加装辅助停堆系统的加速器驱动系统次临界实验装置初步.pdf

核 动 力 工 程 Nuclear Power Engineering 第 29 卷 第 6 期 2 0 0 8 年 12 月 Vol.29.No.6 Dec.2 0 0 8 文章编号：0258-0926(2008)06-0098-04 加装辅助停堆系统的加速器驱动系统 次临界实验装置初步设计 于 涛，李小华，周成龙，谢 芹，马志远，刘 平 （南华大学核科学技术学院，湖南衡阳，421001）摘要：针对现有加速器驱动核能系统概念设计中存在的安全隐患，采用 MCNP 程序设计了加装辅助停堆系统的次临界实验装置；通过改变热区栅距、热区厚度和控制棒的下插深度来改变堆芯参数，对反应堆有效增殖系数进行计算和比较分析，实现了不同堆芯参数下 keff值可调；对几种不同热区栅距和热区燃料棒根数所对应的停堆深度和控制棒价值进行了计算，结果表明，辅助停堆系统提高了加速器驱动系统(ADS)的安全性。关键词：辅助停堆系统；加速器驱动系统；MCNP；次临界；keff 中图分类号：TL329 文献标识码：A 1 前 言 目前，商用核能系统还存在如高强度放射性废物的最终处理、铀资源利用率低和安全性问题等阻碍裂变能进一步发展的因素，近年来，国内外学者一直在寻求可以解决这些问题的方法。在现行的燃料循环中引入加速器驱动系统(ADS)构成新的混合核能系统，将成为目前商用核能系统与核聚变能充分利用之间的过渡1。按照 ADS 的设计概念，加速器驱动系统中次临界堆芯的功率水平依靠强流质子轰击散裂靶产生的中子源来维持。因此，质子束流的不稳定性，以及任何形式的失束都将对次临界堆的功率水平产生影响，进而影响 ADS 的停堆深度。但是有计算表明，现行的加速器驱动次临界堆芯设计存在停堆安全性的问题，集中体现为如果单纯依靠高功率质子加速器(HPPA)断束停堆，断束后次临界堆仍然会保持一定的功率水平25；这是现行ADS 设计中的潜在危害之一。为了解决这个问题，设计了加装辅助停堆系统的次临界反应堆实验装置，在加速器驱动次临界堆断束停堆的同时下插控制棒，有效地达到安全停堆的目的。应用MCNP 程序计算了堆芯的 keff，结果表明，辅助停堆系统能有效提高 ADS 的安全性。2 加速器驱动系统 加速器驱动系统包括：中能强流质子加速器、外源中子产生器和次临界反应堆。次临界反应堆的运行工况要求有持续供给的外中子源维持其链式反应；这种外中子源由 HPPA 打击重金属靶提供。根据次临界度的不同，在次临界反应堆内，除维持链式反应外，还可富裕出一部分“中子余额”，可以用于“焚烧”自生或外加乏燃料中所含的长寿命核废料；次临界运行工况及加速器的快速响应为 ADS 的运行提供了更高的灵活性及对其安全性的保证6，7。3 加装辅助停堆系统的 ADS 堆芯设计 3.1 整体布局 在堆芯设计中采用快-热耦合方式进行堆芯布置，燃料元件分别采用不同的排列方式。堆芯径向由靶区、快中子能谱区(简称“快区”)、热中子能谱区(简称“热区”)、反射层、屏蔽层组成，堆芯轴向中心为活性区，活性区的上下各有反射层和屏蔽层8。堆芯径向截面图如图 1 所示。3.2 中子源区 中子源区简称“源区”。从快中子能谱区正中心拔出 7 根燃料元件，在此 7 根燃料元件区域内 收稿日期：2007-08-23；修回日期：2008-08-04 基金项目：国家“973”计划资助项目(G1999022602，2007CB209900)于 涛等：加装辅助停堆系统的加速器驱动系统次临界实验装置初步设计 99 图 1 加装辅助停堆系统的次临界堆芯径向图 Fig.1 Radial Plot for Sub-Critical Core with Auxiliary Shut-Down System 1屏蔽层；2反射层；3热区；4快区；5源区束管；6控制棒 放置一个六边形铝框；在六边形铝框内放一个正六边形靶管。靶管内部为真空，靶管直径 40 mm；六角形导管外角点到中心距离为 31.08 mm；内角到中心的距离为 28 mm；中子源水平放置在导管里。燃料元件中心距元件端头 350 mm。中子源为中能强流质子加速器。中子能量 14 MeV；中子强度1012 n/s。3.3 快区 快区由插在六角形铝块内的天然铀元件组成，燃料元件堆砌成一个六角形区域。(1)燃料元件：天然金属铀燃料堆砌的单根 元件外径为 22 mm，芯体直径 20 mm，芯体长 700 mm。密度 18.6 g/cm3。包壳厚度 1 mm，材料为 Al。(2)燃料元件布置：呈三角形紧密排列，元件之间布置铝。燃料栅距 25 mm，分 8 层，共 264 根，快区厚度约为 184.57 mm。3.4 控制棒 若取快区中心为坐标原点，3 根控制棒中心分别位于(-12.500,0,0)，(6.250，10.825，0)和(6.25，-10.825，0)处，坐标单位为 cm。控制棒的大小及形状与快区的燃料棒相同，但填充材料不同，控制棒的材料为 100含量的镉。控制棒距反应堆中心的距离均为 125.00 mm。3.5 热区 由含硼聚乙烯内插燃料元件组成，燃料元件按照正方形均匀排列。选取不同的燃料元件数和栅距为 9、10、11、12、13、15、17、20 mm 的热区，计算 keff。热区燃料棒的数量由计算得到。热区径向内外均为六角形，内区紧靠快区，外区边界由计算结果而定。燃料元件外径 8 mm，芯体直径 6.5 mm，热区芯体长 700 mm。芯块为二氧化铀陶瓷体；235U 富集度为 3；芯块密度为10.465 g/cm3。包壳厚度为 0.65 mm，材料为 Zr。3.6 反射层 由聚乙烯组成，厚度为 1525 cm，在快区和热区元件的外围。径向内为六角形，外为圆形；轴向在元件外面和屏蔽层之间，为圆柱体。密度为 0.935 3 g/cm3。3.7 屏蔽层 由含硼聚乙稀组成，厚度为 1525 cm。在反射层外面，径向内外均为圆形，形成的圆环轴向在反射层外，为圆柱体。密度为 0.935 3 g/cm3。4 计算程序和设计参数 4.1 计算程序 MCNP程序可用于计算中子、光子或中子-光子耦合输运问题，也可用于计算临界系统(包括次临界和超临界)的本征值问题。MCNP能处理任意三维几何结构的问题，含有用户用来描述反应堆物理相关参数的材料卡、临界源卡和通用源卡等，非常适用于反应堆物理计算。因此，本文使用MCNP程序设计了加装辅助停堆系统的加速器次临界系统。其堆芯截面图如图1、2所示。图 2 通过控制棒的堆芯轴向截面图 Fig.2 Axial Section of Core through Control Rod 1屏蔽层；2控制棒上方真空区域；3反射层；4源区真空区域；5控制棒；6快区；7热区；8源区铅靶；9控制棒下方真空区域 核 动 力 工 程 Vol.29.No.6.2008 1004.2 堆芯设计参数的调整 为了使反应堆有效增殖系数(keff)符合次临界堆芯 keff合理变化范围(0.850.98)，采用了以下两种方法来调整堆芯的设计参数。(1)保持次临界反应堆的热区厚度不变，通过改变燃料棒的栅距调整反应堆的设计尺寸。(2)通过改变热区燃料棒的栅距改变次临界反应堆实验装置的热区厚度。5 计算结果与分析 本文讨论了控制棒完全拨出、控制棒插入一半和控制棒完全插入堆芯时的 3 种情况。(1)保持热区厚度不变(本设计所计算的热区厚度包括 340、360、380、400、420、440、460、480、500、520 mm。限于文章篇幅，本文以保持热区厚度 340 mm 不变时的典型计算结果进行说明)，调节燃料棒栅距，并调整燃料棒数量。选取燃料棒栅距为 9、10、11、12、13、15、17、18、19 和 20 mm，计算反应堆的 keff。图 3 是热区厚度为 340 mm，栅距分别取上方 10 组数据时的 keff与热区燃料棒数量的关系曲线。图 3 热区厚度为 340 mm 时反应堆 keff与 热区燃料棒数量的关系 Fig.3 Multiplication Factor v.s.Fuel Number in Thermal Zone for Thermal Thickness 340 mm (2)保持热区栅距不变，调整热区厚度，并调整燃料棒数量。表 1 给出了热区厚度分别为 340、360、380、400、420、440、460 和 480 mm 时，栅距为17 mm所对应的反应堆有效增殖系数与热区燃料棒数量的计算结果。由图 3 及表 1 可知：加装辅助停堆系统后的加速器驱动堆实验装置，其反应堆 keff值可通过 调节控制棒的插入深度进行调整，达到了 ADS 次临界反应堆堆芯 keff的设计要求。表 1 热区栅距为 17 mm 时 keff计算结果 Table 1 Calculation Result for Multiplication Factor of Thermal Fuel Pitch 17 mm 燃料棒数/根 控制棒完全拨 出时的 keff值 控制棒插入一 半时的 keff值 控制棒完全插 入时的 keff值 359 0.726 83 0.696 24 0.679 72 497 0.812 34 0.787 17 0.765 70 639 0.875 96 0.854 09 0.838 31 850 0.931 43 0.913 69 0.893 81 998 0.951 48 0.920 42 0.902 79 1 188 0.959 51 0.939 36 0.920 21 1 438 0.964 12 0.936 82 0.912 27 1 775 0.866 21 0.853 10 0.838 54 在保持热区厚度 340 mm 不变的情况下，本文对热区栅距和热区燃料棒数量进行了调整，所对应的停堆深度和控制棒价值如表 2 所示。表 2 停堆深度和控制棒价值计算结果 Table 2 Calculation Result of Shut-Down Margin and Control Effectiveness 栅距/mm 燃料棒根数/根停堆深度/元 控制棒价值/元9 1 473-0.117 02 0.052 08 10 1 164-0.128 15 0.038 96 11 961-0.089 87 0.060 98 12 688-0.112 93 0.0417 6 13 808-0.084 19 0.060 08 15 402-0.043 00 0.080 63 17 402-0.211 80 0.071 73 20 291-0.430 00 0.080 63 由表 2 可知，为加装一组辅助停堆控制棒组(3 根)，在不同热区栅距时其停堆价值即可达到0.038 960.080 63 元，其能满足快区控制棒组件反应性当量 0.074 元的要求，符合 ADS 加装辅助停堆设计的初始设计要求。但是，ADS 堆芯加装过多的控制棒组件势必会增加堆芯设计和制造的复杂性，这将在今后的工作中开展进一步的探讨。6 结 论 本文设计的加装辅助停堆系统的次临界堆芯，通过改变栅距、热区厚度和控制棒的下插深度来改变堆芯参数。MCNP 程序模拟计算表明，辅助停堆系统的设计提高了 ADS 的安全性，实现了不同堆芯参数下 keff值的可调。参考文献：1 丁大钊，未来核能利用的方案探讨加速器驱动的 放射性洁净核能系统A，加速器驱动放射性洁净核能 系统概念研究文集C.北京：原子能科学出版社.于 涛等：加装辅助停堆系统的加速器驱动系统次临界实验装置初步设计 1012000,327.2 于涛，李吉根，凌球等.ADS 加速器束流瞬变分析程 序开发J.核动力工程，2007,28(2):124127.3 于涛，李吉根，凌球等.ADS 加速器失束次临界反应 堆动态特性研究J.核科学与工程，2007,27(3):37 40.4 Schikorr W M.Assessments of the Kinetic and Dynamic Transient Behavior of Sub-Critical Systems(ADS)in Comparison to Critical Reactor SystemsJ，Nuclear Engineering and Design.2001,210:95123.5 于涛.加速器驱动次临界系统(ADS)束流瞬变动态响 应的微机仿真研究D.中国原子能科学研究院博士 论文，2005.6 郭俊盛.加速器驱动的嬗变技术及应用一个关于 核能发展的热门话题J.原子核物理评论.1999.16(4):267272.7 丁大钊，傅世年.加速器驱动放射性洁净核能系统J.现代物理知识，2001,13(1):2025.8 史永谦，夏普，罗璋琳等.ADS 次临界实验装置 启明星 1#R，中国原子能科学研究院年报，2004,2628.Preliminary Design of Sub-Critical Verification Facility for Accelerator Driven System with Auxiliary Shut-Down System YU Tao,LI Xiao-hua,ZHOU Cheng-long,XIE Qin,MA Zhi-yuan,LIU Ping （School of Nuclear Science and Technology,University of South China,Hengyang,Hunan,421001,China）Abstract:Considering the potential safety hazards in the current concept design of accelerator driven nuclear system,sub-critical verification facility with auxiliary shut-down system is designed in this paper by using MCNP code.The core parameters can be adjusted by changing thermal zone pitch;the thickness of thermal area and the inserting depth of control rod,and simulation calculation and comparative analysis of multiplication factor is carried out,and keff can be modulated under various parameters.Finally,the shut-down margin and control rode effectiveness for different thermal pitches and fuel numbers are calculated,and the calculation results show that auxiliary shut-down system improves the safety of the accelerator driven system.Key words:Auxiliary shut-down system,Accelerator Driven System(ADS),MCNP,Sub-critical,keff 作者简介：于 涛(1972)，男，副教授，博士。2005 年毕业于中国原子能科学研究院核能科学与工程专业。现从事反应堆物理研究。李小华(1979)，男，硕士研究生。就读于南华大学核技术及应用专业，主要从事反应堆物理研究。周成龙(1984)，男，硕士研究生。就读于南华大学核技术及应用专业，主要从事反应堆物理研究。(责任编辑：张明军)(上接第 97 页)作者简介：叶岑明(1976)男，硕士，助理研究员。2005 年毕业于成都电子科技大学机械制造与自动化专业。现从事反应堆控制保护系统研制和设计。张 翼(1967)女，副研究员。1989 年毕业于东北工学院无线电技术专业，获学士学位。现从事反应堆自动化测量监控技术研究。荣 茹(1968)女，技师。1994 年毕业于中国工程物理研究院电气工程学院计算机应用专业。现从事反应堆控制保护系统研制和设计。(责任编辑：刘胜吾)