装载金属燃料的快中子反应堆堆芯计算方法及安全性问题研究

The development of fast reactor, which has been decided to be as the second step of national nuclear development program, is meaningful for the nuclear fuel sustaining in China. The fast reactor using metal fuel performs better in the aspects of fuel breeding and inherent safety. It is an ideal choice for the future fast reactor development. This project focuses on the fundamental problems of reactor core analysis method and phenomenon of reactor core related to the reactor safety, including: 1) the effect of axial fuel expansion due to the swelling and expansion of metal fuel; 2) the principle of positive coolant void reactivity and corresponding methods to reduce its effect; 3) the effect of fuel's reactivity feedback on the reactor safety considering the uncertainty of reactivity coefficients. This projects studies the on-line homogenization method in the core calculation, the neutron balance method for analyzing the coolant void reactivity and the computational method of reactivity coefficients and their uncertainties. Such studies help to find the changes of reactor core parameters and their effects due to the coolant void, expansion of metal fuels and so on. All the studies will be significantly meaningful and useful for improving the reactor core calculation methods, understanding the characteristic of reactor core and optimizing the reactor core design of fast reactor using metal fuel.

快堆作为我国未来核能发展三步走战略的中间阶段，对解决我国未来核燃料的可持续供给具有重要的意义。金属燃料快堆具有更好的燃料增殖性能和固有安全性，是未来大型快堆发展的重要方向。本项目拟从金属燃料快堆的堆芯物理计算以及关系堆芯安全的物理现象和过程出发，研究金属燃料快堆面临的关键基础问题，解决：1）金属燃料由于辐照肿胀和热膨胀导致的组件轴向伸长对堆芯物理计算的影响问题；2）金属燃料快堆正冷却剂空泡反应性的形成机理和抑制方法问题；3）考虑反应性系数不确定度条件下金属燃料的负反应性反馈对堆芯安全的影响问题。重点研究堆芯计算的在线均匀化方法、冷却剂空泡的中子平衡分析方法、反应性系数及其不确定度的计算方法。研究揭示金属燃料快堆中冷却剂空泡、金属燃料膨胀等现象导致的堆芯主要参数的变化及其影响规律，研究成果对改进金属燃料快堆堆芯物理计算方法、理解金属燃料堆芯物理特性和优化反应堆设计具有重要的意义和指导价值。

金属燃料快堆具有更好的燃料增殖性能和固有安全性，是未来大型快堆发展的重要方向。本项目从金属燃料快堆的堆芯物理计算以及关系堆芯安全的物理现象和过程出发，研究了以下三个关键基础问题：1）金属燃料组件轴向伸长对堆芯物理计算的影响；2）金属燃料快堆冷却剂空泡反应性的形成机理和抑制方法问题；3）考虑反应性系数不确定度条件下金属燃料的负反应性反馈对堆芯安全的影响问题。通过四年的研究：1）建立了金属快堆堆芯计算方法，能够准确地计算包括燃料多普勒系数、冷却剂空泡反应性以及金属燃料特有的燃料膨胀系数在内的各种反应性系数；2）建立了冷却剂空泡反应性的分析方法，通过微扰理论和反应性平衡分析方法实现了对不同反应类型、核素和能量对冷却剂空泡反应性贡献的分析，并提出了对小尺寸堆芯空泡反应性降低更加有效的新方法；3）实现了对金属燃料快堆各类反应性的不确定度量化，给出了核数据对于不同反应性不确定度的贡献并开展了无保护事故下典型金属燃料快堆的安全分析，结果证明了金属燃料快堆具有更好的安全性能。该研究成果可作为未来开展装载金属燃料的快中子反应堆工程设计和安全评审的重要技术基础，为新一代核能系统研发提供技术参考。