（福建福清核电有限公司 福建福清 350318）
摘要：提出在快谱超临界水冷堆中布置不同位置分布的控制棒。本文对3种不同控制棒分布的Seed组件进行了一系列的参数计算，得出了组件的有效增值系数Keff和空泡系数VC及缓发中子份额随不同空泡份额的变化趋势，对3种不同控制棒分布Seed组件进行结果分析和对比，从而得出最佳的控制棒分布方案。
关键词：快谱超临界水冷堆；控制棒；反应性
在和平利用核能的半个世纪以来以来，已成功开发三代核能系统。近年来，为了进一步提高各核动力系统的效益，各国提出了许多反应堆的设计和核燃料循环程序的新概念。2002年5月，巴黎GIF研讨会选定的六个重点对核电系统第四代的发展，这六种核能系统既包括热中子堆也包括快中子堆，分别为：超高温气冷堆（VHTR）、熔盐堆（MSR）、超临界水冷堆（SCWR）、带有先进燃料循环的钠冷快堆（SFR）、铅冷快堆（LFR）和气冷快堆（GFR）。
超临界水堆（SCWR）是六种第四代核反应堆中唯一以轻水做冷却剂的反应堆，它是在现有水冷反应堆技术和超临界火电技术基础上发展起来的革新设计。与目前运行的水冷堆相比，它具有系统简单、装置尺寸小、热效率高、经济性和安全性更好的特点。这让SCWR成为一种比较有前途的先进核能系统。
本文主要研究SCWR的3种不同控制棒分布SEED组件的各项参数，从而得到一种较为出色的控制棒分布形式。
1 计算程序介绍
1.1 MCNP 软件概述
MCNP 是美国Los Alamos应用理论物理实验室研制的用于计算复杂三维几何结构中的粒子输运的大型多功能蒙特卡罗程序。它可用于计算中子、光子、中子-光子耦合以及光子-电子耦合的输运问题，也可计算临界系统（包括次临界及超临界）的本征值问题。MCNP 使用精细的点截面数据。考虑了ENDF/B-V 库给出的所有中子反应类型。对于热中子，可选用自由气体及S(α,β)因两种模型处理。MCNP 的记数部分是精心设计的，除有标准类型的记数外，也为用户准备了接口，用户想要的任何物理量几乎都能够计算。MCNP 中汇集了非常丰富的降低方差技巧，对截面数据也进行了广泛的收集。
目前，MCNP以其灵活、通用的特点以及强大的功能被广泛应用于辐射防护与射线测定、辐射屏蔽设计优化、反应堆设计、（次）临界装置实验、医学以及检测器设计与分析等学科领域，并得到一致认可。
1.2 临界源
临界问题一般是指在没有外中子源的情况下，依靠裂变材料自身的裂变反应维持中子链式反应，如反应堆的稳态运行。要是系统实现自持链式反应，在任何时刻，系统内的中子数期望值为一常数，此时的系统称为临界系统，它存在着一个确定的包括空间和能量分布的中子场分布。
在临界计算中，MCNP程序提供了一种非常方便的临界源卡KCODE，并用KSRC卡为KCODE源指定初始源点的坐标。在临界源中，需指定每一次迭代的源的大小（NSRCK），初始估计的有效增值系数 =1，在计数前跳过循环数（IKZ）以及本次运行中的总循环数（KCT）等。在KSRC卡指定的初始源点中，至少要有一个点位于裂变材料内，并且不能在栅元边界上。在KSRC卡上只需要指定一部分位于裂变材料内的点，而不必输入全部NSRCK各坐标点，MCNP会在这些点上均匀生成KCODE源所需的NSRCK各源中子。通常在每个裂变材料内给出一个点就足够，MCNP会很快计算出新的裂变源分布。每处源粒子的能量从裂变谱抽样得到。
1.3 计数卡
记数卡用于指定用户从一次蒙特卡罗计算所想要得到的信息类型，如穿过一个界面的流量，点通量，或在一个栅元内的加热量等等。这些指定信息要由用户通过使用下列卡片的某种组合来得到。其中只有Fn卡是必须有的，其他的记数卡为用户提供了种种选择功能。
2．SCWR参数研究
2.1 MCNP建立SCFR seed组件模型
2.1.1模型简介及基本概念介绍
超临界水冷堆快谱中反应性的控制
1.控制棒的不同分布对反应性的影响
控制棒的排布对于超临界水冷堆快谱反应性控制是十分重要的，seed1，seed2，seed3的控制棒位置依次向内部区域移动，可以减小控制棒导向管的半径位置，提高组件的机械性能。从而研究由于此举给反应性带来的变化，得出结果后，可以得出一个最优的控制棒导向管位置排布。
2.1.2模型参数
Seed参数
燃料棒直径10.2mm，包壳厚度0.54mm，导管厚度3.0mm，Pu富集度（从上到下）为14%、13.75%、14%、14%，燃料分层（从上到下）108cm、60cm、60cm、108cm，冷却剂平均密度0.47g/cc。
以下为3种不同组件控制棒分布
分别计算在空泡份额为0，2%，4%，6%时的Keff，空泡系数及缓发中子份额
3 SCWR的参数研究
3.1Seed组件参数计算
计算内容：改变冷却剂密度，分别计算空泡份额为0%、2%、4%、6%时的有效增殖系数k，空泡系数VC和缓发中子份额。
3.2有效增值系数Keff，空泡系数VC及缓发中子份额计算
有效增殖系数及空泡系数VC和缓发中子份额计算
改变冷却剂的平均密度，分别进行临界计算，空泡系数（VC）计算公式如下
3.2.1结果分析：当出现空泡或空泡份额增大情况时，有如下3种效应：（1）冷却剂的有害中子吸收减小，这是正效应；（2）中子泄漏增加，这是负效应；（3）慢化能力变小，能谱变硬。这可以是正效应，也可以是负效应。总的净效应是上述各因素的叠加。一般来说，当出现空泡或空泡份额增大时，对轻水堆来说是负效应，而对于大型快堆来说，可能出现正效应，特别是当空泡出现在堆芯中心区域时。在整个堆芯寿期保持负反应性是对快谱超临界水冷堆设计的最重要要求之一，因此我们应对此展开研究，得出一个确保负空泡反应性的组件排布。有上面表格可以看出，3种方案的空泡系数随空泡份额的变化无明显线性关系，且空泡系数一般都是正数。但就3种方案间对比来看，方案2空泡系数整体上是最大的，方案1次之，方案3最小。
由上面结论可以看出，我们必须对堆内空泡份额加以控制，否则会因反应性不可控而导致堆芯烧毁，这是SCWR在运行稳定性和反应性控制方面目前所遇到的一个难题。
虽然缓发中子在裂变中子中所占的份额很小（小于百分之一），但它对反应堆的动力学过程和反应堆控制却有着非常重要的影响。由上面的表格可以分析，
缓发中子份额随空泡份额的变化无明显线性关系，但就方案间对比而言，方案1的缓发中子份额最小，方案3居中，方案2的缓发中子份额最大。
参考文献：
[1] 陆道纲；超临界水冷堆述评；原子能科学技术，2009
[2] 朱继洲，奚树人；核反应堆安全分析；西安交通大学出版社,2008。
作者简介：崔喆（1991-）男，汉族，本科，助理工程师，从事核电厂运行工作。
论文作者:崔喆,贾建申
论文发表刊物:《电力设备》2018年第2期
论文发表时间:2018/5/30
标签：中子论文; 控制棒论文; 系数论文; 份额论文; 空泡论文; 水冷论文; 临界论文; 《电力设备》2018年第2期论文;