MOX燃料組件裝入現(xiàn)役M310堆芯對(duì)堆芯核設(shè)計(jì)的影響研究

劉曉黎，宮 宇

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

MOX燃料組件裝入現(xiàn)役M310堆芯對(duì)堆芯核設(shè)計(jì)的影響研究

劉曉黎1，宮 宇2

（1.中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041；2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

國際上的MOX燃料技術(shù)目前已較為成熟，且已有在壓水堆中運(yùn)行的工程經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)MOX燃料組件的中子學(xué)性能進(jìn)行了分析，對(duì)其在我國現(xiàn)役M310堆芯應(yīng)用的可行性進(jìn)行了研究，得到了M310堆芯由全部使用UO2燃料組件向使用30%的MOX燃料組件過渡的堆芯燃料管理方案，并對(duì)使用MOX燃料組件的堆芯的部分中子學(xué)參數(shù)進(jìn)行了初步分析。結(jié)果表明：使用30%的MOX燃料組件的堆芯可達(dá)到與全UO2堆芯相當(dāng)?shù)难h(huán)長度；堆芯反應(yīng)性控制能力可滿足要求；慢化劑溫度系數(shù)、Doppler溫度系數(shù)、Doppler功率系數(shù)、氙和釤的動(dòng)態(tài)特性均趨向使堆芯運(yùn)行更加安全和穩(wěn)定。本文的研究結(jié)果可為MOX燃料在M310堆芯中應(yīng)用的進(jìn)一步研究提供參考。

MOX燃料；M310堆芯；核設(shè)計(jì)

Key words：MOX fuel；M310 reactor core；nuclear design

目前，我國現(xiàn)役壓水堆核電站卸出的乏燃料均存放在乏燃料水池中。隨著我國核電的發(fā)展，乏燃料的長期貯存帶來的種種問題日漸突出，因此，對(duì)乏燃料再利用的研究有著非?，F(xiàn)實(shí)的意義。而將乏燃料處理后制成MOX燃料并放入堆芯再循環(huán)則是非常有效的途徑，不但可提高資源的利用率，同時(shí)還可幫助嬗變乏燃料中半衰期較長的核素，大幅減少乏燃料對(duì)環(huán)境的危害。

從20世紀(jì)80年代開始，國際上就開始研究MOX燃料在壓水堆的應(yīng)用問題，并逐漸在反應(yīng)堆中進(jìn)行使用。目前，比利時(shí)、瑞士、德國、法國和日本等多個(gè)國家已有大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)反饋。

EDF（法國電力集團(tuán)）從1987年開始使用MOX燃料組件，到2010年，共有22個(gè)900 MW的壓水堆機(jī)組擁有了使用MOX燃料組件的許可證。在第3代壓水堆核電站歐洲先進(jìn)壓水堆EPR的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用30%MOX燃料組件的能力是作為核蒸汽供熱系統(tǒng)（NSSS）設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)設(shè)計(jì)來考慮的［1］。法國在超過20座使用MOX燃料的在役核電站中對(duì)反應(yīng)堆啟動(dòng)的物理試驗(yàn)和運(yùn)行過程中的周期試驗(yàn)中，測量了臨界硼濃度、等溫溫度系數(shù)等參數(shù)，計(jì)算值與實(shí)測值的偏差均處于反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和安全分析考慮的許可偏差范圍之內(nèi)。這些經(jīng)驗(yàn)表明，采用MOX燃料的核電站反應(yīng)堆的安全性和運(yùn)行性能達(dá)到了與UO2燃料相同的水平［2］。

雖然MOX燃料組件在國外已有實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但國內(nèi)現(xiàn)役壓水堆能否使用MOX燃料組件，及使用MOX燃料會(huì)給堆芯帶來怎樣的影響等問題仍在不斷研究中，并引起了廣泛的興趣。

本文在現(xiàn)役的典型M310堆芯設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，考慮工程實(shí)際的核設(shè)計(jì)的要求，研究在全UO2堆芯中逐步加入MOX燃料組件，得到在經(jīng)歷數(shù)個(gè)過渡循環(huán)后，MOX燃料組件占總?cè)剂辖M件數(shù)目約30%的平衡循環(huán)的燃料管理設(shè)計(jì)方案及基本計(jì)算結(jié)果，并對(duì)MOX燃料組件加入后對(duì)堆芯的控制參數(shù)、反應(yīng)性系數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)等方面的影響進(jìn)行分析。

1 計(jì)算程序及計(jì)算方法

本設(shè)計(jì)采用新版核程序包SCIENCE V2.3.6g進(jìn)行計(jì)算。該程序包主要由APOLLO2-F和SMART程序組成。

APOLLO2-F程序采用碰撞概率方法進(jìn)行組件輸運(yùn)計(jì)算。SMART是一個(gè)三維兩群堆芯擴(kuò)散-燃耗計(jì)算程序，采用先進(jìn)節(jié)塊技術(shù)，應(yīng)用合理的“不連續(xù)因子”來處理具有較大截面變化或中子通量變化的問題，可對(duì)幾乎所有類型的壓水堆進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況計(jì)算。

SCIENCE程序包為法國阿?，m公司研制的成熟的核程序計(jì)算包，具有豐富的核計(jì)算工程經(jīng)驗(yàn)。在SCIENCE程序驗(yàn)證報(bào)告中給出可支持到平均Pu含量最高為11%的驗(yàn)證計(jì)算［3］，驗(yàn)證報(bào)告中同時(shí)給出了針對(duì)多種平均Pu含量的MOX燃料組件及含MOX燃料組件的堆芯的計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證偏差，結(jié)果表明，雖然MOX堆芯的某些參數(shù)（如功率分布等）可能較全UO2堆芯的偏差更大，但仍滿足程序的不確定性要求。此外，針對(duì)SCIENCE程序與基于MCNP-ORIENGE的蒙特卡羅臨界-燃耗程序MCBurn在MOX燃料組件的計(jì)算能力比較的研究結(jié)果表明，平均Pu含量小于15%的情況下，兩個(gè)程序在低燃耗時(shí)計(jì)算得到的組件keff的相對(duì)偏差?。?.24%）；在燃耗小于52 000 MW· d／t U時(shí)，兩者的相對(duì)偏差小于1.65%。在高燃耗時(shí)兩者的相對(duì)偏差較大主要是由于MCBrun程序所使用的燃耗計(jì)算程序ORIENGE缺少某些核素的燃耗鏈造成的［4－5］。因此，SCIENCE程序包具有MOX燃料組件和含MOX燃料組件的堆芯的計(jì)算能力。

2 MOX燃料組件的組件設(shè)計(jì)和燃料管理

2.1 MOX燃料組件應(yīng)用于堆芯需遵循的依據(jù)和準(zhǔn)則

要將MOX燃料組件裝入現(xiàn)役M310堆芯，要求MOX燃料組件在幾何構(gòu)造上應(yīng)與UO2燃料組件完全相同，這樣使用UO2燃料組件的堆芯無需進(jìn)行任何硬件改造即可向MOX堆芯過渡。

同時(shí)，堆芯的基本特性也不應(yīng)由于MOX燃料組件的使用而產(chǎn)生變化。裝入MOX燃料組件的堆芯應(yīng)遵循現(xiàn)役反應(yīng)堆燃料管理和核設(shè)計(jì)的基本要求，如：平衡循環(huán)的循環(huán)長度應(yīng)達(dá)到要求；堆芯的各種反應(yīng)性系數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)必須使堆芯具有負(fù)反饋；堆芯功率分布必須滿足限值要求；反應(yīng)堆的可溶硼、控制棒等的設(shè)計(jì)必須滿足反應(yīng)性控制的要求等。

本文在嶺澳二期核電工程燃料管理設(shè)計(jì)平衡循環(huán)［4］的基礎(chǔ)上進(jìn)行AFA3G組件（全UO2）堆芯向使用MOX燃料組件的堆芯過渡的燃料管理研究。并將該電站作為參考電站，以便對(duì)MOX堆芯的各種參數(shù)進(jìn)行對(duì)比和評(píng)價(jià)。

本文研究的MOX燃料組件中Pu同位素含量考慮為典型M310堆芯乏燃料中的含量。

2.2 MOX燃料組件設(shè)計(jì)

MOX燃料組件中含有大量的钚同位素，钚同位素與鈾不同的中子性質(zhì)造成了MOX燃料組件與UO2燃料組件的中子學(xué)差異。

MOX燃料中易裂變Pu同位素的熱中子吸收截面較235U的高，其裂變截面和俘獲截面也都大1倍左右。240Pu和242Pu的吸收截面在近熱區(qū)有強(qiáng)的共振峰。因此，MOX燃料的中子能譜偏硬，即在同一功率水平下，其熱中子通量較鈾燃料的要小。這使得MOX燃料組件具有較大的轉(zhuǎn)換比。

圖1示出了平均Pu含量為8.6%的MOX燃料組件與目前M310堆芯中使用富集度為3.2%的AFA3G組件的kinf隨燃耗的變化。由圖1可看出，MOX燃料組件的初始kinf較AFA3G組件的小，隨燃耗變化平穩(wěn)。

圖1 MOX燃料組件與AFA3G燃料組件的kinf隨燃耗的變化Fig.1 Variation of kinfwith burnup for MOX and AFA3G fuel assemblies

由于MOX燃料能譜較硬，在與UO2燃料組件交錯(cuò)布置時(shí)，MOX燃料組件內(nèi)部的中子慢化不如外圍充分，組件外圍燃料棒功率更大，使得MOX燃料與AFA3G燃料交界面處有較大的熱通量梯度。這就要求MOX燃料組件內(nèi)的燃料棒必須按富集度分區(qū)布置，不能像現(xiàn)役M310電站中使用的UO2燃料組件一樣，在整個(gè)組件內(nèi)使用相同富集度的燃料棒，而必須在組件范圍內(nèi)對(duì)燃料棒進(jìn)行分區(qū)布置。

圖2示出了本研究確定的MOX燃料組件的分區(qū)設(shè)計(jì)。組件內(nèi)各區(qū)燃料棒的數(shù)目、分布及Pu含量的選擇應(yīng)使組件放入堆芯后，既不會(huì)在堆內(nèi)引起較大的功率畸變，又具有滿足燃料管理要求的足夠的反應(yīng)性。

圖2 MOX燃料組件的分區(qū)布置Fig.2 MOX fuel assembly radial design

研究結(jié)果表明，分區(qū)布置并未改變組件的平均Pu含量，因此不影響燃料組件的kinf，但對(duì)組件內(nèi)燃料棒的最大功率優(yōu)化效果非常明顯。

2.3 M310堆芯從全UO2組件過渡到部分MOX組件的燃料管理

MOX燃料組件放入堆芯后，需充分考慮不同類型組件之間的相互作用和影響。MOX燃料組件的中子能譜較硬，中子自由程較長，在堆芯中對(duì)周圍的UO2燃料組件提供更多的中子，造成周圍組件功率升高。此外，MOX燃料組件如果裝載在堆芯外圍，對(duì)壓力容器的輻照將會(huì)非常大。本文研究的參考堆芯是一個(gè)outin裝載的高泄漏堆芯，因此在裝入MOX燃料組件的同時(shí)，還需考慮降低堆芯徑向泄漏，改變高泄漏的裝載方式，將MOX燃料組件放置在堆芯靠內(nèi)的位置。

參考堆芯為年換料堆芯，共裝載157個(gè)燃料組件。平衡循環(huán)時(shí)每次換料裝入52個(gè)富集度為3.2%的AFA3G燃料組件。在參考堆芯平衡循環(huán)的基礎(chǔ)上逐步裝入MOX組件。每次換料裝入堆芯44個(gè)新燃料組件，其中12個(gè)為MOX燃料組件，其余為AFA3G燃料組件。經(jīng)歷4個(gè)過渡循環(huán)后達(dá)到平衡循環(huán)。平衡循環(huán)堆芯共裝載48個(gè)MOX燃料組件，約占總組件數(shù)目的30%。圖3示出了平衡循環(huán)的堆芯裝載方案。

表1列出了燃料管理計(jì)算的主要結(jié)果。由表1可見，含MOX燃料組件的堆芯的循環(huán)長度和其他基本參數(shù)與參考堆芯的相當(dāng)。但壽期初臨界硼濃度、慢化劑溫度系數(shù)的絕對(duì)值和最大核焓升因子FΔH均明顯增大。對(duì)于前兩個(gè)參數(shù)，將在后文詳細(xì)討論。而對(duì)于最大核焓升因子FΔH，本文在進(jìn)行燃料管理研究時(shí)，采用了較參考電站略高的功率分布限值，即：核焓升因子FΔH≤1.65及熱點(diǎn)因子FQ≤2.45，而參考電站的限值分別為1.5 5和2.2 5。MOX堆芯要到達(dá)參考電站的功率分布限值是非常困難的，這一方面是由于MOX燃料組件會(huì)引起功率分布畸變，另一方面則是為了降低壓力容器輻照水平而將全部新的MOX燃料組件和部分新的AFA3G燃料組件放置在堆芯內(nèi)區(qū)造成的。事實(shí)上，雖然本文使用的核焓升因子和熱點(diǎn)因子較參考電站的大，但其數(shù)值與國內(nèi)在役的低泄漏燃料裝載方式的M310電站一致。這些電站多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，上述核焓升因子和熱點(diǎn)因子是可以保證電廠安全的。

圖3 平衡循環(huán)堆芯裝載示意圖Fig.3 Reloading pattern of equilibrium cycle

表1 MOX堆芯燃料管理計(jì)算主要結(jié)果Table 1 Basal results of fuel management

3 MOX燃料組件對(duì)反應(yīng)性控制的影響

MOX堆芯的反應(yīng)性控制方式與典型的M310型機(jī)組相同，均可通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)：對(duì)于較緩慢的反應(yīng)性變化，通過可溶硼濃度的變化實(shí)現(xiàn)；對(duì)于快速的反應(yīng)性變化，反應(yīng)性控制是由堆內(nèi)吸收體棒和可溶硼一起控制的，但主要由吸收體棒控制。

無論是可溶硼還是控制棒中的吸收材料，均以吸收熱中子為主，其價(jià)值與反應(yīng)堆能譜有關(guān)。因此，在不考慮其他因素的情況下，MOX燃料組件的加入會(huì)使硼微分價(jià)值和控制棒微分價(jià)值減小。

表1中，隨著MOX燃料組件的加入，壽期初臨界硼濃度逐漸升高的趨勢正是由于硼微分價(jià)值的降低引起的。

過高的可溶硼濃度將給系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來壓力。如果日后需進(jìn)一步增加堆芯中MOX燃料組件的數(shù)目或進(jìn)行更長循環(huán)的燃料管理設(shè)計(jì)，則堆芯硼濃度可能進(jìn)一步增加，超過系統(tǒng)設(shè)計(jì)的范圍。此時(shí)，可采用在組件中添加可燃毒物、使用含富集10B的硼酸等方式來控制可溶硼濃度。上述兩種方法，特別是前者，在國內(nèi)外均具有廣泛的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

表2列出了含MOX燃料組件的堆芯和參考電站第1循環(huán)在壽期初、零功率時(shí)的控制棒積分價(jià)值比較。

MOX燃料組件的加入會(huì)造成控制棒吸收減小、價(jià)值降低。但控制棒的價(jià)值還與其所在位置有關(guān)。因此，如果在堆芯裝載設(shè)計(jì)的過程中關(guān)注控制棒所在位置的組件，還可減小能譜硬化對(duì)控制棒價(jià)值的影響。

表2 控制棒積分價(jià)值Table 2 Integral worth of control rod

停堆裕量是堆芯反應(yīng)性控制能力的重要度量。當(dāng)發(fā)生主蒸汽管道斷裂事故或硼稀釋事故時(shí)，堆芯中將引入正的反應(yīng)性。為防止反應(yīng)堆在停堆后重返臨界，反應(yīng)堆需具有足夠的停堆裕量。

在緊急停堆時(shí)，控制棒組全部插入堆芯，出于保守考慮，假設(shè)反應(yīng)性最大的一束控制棒被卡在堆芯頂部。此時(shí)要求堆芯必須處于次臨界狀態(tài)，且具有一定的次臨界度。

停堆裕量可由控制棒組插入后引入的負(fù)反應(yīng)性減去從熱態(tài)滿功率（HFP）到熱態(tài)零功率（HZP）時(shí)各反饋效應(yīng)引入堆芯的正反應(yīng)性得到。表3列出了MOX堆芯的停堆裕量計(jì)算結(jié)果。計(jì)算得到的所有循環(huán)的停堆裕量均大于事故分析所要求的限值2 000 pcm。

表3 各循環(huán)的停堆裕量Table 3 Shutdown margin for circulation

由表3可看出，加入MOX燃料組件后，所有控制棒總價(jià)值雖有降低的趨勢，但最大價(jià)值控制棒的價(jià)值減小，使得考慮卡棒準(zhǔn)則后的控制棒全插反應(yīng)性并未降低。在該計(jì)算中，MOX堆芯的控制棒插入效應(yīng)和灰棒束磨損帶來的反應(yīng)性損失取與參考堆芯一致的數(shù)值，該數(shù)值對(duì)MOX堆芯是更加保守的。

正反應(yīng)性引入主要包括從HFP至HZP時(shí)由于功率降低而引起的慢化劑溫度效應(yīng)、Doppler效應(yīng)、通量再分布效應(yīng)及空泡效應(yīng)等。與參考堆芯相比，MOX堆芯的Doppler效應(yīng)變化不大，慢化劑溫度虧損略有增加，使得總的正反應(yīng)性引入增大。

根據(jù)表3結(jié)果，MOX燃料組件加入堆芯后，對(duì)堆芯停堆裕量的影響有限，即MOX燃料組件的加入雖然使反應(yīng)性控制的分量有所改變，但影響是有限且可控的。

4 MOX燃料組件對(duì)反應(yīng)性系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

為保證反應(yīng)堆安全，堆芯的反應(yīng)性系數(shù)應(yīng)為負(fù)，以使堆芯具有負(fù)反饋的特性，并在工況變化時(shí)具有自穩(wěn)性。

本文主要考慮了慢化劑溫度系數(shù)、Doppler溫度系數(shù)、Doppler功率系數(shù)等反應(yīng)性系數(shù)及與堆芯穩(wěn)定性相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)。

4.1 慢化劑溫度系數(shù)

由表1可見，隨著MOX燃料的加入，慢化劑溫度系數(shù)具有偏負(fù)的趨勢。

慢化劑溫度系數(shù)定義為慢化劑平均溫度每變化1℃引起的堆芯反應(yīng)性變化。慢化劑溫度升高帶來兩方面的效應(yīng)：慢化劑溫度升高導(dǎo)致慢化劑密度減小，慢化能力減弱，從而導(dǎo)致負(fù)的慢化劑溫度系數(shù)；如果慢化劑密度一定，其溫度增加會(huì)導(dǎo)致中子能譜變硬，造成238U和240Pu等同位素共振吸收增大，同時(shí)硬化的中子能譜還會(huì)使235U和239Pu的熱中子裂變份額減小，這種效應(yīng)使負(fù)溫度系數(shù)變得更負(fù)。此外，可溶硼的加入也會(huì)對(duì)慢化劑溫度系數(shù)產(chǎn)生影響，這是由于當(dāng)慢化劑平均溫度上升時(shí)，堆芯可溶硼密度隨水密度的下降而減小，這將會(huì)在慢化劑溫度系數(shù)中引入一個(gè)正的分量。

對(duì)于含MOX燃料組件的堆芯，其慢化劑溫度系數(shù)與全UO2堆芯的相比，由于堆芯內(nèi)钚含量增加造成能譜硬化，使238U和240Pu等同位素共振吸收增大，這將使慢化劑溫度系數(shù)趨負(fù)。雖然MOX堆芯的慢化劑中硼含量增加，但硼微分價(jià)值減小，增加的硼含量對(duì)慢化劑溫度系數(shù)的影響不明顯。

4.2 Doppler溫度系數(shù)和功率系數(shù)

Doppler功率系數(shù)定義為功率每變化額定功率的1%時(shí)由于Doppler效應(yīng)引起的反應(yīng)性變化。Doppler效應(yīng)是由于燃料溫度變化而引起的238U和240Pu共振吸收變化引起的反應(yīng)性變化，其他同位素如236U、237Np等共振吸收的變化對(duì)Doppler效應(yīng)也有貢獻(xiàn)，但作用較小。

Doppler系數(shù)與堆芯內(nèi)燃料組件富集度和裝載方式關(guān)系密切。一般情況下，堆芯能譜較硬、新燃料較多時(shí)，Doppler系數(shù)較大。

表4、5分別列出了MOX堆芯的Doppler溫度系數(shù)和Doppler功率系數(shù)，其中MOX堆芯的數(shù)據(jù)考慮了從過渡循環(huán)到平衡循環(huán)的包絡(luò)值，參考堆芯數(shù)據(jù)考慮了從首循環(huán)到平衡循環(huán)的包絡(luò)值。從表4、5可看出，MOX燃料組件的加入會(huì)使Doppler溫度系數(shù)偏負(fù)。但Doppler功率系數(shù)并未超出參考電站的包絡(luò)值，這主要是由于參考堆芯的數(shù)值中包含了第1循環(huán)，此時(shí)堆芯全為新燃料，具有較大的Doppler效應(yīng)。

表4 Doppler溫度系數(shù)Table 4 Doppler temperature coefficient

表5 Doppler功率系數(shù)Table 5 Doppler power coefficient

為更直觀地體現(xiàn)MOX燃料對(duì)Doppler系數(shù)的影響，比較了MOX堆芯平衡循環(huán)與典型的全鈾堆芯（嶺澳核電站2號(hào)機(jī)組第7循環(huán)）分別在壽期初（BOL）和壽期末（EOL）時(shí)的功率系數(shù)，結(jié)果示于圖4。可看出，MOX堆芯的Doppler功率系數(shù)有較明顯的增大。本文選擇嶺澳核電站2號(hào)機(jī)組第7循環(huán)來進(jìn)行比較，主要是由于該循環(huán)裝載的新燃料組件數(shù)目與MOX堆芯一致，且低泄漏的堆芯布置方式也與MOX堆芯接近。

圖4 Doppler功率系數(shù)隨功率水平的變化Fig.4 Variation of Doppler power coefficient with power level

4.3 緩發(fā)中子有效份額和瞬發(fā)中子壽命

由先驅(qū)核產(chǎn)生的緩發(fā)中子能量較裂變直接產(chǎn)生的瞬發(fā)中子低，因此緩發(fā)中子具有較小的泄漏概率，也即具有較高價(jià)值。然而緩發(fā)中子不能產(chǎn)生快裂變，因而其相應(yīng)價(jià)值又較低。

對(duì)于所考慮的可裂變同位素，每個(gè)先驅(qū)核的緩發(fā)中子份額一般來說是不同的，表6列出了緩發(fā)中子有效份額和瞬發(fā)中子壽命的計(jì)算結(jié)果，可見，MOX燃料堆芯的緩發(fā)中子有效份額和瞬發(fā)中子壽命均較參考電站的數(shù)值小。

表6 緩發(fā)中子有效份額和瞬發(fā)中子壽命Table 6 Delayed neutron effective fraction and prompt neutron lifetime

在反應(yīng)堆運(yùn)行中，若緩發(fā)中子份額減小，則必須在反應(yīng)性儀標(biāo)定及確定與倍增時(shí)間有關(guān)的參數(shù)時(shí)加以考慮。此外，緩發(fā)中子份額減小會(huì)在功率瞬變的過程中增加堆芯的變化速率，該效應(yīng)會(huì)降低堆芯的安全性。但考慮到MOX燃料組件加入后會(huì)使堆芯具有更大的負(fù)反饋，可對(duì)緩發(fā)中子份額減小的效應(yīng)進(jìn)行一定補(bǔ)償。

4.4 氙和釤的動(dòng)態(tài)特性

當(dāng)反應(yīng)堆功率運(yùn)行后停堆，氙的濃度以特定的方式變化（氙峰形式）。在給定功率水平情況下，48 h后可達(dá)到氙平衡。

圖5示出了MOX堆芯和參考堆芯從低功率提升到滿功率時(shí)，氙反應(yīng)性隨燃耗的變化。由于氙的吸收截面隨中子能量的增加而顯著下降，而MOX堆芯能譜較硬，因此氙的效應(yīng)相對(duì)較弱，無論是穩(wěn)態(tài)堆芯中Xe引入的總反應(yīng)性還是功率變化時(shí)Xe的變化均小于參考堆芯的。

圖5 從不同功率水平提升到滿功率時(shí)氙引入的反應(yīng)性變化Fig.5 Xe induced reactivity evolution after power evolution from various power levels to HFP

圖6為釤作為中子毒物時(shí)從滿功率降到不同功率時(shí)引入的反應(yīng)性隨時(shí)間的變化。從圖6可知，MOX堆芯的平衡釤引入的反應(yīng)性較參考堆芯更大，但在工況改變時(shí)釤引入的反應(yīng)性變化較小。

綜合來看，MOX堆芯中氙和釤在功率快速變化后引入的反應(yīng)性較全UO2堆芯的小，這對(duì)堆芯的穩(wěn)定運(yùn)行更有利。

5 結(jié)論

1）MOX燃料組件與UO2組件相比，Pu同位素的增加使能譜更硬，造成組件邊界燃料棒的熱通量梯度增大，因此燃料組件內(nèi)部必須采用分區(qū)設(shè)計(jì)。采用分區(qū)設(shè)計(jì)的燃料組件，有效降低了邊界熱通量和組件內(nèi)的功率不均勻性，可在不改變堆芯結(jié)構(gòu)的情況下，替代UO2燃料組件裝入M310堆芯。

圖6 從滿功率降到不同功率時(shí)釤引入的反應(yīng)性變化Fig.6 Sm induced reactivity evolution after power evolution from HFP to various power levels

2）現(xiàn)役M310堆芯可在每次換料時(shí)加入部分MOX，經(jīng)過數(shù)個(gè)過渡循環(huán)后，由全部使用UO2燃料組件的堆芯過渡為使用30%MOX燃料組件的MOX堆芯平衡循環(huán)。

3）使用30%的MOX燃料組件的堆芯可達(dá)到與AFA3G堆芯相當(dāng)?shù)难h(huán)長度；堆芯反應(yīng)性控制能力可滿足要求；慢化劑溫度系數(shù)、Doppler溫度系數(shù)、Doppler功率系數(shù)、氙和釤的動(dòng)態(tài)特性均趨向使堆芯運(yùn)行更加安全和穩(wěn)定。

與此同時(shí)，MOX燃料組件的加入也帶來堆芯硼濃度增大、緩發(fā)中子有效份額減小和瞬發(fā)中子壽命減小等問題。由于堆內(nèi)MOX燃料組件數(shù)目有限，在本文的研究范圍內(nèi)，上述參數(shù)的變化不會(huì)對(duì)MOX燃料的應(yīng)用可行性產(chǎn)生顛覆性影響。今后隨著MOX燃料進(jìn)一步向工程應(yīng)用發(fā)展，上述問題還有進(jìn)一步研究解決的空間。

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Study on Effect of MOX Fuel Assembly Loaded in Current M310 Reactor Core on Nuclear Design

LIU Xiao-li1，GONG Yu2
（1.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，
Nuclear Power Institute of China，Chengdu 610041，China；2.Nuclear and Radiation Safety Center，Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China）

The MOX fuel technology has been developed and applied in PWR all over the world.In this paper，the neutronic performance of the MOX fuel assembly was studied，and fuel management scheme of M310 reactor core from all UO2fuel assemblies to 30% MOX fuel assemblies was given.The results show that the core loaded 30%MOX fuel assemblies can reach the same lifetime as the all UO2core，the ability of the control system can meet the requirement of reactivity control，and the Doppler temperature and power coefficients，moderator temperature coefficient and the evolutions of Xe and Sm all benefit for the core operation to be more stable.The results of this study prove that the MOX fuel assembly can be used in the M310 reactor core.

TL249

A

1000-6931（2015）09-1629-08

10.7538／yzk.2015.49.09.1629

2014-05-08；

2014-12-16

劉曉黎（1982—），女，陜西漢中人，工程師，碩士，從事反應(yīng)堆物理研究