重水堆医用钴调节棒变更物理分析1)

2019-10-16 08:58

中国核电 2019年4期

(中核核电运行管理有限公司堆芯燃料处，浙江海盐 314300)

重水堆中用钴调节棒组件代替原先的不锈钢调节棒组件，可在维持堆芯正常运行的同时，利用59Co在堆芯内发生(n,γ)反应而产生60Co的特性生产工业或医用60Co放射性源。此前，秦山第三核电厂已顺利开展工业用60Co放射源的生产。为解决我国的伽玛刀放射源的供应问题，秦山三核又开展了医用60Co放射性源生产变更工作。2017年6月首批高比活度59Co调节棒入堆，填补了我国在医用60Co方面的空白。

1 医用钴调节棒变更物理分析

1.1 CANDU6型重水堆物理设计

CANDU6型核电站采用卧式管道重水反应堆，堆芯反应性控制设计如下：堆芯燃料燃耗引起的长期慢反应性下降，主要由带功率不停堆换料控制；堆芯总体和区域的短时间快速的小反应性变化主要由14个轻水区域控制装置(LZC)控制；氙毒和换料机不可用情况下的反应性补偿，主要由21根钴调节棒(ADJ)控制；快速降功率产生的附加反应性和负的燃料温度效应，由4根镉机械吸收棒控制(MCA)；初始过剩反应性和长期停堆产生的氙衰变，由慢化剂毒物(硼或钆)补偿。

1.2 医用钴调节棒变更设计说明

21根钴调节棒按照一定的优化布置，垂直地插入堆芯的慢化剂中，并根据优化的插入顺序被分成了7组，在正常运行时起到展平功率分布的作用；在功率减少的变工况运行情况下顺序拔出，以补偿氙毒增加引起的负反应性增量。

调节棒组件分成A、B、C和D型，每一种类型的钴调节棒组件由一根中心棒串联若干钴棒束部件组成，每个钴棒束部件由钴棒(包括错包壳)、错棒、中心管以及上下端板等组成。不同类型的钴调棒组件中包含有不同数目的钴棒和锆棒。医用钴调节棒变更只替换全部或者部分D型工业钴调节棒，原工业钴调节棒的A-inner、A-outer、B、C-inner 和C-outer 型调节棒保持不变。

本次变更采用医用钴调节棒替换4根原位置为1、7、15和21 号D2型工业钴调节棒，8 和14 号仍然保持工业钴调节棒设计，见图1。

图1 钴调节棒堆芯布置示意图

1.3 软件介绍

秦山第三核电厂使用RFSP程序进行重水堆物理设计、安全分析和换料设计等。RFSP利用有限差分求解两群中子扩散方程，使用两群三维中子扩散理论计算全堆芯的中子通量和功率分布。

调节棒更换后，其结构与材料组分与原堆芯设计都发生了变化，首先要重新进行堆芯几何建模，更改相应截面数据；另外基于堆芯运行历史，利用RFSP进行跟踪计算，模拟调节棒价值。

1.4 医用钴棒与工业钴棒反应性价值对比分析

医用钴调节棒设计结构与截面参数，决定了其入堆后的反应性价值变化趋势与工业钴之间存在一定的差别。本文分别模拟了相同堆芯状态下，0～18个月工业钴调节棒与医用钴调节棒的反应性价值变化，随着燃耗加深更多的59Co转化成60Co，钴吸收截面变小，钴棒的反应性价值也逐渐变小；如图2所示，医用钴入堆早期略大于工业钴，但由于医用钴的吸收截面更大，价值下降趋势也更快，燃耗后期两种钴棒的价值开始接近，医用钴整体反应性略高于工业钴，符合堆芯安全控制设计，可以保证燃耗后期有等效的控制功能。

图2 四根D2型医用钴棒组与相应工业钴棒组长期价值比较

1.5 医用钴棒与工业钴棒比活度对比分析

医用60Co生产与工业60Co生产相比，除开两者的芯块结构不同以外，两者的最大差异在于对比活度要求上。一般医用60Co放射源的比活度要求在220 Ci/g以上。

堆内钴产量计算可采用如下燃耗方程进行计算：

(1)

(2)

初值条件取为：

(3)

N60(0)=0

(4)

60Co产量即60Co活度可以按照下式计算得出：

(5)

式中：ρ——钴芯块密度，一般取8.6 g/cm3；

NA——阿伏伽德罗常数，6.02×1023atoms /mol;

A——59Co的原子量，58.933;

N59(t)——59Co在t时间的核子密度， atoms/cm3;

N60(t)——60Co在t时间的核子密度， atoms/cm3;

c——钴芯块的热中子通量， n/cm2·s;

N59——59Co的有效微观俘获截面，bars;

N60——60Co的衰变常数,1/s。

上述方程中钴芯块的热中子通量无法直接计算得到。采用的计算方法是：首先对钴调节棒束所在节块建模，利用RFSP程序插值计算出节块的平均热中子通量，再折算钴芯块的热中子通量。

考虑到程序的建模能力，计算的产量和实际测量的结果之间可能存在一定的差异。根据历史批次钴棒实测活度数据与理论计算活度对比结果，理论计算的钴活度与实测值偏低约12%，因此核电厂在计算钴产量活度时根据积累的计算和测量产量数据，取测量修正因子并放入到程序中应用。

由于重水堆不停堆换料，长时间平均通量维持不变，本文首先计算108批钴棒整个循环ADJ01/ADJ07/ADJ15/ADJ21的平均栅元通量，考虑转换因子，计算得到钴芯块的通量；以108批次通量作为分析基础，利用RFSP程序进行跟踪计算，模拟医用钴调节棒随着辐照的比活度变化。从图3可以看出，医用钴调节棒比活度相比工业钴调节棒比活度要大，在入堆520 d左右，医用钴就已经达到220 Ci/g，工业钴棒则要620 d左右，在辐照到24个月(24×30.5 d=732)时，医用钴可以接近300 Ci/g。

图3 两种调节棒长期比活度对比

2 调节棒价值模拟计算和测量试验

2.1 钴调节棒价值模拟

采集堆芯相应状态参数，包括反应堆功率水平，通道换料情况，燃料密度，燃料温度，慢化剂温度、密度，慢化剂重水纯度，冷却剂温度、密度，冷却剂重水纯度，LZC、ADJ、MCA 和SOR (1号停堆系统停堆棒)状态，慢化剂中的毒物浓度等，初始 TAPE基于停堆之前对应等效满功率天，图4给出模拟停堆、大修、启堆期间的堆芯过程状态，更改相应模块计算卡片，进行参数修正与跟踪计算。更新相应钴截面数据。对每根或每组调节棒进行单独模拟。模拟反应性价值为调节棒拔出前后堆芯剩余反应性的差值。

图4 堆芯模拟跟踪与状态过程示意

2.2 钴调节棒价值测量试验

调节棒变更完成以后，需要进行相应的功能验证试验。在平衡堆芯热态零功率下对两种结构的调节棒进行积分价值测量试验并比较。

通过添加价值已知的钆包测量液体区域控制装置(LZC)的微分价值，然后利用其微分价值对刻调节棒单棒和棒组的积分价值。

2.2.1 液体区域控制装置(LZC)反应性价值

程序处理LZC 反应性系数时取一系列的LZC平均液位，在每个平均液位上进行瞬时模拟计算堆芯的剩余反应性。LZC 反应性系数取堆芯剩余反应性与平均液位之间的斜率。

试验测量LZC的反应性价值，首先将平均液位调到80%，然后向慢化剂系统添加硝酸钆，直到平均液位降低20%左右。最终根据加入的硝酸钆量和平均液位响应来确定平均液位在20%～80%内的反应性总价值和反应性系数。

模拟与试验数据比较分析，LZC价值测量满足验收准则后，即可用来对刻钴调节棒价值。

2.2.2 ADJ单棒反应性价值测量

ADJ单棒价值测量是手动将单根ADJ拔出和插入堆芯，反应堆控制系统自动调节LZC平均液位维持反应堆临界。根据拔出和插入单根ADJ前后的平均液位相应来确定其反应性价值。

测量得到的ADJ单棒价值与预计值之间的均方根偏差很小，如图5所示，调节棒变更后计算的反应性价值与试验值吻合良好，满足验收要求。

另外对比108与109批次钴调节棒试验价值，从图6可以看出，两者差别很小，其中关注ADJ1/7/15/21号医用调节棒，可以发现医用钴棒价值确实略大于工业钴棒。

2.2.3 ADJ棒组反应性价值测量

ADJ棒组价值测量，按照第一组到第七组的顺序将ADJ组依次拔出堆芯。在每组ADJ拔出前，将LZC的平均液位调节到标准参考值，每拔出一组棒，反应堆控制系统将自动调节LZC液位维持反应堆临界。根据LZC的平均液位变化来确定各ADJ棒组的反应性价值。

如图7所示，测量得到的ADJ总价值与预计值之间的偏差很小。棒组价值与预计值之间的最大偏差满足验收要求。

另外从图8可以看出，第一组钴调节棒109批次的反应性价值要略大一些，这是因为第一组棒束刚好包括了全部的医用钴调节棒。而两个批次的棒组的总体价值是相当的。

图5 钴调节棒单棒价值测量

图6 108与109批次钴调节单棒价值比较

图7 调节棒组价值测量

图8 108与109批次钴调节棒组价值比较

3 通量分布模拟计算与检查试验

3.1 通量分布模拟

CANDU6型计算通量分布的物理方法有两种：中子扩散方程求(RFSP-SIMULATE)和通量绘图计算(FLUX-MAPPING)。中子扩散方程求解，主要是跟踪反应堆运行历史，用扩散理论计算当前反应堆堆芯的通量和功率分布，可作为RIPPLE模块计算基模的数据来源，是做FLUX-MAPPING计算的基础。通量绘图计算使用有限的数学函数(谐波模)绘制中子通量分布图，这些函数可以再现反应堆内每一点的中子通量。用谐波模线性组合来进行谐波拟合，使拟合值尽可能地接近102个Vd-探测器的测量值。