CANDU6重水堆37R燃料和37M燃料的反应性比较

刘忠国

(中核核电运行管理有限公司， 浙江314300)

CANDU6重水堆37R燃料和37M燃料的反应性比较

刘忠国

(中核核电运行管理有限公司， 浙江314300)

37R燃料的每根元件尺寸相同，中心元件的冷却剂流道面积较小，事故工况下热工裕量相对较小。37M燃料减小中心元件尺寸，从而增大中心元件和整个燃料棒束的热工裕量。本文从反应堆物理角度定量分析两种燃料的反应性差异，采用WIMS程序和RFSP程序，计算了温度系数、空泡系数、重水纯度和慢化剂毒物浓度变化导致的反应性变化。计算结果表明37R燃料和37M燃料的反应性系数差别很小。

37R燃料；37M燃料；反应性；空泡系数；

CANDU6重水堆的燃料一般采用37根元件的天然铀燃料棒束(简称37R)[1]，37根元件的尺寸相同。由于中心元件的流道面积较小，事故状态下，中心元件的温度最高，热工裕量最小。国外相关单位正在研究对37R燃料进行改进(改进后简称37M)，将中心元件的直径从13.08 cm减小到11.5 cm[2]，其余36根元件的直径不变。这种改进可以增大中心元件和整个燃料棒束的流道面积，从而增加热工裕量。37R燃料和37M燃料示意图见图1。

图1 37R燃料和37M燃料示意图Fig.1 Diagram of 37R fuel and 37M fuel

根据相关热工计算，相比于37R燃料，37M燃料中心元件的流道面积和整个燃料棒束的流道面积将分别增加18%和0.9%[2]。假定通道入口温度262℃，通道冷却剂流量 24 kg/s，则烧干功率将提升4.5%[2]。

由于37R燃料和37M燃料的结构差别不大，国外研究机构专注于研究37M燃料在热工水力方面的改进，而在反应堆物理方面仅定性说明两者差异不大，没有进行定量计算。本文通过定量计算来研究37R燃料和37M燃料在反应性方面的差异[3]。

1 计算工具简介

本研究工作使用的软件包括栅元计算软件WIMS程序和三维堆芯计算软件RFSP程序。

1.1 WIMS程序介绍

WIMS程序[4,5](Winfrith Improved Multi-group Scheme)最早发源于英国，1971年被引入加拿大的查克河实验室(Chalk River Laboratories)，发展成为适用于CANDU反应堆的栅元计算程序WIMS-AECL。WIMS程序是两维89群的栅元计算软件，通过求解中子输运方程来计算燃料基本栅元的物理参数，包括不同燃耗深度下燃料组件中氧、铀、钚、氙、碘等72种核素的核子密度，以及各能群下各种核素的微观截面(如吸收截面、散射截面、输运截面和裂变截面等)。

1.2 RFSP程序介绍

RFSP程序[6,7](Reactor Fuelling Simulation Program)是CANDU重水堆中子物理方面的设计和安全分析软件，根据堆芯各燃料组件的燃耗和热工特性，插值计算各燃料组件的核子密度及微观截面，然后求解两群三维中子扩散方程来计算整个堆芯的物理参数，如堆芯功率分布、燃耗分布，以及整个堆芯的反应性。RFSP程序可以用来进行日常的燃料管理计算，跟踪每个燃料棒束的换料历史，计算不同时刻堆芯各个棒束的燃耗和功率。

2 计算方法

2.1 WIMS程序计算栅元截面

CANDU6反应堆的栅元结构包括燃料、包壳、冷却剂、压力管、CO2气隙、排管和慢化剂。WIMS程序在处理CANDU6栅元时，将整个栅元划分为三个区，冷却剂、燃料和包壳为一区，压力管、气隙和排管为一区、慢化剂为一区(分区示意图见图2)，然后分别计算三个区的中子截面参数，作为三维堆芯计算程序RFSP的基本输入数据。

图2 WIMS程序栅元处理模型Fig.2 Cell homogenization in WIMS

同时，WIMS程序还可以计算燃料组件在无限介质中的反应性K∞与燃耗的关系。本文分别计算了37R燃料和37M燃料的K∞与燃耗的变化关系(见图3)，计算结果显示两者基本重合，差异很小。

图3 K∞与燃耗的关系Fig.3 Variation of K∞with burnup

2.2 RFSP程序计算燃料反应性

将WIMS程序计算的燃料截面数据读入到RFSP程序中，假定反应堆全部装载同一种燃料(37R燃料或37M燃料)，利用RFSP程序的*TIME-AVEG模块计算整个堆芯的反应性，从而获得相应燃料的反应性。

本文按照以下流程分别计算37R燃料和37M燃料的各种反应性变化：

• 计算参考状态的反应性ρ0(CANDU6重水堆各参数参考值见表1)；

• 计算单个参数变化的反应性ρ1；

ρ=ρ1-ρ0

3 计算结果过程及结果

根据前面的计算方法，本文依次计算了37R燃料和37M燃料的燃料温度反应性、冷却剂温度反应性、慢化剂温度反应性、冷却剂重水纯度反应性、慢化剂重水纯度反应性、硼反应性、钆反应性、空泡反应性等参数，计算方法和结果如下。

表1 CANDU6重水堆各参数满功率参考值

3.1 燃料温度反应性

燃料温度的参考值为687℃，本文计算了0℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、687℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃。计算结果：燃料温度从0℃到1200℃，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为-3.3262mk和 -3.3694mk，详细结果见图4。

图4 燃料温度变化引起的反应性变化Fig.4 Reactivity change due to change of fuel temperature

3.2 冷却剂温度反应性

冷却剂温度的参考值为288℃，本文计算了0℃、20℃、40℃、60℃、80℃、100℃、120℃、140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、288℃、300℃、320℃，同时，计算过程中考虑了冷却剂密度随温度的变化。计算结果：冷却剂温度从0℃到320℃，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为10.1908mk和10.1905mk，详细结果见图5。

图5 冷却剂温度变化引起的反应性变化Fig.5 Reactivity change due to change of coolant temperature

3.3 慢化剂温度反应性

慢化剂温度的参考值为69℃，本文计算了0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、69℃、70℃、75℃、80℃，同时，计算过程中也考虑了慢化剂密度随温度的变化。计算结果：慢化剂温度从0℃到80℃，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为2.8569mk和2.8397mk，详细结果见图6。

图6 慢化剂温度变化引起的反应性变化Fig.6 Reactivity change due to change of moderator temperature

3.4 冷却剂重水纯度反应性

冷却剂重水纯度的参考值为99.00%，本文计算了97.00%、97.25%、97.50%、97.75%、98.00%、98.25%、98.50%、98.75%、99.00%、99.25%、99.50%。计算结果：冷却剂重水纯度从97.00%到99.50%，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为2.0901mk和2.1150mk，详细结果见图7。

图7 冷却剂重水纯度变化引起的反应性变化Fig.7 Reactivity change due to change of coolant D2O purity

3.5 慢化剂重水纯度反应性

慢化剂重水纯度的参考值为99.833%，本文计算了98.00%、98.25%、98.50%、98.75%、99.00%、99.25%、99.50%、99.75%、99.833%、100.00%。计算结果：慢化剂重水纯度从98.00%到100.00%，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为60.8247mk和61.0576mk，详细结果见图8。

图8 慢化剂重水纯度变化引起的反应性变化Fig.8 Reactivity change due to change of moderator D2O purity

3.6 硼浓度反应性

硼浓度的参考值为0ppm，本文计算了0ppm、1 ppm、2 ppm、3 ppm、4 ppm、5 ppm、6ppm、7 ppm、8 ppm、9 ppm、10 ppm。计算结果：硼浓度从0 ppm到10 ppm，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为-74.3528 mk和-74.5637 mk，详细结果见图9。

图9 硼浓度变化引起的反应性变化Fig.9 Reactivity change due to change of moderator Boron concentration

3.7 钆浓度反应性

钆浓度的参考值为0 ppm，本文计算了0ppm、0.25ppm、0.50ppm、0.75ppm、1.0ppm、1.25ppm、1.50ppm、1.75ppm、2.0ppm、2.25ppm、2.50ppm、2.75ppm、3.0ppm。计算结果：钆浓度从0ppm到3.0ppm，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为-76.2898mk和-76.5114mk，详细结果见图10。

图10 钆浓度变化引起的反应性变化Fig.10 Reactivity change due to change of moderator Gadolinium concentration

3.8 冷却剂空泡反应性

冷却剂产生空泡时，随着空泡份额的增加，冷却剂密度逐渐减小，直到最后冷却剂全部消失，密度变为0。冷却剂密度的参考值为0.8079g/cc，本文计算了0 g/cc、0.1 g/cc、 0.2 g/cc、0.3 g/cc、0.4 g/cc、0.5 g/cc、0.6 g/cc、0.7 g/cc、0.8079g/cc，计算过程中假定冷却剂温度不变。计算结果：冷却剂密度从0 g/cc到0.8079g/cc，37R燃料和37M燃料的反应性变化分别为-15.9994mk和-16.0492mk，详细结果见图11。

4 结论

图11 冷却剂空泡变化引起的反应性变化Fig.11 Reactivity change due to change of coolant voiding

本文利用WIMS程序和RFSP程序，定量分析了37R燃料和37M燃料在反应性方面的差异，计算了K∞与燃耗的关系，以及燃料温度反应性、冷却剂温度反应性、慢化剂温度反应性、冷却剂重水纯度反应性、慢化剂重水纯度反应性、硼反应性、钆反应性、空泡反应性等参数。计算结果表明37R燃料和37M燃料在反应性方面的差异很小，可以忽略。

[1] Qinshan CANDU6 Fuel Design Manual, 37-Element Bundles Rev.2, 98-37000-DM-001, AECL, 2000.

[2] Joo Hwan Park, Jong Yoeb Jung, Eun Hyun Ryu. CHF Enhancement of Advanced 37-Element Fuel Bundles [J]. Science and Technology of Nuclear Installations，Volume 2015，2015.

[3] CANDU 6 Generating Station Physics Design Manual Rev.1, 98-03310-DM-001, AECL, 1999.

[4] S.R.Douglas,“WIMS-AECL release 2-5d user’s manual,” COG-94-52(Rev.4), FFC-RRP-299, AECL, 2000.

[5] Altiparmakov D V. WIM S-AECL Theory Manual[M], COG 00-77, AECL. 2001.

[6] A.S. Gray, RFSP-IST Theory Manual, AECL, 2001.11.

[7] W.Shen, D.A. Jenkins, RFSP-IST User’s Manual, AECL, 2001.7.

ReactivityComparisonBetween37Rand37MFuelforCANDU6Reactor

LIUZhong-guo

(CNNP Nuclear Power Operations Management Co. Ltd., Zhejiang 314300, China)

The center element of 37R fuel has a relatively small flow area compared to the other elements, which causes the thermal-hydraulic margin of center element relatively lower. For 37M fuel, it reduces the diameter of the center element, which can increase the thermal-hydraulic margin of the center element and the whole fuel bundle. In this study, the reactivity differences between these two fuels is quantitatively analyzed from reactor physics aspect, with WIMS code and RFSP code, for temperature coefficient, void coefficient, heavy water purification coefficient and moderator poison coefficient. The result shows that 37R fuel and 37M fuel have small reactivity coefficient difference.

37R fuel；37M fuel；reactivity；void coefficient；

2017-03-20

刘忠国(1975—)，男，四川梁平人，高级工程师，现从事秦山CANDU6重水堆的换料管理工作

TL48

：A

：0258-0918(2017)04-0572-05