百万千瓦环形燃料堆芯方案初步设计

吕 牛，夏兆东，张 庚

（中国原子能科学研究院 反应堆工程技术研究所，北京 102413）

环形燃料是一种由内、外两层包壳和环形燃料芯块构成的新型燃料元件，元件内部增加了冷却剂通道，相比于现有的实心燃料元件，减少了热传导路径、增加了元件的传热面积，因此，在相同功率水平下，环形燃料元件的温度要低于实心燃料元件[1,2]，一定程度上增加了核电站的安全性。同时，由于燃料温度的降低，从而减少了裂变气体的释放量，为提高组件的燃耗提供了可行性。

美国麻省理工学院（MIT）的研究结果显示，环形燃料在保持或增进现有反应堆安全裕量的前提下，可提升堆芯功率密度30%或更高，显著提高了核电厂的经济性[3]，韩国原子能机构（KAERI）计划使用环形燃料提升现役OPR-1000 堆芯功率密度20%[4]，环形燃料应用于压水堆将具有广阔的发展前景。本工作采用CASMO5/SIMULATE5 程序包对环形燃料组件物理特性进行了计算与分析，在此基础上进行百万千瓦堆芯环形燃料管理方案设计研究。

1 设计准则与程序

1.1 设计目标与准则

环形燃料堆芯燃料管理设计准则参考了实心燃料棒堆芯[5]，且对这些设计准则进行了安全分析，满足工程化设计安全要求。

（1）长周期平衡循环长度不小于450 有效满功率天（EFPD）；

（2）平衡循环堆芯换料燃组件的235U 富集度限值不超过5%；

（3）最大卸料组件燃耗限值不超过52 GW·d·tU-1（燃料包壳为M5 合金）；

（4）焓升因子（FΔH）≤1.65（包括11.4%的不确定性）；

（5）热点因子（FQ）≤2.45（包括11.7%的不确定性）；

（6）寿期初（BOL）、热态零功率（HZP）、零氙、控制棒全部提出堆芯状态下（ARO），慢化剂温度系数必须为负值或零，使堆芯具有负反馈特性；

（7）寿期末（EOL）停堆裕量≥3 300 pcm。

1.2 设计程序

本设计中，采用从美国Studsvik 公司引进的 CASMO5/SIMULATE5 程序包进行计算分析，该程序包经过升级开发，可以模拟实心燃料和环形燃料[6,7]。

2 堆芯设计

2.1 组件设计

与传统的实心燃料元件相比，环形燃料元件的径向尺寸有所增加，内部增加了冷却剂通道，如图1 所示。

从核电站自身的安全性考虑，在组件设计中，首先要确保组件具有负的慢化剂温度系数。组件的慢化剂温度系数与元件栅距相关，为了研究环形燃料组件的慢化特性，计算了不同235U 富集度燃料棒在不同栅距下的无限增殖系数（kinf），如图2 所示。计算状态为热态、零功率，冷却剂温度取 285 ℃，冷却剂压力取15.5 MPa。

如图2 所示，不同235U 富集度燃料元件kinf随栅距的增加先变大、后减小，这是因为燃料元件随着栅距的增大逐渐由欠慢化状态达到最佳慢化，之后进入过慢化区域。因此，本次组件的燃料元件栅距确定为1.642 cm，均小于其最佳慢化栅距，所有组件均处于欠慢化区域，这为反应堆具有负慢化剂温度系数提供了先决条件。

对于不同燃料棒，最佳栅距随着235U 富集度的增加而变大，这是因为高富集度的燃料棒中235U 含量多，只有在更大栅距条件下才能达到最佳H/235U，也即是最佳慢化。

环形燃料元件、导向管和仪表管以1.642 cm 为栅距，它们按13 × 13 方阵排列成正方形栅格组成一个组件，如图3 所示。环形燃料组件包括160 根燃料棒（部分载有钆可燃毒物）、8 根M5 合金材料的导向管和1 根M5 合金材料的仪表测量管，冷态时燃料组件对边距为21.504 cm。

为了展平功率、抑制寿期初大量剩余反应性，本次设计中选用了分别含0 根、4 根、8 根、12 根可燃毒物棒的组件，可燃毒物棒为UO2-Gd2O3混合燃料棒。在循环中期，由于可燃钆的消耗释放反应性导致含钆燃料棒变成“热棒”，故含钆燃料棒需采用较低的富集度确保FΔH不会超限值。Gd2O3在钆棒中含量既要达到展平功率、抑制寿期初剩余反应性的目的，又要考虑寿期末不能有大量残留而影响循环长度，经过多次迭代优化，燃料组件的235U 富集度与可燃毒物参数如表1 所示。

表1 组件类型Table 1 Assembly types

2.2 堆芯描述

该环形燃料反应堆堆芯装载177 盒燃料组件，堆芯活性段高度（冷态）为365.76 cm，等效直径为323 cm，堆芯参数如表2 所示。反应堆共布置84 束控制棒。

表2 堆芯参数Table 2 Core parameters

2.3 堆芯燃料管理设计

根据1.1 节的设计准则与目标要求，初步设计该燃料管理方案首堆循环长度为年换料，经历3 个循环过渡到长周期平衡循环，为了实现该目标，经过多次优化，首先确定了首循环堆芯布置，如图4 所示，首循环堆芯组件采用3区装载，3 区组件的235U 富集度分别为2.1%、2.8%、3.6%，组件数目分别是73 盒、56 盒、48 盒。在部分燃料组件中布置了4 根、8 根钆棒，整个堆芯共使用404 根。为了避免功率峰超设计准则，高富集度组件布置在堆芯外部区域，较低富集度的两种组件交错的布置在堆芯内部区域。

从第2 循环开始历经3 个过渡循环至第5循环达到平衡，新燃料采用235U 富集度4.95%或5.5%的组件，含钆燃料棒的数目有4 根、8 根、12 根三种类型。为了研究换料组件数、富集度对平衡循环长度、卸料燃耗的影响，本次针对平衡循环堆芯布置设计了三个方案，如图5 所示。

方案一每次换料组件数为72 盒，其中4904类型16 盒，4908 类型20 盒，4912 类型36 盒；方案二每次换料组件数为72 盒，其中5504 类型20 盒，5508 类型16 盒，5512 类型36 盒；方案三每次换料组件数为81 盒，其中4904 类型16 盒，4908 类型12 盒，4912 类型53 盒。

3 计算结果

3.1 组件kinf

图6（a）比较了环形燃料组件与实心燃料组件kinf随燃耗变化曲线，相同组件栅距、相同235U 富集度情况下，环形燃料组件的kinf低于实心燃料组件，这是因为环形燃料元件内部增加了冷却剂通道，导致环形燃料组件235U 装载量少于实心燃料组件。因此，实现相同的燃料管理策略情况下，环形燃料组件235U 富集度要高于实心燃料组件，通过二者的比对可以为环料燃料组件富集度的选择提供参考。

以235U 富集度4.95%的环形组件为例，图6（b）比较了含不同钆棒数目组件kinf随燃耗的变化，在燃耗初期，kinf出现快速减小，该现象是由于135Xe 浓度在燃耗初期很快增加并趋于饱和，使得组件kinf在短时间内发生了较大变化，之后随着燃耗增加，可裂变材料减少，kinf逐渐降低。对于含钆组件，其含钆棒数目越多，燃耗初期其kinf也就越小，在燃耗达到18 GW·d·tU-1之后，组件中的155Gd、157Gd接近消耗完毕，不同含钆棒组件的kinf逐渐趋于一致。

以4912 类型的环形燃料组件为例，图6（c）研究了钆棒中Gd2O3不同含量对组件kinf的影响。燃耗初期，由于135Xe 浓度增加使得kinf出现快速减小，之后随着燃耗增加，组件中的可燃钆的消耗释放的大量反应性，使得kinf随燃耗增加出现先升高、后降低的现象，kinf拐点即所谓的“钆峰”，“钆峰”的出现意味着组件中毒物钆基本消耗完毕。从图中可以看出，由于组件中Gd2O3不同，其出现“钆峰”的燃耗点也不同，Gd2O3含量越高，“钆峰”对应的燃耗点越大，因此，在进行堆芯燃料管理设计时，应选择合适的Gd2O3含量，尽量避免经历一个燃料循环的组件中毒物钆的残留影响循环长度。

本次堆芯燃料管理设计的平衡循环燃耗大于18 GW·d·tU-1，因此，选用Gd2O3的含量为10%不会对循环长度造成大的影响。

3.2 堆芯物理参数

表 3 比较了三种方案堆芯平衡循环的主要物理参数（包括循环长度、卸料燃耗、焓升因子、热通道因子、慢化剂温度系数、临界硼酸浓度、停堆裕量等）。

表3 平衡循环堆芯物理参数Table 3 Equilibrium cycle core physical parameters

（1）方案一，平衡循环长度430EFPD 略小于设计目标外，其余参数均满足设计目标与准则；

（2）方案二，平衡循环组件富集度、卸料燃耗超出设计准则，其余参数均满足设计目标与准则；

（3）方案三，所有参数均满足设计目标与准则。

表3 结果表明，同一富集度下，循环长度随组件单批次换料盒数的增加而增加，卸料燃耗随单批换料盒数的增加而减少；在相同单批次换料盒数情况下，循环长度随组件富集度增加而增加。因此需要统筹考虑循环长度、燃料富集度与卸料燃耗后选择一个合适方案。通过对上述三个方案优缺点的比较，目前设计限值条件下，方案三符合设计目标与准则。

4 结论

应用CASMO5/SIMULATE5 程序包，对环形燃料的物理特性进行了分析计算，从燃料组件慢化特性、组件kinf随燃耗变化规律出发研究了元件栅距、235U 富集度和可燃毒物含量的合理性。在此基础上进行了百万千瓦环形燃料管理方案初步设计，通过对新燃料和乏燃料优化布置，分别给出了72 盒和81 盒换料新组件平衡循环的燃料管理方案，通过对不同设计方案进行比较，得出结论如下：

目前的组件富集度、卸料组件燃耗限值条件下，方案三换料81 盒新组件的方案主要堆芯物理参数满足设计目标与准则。