先進聚合物可燃毒物燃耗特性分析

謝明亮，陳玉清，于 雷

(海軍工程大學，核能科學與工程系，湖北武漢430033)

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先進聚合物可燃毒物燃耗特性分析

謝明亮，陳玉清，于 雷

(海軍工程大學，核能科學與工程系，湖北武漢430033)

針對當前新提出的先進聚合物材料(PACS),分析聚合物可燃毒物的材料特性與慢化特性，基于秦山核電廠與Crystal River Three兩類堆型燃料組件，對比分析采用不同類型可燃毒物材料時組件的燃耗特性。結果表明：聚合物材料的慢化特性隨含氫量呈線性變化關系，調節聚合物分子組成可以改變毒物的燃耗特性。相對傳統的可燃毒物材料，先進聚合物可燃毒物體現了良好的毒物特性，全壽期具有更低的局部功率峰，在燃耗初期PACS聚合物可燃毒物有較低的初始kinf值，而在燃耗后期釋放高于1%的kinf值，可燃吸收體核素B-10消耗更加充分，且具有較大的熱通量，可提高熱中子利用率，并促進裂變核素Pu的消耗。

可燃毒物;碳硼烷;PACS;燃耗特性

固體可燃毒物的合理應用可平衡循環壽期初(BOC)各種反應性控制矛盾，有效地增加燃料的循環燃耗，縮短停堆換料頻率，降低燃料循環成本，并有效地控制堆芯的功率分布，提高堆芯控制的安全裕量。同時，堆芯核設計的高性能追求也對可燃毒物提出了更高的要求，在核燃料循環初期(BOC)希望毒物具有較大的熱中子吸收截面，然后不斷將束縛的反應性逐步、徹底地釋放出來，在循環末期(EOC)還能使燃料組件具有設定的反應值，同時還希望毒物具有一定的慢化特性，軟化堆芯能譜，提高易裂變核Pu的消耗率，減少熱中子從堆芯的泄漏率，增加可燃核素的利用率，降低毒物及產物對慢化劑及燃料的影響，同時還要有良好的腐蝕性、穩定性等，在這些方面，先進的聚合物可燃毒物(PACS)展現了良好的優勢。

1 PACS概述

先進聚合物可燃毒物是一種含氫量較高，具有高富集度硼的聚合材料，新型材料PACS[1](Poly-acetylenic-Carborane-Siloxane)作為其中的典型代表，其分子式為(B10H10C2)a((CH3)2SiO)b(C2)c[2]，最初由Dr. Keller等提出，其分子結構如圖1所示。

圖1 PACS化學結構式Fig.1 The PACS chemical structure

碳硼烷[3](C2B10H12)是一個具有二十面體的籠狀結構。由于C2B10H12特殊的分子結構使得其具有較強的耐溫與抗氧化能力，在碳硼烷主鏈上嵌入硅氧聚合物得到聚碳硼烷-硅氧烷顯著提高熱穩定性和耐高溫性[4]，該聚合物現由Olin公司生產，并命名為商品Dexil，聚碳硼烷-硅氧烷中的碳硼烷相對數量影響聚合物的熱穩定性，隨碳硼烷含量的增加，聚合物的分解溫度與分解后質量殘留也隨之增加[5]，在聚碳硼烷-硅氧烷的主鏈上嵌入乙炔基團模壓成型,加熱固化成為熱固性材料[6]，得到聚碳硼烷-硅氧烷-乙炔基，該聚合物具有優異的耐熱、耐高溫抗熱氧化及高殘炭率，同時有很好的黏結性能不易發生裂縫[7]，可承受溫度高達1000℃的熱穩定性。圖2給出了聚碳硼烷-硅氧烷-乙炔基[8]的合成路線。

圖2 聚合物PACS合成簡圖Fig.2 Synthesis of PACS (carborane-siloxane-acetylene)

PACS聚合物組合成分可以進行調整，通過改變化學式中系數a、b和c的數值從而調整毒物中的硼和氫的含量，這種調整性質可以使得PACS毒物具有較高的含氫量與高的含硼量，這樣在壽期末PACS毒物可以充當慢化劑效應同時消除擠水效應帶來的反應性懲罰，能譜變軟提高了含聚合可燃毒物棒組件(BPRAs)在燃耗初期硼的價值，增強了壽期末易裂變核Pu的消耗率。

2 PACS慢化特性

由于PACS聚合物可以通過改變下標a、b和c的值來改變具體的組合成分，通過調整可以使得PACS毒物具有較高的含氫量和硼含量，由于PACS毒物的特殊組成結構，改變組成材料可能引起的物理效應比較微小，比如聚合物的熱穩定性。高的含氫量可以使毒物具有優良的慢化性質，堆芯能譜軟化可提高了聚合毒物BPRAs在燃耗初期硼的價值，在壽期末PACS毒物可以充當慢化劑消除擠水效應帶來的反應性懲罰，增強了壽期末易裂變核Pu的消耗率。表1給出PACS聚合物常見的幾種組合[9]下的核素組成及慢化特征參數，由于隨著燃耗的不斷加深，硼含量具有較大的變化，所以在壽期初(BOC)ξ∑s/∑a基準沒有多大意義，∑a的基準值不包含硼，并假設所有的硼在壽期末已經耗盡，所以關心的是壽期末(EOC)的慢化效應。

表1 不同聚合物分子結構的慢化性質

圖3給出PACS聚合物的宏觀截面、慢化能力與慢化比隨聚合物氫元素含量的變化情況，可以看出調整氫在聚合物中的含量明顯影響壽期末聚合物的慢化效應，且呈線性關系，擬合的經驗公式可為聚合物組成設計氫含量提供參考，以聚合物I為例，慢化能力、慢化比隨聚合物含氫量的擬合關系分別為式(1)和式(2)。

∑sξ(H)=10.63*H%+0.0616，R2=1

(1)

∑sξ/∑a(H) =-120.95*H%+68.58，

R2=0.9932

(2)

其中：H%為聚合物氫的百分含量，可見聚合物的慢化能力隨含氫量呈線性遞增關系，而慢化比呈線性遞減趨勢，氫含量在2%附近慢化特性逐漸消失，這種線性擬合關系同時也適用其他氫化物等。

圖3 不同含氫量下聚合物的慢化性質Fig.3 Moderator effectiveness of PACS vs. hydrogen content in carborane

結果表明不同結構組合方案下，聚合物慢化比都比輕水堆運行基準值要高，在熱態溫度 (583K) 運行壓力13.79MPa下輕水堆的慢化比基準值在45附近[9]，而可以通過調節先進聚合物的化學組成以獲得設定數目的硼含量與含氫量，在壽期末先進聚合物充當慢化劑，軟化反應堆能譜，消除固體可燃毒物占位而引起的擠水效用。因此，利用這些聚合物來改進可燃毒物組件將非?？扇?。

3 PACS燃耗特性分析

為進一步評估分析PACS的燃耗特性，本文基于秦山核電廠與CrystalRiverThree[10]的燃料組件，假設同樣的固體可燃毒物布置下，對比分析當前常用的幾種可燃毒物材料，表2給出各可燃毒物材料的成分[11]。

表2 可燃毒物材料組成

采用CASMO[12]建立Crystal River Three堆芯組件模型(組件I)，圖4給出了15×15組件含BPRAs毒物的組件布置圖，該組件可以布置16根可燃毒物棒(BPRAs)，核燃料富集度為4.66%濃縮鈾。建立秦山首次裝料的堆芯組件分析模型(組件II)，每個燃料組件按15×15的形式布置，內有204根燃料棒，20根控制棒導向管和1根堆內測量管，毒物類型為硼硅玻璃，密度為2.23g/cm3，如圖5所示，給出15×15燃料組件截面圖和相關的毒物棒的位置，選取組件平均富集度為2.672%為分析對象，運行壓力15.3MPa。

圖4 15×15組件I含BPRAs毒物示意圖Fig.4 15×15 assembly I with BPRAs

圖5 15×15組件II含BPRAs毒物示意圖Fig.5 15×15 assembly II with BPRAs

圖6給出了熱態(Tfu=900K，Tmo=576.5K)滿功率(HFP)無可溶硼下，組件I在三種常用可燃毒物類型下kinf隨燃耗的變化情況，相比B4C-Al2O3BPRAs和WABA 毒物，PACS-L聚合物在燃耗初期具有較小而又平滑的初始kinf值，并在15MWD/kg燃耗點后逐漸釋放更高的kinf值，較B4C-Al2O3BPRAs和WABA毒物組件釋放高出約1%的kinf值，在燃耗末期，PACS-L聚合物的反應性仍高于其他可燃毒物與無毒物組件，說明聚合物材料的慢化效應彌補了可燃毒物棒在組件擠水效應，延長了燃料的循環燃耗，提高燃料的利用率。圖7給出了熱態(Tfu=862K，Tmo=568.16K)無可溶硼下，燃料組件II含不同可燃毒物組件kinf值隨燃耗的變化情況，可以看出PACS-L聚合物同樣具有上述優勢，可燃毒物的消耗與剩余反應性的減少量相匹配，且kinf值偏離初始值得程度較小，在組件反應性的控制上優于硼硅玻璃等毒物。

圖6 不同含可燃毒物組件(I)下的kinf變化Fig. 6 kinf vs. time for various BPRAs in assembly I

圖7 不同含可燃毒物組件(II)下的kinf變化Fig. 7 kinf vs. time for various BPRAs in assembly II

可燃毒物合理布置于組件內以展平局部功率峰，圖8給出兩類組件柵元功率峰隨燃耗的變化情況，從結果可以看出在燃耗初期PACS-L比B4C-Al2O3BPRAs有較低的相對功率峰值，并在燃耗末期呈現最大的功率峰，這是由于在壽期末反應性的釋放增加導致功率峰的增加，但在整個過程中PACS-L平均功率峰均低于其它BPRAs，而在實際的安全分析主要關注的是循環初期，然而燃耗末期相對有更高的安全裕量。

圖8 組件I、II功率峰隨燃耗的變化Fig.8 Pin power peaking for various burnable absorbers in assembly (I, II)

可燃核素B-10在可燃毒物中作為吸收材料，影響毒物的燃耗特性，圖9給出組件I三種可燃毒物下核素B-10隨燃耗的變化規律，可以看出PACS-L聚合物的B-10含量低于B4C-Al2O3BPRA與WABA毒物，并隨著燃耗的加深偏差逐漸增大，聚合物可燃毒物在燃耗后期具有非常小的毒物殘留，提高核素B-10的利用率。

圖9 不同毒物下核素B-10隨燃耗的變化Fig.9 B-10 atoms present vs. burnup for various burnable absorbers

由于PACS聚合物宏觀截面、慢化能力及慢化比受聚合物氫元素含量的影響，在燃耗后期將影響聚合物毒物占據慢化劑引起的擠水效應，圖10給出在熱態滿功率(HFP)下(P=33W/gU)，組件I中幾種不同含氫量的PACS毒物隨燃耗的變化情況，可以看出隨著氫含量的減少，PACS可燃毒物較B4C-Al2O3BPRA與WABA毒物的燃耗優勢逐漸降低，在PACS毒物氫含量在3.5%附近與其他毒物燃耗特性相當，為聚合物毒物中氫含量的選取提供參考。

圖10 PACS不同含氫量下的kinf隨燃耗Fig.10 kinf of PACS with different hydrogen content vs. burnup

PACS聚合物有較高的含氫量與很好的慢化性能，能減少占用慢化劑帶來的懲罰，在燃耗末期更好地慢化中子提高熱中子利用率，圖11給出了同一工況下，組件I平均熱中子通量在不同可燃毒物布置下隨燃耗的變化情況，在燃耗后期PACS聚合物組件的平均熱中子通量均大于B4C-Al2O3BPRA與WABA毒物熱中子通量，增加熱中子產生和利用，提高熱中子利用價值，并促進裂變核素Pu的消耗，圖12給出含可燃毒物組件I中裂變核素Pu相對U含量隨燃耗的變化情況，可以看出相比B4C-Al2O3BPRA與WABA毒物，PACS可燃毒物在燃耗前期產生的裂變核素Pu逐步地積累，并在燃耗后期逐漸地被消耗且消耗量高于前期的積累量，促進裂變核素Pu消耗，提高裂變核Pu的利用率。

圖11 PACS熱中子通量ΔφT1ΔφT2隨燃耗變化Fig.11 PACS thermal flux vs. burnup

圖12 PACS裂變核素Pu/U相對含量隨燃耗變化Fig.12 PACS fission nuclides Pu/U vs. burnup

4 結論

針對含氫量較高，具有高富集度硼的聚合材料PACS，分析聚合物的材料特性與慢化特性，聚合物的慢化比隨含氫量呈線性遞減關系，并得到慢化性能的擬合關系式，選擇合理的含氫聚合物可以有效地消除燃耗末期可燃毒物占據慢化劑而帶來的懲罰，氫含量在2%附近達到臨界值，相比傳統的可燃毒物材料，先進聚合物可燃毒物展現了良好的毒物特性，全壽期具有更低的局部功率峰，PACS聚合物中可燃吸收體核素B-10消耗更加充分，在燃耗初期PACS聚合物毒物有較低的初始kinf值，而在燃耗后期釋放高出1%的kinf值，具有較大的熱中子通量，提高堆芯熱中子利用率，并促進裂變核素Pu的消耗。高分子聚合物特殊結構決定這類材料的多樣性，同時可燃毒物材料還具有優異的熱穩定性與抗氧化性，該材料的合理選擇與應用將可進一步優化堆芯的核設計特征，為新型可燃毒物設計及燃料管理提供參考，值得國內同行關注。

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Analysis for Burnup Characteristics of Advanced Polymeric Burnable Poison

XIE Ming-liang, CHEN Yu-qing, YU Lei

(Department of Nuclear Energy Science and Engineering, Naval University of Engineering,Wuhan, Hubei Prov. 430033, China)

In allusion to the current of new advanced polymer materials (PACS), material properties and moderator characteristics of the polymeric burnable poison were analyzed. Burnup characteristics of different types of burnable poison materials were analyzed based on two types of fuel assemblies of Qinshan NPP and the Crystal River Three NPP. The results show that moderator properties of the polymer material has linear relationship with the hydrogen content, and the polymer molecules can be adjusted to change the characteristics of poisons. Relative to traditional burnable poison materials, advanced polymeric burnable poison shows good burnup characteristics, which has a lower local power peak in the whole life cycle. Polymers PACS has lower initial kinfvalue in BOC, which release higher kinfvalue than 1% in EOC, and burnable absorber nuclide B-10 consumes more sufficiently. Polymers PACS has a large heat flux, it also can improve the utilization of thermal neutron and promote the consumption of fission nuclide Pu.

Burnable poison; Carborane; PACS; Burnup characteristics

謝明亮(1990—)，男，湖南衡陽人，碩士研究生，現從事核反應堆安全分析方面研究

TL341

A

0258-0918(2017)02-0320-07

修改日期：2016-09-11