热管式锂冷空间快堆中子学计算分析
王立鹏，江新标，赵柱民，张信一，陈立新
（西北核技术到究所，西安710024）
摘要：采用MCNP程序对银冷热管式锂冷空间快堆建立中子学计算模型，对其中子通量密度和功率分 布、有效增殖因子等进行了计算，采用分区燃料布置，得到满是长寿命运行要求的分区装藏方案，利用ORIGEN2程序进行燃耗校核，计算了转鼓的价值和转款转角随运行时间的变化情况，模型分析结果表明：分区装料后的堆芯满足临界安全设计和不均匀系数要求：堆芯的过剩反应性是够7年不换料满功率 运行：意外发射失败排人湿沙或海水中，由于有谱移吸收体袜，堆芯仍然保持足够的次临界度；转数的价值可以保证堆芯在整个寿期内安全的停堆和正常的启动：热管式冷空间快堆基本物理特性合理，满足设计要求.
关键词：热管：空网快堆：MCNP：ORIGEN2
中图分类号：TL329 文献标识码：A
文章编号：0258-0918（2014)04-0448-06
Neutronics Analysis of the Heat Piped Lithium Cooled Space Fast Reactor
WANG Li-peng JIANG Xin-biao ZHAO Zhu-min ZHANG Xin-yi CHEN Li-xin
( Northwest Institute of Nuclear Technology (NENT) Xi'an of Shannxi Prov. 710024)
Abstract:Neutronics models have been set up for heat piped lithium cooled space fastreactor in different core arrangements based on MCNP code The flux and power pin-average to core-average ratio effective multiplication constant etc. are calculated.Optimized arrangement is made for the final reaetor core satisfying the demand of long life operation. ORIGEN2 code is used to validate the burn up process. Control drums’reactivity value and the relation between drums² rotation and operating time arecalculated. The result indicates that optimized reactor satisfies the criterion of criticalitysafety and pin-average to core-average ratio excess reactivity is enough for seven yearsfull power operation without refueling. The reactor core can keep subcritical during submersion in seawater and wet sand because of the spectrum shift absorber Re. Thevalue of control drums ensures the safe shutdown and normal startup during the wholelife. The basic characteristics of heat piped lithium cooled space fast reactor fulfill the
design criterion.
随着航天技术的发展，空间飞行器需要大顶端留有一个气体空腔（10cm），可容纳反应功率、长寿命的电源.由于太阳能、化学能等能堆运行过程中燃料释放的裂变气体，同时还装源形式受到各方面技术条件限制，很难满足航有BeO反射层，以减少堆芯中子的泄漏.锂热管的壁面材料为Mo-14%Re，厚0.2mm，孔度为69%，与Mo-14%Re毛细管壁（厚1.5mm） 之间的环状部分填充液态锂（厚0.5mm），减小热管内液态锂由冷凝部位回到蒸发部位的压力损失，提高热管的毛细作用力.从燃料组件中延伸出来的锂热管由MF1（多层薄膜绝缘）与外10um厚度的Mo薄片，薄片彼此之间由100pm厚的气原分隔，
天器对高功率、长寿命（5~10a）电源系统的需求，而核反应堆电源具有结构紧澳、体积小、比 功率高、运行寿命长、不依赖于环境等特点，已成为未来空间电源的发展方向.美国字航局NASA 开展 Jupiter Iey Moons Orbiter (JIMO)计提供电源的Calisto、Ganymede和Europa卫星，界热绝缘，最小化热量损失，MFI包含25个 划，在未来儿年内将向木星发射三颗由核反应堆以满足深空探测等的需求，这些空间核反应电源系统不仅提供给离子推进器充足的电源，还供给各类测量和通讯设备必要的电力.
前考虑三种反应堆类型：热管输热型堆芯、液态 为了满足深空发射任务的要求，国际上目金属冷却堆芯和气体冷却堆芯.热管式反应堆以其内在的安全余、易启动和不依赖辅助系统等良好的性能被空间核电源系统（Space PowerReactorSystems，SPRS）所青，本文采用蒙特卡罗程序MCNP对1.82MW的热管式锂冷空间快堆的堆芯物理进行计算分求，采用燃料分区装载，对堆芯的临界参数、中 析，建立中子学计算模型，根据不均匀系数要算，同时分析了控制鼓的价值和满足长寿命运行燃耗下的控制鼓转角情况.
图1热管快中子反应堆燃料组件Fig. 1Structure of heat pipedfast reactor fuel assembly
热管式锂冷空间快堆有126个锂热管，378根燃料元件，外径均为1.5cm，热管从反应堆 后面的BeO反射层中延伸出来到热电转换模块，反应堆堆芯布置采用正六边形排布，如图2所示，堆芯共分为13圈（中心除外），热管布置在奇数圈，径向的燃料活性区与径向BeO反射层之间使用MFI材料热绝缘.轴向和径 向的反射层，以及BeO和BC控制转鼓表面覆盖了0.2mm厚的MA-ODS956的不锈钢，以防止其在太空中升华，且可以防止与宇宙尘埃碰撞.
1堆芯设计
1.1燃料元件与组件描述
图1给出了采用热管冷却的快堆燃料组件设计简图，该组件利用一根热管带出3根燃料 棒产生的热功率，燃料与热管之间采用6个镍（Re）三角块焊接成一体，燃料元件围绕热管呈120排布.燃料元件包壳采用耐高温的Re金属材料，燃料元件活性长度为45cm，内部装有件由30个UN芯块（1.5cm）组感，UN芯块具 高富集度UN燃料芯块（70%），每一个燃料元有10%的孔踪度（燃料有效密度为12g/cm²），在元件底端有0.5mm厚的Re垫片，在元件的
热管式锂冷空间快堆，包括径向BeO反射层，外径为56cm，高为63.7cm（包括裂变气体腔室），轴向两侧反射层厚4cm，Mo-14%Re的六边形堆芯容器（壁厚0.5mm）由MFI材料
图？热管式空间快堆径向和轴向视图Fig. 2Radisl cross-stetion nd axislcross-section of initial layout of hest piped fast space reactor core
的材料是Re，Re是谱移吸收体（Spectral 包着以减小边缘热量损失，用来填充堆芯中空ShiftAbsorber，SSA），其热中子吸收截面与快中子吸收截面的比值较大，可以保证在意外发射失败的情况下，反应堆浸在湿沙中或者淹没 在海水中时堆芯仍处在次临界状态，此外，在堆芯容器壁的内侧表面布置由39根BeO棒，覆盖着一层Mo-14%Re，和UN燃料具有相同的外径，用来展平径向通量和功率分布. 反应堆的控制采用转鼓的形式，12个转鼓位于BeO反射层内，转鼓上5mm厚，角度范围为芯寿命末期则面向相反的方向，其中“B富集度为 120°的BC片在发射和堆停闭时面向堆芯，在堆90%.转鼓表面和径向BeO的表面包层之间的距离为1.0mm，为适应热膨胀，避免出现两表面接触以及在太空中可能出现的表面粘结情况.
2中子学参数计算与分析
2.1通量及功率分布
热管式锂冷空间快堆模型，定义相对变化量为 按照图2所示的堆芯设计方案，本文建立径向或轴向位置的通量或功率与整个堆芯平均量的比值，得到的BC面向堆芯和B C背向堆芯两种情况下的堆芯径向通量分布和功率相对 变化量，如图3所示，BC向内的径向功率不均匀系数1.34超过了设计值1.2.为了改善通案，图4给出了经过优化后的反应堆堆芯布 量径向分布的不均匀，采用燃料分区布置方置情况：1~7間富集度为55%，8~10圈为量相关的径向通量分布进行了计算，结果如图70%.11~13圈为85%，得到的反应堆径向、轴
向通量和功率分布及能谱和不同工况下各能区份额的结果如图5~图8所示，径向功率不均 匀系数1.12不超过1.15.通量不均匀系数1.23不超过1.25，轴向通量不均匀系数1.405不超过1.41，其中，径向分布的计算是选取中央水平线上的燃料组件进行的，轴向通量分布 是对维芯中间的Re填充体计数的.热管式锂冷空间快堆的能谱结构与标准裂变谱有所不同，最可儿能量在0.05MeV左右，若没有谱移吸收体Re，事故状态下热中子份额会急剧上 升，很有可能重返临界.
图3分区前堆芯径向通量和功率分布Fig.3Radisl pin-average to core-averngeratios of flux and power for initial core design
Fig. 4Rndinl cross-seetion of zoned HP-STMC 图4分区后的HP-STMCs雄芯径向视图
外圈迅速增大的现象（见图3、图5），本文对能 为了分析当BC背向堆芯时功率在堆芯9、图10所示，可见，堆芯边缘处功率增加的原
图8堆芯中子能谱分布
Fig.8Fast eutron spectrumfor zoned core design
图5分区后堆芯径向相对变化量的分布 Fig 5Radial pin-average to coreverageratiosforondcore deign
图9能量相关径向通量分布（BC面向）Fig. 9 Energy dependent radial flux profiles with B C facing fully inwad
Fig. 6Axial flux peofiles for the zoned core design
图6分区后维芯轴向通量相对变化量分布
图？堆芯中子能量份额分布
图10能量相关轻向通量分布（B C背向）Fig. 10Energy dependent radial flux profiles with B C facing fully outwsrd
Fig.7Neutron energy distbution for zoned core
因是BC背向堆芯时，堆芯边缘处热中子份额瞬间增大（比BC面向堆芯时高一个数量级以大很多，同时共振区的中子通量也比BC面向 上），面热中子对应的有效裂变中子数比快中子堆芯时高很多，因此最终导致功率相对变化量在堆芯边缘处发生突变.
2.2临界安全计算
表1列出了不同工况下热管式空间堆的冷态下的临界特性，$5.16（即34.14mk，此处假设1$-0.00641）的后备反应性满足堆芯
长寿命满功率运行要求，当反应堆意外坠人海洋、湿沙等环境中，则可能发生临界事故，假定发生坠人事故时堆芯会自动解体，最坏的工况 为淹没在湿沙中，反射层脱落，冷却剂锂丧失，空隙中填满海水，这时中子能谱会变软，导致反应性升高，得到的反应性为-$1.59，反应堆能够保持次临界状态，反应堆的实际运行中，可能会出现大鼓和小鼓卡住的情况，考虑元
余原则，要保证在1组大鼓或1组小鼓出现故障被卡在BC背向堆芯位置时，其余11组也可以正常停堆，得到k=0.99132和k= 0.98703，堆芯仍然处于次临界，从面在设计上保证了反应堆的临界安全.另外，S7.50的可控反应性也确保反应堆寿命内满功率安全运行的要求，堆芯基本物理特性合理.
Table 1Criticality performance of the space fast reacter design in different cnses 表1不同工况下空间快增脑界特性
不同工况 控制敢 反耐层 热管填充 p/$后备反应性 向外 完整 无 1. 034 14±0. 000 29 5. 1$±0. 04反应堆停闭 向内 完整 元 0. 985 24±0. 000 25 2. 34 ±0. 041组大鼓旅障 向内 完整 无 0. 991 32±0. 000 27 1. 37±0. 04海水港设 向内 无 解体 海水 无 0. 987 03 ± 0. 000 27 0. 953 14±0. 000 29 2. 05 ±0. 04 7. 68±0. 05握沙淹投 无 解体 海水 0 989 94:± 0 000 29 1. 59±6. 05
2.3反应性随温度的变化
热管空间快堆的反应性温度主要体现在材料的多普勒展宽效应和由热膨胀导致的材料密度和维芯体积的变化.当反应堆处于冷态时，假定材料的温度为300K，由2.2节可 得k=1.03414，当反应堆处于热态时，堆芯活性区的温度取1200K，反射层及控制的温度取900K，采用多温度点截面库进行计算，得到ka=1.03055，即由多普勒效应引|起的反应性变化为一3.59mk，这主要是因为热管空 闻快堆内中子的能量大部分在其共振区以上，多普勒展宽引起的效应有限.
本文分别考虑了UN燃料芯块、Re结构体材料、BeO反射层以及BC吸收材料的密度变化，采用300K下的截面数据得到kg=1.01834， 即密度效应引起的反应性变化为一15.8mk，而叠加了温度的多普勒效应之后的k1.01407.引1人一20.07mk的总的反应性损失，其数值较大，可能会对整个堆芯寿期的燃耗产生较大影响，因此在堆芯寿期初燃料的富集度等还需要再深人优 化以满足温度引起的反应性，
2.4寿期内转鼓价值和转角计算
为了初步计算热管空间反应堆对寿期的要求，本文采用MCNP耦合ORIGEN2的办法到空间热管反应堆的谱型偏硬，氙毒对它影响 对热管式空间快堆进行了赠耗校核计算，考虑较小，采用热态下的临界堆芯布置，选择一年为一个燃耗步长进行燃耗计算，结果如图11所示，可见，热管空间反应堆满功率运行7年之设12个转鼓同时逆时针旋转，令BC吸收体 后，k仍大于1.0.满足长寿命设计的要求.假全部背向堆芯为0，计算了转数的转角和有效增殖因子相对变化的关系，采用四次多项式拟
同时，温度的升高会引起堆芯材料核子密度的减小以及由于热膨胀导致的堆芯尺寸变降，面堆芯尺寸的增大会使反应性增加，从而部 化，一般情况下核子密度的减小会使反应性下分抵消这种效应，若忽略由于材料的膨账作用引起的尺寸变化会低货堆芯的后备反应性（3mk左右），这从整个寿期内考虑是比较合理的，也是保守的，因此本文主要计算了热膨账 对材料密度的修正，假定材料的体积热影账系数是线性热膨账系数的三倍，保证整个堆芯材料的体积不变，从而推导出密度的变化，即
