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内冷式压水反应堆堆芯组件中子学初步研究
2 0 1 3 年 10 月Nuclear Power EngineeringOct. 20 13 文章编号:0258-0926
2 0 1 3 年 10 月
Nuclear Power Engineering
Oct. 20 13
文章编号:0258-0926(2013)05-0020-05
内冷式压水反应堆堆芯组件中子学初步研究
曾正魁,于
涛,谢金森,刘
杰,秦
勉
南华大学核科学技术学院,湖南衡阳,421001
摘要:为得到物理性能较优的燃料栅元尺寸,利用蒙特卡罗(MCNP)程序对内冷式压水堆(IPWR)
堆芯组件的中子学问题进行初步研究。通过计算不同可溶硼浓度下无限增殖系数(kinf)随轻重比(H/HM) 的变化,确定组件燃料栅元的尺寸范围,通过分析比较不同燃料栅元尺寸下组件物理性能,得到物理性能方 面较优的组件参数。结果表明,在 H/HM 为 6.5,水棒直径(Dci)范围为 9~11 mm 时,组件具有较好的物 理性能和固有安全性。
关键词:内冷式压水堆(IPWR);组件中子学;氢化物燃料
中图分类号:TL329+.2
文献标志码:A
引
言
1
内冷式压水堆(IPWR)是一种新型的压水
反应堆。IPWR 燃料栅元使用氢化物燃料[1,2],其 堆芯燃料栅元在几何结构上将普通压水堆(棒束 型几何)燃料栅元的燃料与冷却剂相互置换,冷 却剂在燃料栅元内部,燃料在外,即为内冷式几 何。本研究针对 IPWR 堆芯燃料栅元的特点,利 用蒙特卡罗程序(MCNP)对堆芯组件中子学问
题进行初步的研究,旨在为以后全堆芯的计算奠 定基础。
图 1 IPWR 燃料栅元俯视图
Fig. 1 Top View of IPWR Fuel Cell
2
IPWR 组件模拟及中子学计算
本研究的堆芯额定热功率为 4079 MW,燃料
为 UTh 0.5 Zr2.25H5.625 ,燃料最大线功率密度为 88
kW/m,中心温度限值为 650℃。水棒直径与燃料
包壳厚度、燃料-包壳缝隙宽度关系为:
图 2 IPWR 燃料组件俯视图
Fig. 2 Top View of IPWR Fuel Assembly
?0.58
Dci ? 6.713
(1)
t
clad ? ?
?0.24532 ? 0.039025 Dci
其他
主要中子学问题进行初步计算,最终确定一组初
步满足设计要求的堆芯物理参数。计算的主要物
_
11.548 ?10 3 F D
(2)
? IMA ci
t
gap
理特性参数有:燃料栅元无限增殖系数(k )随
2 ? 0.023096F
inf
IMA
式中,tclad 为包壳厚度;tgap 为燃料-包壳缝隙宽度;
Dci 为水棒直径;FIMA 为燃耗情况下所对应的初始 金属原子份额,本研究取 FIMA 的值为 0.053。
利用 MCNP 程序对 IPWR 的燃料栅元及燃料 组件(图 1、图 2)进行模拟,并对 IPWR 组件
栅格参数的变化、组件局部功率峰因子以及功率
分布和组件能谱。
2.1 IPWR 燃料栅元欠慢化栅格分析
IPWR 堆芯首先需要有负空泡反应性。燃料 栅元中氢原子个数与重金属原子个数之 比
收稿日期:2012-06-15;修回日期:2013-01-20
基金项目:湖南省教育厅重点资助(11A101);核反应堆系统设计技术重点实验室基金资助(2010SYS02)
曾正魁等:内冷式压水反应堆堆芯组件中子学初步研究21(H/HM,简称轻重比)与 kinf 的关系能够很好地反应出冷却剂密度与功率的关系,因为冷却剂密 度降低时 H/HM 会减小,kinf 减小功率也会减小。kinf 的大小随着 H/HM 的改变而改变,并且有一个最大值。当最终确定的栅元 H/HM 小于最大 kinf所对应的 H/H
曾正魁等:内冷式压水反应堆堆芯组件中子学初步研究
21
(H/HM,简称轻重比)与 kinf 的关系能够很好地
反应出冷却剂密度与功率的关系,因为冷却剂密 度降低时 H/HM 会减小,kinf 减小功率也会减小。
kinf 的大小随着 H/HM 的改变而改变,并且有一个
最大值。当最终确定的栅元 H/HM 小于最大 kinf
所对应的 H/HM 时,此时可以认为燃料栅元具有 负空泡反应性。由于燃料栅元最大 kinf 所对应的
H/HM 与冷却剂中的硼浓度有很大的关系,因此 本研究也计算了不同可溶硼浓度下 kinf 随 H/HM
的变化。
对比图 3、图 4 可以看出,当改变硼的含量 时,不同 Dci 下,相同 H/HM 所对应的 kinf 最大值 相近,说明组件最大 kinf 所对应的 H/HM 与组件 栅格参数无关。在无硼且 kinf 最大时,
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