一体化增殖燃烧堆双向递推式倒料方案研究
陈其昌，赵金坤，司胜义
（上海核工程研究设计院，上海200233）
摘要：一体化增殖燃烧堆利用自身的增殖特性，在堆芯内实现核燃料增殖和燃烧的一体化利用.其实现途径之一是将难芯的燃料布置固定，而增煎燃波逐渐移动的行波堆概念，另一种期是通过定期侧料，保持堆芯内燃烧区相对固定的驻波堆，对于驻波准，需要通过合理的堆芯布置与倒料方案来平衡燃料 的燃绕和增殖过程，从面维持堆芯在整个寿期内的稳定运行.提出的双向式堆芯布置与倒料方案中，唯芯中心为赠烧区，燃料组件由内向外依次侧料，面在堆芯外围是增殖区，燃料组件由外向内依次例料，该方案可以保持堆芯在整个反应堆寿期内具有稳定的功率分布.另外双向进推式堆芯布置与倒料方案最终的组件卸料燃耗是相对均衡的，从微烧区倒出的组件都具有相近的燃耗，一般在30%左右，这 使得一体化增殖燃烧雄可以在不进行燃料后处理的条件下，实现销资源的高效利用.
关键调：增殖墨烧堆：双向递推：侧料方案
中图分类号：TL371 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2015)01-0056-08
Study on Bidirectionai ShufflingStrategy of Breed-and-Burn Reactor
CHEN Qi-chang ZHAO Jin-kun SI Sheng-yi
(Shanghai Nuclesr Engineering Resesrch &. Design Isstitute Shenghai 200233 China)
Abstract; The breed-and-burn reactor can achieve the integrated using of nuclear fuel bybreeding and burning successively. The first way of achieving breed-and-burn reactor is the travelling wave reactor which has moving breeding-and-burning wave and static fuelin the core while the second way is to keep a standing wave by periodically shufflingfuel within the core To maintain long-term stability of the core status the appropriatecore layout and shuffling strategy are needed to balance the burning and the breeding ofthe assemblies. In the proposed bidireetional shuffling strategies the core area was divided into inner burning region and outer breeding region. Assemblies of burningregion shuffled from the core center while assemblies of breeding region shuffledtowards the core center. This shuffling strategy keeps the stable of power distributionin the whole life of the core. Moreover at the end of the core life fuel assemblies have
close discharge burnup levels at about 30%. This make the breed-and-burn reactorachieve efficient utilization of uranium resources without reprocessing.Key words: breed-and-burn reactor; bidirectional; shuffling strategy
烧的过程，从而实现核燃料的增殖-燃烧一体化堆芯中使用富集轴或含怀燃料来“点火”，面后 利用.在一体化增殖燃烧堆中，一般只在初始的整个寿期内则可以完全使用贫铀燃料组件来维持反应堆运行.为实现燃料组件的增殖和燃增殖燃烧堆中的组件卸料燃耗至少在20%以 烧，要求组件达到很高的燃耗深度，因此一体化上.这些特点使得一体化增殖燃烧堆能够极大地提高轴资源的利用率，并大大减少乏燃料后处理的负担.另一方面，这也使得长寿期不换料的堆芯设计成为可能.
一体化增殖燃烧堆是依靠反应堆自身的增题之一，TerraPower虽然完成了TP-1及殖特性，使燃料组件在堆芯内经历先增殖后燃TPRP的概念设计，但是其具体倒料方案未见公开发表，国内外仅有少量倒料相关研究1本研究将在TPRP堆芯设计及前期插花式倒 料研究基础上，进一步探索高性能的一体化增殖燃烧堆堆芯布置及倒料方案，开展双向递推式堆芯布置与倒料方案研究.
1堆芯布置与倒料方案
1.1堆芯布置
在参考TerraPower提出的TPRP堆的基本核设计参数的基础上，对燃料成分、组件参数及 堆芯布置等方面进行调整，确定了本研究的基本核设计参数.堆芯设计功率为3000MWt，寿命为60年，堆内共有1128盒燃料组件，其中，点火区组件采用UPuZr合金燃料，增殖组件采用贫燃料棒包壳采用碳化硅材料，其他具体参数见 铀燃料，增殖组件UZr合金中锆含量为10%，表1.
基于增殖燃烧一体化的理念，国内外已提出行波堆（TWR：TravelingWave Reactor）、蜡烛堆（CANDLE)、4S 堆 (SuperSafe SmallandlongLife Fast Reactor）等概念.其中大部 Sample Reactor）*、超长寿命堆（ULFR：Ultra-分是将堆芯沿轴向或径向分为燃烧区和增殖区，随着燃料的不断增殖和燃烧，燃烧区也在逐渐移动.其中CANDLE和4S堆的燃烧区沿着轴向移动，而TWR和ULFR则沿堆芯径 向移动.上述增殖燃烧堆虽然实现全寿期内堆芯不换料，但燃烧区的不断移动给堆芯冷却和控制带来问题，也给实际工程实现带来很大的困难，美国TerraPower公司在行波堆概念的 基础上，力图以成熟的经验和技术实现其工程化，提出驻波堆（StandingWave）概念.它主要是通过堆内燃料组件的定期倒料，在实现燃料增殖的同时保持堆芯内燃烧区的稳定，同时大 量借鉴钠冷快堆的设计经验，从面大大提高工程实现的可能性.TerraPower目前已经进行450MWe示范堆TP-1和1200MWe商用堆TPRP的初步极念设计，其一回路采用钠冷池步采用HT-9不锈钢，组件形式为六角形组件， 式结构，燃料采用轴皓合金，包壳和结构材料初
表1组件参数Table 1Assembly parameters
组件参数 组件形式 六角形 数值燃料排数目 12性区高度/cm 250气胶高度/cm 200对边距/cm 15. 14组件盒壁厚/cm 0.12/直间 棒间楼距/cm 1.014 6.2燃料棒外轻/cm 0. 934包壳厚度/cm 0.06芯块直径/cm 0. 796
双向递推式堆芯（1/6）布置如图1中所示，堆芯内组件总数为1345盒，其中燃料组件1128盒，控制组件30盒，固定吸收组件54盒，
为实现堆芯的长期稳定运行，一体化增殖燃烧堆堆芯布置与倒料方案的研究成为关键问
组件按位置进行分组和编号.图1中1~188 屏蔽组件132盒，另外还有1盒测试组件，号为燃料组件位置，每个编号位置对应堆芯内对称的6盒组件.根据初始燃料的成分及倒料顺序的差异，燃料组件总体分为三区，其中 1~47号位置为Pu含量较高的燃料组件，由内向外依次进行倒料，称为燃烧区；48~68号位置为Pu含量较低的燃料组件，由外向内依次倒料，称为增殖区：69~188号位置放置完全不 含Pu的贫铀燃料组件，同样采用由外向内的倒料顺序，称为待增殖区，其中，189号位置为堆芯中心位置，作为预留的测试组件位置. 190~194号为控制组件位置，根据对称性每个编号对应6盒组件.195号和196号为固定吸收组件位置，它们分布在堆芯外围，可分别布置24盒和30盒组件.197号位置为屏蔽组件，它 们位于堆芯最外围.
燃料成分，表2给出了堆芯不同径向分区的编 号范围以及各区内组件燃料的金属环和锆含量.
表2初始堆芯燃料组件径向布置Table 2 Diametric arrangement of asmblies in the core
径向区组件数堆内编号Pu含量/%重核Zr含量/% 36 1~6 6.51 2 42 ~13 9.5 15 133 48 14~21 11.8 174 5 54 22~30 31~39 12.4 12.2 21.5 196 48 40~47 12.2 247 36 48~53 4.5 128 9 36 54 54~59 67~68 2 1 11 1010 720 69~188 0 10
1.2倒料方案
在倒料周期方面，为使倒料周期内反应性更加平稳，这里倒料周期定为1年，每次倒料共2组12盒组件.如图2中所示，堆芯内组件的 倒料顺序分为由内向外和由外向内两种，其中，中心燃烧区采用由内向外的倒料顺序，外围增殖区和待增殖区采用由外向内的倒料顺序. 中心燃烧区按照由内向外的次序进行倒料，主要目的是控制堆芯功率分布.由于在外围增殖区经过一定时间增殖的组件刚进入燃烧区时组降低此处通量水平，面随着堆芯内不断倒料其 件k并不大，因此将其放在堆芯中心可以大幅组件k不断增大，从面在堆芯燃烧区较外围形成环形功率峰.另外，由于初始堆芯采用了较为精细的径向分区布置，能够很好地模拟平衡
图1一体化增殖燃烧堆堆芯布置方案Fig. 1 Core layout of the breed-and-burn renctor
由于需要在整个寿期内保持堆芯状态的稳定，一体化增殖燃烧堆的初始堆芯布置应尽量接近其平衡堆芯，面平衡堆芯是与其倒料方案 密切相关的.为此，双向遇推式堆芯方案中，初始堆芯在不同径向位置布置不同Pu含量的点殖区分为3区，待增殖区组件则采用相同 火组件.其中在增殖区，堆芯径向分为6区，增58
图2双向递推式倒料方案示意图Fig. 2 Bidirectional shuffling strategies
插花式方案”的比较.从图中可以看出，二者在一个倒料周期内堆芯k的变化趋势及上升 速度基本一致.这是由于目前的倒料方案中，位于堆芯中心的组件是燃耗较浅的，在整个倒料周期内它们还在较快地增殖，因此堆芯反应 性是上升的.而在经过倒料后，燃耗更浅的增殖组件进人堆芯中心，因此会使得堆芯反应性明显下降.与插花式倒料方案不同的是，由于缩短了倒料周期，递推倒料方案在倒料周期内 反应性的增加量很小，从而降低了堆芯反应性控制的要求.同时在整个35年内，由于初始堆芯采用了较精细的径向分区布置，很好地模拟性的变化十分平缓. 了平衡堆芯状态，因此各倒料周期之间的反应
循环情况下的堆芯状态，因此初始堆芯与平衡堆芯可以采用完全一致的倒料策略，
2计算结果分析
进行堆芯中子输运及燃耗计算，计算中对组件 本文采用基于蒙特卡罗方法的概率论程序进行了均匀化处理，同时不考虑组件轴向燃耗的差别.由于初始堆芯中，含Pu燃料组件共有68组，根据每年2组的批料数计算，堆芯34 年后进人平衡循环，因此跟踪计算了堆芯35年内的状态变化.下面对堆芯k、功率/通量分布、组件及燃耗等计算结果进行分析.
2.1堆芯k
图3给出了递推式堆芯布置与例料方案在35年寿期内的堆芯k变化及其与此前研究的
图3堆芯前35年k变化 Fig.3Core in 35 years
开始下降，另一方面燃烧区向增殖区的泄漏 增大，因此堆芯功率密度开始下降，由于靠近燃烧区，在堆芯外围的增殖区内也有一定的功率分布但数值很小，这一区城内的组件主要是依靠泄漏中子实现增殖，在放人中心燃烧区之 前提高其k，从而保持一定的堆芯反应性.
2.2堆芯功率与通量分布
图4给出了初始堆芯和第35年（平衡循环）倒料周期初的堆芯功率分布情况，可以看出，初始堆芯功率与平衡循环情况下功率分布堆芯状态吻合较好，同时说明采用双向递推式 十分接近，说明目前的堆芯布置与平衡情况下的倒料方案可以保持堆芯稳定的功率分布，按沿径向呈现先升高后降低的趋势，堆芯中心和 照目前的堆芯布置与倒料方案，堆芯功率分布外围功率都较低，功率峰在燃烧区呈环状分布.在燃烧区内，由于采用由内向外的倒料次序，堆芯中心的组件是上一倒料周期处于增殖区的组 件，其进人燃烧区后k仍然较小，需要在燃烧区继续增殖和燃烧，因此压低了堆芯中心的功率.面随着径向倒换，这些组件不断增殖，从面件进一步向燃烧区外围倒换，一方面组件自身 在堆芯环形区域内形成高功率密度区.随着组
图4例料周期初堆芯功率分布
Fig.4Core power distribution st thebeginning of the shuffling cyele
列组件位置，其中1~9号位置为燃烧区，10~ 为进行功率分布定量分析，取图5所示一18号位置为外围增殖区，时间上选取第1年、5年、10年、15年、20年、25年、30年、35年进 行分析，研究这些倒料周期初和周期末的功率与通量分布情况.图6、图7分别给出了各周期初和周期末的堆芯功率分布.可以看出，无论是倒料周期初还是周期末，各倒料周期之间 的功率分布十分接近，只是在靠近堆芯中心处功率分布略有起伏.堆芯最大线功率密度大约为270W/cm.相比于插花式倒料方案（约340W/cm），堆芯最大线功率密度有了较大幅度降 低.图8、图9给出了相应的堆芯中子通量密度分布，其分布规律与功率密度分布一致.
图？例料周期末功率分布Fig. 7Power distribution at the end of the shuffling cyele
图8创料周期初通量分布
Fig. 8Flux distribution at the beginning of the shufling cyele
图5组件径向位置编号
Fig. 5Rsdisl mubering of fuel assemblies
Fig.9Flux distribution at the 图9例料周期末通量分布p
功率分布情况，它基本代表了平衡循环情况下出，在一个倒料周期内堆芯出现了功率“波”向 一个倒料周期内堆芯功率分布的变化.可以看内的径向移动，燃烧区中心区域功率有所上升，面外围区域功率略有下降.
Fig. 6Power distribution st the 图6倒料周期初功率分布beginning of the shuffling cycle
2.3组件k
从图6和图7的对比中也可以看出，堆芯功率分布在各倒料周期内也有一定变化.图
堆芯不同区域的组件功率的变化，主要来源于各组件自身k的不同.由于初始堆芯与
