可燃毒物对超临界二氧化碳反应堆组件反应性扰动特性研究

宗毅; 庄坤; 卢迪; 祁生栋

doi:10.13832/j.jnpe.2023.S2.0153

可燃毒物对超临界二氧化碳反应堆组件反应性扰动特性研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.S2.0153

宗毅^1,,
庄坤^1, ,,
卢迪²,
祁生栋¹

1.
南京航空航天大学，南京，210016
2.
中国核动力研究设计院，成都，610213

基金项目: 国家自然科学基金青年基金（12205150）；江苏省自然科学基金青年基金（BK20210304）; 国防科技工业核动力创新中心基金（HD01202）；南京航空航天大学国家级大学生创新创业训练计划项目基金（202310287044Z）

详细信息

作者简介:
宗　毅（2003—），男，在读本科，现从事反应堆物理研究；E-mail: zongyi@nuaa.edu.cn

通讯作者:
庄　坤，E-mail: kzhuang@nuaa.edu.cn

中图分类号: TL329
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出版历程
- 收稿日期: 2023-07-11
- 修回日期: 2023-09-05
- 刊出日期: 2023-12-30

Study on Reactivity Disturbance Characteristics of SCO₂ Reactor Assembly Caused by Burnable Poisons

Zong Yi^1
,,
Zhuang Kun^{1
, ,},
Lu Di²,
Qi Shengdong¹

1.
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing, 210016, China
2.
Nuclear Power Institute of China, Chengdu, 610213, China

摘要

摘要: 为探究可燃毒物对超临界二氧化碳反应堆组件反应性扰动特性，以得出稳定安全的反应性控制方法。本文提出了2类7种不同的可燃毒物布置模型，通过研究不同可燃毒物装载下组件的反应性变化，针对不同布置得出了通过调节可燃毒物消耗速度的反应性控制方法：①通过混合棒的聚集排布；②在一定的排布形式以及装载量下可以通过调节H配比，可以很好地实现反应性控制，如采用¹⁰B丰度为3%的B₄C可燃毒物装载，H配比为17.5时，反应性波动仅为2600pcm(1pcm=10⁻⁵)。得到了可燃毒物对超临界二氧化碳反应堆组件反应性扰动影响规律，提出了反应性控制方法。
- 反应性 /
- 可燃毒物 /
- 超临界二氧化碳 /
- 气冷反应堆
Abstract: In order to investigate the reactivity disturbance characteristics of supercritical CO₂ reactor assemblies caused by burnable poisons and to obtain a stable and safe reactivity control method, this paper puts forward 7 different burnable poison arrangement models of 2 categories. By studying the reactivity changes of assemblies under different burnable poison loading, the reactivity control methods by adjusting the consumption rate of burnable poisons are obtained according to different arrangements: 1) through the aggregation arrangement of mixing rods; 2) the reactivity can be well controlled by adjusting the H-ratio under a certain arrangement form and loading quantity. For example, when B₄C burnable poison with ¹⁰B enrichment of 3% is loaded with the H ratio of 17.5, the reactivity fluctuation is only 2600 pcm (1 pcm = 10⁻⁵). The influence of combustible toxicant on the reactivity perturbation of supercritical CO₂ reactor assembly is obtained and the reactivity control method is proposed.
- Reactivity /
- Burnable poison /
- Supercritical CO₂ /
- Gas-cooled reactors

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图 1 超临界二氧化碳反应堆模型

Figure 1. Supercritical Carbon Dioxide Reactor Model

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图 2 优化后反应堆组件

Figure 2. Optimized Reactor Assembly

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图 3 7种组件模型

Figure 3. 7 Types of Assembly Models

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图 4 分离型组件不同可燃毒物棒排布方式下k_inf变化

Figure 4. k_inf Variation under Different Separated Burnable Poison Rod Arrangements

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图 5 不同可燃毒物棒排布方式下k_inf变化

Figure 5. k_inf Variation under Different Burnable Poison Rod Arrangements

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图 6 不同可燃毒物装载量下k_inf变化

Figure 6. k_inf Variation under Different Burnable Poison Loading Levels

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图 7 分离型不同r下于k_inf变化

Figure 7. k_inf Variation under Separated Different r

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图 8 不同r下k_inf变化

Figure 8. k_inf Variation under Different r

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图 9 不同¹⁰B装载、H配比下k_inf变化

工况1—2%丰度/46.9 H配比; 工况2—2%丰度/58.6 H配比; 工况3—2%丰度/70.3 H配比; 工况4—4%丰度/23.4 H配比; 工况5—4%丰度/29.2 H配比; 工况6—4%丰度/35.1 H配比; 工况7—6%丰度/15.6 H配比; 工况8—6%丰度/17.5 H配比; 工况9—6%丰度/19.5 H配比

Figure 9. k_inf Variation under Different ¹⁰B Loading and H Ratios　　　　　

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图 10 Gd₂O₃、Er₂O₃不同H配比下k_inf变化

工况1—1根Er₂O₃混合/H配比50；工况2—1根Er₂O₃混合/60 H配比；工况3—1根Er₂O₃混合/70H配比；工况4—1根Gd₂O₃混合/141H配比；工况5—1根Gd₂O₃混合/169H配比；工况6—1根Gd₂O₃混合/197H配比

Figure 10. k_inf Variation under Different H ratios for Gd₂O₃and Er₂O₃　　　　　　

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图 11 不同装载方式下k_inf变化曲线

工况1—1%丰度/分离2型; 工况2—1%丰度/混合2型; 工况3—3%丰度/分离2型; 工况4—3%丰度/混合2型

Figure 11. k_inf Variation under Different Loading Methods

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图 12 温度反应性系数随燃耗变化

Figure 12. Temperature Reactivity Coefficient Variation with Burnup

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表 1 几种可燃毒物核素性质

Table 1. Burnable Poison Nuclide Properties

分类	类型一	类型二	类型三
可燃毒物	B₄C	Gd₂O₃	Er₂O₃
中子吸收体	¹⁰B	¹⁵⁵Gd、¹⁵⁷Gd	¹⁶⁷Er
天然丰度/%	19.8	14.71、15.68	22.87
0.0253 eV吸收截面/10⁻²⁸ m²	3839	60799、254070	647
共振吸收截面/10⁻²⁸ m²	-	1447+100、700+20	2970+70
密度/( g·cm⁻²)	2.52	7.40	8.64

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