基于CASMO5的燃耗历史对乏燃料反应性的影响计算

基于乏燃料贮存领域常用的锕系加裂变产物(APU-2)级燃耗信任制,应用二维组件燃耗计算程序CASMO5,计算了燃耗过程中功率密度和运行历史对乏燃料k∞的影响。结果表明:燃耗计算中,选择堆芯额定功率对应的平均功率密度,同时k∞附加0.002 3的包络裕度,运行历史选择循环内及循环间无停堆额定功率运行,同时k∞附加0.004 5的包络裕度,可满足燃耗信任制中包络性原则。     

基于燃耗信任制的核电厂乏燃料贮存水池临界计算

为研究初始富集度为4.95%的新型燃料组件卸料后高密度贮存的可行性,以岭澳核电站3、4号机组乏燃料贮存水池为例,利用SCALE5.1程序系统中基于燃耗信任制的STARBUCS临界计算程序,分析了该新型燃料组件在不同燃耗情况下,锕系核素和裂变产物的产额变化及其对反应性的影响;基于锕系加裂变产物信任水平,计算了燃料组件在不同燃耗深度和不同贮存年限情况下的乏燃料贮存水池临界安全性;给出了乏燃料贮存水池Ⅱ区的参考装载曲线。计算表明:该新型燃料组件在燃耗达到45 GWd.t-1(U)后可以高密度贮存在乏燃料贮存水池Ⅱ区。     

基于NECP-Bamboo程序的商用压水堆乏燃料组件核素成分分析

乏燃料组件核素成分的精确计算是乏燃料临界安全分析等工作的输入条件，放射性源项计算是乏燃料组件核素成分分析的典型应用。国内现有程序由于存在数据库中核素种类不全、辐照过程无法完全模拟等弊端，限制了乏燃料后处理安全分析的可靠性和经济性。本文基于完全自主化的压水堆堆芯分析软件NECP-Bamboo,研发了商用压水堆乏燃料组件核素成分计算程序Bamboo-SFuel,利用辐照后实验(PIE)实测数据对核素成分进行了定量验证与分析，通过与Scale程序包计算结果进行对比验证了程序源项计算的精度，还探究了不同燃耗数据库对核素成分和源项计算结果的影响。数值结果表明，Bamboo-SFuel能精确分析不同辐照条件下商用压水堆乏燃料组件的核素成分和放射性源项，使用NECP-Bamboo程序中不同核素数目的燃耗数据库对重要核素成分计算结果影响不大，但对总的放射性源项计算结果影响较大；基于内置的包含1 547种核素的燃耗数据库，该程序可同时给出可靠的乏燃料临界安全分析和辐射安全分析关注的重要核素成分。     

轻水堆燃料关联核素的特征比值与乏燃料堆型的辨别

应用燃耗分析程序MCCOOR计算压水堆和沸水堆的栅元模型满功率运行时2种不同初始燃料富集度情形下不同燃耗深度的燃料核素成分，分析轻水堆燃料的关联核素比值与燃耗深度的关系，获得了轻水堆燃料的关联核素特征比值，并探索了由乏燃料相应核素特征比值确定其堆型的可行性。      

田湾核电站乏燃料水池采用燃耗信任制的计算研究

以田湾核电站(TNPS)2×5排列的贮存格架构成的乏燃料水池为例,研究采用燃耗信任制技术的密集贮存和临界安全问题。采用MONK9A程序计算分析不同富集度、不同燃耗的乏燃料装载情况下系统的k_eff. 根据系统k_eff随不同初始富集度燃料的燃耗变化情况给出了水池的参考装载曲线。采用燃耗信任制技术的密集贮存方案能提高贮存能力31%。     

先进非能动压水堆核电站燃料组件轴向燃耗分布研究

燃料组件的轴向燃耗分布以及末端效应是燃耗信任制技术应用中的难点。基于先进非能动压水堆核电站的运行模式及组件设计特点,结合可能的燃料管理策略,统计轴向两端使用低富集度抑制区的乏燃料组件,生成轴向燃耗包络线。以AP1000堆型的乏燃料贮存单元为例,通过分析统计,证明生成的轴向燃耗包络线用于临界安全分析是保守的。在此基础上,详细研究燃料组件顶部的低富集度抑制区对末端效应的贡献,并对燃料组件进行设计改进,减小至消除末端效应,为简化乏燃料组件相关的临界安全分析提供了一个方法。相关研究工作及成果,是先进非能动压水堆核电站乏燃料组件相关的设施设备的临界安全设计的基础,可为其他堆型的相应研究提供参考和借鉴。     

先进非能动压水堆核电站燃料组件轴向燃耗分布研究

燃料组件的轴向燃耗分布以及末端效应是燃耗信任制技术应用中的难点。基于先进非能动压水堆核电站的运行模式及组件设计特点,结合可能的燃料管理策略,统计轴向两端使用低富集度抑制区的乏燃料组件,生成轴向燃耗包络线。以 AP1000堆型的乏燃料贮存单元为例,通过分析统计,证明生成的轴向燃耗包络线用于临界安全分析是保守的。在此基础上,详细研究燃料组件顶部的低富集度抑制区对末端效应的贡献,并对燃料组件进行设计改进,减小至消除末端效应,为简化乏燃料组件相关的临界安全分析提供了一个方法。相关研究工作及成果,是先进非能动压水堆核电站乏燃料组件相关的设施设备的临界安全设计的基础,可为其他堆型的相应研究提供参考和借鉴。     

中子吸收材料累积中子注量研究

中子注量可作为加速辐照实验的辐照指标。为了通过加速辐照的方式检验中子吸收材料的中子吸收性能，计算了中子吸收材料贮存不同时间下的中子注量。通过对乏燃料组件初始富集度、燃耗深度以及乏池温度、可溶硼浓度的研究，得到中子吸收材料在乏池贮存时中子注量的包络值，同时计算得到不同贮存时间材料¹⁰B的消耗量。结果表明，材料的中子吸收性能在贮存10～60 a的情况下并无明显变化。本文结果可为检验材料的中子吸收性能提供支持。     

乏燃料燃耗与中子发射强度的关系

对辐照过的低富集氧化铀燃料的燃耗与中子发射强度间的关系进行分析和研究。计算了不同初始富集度、不同燃耗、不同冷却时间的乏燃料的中子发射强度，经分析，证实了燃耗与中子发射强度间存在的幂函数关系，并对影响幂函数关系的各种因素进行了研究。发现幂函数关系中的系数受初始富集度、冷却时间、燃耗范围的影响；如果冷却时间大于2a，这个关系不受辐照历史的影响；如果冷却时间小于2a，这个关系受辐照历史的影响。     

PWR核电厂乏燃料贮存临界计算重要核素的选取

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0~20a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。     

Thinking outside the box: options for transport of high burnup spent fuel

Abstract

The current uncertainty surrounding the licensing and eventual opening of a long term geologic repository for the nation’s civilian and defense spent nuclear fuel and high level radioactive waste has shifted the window for the length of time spent fuel could be stored to periods of time significantly longer than the current licensing period of 40 years for dry storage. An alternative approach may be needed to the licensing of high burnup fuel for storage and transportation based on the assumption that spent fuel cladding may not always remain intact. The approach would permit spent fuel to be retrieved on a canister basis and could lessen the need for repackaging of spent fuel. This approach is being presented as a possible engineering solution to address the uncertainties and lack of data availability for cladding properties for high burnup fuel and extended storage time frames. The proposed approach does not involve relaxing current safety standards for criticality safety, containment, or permissible external dose rates.     

田湾核电站乏燃料干式贮存临界安全计算研究

以CASTOR 1000/19干式贮存容器装载田湾核电站六角形乏燃料组件为例,研究六角形乏燃料干式贮存的临界安全问题。基于新燃料假设,应用MONK9A程序对贮存容器满装载乏燃料进行不同工况下k_eff的计算。计算结果表明：正常工况下,k_eff远小于临界安全限值,是临界安全的;事故工况下,当²³⁵U富集度大于3.15%时,系统存在临界安全风险,须减少乏燃料装载量来确保临界安全。考虑燃耗信任制后,采用相同的模型计算得出贮存容器满装载的参考装载曲线,按此曲线要求装载能确保所有工况下的系统临界安全。采用燃耗信任制技术提高了贮存容器的利用率。该研究可为田湾核电站采用乏燃料干式贮存方案提供依据。     

Science and Technology of Reactor Reactor Core Geometry Arrangement Research of Spent Fuel Critical Facility

With the development of nuclear power, the nuclear critical safety problem becomes more and more significant. The burnup credit technology has been applied to analysis of the nuclear critical safety. This has significantly enhanced the capacity of storing, transportation, reprocessing and improved the economy of back end fuel cycle. It is very important to carry out critical experiment on spent fuel for selecting calculation code packages and validating calculation methods using burnup credit technology. Before building the spent fuel critical experimental facility, massive detailed critical calculation should be performed.     

UO2燃料燃耗对高放废物管理的影响研究

从乏燃料的不同燃耗引起放射性和化学组成的变化出发,分析乏燃料经后处理后的衰变热、Mo及贵金属含量对玻璃固化工艺和玻璃固化体储存的影响,计算得到了不同燃耗乏燃料制得的高放玻璃的数量。计算结果认为：对于冷却8 a的乏燃料,决定玻璃固化体包容量的不是高放主组分的热功率;对于燃耗小于40 GW•d/tU的乏燃料,决定玻璃固化体包容量的是Mo元素含量;当燃耗大于45 GW•d/tU时,贵金属含量成为决定玻璃固化体包容量的主要因素,同时UO₂燃料燃耗与高放玻璃固化体数量上存在线性关系,燃耗增加会导致高放废物玻璃固化体数量增加。随着燃耗的增加,以Mo含量及贵金属含量计算得到的玻璃固化体数量比以衰变热计算得到的玻璃固化体数量多,因此,高放废物玻璃固化前将Mo及贵金属进行分离有利于减少高放废物玻璃固化体数量。对于UO₂燃料,燃耗加深对于高放废物玻璃固化体暂存时间几乎无影响。     

燃耗信任制下燃耗计算对临界计算的偏差及不确定度的研究

为量化燃耗信任制中燃耗计算传递给临界计算的不确定度,本文基于参数统计法对燃耗计算的核素偏差及偏差不确定度展开分析,并以蒙特卡罗（MC）抽样方法计算的kinf不确定度为基准,比较不同抽样方法对临界计算不确定度的影响。结果表明,核素偏差与偏差不确定度是随样品燃耗变化的分段函数。对于临界计算,拉丁超立方抽样（LHS）方法与MC抽样方法的kinf不确定度计算结果吻合较好,且LHS方法可考虑参数间的相关性,计算结果更真实,可进一步提升电厂的经济性。     

Current status of spent fuels and the development of computer programs for the PWR spent fuel management in Korea

Nuclear power has supplied the national electric power demand for three decades in the Republic of Korea, which has resulted in the accumulation of a large amount of spent fuels. The government has a policy on the temporary storage of these at nuclear power plants at present. In order to establish a proper policy for spent fuel management in the near future, the characteristics and amount of spent fuels should be figured out properly. In this paper, the current status of spent fuels in the Republic of Korea is outlined focusing on the major characteristics of spent fuels such as initial enrichment and discharge burnup. According to the current trend, the average burnup of PWR spent fuels will reach 55 GWd/MtU by the middle of 2010s. Three different kinds of computer programs were developed to supply crucial data regarding spent fuels. The first one was developed to project the amount of spent fuels in the future based on three different projection models. The projection was verified with real spent fuel data. The second Database program was prepared for the analysis of statistics regarding PWR spent fuels. Each PWR spent fuel assembly was specified with 18 items of data such as fuel type, initial enrichment, and discharge burnup. The usefulness of the Database program was illustrated through an analysis of the geological disposal density and cooling time of PWR spent fuels. Disposal area could be reduced by 50% through a proper analysis of the cooling time of PWR spent fuels. Finally, A-SOURCE program was developed to easily calculate source-terms such as decay heat and radionuclide concentration after the pyro-processing of PWR spent fuel assemblies. Linked to the Database program, the A-SOURCE program selected PWR spent fuel assemblies and could calculate the source-terms for any combination of them. An illustration of the usage of the program was demonstrated.