鉛基模塊化核電不同功率水平經(jīng)濟性初步分析

婁 磊，王連杰，周冰燕，趙 晨，張 斌，嚴明宇，張 策，向宏志，蔡 云，王星博，趙子凡，周 楠，劉佳藝

(中國核動力研究設計院，四川 成都 610213)

鉛基冷卻快堆作為第四代核能系統(tǒng)的堆型之一具有經(jīng)濟性、安全性和可持續(xù)性。鉛基冷卻劑不僅具有金屬的高導熱率特性，常壓下沸點高于1 000 ℃，而且相比鈉等活潑金屬，更具有化學惰性，幾乎不與水和空氣等發(fā)生反應。鉛基冷卻劑不僅能提高堆芯的固有安全性，而且反應堆系統(tǒng)能夠采用兩回路設計，鉛基冷卻劑與水直接采用蒸汽發(fā)生器進行換熱，大大提高堆芯經(jīng)濟性[1，2]。

快堆中子能譜偏硬，由于易裂變核素在熱中子區(qū)裂變截面較大，在快中子區(qū)裂變截面很小，而可裂變核素在熱中子區(qū)俘獲截面相對較小，在快中子區(qū)俘獲截面較大，能夠通過俘獲中子由可裂變核素轉換為易裂變核素，因此快堆能夠將238U轉化為239Pu，從而有效提高鈾資源的利用率。同時由于快堆的熱群中子份額相比熱堆低得多，因此快堆的臨界質量遠遠大于熱堆，因此對快堆的經(jīng)濟性分析不僅要考慮鈾資源的利用率，也需要考慮壽期初的U裝量和235U裝量。

目前常用的鉛鉍快堆燃料芯體類型為UO2和U-10Zr，UO2燃料芯體在壓水堆中具有豐富的使用經(jīng)驗和輻照數(shù)據(jù)，而U-10Zr燃料芯體具有在單位體積內更多U裝量的優(yōu)勢，同時其堆芯能譜相對稍硬，燃料增殖性能更好。因此本文也將著重分析UO2和U-10Zr兩種燃料芯體在不同功率水平堆芯的特性。

核電廠堆芯的裝機容量需要考慮的因素較多，其中從反應堆物理角度需要考慮單堆功率水平的經(jīng)濟性，進而采用模塊化核電的概念根據(jù)核電廠的功率需求進行多堆模塊化設計，以從各方面提升其經(jīng)濟性。

本文基于鉛基模塊化核電的特點和需求，進行堆芯功率水平與經(jīng)濟學的初步分析研究，主要分析不同功率水平堆芯的壽期初堆芯U裝量、235U裝量以及壽期末的燃料利用率，并根據(jù)計算分析給出不同功率水平鉛基快堆堆芯設計的特點，并給出推薦的鉛基模塊化核電功率水平。

1 計算程序

本文的計算由RMC程序完成，堆用蒙特卡羅分析程序RMC[3，4]是由清華大學工程物理系核能科學與工程管理研究所反應堆工程計算分析實驗室(REAL團隊)自主研發(fā)的，用于反應堆堆芯計算分析的三維輸運蒙特卡羅程序。RMC程序針對反應堆計算分析中的基本需求，同時結合新概念反應堆系統(tǒng)設計時幾何結構靈活、中子能譜復雜及材料組分多樣、各向異性及泄漏強等特點進行研發(fā)，能夠處理復雜幾何結構、采用連續(xù)能量點截面對復雜能譜和材料進行描述，并能夠根據(jù)實際問題的需要對臨界問題本征值、本征函數(shù)、系統(tǒng)燃耗模擬、瞬態(tài)過程分析等進行計算。

2 研究思路

為了從反應堆物理角度分析論證鉛基模塊化核電功率水平的經(jīng)濟性，本文將采用一種燃料組件結構類型，在保證堆芯體功率基本保持相同水平的前提下，設計堆芯功率水平為100 MW、300 MW、500 MW、700 MW和1 000 MW共五種類型的堆芯方案，堆芯壽期需滿足2 000 EFPD[5]，堆芯燃料類型有UO2和U-10Zr兩種，共計10個堆芯方案，見表1，分析給出不同堆芯功率水平與U裝量、235U裝量和U資源利用率的分析論證。

表1 10個堆芯方案基本設計參數(shù)Table 1 Main design parameters of 10 core schemes

3 組件設計

堆芯采用的組件類型參考中國核動力研究設計院(NPIC)的鉛基研究堆SLBR-50(50 MWt)[6]的組件設計，組件示意圖如圖1所示，組件的主要設計參數(shù)見表2。

圖1 燃料組件示意圖Fig.1 The schematic of fuel assemblies

表2 組件主要設計參數(shù)Table 2 Main design parameters of the fuel assembly

4 堆芯設計及計算分析

根據(jù)研究思路以及組件設計結果，利用上文選取的組件類型進行不同功率水平堆芯的方案設計，為保證堆芯具有相應的反應性控制能力，堆芯布置時預留出相應的組件位置作為控制棒設計使用，為簡化堆芯設計，本文不進行控制棒的設計，堆芯壽期直接采用全提棒燃耗進行計算，壽期末堆芯keff大于1.005(即考慮計算程序500 pcm的計算不確定性)。10個堆芯方案的堆芯徑向和軸向布置示意圖如圖2～圖6所示。堆芯各方案設計參數(shù)如表3所示。

圖2 100 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意圖Fig.2 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 100 MW power level

圖3 300 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意圖Fig.3 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 300 MW power level

圖4 500 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意圖Fig.4 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 500 MW power level

圖5 700 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意圖Fig.5 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 700 MW power level

圖6 1 000 MW功率UO2和U-10Zr堆芯布置示意圖Fig.6 The core arrangement of UO2 and U-10Zr of 1 000 MW power level

表3 各堆芯方案設計參數(shù)Table 3 Design parameters of various core schemes

各堆芯方案鈾裝量、235U裝量隨堆芯功率變化曲線如圖7所示，堆芯鈾裝量和235U裝量隨總功率呈線性增長。這是由于各堆芯均保持“矮胖”型堆芯設計，堆芯整體泄漏率差異不大。各堆芯方案的臨界質量基本相同，為保持給定功率和壽期的能量輸出，均需在臨界質量的基礎上增加相應的鈾裝量和235U裝量，因此，不同功率水平相同燃料類型的各堆芯方案鈾裝量和235U裝量隨總功率水平呈線性趨勢。

圖7 各堆芯方案鈾裝量和235U裝量隨堆芯功率變化曲線Fig.7 The amount of U and 235U of each core scheme changing with the core power

各堆芯方案的燃料利用率見表3，通過對比可以看出，隨著堆芯功率水平增加，同類型燃料堆芯的利用率呈增加趨勢，這是由于燃料利用率近似等于消耗的燃料裝量/(消耗的燃料裝量+臨界質量)，隨著堆芯功率水平增加，相同的壽期內消耗的燃料裝量逐漸增加，而臨界質量基本保持不變，因此燃料利用率呈逐漸增加趨勢。

各堆芯方案的keff隨堆芯壽期變化曲線如圖8和圖9所示。UO2燃料各堆芯方案的堆芯keff隨燃耗變化趨勢除100 MW堆芯外均相差不大，這是由于所有堆芯方案均采用了“扁平”狀設計，除100 MW堆芯高徑比接近于1外，其余堆芯高徑比遠小于1，UO2燃料堆芯隨堆芯尺寸增大，雖然燃料利用率稍有提升，但增殖性能基本變化不大，因此keff變化趨勢也基本保持不變。U-10Zr燃料各堆芯隨堆芯尺寸增大，堆芯keff出現(xiàn)隨堆芯壽期逐漸增加的趨勢，如500 MW堆芯在1 000 EFPD時刻keff達到最大值，然后隨燃耗加深逐漸下降，到壽期末2 000 EFPD時刻與壽期初基本相當，700 MW和1 000 MW堆芯從壽期初時刻開始堆芯keff逐漸增大，到壽期末2 000 EFPD時刻堆芯keff基本達到或還未達到最大值，從評價堆芯反應性角度可知尚未達到壽期末，預估還能燃耗2 000 EFPD以上，壽期將達到4 000 EFPD或更長。

圖8 UO2燃料各堆芯方案堆芯keff隨堆芯壽期變化曲線Fig.8 Core keff curves of all core schemes with UO2 fuel changing with the core life

圖9 U-10Zr燃料各堆芯方案堆芯keff隨堆芯壽期變化曲線Fig.9 Core keff curves of all core schemes with U-10Zr fuel changing with the core life

通過對比相同功率水平下UO2和U-10Zr燃料堆芯的特性可以看出，在低功率水平下，由于堆芯總的能量輸出較小，堆芯尺寸也相對較小，采用UO2燃料單位體積內鈾裝量更少，即更節(jié)省鈾資源，更為經(jīng)濟；在高功率水平下，由于堆芯總的能量輸出較大，堆芯尺寸也相對較大，采用U-10Zr燃料更能體現(xiàn)堆芯的增殖效應，壽期初堆芯235U裝量更少，更為經(jīng)濟。

UO2燃料堆芯隨著功率水平的提高和堆芯尺寸的增大，堆芯增殖效應會出現(xiàn)增強趨勢，燃料利用率逐漸提高，高功率水平堆芯(如700 MW、1 000 MW等功率水平的堆芯)更適宜采用UO2燃料進行裝載。

U-10Zr燃料堆芯隨著功率水平的提高和堆芯尺寸的增大，堆芯增殖效應增長速度遠高于UO2堆芯，700 MW功率水平下堆芯keff已經(jīng)呈現(xiàn)上升趨勢，2 000 EFPD的堆芯壽期不足以完整釋放堆芯的增殖能力，因此需要適當降低堆芯功率水平(即減少堆芯尺寸)以使堆芯的增殖效應匹配堆芯壽期，因此，U-10Zr燃料適用于500 MW級堆芯功率水平的堆芯裝載。

5 結論

本文基于相同的燃料組件結構類型進行不同功率水平、不同燃料芯體類型的堆芯方案設計，并分析了各堆芯方案壽期初鈾裝量、235U裝量以及燃料利用率。通過一系列分析對比獲得以下結論。

1)在保持堆芯泄漏基本不變和相同壽期的情況下，堆芯功率水平與堆芯鈾裝量呈線性增加趨勢，同時燃料利用率隨堆芯功率水平和堆芯尺寸的增加而逐漸增加；

2)UO2燃料堆芯適用于低功率水平(如100 MW)和較高功率水平(如1 000 MW等)的堆芯裝載，低功率水平下堆芯鈾裝量更少，高功率水平下堆芯增殖性能與堆芯能量輸出匹配，更利于堆芯反應性控制；

3)U-10Zr燃料堆芯適用于中等功率水平(如500 MW)的堆芯裝載，在該功率水平和堆芯尺寸下，堆芯的增殖性能與堆芯能量輸出基本匹配，能夠充分發(fā)揮U-10Zr燃料的高增殖性能。

本文以上結論適用于本文所規(guī)定的堆芯體功率密度、壽期以及柵距棒徑比情況，若上述參數(shù)發(fā)生變化，則不同燃料類型適用的堆芯功率水平會發(fā)生適當偏移，但基本規(guī)律保持不變。