小型模块化氟盐冷却高温堆可燃毒物布置方案

刘思佳 朱贵凤 严 睿 邹 杨 徐洪杰

1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

2（中国科学院大学 北京 100049）

小型模块化反应堆（Small Modular Reactor，SMR）［1］指发电功率小于300 MW、采用模块化设计、设备系统模块化工厂预制和现场模块化组装建设的小型反应堆。SMR具有较高的安全性和灵活性，可促进全球能源供给模式的多样化发展，以及满足因地制宜综合利用核能的需求，是裂变反应堆的重要发展方向。

氟盐冷却高温堆（Fluoride salt-cooled High temperature Reactor，FHR）［2-4］是 采 用 TRISO（Tristructural iso-tropic）包覆燃料颗粒［5-6］和熔盐冷却介质［7］的高温、低压新型反应堆，具有较高的固有安全性［8-9］和高温输出品质，是较理想的SMR发展堆型之 一 。 美 国 已 提 出 了 smAHTR［10］、Mark-1［11］、TFHR［12］等多种小型模块化FHR概念堆型。

提高换料周期并简化反应性控制［13-14］是SMFHR的设计要点之一。文献报道已有采用可燃毒物降低FHR内的反应性摆幅的相关研究［12，15］，但都是基于组件内的布置方案。我们的前期研究针对延长换料周期与提高燃料利用率展开了优化分析，并提出一个较为折中的方案［16］。本文在此基础上采用可燃毒物压低寿期内的反应性摆幅，在可燃毒物的布置上考虑了组件间装载的差异，并降低可燃毒物装载对换料周期的影响。

本文先简要介绍SM-FHR堆芯基本参数和可燃毒物布置考虑，其次对不同装载方案进行分析并探讨其内在变化原因，最终给出一个较为合理的可燃毒物布置方案。

1 计算模型与方法

1.1 SM-FHR介绍

SM-FHR是为满足偏远地区30～150 MW热功率需求而设计，低功率下可实现全自然循环，高功率下依赖强迫循环。堆芯总体参数见表1。堆芯组件换料周期为2～10 a。换热器与堆芯上下紧凑式布置，内置于一个3 m直径、9 m高的安全容器内，整个模块以期实现工厂加工组建、整体运输与现场吊装。

主回路采用LiF-BeF2冷却剂，堆芯出口温度为700°C。堆芯平均功率密度小于11 MW·m-3，比大型FHR的功率密度偏低，安全裕度高。堆芯衰变余热通过主回路自然循环结合安全容器壁面辐射换热等手段实现全非能动式导出。

反应堆为3 m直径与4 m高的圆柱，其中活性区有效直径为2.08 m，活性区外侧为石墨反射层。反射层内布置若干控制棒测量通道。堆芯由三圈六棱柱组件排布构成，在轴向上分5层，共计95个六棱柱组件。组件对边距45.6 cm，高约80 cm，内部为石墨基质蜂窝结构，填充燃料芯块并预留冷却剂通道（图1）。冷却剂通道直径为1.191 cm，分散布置在燃料芯块周围，其占个组件体积份额为11.2%。燃料芯块直径为1.245 cm，内部填充TRISO燃料颗粒，填充度约40%，其基质为石墨。

图1 小型模块化氟盐冷却高温堆计算模型 (a)堆芯侧视图，(b)堆芯俯视图，(c)燃料块结构Fig.1 Calculation model of small modular FHR (a)Core side view,(b)Core top view,(c)Fuel block structure

TRISO包覆颗粒参数见表2。几何尺寸为常规设计，其燃料采用富集度为19.75wt%的235U。根据前期研究［15］，为兼顾延长换料周期和提高燃料利用效率，选择C/HM比为260的配置方案。此时燃耗深度约83 MWd·kgU-1。

1.2 可燃毒物布置

FHR内的可燃毒物布置主要是以小颗粒形式弥散在燃料芯块内。可参考的可燃毒物有Gd2O3、B4C、Sm2O3、Eu2O3、CdO和Er2O3。其中B4C在反应性展平上效果较佳［15］，同时可获得性较高。因此本文采用其作为可燃毒物，10B丰度为19.8%。

可燃毒物装载量与颗粒大小对反应性摆幅的影响较大。装载量影响反应性压低的幅度和换料周期，而颗粒的大小影响可燃毒物的消耗速率。本文以燃料体积与可燃毒物体积之比（F/P）作为可燃毒物装载指标。同等F/P情况下，通过调整可燃毒物颗粒个数来改变颗粒直径大小，如图2所示，同层可燃毒物排布有 2-Type、3-Type、5-Type、9-Type等方案，颗粒直径范围为136～224 μm，在最优范围附近。文章首先分析不同装载量下的反应性变化，其次分析颗粒大小对反应性的展平效应，最后考虑可燃毒物空间分布，以降低组件燃耗深度差异。

本文计算采用MOBAT燃耗程序，相关准确性已进行了验证［17-18］。核数据库为 ENDF/B-VII.0。MCNP计算粒子数共计200万，keff统计误差约0.000 55。燃耗分区情况为：径向按照内、中、外分为三个区，标记为Inner、Midle、Outer；轴向按照组件层数分5个区，从上到下依次标记为1～5（图1）；其中燃料和可燃毒物分别计算，共计30个燃耗区。燃耗计算功率为150 MW。

表1 小型模块化氟盐冷却高温堆堆芯总体参数Table 1 Main parameters of SM-FHR

表2 小型模块化氟盐冷却高温堆TRISO燃料参数Table 2 TRISO parameters of SM-FHR

图2 燃料芯块内不同颗粒大小可燃毒物装载方案Fig.2 Layouts of burnable poison with different sizes in fuel compact

2 结果分析

2.1 可燃毒物装载量

以3-Type布置方案为例，分析不同燃料装载量下的反应性变化，计算得到的keff曲线见图3。F/P在55时的初始反应性压低效果较好，在氙毒平衡之后处于临界附近。接着反应性缓慢上升，在370 d左右反应性摆幅最大，约2 000×10-5。其后反应性下降，在690 d左右小于0。而无可燃毒物情况下的燃耗天数能够达到890 d，可见该可燃毒物布置方案对换料周期有较大影响。

2.2 可燃毒物大小

基于上述F/P=55装载量方案，通过调节可燃毒物颗粒大小来分析其对反应性摆幅和换料周期的影响，keff变化曲线见图4。

颗粒大小对寿期初的反应性影响较大：其中2-Type方案寿期初反应性较大，约3 000×10-5；而5-Type和9-Type方案在氙平衡后，反应性小于0；综合而言，3-Type（r=200 μm）方案较合适。但不同颗粒大小对寿期中的最大反应性摆幅和寿期末燃耗时间等改善有限，可能由组件内可燃毒物未得到充分燃烧，残余反应性较大所致。为此，提取了不同组件下的10B中子吸收比例及本身消耗信息，见图5和图6（5与4层、1与2层对称，图中未给出）。

图3 keff随可燃毒物装载量变化曲线Fig.3 keffcurves with different burnable poison loads

图4 keff随可燃毒物大小变化曲线Fig.4 keffcurves with different burnable poison sizes

图5 不同组件内10B的中子吸收比例Fig.5 Neutron absorption ratio of10B in different assemblies

可燃毒物在寿期末的总中子吸收比例为3.2%，相当于3 200×10-5的残余反应性。中子吸收比例较大的为外层组件，贡献了68%，主要由于其数量较大，其中最上层和最下层外围组件在寿期末仍有较大中子吸收比例，是影响换料周期的主要因素之一。通过图6可以看出，其质量消耗最慢，其次为该同层中间组件。

图6 不同组件内10B的摩尔消耗曲线Fig.6 Mass curve of10B in different assemblies

2.3 可燃毒物堆芯空间分布

为解决边缘组件可燃毒物不充分燃烧的现象，需要考虑可燃毒物在不同组件位置的装载变化。结合图5的吸收曲线和图6的消耗曲线，为实现各组件在寿期末的可燃毒物残余反应性相当，本文拟对以下组件内的可燃毒物颗粒进行一定比例减量处理：1-Outer与5-Outer减少33.6%vol，1-Midle与5-Midle减少 16.8%vol，2-Outer与 4-Outer减少 6.7%vol，3-Outer减少5%vol。针对初始阶段的keff整体上升问题，通过改变堆芯所有组件的F/P进行再调节。

计算得到keff曲线见图7。可燃毒物在空间差异化分布之后，燃耗时间有所提高，为776 d。此时F/P等于52时反应性压低效果最好，最大剩余反应性为2 500×10-5。

图7 非均匀分布下的keff随可燃毒物装载量变化曲线Fig.7 keffcurves varied with different burnable poison loads under heterogeneous distribution of burnable poison

各个组件内的可燃毒物的中子吸收比例曲线见图8，各曲线下降速率一致性较好，说明可燃毒物的空间分布较合理。由于其在寿期末的消耗速率显著下降，可燃毒物在寿期末的总中子吸收比例仍有2%。如继续降低可燃毒物的残余毒性，只能考虑装载更少的可燃毒物，但如魏书华等［15］研究的一样，其压低反应性摆幅的效果较差（最佳为6 800×10-5）。

图8 非均匀分布下的10B中子吸收比例Fig.8 Neutron absorption ratio of10B under heterogeneous distribution of burnable poison

在完成反应性摆幅分析的前提下，本文对不同F/P的可燃毒物装载方案进行了燃耗分布和功率分布分析。相比于均匀布置的可燃毒物方案，F/P为52的方案由于中心组件内的可燃毒物装量较大，压低了中心组件的功率，进而使得整个堆芯的组件燃耗深度更趋于均匀化。

图9 均匀/非均匀布置下各组件燃耗较平均值偏差Fig.9 Burnup biases of different assemblies under homogeneous/heterogeneous distribution of burnable poison

如图9所示，燃耗深度最大偏差从45%下降到26%。此外，当前布置方案下，堆芯功率峰因子（组件间的功率差异）在整个寿期内较稳定，说明单个组件内可燃毒物的反应性释放速率与燃料的反应性消耗速率接近；其最大功率峰因子稳定在1.26，位于3-Outer组件内。而未装载可燃毒物下的功率峰因子随燃耗时间从1.68下降到1.10（图10），主要由于3-Outer组件内的铀燃料前期消耗速率过快。可见，本文提供的可燃毒物方案整体展平了堆芯燃耗深度和功率分布，有利于提高堆芯安全性。

图10 装载/非装载可燃毒物下功率峰因子随时间变化Fig.10 Power peak factor vs burnup time with/without burnable poison

3 结语

本文研究了小型模块化氟盐冷却高温堆的可燃毒物装载方案，对不同可燃毒物装载量、不同可燃毒物颗粒大小及不同可燃毒物空间分布下的反应性摆幅及换料周期进行了优化；分析了可燃毒物消耗规律，获得了较佳的可燃毒物布置方案，即组件内燃料与可燃毒物的装载体积比为52，可燃毒物颗粒大小200 μm，其中边缘组件内的可燃毒物装载量有所减少。该方案最终将剩余反应性压低到2 500×10-5，燃耗深度有所降低，燃耗天数从890 d降为776 d，仍能满足两年的设计预期；可燃毒物布置后堆芯各组件燃耗深度和功率峰因子都有所展平，燃耗深度偏差小于26%，而功率峰因子稳定在1.26，有利于提高堆芯安全性。