聚变一裂变混合能源堆燃料 管理方案设计研究
邵增，刘国明，程和平
（中国核电工程有服公司，北京100840）
携要：本文根据聚变-裂变湿合能源堆方案设计和燃料组件功率分布的特点，利用自主开发的蒙卡-燃耗合程序，开展了详细的燃料管理方案设计研究，分则设计了整体后处理的燃料管理方案、双循环燃料管理方案以及分批燃料管理方案，针对这些类整的燃料管理方案，进行了燃耗分析计算，研究了各种题 料管理方案下各区燃耗及主要裂变核素成分随燃耗的变化，根握各燃料管理方案的主要特点和计算分析结果，对比总结了它们的优点和缺点.本文为今后的聚变-裂变混合能源唯提供了燃料管理上的建议，也为进一步的经济性分析优化研究打下了基础.
关键词：混合堆：工作模型：功率放大倍数；燃耗；燃料增殖：经济性
中图分类号：TL46 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2016)05-0715-08
Fuel Management Design Research ofFusion-Fission Hybrid Energy Reactor
SHAO Zeng LIU Guo-ming CHENG He-ping
(China Nucleer Power Enginmeering Co Berjing. 100840)
Abstract; Based on the scheme design and the fuel assembly power distribution of thefusion-fission hybrid energy reactor detailed fuel management design research has been done using the independently developed burn-up program in this paper. Fuelmanagement schemes with whole assembly post-process double cycles and batch-wisecycles are designed. Based on these types of fuel management schemes burn-upfission nuclides are researched respectively.According to the main characters and analysis calculation is carried out and zone-wise burn-up as well as the content of maincalculation analysis results of the fuel management schemes the advantages anddisadvantages are balanced and summarized. This paper provides some advice for thefuel management of the fusion-fission hybrid energy reactor which can be used for further economic optimization analysis.
Key words: Hybrid reactor; Working model; Fuel management; Burnup;Fuel multiplication; Economic
聚变一裂变混合能源堆是利用聚变产生的水堆参数相同.燃料与冷却剂之间用锆合金管
中子进行裂变产能的一种次临界能源堆芯，在隔开，力学计算显示足够承受冷却剂的压力. 安全性、经济性、能源优化利用以及环境影响方每层燃料布置42（41）个栅格，共6层.面具有独特的优势.在国家ITER计划专项支持下.国内已经开展了大量的初步设计研究工106cm，厚37.6cm，共含7层产氟材料和6层作.本文在所建立的聚变一裂变混合能源堆的慢化剂水.产氟材料与慢化剂之间用皓板隔 三维工作模型基础上，开展了燃料管理方案设开，产氟材料为LiTiO，慢化剂材料为水，案，针对这些类型的燃料管理方案，进行了燃耗的铜合金板.考虑偏滤器组件的主要原因是要 案、双循环燃料管理方案以及分批燃料管理方面积的11.4%.偏滤器简单考虑成一定厚度分析计算，研究了各种燃料管理方案下各区燃考虑实际中子泄漏对堆芯性能的影响.耗及主要裂变核素成分随燃耗的变化.
产氧组件布置在燃料组件之后，高
工作模型的建立考虑了ITER模型的实际情况和工程可行性，对可能变化的参数采用了保守考虑.对堆芯关键性参数如第一壁厚度、泄漏面积、铺水比、裂变包层厚度、慢化剂材料参数都是进过仔细研究和初步优化的.袖水比、燃料组件厚度、产氟层慢化剂类型（轻水/石 墨）、产氟层厚度、产氧层密封等，都采用了尽可能利于产氧的值.
1工作模型介绍
工作模型以ITER模型基础，在其上增加裂变包层，组成聚变-裂变混合堆芯.工作模等都进行了详细的敏感性分析，发现了一些型使用参数化建模软件建立了三维立体计算模定标关系或定性的变化规律.工作模型的堆芯型，模型环向截面图见图1所示.
2计算工具说明
所应用的燃耗计算程序为自主开发的燃耗计算耦合程序MOCouple-s.
MOCouple-s程序是自主开发的自动化燃序Origen-s耦合面成.MOCouple-s利用蒙卡 耗耦合程序，由蒙卡程序MCNP5a和点燃耗程程序计算堆芯功率分布和各燃耗区重要核索的相关截面，若换点燃耗程序中重要核素的反应功率进行燃耗计算，核索成分传递给蒙卡程序 截面，并利用蒙卡程序计算出的各燃耗区的比进行下一步的计算，如此反复，直到燃耗步计算完成为止.该程序可以适用几乎类型反应堆的燃耗计算，通用性强，完全自动运行，准题，ADS基准题等进行验证，MOCouple-s程 使用方便.经过对OECD/NEA压水堆燃耗基料采用天然铀的铀错合金，冷却剂水与普通压序完全适用于新一代先进反应堆的研究设计.
Fig. 1 Cross section of the working model 图1工作模型截面图
图1工作模型堆芯等效小半径为2.0m，等效大半径为6.2m.计算模型所考虑扇形角度为14.4，极向组件17个，全堆组件总数目为425个，堆芯总表面积697.2m²，总袖装量625. 26 t
燃料包层组件紧贴第一壁，平均每个组件表面积为1.64m²，每个燃料组件内，冷却剂序关于反应性和核素成分的计算结果与实测结通道均匀布置在燃料中，呈正三角形排列.燃果和其他程序的计算结果符合良好，说明该程
序可靠性
本文开展的对算研究所采用的核数据库为蒙卡程序的自带截面库，绝大多数核素为 ENDF/B-VI库，少数MCNP5程序截面库中缺少的核素的截面是基于ENDF/B-VI评价库使用截面库加工程序NJOY处理生成的.
3燃料管理方案总体介绍
用主要有两个：1）用新燃料组件，更换乏燃料管理方案下各区燃耗及主要裂变核素成分随燃组件，补充反应堆的反应性；2）在反应堆内部耗的变化.保证堆芯的安全性.对于混合能源堆来说，堆乏燃料后处理的方式考虑了湿法和干法两料组件更换乏燃料组件是为了保证燃料组件的燃耗不超限，以确保燃料组件的安全性.
堆不同，决定混合能源堆组件的相对功率的大 小，主要是堆芯中心区域，等离子体区的分布位置和形状，而不是组件的燃耗深浅.
要考虑在混合能源堆中开展燃料组件的倒换，Ba等.而只研究混合能源堆燃料组件的更换，即混合的更换，面非燃料组件在堆芯位置的交换，
的限值.混合能源滩采用的是铀、环与锆的合U和Pu复用，用贫铀补足重量制造新燃料组系数、增大传热性能方面有较大的优势，但是在较深燃耗下的辐照稳定性较差，面合金化可美国阿贡实验室在EBR-II快堆上对铀、环与锆 以克眼铺、怀金属燃料辐照稳定性差的特点.的合金燃料棒进行了长期试验，燃耗深度达到了18.4%，其中15000根燃料棒辐照超过7%，显示出良好的应用前景.
混合能源堆堆芯堆芯铀装料为625.26t，额定功率为3000MW，满功率运行一年燃耗中温干法后处理和简单干法后处理，该方案铀深度仅为1752MWd/tU，只有同功率压水堆环核素成分的变化见表4、表5所示，五种燃
在已经开展的混合堆球模型的燃耗对算工的1/10，约为0.2%原子分数燃耗，五年的累积担单位的计算结果符合良好，进一步验证了程燃耗也不到2%.这种燃料依靠国内现有的基 作中，MOCouple-s程序的计算结果与项目承燃耗约为1%，考虑到功率分布不均匀性，最大础是可以开发成功的，在本报告中，保守地设定燃耗限值为满功率5年或者卸料燃耗限值为11000MWd/tU
4初步经济性分析
在工作模型的基础上，分别设计了整体后处理的燃料管理方案、双循环燃料管理方案以对于压水堆来说，堆芯内的燃料管理的作理方案，进行了燃耗分析计算，研究了各种燃料 及分批燃料管理方案，针对这些类型的燃料管
倒换各组件，展平堆芯内燃料组件的功率分布，4.1整体后处理的燃料管理方案
芯反应性随着燃耗的增加而增加，因此用新燃种方式，其中湿法后处理考虑了普雷克斯（Purex）流程的工业化方式，面干法后处理根聚变一聚变混合能源堆极向17个组件的温干法后处理和高温干法后处理三种.简单干 据处理湿度的不同，考虑了筒单干法后处理、中功率分布相差不大，倒换燃料组件与否，对最终法处理是指只去除Kr、Xe等裂变气体，中温干燃料组件的卸料燃耗影响不大，此外，与压水法后处理是指去除沸点在1400℃以下的裂变产物有，如 Se、Kr、Rb、Cd、Sr、Sb、Te、I、Xe、Cs除沸点在2500℃以下的裂变产物，除中温后 等元素的各种同位素；高温干法后处理是指去由于上述的原因，在混合能源堆中，没有必处理能够去除的元素，还有Ag、Eu、In、Sm、
能源堆的燃料管理研究方案主要围绕燃料组件Typel_a~Typel_e五种燃料管理方案.其中 因此根据后处理的方式，设计并分析了Typel_a是指燃料组件达到燃耗深度限值后，堆芯燃料管理方案的确定受燃料燃耗深度整体组件卸出堆芯进行湿法后处理，只分离出金燃料.虽然铀、环金属燃料在提高燃料增殖件，重新装人堆芯，如此重复运行n次，该方案袖怀核素成分的变化见表1所示，Typel_b同Typel_a类似，只是仅复用部分的怀，然后再用环核素成分的变化见表2所示.Typel_c是指 贫铺补足重量，如此重复运行：次，该方案轴燃料组件达到燃耗深度限值后，送去进行高湿干法后处理，然后再用贫触补足重量，如此重复3所示.Typel_d和Typel_e则分别是指采用 运行：次，该方案轴环核素成分的变化见表
7 380 MWd/tU 8 620 MWd/tU 9 722MWd/tU、10643MWd/tU，最内侧一层的平均卸料燃耗10643MWd/1U，满足卸料燃耗限值要求.
料管理方案卸料燃耗相差不大，平均卸料燃耗 为7763MWd/：U，每层平均燃料卸料由外至内分别为4289MWd/tU、5921MWd/tU、
表1湿法后处理燃料管理方累主要核素变化
Table 1 Mass of main elements of fuel vary in the load scheme with wet reprocesing
循环 酒耗缺/ 加其钠/ 累计每/1 虾中*Pu含量/%1 13. 246 - 6. 792 85.32 3 11.285 10. 420 6.454 6.465 11. 607 15. 538 81.8 79. 74 9.860 6.483 18.877 78.25 9 446 6.520 21. 772 77.06 9. 118 6. 551 6.572 24.319 76.0 75.17 8 8. 857 8 642 6.593 28. 615 26 583 74.49 8 458 6.610 30.448 73. 710 8. 304 6.625 32. 113 73. 0总计 97 636 58.873
表2温法后处理后复用部分杯的燃料管理方案主要核素变化
Table 2Mass of main elements of fol vary in the lod scheme with wet reprocesing and recyeled plutonim
循环 消耗钠/t 添加镇/t 部料中区/： 盈余环/t 2.327 怀中Pu含量/% 85.31 2 11. 871 13. 246 8 762 - 6. 792 9.852 5.388 82.13 12 005 11.874 . 929 5.465 80.94 12. 095 12 008 9 983 5. 519 80. 45 12.161 12 095 10 025 10.053 5.561 5.589 80.1 T9.96 7 12. 214 12.250 12. 161 12.214 10. 072 5 608 79.78 12. 281 12. 250 10 087 5.622 79.69 12. 304 12.281 10.099 5.634 79.510 122.752 12.325 105 949 12 304 10 108 52.356 5 643 79.5总计
表3高温千法后处理燃料管理方案主要核素变化
Table 3Mass ofmain lements f fel vary n the ld sheme with high temperatre dry reprocessing
添加敏/ 怀中Pu含/%视环 1 装料轴/t 625. 26 装料标/t 0.000 母料镇/1 612. 01 卸料杯/t 6. 792 去除核素/ 2 043 2. 047 85.302 614.06 6.792 602 74 11.898 2. 080 2.085 80.703 604-83 11.898 594- 41 16. 228 2 092 2.097 77 804 596. 51 588.81 20.008 16.228 579.51 586. 71 20 008 2. 101 2. 107 2. 105 2.111 75.705 23.354 74.00
续表
领环 装料销/1 581.62 装料怀/1 即料铺/ 部料/t 去除核素/： 加幢/ %/暮nd中6 574.81 23. 354 26. 358 572 69 566 22 26.358 29.071 2.112 2. 117 2. 123 2. 117 71. 40 72.608 568.34 29. 071 560.03 31.529 2.122 2.126 70.309 562.16 31.529 554 09 33. 775 2. 126 2. 132 69. 40总计 10 556.22 33. 775 548. 36 35.831 21. 030 2.130 21. 077 2. 134 68.501 1
表4 60 中温干法后处理增料管理方案主要核素变化Table 4 Mass of main elements of fuel vary in the Ioad scheme with medlum tenmperature dry reprocessing
循环 装料/： 装料杯/ 每料钠/1 即料杯/1 去除核素/ 添加/t 怀中Pu含量/%1 625. 26 0.000 612. 01 6.792 1. 658 1. 662 85. 302 613.67 6.792 602. 33 11. 919 1.658 1. 664 80 703 4 $04.00 595.21 11. 919 16.276 593. 54 585.37 20. 093 16.276 1. 661 1. 665 1. 666 1.67 75. 90 77 905 587.04 20. 093 577 68 23.478 1.667 1. 672 74.306 579.35 23.478 570 40 26.511 1. 669 1.673 72. 907 572. 07 565.11 29.252 26.511 563 44 556.77 29.252 1. 673 1. 672 1. 677 1 667 71. 70 70. 708 9 558.45 31.746 550 34 34.023 31. 746 1.676 1. 681 69.6010 552. 02 34.023 544. 13 36.108 1. 678 1. 683 $9 09总计 / 16. 677 16.715
表5 简单干法后处理料管理方案主要核素变化Table 5 Mass of main elements of fuel vary in the loadscheme with simple temperature dry reprocessing
循环 1 装料轴/1 625.26 装料/t 0 2/辣岛 612 01 卸料杯/1 6 792 去除核素/t 0 798 加/ 0. 802 %/塞号d中 85.32 612.81 6. 792 401. 47 11 922 0. 782 0. 787 80.83 602.26 11. 922 591. 81 16.267 0. 779 0. 783 77.94 583.54 592.6 16. 267 582 78 574.23 20.06 0. 779 0. 783 74.3 75.95 6 575.02 23.418 20 06 566. 08 23. 418 26. 43 0. 779 0. 778 0. 782 0 783 72.97 566. 86 26. 43 558. 24 29.156 0.78 0. 785 71.78 559.03 28.156 550.7 31. 626 0. 781 0. 784 70.710 9 551. 49 544.19 31.626 33.878 543. 41 536.33 33. 878 35 935 0. 783 0. 782 0. 787 0. 786 69.8 68.9总计 1 / 7.821 7.862
