（核能科学与工程专业论文）利用triso燃料紧凑型压水堆堆芯的概念设计研究.pdf

分类号： udc ： 密级： 编号： 工学博士学位论文 利用t r is 0 燃料紧凑型压水堆堆芯的概念设计 研究 博士研究生： 指导教n - 学位级别： 学科、专业： 所在单位： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： a n w a rh u s s a i n 曹欣荣教授 工学博士 核能科学与工程 核科学与技术学院 2 0 1 0 年4 月5 日 2 0 1 0 年6 月8 日 哈尔滨工程大学 q；一 ，j ， 、 ) j 一 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果f h 本人承担。、二 作者( 签字) ：戽谚岛丝丝笙鲎少 日期： 刀o 年 月涉 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文阿在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 日期，鬻差；一曷嚣。辊l o 易铴 日期： 力o 年 月动月 却io 年? 足炯 o i 1 ， 1 1 ，j ， 一 广 ， 1 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y d o c t o r a ld e g r e ed i s s e r t a t i o n a b s t r a c t t h ea i mo ft h i sr e s e a r c hi st od e s i g nac o m p a c tn u c l e a rr e a c t o rb yu t i l i z i n g t r i s of u e li np w rt e c h n o l o g y t r i s of u e lh a sb e e nc h o s e nf o rt h ec u r r e n t d e s i g ns t u d yb e c a u s eo fi t ss u p e r i o rr e l i a b i l i t ya g a i n s tt h er e l e a s eo ff i s s i o n f r a g m e n t s t h es t u d yi sf o c u s e do nt h en e u t r o n i c sa n ds t e a d ys t a t et h e r m a l h y d r a u l i cs a f e t ya n a l y s i so ft h ed e s i g n e dc o r et oa s s e s st h ef e a s i b i l i t yo fu t i l i z i n g t p d s of u e li np w rt e c h n o l o g yw i t h o u ta n ym o d i f i c a t i o ni n e x i s t i n gp w r d e s i g n t oa c c o m p l i s ht h et a s kad e t a i l e dp a r a m e t r i cs t u d yw a sc a r r i e do u tt oi d e n t i f y t h ei m p o r t a n tf u e la n dc o r ed e s i g np a r a m e t e r sa sas t a r t i n gp o i n tf o rac o m p l e t e r e a c t o rc o r ed e s i g n t h ed e s i g n e dc o r ew a sa n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o nw h i c h c o m p r i s e so f 3m a i nd o m a i n s f i r s ti st h ed e v e l o p m e n to fe x c e s sr e a c t i v i t yc o n t r o l m e c h a n i s m s e c o n di st h en c u t r o n i c sd e s i g na n df i n a l l y , t h es t e a d ys t a t et h e r m a l h y d r a u l i ca n a l y s i so ft h ed e s i g n e dc o r e t r a n s p o r tt h e o r yl a t t i c es i m u l a t i o nc o d e w i m s - d 4 ，d i f f u s i o nt h e o r yb a s e dc o m p u t e rc o d ec i t a t i o na n dl i g h tw a t e r r e a c t o rt r a n s i e n ta n a l y s i sc o d er e l a p 5w e r eu s e df o rt h ec o n c e p t u a ld e s i g n s t u d y ，一 a n i m p o r t a n tf e a t u r eo ft h ed e s i g ni san o v e lt r i s of u e lp a r t i c l ec o m p o s i t i o n w h i c hp r o v i d e sr e a c t i v i t yc o n t r o lt e c h n i q u eo v e rt h ee n t i r ef u e lc y c l e as m a l l a m o u n to fp u 2 4 0w i t l l5 0w oh a sb e e na d d e di nt r i s of u e lp a r t i c l ei nt h ep l a c e o fu - 2 3 8 t h eu t i l i z a t i o no fi n v e n t i v et r i s of u e l p a r t i c l e c a n c o m p l e t e l y e l i m i n a t et h eu s eo fs o l u b l eb o r o ns y s t e ma n dr e q u i r e m e n to fb u r n a b l ep o i s o ni f a d e q u a t en u m b e ro fc o n t r o lr o d si su s e d t h es o l u b l eb o r o nf r e e ( s b f ) a n d b u r n a b l ep o i s o nf r e e ( b p f ) c o n c e p t sa r em o r ev i a b l ei ns m a l la n dm e d i u ms i z e r e a c t o r s ( s m r s ) b e c a u s ei tm a k e st h ep l a n ts i m p l e ra n du n i f o r mb u r n u pc a nb e a c h i e v e dt h r o u g h o u tt h ec o r e t h ed e s i g n e dc o r eo p e r a t e sa tl o w e rt e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r et h a nas t a n d a r dp w r p o w e rr e a c t o rb e c a u s eo fi t ss p e c i f i cu s e ( i e h e a t i n g ，d e s a l i n a t i o na n dl i m i t e dp o w e rp r o d u c t i o n ) t h er e a c t o rp o w e rd e n s i t yi s i a b s t r a c t a l s or e l a t i v e l yl o wa n dt h ep r e s e n c eo ft r i s of u e la l s oe i l s u l e sf u r t h e rs a f e t y u n d e ra l lo p e r a t i n gs c e n a r i o s 功er e s e a r c hp r e s e n t e di nt h et h e s i sr e v e a l e dt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft r i s o f u e li np w r t e c h n o l o g yr e s u l t si nam o r er e l i a b l e ，s a f e ra n db e t t e rn u c l e a rd e s i g n 1 1 1 eu s eo fs m a l la m o u n to fp u - 2 4 0w i t h5 0w oi nt r i s of u e lp a r t i c l er e s u l t e di n as i g n i f i c a n tr e d u c t i o no ft h ee x c e s sr e a c t i v i t yt h r o u g ho u tt h ef u e lc y c l e 1 1 l e e x c e s sr e a c t i v i t yw a sr e d u c e dt oo n l y6 2 2 a k kf r o m2 7 0 0 a k ka tt h es t a r to f f u e lc y c l e n l es o l u b l eb o r o ns y s t e ma n db u r n a b l ep o i s o nh a sb e e nc o m p l e t e l y e l i m i n a t e df r o mt h ed e s i g nd u et ot h ee n h a n c e dr e a c t i v i t yc o n t r o lo ft h ed e s i g n t h ev a l u e so fd o p p l e r ；m o d e r a t o ra n dv o i dr e a c t i v i t yc o e f f i c i e n t sw e r ef o u n d 一3 3 4p c mk 一，- 4 9 0p c mk a n d 一91 0 0p c m v m 以r e s p e c t i v e l y s t e a d ys t a t et h e r m a lh y d r a u l i ca n a l y s i sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sd e p i c t e dt h a t t h ev a l u eo fm i n i m u md e p a r t u r ef r o mn u c l e a t eb o i l i n gr a t i o ( m d n b r ) a tr a t e d p o w e ra n d115 p o w e ri ss u f f i c i e n t l yl a r g e rt h a nt h en o m i n a lv a l u ep w rd e s i g n t h ef u e lc e n t r el i n eo p e r a t i n gt e m p e r a t u r eo ft h ed e s i g n e dc o r ew a so n l y9 3 0 0 c w h i c hi sw e l lb e l o wt h a nt h em e l t i n gt e m p e r a t u r eo fu 0 2a n dc e n t e r l i n ef u e l t e m p e r a t u r eo fs t a n d a r dp w rd e s i g n i tw a sa l s oo b s e r v e dt h a tt h em a x i m u m v a l u eo ft o t a lp o w e rp e a k i n gf a c t o rw a so n l y2 10a n dt h el o c a lp o w e rp e a k i n g f a c t o r ( l p f ) r e m a i n e dl e s st h a n 2 15t h r o u g h o u tt h ef u e lc y c l e t h er e a c t o r r e m a i n sc r i t i c a lf o ra tl e a s t5 5 0e f p d 、忻廿l2 6 0k go fh e a v ym e t a lf u e li n v e n t o r y k e yw o r d s ：s m r s ，t r i s o ，w i m s - d 4 ，c i t a t i o n ，b u r n a b l ep o i s o n f r e e ( b p f ) h f 片 ，、 l 、， j h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - - d o c t o r a ld e g r e ed i s s e r t a t i o n 摘要 本文研究的主要目的是在压水堆中使用t r i s o 燃料并进行紧凑型反应堆 设计。由于t p j s o 燃料良好的防止裂变碎片逸出的能力，所以被当今反应 堆设计研究所青睐。当前的研究集中于通过对设计堆芯的物理和稳态热工水 力分析，验证在不采用p w r 中常用的反应性补偿措施情况下，使用t r i s o 燃 料p w r 技术的可行性。 为了完成反应堆设计工作，必须首先完成设计参数计算工作，确定一些 重要的燃料和堆芯设计参数。对于设计完成的堆芯的分析在本文中分三个主 要部分进行。首先是过剩反应性控制机理；其次是中子学设计；最后进行堆 芯的稳态热工水力分析。基于输运理论的计算程序w i m s - d 4 程孵：基于扩散 理论的c i t a t i o n 程序和轻水堆瞬态分析程序r e l a p 5 都被应用与本文的概念 设计研究中。 f 在设计中一个最重要的特点是t r i s o 燃料颗粒新颖的成份，它可以保证 在整个燃料循环过程中反应性控制技术的实现。少量5 0w l o 的p u - 2 4 0 将取 代部分u - 2 3 5 加入t r i s o 燃料中，在恰当数量的控制棒作用下，该t r i s o 燃 料微粒的使用可以不采用可溶硼系统和可燃毒物来补偿剩余反应性。由于无 溶解硼( s b f ) 和无可燃毒物理念可以减小反应堆体积，均匀堆芯燃耗，所以 更多的被应用在小型和中型反应堆( s m r ) 中。这种燃料的一些特性( 例如： 加热性能、脱盐性能和限制功率产生的性能) 可以使得设计的堆芯能在比一 般的p w r 堆芯更低的温度和压力下运行。反应堆的功率密度也会相应的降低， t r i s o 燃料的使用可以保障堆芯在所有的工况下安全运行。 本文的结果说明将t r i s o 燃料和p w r 技术的结合可以得到更可行、安全 的核电设计。使用少量5 0w o 的p u - 2 4 0 在t r i s o 燃料微粒中，燃料可以在 整个循环过程中显著的减少剩余反应性。在燃料的寿期初，剩余反应性从 2 7 ak k 降到6 2 2 ak k ，设计中可以不再使用硼溶液系统和可燃毒物。多 普勒效应、慢化剂和空泡份额数分别为 一3 3 4p c mk 、- 4 9 0p c mk 叫和 一9 1 0 0p c m v - 一。 本文的稳态热工水力分析结果说明在额定工况和1 1 5 工况下m d n b r 比一 a b s t r a c t 般p w r 更大。设计堆芯的燃料芯部运行温度仅为9 3 0 0 c ，低于u 0 ：的熔化温度 和一般p w r 的燃料中心温度。在整个燃料循环中最大功率的峰值因子仅为 2 1 0 ，局部的功率因子( l p f ) 小于2 1 5 。在使用2 6 0k g 重金属燃料情况下， 反应堆堆芯寿期可达5 5 0e f p d 。 关键字：s m r s ，t r i s o ，w i m s - d 4 ，c i t a t i o n ，无可燃毒物系统( b p f ) 。 i v 一 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - d o c t o r a ld e g r e ed i s s e r t a t i o n c o n t e n t s ， c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 产 1 1i n t r o d u c t i o n ：1 1 1 1s m a l la n dm e d i u ms i z er e a c t o r s ( s m r s ) 3 1 1 2确s t r u c t u r a ll s o t r o p i c ( t r i s o ) m i c r of u e lp a r t i c l e ：5 1 1 3c o m b i n a t i o no f t w ot e c h n o l o g i e s 7 1 2g l o b a ls t a t u so ft h ec h o s e nr e s e a r c h a r e a 8 1 3r e s e a r c ho b j e c t i v e s 1 0 1 4t h e s i so u t l i n e 1 ( ) c h a p r e r2c o m p u t a t l o n a lt e c h n l q u e s 13 2 1w i m s d 4 1 3 2 1 1w i m s i n p u t o u t p u tf i l e 1 7 2 1 2 c r o s ss e c t i o ng e n e r a t i o n 。1 7 2 1 3u n i tc e l lm o d e l i n g 一18 2 1 4b u r n a b l ep o i s o nm o d e l i n g 19 2 2c i t a t i o n 19 2 3i 也l a p 5 ：2 1 2 3 1i n t r o d u c t i o n 2 1 2 3 2 h y d r o d y n a m i cm o d e l 2 1 2 3 3 p o i n tr e a c t o rk i n e t i c sm o d e l 2 2 2 4c h a p t e rs u m m a r y ：2 3 c h a p t e r3c o r ed e s i g n 。2 5 3 1p a r a m e t r i cs t u d i e s 2 5 3 2p a r a m e t r i cs t u d i e sf o rf u e lp a r t i c l e j 2 7 3 2 1f u e lk e m e ld i a m e t e r - 2 7 3 2 2f u e ie n r i c h m e n t 2 8 3 2 3 p a c k i n gf r a c t i o n 2 8 3 2 4f u e lp a r t i c l eh o m o g e n i z a t i o n 3 0 v c o n t e n t s i i 3 2 5 f u e lr o do p t i m i z a t i o n 3 1 3 3 p a r a m e t r i cs t u d i e sf o rr e a c t o rc o r ed e s i g n 3 4 3 3 1f u e lp i t c h 3 4 + 3 3 2 r e f l e c t o rm a t e r i a la n di t st h i c k n e s s 3 4 3 4 o p t i m a lc o r ec o n f i g u r a t i o n 3 6 3 5 f i n a lc o r ed e s i g n ：3 9 3 6 c h a p t e rs u m m a r y 4 1 c h a p t e r4r e a c t i v i t yc o n t r o lt e c h n i q u e 4 3 4 1i n t r o d u c t i o n 4 3 4 2r e a c t i v i t y 4 3 4 3r e a c t i v i t yc o n t r o l 4 4 4 3 1b u r n a b l ep o i s o n 4 4 4 3 2c h e m i c a ls h i m 4 5 4 3 3 c o n t r o lr o d s 4 6 4 4r e a c t i v i t yc o n t r o lt e c h n i q u e 4 8 4 4 1u t i l i z a t i o no f p u 2 4 0 4 8 4 4 2p u 2 4 0a b u n d a n c e 4 9 4 5d i s c u s s i o n s 5 0 4 5 1u t i l i z a t i o no fn o v e lt r i s of u e lp a r t i c l ew i t hb u r n a b l ep o i s o n 5 0 4 5 2 u t i l i z a t i o no f n o v e lt r i s of u e lp a r t i c l ew i t h o u tb u r n a b l ep o i s o n 5 3 4 6 c h a p t e rs u m m a r y 5 4 c h a p t e r5c o r en e u t r o n i ca n a l y s i s ，二5 5 5 1c o r ed e s c r i p t i o n 5 5 5 2r e a c t i v i t yf e e db a c k 5 5 5 2 1c o e f f i c i e n to f r e a c t i v i t y 5 6 5 3c a l c u l a t i o no fr e a c t i v i t yc o e f f i c i e n t s 5 7 5 3 if u e lt e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f r e a c t i v i t y 5 8 5 3 2m o d e r a t o rr e a c t i v i t yc o e f f i c i e n t 6 0 5 3 3 v o i dr e a c t i v i t yc o e f f i c i e n t 6 2 5 5c o n t r o lm e t h o d o l o g y 6 7 ， 一 、 = j h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y d o c t o r a ld e g r e ed i s s e r t a t i o n i i 5 5 1r e a c t o rc o n t r o lw i t h o u tb u r n a b l ep o i s o n 。6 7 5 5 2 r e a c t o rc o n t r o lw i t hb u r n a b l ep o i s o n 6 8 5 6c r i t i c a lc o r eb u r nu p a n a l y s i s 6 8 5 7 c h a p f e rs u m m a r y 6 9 c h a p t e r6t h e r m a lh y d r a u l i ca n a l y s i s 7 1 6 1i n t r o d u c t i o n 7 1 6 2o b j e c t i v e sa n dl i m i t a t i o n s 7 2 6 2 1l i m i t a t i o no f f u e l 7 2 6 2 2 c l a d d i n gl i m i t a t i o n 7 3 6 2 3c o o l a n tt e m p e r a t u r e1 i m i t a t i o n s 7 3 6 2 4o t h e rt h e r m a ll i m i t s 7 4 6 3c o u p l i n gb e t w e e nn u c l e a ra n dt h e r m a lb e h a v i o r ，：7 4 6 4d e p a r t u r ef r o mn u c l e a t eb o i l i n ga n dc r i t i c a lh e a tf l u x 7 5 6 5m o d e l i n gi nr e l 心5 7 6 6 6c a l c u l a t i o no fp o w e rp e a k i n gf a c t o r s 。：池7 7 6 7p o w e rd e n s i t y 8 0 6 7 1i n t r o d u c t i o n 8 0 6 7 2 a v e r a g el i n e rp o w e rd e n s i t y z 8 0 6 7 3h o tc h a n n e lf a c t o r s 8 0 6 8m e t h o d o l o g yf o ra n a l y s i s 8 1 6 9t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 8 2 6 1 0c a l c u l a t e dp a r a m e t e r s 8 5 6 11 c h a p t e rs u m m a r y 8 6 c o n c l u s i o na n dr e c o m m e n d a t i o n s 8 7 a n n e x e s 1 0 7 v i t a 1 ：1 5 v l l 一 ， 1 1i n t r o d u c t i o n c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n a tt h es t a r to fn u c l e a rt e c h n o l o g ys m a l lr e a c t o r sw e r eo n l yu s e df o r r e s e a r c ha n di n s t r u m e n t a lp u r p o s e sb u tn o wt h e s ea r ew i d e l yu s e d a n da r e i nt h ed e v e l o p m e n tp h a s et om e e tt h eo v e r gr o w i n gd e m a n do fe l e c t r i c i t y a r o u n dt h ew o r l d t h e s es m a l la n dm e d i u ms i z er e a c t o r s ( s m r s ) a r e p r e f e r r e dd u et or e d u c e dc a p i t a lc o s ta n dt og e n e r a t ep o w e ra w a yf r o mt h e m a i ng r i ds y s t e m s 。i na d d i t i o nt op o w e rg e n e r a t i o n s m r sc a na l s ob e u s e df o rh e a tg e n e r a t i o na n ds e aw a t e rd e s a l i n a t i o n t h ei n n o v a t i v es m r d e s i g nc o n c e p t sa r ei n c l u d e di ng e n e r a t i o ni vr e a c t o r sa st h e s es m r sa r e n o t o n l yt h e m i n i a t u r eo fl a r g ef u l ls c a l er e a c t o r sb u tp o s s e s ss o m e s u p e r i o ri n h e r e n ts a f e t yf e a t u r e si n a l l o p e r a t i n gs c e n a r i o s ar e c e n t l y c a r r i e do u td e t a i l e dr e v i e wd e s c r i b e st h ep r o g r e s sa n dn e wd e v e l o p m e n t s i ns m r st e c h n o l o g y 【1 j - d u et ot h ei m p o r t a n c eo fs m r s 。l a e ah a ss t a r t e da p r o j e c tw h i c h i sd e d i c a t e dt ot h ed e v e l o p m e n t si ns m r st e c h n o l o g i e s w h i c ha l s oc o v e r so u rc h o s e nr e s e a r c h a r e a ，n a m e l y “d e s i g n a n d t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t f o rl w r sw i t hc o a t e dp a r t i c l eb a s e df u e l ” i a e ap r o v i d e sac o m m o np l a t f o r mt oc o m b i n et h eg l o b a le f f o r t sf o rt h e d e v e l o p m e n t si ns m r sa m o n gt h em e m b e rs t a t e s i a e ah a sa no b j e c t i v e t oe n s u r ep r o g r e s si nt h ed e v e l o p m e n to ft h ek e ye n a b l i n gt e c h n o l o g i e s a n di nt h er e s o l u t i o no ft h ee n a b l i n gi n f r a s t r u c t u r ei s s u e sc o m m o nt os m r s o fv a r i o u st y p e s w i t h i nt h i sp r o j e c t 。i a e ap e r i o d i c a l l yp r o d u c e sa n d u p d a t e ss t a t u sr e p o r t sa n do t h e rp u b l i c a t i o n so nt h ed e s i g na n dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n tf o rs u c hr e a c t o r s t h ed e t a i l so fr e s e a r c hi ns m r sc a nb e f o u n do nt h ei a e a so f f i c i a lw e b s i t e 闭an u m b e ro fl a e ap u b l i c a t i o n sa r e a l s oa v a i l a b l ew h i c he n c o m p a s s e st h ed e s i g n 。d e v e l o p m e n t sa n ds a f e t y f e a t u r e so fs m r st e c h n o l o g y 3 - 1 1 1 h a 广b i ne n q i n e e r i n gu n i v e r s i t y d o c t o r a ld e g r e ed i s s e r t a t i o n w i t ht h ep r e s e n tw o r l d 。sp o p u l a t i o ng r o w t hr a t ei ti sv e r yl i k e l yt h a te v e n w i t hc o n s e r v a t i o ne f f o r t s 。e l e c t r i c a ip o w e rr e q u i r e m e n tw i l lj n c r e a s em o r e r a p i d l yi nn e a rf u t u r e i ti sa l s oaw e l ik n o w nf a c tt h a tn a t u r a ir e s o u r c e so f c r u d eo i la n dg a sa r ei i m i t e dw h e r e a si n c r e a s e du t i l i z a t i o no fc o a ir e s u i t si n e n v i r o n m e n t a ld e g r a d a t i o n s or e l i a n c eo nf o s s i lf u e lo n l yf o rp o w e r p r o d u c t i o ni sn o taw i s ea p p r o a c ht om e e tt h eo v e r g r o w i n gd e m a n d s f o r e l e c t r i c i t y f tc a na l s ob es e e nt h a tu s eo fn u c l e a rf i s s i o nf u e ic a nh e l pu st o c o p eu pw i t ht h ee n e r g yc r i s i s n u c l e a rp o w e rr e a c t o r sh a v ea c h i e v e da c o m p e t i t i v ep o s i t i