基于SARAX 程序的鉛冷快堆堆芯優化設計

李 想，肖會文，劉國明，楊海峰

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

關鍵字：鉛冷快堆；SARAX；增殖堆芯優化；增殖比

鉛冷快堆作為國際原子能機構推薦的第四代先進反應堆堆型之一，除了具有更高的安全性外，另一大突出的優勢，是由于其更硬的中子能譜，可以更有效地實現核燃料的增殖和核廢料的處理[1-3]。近年來，鉛冷快堆越來越受到國內外機構的重視，如俄羅斯的SVBR-100、BREST-OD-300 鉛冷快堆，美國的SUPERSTAR堆，歐盟的 ELFR 示范堆，中國的鉛冷快堆CLEAR-I、CIADS、M～2LFR-1000、SNCLFR-100 等[4-8]。如何提高反應堆的增殖性能，更好地利用核燃料，一直是鉛冷快堆堆芯優化設計中的關鍵。因此，在鉛冷快堆的設計優化中，保證堆芯增殖比（BR）盡可能的大，這樣才可以使核燃料在核燃料循環中達到可持續使用的目的。

本文選取了國內某鉛鉍冷快堆作為研究對象，從燃料選型及富集度、屏蔽材料的布置、反射材料的布置等方面對原堆芯進行優化，得到了可以提高堆芯增殖比的設計方案，可為鉛冷快堆的堆芯優化設計提供參考。

1 計算模型

本文針對鉛冷快堆堆芯的建模計算使用了西安交通大學開發的快中子反應堆中子學計算分析軟件包SARAX 程序[9,10]。鉛冷快堆堆芯[11]如圖1 所示。

圖1 堆芯示意圖Fig.1 The schematic of the reactor core

堆芯由379 組六角形組件柵元組成，包括內區燃料組件、外區燃料組件、控制棒組件、緊急停堆棒組件、反射組件以及屏蔽組件。采用鉛鉍合金作為冷卻劑，UO2作為燃料，按照不同富集度燃料組件呈內、外兩區布置，內區235U 富集度為 16.00%，外區235U 富集度為19.75%。燃料活性區高度90 cm，上部布置氣腔區，活性區外再布置反射組件和屏蔽組件。堆芯額定熱功率為 30 MW，額定電功率為10 MW，壽期內不倒料或換料，堆芯目標壽期為滿功率連續運行6 年。堆芯容器內外直徑分別為 116.0 cm 和 118.0 cm，堆芯總高度為215.0 cm，循環初時堆芯內總的重核素裝載量為5.89 t。

采用SARAX 程序對堆芯進行計算，表1中給出了堆芯參數的計算結果，可以看出采用傳統的UO2燃料時，雖可以滿足堆芯壽期長度達到6 年的要求，但經過計算發現，堆芯的轉換比（CR）只能達到0.6，并不能充分地利用核燃料資源。為進一步提升堆芯核燃料的增殖能力，必須對堆芯裝載進行優化。

表1 堆芯參數計算結果Table 1 Results of the reactor core parameters

2 堆芯優化方案

2.1 組件的優化

為了提高堆芯增殖比，使用混合氧化物（MOX）燃料代替傳統的UO2燃料。堆芯內部依舊采取不同富集度的內、外兩區燃料布置設計，燃料組件分為兩種，均使用MOX 燃料，由貧化度為0.3%的貧鈾和钚的氧化物混合而成，钚的同位素成分見表2 所示。

表2 钚的同位素成分Table 2 The component of plutonium isotopes

為了提升燃料的增殖能力，還需要在堆芯中布置增殖材料來進行U-Pu 的增殖轉換，提高堆芯整體的增殖比。增殖材料通?？刹贾迷谌剂蠀^的上部、下部形成軸向轉換區或增殖區，也可布置在燃料的徑向周圍區域，形成徑向轉換區。根據圖1 中堆芯的布置，可在燃料組件、屏蔽組件和反射組件內布置增殖材料，實現增殖比BR 的提升，如圖2 所示。其中，增殖材料選用0.3%的貧鈾。

圖2 優化后的組件示意圖Fig.2 The schematic of optimized assembly

對于燃料組件，在原燃料組件設計方案的基礎上，上下封頭、上下反射層不變，將原燃料區高度減小至50 cm，同時縮小上方氣腔區高度，并在燃料區下方以及氣腔區和燃料區之間布置增殖材料，構成軸向轉換區。此時燃料區下方為下轉換區，高度固定為20 cm；燃料區上方為上轉換區，高度至少為20 cm，隨著方案的調整上轉換區高度也將有所調整。為提高堆芯增殖比，在部分反射組件中布置增殖材料形成徑向轉換區。堆芯最外層布置了屏蔽組件，用于減小堆芯中子泄漏率，降低輻射，保證反應堆運行安全。在原有的屏蔽組件的基礎上，將其中部分的屏蔽材料B4C 替換為增殖材料，形成徑向轉換區組件。既可以起到中子的吸收作用，也可以轉換238U 為Pu 元素，提高燃料利用率，其中徑向轉換區的高度與優化后燃料組件的活性區高度保持一致。

2.2 堆芯優化方案與結果分析

堆芯改用MOX 燃料，并在內外兩區燃料組件中布置上下轉換區，同時在屏蔽組件中布置徑向轉換區。對于堆芯的兩圈反射組件，將內圈的54 組反射組件也布置徑向轉換區，優化后的堆芯如圖3 所示。其中，堆芯內外區所有的燃料組件，相比于優化前都引入了增殖材料，此時相對于堆芯的MOX 燃料活性區，燃料組件的增殖材料位于燃料活性區的上方和下方，相當于在堆芯中構成了軸向增殖區。堆芯原有的兩圈反射組件，外圈的反射組件保持不變，在內圈的反射組件中布置增殖材料。堆芯所有的屏蔽組件中也布置了增殖材料。此時反射組件和屏蔽組件中的增殖材料位于MOX 燃料活性區的外部，相當于在堆芯中構成了徑向增殖區。

圖3 優化后堆芯示意圖Fig.3 The schematic of the optimized core

反射組件的減少，增大了堆芯中子的泄漏率，為維持堆芯壽期長度，需對燃料區組件PuO2含量進行調整。通過對內外燃料區PuO2含量進行方案組合篩選，得到調整后PuO2的質量含量：內區25.05%，外區30.50%。下轉換區高度保持20 cm 不變，燃料區高度保持在50 cm 不變，增加燃料組件的上轉換區高度，屏蔽組件和反射組件中徑向轉換區高度始終與燃料組件的燃料區和上下轉換區高度總和保持一致。如表3 中所示，從方案1 到方案10，堆芯活性區高度、增殖材料的含量逐漸增加。對這10 種方案開展在6EFPY（滿功率年）內的全壽期燃耗計算。

表3 優化組件的主要高度參數Table 3 The main height parameters of the optimized assembly

堆芯的徑向功率峰因子是描述組件功率分布展平程度的重要參數，也是堆芯優化的一項重要研究對象，表4 給出了從方案1 到方案10中，堆芯徑向功率峰因子計算結果。從結果中可看出優化后的堆芯徑向功率峰因子會比優化前有所降低，而10 種優化方案的堆芯徑向功率峰因子基本沒有差別，從功率展平程度上優化度相同。

表4 堆芯徑向功率峰因子Table 4 The radial power peaking factor of the core

表5 給出了堆芯各部分材料和整體的增殖比計算結果，從中可知：

表5 堆芯的增殖比Table 5 The breeding ratio of the core

（1）10 種方案全壽期堆芯整體的增殖比都滿足BR≥1 的優化目標。

（2）當活性區高度達到120 cm 后（方案7），隨著增殖材料高度繼續增加，堆芯整體的BR始終為1.15，不再繼續升高。為保證燃料組件的燃耗深度，需保證氣腔高度，綜合考慮堆芯整體增殖比和燃料組件氣腔高度，推薦使用方案 7，即堆芯活性區高度 120 cm，氣腔高度45 cm 的優化方案。

為分析優化方案的可行性，進一步與原堆芯方案開展堆芯壽期長度、堆芯燃料組件kinf分布、堆芯功率分布以及壽期末的燃耗分布進行比較分析，結果如表6 和圖4 所示。

表6 堆芯的壽期長度Table 6 The life length of the reactor core

圖4 優化前后堆芯其他參數分布Fig.4 Other parameter distribution of the reactor core before and after optimization

從表6 中堆芯壽期長度的結果可以看出，由于在優化方案中內外兩區燃料的PuO2含量在25%以上，使堆芯在相同運行時間下的keff相比于優化前有所升高。雖然增殖材料替換了優化前方案的部分燃料，使得燃料區的體積有所減小，但優化后堆芯在6EFPY 全壽期內的燃耗深度從之前的10.831 GWd/tU 增加到了20.298 GWd/tU。

通過圖4 中對堆芯功率分布和燃耗分布結果比較可知，優化后燃料組件的最大燃耗也由優化前的14.76 GWd/tU 增加到了29.4 GWd/tU。

3 結論

為提高國內某鉛冷快堆堆芯的增殖比，本文采用SARAX 程序對不同堆芯方案進行了設計分析，形成了優化方案。優化方案的增殖比BR 為：壽期初1.15，壽期末1.20；堆芯的燃耗深度為20.298 GWd/tU，能夠達到6EFPY 的壽期目標；堆芯功率峰因子、堆芯功率分布、燃耗分布計算結果等都可初步滿足優化設計的要求。本文得到的結論，可為鉛冷快堆優化設計提供參考。