PWR核电厂乏燃料贮存临界计算重要核素的选取
陈志宏，沈 季，李 亢，黄才龙
【摘 要】摘要：信用核素选取是基于燃耗信用制乏燃料贮存临界安全分析的关键一步。通过对不同富集度、燃耗深度及停堆冷却时间下典型PWR燃料组件分析，以核素中子吸收份额大小排序为依据，筛选出对总的中子吸收起主要贡献的核素。结果显示，47个核素即可包络停堆后0～20 a内影响乏燃料贮存系统反应性的所有核素中的99%。通过核素敏感性因子分析证明依据中子吸收份额排序选取重要核素的方法是合理的，与基准算例的结果对比证明所筛选出的核素能足够代表影响系统反应性的所有重要核素。 【期刊名称】原子能科学技术 【年(卷),期】2015(000)007 【总页数】6
【关键词】临界安全分析；燃耗信用制；乏燃料贮存；信用核素
在当今的临界安全分析技术中，燃耗信用制技术因考虑了系统核素的实际情况，充分挖掘了系统的安全裕量，因此是今后临界安全技术发展的必然趋势[1]。在燃耗信用制技术中，合理筛选信用核素直接影响到分析的精度，是燃耗信用制分析中一个非常关键的技术环节。信用核素的选取主要考虑两个方面：一是核素对系统反应性有重要影响，二是要有测量数据做支撑。本文针对核电厂厂内乏燃料贮存问题，通过对不同富集度、燃耗深度及停堆冷却时间下典型PWR燃料组件分析，以核素中子吸收份额大小排序为筛选依据，选取核电厂乏燃料贮存临界安全分析中对有效增殖因数(keff)起重要作用的核素，为后续信用核素的选取提供依据。
1 分析方法
本文使用美国核管会核安全审评专用软件SCALE程序包进行计算分析。该程序包由美国橡树岭国家实验室(ORNL)开发，计算采用的模块主要有TRITON和KENO，其中燃耗分析通过TRITON[2]完成。TRITON主要执行两部分计算：1) 输运计算，调用两维离散纵标输运计算模块NEWT产生三群权重数据库，通过COUPLE模块读取权重数据库中的截面数据更新ORIGEN-S截面库；2) 燃耗计算，根据NEWT模块计算得到的三群通量调用ORIGEN-S执行燃耗计算。临界分析由多群蒙特卡罗程序KENO V.a完成，同时还使用OPUS[3]程序对计算结果数据进行读取和编辑，给出指定核素的相关信息。
2 重要核素筛选
燃料燃耗将产生上千种核素，选择裂变产物重要核素的一般方法是选取吸收截面大、衰变周期长、产额大的非气体核素[4]。利用这种方法选取重要核素时所需参考的参数多、工作量大，较繁琐。
目前燃耗信用制有4种核素信用水平：可裂变核素水平、锕系水平、锕系加裂变产物水平及可得到的所有核素水平。可裂变核素的影响是必须考虑的，在此基础上，若考虑锕系水平，则计算结果相对保守，若再考虑剩余的其他核素则更接近实际情况。本文分析了乏燃料组件内对系统反应性有重要影响的所有核素，囊括了上述4种信用水平。 2.1 分析假设
以典型的PWR 17×17型燃料组件模型为分析对象，选取3.0、4.0、5.0 w/o富集度燃料组件，考虑10、30、60 GW·d/tU燃耗深度，停堆冷却时间为0、1、2、3、4、5、10、15、20 a(乏燃料厂内贮存时间一般为10～20 a)。由于
停堆后组件反应性逐渐增加，在100 h左右达到峰值[5]，因此在时间参数选取中额外考虑了停堆100 h的重要核素。据此共计算了90个工况，保证分析具有足够的代表性。
图1示出本文分析中模拟的典型燃料组件截面。 2.2 筛选原则及结果
通过计算给出各工况下燃料组件内对中子吸收有显著贡献的核素，根据核素对中子吸收份额大小排序，筛选出对总中子吸收份额贡献占99%的核素。根据此原则筛选出其中3种典型工况下的重要核素列于表1。
根据以上筛选原则，计算了所有工况下对总中子吸收份额贡献占99%的核素，将各工况下筛选出的核素汇总，得到对中子吸收份额起主要贡献作用的所有核素(表2)。
从表2可看出，所筛选出的47个主要贡献核素中，锕系核素14个，裂变产物32个。表3列出了4.0 w/o富集度燃料组件、5 a停堆冷却时间工况下根据筛选原则得到的锕系核素和裂变产物中子吸收份额随燃耗的变化。
从表3可看出，随燃耗的增加，锕系核素中子吸收份额逐渐降低，裂变产物中子吸收份额逐渐增加。在所有90个计算工况中，筛选出的锕系核素总中子吸收贡献份额由低燃耗工况下的96.4%降低至高燃耗工况下的84.6%，裂变产物总中子吸收贡献份额相应地由2.4%增至14.2%。
3 筛选方法验证
3.1 重要核素选取方法验证
根据中子吸收份额大小选取重要核素基于一个最基本的假设，即核素中子吸收份额的大小与该核素对乏燃料贮存系统keff影响的重要性一致。为了证实此种
PWR 核电厂乏燃料贮存临界计算重要核素的选取
