需要进行正常或紧急停堆时，打开所有控制系统电控阀，依靠贮气罐内的压力即可实现快速停堆。任意子系统回路发生破损，其压力即迅速下降，中子吸收体也会快速注入堆芯。

2 反应性控制能力分析

2.1 堆芯方案

为了说明液态金属控制系统的反应性控制能力，本文设计了如下堆芯方案进行分析。

堆芯热功率为180MW，一回路系统压力为15.5MPa，出入口温度为330℃／290℃，堆芯平均温度为310℃。

组件吸收体导管为304不锈钢，选用铟镉合金作为中子吸收体，密度为7.95g／cm3，系统气体为氦气。由于液态合金被移出组件后，导管内为气体，不会形成局部慢化效应。为了提高反应性控制能力，导管占用多个栅元位置。图3为燃料组件示意图。采用14×14方形排列，共设置了4个方形液态金属导管，每个导管占用9个棒栅位置，对边距为37.8mm，壁厚为0.8mm。位于中心区域的毛细液管，内径为1.0mm，壁厚为0.4mm。组件共含有160根外径为φ9.5mm燃料棒，栅距1.26mm，组件中心距177.0mm。燃料棒包壳厚度0.57mm，芯块直径8.19mm，包壳材料为Zr－4合金。

图3 燃料组件示意图Fig.3 Schematic Diagram of fuel assembly

图4 堆芯装载方案示意图Fig.4 Schematic Diagram of core loading pattern

图4为堆芯装载方案以及控制系统分组示意图。堆芯共由45盒组件组成，其等效直径为1 340mm，活性区高度为1 400mm。堆芯共采用了6%和10%两种富集度。位于堆芯的最外围且控制系统标识为“S1”的8盒燃料组件，富集度均为10%。其余组件均采用轴向富集度分区布置，燃料棒下半部70cm富集度为10%，上半部70cm为6%。按照不同使用功能，将控制系统划分为7组：1）堆芯功率调节组P1；2）紧急停堆组S1和S2；3）燃耗补偿组B1、B2、B3和B4。正常运行情况下，各子系统的液态金属高度按以下程序调节：1）P1组从140cm降至70cm，即满功率；2）S1组和S2组依次从140cm降至0；3）B1、B2、B3和B4组依次从140cm降至0。

2.2 计算程序

本文以 DRAGON[2］、TRIVAC[3］、DONJON[4］为基础开发了LMCDTD程序包，用于液态金属控制堆芯概念设计研究。DRAGON程序主要用于组件计算分析及其均匀化，产生堆芯扩散－燃耗计算所需的少群截面参数。TRIVAC程序采用有限差分或有限元方法进行堆芯扩散计算，获得不同工况下的有效增殖因子keff及三维空间功率分布。DONJON程序主要用于堆芯宏观燃耗计算，以及液态金属临界高度自动搜索功能。

2.3 计算结果

为了保证堆芯拥有足够的停堆裕量，假设反应性价值最大的液态金属控制子系统失效，其余子系统正常运作时，仍然能够实现冷停堆。对于如图4所示的堆芯装载方案，其最大反应性时刻为寿期初冷态工况（20℃），对任一组件控制系统进行失效分析，最大keff仅为0.91，满足设计要求。

寿期初，堆芯冷态（20℃）和热态（310℃）工况下的慢化剂温度系数分别为－2.24pcm／℃和－55.6pcm／℃，保证了堆芯具有负反馈效应。

寿期初热态工况下，堆芯液态金属控制系统总的反应性价值为55 343pcm。上述方案235U 初装量为402.0kg，寿期末为222.8kg，燃耗寿期可以达到1 000EFPD，最大功率峰因子为2.69。

3 结论

针对紧凑型压水堆，本文提出了可代替固体控制棒的液态金属反应性控制方法，设计的控制系统布置非常灵活、反应性控制能力强，并大幅简化堆芯结构。通过180MW堆芯方案计算分析表明：在拥有足够停堆裕量条件下，堆芯燃耗寿期可以达到1 000EFPD，而且最大功率峰因子仅为2.69。因此，液态金属控制方法能够大幅提高紧凑型压水堆的设计性能。

符号表：

[1]Emin M.MP98－New Passive Control Rod System for a Full and Extended Reactivity Control on LWR [C］.2003International Congress on Advances in Nuclear Power Plants（ICAPP 03），Cordoba，Spain，May 4－7，2003.

[2]Marleau G，Hebert A，Roy R.A User Guide for Dragon Version4 [R］.IGE－294，Technical Report，Ecole Poly－technique de Montreal，2008.

[3]Hebert A，Sekki D.A User Guide for Trivac Version4[R］.IGE－293，Technical Report，Ecole Polytechnique de Montreal，2008.

[4]Sekki D，Hebert A，Chambon R.A User Guide for Donjon Version4 [R］.IGE－300，Technical Report，Ecole Polytechnique de Montreal，2008.