压水堆核电厂无源装料及启动研究

　　摘要：反应堆堆芯实行无外中子源起动可以有效减少氚产量和放射性废物产量，具有很好的经济和环保效益。文章简要介绍压水堆核电厂反应堆无源装料以及启动过程，并采用MCNP程序包对反应堆堆芯进行模拟，对其换料及启动的可行性进行分析和研究。

　　关键词：压水反应堆；无源启动；模拟计算

　　前言

　　目前国内运行和在建的压水堆核电厂，基本上都是按照有外中子源中国核心期刊遴选数据库（包括一次中子源和二次中子源）启动设计。二次中子源的主要功能是在装料和卸料时提供足够的中子以使源量程能够获得有效计数。乏燃料组件中包含能产生大量中子的（α，n）中子源和自发裂变中子源。在无二次中子源的情况下，利用一定燃耗的乏燃料组件也可以使源量程获得有效计数。

　　根据EDF（法国电力公司）的运行经验，取消二次中子源可以有效降低一回路氚的产量。因此，为了降低核电厂氚的排放量（源棒内的锑-铍芯块活化会产生氚），减少氚排放对环境的影响、消除二次源棒包壳破损所引起的一回路放射性污染，各核电站启动了取消二次中子源改进研究项目。秦山二期电站现有4个65万千瓦级机组，分别为1、2、3、4 号机组，依次为2002年、2004 年、2010 年、2011 年商运，目前正在运行的依次是第11、10、4、3 燃料循环。秦山核电厂一号机第5循环、第11循环和大亚湾核电厂二号机第15循环分别在1999、2008和2010年成功实现了无源启动。这在实践上初步证明了不改变后续循环硬件的条件下压水堆核电厂无源启动具有可行性，但依然属于个别尝试，尚不具备在国内全面推广的条件。

　　文章简单介绍堆芯燃料管理的主要特点，采用MCNP程序包成功模拟了秦山核电站某压水堆堆芯的无源装料及启动过程，进一步探索无源启动的可行性。

　　1 堆芯描述

　　燃料组件由燃料棒、组件骨架、压紧弹簧等部件组成，长约3200mm，截面尺寸为199.5mm×199.5mm，重约470kg。按15×15排列成正方形的栅格，堆芯内总的燃料组件数为121个。该堆芯采用三种富集度的燃料组件，分别为3.0%W/O、2.67%W/O、2.4%W/O。其中，3.0%W/O组件40个，位于堆芯外区；2.67%W/O组件40个，2.4%W/O组件41个交叉分布在堆芯内区，整个堆芯所处含硼水环境，硼浓度为2400ppm。燃料组件最高燃耗深度约<39.3GWd/tU，局部最大燃耗<50GWd/tU。全堆芯模型见图1所示，反应堆压力容器参数见表1。

　　图1 MCNP模拟的反应堆结构图

　　表1 反应堆压力容器参数

　　2压水反应堆的无源启动

　　2.1 反应堆临界

　　实际反应堆启动时，依靠堆外布置的探测器检测中子密度变化，即是检测中子的倍增速率，反应堆内中子数量的变化是由源中子和裂变材料裂变反应产生的。探测器中的中子计数率R为：

　　R=■ （1）

　　其中，keff为堆芯有效增殖因子，探测器所处中子环境完全相同时，C为常数。则中子倍增因子M应为：

　　M=■=■ （2）

　　式（2）中R0为参考的计数，固倍增因子M为：

　　M=■ （3）

　　当反应堆接近临界时，keff趋近于1，倍增因子MM逐渐减小。当最终反应堆达到临界时，M趋近于0。

　　2.2 堆芯装料

　　该PWR反应堆堆芯共装载121组燃料组件，燃料装载次序见图2所示，图中相同颜色代表同一次装载，数字从小到大代表装料的顺序，前23次装料每次装载5组，最后一次装载6组。

　　图2 堆芯燃料组件装载

　　2.3 临界硼稀释过程

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