放射性石墨粉尘-球床式高温气冷堆的固有不安全性(最新版)
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第44卷第2期(总第260期)辐射防护通讯2024年4月•研究通报•HTR-PM高温气冷堆乏燃料贮存系统检修辐射防护研究雷伟俊1,史进1,丁明2,黄淑龙3(1.华能核能技术研究院有限公司,上海200126;2.中核武汉核电运行技术股份有限公司,武汉430223;3.中国辐射防护研究院,太原030006)摘㊀要:针对HTR-PM高温气冷堆乏燃料贮存系统设备检修时的辐射防护问题,建立了乏燃料贮罐及其相关舱室的三维模型,采用蒙特卡罗方法评估计算了工作人员检修位置处的γ剂量率㊂结果表明:剂量率随评估点位与混凝土平台开口之间距离的增加而快速降低;由于屏蔽罩和混凝土楼板存在孔洞,导致乏燃料装料间混凝土平台孔洞正上方剂量率较高,考虑2倍安全系数,距离孔洞中心50cm范围内剂量率都处于红区范围,应严格限制人员进入此区域;检修设备间内距离孔洞中心30~70cm范围内点位的剂量率处于限定工作区(橙区),人员在此区域内的工作时间应尽量缩短㊂为保障安全,建议开展实体模拟培训,缩短作业时间;设置厚度不小于16cm的铅砂临时屏蔽体,穿戴防护装备;对局部热点去污以降低源项强度㊂关键词:高温气冷堆;乏燃料贮存系统;辐射防护;蒙特卡罗中图分类号:TL75文献标识码:A文章编号:1004-6356(2024)02-0008-07㊀㊀高温气冷堆采用全陶瓷包覆颗粒燃料元件,以氦气作冷却剂,石墨为慢化剂,具有固有安全性高㊁可提供高品质热源和高参数蒸汽㊁可小型模块化设计和建造㊁发电效率高㊁对环境友好等特性,是国际上公认具有第四代核电特征的先进堆型之一[1]㊂2006年2月,国务院正式发布‘国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006 2020年)“,将 大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程 列为国家重大专项,2021年9月,我国自主建设的球床模块式高温气冷堆核电站示范工程(HTR-PM)实现首次临界,进入带核运行状态; 2023年12月,HTR-PM实现商运投产㊂HTR-PM高温气冷堆核电站示范工程反应堆堆芯由流动的球形燃料元件组成,由于其有利的几何形状,可实现不停堆在线换料㊂乏燃料贮存系统是执行不停堆换料功能的重要设施,通过输球管道和专用设备接收从燃料装卸系统卸出的乏燃料球并将其贮存在乏燃料贮罐㊂乏燃料贮存系统包括乏燃料装料装置㊁地车等专用设备,这些设备在长时间使用下存在功能失效㊁无法正常操作等问题,需要进行检修作业㊂然而,燃料元件表面包覆的石墨层在不停堆换料过程中,由于球与球之间以及球与堆内结构部件㊁管道壁面之间的碰撞和摩擦,不可避免地产生一定量的碎片及石墨粉尘[2-4]㊂这些放射性石墨粉尘在提升气流的夹带下进入乏燃料贮存系统,导致乏燃料贮存系统存在较高的放射性水平;此外,进入乏燃料贮存系统的乏燃料球如果不能及时转移至竖井贮存,也会对检修人员造成极大的辐照风险㊂为保证作业人员安全,需开展极端工况下工作人员检修位置处的剂量率评估,并据此制定辐射防护措施㊂1㊀评估计算模型㊀㊀工作人员检修位置处的剂量率评估计算采用 8㊀基金项目:华能集团总部科技项目 HNKJ22-H01高温气冷堆燃料装卸系统运维技术研究 资助㊂收稿日期:2023-12-20作者简介:雷伟俊(1986 ),男,2011年毕业于西安交通大学核工程与核技术专业,高级工程师㊂E-mail:wj_lei@hntc.MCNP程序,建立了乏燃料贮罐㊁乏燃料操作间㊁乏燃料装料间㊁乏燃料检修设备间及各屏蔽层模型,如图1所示㊂具体结构包括:乏燃料贮罐㊁屏蔽罩㊁含硼聚乙烯板㊁混凝土楼板㊁墙壁等㊂图1㊀评估计算几何模型㊀㊀乏燃料装料间混凝土楼板上开有孔洞以便布置乏燃料装料装置导向管组件,在乏燃料装料装置故障状态下,人员需进入21.4m层平台或28m层平台进行检修作业,必要时还需要对局部热点进行去污操作㊂因此,需要对极端情况下(乏燃料贮罐位于21.4m层平台孔洞正下方且无法移走)人员检修作业位置处的辐射剂量率进行评估计算,计算点位主要布置于21.4m平台孔洞及28m平台检修口附近,10组共计30个计算点位㊂以21.4m混凝土平台开孔上表面中心点处为原点(0,0,0),建立坐标系,各计算点位坐标列于表1㊂2㊀源项及材料设置㊀㊀乏燃料元件从堆芯卸出后,从燃料装卸系统输送到乏燃料厂房内的乏燃料装料间,然后装入乏燃料贮罐,在贮罐装满后,由地车屏蔽罩将贮罐吊装到竖井内贮存㊂乏燃料贮罐㊁装料间及设备间三维模型如图2所示,计算过程中简化了房间内的其余非源项设备㊂乏燃料装料装置处理的是使用后的球状乏燃料,放射性核素主要是铀裂变后形成的裂变产物㊂γ射线注量率与剂量率之间的转换因子取自ANSI/ANS-6.1.1 1977(N666)[5],转换因子列于表2㊂贮罐装满状态下乏燃料球数量为40000个,刚装满的乏燃料球贮罐活度最大,剂量评估依据保守原则计算采用刚装满的乏燃料球贮罐活度,具体列于表3㊂设计中采用碳钢㊁不锈钢㊁混凝土㊁含硼聚乙烯板等作为屏蔽材料,计算中各材料密度列于表4㊂基于上述几何模型及参数设置,使用MCNP程序,计算了乏燃料贮罐满载状态下在出料管正下方时,各剂量点所受的辐照剂量率㊂3㊀结果及分析㊀㊀图3和图4给出了10组点位的γ剂量率的分布情况㊂可以看出,混凝土楼板孔洞正上方的γ剂量率水平较高,在乏燃料装料间平台正上方60cm处剂量率可达到429mSv/h㊂在水平方位上,随着与孔洞距离的增加,γ剂量率迅速降低,距离孔洞中心30cm处的γ剂量率最高(9mSv/h)㊂检修设备间内γ剂量率受高度(z轴)方向的距离影响相对较低,但因检修口正上方无屏蔽,孔洞边缘(距孔洞中心20cm)60cm高度处的剂量率仍可达到接近80mSv/h,而在水平方位上距离孔洞中心30~70cm处因28m层混凝土平台的屏蔽,最高γ剂量率降低至0.82mSv/h㊂9HTR-PM高温气冷堆乏燃料贮存系统检修辐射防护研究㊀雷伟俊表1㊀计算点位坐标装料间第一组第二组第三组第四组第五组序号123坐标(cm)(0,0,60)(0,0,90)(0,0,120)序号123坐标(cm)(-20,0,60)(-20,0,90)(-20,0,120)序号123坐标(cm)(-30,0,60)(-30,0,90)(-30,0,120)序号123坐标(cm)(-50,0,60)(-50,0,90)(-50,0,120)序号123坐标(cm)(-70,0,60)(-70,0,90)(-70,0,120)检修设备间第六组第七组第八组第九组第十组序号123坐标(cm)(0,0,720)(0,0,750)(0,0,780)序号123坐标(cm)(-25,0,720)(-25,0,750)(-25,0,780)序号123坐标(cm)(-30,0,720)(-30,0,750)(-30,0,780)序号123坐标(cm)(-50,0,720)(-50,0,750)(-50,0,780)序号123坐标(cm)(-70,0,720)(-70,0,750)(-70,0,780)图2㊀评估计算三维模型㊀㊀根据‘高温气冷堆核动力厂辐射防护设计准则“[6],HTR-PM辐射分区的剂量率限制要求列于表5㊂考虑2倍安全系数,经计算,乏燃料装料间平台混凝土楼板水平方向距孔洞50cm内,处于特许工作区(红区)范围内,剂量率水平较高,人员应尽量避免在该区域内工作㊂检修设备间平台水平方向距离检修口边缘5cm外(距离孔洞中心30cm)的剂量率在限定工作区(橙区)的范围内,人员在此区域内的工作时间应尽量缩短㊂在乏燃料装料间内设备出现故障,人员进入房间检修的情况下,为保障检修人员的安全㊁降低受照剂量,需要针对混凝土平台孔洞设置临时屏蔽体,将孔洞周围剂量由特许工作区(红区)降低至限定工作区(橙区)及以下范围㊂屏蔽材料采用袋装铅砂,直接覆盖在孔洞上方,评估计算屏蔽厚度对周围剂量率的影响情况㊂依据剂量率评估计算结果,孔洞正上方的剂量率水平较高,计算点位从屏蔽体上表面开始,向上间隔10cm,取1组共10个点位,如图5所示㊂假设铅砂颗粒等径,等径颗粒群随机填充的平均孔隙率为0.359~0.44,计算取0.4,即袋装铅沙密度为实体铅砖密度的0.6倍㊂模拟计算时将袋装铅砂简化为立方体,计算了屏蔽层厚度分别为14cm㊁16cm㊁18cm时各点位的剂量率,计算结果如图6所示㊂01辐射防护通讯㊀2024年4月第44卷第2期HTR-PM高温气冷堆乏燃料贮存系统检修辐射防护研究㊀雷伟俊表2㊀剂量率转换因子[5]表3㊀装满状态下的乏燃料贮罐活度续表3表4㊀各材料密度管道屏蔽屏蔽罐楼板㊁墙壁中子屏蔽源项空气材料Q235B 304L混凝土含硼聚乙烯板石墨空气密度(g /cm 3)7.87.922.31.021.750.001205图3㊀21.4m 平台各点位的γ剂量率的分布图4㊀28m 平台各点位的γ剂量率的分布表5㊀辐射分区的剂量限制要求序号分区场所剂量率(mSv /h)说明Ⅰ监督区(白区)D ㊃ɤ0.0025每周工作40小时Ⅱ常规工作区(绿区)0.0025<D ㊃ɤ0.0075每周工作不超过40小时Ⅲ间断工作区(黄区)0.0075<D ㊃ɤ0.03通常工作时间不超过每周10小时,并依此确定剂量率上限Ⅳ限定工作区(橙区)0.03<D ㊃ɤ3工作时间由负责辐射防护的工作人员决定Ⅴ特许工作区(红区)D ㊃>3临时特准21 辐射防护通讯㊀2024年4月第44卷第2期图5㊀临时屏蔽体评估计算点位图6㊀剂量率随屏蔽层厚度变化模拟计算结果㊀㊀可以看出,随着屏蔽厚度的增加各点位的剂量率迅速降低㊂考虑2倍安全系数,在屏蔽厚度为16cm 时,屏蔽体表面及孔洞正上方所有点位的γ剂量率都降低至3mSv /h 以下,从特许工作区(红区)转为限定工作区(橙区),人员可在充分防护的状态下进入该区域进行短时间作业㊂4㊀结论及辐射防护建议㊀㊀针对高温气冷堆乏燃料贮存系统检修过程中需要人工操作的位置,采用蒙特卡罗方法,利用MCNP 程序,评估计算了位于乏燃料装料间21.4m 层平台和检修设备间28m 层平台上的10组共30个点位的γ辐照剂量率㊂研究结论如下:(1)由于屏蔽罩和混凝土楼板存在孔洞,导致乏燃料装料间和检修设备间内混凝土平台孔洞正上方剂量率较高,应严格禁止人员进入此区域㊂各点位处,辐照剂量率随着与孔洞距离的增加而降低㊂(2)乏燃料贮罐在出料管正下方状态下,考虑2倍安全系数,乏燃料装料间内水平方位距孔洞中心50cm 内点位剂量率几乎都大于3mSv /h,处于特许工作区(红区)范围内,人员应尽量避免在该区域内工作;检修设备间平台水平方向距离检修口边缘5cm 外的剂量率在限定工作区(橙区)的范围内,人员在此区域内的工作时间应尽量缩短㊂(3)在临时屏蔽体厚度不小于16cm 时,可将孔洞周围剂量由特许工作区(红区)降低至限定工作区(橙区)及以下范围㊂针对维修过程中的辐射防护措施,建议如下:(1)开展实体模拟培训,缩短作业时间㊂通过培训,提高工作人员对于操作步骤和工器具的熟悉程度,缩短维修作业所需时间㊂(2)建议人员操作时,在剂量率较高的混凝土平台孔洞周围设置临时屏蔽体,以降低作业区域剂量㊂(3)对待检修设备进行测量,确定设备本身污染水平,对设备表面局部热点进行去污,以降低作业人员受照强度㊂(4)维修过程中,乏燃料贮罐为开口状态,混凝土平台与平台内的屏蔽体以及屏蔽体与输球管道之间存在缝隙,放射性粉尘及气溶胶存在外溢的可能性,操作人员按照控制标准穿戴相应的空气污染附加防护用品作业㊂参考文献:[1]周红波,齐炜炜,陈景.模块式高温气冷堆的特点与发展[J].中外能源,2015,20(9):35-40.[2]周湘文,卢振明,张杰,等.球床式高温气冷堆示范工程球形燃料元件的研制[J].原子能科学技术,2014,48(7):1228-1233.[3]梁宇,郭丽潇,邓少刚,等.HTR-PM 高温气冷示范堆堆芯石墨粉尘产生量估算[J].辐射防护,2018,38(5):409-414.[4]杨林,刘兵,邵友林,等.高温气冷堆包覆燃料颗粒破损机制及失效模型[J].核科学与工程,2010(3):210-215+222.31 HTR-PM 高温气冷堆乏燃料贮存系统检修辐射防护研究㊀雷伟俊[5]NS-6.1.1Working Group.American national standard neutron and gamma-ray flux-to-dose rate factors:ANSI/ ANS-6.1.1 1997(N666)[S].American Nuclear Society,LaGrange Park,IL,1977.[6]清华大学核能与新能源技术研究院.高温气冷堆核动力厂辐射防护设计准则:T/CNS22 2020[S].北京:中国核学会,2020.Study on radiation protection during the overhaul of HTR-PMspent fuel storage systemLEI Weijun1,SHI Jin1,DING Ming2,HUANG Shulong3(1.Huaneng Nuclear Energy Technology Research Institute Co.Ltd.,Shanghai200126;2.China Nuclear Power Operation Technology Co.Ltd.,Wuhan430223;3.China Institute for Radiation Protection,Taiyuan030006) Abstract:In order to address the radiation protection during equipment maintenance and overhaul of HTR-PM high-temperature gas-cooled reactor(HTGR)spent fuel storage system,a three-dimensional model of the spent fuel storage tank and its related compartments was established.The gamma dose rate at staff maintenance location was calculated using the Monte Carlo method.The results show that:the dose rate decreases rapidly with the increase of the distance between the assessed point position and the opening of the concrete platform; due to the existence of holes on the shielding cover and the concrete floor slab,a high dose rate directly above the holes on the concrete platform of the spent fuel loading room was found.Considering the2-fold safety coef-ficient,the dose rate is in the range of the red zone around50cm from the center of the holes,and the entry of personnel into the area should be strictly limited;the point of radiation protection in the service equipment room is in the range of30-70cm from the center of the holes.The dose rate within30-70cm from the center of the maintenance equipment room is in the restricted working area(orange zone),and the working time of the personnel in this area should be as short as possible.In order to ensure safety,it is recommended to carry out physical simulation training and shorten the working time,to set up a temporary shield of lead sand not less than16cm and protective equipment,and to decontaminate the local hot spots to reduce the intensity of the source term.Key words:HTGR;spent fuel storage system;radiation protection;Monte Carlo methosd(责任编辑:任颖芳)41辐射防护通讯㊀2024年4月第44卷第2期。
高温气冷堆用氦气作冷却剂,出口温度高的核反应堆。
高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料,以石墨作慢化剂。
堆芯出口温度为850~1000℃,甚至更高。
核燃料一般采用高浓二氧化铀,亦有采用低浓二氧化铀的。
根据堆芯形状,高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。
、简介【英文名】:high temperature gas cooled reactor高温气冷堆具有热效率高(40%~41%),燃耗深(最大高达20MWd/t铀),转换比高(0.7~0.8)等优点。
由于氦气化学稳定性好,传热性能好,而且诱生放射性小,停堆后能将余热安全带出,安全性能好。
实际应用10兆瓦高温气冷实验堆:在国家“863”计划的支持下,自上世纪八十年代中期,我国开展了10MW高温气冷实验堆的研究、开发,于2000年12月建成临界,2003年1月实现满功率并网发电,我国对高温气冷堆技术的研发取得了突破性成果,基本掌握了核心技术和系统设计集成技术。
这一科技成果在国内外引起广泛的影响,使我国在高温气冷堆技术上处于国际先进行列。
2006年1月,国务院正式发布的“国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006——2020年)”中,将“大型先进压水堆和高温气冷堆核电站示范工程”列为国家重大专项。
第四代先进核能系统近年来,国际上提出了“第四代先进核能系统”的概念,这种核能系统具有良好的固有安全性,在事故下不会对公众造成损害,在经济上能够和其它发电方式竞争,并具有建设期短等优点,高温气冷堆是有希望成为第四代先进核能系统的技术之一。
我国高温气冷堆的研究发展工作始于70年代中期,主要研究单位是清华大学核研院。
效果值得一提的是,建成的首座高温气冷堆的压力壳直径4.7米,高12.6米,重150吨,是我国自己设计和制造的迄今体积最大的核安全级压力容器。
蒸汽发生器直径2.9米,高11.7米,重30吨,堆内有约13000个零部件,总重量近200吨。
这些设备的制造成功,使我国成为少数几个能够加工制造高温气冷堆关键设备的国家之一,为高温气冷堆的国产化做出了重要贡献。
球床式高温气冷堆球流及球床辐射的理论与实验研究进展姜胜耀; 桂南; 杨星团; 屠基元【期刊名称】《《原子能科学技术》》【年(卷),期】2019(053)010【总页数】12页(P1918-1929)【关键词】球床堆; 高温气冷堆; 球流; 等效导热系数【作者】姜胜耀; 桂南; 杨星团; 屠基元【作者单位】清华大学核能与新能源技术研究院北京100084; 墨尔本皇家理工大学墨尔本VIC 3083 澳大利亚【正文语种】中文【中图分类】TL333高温气冷堆满足第4代先进反应堆系统的各种要求,是21世纪美国甚至全世界最有前途的堆型[1]。
我国在2006年将高温气冷堆项目列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020)》,是16个国家科技重大专项之一。
高温气冷堆的发展路线主要有球床式和柱状式,柱状式气冷堆主要包括美国与俄罗斯合作的GT-MHR(Gas Turbine-Modular Helium Reactor)[2-3]和日本HTTR(High Temperature Engineering Test Reactor)[4-5]等。
球床式高温气冷堆主要包括美国MPBR(Modular Pebble Bed Reactor)[6]、南非PBMR(Pebble Bed Modular Reactor)[7]以及中国10 MW高温气冷堆(HTR-10)[8-10]及模块化球床高温气冷堆商用核电站示范工程(HTR-PM)[8,11]。
球床式高温气冷堆最突出的优点之一就是其固有安全性。
球床式高温气冷堆的燃料元件是将全陶瓷型包覆颗粒弥散在石墨球基体中制成的,在1 600 ℃以下能保持完整性[10]。
由清华大学核能与新能源技术研究院研发的HTR-10在2000年实现临界。
目前HTR-PM[12]正在建设调试中,预计于2020年实现并网。
球床堆中随机密集堆积的燃料球在重力驱动下极缓慢地流过堆芯,形成了一种极缓慢的特殊颗粒流,称之为球流。
放射性石墨粉尘——球床高温气冷堆的固有不安全性2009年4月1日,互联网上登出了一篇题为《再探球床式反应堆(PBR)安全性》的文章。
作者摩曼(Rainer Moormann)先生长期在德国于利希研究中心工作,是一位具有丰富球床高温气冷堆研发经验的专家。
该文语出惊人,开篇第一句话就概括说:“PBR它的安全性能没有人们想象的那么好”。
于利希研究中心2008年6月发表的一项新的关于20多年前关闭的德国球床堆AVR运行经验的研究指出,未来的PBR要增加安全措施,还需要投入相当大的研发努力。
该文的观点在核电界内不胫而走,引起广泛的重视。
有消息灵通人士透露,摩曼先生是个高温气冷堆的坚决反对派。
笔者不知就里,不予置评,但坚信,赞成或反对的观点都只能建立在科学依据上。
因此,本文想就其中涉及到而又普遍关注的PBR的共性安全问题从技术上进行探讨。
1 高温气冷堆的发展从20世纪 60年代开始,英国、美国和德国开始研发高温气冷堆。
1964年,英国和欧洲共同体建造的世界上第一座高温气体冷却烟囱(Dragon,20MWth)堆建成临界。
其后,德国建成了15MWe的高温气冷试验堆 AVR和300MWe的核电原型堆 THTR-300。
美国建成了40MWe的实验高温气冷堆桃花谷(Peach-Bottom)堆和330MWe的圣符伦堡(Fort. St. Vrain)核电原型堆。
它们大多采用钍-铀燃料。
日本于1991年开始建造热功率为 30MWth高温气冷工程试验堆HTTR,1998年建成临界。
上世纪80年代后期,高温气冷堆发展进入模块式阶段。
介绍了两种具有潜在市场应用前景的模块化高温气冷堆设计:德国Siemens/Interatom公司的球床模块式高温气冷堆HTR-Module和美国GA公司的柱状燃料元件模块式高温气冷堆MHTGR。
前者单堆热功率200MWth,电功率80MWe,其示范电厂拟采用2个模块;后者热功率为350MWth,采用蒸汽循环,示范电厂拟采用4个模块。
高温气冷堆不确定性分析的新进展GUO Jiong;CUI Menglei;LI Fu;WANG Lidong;LU Jianan;GUO Jian;NIU Jinlin;WANG Yizhen;WU Yingjie;LIU Baokun【摘要】球床高温气冷堆由于采用流动球床堆芯和燃料多次通过的运行方式,不能直接套用轻水堆中一般采用的\"系统分解,逐级传递\"的分析思路,其不确定性的传播和分析具有特殊性.清华大学核能与新能源技术研究院基于高温气冷堆的设计分析经验,开展了高温堆的不确定性研究,并取得了一些进展.目前高温气冷堆已建立起完整的不确定性分析计算框架.在此框架内,基于VSOP程序,开发能反映球床高温气冷堆实际运行特点的不确定性分析程序VSOP-UAM,实现了核数据不确定性隐式效应和显式效应的完整分析.然后使用SCALE/TSUNAMI-3D和VSOP-UAM程序,建立燃料球、堆芯单元、初装堆芯和平衡堆芯的分析模型,量化了核数据的不确定性对各种模型关键参数的影响.此外,还量化了球流混流效应、燃料富集度、燃料孔隙率这些球床堆芯参数的不确定性对堆芯有效增殖因数kef和功率分布的影响.从计算结果可看出,高温气冷堆的不确定性分析显示出了有别于传统轻水堆的结果.【期刊名称】《原子能科学技术》【年(卷),期】2019(053)007【总页数】9页(P1221-1229)【关键词】高温气冷堆;不确定性分析;球床结构;核数据【作者】GUO Jiong;CUI Menglei;LI Fu;WANG Lidong;LU Jianan;GUO Jian;NIU Jinlin;WANG Yizhen;WU Yingjie;LIU Baokun【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】TL32随着核能技术的发展,对于反应堆系统的某些重要安全参数,提供“最佳估计值+不确定性范围”的需求日益增长[1]。
目前关于轻水堆(LWR)计算不确定性的国际性合作研究项目已经实施,如OECD/NEA LWR UAM项目[2-3],并取得了一定进展。
第51卷第12期2017年12月原子能科学技术Atomic Energy Science and TechnologyVol. 51,N o. 12Dec.2017高温气冷堆放射性总量计算程序研发与验证李健,佘顶%石磊(清华大学核能与新能源技术研究院,先进核能技术协同创新中心,先进反应堆工程与安全教育部重点实验室,北京100084)摘要:堆芯放射性总量计算是核电站辐射防护设计、屏蔽计算和环境影响评价的基础。
为进一步提高高 温气冷堆堆芯放射性总量计算分析能力,自主研发了高温气冷堆堆芯源项计算程序N U IT,计算了 H T R-10和H TR-PM堆芯内特定燃耗的燃料元件的放射性,并与KORIGEN程序的计算结果进行了对比。
计算结果表明,N U IT程序可用于高温气冷堆堆芯放射性总量计算,并具有较好的计算精度和效率。
关键词:高温气冷堆;堆芯放射性总量计算;程序研发中图分类号:TL329 文献标志码:A文章编号:1000-6931(2017)12-2283-05doi:10. 7538/yzk. 2017. 51. 12. 2283Development and Validationof Radioactive Nuclide Inventory Calculation Code for HTGRLI Jian,S H E Ding* ,S H I Lei{Institute o f Nuclear and N ew Energy Technology , Collaborative Innovation Centero f Advanced Nuclear Energy Technology , K ey Laboratory o f Advanced Reactor Engineering and S afety o f Ministry o f Education ?Tsinghua University ?Beijing100084 , China) Abstract:Radioactive nuclide inventory calculation i s the basis of radiation protection, shielding design and environmental impact assessment of the nuclear power plant.In order to improve the capability of H T G R radioactivity analysis,the N U I T nuclide inventory code was developed.Radioactivity calculation was conducted for fuel elements of H T R-10 and H T R-P M in specific burnup,and the results were compared with the reference results given by K O R I G E N.The result demonstrates that the N U I T code can be utilized for H T G R?s nuclide inventory calculation with good precision and efficiency. Key words:H T G R;reactor core radioactive nuclide inventory calculation;code development球床式高温气冷堆(H T G R)采用耐高温的 陶瓷型包覆燃料颗粒组成的球形燃料元件,以化学惰性和热工性能良好的氦气作为冷却剂、石墨作为慢化剂和堆芯结构材料,具有温度高、固有安全性好、系统简化等特点,在高效率发电 和工艺热应用等方面应用前景广阔,具有第四 代先进核能系统的安全特征[1]。
( 安全技术 )单位:_________________________姓名:_________________________日期:_________________________精品文档 / Word文档 / 文字可改放射性石墨粉尘-球床式高温气冷堆的固有不安全性(最新版) Technical safety means that the pursuit of technology should also include ensuring that peoplemake mistakes放射性石墨粉尘-球床式高温气冷堆的固有不安全性(最新版)2009年4月1日,互联网上登出了一篇题为《再探球床式反应堆(PBR)安全性》的文章。
作者摩曼(RainerMoormann)先生长期在德国于利希研究中心工作,是一位具有丰富球床高温气冷堆研发经验的专家。
该文语出惊人,开篇第一句话就概括说:“PBR的安全性能并不象人们较早时想象的那样美好”。
于利希研究中心2008年6月发表的一项新的关于20多年前关闭的德国球床堆AVR运行经验的研究指出,未来的PBR要增加安全措施,还需要投入相当大的研发努力。
该文的观点在核电界内不胫而走,引起广泛的重视。
有消息灵通人士透露,摩曼先生是个高温气冷堆的坚决反对派。
笔者不知就里,不予置评,但坚信,赞成或反对的观点都只能建立在科学依据上。
因此,本文想就其中涉及到而又普遍关注的PBR的共性安全问题从技术上进行探讨。
1高温气冷堆发展概况从20世纪60年代开始,英国、美国和德国开始研发高温气冷堆。
1964年,英国与欧共体合作建造的世界第一座高温气冷堆龙(Dragon,20MWth)堆建成临界。
其后,德国建成了15MWe的高温气冷试验堆AVR和300MWe的核电原型堆THTR-300。
美国建成了40MWe 的实验高温气冷堆桃花谷(Peach-Bottom)堆和330MWe的圣符伦堡(Fort.St.Vrain)核电原型堆。
它们大多采用钍-铀燃料。
日本于1991年开始建造热功率为30MWth的高温气冷工程试验堆HTTR,1998年建成临界。
上世纪80年代后期,高温气冷堆发展进入模块式阶段。
有潜在市场应用前景的两种模块式高温气冷堆设计是:德国Siemens/Interatom公司的球床模块式高温气冷堆HTR-Module和美国GA公司的柱状燃料元件模块式高温气冷堆MHTGR。
前者单堆热功率200MWth,电功率80MWe,其示范电厂拟采用2个模块;后者热功率为350MWth,采用蒸汽循环,示范电厂拟采用4个模块。
1994年GA公司又提出更先进的热功率600MWth、采用氦气直接循环发电的GT-MHR设计。
2关于球床高温气冷堆安全性的再认识2.1流行的球床高温气冷堆安全设计已经发表了大量的文章介绍球床高温气冷堆的安全特性。
在球床高温气冷堆的各个发展阶段,燃料元件均采用包覆颗粒燃料球。
典型的元件球直径为60mm。
其中直径为50mm的中心石墨基体内均匀地弥散包覆燃料颗粒,元件外区为5mm厚的不含燃料的石墨球壳。
目前最新的包覆颗粒技术是全陶瓷型三重各向同性包覆(TRISO)。
TRISO包覆颗粒的燃料芯核直径为0.5mm,其外首先包覆一层疏松的多孔低密度热解碳,用来贮存裂变气体、缓冲温度应力、吸收芯粒的辐照肿胀,及防止裂变反冲核对外层造成损伤;第2层为高密度热解碳层,用来防止金属裂变产物对SiC层的腐蚀,及承受部分内压;第3层SiC层是承受内压及阻挡裂变产物外逸的关键层;第4层高密度热解碳层,主要用来保护SiC层免受外来机械损伤。
包覆后的颗粒直径约为1.0mm。
每个球形燃料元件中包含有约12,000个包覆燃料颗粒。
包覆燃料颗粒的包覆层形成了阻止裂变产物释放的第一道屏障,其良好性能是球床式高温气冷堆设计成功的基本保障。
试验结果表明,辐照后包覆燃料颗粒在1600℃以下的温度范围内,即使经过长时间加热,裂变产物的释放率仍非常低。
在1700-2000℃时释放率才有明显增加,而碳化硅层的老化现象要到2100℃时才会发生。
因此,通常将1600℃选为燃料球最高温度限值。
设计计算得出的正常运行燃料球最高温度通常不超过1000℃,故认为有相当大的设计安全裕量。
高温气冷堆普遍采用加压氦气做冷却剂。
氦气是单相惰性气体,不存在与相变有关的传热极限。
反应堆堆芯具有很大的热惯性,预计瞬态过程中不会出现局部温度大幅上升的情况。
由于球床高温气冷堆具有低的功率密度、高的燃料和慢化剂负温度系数、大的热容量等特性,使得有可能设计出一种具有大的高径比的堆芯、功率适中、具有固有安全性的反应堆。
它在任何瞬态和事故情况下,不需借助能动安全系统,就可保证燃料最高温度不会超过1600℃的限值,不会出现堆芯熔化、放射性大量释放的严重后果。
与偌大的堆芯相比,单个燃料球的确是太小了,正常运行时堆芯要装入几十万个燃料球。
上述所有的计算结果都是宏观地针对堆芯整体而言,无法考虑燃料球本身。
前文已讲到,决定裂变产物释放与否,是单个球体的温度而不是它者。
显然,整个安全性问题的焦点就在于:在整体正常的运行工况下,单个燃料球的最高温度究竟可能会有多高?它可不可能超过设计限值?2.2德国球床高温气冷堆的安全实践如前文所述,德国在1967年建成其第一座高温气冷试验堆AVR(45MWth、15MWe)。
该堆的氦气(He)冷却剂出口温度高达990℃,原则上适用于高温裂解水的工艺热之需。
1985年,利用钍作燃料的高温气冷堆THTR300(750MWth、300MWe,出口氦气温度750℃)投入运行。
但是1988-1989年间这两座反应堆相继被关闭至今。
特别是THTR300机组1989年关闭时,仅折合运行了1.2个满功率年。
后来听说,正是安全方面的考虑促使永久关闭了AVR。
该堆缺乏足够的保护措施来对付那些伴有空气进入从而引发堆芯起火的外部影响;此外当有水进入堆芯后,可能产生正的空泡反应性系数。
因此两者均作为设计基准事故在现在的球床高温气冷堆设计中予以考虑。
THTR300永久关闭也已成定局,现在一直在就经济补偿问题扯皮。
德国人停建PBR的决心很大,连制造燃料球的家什都送人了。
笔者是这次从摩曼先生的文章中才第一次听说,AVR的一回路被与石墨粉尘混在一起的金属裂变产物(主要是锶-90和铯-137)严重污染,成为反应堆拆除的主要难题。
虽然AVR只在大于或等于900℃的工况下运行了4年左右,最终的沾污量达到单个堆芯裂变产物总量的百分之几。
功率运行时的污染要比现在德国压水堆核电厂高5个量级。
尽管AVR的尺寸小,但其主要由锶-90引起的β沾污却可列为世界之最(两起严重事故除外)。
而β石墨粉尘的这种可移动特性成了反应堆拆除时最头痛的事。
考虑到AVR的压力容器包含了整个一回路,最后只得用轻混凝土灌满整个压力容器,以固定住粉尘。
这样就成了200吨重的压力容器将于2012年运至中间储存地址,在那儿搁置30-60年,以等待政府的最后决定。
在THTR300上也观察到了类似现象,只是由于其出口温度比AVR的要低200K,运行时间不太长,问题没有AVR 那么严重罢了。
在THTR300上仍然测出了放射性释放。
铯137仍会沾污一回路,其程度要比同功率水平的压水堆高3个量级。
人们还发现THTR300内燃料球的流动仅限于堆芯中轴附近,堆芯外围区完全难以流动起来,导致过高的燃耗。
堆芯出口附近的热气导管出口温度大大高于预期值,这可能就是该堆运行1个满功率年后发生热气导管的金属部件受损的原因。
此外,在该堆上还发现了未预料到的燃料球密实化问题。
关于THTR300运行经验的评价至今尚未结束,还在加紧进行之中。
人们很自然地要问:难道反应堆被与石墨粉尘混在一起的金属裂变产物严重污染是与球床堆相伴而生的运行现象吗?这些现象是否暗示球床高温气冷堆存在固有的安全问题呢?2.3球床堆发生放射性严重沾污的原因分析AVR一回路出现放射性沾污,只可能有两种原因:一是堆芯燃料球温度过高,放射性裂变产物扩散出来了;二是燃料球制造质量问题,燃料球破损使得放射性裂变产物逸出。
于利希研究中心的研究报告给出了明确的结论:金属裂变产物严重污染一回路主要是由堆芯温度高到了不可接受的程度所致,并不是象过去推测的那样只是由于燃料球制造质量不佳造成的。
其依据是:(1)完全相同结构的燃料球在美国桃花谷柱状高温气冷堆2#堆芯上使用,但没有发现任何明显的锶-90逸出;(2)在金属裂变产物释放与显示燃料球破损的裂变惰性气体逸出之间几乎没有什么联系;(3)当AVR出口温度提高到950℃后不久,即可观测到其污染显著提高几个量级。
实验显示,如果对于某种核素的温度限制被超过,则该种核素就会穿过芯核、包覆层和石墨球壳扩散出来。
这个弱点至今尚未解决。
研究指出,从完整无缺的THTR300燃料球中扩散出来的裂变产物远比从破损球中释放出来的多。
现在让我们来分析一下决定燃料球温度的因素。
首先,燃料球的发热取决于燃料球所在位置处的热中子注量率以及燃料球的燃耗。
燃耗愈浅,中子注量率愈高,燃料球发热愈多。
再来看氦气导热,氦气流量愈大,带走的热量愈多,燃料球温度愈低。
而氦气的流量取决于流道的阻力,相邻球体的空隙率愈小,氦气流动愈不通畅,带走的热量愈少,燃料球温度就会升高。
球床堆要求整个寿期内高、低燃耗的燃料球足够均匀地混合。
在球床堆中,未达到最终燃耗值的燃料球要重新放入堆内使用,所以堆内燃料球的燃耗是不一样的。
如果燃耗浅的燃料球局部累积,就可能使局部功率、温度显著高于其它区域。
燃料球一旦投入堆芯,其在堆内的逗留时间和移动路线完全不在人们的掌控之中,相邻球间的空隙率也完全是随机不可控的。
因此,球床堆堆芯的黑匣子特性使得对于堆芯内某点附近区域而言,其燃料球发热量与氦气导出热量两者不但是不可预计的,而且是随时间改变的。
研究指出,球床的随机空隙率为0.4,而最低的空隙率则可达0.26。
球床的流动会导致球床的密实化。
这样不仅使得局部功率密度增加,而且使得局部的冷却剂流阻增加,这两者均会使该局部的温度显著高于其它区域。
这就不难想象,在球床堆内可能出现一些球温非常高的局部区域,即所谓热点。
球床高温气冷堆苦于难以在堆芯内设置堆内测量装置,无法精确测量出堆内的温度和中子注量率。
AVR直到被完全关闭前1年的1987年都还没有解决这个测量难题。
1986年,于利希研究中心向AVR 投放了190粒内装一组熔丝的温度监测球,当然这些监测球只能记录下它们所经历过的最高温度,并不能给出堆芯内燃料球温度的空间与时间分布。
监测球投放后15个月才得到第一批报警结果。
直到AVR关闭时,尚有25%的监测球留在堆芯没有出来。
对流出堆芯的监测球的检查发现有相当大部分的球内熔丝已经完全熔断。