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水堆MOX燃料性能分析与程序开发

何晓军  
【摘要】: “MOX”代表混合氧化铀钚燃料,是一种可以充分利用钚元素的新型核燃料,代表了轻水堆核燃料发展的趋势之一,其优点是可以节省铀资源和消耗核燃料循环中产生的钚。国际上对MOX燃料的研究工作已经开展了四十余年,在水堆中使用MOX燃料的技术已经成熟。随着我国核电快速发展、乏燃料后处理厂的建成,我国不远的将来也会在水堆中使用UO_2和PuO_2混合型燃料(MOX燃料)。 水堆MOX燃料的使用与研究要求开发相应的燃料元件性能分析程序,用以预测MOX燃料元件在辐照工况下的行为。目前,已使用MOX燃料的国家都已经开发了相应的燃料元件性能分析程序,例如法国的METEOR程序、美国的FRAPCON-3程序等,而国内处于空阶段。为了满足我国MOX燃料研究和设计工作的需要,必须开发一个可用于MOX燃料性能分析的程序,作为我国水堆MOX燃料元件的研究、设计和安全分析工作必要的工具。 METEOR1.5程序是由法国CEA引进的燃料元件性能分析程序,但是引进的版本仅能对二氧化铀燃料元件进行性能分析。本工作在二氧化铀行为分析程序METEOR1.5基础上,加入MOX燃料的相关模型,完成了水堆MOX燃料元件性能分析程序的开发。源程序加入的MOX燃料模型主要来自METEOR1.5程序说明书,并参考MATPRO数据库、FRAPCON-3程序、ORNL试验室等模型。 本文第一部分介绍了水堆MOX燃料元件的研究背景以及性能分析程序的研究现状;第二部分简单介绍了METEOR1.5程序;第三部介绍了MOX燃料的各种模型。在完成源程序的编写工作以后,利用METEOR1.5程序对秦山核电站(1期)装载MOX燃料的算例进行计算,计算结果显示: 1)改进后的METEOR1.5程序可以完成水堆MOX燃料的热工水力、力学、裂变气体,力学等计算,其程序计算结果与国际上已公开的数据符合较好。 2)相同条件下的水堆MOX燃料与二氧化铀燃料相比,芯块温度、包壳应力、棒内压力以及裂变气体释放份额都要高一些,但两者之间差值并不大。 3) MOX燃料与二氧化铀燃料性能上虽然存在一定的差异,但这种差异并不大,如果仅从单棒性能角度出发,MOX燃料可直接代替二氧化铀燃料使用。


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