超臨界水堆燃料組件內(nèi)的排列研究_圖文

1、第29卷第1期核科學(xué)與工程Vol.29No.12009年3月Chinese Journal of Nuclear Science and Engineering Mar.2009超臨界水堆燃料組件內(nèi)的排列研究秦冬,常華健(清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院,北京100084摘要:超臨界水冷反應(yīng)堆(SCWR是第四代核能系統(tǒng)國際論壇(GIF推薦的六種堆型中唯一的輕水堆型。SCWR和現(xiàn)有的輕水堆相比,具有熱效率高,系統(tǒng)設(shè)備大大簡化的優(yōu)點。世界范圍內(nèi)的研究紛紛展開,其中燃料組件的設(shè)計優(yōu)化及堆芯布置是一個重要的研究方向。本文分析比較了當前比較流行的幾種燃料組件設(shè)計,在采用同一富集度燃料且不含可燃毒物的情況下

2、,利用MCN P程序?qū)@幾種組件的當?shù)毓β史逯狄蜃舆M行了計算,發(fā)現(xiàn)其離設(shè)計目標還有一段距離。本文分析了影響當?shù)毓β史逯狄蜃拥娜舾梢蛩?發(fā)現(xiàn)對于正方形組件,在均勻慢化、降低當?shù)毓β史逯狄蜃拥耐瑫r也使得組件整體上慢化不足,表現(xiàn)為倍增因子降低,這主要與燃料棒的排列方式有關(guān)。通過對比分析發(fā)現(xiàn),相對于正方形排列,改進過的六角形排列更容易解決充分慢化和均勻慢化之間的矛盾,實現(xiàn)組件設(shè)計的優(yōu)化。關(guān)鍵詞:超臨界水冷堆;燃料組件;當?shù)毓β史逯狄蜃又袌D分類號:TL34文獻標識碼:A文章編號:025820918(20090120056206Study on the layout of the SCWR f uel a

3、ssemblyQ IN Do ng,CHAN G Hua2jian(Instit ute of Nuclear and New Energy Technology,Tsinghua University,Beijing100084,ChinaAbstract:The supercritical water reactor(SCWRis t he o nly light water reactor of t he six reactor types recommended by t he Generation IV International Forum(GIF.Com2 pared wit h

4、 t raditional L WR,SCWR may achieve high t hermal efficiency and simple plant equip ment.Related researches are being carried out worldwide,among which t he optimal design for f uel assembly and core is an important t rend.This paper analyzes t he current f uel assembly(FAdesigns and calculates t he

5、ir local power peaking factors wit h MCN P code under t he condition of using t he same enrichment f uel and containing no burnable poison,and finds t hat t he local power peaking factors of t hese FAs are a little far away from t he design objective.This paper analyzes several factors influencing l

6、ocal power peaking factor,and shows t hat in t he case of uniform moderation,t he square FA dep ress local power peaking factor wit h t he disadvantage of making t he f uel assembly收稿日期:2008203231;修回日期:2008209202作者簡介:秦冬(1983,男,江蘇揚州人,碩士研究生,核能科學(xué)與工程專業(yè)65under2moderation as a whole and decrease consequen

7、tly t he Keff,which is mainly caused by t he arrangement of t he f uel rods.The paper also comes to a conclusion t hat,com2 pared to t he square FA,t he hexago nal FA will easily resolve t he cont radiction between t he uniform moderation and f ull moderation,achieving t he optimization of t he f ue

8、l as2 sembly design.K ey w ords:SCWR;f uel assembly;local power peaking factor超臨界水冷反應(yīng)堆(SCWR的概念自1989年由日本東京大學(xué)提出以來,其出色的性能引起了廣泛的關(guān)注,很多國家和組織對此開展研究,并取得一系列成果。超臨界水堆本質(zhì)上是在高溫高壓下運行的直接循環(huán)輕水堆。它以兩種成熟技術(shù)為基礎(chǔ):一種是目前廣泛使用的核電站輕水堆技術(shù);另外一種是目前大量使用的超臨界燃煤鍋爐電站技術(shù)。超臨界水堆的運行壓力為25MPa,在此壓力下,不存在沸騰現(xiàn)象,冷卻劑始終保持為單相,因此可以省略很多設(shè)備如蒸汽發(fā)生器、穩(wěn)壓器、汽水分離器、

9、干燥器等,使系統(tǒng)裝置大大簡化,從而降低成本。堆芯冷卻劑的進口平均溫度一般為280,平均出口溫度可達500以上,相應(yīng)的熱效率約為44%,比現(xiàn)有的輕水堆高出約三分之一。在目前的研究中,組件的設(shè)計是一個比較重要的課題,它涉及到復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強烈的物理熱工耦合。在SCWR設(shè)計中1,冷卻劑出口溫度直接受制于功率峰值因子,為了展平組件的功率分布,獲取較大的冷卻劑出口溫度、提高系統(tǒng)熱效率,組件的當?shù)毓β史逯狄蜃拥脑O(shè)計目標是1110。近幾年有不少燃料組件的設(shè)計方案被提出,但是對于這些組件的結(jié)構(gòu)、布置及組成成分是否能使組件達到這一設(shè)計目標還是一個挑戰(zhàn)。本文基于MCN P程序,考慮了物理熱工耦合的影響,從正方形

10、組件的構(gòu)成要素入手,研究計算了幾種有代表性的正方形組件,在分析影響當?shù)毓β史逯狄蜃拥倪^程中,發(fā)現(xiàn)所研究的幾種正方形組件的峰值因子都離設(shè)計目標還有一些差距,并且還發(fā)現(xiàn)對于正方形組件,降低峰值因子的同時也使得倍增因子降低,從而影響燃料的經(jīng)濟性,這和正方形形狀的固有性質(zhì)有關(guān)。在大量對比分析的基礎(chǔ)上,本文嘗試提出了一種六角形的組件設(shè)計方案,該組件能夠有效克服正方形組件存在的充分慢化和均勻慢化不能兼顧的問題。1正方形組件的計算模型111燃料棒超臨界水堆使用的燃料棒一般有兩種規(guī)格:一種較粗,其直徑1012mm,棒間距1112mm,包殼厚度0163mm,芯塊的直徑8178mm,此燃料棒主要用于正方形組件;另

11、一種較細,棒直徑8mm,包殼厚度015mm,燃料芯塊的直徑為619mm,此燃料棒用于六角形組件時棒間距1014mm,用于正方形組件時棒間距916mm。無論粗細,其活性區(qū)長度基本都是4200mm。本文為了方便比較,燃料棒、水棒及元件盒包殼統(tǒng)一采用Inconel718合金,密度為8118g/cm3;燃料的富集度定為6%,密度為95%的理論密度;填充氣體為室溫下6M Pa的氦氣。本文中的燃料棒均不含可燃毒物。112正方形組件的類型常見的超臨界水堆的正方形組件主要有三個構(gòu)成要素:水棒間燃料棒的層數(shù)、水棒的個數(shù)以及水棒所占棒位。不妨將組件記為“正m1n1k”,表示該組件水棒與水棒之間有m層燃料棒排列,每

12、個組件有n×n個水棒,每個水棒占k×k個棒位。當然還有其他的影響因素,如組件的外圍是否存在慢化水棒。本文根據(jù)不同的影響因素構(gòu)造了不同的組件,以研究這些因素對當?shù)毓β史逯档挠绊憽D1給出了其中四種組件的結(jié)構(gòu)示意。113計算條件考慮到組件計算時,物理和熱工有強烈的耦合作用,本文參考了文獻5給出的堆芯軸向溫度分布。計算時忽略了溫度分布的徑向差75 圖1正11613、正11613(外、正11414和正21513Fig.1Square f uel assemblies“Sq11613”,“Sq11613(out ”,“Sq11414”and “Sq21513” 異。超臨界水堆的冷卻劑

13、在軸向有劇烈的溫度變化,而溫度變化又影響單位體積內(nèi)的核子數(shù)和核子的微觀截面。而對于輕核,其微觀截面隨溫度的變化不大,所以本文只考慮軸向的密度變化。將冷卻劑和慢化劑沿軸向分成21層,利用文獻5給出的數(shù)據(jù),采用Herrmite 插值得到各層的密度值。冷卻劑和慢化劑的軸向密度分布見圖2。MCN P 的計算中,燃料采用ENDF62M T的1200K (927截面庫,冷卻劑和慢化劑均用ENDF5M T2的587K (314的截面庫。參照文獻6,在活性區(qū)上下各設(shè)置厚為30cm 、溫度為287的水層。因為正方形組件八分之一對稱,為了節(jié)省計算時間,只計算右圖2冷卻劑和慢化劑的軸向密度分布Fig.2The ax

14、ial density profiles of coolant and moderate正方形組件慢化劑;正方形組件冷卻劑;六角形組件慢化劑;六角形組件冷卻劑下八分之一組件。組件的四周采用反射邊界,上下采用真空邊界。2組件的計算分析和討論211正方形組件的計算在超臨界水冷堆的設(shè)計中,冷卻劑出口溫度直接受制于功率峰值因子,為了展平功率分布,以獲得較高的冷卻劑出口溫度,組件的當?shù)毓β史逯狄蜃蛹唇M件的最大棒功率和平均棒功率的比值定為1110。本文對表1的七種組件模型進行了計算,這七種模型可分為三類。第一類是正11613和正11613(外,主要研究外圍水棒的慢化效果;第二類是正11414、正11413

15、和正11412,主要研究水棒大小的影響;第三類是正11513和正21513,主要研究水棒間燃料棒排列層數(shù)的影響。表1為計算結(jié)果。表1組件計算結(jié)果T able 1The results of the assembly calculation參數(shù)正11613正11613(外2正114143正11413正11412正11513正215134k eff1126711141113321130011187113001113721111峰值因子的影響組件“正11613”內(nèi)部水棒之間只有一層燃料棒,如此組件內(nèi)部的燃料棒大部分都要受到兩邊水棒的慢化效果影響,而外圍一圈燃料棒只有一邊與水棒相鄰,故該類組件的功率分

16、布的均勻性就會受到影響。解決這個問題有兩個85方法, 一是在添加外圍水棒,讓外層燃料棒也能兩邊都有水棒;二是讓所有的燃料棒都只有一邊有水棒。從表1的結(jié)果看,外圍水棒的存在確實能夠起到增加外圍慢化效果,展平徑向功率分布的作用。對比“正11613”和“正11613(外”,可見當?shù)毓β史逯狄蜃訌?1267降到了11141,降幅達10%。正11613(外右下內(nèi)側(cè)八分之一組件的功率分布如圖3所示。峰值因子11141出現(xiàn)在C1,這個位置左右兩邊都是水棒,是整。觀察可知,相鄰有四根燃料棒的棒位,該處的值是連同這個棒位在內(nèi)的五個位置里最小的;相鄰有三根燃料棒的棒位,該處的值是四個位置里最小的。由于存在外圍水棒

17、,當?shù)毓β室蜃幼钚≈党霈F(xiàn)的位置并不是M13這個角點,而是M9。從整體上看,功率分布是從內(nèi)而外的減小,但是由于內(nèi)部水棒的存在,這種減小不是單調(diào)連續(xù)而是有起伏的。圖3正11613(外八分之一組件的功率分布Fig.3The power distributions of eighthfuel assembly“Sq11613(out”第二種方法的效果也是非常明顯的,當?shù)毓β史逯狄蜃訌摹罢?1513”的11300降到了“正21513”的11137,降幅也超過了10%。正21513組件右下內(nèi)側(cè)八分之一組件的功率分布如圖4所示。峰值因子出現(xiàn)在C1處,這個位置在所有棒位中最靠近整個組件的中心,并且這個位置處于

18、中心水棒邊上的中間棒位,是這個水棒周圍慢化影響最好的位置,綜合起來就是峰值位置。因為沒有外圍水棒,其最小值的位置就是M13這個角點。文獻4推薦的“正21314”組件采用8mm 燃料棒,富集度為4%,其耦合計算的結(jié)果表明圖4正21513八分之一組件的功率分布Fig.4The power distributions of eighthf uel assembly“Sq21513”能夠滿足設(shè)計要求。本文為了方便比較采用1012mm燃料棒,6%富集度,其當?shù)毓β史逯狄蜃訛?1161,k eff為11198,忽略耦合計算的誤差及燃料棒的差異,單從排列分布上看,在利用粗棒及較高富集度的情況下,效果并沒有組

19、件“正21513”好。中間三種組件模型從“正11414”到“正11413”再到“正11412”,當?shù)毓β史逯狄蜃訌?1332降到11300再降到11187。這個變化說明組件功率分布的不均勻性與水棒的存在有密切的聯(lián)系,減小水棒可以減小組件內(nèi)部的不均勻性,降低組件的當?shù)毓β史逯狄蜃印Ｔ跇O限情況下即沒有水棒,柵格密集排列,由常理可知其組件功率分布均勻,可見組件內(nèi)部的水棒是導(dǎo)致組件功率分布不均勻的一個重要因素。但水棒所占比例的減少會造成慢化不足,使k eff顯著降低,因而合理的水棒布置成為問題的關(guān)鍵所在。其他組件具體的功率分布與上述有類似的規(guī)律,其峰值位置根據(jù)上面圖3和圖4所示要滿足兩個方面的要求,第

20、一是位于整個組件的中心部分,第二是位于水棒邊上的中間位置,即水棒慢化影響最大的地方。依據(jù)以上兩點可以估計出其他組件的峰值位置所在。21112倍增因子的影響從當?shù)毓β史逯狄蜃涌紤],在上面幾種組件中,組件“正21513”效果最好,峰值因子最小,為11137,“正11613(外”次之,峰值因子為11141。組件“正21513”和“正11613(外”體積大小相當,前者每個組件有400根燃料棒,后者有301根,但是前者的倍增因子11182要小于后者11217,這可以看出前者組件的慢化非常95不足。從組件“正11613”到“正11613(外”,峰值因子下降的同時,倍增因子也略有下降,由11231降到了11

21、217。其原因可能是外圍水棒的存在,雖然增加了慢化,但是同時也使得水對中子的吸收增加,故組件的峰值因子和倍增因子同時下降。從“正11513”到“正21513”,有效增值因數(shù)從11230降到了11182,在慢化劑的體積并未增加,而燃料棒數(shù)目增加的情況下,平均到每根燃料棒的慢化面積(體積減小,以致整個組件整體慢化削弱,有效增值因數(shù)減小。中間三個組件里,“正11413”的倍增因子最大,為11229;“正11414”次之,為11223;“正11412”最小,為11184。這個次序不是組件的峰值因子減小的次序,也不是組件的單棒平均慢化劑數(shù)量減小的次序,說明并不是慢化劑越多組件的慢化就會越充分,存在一個最

22、佳的單棒平均慢化劑量。綜合看組件“正11X 13”的單棒平均慢化劑量是最好的。21113討論 綜上可知,三種分類也是三種減小當?shù)毓β史逯狄蜃拥姆椒?在均勻慢化組件、減小峰值因子的同時也削弱了組件的充分慢化、減小了倍增因子,可見組件的均勻慢化和充分慢化是相互矛盾的,組件設(shè)計的核心就是要在充分慢化和均勻慢化之間達成一個平衡。從計算結(jié)果看,正方形組件的較難達到這個平衡。以組件“正21413”為例,兩層燃料棒布置有利于均勻慢化(當?shù)毓β史逯狄蜃訛?1135,但是單棒平均的慢化劑較少使組件不能充分慢化(倍增因子為11179;若增大水棒(組件“正21414”固然能讓組件充分慢化(倍增因子為11205,但亦使組件內(nèi)部的均勻性變差(參見中間三種組件的峰值因子變化,提高了當?shù)毓β史逯狄蜃?峰值因子為11165。為了進一步了解組件內(nèi)燃料棒不同排列方式的影響,在均采用直徑為1012mm 燃料棒的情況下,本文計算比較了圖5所示的兩種燃料組件。圖5