超临界水冷堆MOX燃料组件控制棒特性研究

王 锋，徐 晗，张 晗，任琦颀，周小为

(1.重庆大学动力工程学院，重庆 400030；2.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030)

超临界水冷堆MOX燃料组件控制棒特性研究

王 锋1，2，徐 晗1，张 晗1，任琦颀1，周小为1

(1.重庆大学动力工程学院，重庆 400030；2.重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室，重庆 400030)

超临界水冷堆(SCWR)因具有较高的热效率和较强的经济竞争性等优势引起许多国家和地区的广泛关注。MOX燃料即普通燃料UO2与PuO2的混合陶瓷燃料替换UO2会给SCWR堆芯安全带来一定的不确定性。因而MOX燃料组件的反应性控制与普通燃料有较大差异。论文采用MCNP5软件对SCWR采用传统核燃料与MOX燃料组件的控制棒控制性能进行了分析和对比，结果表明：MOX燃料组件中子能谱硬化，控制棒中硼(B)的丰度越大，控制棒直径越大，其控制效果越理想。控制棒对径向功率峰抑制效果明显，而对轴向功率分布影响较小。计算结果对压水堆新型MOX燃料组件控制棒设计有一定参考意义。

超临界水冷堆；MOX燃料；控制材料；燃料组件；物理分析

超临界水冷堆(SCWR)因具有较高的热效率以及经济竞争性等优势引起许多国家和地区的广泛兴趣[1]。目前针对SCWR装载普通UO2燃料的研究十分广泛，而对MOX燃料，即普通燃料UO2与PuO2的混合陶瓷燃料的研究有待深入[2-5]。SCWR采用MOX燃料，不仅可和平利用钚燃料，降低钚扩散风险，也为军用钚的销毁提供了途径，加速核裁军[6]。MOX燃料的制造和应用有近40年的经验，从20世纪80年代开始国际上对MOX燃料在压水堆上的应用进行了分析并获得较多运行经验[7]。但在SCWR反应堆上采用MOX燃料有一定的技术创新，需要对反应堆堆芯和组件进行设计和研究[8-10]。并且由于MOX燃料替换普通燃料后的性质差异，给堆芯安全带来了极大的不确定性，致使MOX燃料组件的反应性控制与普通燃料有一定差异，所以控制棒材料的选择需进一步优化，其控制特性也需要进一步研究。

1 物理模型

图1 新型组件的控制棒布置Fig.1 The new assembly of SCWR

研究不同棒径的控制棒对MOX燃料组件反应性控制效果，采用17%、30%、50%、90%这4种B丰度的B4C作为控制棒材料。MOX燃料组件的控制棒分布如图1所示。组件边长174.2mm，慢化剂通道边长为38mm，控制棒采用8mm、9mm、10mm、11mm、12mm五种不同棒径，燃料棒直径8mm，燃料棒包壳厚度1mm，材料为Alloy718。MOX燃料采用PuO2和UO2的混合物。PuO2含量为4%，慢化剂采用轻水。采用蒙特卡罗方法对MOX燃料组件的控制材料影响进行分析。

2 结果和讨论

2.1 控制材料对UO2与MOX燃料的控制比较

2.1.1 不同燃料组件对能谱和keff的影响

采用UO2与MOX燃料分别分析其有与无控制棒时的能谱，结果如图2所示。当控制棒插入时，处于高能区的中子变多，低能区中子减少，而UO2替换为MOX燃料时，处于高能区的中子也增加，低能区中子同样减少，插入控制棒会使能谱硬化。对比MOX和UO2燃料的能谱可知，MOX在热中子能区份额较少，而快中子能区份额较高，其能谱相对偏硬，这与其燃料成分Pu的同位素的俘获共振相关。

图2 不同燃料组件中子能谱分布Fig.2 Neutron spectrum distribution of different fuel assembly

进一步采用棒径为8mm、B丰度为自然丰度的控制棒，对4%丰度的UO2和4%丰度的MOX燃料keff值进行计算，如图3所示。由图可见同种丰度B4C控制棒在插入深度较低时对UO2和MOX燃料的控制基本相同，而在插入较深时对UO2的控制强于对MOX燃料的控制。由于Pu的同位素在热能区附近有较大的俘获共振峰，导致组件中子能谱硬化，结果堆芯对热中子吸收效率降低，因而控制棒价值也有所降低。

图3 控制棒对不同燃料组件keff值的控制Fig.3 The control of different fuel assembly keff

2.1.2 MOX与UO2燃料组件功率分布

以自然丰度的B4C为控制棒材料对4%丰度的UO2与MOX燃料组件进行轴向功率控制，结果如图4和图5所示。随控制棒插入深度的变化，两种燃料所得轴向功率变化趋势和分布规律基本一致。在控制棒插入深度为360cm时UO2组件的轴向峰值略大于MOX组件。其中插入深度为60cm和420cm功率分布相似。插入深度60cm时控制棒只影响堆芯上部很小部分的功率，而插入深度是420cm时，影响全堆芯的轴向功率分布，虽然功率大小不同，但分布相似。

图4 UO2燃料轴向功率分布Fig.4 The axial power distribution of UO2 fuel assembly

图5 MOX燃料轴向功率Fig.5 The axial power distribution of MOX fuel assembly

图6为控制棒全部插入时UO2与MOX燃料的径向功率对比，观察图6发现两条曲线接近重合。由此可知MOX燃料代替UO2燃料后控制棒全部插入对径向功率影响不大。

图6 UO2与MOX燃料组件的径向功率分布对比Fig.6 Radial power comparison between UO2 and MOX assembly

2.2 控制棒对MOX燃料组件性能的影响

2.2.1控制棒B4C丰度和棒径对keff值的影响

采用4%丰度的MOX燃料，控制棒棒径为8mm，对不同B4C丰度控制棒进行计算，结果如图7所示。在相同棒径、不同丰度的B4C控制棒插入300cm深以前，对keff的影响并不大；而控制棒继续插入时B4C丰度越高的控制棒其对keff的影响越大。

图7 棒径为8mm的不同B4C丰度控制棒下的keffFig.7 The keff under different B4C abundance at 8 mm diameter control rod

进一步采用4%丰度的MOX燃料，对B4C控制棒不同棒径的影响进行计算，结果如图8所示。随控制棒的插入，对keff起到很好的控制作用，且随插入深度的增加，控制棒控制效果越明显，而在控制棒插入300cm之前，插入深度对keff值的影响很小。对比了30%、50%、90% 的B4C丰度及5种棒径下的keff，发现随控制棒棒径和B4C丰度增加，在其全部插入堆芯时，得到的keff值会减小，说明控制作用更明显。同时可知控制棒在B4C为天然丰度与30%丰度时，即使采用棒径为12mm的控制棒，当其全插时keff值仍大于1。当采用50%与90%丰度B4C时，棒径大于9mm且全插时可使keff值小于1。

图8 自然B4C丰度不同棒径的控制棒的keffFig.8 The keff under natural abundance of B4C control rod

2.2.2控制棒插入深度、棒径和B4C丰度对径向和轴向功率影响

采用4%丰度的MOX燃料，B4C控制棒棒径为12mm，丰度为50%控制棒分为7个插入深度计算，结果如图9所示。在插入深度不变情况下，控制棒插入处栅格，堆芯平均功率功率很低，随着控制棒的插入，堆芯的总体功率下降。当控制棒全部插入时，对堆芯的功率抑制达到最大。

图9 50%丰度B4C控制棒控制下的径向功率Fig.9 Radial power distribution at 50% abundance B4C control rod

采用4%丰度的MOX燃料，控制棒棒径为8mm、9mm、10mm、11mm、12mm，B4C 丰度为90%，控制棒全部插入，结果如图10所示。同种丰度不同棒径下的径向功率分布趋势基本一致，但随着棒径的增加功率越低，抑制作用越强。

图10 同种丰度不同棒径控制棒控制下的径向功率Fig.10 Radial power distribution at same abundance of B4C under different rod diameter

采用4%丰度的MOX燃料，控制棒棒径为8mm，B4C丰度为天然丰度、30%、50%、90%，控制棒全部插入，结果如图11所示。虽然控制棒材料中B4C的丰度不同，但在较小插入深度时，其对功率分布的抑制作用差别不大，在全部插入时两者才有显著区别。B4C丰度高对功率分布的抑制作用更为明显。

图11 同种棒径不同丰度控制棒控制下的径向功率Fig.11 Radial power distribution at different abundance of B4C

进一步分析了控制棒对轴向功率的影响，得到不同控制棒丰度与棒径下轴向功率分布，发现改变控制棒的B4C丰度和棒径对燃料组件的轴向分布趋势影响不大，结果如图12所示。由控制棒插入深度为360cm时三种不同控制棒的控制下轴向功率的分布，可以看出随着控制棒棒径的增加与B4C丰度的提高，轴向功率峰值略有增加。

图12 不同棒径不同B4C丰度控制棒控制下轴向功率Fig.12 Axial power distribution at different diameter and different B4C abundance of the control rod

3 结论

对MOX燃料新型组件的控制棒控制进行了分析，得到以下结论：在同一燃料组件中对比相同丰度UO2与MOX燃料的keff值、轴向功率，径向功率以及能谱分布，发现相同丰度MOX比UO2燃料组件的能谱硬，控制棒对MOX燃料的控制不如对UO2燃料效果好，MOX燃料径向功率峰值略大于UO2燃料组件，但两者径向功率与轴向功率分布相似。相同丰度的MOX燃料在相同B4C丰度、不同棒径控制棒控制下keff值、轴向与径向功率分布结果表明随棒径增加，keff值总体变化趋势相同，当控制棒最初插入时控制作用小，而随着控制棒继续插入，keff值会随控制棒棒径和B4C丰度增大而减小，轴向功率分布随棒径变化不大；径向功率随棒径和丰度的增大而其分布趋势不变，但功率减小，且控制棒插入越深功率越小。由MOX燃料控制棒棒径与其B4C丰度综合考虑，在不添加可燃毒物情况下，控制棒棒径大于8mm且B4C中B丰度大于50%，且当控制棒全部插入时，可使组件keff值小于1。

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NewMOXFuelAssemblyControlofSCWR

WANGFeng1，2，XUHan1，ZHANGHan1，RENQi-qi1，ZHOUXiao-wei1

(1. College of Power Engineering，Chongqing University，Chongqing 400030，China；2. Key Laboratory of Low-grade Energy Utilization Technologies and Systems(Chongqing University)，Ministry of Education，Chongqing 400030，China)

Because of its high thermal efficiency and strong economic competitiveness and other advantages，super-critical water-cooled reactor(SCWR)aroused wide interests in many countries and regions. Replacement of UO2by MOX fuel，which is a mixture of UO2and PuO2will bring uncertainties to SCWR core safety. Reactivity control of the MOX fuel assembly is quite different with that of the ordinary fuel. In this paper，MCNP5 software is used to analyze and compare the control rods of traditional nuclear fuel and MOX fuel in SCWR module. Results show that the MOX fuel has a hardening neutron energy spectrum，the greater the abundance of B in the control rod and the larger the diameter of the rod，the better effect of the control rod. The radial power peak is inhibited，while it has little effect on the axial power distribution. Results are useful for the design of a new MOX fuel assembly control system.

SCWR；MOX fuel；Control material；Fuel assembly；Physical analysis

2017-11-03

中央高校基本科研业务费科研专项(CDJZR10140010)

王 锋(1977—)，男，河北人，副教授，博士，主要从事核能与新能源化工及材料中的热物理问题研究

TL48

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0258-0918(2017)06-1039-06