基于SARAX 程序的铅冷快堆堆芯优化设计

李 想，肖会文，刘国明，杨海峰

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

关键字：铅冷快堆；SARAX；增殖堆芯优化；增殖比

铅冷快堆作为国际原子能机构推荐的第四代先进反应堆堆型之一，除了具有更高的安全性外，另一大突出的优势，是由于其更硬的中子能谱，可以更有效地实现核燃料的增殖和核废料的处理[1-3]。近年来，铅冷快堆越来越受到国内外机构的重视，如俄罗斯的SVBR-100、BREST-OD-300 铅冷快堆，美国的SUPERSTAR堆，欧盟的 ELFR 示范堆，中国的铅冷快堆CLEAR-I、CIADS、M～2LFR-1000、SNCLFR-100 等[4-8]。如何提高反应堆的增殖性能，更好地利用核燃料，一直是铅冷快堆堆芯优化设计中的关键。因此，在铅冷快堆的设计优化中，保证堆芯增殖比（BR）尽可能的大，这样才可以使核燃料在核燃料循环中达到可持续使用的目的。

本文选取了国内某铅铋冷快堆作为研究对象，从燃料选型及富集度、屏蔽材料的布置、反射材料的布置等方面对原堆芯进行优化，得到了可以提高堆芯增殖比的设计方案，可为铅冷快堆的堆芯优化设计提供参考。

1 计算模型

本文针对铅冷快堆堆芯的建模计算使用了西安交通大学开发的快中子反应堆中子学计算分析软件包SARAX 程序[9,10]。铅冷快堆堆芯[11]如图1 所示。

图1 堆芯示意图Fig.1 The schematic of the reactor core

堆芯由379 组六角形组件栅元组成，包括内区燃料组件、外区燃料组件、控制棒组件、紧急停堆棒组件、反射组件以及屏蔽组件。采用铅铋合金作为冷却剂，UO2作为燃料，按照不同富集度燃料组件呈内、外两区布置，内区235U 富集度为 16.00%，外区235U 富集度为19.75%。燃料活性区高度90 cm，上部布置气腔区，活性区外再布置反射组件和屏蔽组件。堆芯额定热功率为 30 MW，额定电功率为10 MW，寿期内不倒料或换料，堆芯目标寿期为满功率连续运行6 年。堆芯容器内外直径分别为 116.0 cm 和 118.0 cm，堆芯总高度为215.0 cm，循环初时堆芯内总的重核素装载量为5.89 t。

采用SARAX 程序对堆芯进行计算，表1中给出了堆芯参数的计算结果，可以看出采用传统的UO2燃料时，虽可以满足堆芯寿期长度达到6 年的要求，但经过计算发现，堆芯的转换比（CR）只能达到0.6，并不能充分地利用核燃料资源。为进一步提升堆芯核燃料的增殖能力，必须对堆芯装载进行优化。

表1 堆芯参数计算结果Table 1 Results of the reactor core parameters

2 堆芯优化方案

2.1 组件的优化

为了提高堆芯增殖比，使用混合氧化物（MOX）燃料代替传统的UO2燃料。堆芯内部依旧采取不同富集度的内、外两区燃料布置设计，燃料组件分为两种，均使用MOX 燃料，由贫化度为0.3%的贫铀和钚的氧化物混合而成，钚的同位素成分见表2 所示。

表2 钚的同位素成分Table 2 The component of plutonium isotopes

为了提升燃料的增殖能力，还需要在堆芯中布置增殖材料来进行U-Pu 的增殖转换，提高堆芯整体的增殖比。增殖材料通常可布置在燃料区的上部、下部形成轴向转换区或增殖区，也可布置在燃料的径向周围区域，形成径向转换区。根据图1 中堆芯的布置，可在燃料组件、屏蔽组件和反射组件内布置增殖材料，实现增殖比BR 的提升，如图2 所示。其中，增殖材料选用0.3%的贫铀。

图2 优化后的组件示意图Fig.2 The schematic of optimized assembly

对于燃料组件，在原燃料组件设计方案的基础上，上下封头、上下反射层不变，将原燃料区高度减小至50 cm，同时缩小上方气腔区高度，并在燃料区下方以及气腔区和燃料区之间布置增殖材料，构成轴向转换区。此时燃料区下方为下转换区，高度固定为20 cm；燃料区上方为上转换区，高度至少为20 cm，随着方案的调整上转换区高度也将有所调整。为提高堆芯增殖比，在部分反射组件中布置增殖材料形成径向转换区。堆芯最外层布置了屏蔽组件，用于减小堆芯中子泄漏率，降低辐射，保证反应堆运行安全。在原有的屏蔽组件的基础上，将其中部分的屏蔽材料B4C 替换为增殖材料，形成径向转换区组件。既可以起到中子的吸收作用，也可以转换238U 为Pu 元素，提高燃料利用率，其中径向转换区的高度与优化后燃料组件的活性区高度保持一致。

2.2 堆芯优化方案与结果分析

堆芯改用MOX 燃料，并在内外两区燃料组件中布置上下转换区，同时在屏蔽组件中布置径向转换区。对于堆芯的两圈反射组件，将内圈的54 组反射组件也布置径向转换区，优化后的堆芯如图3 所示。其中，堆芯内外区所有的燃料组件，相比于优化前都引入了增殖材料，此时相对于堆芯的MOX 燃料活性区，燃料组件的增殖材料位于燃料活性区的上方和下方，相当于在堆芯中构成了轴向增殖区。堆芯原有的两圈反射组件，外圈的反射组件保持不变，在内圈的反射组件中布置增殖材料。堆芯所有的屏蔽组件中也布置了增殖材料。此时反射组件和屏蔽组件中的增殖材料位于MOX 燃料活性区的外部，相当于在堆芯中构成了径向增殖区。

图3 优化后堆芯示意图Fig.3 The schematic of the optimized core

反射组件的减少，增大了堆芯中子的泄漏率，为维持堆芯寿期长度，需对燃料区组件PuO2含量进行调整。通过对内外燃料区PuO2含量进行方案组合筛选，得到调整后PuO2的质量含量：内区25.05%，外区30.50%。下转换区高度保持20 cm 不变，燃料区高度保持在50 cm 不变，增加燃料组件的上转换区高度，屏蔽组件和反射组件中径向转换区高度始终与燃料组件的燃料区和上下转换区高度总和保持一致。如表3 中所示，从方案1 到方案10，堆芯活性区高度、增殖材料的含量逐渐增加。对这10 种方案开展在6EFPY（满功率年）内的全寿期燃耗计算。

表3 优化组件的主要高度参数Table 3 The main height parameters of the optimized assembly

堆芯的径向功率峰因子是描述组件功率分布展平程度的重要参数，也是堆芯优化的一项重要研究对象，表4 给出了从方案1 到方案10中，堆芯径向功率峰因子计算结果。从结果中可看出优化后的堆芯径向功率峰因子会比优化前有所降低，而10 种优化方案的堆芯径向功率峰因子基本没有差别，从功率展平程度上优化度相同。

表4 堆芯径向功率峰因子Table 4 The radial power peaking factor of the core

表5 给出了堆芯各部分材料和整体的增殖比计算结果，从中可知：

表5 堆芯的增殖比Table 5 The breeding ratio of the core

（1）10 种方案全寿期堆芯整体的增殖比都满足BR≥1 的优化目标。

（2）当活性区高度达到120 cm 后（方案7），随着增殖材料高度继续增加，堆芯整体的BR始终为1.15，不再继续升高。为保证燃料组件的燃耗深度，需保证气腔高度，综合考虑堆芯整体增殖比和燃料组件气腔高度，推荐使用方案 7，即堆芯活性区高度 120 cm，气腔高度45 cm 的优化方案。

为分析优化方案的可行性，进一步与原堆芯方案开展堆芯寿期长度、堆芯燃料组件kinf分布、堆芯功率分布以及寿期末的燃耗分布进行比较分析，结果如表6 和图4 所示。

表6 堆芯的寿期长度Table 6 The life length of the reactor core

图4 优化前后堆芯其他参数分布Fig.4 Other parameter distribution of the reactor core before and after optimization

从表6 中堆芯寿期长度的结果可以看出，由于在优化方案中内外两区燃料的PuO2含量在25%以上，使堆芯在相同运行时间下的keff相比于优化前有所升高。虽然增殖材料替换了优化前方案的部分燃料，使得燃料区的体积有所减小，但优化后堆芯在6EFPY 全寿期内的燃耗深度从之前的10.831 GWd/tU 增加到了20.298 GWd/tU。

通过图4 中对堆芯功率分布和燃耗分布结果比较可知，优化后燃料组件的最大燃耗也由优化前的14.76 GWd/tU 增加到了29.4 GWd/tU。

3 结论

为提高国内某铅冷快堆堆芯的增殖比，本文采用SARAX 程序对不同堆芯方案进行了设计分析，形成了优化方案。优化方案的增殖比BR 为：寿期初1.15，寿期末1.20；堆芯的燃耗深度为20.298 GWd/tU，能够达到6EFPY 的寿期目标；堆芯功率峰因子、堆芯功率分布、燃耗分布计算结果等都可初步满足优化设计的要求。本文得到的结论，可为铅冷快堆优化设计提供参考。