重水堆生产放射性同位素C0 堆芯物理设计研究
杨波，苗富足，汤春桃”，孟智良”
2.泰山核电集体筹备组，浙江御盐314300） （1.上海核工程研究设计院，上海200233：
摘要：放射性同位素“Co是一种性能根好的Y故射源，在工业和医疗方面有广泛的用途、上海核工程 研究设计院针对秦山第三核电厂CANDU-6型重水堆调节棒组件进行变更设计，用Co普换不锈钢经堆内辐照后生产"Co.本文介绍了重水堆生产放射性同位素“Co雄芯物理设计方法和程序系统，并利用电厂实测数据（调节棒组反应性价值和”Co出堆活度）验证本文所建立的堆芯物理设计方法和程序系统是正确和有效的，
关键调：“Co调节棒：超元：DRAGON/RFSP
中国分类号：TL329 文章标志码：A
文章编号：0258-0918（2016)03-0323-06
Research on Core Physical Design of Radioactive Isotope “Co ProductioninHeavyWaterReactor
YANG Bo MIAO Fu-zu' TANG Chun-tao' MENG Zhi-liang
2. CNNC Nuclear Power Operstions Managtment Company Hasiyen Zhejiang-31430o China) (1. Shanghai Nuclar Enginering Restarch &. Design Intitute Shanghai 20233. Chins
radiation source and can be widely used in industrial and medical areas. Shanghai Abstract; The radioactive isotope “Co has a very good performance as the gammanuclear engineering research and Design Institute (SNERDI) has done the adjuster rodsdesign change to produce Co for Qinshan Phase Ⅲl， which adopts the replacementstainless steel adjuster rods by Co. This paper introduces the physical design methodand code system for the production of radioactive isotope “Co and verifies the method and code system are correct and effective by use of the rmeasured data of the power plant(which contains rod cluster worth and “Co radioactivity).
Key words “Co Adjuster Rod; Super Cell; DRAGON/RFSP
能量为1.33MeV和1.17MeV的强y射线， "Co作为一种人造同位素，在衰变时放出半衰期为5.27年，是一种很好的Y放射源，在工业和医疗方面有广泛的用途.国内市场绝大部分的需求主要依靠从国外进口，放射性同位素”Co生产在国内有着广泛的应用前景.
秦山第三核电厂是我国从加拿大引进的重水堆核电站，反应堆采用卧式的压力管式设计，重水慢化、重水冷却.不锈钢调节棒系统是CANDU-6反应堆控制系统的重要组成部分， 系统由21根调节棒组成（分为7组），正常运行时全部插人堆芯，用等价值的”Co调节棒替代原不锈钢调节棒，可在保证正常商业运行发电的同时，大量生产放射性同位素”Co.重水堆内由”Co调节棒替代原不锈钢调节棒生产 放射性同位素”Co源主要由上海核工程研究设计院完成设计，并已于2008年年底首批”Co棒实现入堆，2010年5月这批辐照完成约600万居里的Co同位素顺利出堆，到目前为 止秦山第三核电厂两台机组均已投人“Co生产，反应堆一直保持安全可靠运行，
本文将完整介绍重水堆生产放射性同位素“Co堆芯物理设计方法和程序系统，并基于电厂实测数据（调节棒组反应性价值和Co出 堆活度）说明本文所建立的堆芯物理设计方法和程序系统是正确和有效的.
1调节棒变更设计
1.1不锈铜调节棒描述
调节棒组件是CANDU-6型重水反应堆控成，图1给出了不锈钢调节棒的结构示意图，3对应outer位置，section2对应inner位置. 在正常运行工况下，调节全部插人堆芯，用以展平堆内功率分布.
为了达到微调堆芯功率分布的目的，A、C两种类径在其整个高度方向是不同的，分别用符号-innr和-outer来表示.B型和D型调节棒其不锈钢管的壁厚和中心不锈钢棒的直径在其整个高度方向
inner、C-outer和D共六种类型.
Fig. 1 Structure of the stainless stee adjustor rod 图1不锈钢调节棒结构示意图
1.2钻调节棒变更设计
钻调节棒采用了上下大小一致的束棒设计，棒价值的大小通过调整棒束内的钻棒根数来实现.在最终确定的与不锈钢调节棒组件相匹配的设计方案中，钻调节棒也分为A、B、C和 D四种类型，其中A型分为A-inner和A-outer两种.C型分为C-inner和C-outer两种.各种类型具有不同的钻棒根数，用以保持与原不锈钢调节棒的中子吸收特性一致.其中，A型棒束的两端A-outer由2根Co棒和1根Zr棒 （2Co1Zr）组成，中间A-inner由2根Co棒和1根Zr棒（2Co1Zr）组成；B型棒束由4根Co棒（4Co）组成；C型棒束的C-outer由1根Co和2根Zr棒（1Co2Zr）组成，C-inner由 3根Co棒（3Co）组成；D型棒束由2根Co棒和1根Zr棒（2Co1Zr）组成，各类型的钻调节制系统的重要组成部分，由21根不锈钢棒组棒结构设计如图2，其中，section1和section
2堆芯物理设计
21根调节棒依次分成A、B、C、D四种类型，2.1调节棒增量截面计算
芯计算程序采用RFSPC，调节棒插人对堆芯 在调节棒组件变更设计的物理分析中，堆核特性的影响以增量截面的形式体现，本文采用DRAGON对调节棒组件进行超概元计算，它的方法模型与泰山第三核电厂安全分析算中，调节棒组件可分为A-inner、A-outer、B、CMULTICELL不完全相同，基于堆芯测量数据 是相同的.根据上述结构特点，在反应堆物理计报告RFSAR（2007版）超栅元计算程序
Fig. 2Struetural design of the cobalt-60 adjustor rod 图2姑调节棒结构设计示意图
程允许的范围内 的敏感性分析表明，程序计算不确定性均在工
冷态堆芯、初始热态零功率堆芯、热态满功率平 衡堆芯及热态低功率平衡堆芯进行超栅元计算，以获取对应工况的调节棒增量截面.调节棒超栅元计算流程见图3.
为了更好地模拟CANDU-6型重水反应堆的运行过程，满足堆芯核设计的需求，本文对
图3钻调节棒超栅元计算流程图
Fig. 3 Caleulation flow of the super cell ef the cobalt60 adjustor rod
为了进一步验证DRAGON程序针对调节棒超栅元计算的适用性和精度，本文采用国际 公认的蒙特卡罗计算程序MCNP作对比验证.选取初始堆芯热态零功率的不锈钢调节棒为验证对象，增量截面中对堆芯计算具有较大意义的热群增量吸收截面MCNP和DRAGON的 计算结果见表1，最大偏差为3.82%.
三核电厂原不锈钢调节棒的设计值；“SS”是指本文对不锈钢调节棒进行重新计算得到的复核 值：“Co”是指本文对新设计的钻调节棒（零燃耗）进行计算得到的结果；“Co18”是指本文对新设计的钻调节棒（人堆辐照18个月）进行计算得到的结果，
Table 2 Reactivity value of the adjuster rod assembly 表2平衡堆芯状态下的调节棒组反应性价值under balanced core condition
表1热群增量吸收截面MCNP与DRAGON计算结果比较Table 1 Comparison ef the calculation results ofMCNP and DRAGON
QS/ mk S8/ Ca/ mk Co18/ mk律坦1 1.532 1.533 1.557 1. 492组2 棒组3 2.016 2 080 2.027 2. 079 1.867 1. 904 1. 781 1. 827排组4 排组5 2.206 2. 123 2.129 2.231 1.998 2. 350 1.911 2.255律组6 2.311 2.325 2.442 2. 368组了 总价值 15.026 2 757 15. 092 2.766 15.043 2.924 14.451 2.816
MCNP计算值/DRAGON计算值/相对偏差/调节棒类断 A-inner 10°cm 10*cmA-outer 5.953 4.699 5.910 4.618 1.73 0.72Cinsr B 8.993 7.993 9.218 8.138 1.80 -2.48Couter D 3.397 5 059 3.270 4. 971 3.82 1.75
2.2堆芯模拟计算
包括：调节棒组件反应性价值模拟计算、功率和 调节棒组件变更设计的堆芯模拟计算主要通量分布模拟计算、功率分布裕量模拟计算和停堆再启动模拟计算-，堆芯设计原则是通过与用Co调节棒的变更设计后满足如下四个条件： 原不锈钢调节棒方案进行详细比对，论证采
1）钻调节棒组反应性控制当量基本不变：
2）平衡堆芯的功率分布基本不变；
图4轴向中间截面水平方向上的棒束功率分布Fig. 4 Power distribution of the rod cluster atthe horizontal direction of axial middle cross section
3）停堆重新启动时，结调节棒组件具有相当的补偿氢毒能力：
4）停堆或者降功率过程中，钻调节棒组件具有相当的功率调节能力.
以平衡堆芯模拟计算为例，阐明上述设计原则.平衡堆芯是CANDU-6型反应堆运行的 主要形态，占到整个寿期的95%左右，因此，平衡堆芯是日常堆芯燃料管理行动计划的参考对象以及安全分析的基本依据.
由于”Co存在着和燃料一样的燃耗问题，在平衡堆芯模拟计算中将增加考虑钻调节棒在 堆芯中辐照18个月的方案，表2给出了平衡堆芯下单组调节棒的积分反应性价值.图4和图5分别给出了轴向中间截面水平方向、垂直方向的棒束功率分布.其中，“QS"是指秦山第
图5轴向中间截面垂直方向上的棒束功率分布 Fig. 5 Power distibution of the rod cluster atthe vertical direetion of axial middle cross section
由上述结果可知，在平衡堆芯条件下，寿期内不锈钢调节棒结果的差异很小，满足设计要求. 钻调节棒的棒组反应性价值和功率分布曲线与原
续表
测量值/ mk 设计值/ mk 相对偏差/ %组3 2.012 1. 961 2.53组4 2. 154 2.365 9.80组5 棒组6 2 677 2. 710 2.599 2.577 4.91 2.91棒组？ 3. 526 3.739 6.04 总价值 16. 728 16.870 0.85
3实测数据对比分析
3.1调节棒组反应性价值
泰山第三核电厂会定期进行热态低功率下的调节棒棒组反应性价值测量.试验验收准则为：调节棒组的测量值与预计值的偏差在15%以内，
在棒组试验过程中，首先将区域水位控制1组到第7组的顺序提出调节棒组.通过反应 器（LZC）平均液位调节到30%，然后按照从第堆控制系统自动调节LZC平均液位以维持反应堆临界，待LZC平均液位稳定并收集相关数据后，再通过加毒物（硝酸）将LZC平均液位 调整到初始状态30%，并待其稳定后再继续提另外一组调节棒，
3.2 钻调节棒出堆活度
根据秦山第三核电厂提供的首批钻调节棒热室测量结果，本文分别对Co的总产量以及各调节棒产量归一化分布的计算值与测量值进 行对比分析.为保持计算与测量的条件一致，计算和测量都基于463.5等效满功率天（即停堆时刻）.
度约为564万Ci（已折算至停堆时刻值，测量 首批钻调节棒热室测量得到的”Co总活时刻活度为508万Ci），由本文方法给出的计算值为590万Ci，计算值与热室测量值的偏差为4.6%.
表3给出了1号机组钻调节棒的棒组反应性价值的测量值、计算值以及相对偏差.表中数据结果显示，调节棒棒组反应性价值的计算 值与试验值吻合良好，最大偏差为9.80%，满足验收准则.
活度的份额和计算值对应的调节棒组件的活度 热室测量值对应的调节棒组件的活度占总占总活度的份额见表4，钻调节棒出堆活度测量数据分析显示，“Co的总产量以及各调节棒产量归一化分布的计算值与测量值偏差均在 5%以内，满足设计要求.
表3调节棒组的反应性价值及相对偏差（1号机组）Table 3Reactivity values and relevant deviations of adjustor rod assemblies
测量值/ 设计值/ 相对偏差/mk mk %棒组1 1. 626 1.643 1.05棒组2 2. 023 1. 986 1. 83
表4各调节神“Ce活度占总活度份额
Table 4Fraction of cobalt60 activityaccounting for total activity of each adjusterrod
序号 钻调节排组件编号 单个调节停的份额 测量活度/ 单个调节棒的份额 计算活度/ 计算值份额之比 测量值份额与1 A-outerl(11 outer) 0 024 36 0.024 46 0. 9962 A-inner1(11 inner) 0. 023 22 0.023 62 0.9833 4 A-outer2(4 18 outer) A-inner2(4 18 inser) 0. 046 07 0 044 15 0. 046 17 0.045 46 0.998 265 B1(10 12) 0. 172 49 0. 165 20 1.0446 B2(3 5 17 19) 0. 320 48 0. 320 74 0.9997 Couter1(9.13 outer) 0. 026 36 0 026 50 0. 995
