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乏燃料贮存运输和后处理中的燃耗信用制
董明理
中国原子能科学研究院放射化学研究所 36 室
1.燃耗信用制概述
2 燃耗信用制研究的目的和意义
2.1 增加运输容器的装载能力
2.2 贮存密度的增加
2.3 提高生产、后处理核燃料厂的效率
2.4 通常采用燃耗信用制的水平
3.乏燃料系统的临界安全和临界安全控制
3.1 乏燃料的临界安全
3.2 乏燃料的临界安全控制
4 实施燃耗信用制的具体步骤和方法
5 测量系统的选择
1.燃耗信用制概述
燃耗信用(Burnup Credit)制是对乏燃料由于在反应堆中的燃耗所产生的反应性降低
所作的一种考虑。它将燃料燃耗的效应应用于核临界安全的设计中。核燃料在反应堆中
燃烧,使裂变物质含量减少和产生中子吸收体,减弱了乏燃料组件的反应性。在核临界到达
以前,乏燃料组件比新燃料组件能更紧密地堆放在一起。
图 1 显示了乏燃料中易裂变物质(235U+239Pu+241Pu )浓度与燃耗的关系。由图可知,
初始浓缩度为 4.6% 的核燃料当燃耗为 50GWd/TU 时裂变物质浓度下降到 30% 。
图 1 易裂变物质(235U+239Pu+241Pu )浓度与燃耗的关系(PWR)
图2 显示了无限增值系数随燃耗的变化(PWR ), 无限增值系数随燃
耗的增加而迅速的减小。
图2 无限增值系数随燃耗的变化(PWR )
图3 直接显示了乏燃料与何种初始浓缩度的新燃料具有等价的无限中子增值系数。
在平价乏燃料的贮存、运输和后处理的临界安全时,习惯用的假设是将乏燃料看作像新
燃料一样的反应性,这叫作新燃料假设,新燃料假设避免了一些计算和核查问题。由图
可见以新燃料的富集度为依据分析乏燃料的临界安全问题具有过大的安全裕度。因此采
用燃耗信用制使过大的安全裕度适当地下降,在保证安全的前提下提高经济效益,具有
很大的使用价值。
图3 等价反应曲线
2 燃耗信用制研究的目的和意义
2.1 增加运输容器的装载能力
第一代运输容器的装载量主要受散热和其所提供的屏蔽限制。随着衰变时间的
延长,所设计的运输容器对热传递和屏蔽的要求显著降低。减少乏燃料组件之间的空间
可使装载量增加,组件之间空间的减少受临界性和燃料支撑结构限制。最佳的燃料组件
之间的空间提供最大的容器装载,对最佳的容器设计,要求在规章限定的偶然情况下仍
具有足够的临界控制和足够的结构完整性。在评价乏燃料容器的临界安全时,习惯将乏
燃料看作具有同新燃料一样的反应性(新燃料假设), 以避免一些计算和核查问题。但这
样减少了运输效率而且费用增高。用燃耗信用代替新燃料假设对乏燃料容器的设计提
供了更有效的方法。将燃耗信用用于容器设计,对乏燃料运输可产生显著的效益。研究
结果表明:燃耗信用的应用可使容器装载能力提高到 300%;对于给定的运输量,可减少
运输次数,降低车队投资费用,减少运出及接收地装卸次数,减少了对公众的危害。燃耗
信用可否用于运输容器的设计取决于系统安全问题和临界安全系数的不确定度。
2.2 贮存密度的增加
燃耗信用已经成功地应用于燃料组件在贮存水池中的贮存。它不但增加了贮存
水池的容量,而且使具有较高初始浓缩度的乏燃料也能贮存在贮存水池中。
2.3 提高生产、后处理核燃料厂的效率
在生产、后处理核燃料厂中对提高产量起重要影响的关键设备,如后处理厂的
溶解器,采用燃耗燃耗信用制具有重要意义。
下面是 PWR 燃料运输容器的一个实际例子:
从上表可以看出,富集度为4.6% 的PWR 新燃料 18个组件装载在格架宽269mm,
半径为 770mm 的吊篮中,此时中子有效增值系数为 0.9728 。运输容器的临界安全存
在问题。但是,富集度为 4.6% ,燃耗为 48GWd/TU 的乏燃料组件 26 个装在格架宽
244mm,半径为 785mm 的吊篮中,此时中子有效增值系数为 0.89710 。临界安全不成
问题。由此可见采用燃耗信用制后运输容器允许装载量从18 个组件增加到 26 个组件,
其效益是很明显的。
2.4 通常采用燃耗信用制的水平:
(1) 只考虑到可裂变同位素的净减少—净可裂变水平。
(2 )考虑到可裂变同位素的净减少并考虑到锕系同位素的吸
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