聚變—裂變混合能源堆燃料管理方案設(shè)計(jì)研究

邵 增，劉國(guó)明，程和平

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

聚變—裂變混合能源堆燃料管理方案設(shè)計(jì)研究

邵 增，劉國(guó)明，程和平

(中國(guó)核電工程有限公司，北京100840)

本文根據(jù)聚變-裂變混合能源堆方案設(shè)計(jì)和燃料組件功率分布的特點(diǎn)，利用自主開(kāi)發(fā)的蒙卡-燃耗耦合程序，開(kāi)展了詳細(xì)的燃料管理方案設(shè)計(jì)研究，分別設(shè)計(jì)了整體后處理的燃料管理方案、雙循環(huán)燃料管理方案以及分批燃料管理方案，針對(duì)這些類型的燃料管理方案，進(jìn)行了燃耗分析計(jì)算，研究了各種燃料管理方案下各區(qū)燃耗及主要裂變核素成分隨燃耗的變化。根據(jù)各燃料管理方案的主要特點(diǎn)和計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)比總結(jié)了它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文為今后的聚變-裂變混合能源堆提供了燃料管理上的建議，也為進(jìn)一步的經(jīng)濟(jì)性分析優(yōu)化研究打下了基礎(chǔ)。

混合堆；工作模型；功率放大倍數(shù)；燃耗；燃料增殖；經(jīng)濟(jì)性

Economic

聚變—裂變混合能源堆是利用聚變產(chǎn)生的中子進(jìn)行裂變產(chǎn)能的一種次臨界能源堆芯，在安全性、經(jīng)濟(jì)性、能源優(yōu)化利用以及環(huán)境影響方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在國(guó)家ITER計(jì)劃專項(xiàng)支持下，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了大量的初步設(shè)計(jì)研究工作。本文在所建立的聚變—裂變混合能源堆的三維工作模型基礎(chǔ)上，開(kāi)展了燃料管理方案設(shè)計(jì)研究，分別設(shè)計(jì)了整體后處理的燃料管理方案、雙循環(huán)燃料管理方案以及分批燃料管理方案，針對(duì)這些類型的燃料管理方案，進(jìn)行了燃耗分析計(jì)算，研究了各種燃料管理方案下各區(qū)燃耗及主要裂變核素成分隨燃耗的變化。

1 工作模型介紹

工作模型以ITER模型[1]基礎(chǔ)，在其上增加裂變包層，組成聚變-裂變混合堆芯。工作模型使用參數(shù)化建模軟件建立了三維立體計(jì)算模型，模型環(huán)向截面圖見(jiàn)圖1所示。

圖1工作模型堆芯等效小半徑為2.0m，等效大半徑為6.2m。計(jì)算模型所考慮扇形角度為14.4°，極向組件17個(gè)，全堆組件總數(shù)目為425個(gè)，堆芯總表面積697.2m2，總鈾裝量625.26t。

燃料包層組件緊貼第一壁，平均每個(gè)組件表面積為1.64m2。每個(gè)燃料組件內(nèi)，冷卻劑通道均勻布置在燃料中，呈正三角形排列。燃料采用天然鈾的鈾鋯合金，冷卻劑水與普通壓水堆參數(shù)相同。燃料與冷卻劑之間用鋯合金管隔開(kāi)，力學(xué)計(jì)算顯示足夠承受冷卻劑的壓力。每層燃料布置42(41)個(gè)柵格，共6層。

產(chǎn)氚組件布置在燃料組件之后，高106cm，厚37.6cm，共含7層產(chǎn)氚材料和6層慢化劑水。產(chǎn)氚材料與慢化劑之間用鋯板隔開(kāi)。產(chǎn)氚材料為L(zhǎng)i2TiO3，慢化劑材料為水。

堆芯下部還包括三個(gè)偏濾器組件，占總表面積的11.4%。偏濾器簡(jiǎn)單考慮成一定厚度的銅合金板。考慮偏濾器組件的主要原因是要考慮實(shí)際中子泄漏對(duì)堆芯性能的影響。

工作模型的建立考慮了ITER模型的實(shí)際情況和工程可行性，對(duì)可能變化的參數(shù)采用了保守考慮。對(duì)堆芯關(guān)鍵性參數(shù)如第一壁厚度、泄漏面積、鈾水比、裂變包層厚度、慢化劑材料等都進(jìn)行了詳細(xì)的敏感性分析[2]，發(fā)現(xiàn)了一些定標(biāo)關(guān)系或定性的變化規(guī)律。工作模型的堆芯參數(shù)都是進(jìn)過(guò)仔細(xì)研究和初步優(yōu)化的。鈾水比、燃料組件厚度、產(chǎn)氚層慢化劑類型(輕水/石墨)、產(chǎn)氚層厚度、產(chǎn)氚層密封等，都采用了盡可能利于產(chǎn)氚的值。

2 計(jì)算工具說(shuō)明

所應(yīng)用的燃耗計(jì)算程序?yàn)樽灾鏖_(kāi)發(fā)的燃耗計(jì)算耦合程序MOCouple-s[3]。

MOCouple-s程序是自主開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化燃耗耦合程序，由蒙卡程序MCNP5a和點(diǎn)燃耗程序Origen-s耦合而成。MOCouple-s利用蒙卡程序計(jì)算堆芯功率分布和各燃耗區(qū)重要核素的相關(guān)截面，替換點(diǎn)燃耗程序中重要核素的反應(yīng) 截面，并利用蒙卡程序計(jì)算出的各燃耗區(qū)的比功率進(jìn)行燃耗計(jì)算，核素成分傳遞給蒙卡程序進(jìn)行下一步的計(jì)算，如此反復(fù)，直到所有燃耗步計(jì)算完成為止。該程序可以適用幾乎所有類型反應(yīng)堆的燃耗計(jì)算，通用性強(qiáng)，完全自動(dòng)運(yùn)行，使用方便。經(jīng)過(guò)對(duì)OECD/NEA壓水堆燃耗基準(zhǔn)題、ADS基準(zhǔn)題等進(jìn)行驗(yàn)證，MOCouple-s程序關(guān)于反應(yīng)性和核素成分的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果和其他程序的計(jì)算結(jié)果符合良好，說(shuō)明該程序完全適用于新一代先進(jìn)反應(yīng)堆的研究設(shè)計(jì)。

在已經(jīng)開(kāi)展的混合堆球模型的燃耗對(duì)算工作中，MOCouple-s程序的計(jì)算結(jié)果與項(xiàng)目承擔(dān)單位的計(jì)算結(jié)果符合良好，進(jìn)一步驗(yàn)證了程序可靠性[4]。

本文開(kāi)展的對(duì)算研究所采用的核數(shù)據(jù)庫(kù)為蒙卡程序的自帶截面庫(kù)，絕大多數(shù)核素為ENDF/B-VI庫(kù)，少數(shù)MCNP5程序截面庫(kù)中缺少的核素的截面是基于ENDF/B-VI評(píng)價(jià)庫(kù)使用截面庫(kù)加工程序NJOY處理生成的。

3 燃料管理方案總體介紹

對(duì)于壓水堆來(lái)說(shuō)，堆芯內(nèi)的燃料管理的作用主要有兩個(gè)：1) 用新燃料組件，更換乏燃料組件，補(bǔ)充反應(yīng)堆的反應(yīng)性；2) 在反應(yīng)堆內(nèi)部倒換各組件，展平堆芯內(nèi)燃料組件的功率分布，保證堆芯的安全性。對(duì)于混合能源堆來(lái)說(shuō)，堆芯反應(yīng)性隨著燃耗的增加而增加，因此用新燃料組件更換乏燃料組件是為了保證燃料組件的燃耗不超限，以確保燃料組件的安全性。

聚變—裂變混合能源堆極向17個(gè)組件的功率分布相差不大，倒換燃料組件與否，對(duì)最終燃料組件的卸料燃耗影響不大。此外，與壓水堆不同，決定混合能源堆組件的相對(duì)功率的大小，主要是堆芯中心區(qū)域，等離子體區(qū)的分布位置和形狀，而不是組件的燃耗深淺。

由于上述的原因，在混合能源堆中，沒(méi)有必要考慮在混合能源堆中開(kāi)展燃料組件的倒換，而只研究混合能源堆燃料組件的更換，即混合能源堆的燃料管理研究方案主要圍繞燃料組件的更換，而非燃料組件在堆芯位置的交換。

堆芯燃料管理方案的確定受燃料燃耗深度的限值?；旌夏茉炊巡捎玫氖氢?、钚與鋯的合金燃料。雖然鈾、钚金屬燃料在提高燃料增殖系數(shù)、增大傳熱性能方面有較大的優(yōu)勢(shì)，但是在較深燃耗下的輻照穩(wěn)定性較差[5]，而合金化可以克服鈾、钚金屬燃料輻照穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室在EBR-II快堆上對(duì)鈾、钚與鋯的合金燃料棒進(jìn)行了長(zhǎng)期試驗(yàn)[6]，燃耗深度達(dá)到了18.4%，其中15000根燃料棒輻照超過(guò)7%，顯示出良好的應(yīng)用前景[7]。

混合能源堆堆芯堆芯鈾裝料為625.26t，額定功率為3000MW，滿功率運(yùn)行一年燃耗深度僅為1752MWd/tU，只有同功率壓水堆的1/10，約為0.2%原子分?jǐn)?shù)燃耗，五年的累積燃耗約為1%，考慮到功率分布不均勻性，最大燃耗也不到2%。這種燃料依靠國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的基礎(chǔ)是可以開(kāi)發(fā)成功的[8]，在本報(bào)告中，保守地設(shè)定燃耗限值為滿功率5年或者卸料燃耗限值為11000MWd/tU。

4 初步經(jīng)濟(jì)性分析

在工作模型的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了整體后處理的燃料管理方案、雙循環(huán)燃料管理方案以及分批燃料管理方案，針對(duì)這些類型的燃料管理方案，進(jìn)行了燃耗分析計(jì)算，研究了各種燃料管理方案下各區(qū)燃耗及主要裂變核素成分隨燃耗的變化。

4.1 整體后處理的燃料管理方案

乏燃料后處理的方式考慮了濕法和干法兩種方式，其中濕法后處理考慮了普雷克斯(Purex)流程的工業(yè)化方式，而干法后處理根據(jù)處理溫度的不同，考慮了簡(jiǎn)單干法后處理、中溫干法后處理和高溫干法后處理三種。簡(jiǎn)單干法處理是指只去除Kr、Xe等裂變氣體，中溫干法后處理是指去除沸點(diǎn)在1400℃以下的裂變產(chǎn)物有，如Se、Kr、Rb、Cd、Sr、Sb、Te、I、Xe、Cs等元素的各種同位素；高溫干法后處理是指去除沸點(diǎn)在2500℃以下的裂變產(chǎn)物，除中溫后處理能夠去除的元素，還有Ag、Eu、In、Sm、Ba等。

因此根據(jù)后處理的方式，設(shè)計(jì)并分析了Type1_a～Type1_e五種燃料管理方案。其中Type1_a是指燃料組件達(dá)到燃耗深度限值后，整體組件卸出堆芯進(jìn)行濕法后處理，只分離出U和Pu復(fù)用，用貧鈾補(bǔ)足重量制造新燃料組件，重新裝入堆芯，如此重復(fù)運(yùn)行n次，該方案鈾钚核素成分的變化見(jiàn)表1所示。Type1_b同Type1_a類似，只是僅復(fù)用部分的钚，然后再用貧鈾補(bǔ)足重量，如此重復(fù)運(yùn)行n次，該方案鈾钚核素成分的變化見(jiàn)表2所示。Type1_c是指燃料組件達(dá)到燃耗深度限值后，送去進(jìn)行高溫干法后處理，然后再用貧鈾補(bǔ)足重量，如此重復(fù)運(yùn)行n次，該方案鈾钚核素成分的變化見(jiàn)表3所示。Type1_d和Type1_e則分別是指采用中溫干法后處理和簡(jiǎn)單干法后處理，該方案鈾钚核素成分的變化見(jiàn)表4、表5所示。五種燃料管理方案卸料燃耗相差不大，平均卸料燃耗為7763MWd/tU，每層平均燃料卸料由外至內(nèi)分別為4289MWd/tU、5921MWd/tU、7380MWd/tU、8620MWd/tU、9722MWd/tU、10643MWd/tU，最內(nèi)側(cè)一層的平均卸料燃耗10643MWd/tU，滿足卸料燃耗限值要求。

表1 濕法后處理燃料管理方案主要核素變化Table 1 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with wet reprocessing

表2 濕法后處理后復(fù)用部分钚的燃料管理方案主要核素變化Table 2 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with wet reprocessing and recycled plutonium

表3 高溫干法后處理燃料管理方案主要核素變化Table 3 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with high temperature dry reprocessing

表4 中溫干法后處理燃料管理方案主要核素變化Table 4 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with medium temperature dry reprocessing

表5 簡(jiǎn)單干法后處理燃料管理方案主要核素變化Table 5 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with simple temperature dry reprocessing

4.2 雙循環(huán)燃料管理方案

雙循環(huán)燃料管理方案是指，根據(jù)燃料組件在堆芯內(nèi)各層燃耗的不均勻性，待組件內(nèi)最大燃耗(靠近等離子體區(qū)的第一層)達(dá)到一定值后，組件相對(duì)于等離子體法線方向前后180°翻轉(zhuǎn)，再繼續(xù)進(jìn)行輻照，待組件內(nèi)最大燃耗深度達(dá)到限值后停堆換料。

目前開(kāi)展的初步方案設(shè)計(jì)，從圖1的剖面圖中可以看出，極向方向上是長(zhǎng)方體形狀，在環(huán)形方向上，目前是按照扇形建模的，但實(shí)際建造中，可能會(huì)將燃料組件模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)燃料組件都是一樣的長(zhǎng)方體形狀，在大環(huán)方向的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，因周長(zhǎng)不同而布置不同數(shù)目的燃料組件。這種情況下，還是有可能將燃料組件翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行燃耗的，因此，本文也針對(duì)這種雙燃料循環(huán)進(jìn)行了分析。

為了使燃料燃耗在限值內(nèi)，在Type2燃料管理方案中，一個(gè)循環(huán)壽期為3.3年，在一個(gè)循環(huán)壽期后，組件整體翻轉(zhuǎn)，再裝入堆芯，該方案鈾钚核素成分的變化如表6所示。

表6 雙循環(huán)燃料管理方案主要核素變化Table 6 Mass of main elements of fuel vary in double-cycle load scheme

雙循環(huán)燃料管理方案平均卸料燃耗為10375MWd/tU,每層平均燃料卸料由外至內(nèi)分別為10215MWd/tU、10588MWd/tU、10804MWd/tU、10681MWd/tU、10317MWd/tU、9647MWd/tU，最深一層的平均卸料燃耗10804MWd/tU，滿足卸料燃耗限值要求。

4.3 分批換料燃料管理方案

分批換料燃料管理方案是指，根據(jù)燃料組件在堆芯內(nèi)各層燃耗的不均勻性，將燃料組件內(nèi)的6層每?jī)蓪臃譃?區(qū)，共分成3區(qū)，進(jìn)行批次換料，從而達(dá)到增大卸料燃耗深度的目的。

與雙循環(huán)燃料管理方案類似，混合堆芯在實(shí)際建造中，可能會(huì)將燃料組件模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)燃料組件都是一樣的長(zhǎng)方體形狀，前述的每個(gè)燃料組件可以每?jī)蓪硬鸱殖梢粋€(gè)燃料組件，即本方案中的一個(gè)燃料區(qū)，因此，本文也針對(duì)這種分批燃料循環(huán)進(jìn)行了分析。

由于經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)不一樣，每個(gè)燃料區(qū)的平均燃耗相差明顯，燃耗一定時(shí)間到燃耗限值后，先卸出對(duì)應(yīng)的燃料區(qū)，其他的燃料區(qū)不做倒料，在卸料位置放入新燃料，如天然鈾或者貧鈾燃料，再進(jìn)行燃耗，到其他一個(gè)區(qū)的燃料燃耗到限值后，再進(jìn)行一個(gè)1/3換料，如此重復(fù)，形成平衡循環(huán)。這樣的換料方式，每次更換1/3的堆芯燃料就可以保證持續(xù)發(fā)電，而且在燃料燃耗不超出限值的前提下，卸出燃料的平均燃耗深度更大，很大程度上增加了經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)新裝燃料的不同，這種燃料管理方案又可細(xì)分成兩種方案，這兩種燃料管理方案對(duì)于燃料區(qū)的劃分、乏燃料的卸除和新燃料的裝載是一樣的。第一種新燃料為天然鈾燃料Type3_a，鈾钚核素成分的變化見(jiàn)表7所示。第二種新燃料為貧鈾燃料Type3_b，鈾钚核素成分的變化如表8所示。達(dá)到平衡循環(huán)后，兩種燃料管理方案的平均卸料燃耗分別為9775MWd/tU和9657MWd/tU，滿足卸料燃耗限值要求。

表7 新裝料為天然鈾的分批換料燃料管理方案主要核素變化Table 7 Mass of main elements of fuel vary in batch-cycle load scheme with natural uranium

表8 新裝料為貧鈾的分批換料燃料管理方案主要核素變化Table 8 Mass of main elements of fuel vary in batch-cycle load scheme with depleted uranium

4.4 燃料管理方案特點(diǎn)比較

三類燃料管理方案中，整體后處理的燃料管理方案最大的優(yōu)點(diǎn)是可以反復(fù)使用核燃料，但濕法后處理價(jià)格高，而干法后處理還未形成工業(yè)化；雙循環(huán)燃料管理方案則可以延伸一爐堆芯的最大燃耗，但要求燃料組件每層形狀一樣，且燃耗較淺；分批換料燃料管理方案也對(duì)每層燃料形狀有要求，而且堆芯的能量放大倍數(shù)和氚增殖比是各個(gè)燃料管理方案中最小的。各種燃料管理方案的特點(diǎn)如表9所示。

表9 聚變-裂變混合能源堆燃料管理方案特點(diǎn)比較Table 9 Character compare of the load schemes of the fusion-fission hybrid core

5 結(jié)論

本文針對(duì)聚變-裂變混合能源堆設(shè)計(jì)了整體后處理的燃料管理方案、雙循環(huán)燃料管理方案以及分批燃料管理方案的三類燃料管理方案，并進(jìn)行了比較分析。

燃料管理方案設(shè)計(jì)，為下一步開(kāi)展詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性分析優(yōu)化研究打下了基礎(chǔ)。從燃料管理方案主要核素變化表中可以看出，聚變-裂變混合能源堆芯可使用天然鈾/貧鈾作為換料方案，平均每年可提供1t以上的高品質(zhì)钚；也可以利用自身產(chǎn)生的钚制成貧鈾MOX燃料作為換料方案，平均每年僅消耗貧鈾尾料2t左右，同時(shí)可提供凈值為1t左右的高品質(zhì)钚。因此，聚變-裂變混合能源堆消耗資源很少，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，是核能可持續(xù)發(fā)展、解決未來(lái)能源需求的一個(gè)良好選擇。

[1] Summary of the Final Design Report. July 2001. GA0FDR4 01-07-26 R0.4.

[2] 邵增，梁志，劉國(guó)明.次臨界能源堆參數(shù)敏感性分析方法的改進(jìn). 第十三屆反應(yīng)堆數(shù)值計(jì)算與粒子輸運(yùn)學(xué)術(shù)會(huì)議，2010年8月.

[3] 邵增，程和平，梁志.聚變-裂變混合堆程序開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2009年12月，第43卷增刊：48-51.

[4] 邵增，程和平.劉國(guó)明.聚變-裂變混合能源堆球模型中子學(xué)對(duì)算研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2012年3月，第46卷第3期：277-281.

[5] 李文埮. 核材料導(dǎo)論 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：236.

[6] 潘金生，范毓殿. 核材料物理基礎(chǔ) [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：5.

[7] 胡赟，徐銤. 快堆金屬燃料的發(fā)展 [J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，第42卷第9期，2008年9月.

[8] 師學(xué)明. 聚變裂變混合能源堆包層中子學(xué)概念研究[D]. 北京：北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所，2010.

Fuel Management Design Research of Fusion—FissionHybrid Energy Reactor

SHAO Zeng, LIU Guo-ming，CHENG He-ping

(China Nuclear Power Engineering Co, Beijing, 100840)

Based on the scheme design and the fuel assembly power distribution of the fusion-fission hybrid energy reactor, detailed fuel management design research has been done using the independently developed burn-up program in this paper. Fuel management schemes with whole assembly post-process, double cycles and batch-wise cycles are designed. Based on these types of fuel management schemes, burn-up analysis calculation is carried out and zone-wise burn-up as well as the content of main fission nuclides are researched respectively. According to the main characters and calculation analysis results of the fuel management schemes, the advantages and disadvantages are balanced and summarized. This paper provides some advice for the fuel management of the fusion-fission hybrid energy reactor, which can be used for further economic optimization analysis.Key words: Hybrid reactor；Working model；Fuel management；Burnup；Fuel multiplication；

2016-01-10

邵 增(1985—)，男，山東滕州人，工程師，主要從事臨界安全和次臨界能源堆方面的研究

TL46

A

0258-0918(2016)05-0715-08