长寿期板状压水堆组件可燃毒物装载形式选型研究

徐士坤; 于涛; 谢金森; 李满仓; 夏羿; 姚磊

doi:10.13832/j.jnpe.2021.06.0005

长寿期板状压水堆组件可燃毒物装载形式选型研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2021.06.0005

徐士坤^{1, 2,},
于涛^{1, 2},
谢金森^{1, 2, ,},
李满仓³,
夏羿³,
姚磊^{1, 2}

1.
南华大学核科学技术学院，湖南衡阳，421001
2.
南华大学湖南省数字化反应堆工程技术研究中心，湖南衡阳，421001
3.
中国核动力研究设计院，成都，610213

详细信息

作者简介:
徐士坤（1996—），男，在读博士研究生，主要从事反应堆物理方面研究，E-mail: 63395173@qq.com

通讯作者:
谢金森，E-mail: jinsen_xie@usc.edu.cn

中图分类号: TL329
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出版历程
- 收稿日期: 2020-11-12
- 修回日期: 2021-01-15
- 刊出日期: 2021-12-09

Selection of Burnable Poison Loadings of Long-Life Plate-Shaped PWR Assemblies

Xu Shikun^{1, 2
,},
Yu Tao^{1, 2},
Xie Jinsen^{1, 2
, ,},
Li Mancang³,
Xia Yi³,
Yao Lei^{1, 2}

1.
School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang, Hunan, 421001, China
2.
Hunan Engineering & Technology Research Center for Virtual Nuclear Reactor, University of South China, Hengyang, Hunan, 421001, China
3.
Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 板状压水堆在长寿期反应堆中具有较好的应用前景。针对长寿期板状压水堆的需要，对中子学性能较好的4种可燃毒物：¹⁵⁷Gd₂O₃、¹⁶⁷Er₂O₃、²³¹Pa₂O₃和PACS-J开展可燃毒物装载形式选型研究，筛选出中子学性能较优的装载形式。研究结论为：针对不同可燃毒物采用不同装载形式，可以更好地满足长寿期板状压水堆的综合要求；对于中子学性能较优的可燃毒物，¹⁵⁷Gd₂O₃和¹⁶⁷Er₂O₃可采用可燃毒物与燃料均匀混合的装载形式；²³¹Pa₂O₃可采用包壳中掺杂可燃毒物的装载形式；PACS-J可采用可燃毒物以颗粒形式与燃料混合的装载形式。
- 长寿期板状压水堆 /
- 可燃毒物 /
- 中子学性能 /
- 装载形式
Abstract: Plate-shaped PWRs have good application prospects in long-life reactors. According to the needs of long-life plate-shaped PWRs, the four burnable poisons with better neutronics performance (¹⁵⁷Gd₂O₃, ¹⁶⁷Er₂O₃, ²³¹Pa₂O₃ and PACS-J) were studied on the selection of burnable poison loading forms, and the loading form with better neutronics performance was screened out. The results show that: Different loading forms for different burnable poisons can better meet the comprehensive requirements of long-life plate-shaped PWRs; For burnable poison with better neutronics performance, ¹⁵⁷Gd₂O₃ and ¹⁶⁷Er₂O₃ can be loaded with fuel evenly mixed; ²³¹Pa₂O₃can be loaded with burnable poison mixed in the cladding; PACS-J can be loaded in pellet form mixed with fuel.
- Long-life plate-shaped pressurized water reactor /
- Burnable poison /
- Neutronics performance /
- Loading form

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图 1 板状燃料组件示意图

Figure 1. Schematic Diagram of Plate-Type Fuel Assembly

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图 2 可燃毒物与燃料均匀混合型组件反应性曲线

Figure 2. Reactivity Curve of Burnable Poison and Fuel Uniformly Mixed Assembly

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图 3 颗粒型可燃毒物组件反应性曲线

Figure 3. Reactivity Curve of Particulate Burnable Poison Assembly　　　　　　　

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图 4 均匀混合型与颗粒型可燃毒物反应性曲线对比

Figure 4. Comparison of the Reactivity Curves of Uniformly Mixed Assembly and Particulate Burnable Poisons

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图 5 包壳中掺杂可燃毒物组件反应性曲线

Figure 5. Reactivity Curve of Assembly Doped with Burnable Poisons in Cladding

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图 6 涂层型可燃毒物组件反应性曲线

Figure 6. Reactivity Curve of Coated Burnable Poison Assembly　　　　　　　

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表 1 装载形式①中可燃毒物在组件中的相关参数

Table 1. Relevant Parameters of the Combustible Poison in the Component in the Loading Form ①

可燃毒物	¹⁵⁷Gd₂O₃	¹⁶⁷Er₂O₃	²³¹Pa₂O₃	PACS-J
含可燃毒物燃料板数量	3	6	13	4
单块板可燃毒物质量份额/%	5.2	4.5	2.27	70

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表 2 装载形式②中可燃毒物在组件中的相关参数

Table 2. Relevant Parameters of the Burnable Poison in the Assembly in the Loading Form ②

可燃毒物	¹⁵⁷Gd₂O₃	¹⁶⁷Er₂O₃	²³¹Pa₂O₃	PACS-J
含可燃毒物颗粒燃料板数量	3	4	6	6
单块燃料板中颗粒数量	20	15	15	20

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表 3 装载形式③中可燃毒物在组件中的相关参数

Table 3. Relevant Parameters of the Burnable Poison in the Assembly in the Loading Form ③

可燃毒物	¹⁵⁷Gd₂O₃	¹⁶⁷Er₂O₃	²³¹Pa₂O₃	PACS-J
含可燃毒物的包壳数量	4	8	13	8
单块包壳可燃毒物质量份额/%	15.32	10.10	18.38	18.74

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表 4 装载形式④中可燃毒物在组件中的相关参数

Table 4. Relevant Parameters of the Burnable Poison in the Assembly in the Loading Form ④

可燃毒物	¹⁵⁷Gd₂O₃	¹⁶⁷Er₂O₃	²³¹Pa₂O₃	PACS-J
含可燃毒物涂层燃料板数量	6	9	9	13
涂层厚度/μm	50	50	50	100

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表 5 候选装载形式燃耗计算结果

Table 5. Burnup Calculation Results of Candidate Loading Forms　　　　　　

可燃毒物	装载形式	k_inf(BOL)^①	k_inf(最大)^②	相较于无可燃毒物的EFPD变化	较优装载形式
¹⁵⁷Gd₂O₃	①	1.2035	1.2035	−8	装载形式①
	②	1.2029	1.2029	−80
	③	1.2317	1.3816	+45
	④	1.0334	1.3292	+5
¹⁶⁷Er₂O₃	①	1.2028	1.2028	−2	装载形式①
	②	1.2070	1.2070	−70
	③	1.1989	1.2106	+47
	④	1.0727	1.1308	−3
²³¹Pa₂O₃	①	1.2054	1.2054	+27	装载形式③
	②	1.2021	1.2021	+20
	③	1.2012	1.2012	+110
	④	1.2014	1.2014	+18
PACS-J	①	1.0309	1.1992	+10	装载形式②
	②	1.0751	1.1646	+12
	③	1.1420	1.3221	+92
	④	1.2354	1.3482	+2
注：①—BOL期间k_i_nf值；②—整个燃耗寿期内k_inf最大值

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