液態(tài)金屬控制緊湊型壓水堆概念設(shè)計(jì)研究

夏榜樣，秦 冬

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610041）

緊湊型壓水堆的用途非常廣泛，如：邊遠(yuǎn)地區(qū)及海上供電、低溫供熱、海水淡化等。為了降低成本，提高其經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的換料周期以及簡(jiǎn)化堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成為了緊湊型壓水堆的重要研究課題。

緊湊型壓水堆主要采用固體控制棒進(jìn)行反應(yīng)性控制，并不采用核電站可溶硼系統(tǒng)，主要是為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速靈活的反應(yīng)堆運(yùn)行控制。但反應(yīng)堆壓力容器頂蓋所容納的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是非常有限的，換而言之，通過(guò)增加控制棒束數(shù)量來(lái)延長(zhǎng)堆芯壽期的裕量較小。此外，堆芯核設(shè)計(jì)還必須滿足苛刻的“卡棒準(zhǔn)則”。

對(duì)于安裝在壓力容器頂蓋上的控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)桿與處于數(shù)米外堆芯中的控制棒組件鏈接，活性區(qū)高度為1.5m的堆芯，從上到下驅(qū)動(dòng)線的總高度一般在7m以上。因而，控制棒也是緊湊型壓水堆進(jìn)一步降低高度、減小體積的最大障礙之一。

液態(tài)金屬控制是一種無(wú)固體控制棒的新型反應(yīng)性控制概念[1］，其采用具有較大吸收截面的低溶點(diǎn)合金（如銦鎘合金）作為中子吸收體代替固體控制棒，在冷態(tài)工況下為固體，在熱態(tài)運(yùn)行工況下為液體。

2003年在西班牙召開(kāi)的先進(jìn)核電國(guó)際會(huì)議上，法國(guó)科學(xué)家EMIN Michel[1］首次提出將液態(tài)金屬作為中子吸收體代替固體控制棒，隨后設(shè)計(jì)了液態(tài)金屬控制方案，命名為MP98系統(tǒng)，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

20世紀(jì)80年代，美國(guó)通用電氣在其S7G陸上模式堆中也開(kāi)展了類似控制方法研究。在堆內(nèi)布置大量鉿管，當(dāng)管內(nèi)充滿水時(shí)，大量快中子被慢化為熱中子，鉿管吸收能力增強(qiáng)，引入所需負(fù)反應(yīng)性。通過(guò)泵將鉿管內(nèi)的水抽到堆芯上方儲(chǔ)水箱，降低慢化能力，引入所需正反應(yīng)性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但可靠性較差。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于液態(tài)金屬反應(yīng)性控制方法及其在緊湊型壓水堆上的應(yīng)用研究較少，尚處于起步階段。

液態(tài)金屬反應(yīng)性控制在正常運(yùn)行工況下，通過(guò)內(nèi)部的壓縮氣體，將其壓入或移出堆芯，從而實(shí)現(xiàn)堆芯功率調(diào)節(jié)、停堆、燃耗補(bǔ)償和軸向功率展平等由固體控制棒完成的功能。在事故工況下，依靠?jī)?nèi)部?jī)?chǔ)存的氣體，快速將液態(tài)中子吸收體注入堆芯，實(shí)現(xiàn)緊急停堆。因此，該控制方法從根本上解決了固體控制棒系統(tǒng)因采用機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的諸多技術(shù)問(wèn)題，如：因?qū)驒C(jī)構(gòu)變形等因素引起的卡棒事故，因主回路密封邊界破壞等因素引起的彈棒事故，從而使緊湊型壓水堆核設(shè)計(jì)擺脫“卡棒準(zhǔn)則”的嚴(yán)格限制，堆芯裝載方案更為合理，設(shè)計(jì)性能得以提高。反應(yīng)堆頂部和上部幾乎變空，上封頭大量穿孔數(shù)量大幅縮減，反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)及其整體設(shè)計(jì)得以極大簡(jiǎn)化，堆芯高度明顯降低。

因此，開(kāi)展液態(tài)金屬反應(yīng)性控制方法及其在緊湊型壓水堆中的應(yīng)用研究，對(duì)于進(jìn)一步簡(jiǎn)化緊湊型壓水堆的堆芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，豐富其反應(yīng)性控制方法，提高其設(shè)計(jì)性能具有重要意義。

1 系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

本文針對(duì)緊湊型壓水堆，以法國(guó) MP98[1］系統(tǒng)為參考，初步設(shè)計(jì)了如圖1所示的緊湊型壓水堆液態(tài)金屬反應(yīng)性控制系統(tǒng)。

圖1 液態(tài)金屬反應(yīng)性控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of liquid metal reactivity control system

與法國(guó)的 MP98[1］系統(tǒng)相比，在本文提出的設(shè)計(jì)方案中，燃料組件的每個(gè)吸收體導(dǎo)管均構(gòu)成了一個(gè)完整回路，而且回路之間相互并聯(lián)，毛細(xì)氣管、吸收體儲(chǔ)罐、貯氣管、減壓閥組等部件均封裝在組件上部構(gòu)件中，大幅減小了這些部件的破損概率，系統(tǒng)的可靠性更高。該控制系統(tǒng)體積小，可將其同時(shí)應(yīng)用于堆內(nèi)所有組件，圖2為應(yīng)用該系統(tǒng)的組件示意圖。

1.1 系統(tǒng)描述

本文提出的液態(tài)金屬反應(yīng)性控制系統(tǒng)代替導(dǎo)向管構(gòu)成組件骨架，主要包括四部分：

圖2 液態(tài)金屬控制組件示意圖Fig.2 Schematic Diagram of fuel assembly with liquid metal control system

1）位于活性區(qū)的吸收體導(dǎo)管。導(dǎo)管底部相互連接，防止某個(gè)導(dǎo)管失效。毛細(xì)液管連接吸收體儲(chǔ)罐，并插入導(dǎo)管底部，毛細(xì)氣管位于導(dǎo)管最頂端，另一端位于電控閥和減壓閥之間。組件內(nèi)可注入液態(tài)金屬導(dǎo)管數(shù)量取決于其用途，若用于停堆或燃耗補(bǔ)償，需要引入較大的反應(yīng)性控制能力，則所有導(dǎo)管內(nèi)均可注入，若用于功率調(diào)節(jié)或軸向功率形狀修正，部分導(dǎo)管注入即可。

2）吸收體儲(chǔ)罐及探測(cè)器。每個(gè)吸收體儲(chǔ)罐內(nèi)均設(shè)置液位、壓力探測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)注入或排出堆芯的液態(tài)金屬體積，從而計(jì)算出各組件吸收體導(dǎo)管內(nèi)的液位高度。

3）貯氣罐及減壓閥組。貯氣罐內(nèi)氣體具有較高的壓力，在緊急停堆時(shí)，能將液態(tài)金屬快速注入堆芯，引入足夠的負(fù)反應(yīng)性。減壓閥組由兩個(gè)單向減壓閥并聯(lián)組成，形成用于液態(tài)金屬注入或移出堆芯的壓差。正常運(yùn)行工況下，貯氣罐內(nèi)壓力取決于吸收體注入堆芯的速率，以及控制系統(tǒng)所承載的最大壓力。

4）外部泄壓罐、電控閥及氣源。在啟堆或運(yùn)行過(guò)程中，需要?dú)庠聪蛳到y(tǒng)內(nèi)注入氣體并達(dá)到一定壓力，以排出堆內(nèi)的中子吸收體。當(dāng)停堆或降功率時(shí)，打開(kāi)電控閥，系統(tǒng)內(nèi)的氣體泄到外部泄壓罐中，部分中子吸收體從儲(chǔ)罐注入堆芯。在進(jìn)行停堆換料時(shí)，泄壓罐恢復(fù)為常壓，關(guān)閉各子系統(tǒng)的電控閥，解除外邊連接管與燃料組件上封部件中“連接頭”的連接。

此外，在如圖2所示系統(tǒng)控制組件中，“支撐板”除了起到“上管座”的作用之外，冷卻劑還需要通過(guò)“支撐板”橫向流出堆芯?！斑B接頭”用于外部氣源、探測(cè)器與組件相互連接。

1.2 功能描述

在冷停堆狀態(tài)，堆內(nèi)所有導(dǎo)管均充滿固態(tài)中子吸收體，控制系統(tǒng)壓力高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的完整性和密閉性。在堆芯預(yù)熱之前，將系統(tǒng)壓力緩慢提升至備用壓力，再將堆芯預(yù)熱至中子吸收體熔點(diǎn)（銦鎘合金為120℃）以上，成為液態(tài)金屬后再進(jìn)行系統(tǒng)操作。

在啟堆過(guò)程中，首先利用外部氣源向用于停堆的子系統(tǒng)注入氣體，提升壓力，依靠減壓閥形成的壓差，將此類子系統(tǒng)位于堆內(nèi)的液態(tài)中子吸收體移出，回流至組件頂部的儲(chǔ)罐中。當(dāng)停堆子系統(tǒng)內(nèi)所有吸收體均移出堆芯，而且壓力達(dá)到預(yù)定值，關(guān)閉停堆子系統(tǒng)的電控閥，再將其泄壓罐內(nèi)的壓力降至初始?jí)毫?，此時(shí)停堆子系統(tǒng)處于備用狀態(tài)，打開(kāi)電控閥即可實(shí)現(xiàn)快速停堆。采用類似操作，將燃耗補(bǔ)償子系統(tǒng)內(nèi)的中子吸收體逐步移出堆芯。

在升降功率過(guò)程中，直接利用外部氣源提升或降低功率調(diào)節(jié)子系統(tǒng)壓力，從而移出或注入中子吸收體，補(bǔ)償功率變化引起的反應(yīng)性變化。

若需要進(jìn)行正常或緊急停堆時(shí)，打開(kāi)所有控制系統(tǒng)電控閥，依靠貯氣罐內(nèi)的壓力即可實(shí)現(xiàn)快速停堆。任意子系統(tǒng)回路發(fā)生破損，其壓力即迅速下降，中子吸收體也會(huì)快速注入堆芯。

2 反應(yīng)性控制能力分析

2.1 堆芯方案

為了說(shuō)明液態(tài)金屬控制系統(tǒng)的反應(yīng)性控制能力，本文設(shè)計(jì)了如下堆芯方案進(jìn)行分析。

堆芯熱功率為180MW，一回路系統(tǒng)壓力為15.5MPa，出入口溫度為330℃／290℃，堆芯平均溫度為310℃。

組件吸收體導(dǎo)管為304不銹鋼，選用銦鎘合金作為中子吸收體，密度為7.95g／cm3，系統(tǒng)氣體為氦氣。由于液態(tài)合金被移出組件后，導(dǎo)管內(nèi)為氣體，不會(huì)形成局部慢化效應(yīng)。為了提高反應(yīng)性控制能力，導(dǎo)管占用多個(gè)柵元位置。圖3為燃料組件示意圖。采用14×14方形排列，共設(shè)置了4個(gè)方形液態(tài)金屬導(dǎo)管，每個(gè)導(dǎo)管占用9個(gè)棒柵位置，對(duì)邊距為37.8mm，壁厚為0.8mm。位于中心區(qū)域的毛細(xì)液管，內(nèi)徑為1.0mm，壁厚為0.4mm。組件共含有160根外徑為φ9.5mm燃料棒，柵距1.26mm，組件中心距177.0mm。燃料棒包殼厚度0.57mm，芯塊直徑8.19mm，包殼材料為Zr－4合金。

圖3 燃料組件示意圖Fig.3 Schematic Diagram of fuel assembly

圖4 堆芯裝載方案示意圖Fig.4 Schematic Diagram of core loading pattern

圖4為堆芯裝載方案以及控制系統(tǒng)分組示意圖。堆芯共由45盒組件組成，其等效直徑為1 340mm，活性區(qū)高度為1 400mm。堆芯共采用了6%和10%兩種富集度。位于堆芯的最外圍且控制系統(tǒng)標(biāo)識(shí)為“S1”的8盒燃料組件，富集度均為10%。其余組件均采用軸向富集度分區(qū)布置，燃料棒下半部70cm富集度為10%，上半部70cm為6%。按照不同使用功能，將控制系統(tǒng)劃分為7組：1）堆芯功率調(diào)節(jié)組P1；2）緊急停堆組S1和S2；3）燃耗補(bǔ)償組B1、B2、B3和B4。正常運(yùn)行情況下，各子系統(tǒng)的液態(tài)金屬高度按以下程序調(diào)節(jié)：1）P1組從140cm降至70cm，即滿功率；2）S1組和S2組依次從140cm降至0；3）B1、B2、B3和B4組依次從140cm降至0。

2.2 計(jì)算程序

本文以 DRAGON[2］、TRIVAC[3］、DONJON[4］為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了LMCDTD程序包，用于液態(tài)金屬控制堆芯概念設(shè)計(jì)研究。DRAGON程序主要用于組件計(jì)算分析及其均勻化，產(chǎn)生堆芯擴(kuò)散－燃耗計(jì)算所需的少群截面參數(shù)。TRIVAC程序采用有限差分或有限元方法進(jìn)行堆芯擴(kuò)散計(jì)算，獲得不同工況下的有效增殖因子keff及三維空間功率分布。DONJON程序主要用于堆芯宏觀燃耗計(jì)算，以及液態(tài)金屬臨界高度自動(dòng)搜索功能。

2.3 計(jì)算結(jié)果

為了保證堆芯擁有足夠的停堆裕量，假設(shè)反應(yīng)性價(jià)值最大的液態(tài)金屬控制子系統(tǒng)失效，其余子系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí)，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)冷停堆。對(duì)于如圖4所示的堆芯裝載方案，其最大反應(yīng)性時(shí)刻為壽期初冷態(tài)工況（20℃），對(duì)任一組件控制系統(tǒng)進(jìn)行失效分析，最大keff僅為0.91，滿足設(shè)計(jì)要求。

壽期初，堆芯冷態(tài)（20℃）和熱態(tài)（310℃）工況下的慢化劑溫度系數(shù)分別為－2.24pcm／℃和－55.6pcm／℃，保證了堆芯具有負(fù)反饋效應(yīng)。

壽期初熱態(tài)工況下，堆芯液態(tài)金屬控制系統(tǒng)總的反應(yīng)性價(jià)值為55 343pcm。上述方案235U 初裝量為402.0kg，壽期末為222.8kg，燃耗壽期可以達(dá)到1 000EFPD，最大功率峰因子為2.69。

3 結(jié)論

針對(duì)緊湊型壓水堆，本文提出了可代替固體控制棒的液態(tài)金屬反應(yīng)性控制方法，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)布置非常靈活、反應(yīng)性控制能力強(qiáng)，并大幅簡(jiǎn)化堆芯結(jié)構(gòu)。通過(guò)180MW堆芯方案計(jì)算分析表明：在擁有足夠停堆裕量條件下，堆芯燃耗壽期可以達(dá)到1 000EFPD，而且最大功率峰因子僅為2.69。因此，液態(tài)金屬控制方法能夠大幅提高緊湊型壓水堆的設(shè)計(jì)性能。

符號(hào)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.