穿衣机的MCNP计算及其分析

穿衣机的MCNP计算及其分析

陈浩

中国核电工程有限公司郑州分公司河南郑州450000

摘要：本文对清华大学高温气冷堆球型燃料元件生产试验线上二氧化铀包覆颗粒穿衣设备进行了MCNP临界安全计算及其分析。通过穿衣机临界计算模型的MCNP计算与分析结论，以证实该装置在实际运行过程中的安全可靠性。

关键词：穿衣机、临界安全

1前言

本文主要是针对清华大学高温气冷堆球型燃料元件生产试验线上二氧化铀穿衣机的核临界安全性进行计算与分析。其计算过程采用的计算程序为MCNP-4C。本文重点介绍了穿衣机的计算模型的建立及其临界安全分析过程。并通过计算结果与分析结论以证实穿衣机在实际运行过程中的临界安全性。

计算采用的次临界限值为0.93。

2工艺概述

先将穿衣粉加入螺旋给料器，将乙醇注入乙醇储存器，将包覆颗粒称重后加入穿衣鼓，启动穿衣鼓。此时穿衣鼓按操作规程打开乙醇喷洒开关，向包覆颗粒表面喷洒乙醇，启动穿衣粉加料电机，向穿衣鼓内加入穿衣粉，开始穿衣。

3穿衣机的临界安全分析

3.1基本假设

（1）穿衣鼓及其计算模型

本穿衣机的穿衣鼓呈鼓状（见图-1）。5kg穿衣鼓的容积为55L。根据“体积相同时，球的中子泄漏为最小，因而也最容易达到临界”[1]，因此在将穿衣鼓内物料建立几何模型时，偏安全的将穿衣鼓内物料简化为球体。球体的体积最大时能容纳含2.3批料的（11.5kg）UO2核心小球的包覆颗粒、10L酒精和18kg石墨粉。

图-1

（2）包覆颗粒尺寸

包覆颗粒核芯为UO2小球，直径0.5mm±0.05mm，密度接近10.74g/cm3；在核临界安全计算模型中，UO2小球直径取最大值0.55mm，密度取UO2理论密度10.96g/cm3的98%，即10.7408g/cm3。核芯外第一层为疏松热解碳层，厚度0.08mm，密度1.1g/cm3；核芯外第二层为内致密热解碳层，厚度0.04mm，密度1.9g/cm3；核芯外第三层为热解碳化硅层，厚度0.035mm，密度3.18g/cm3；核芯外第五层为外致密热解碳层，厚度0.03mm，密度1.9g/cm3。见图-2。

（3）慢化剂

慢化剂共两种，石墨和酒精。

穿衣机石墨粉料贮存罐容积为0.03m3，石墨松散状态的密度一般为0.2g/cm3～0.6g/cm3之间，计算中取其最大值0.6g/cm3，因此，穿衣鼓中石墨粉料的累计投料量最多为18kg。考虑到投料后石墨粉末在穿衣鼓中受到挤压和酒精浸润后密度会增加，且石墨的堆积密度一般为1.08g/cm3，因此，将穿衣鼓中石墨密度定为松散状态石墨粉料密度的两倍，即1.2g/cm3是合理的。

穿衣机乙醇罐的容积为10L，因此，穿衣鼓中酒精的累计投料量最多为10L，密度为0.79g/cm3。

根据穿衣工艺描述，计算中考虑了穿衣鼓中两种慢化状态，即纯酒精状态和先加酒精再加石墨的状态。此外，两种状态中假定慢化剂刚好塞满包覆颗粒小球与小球之间的间隙。

图-2

（4）反射层

图-3UO2包覆颗粒计算模型

在临界安全分析中，在计算模型周围考虑大于30cm厚的水反射层。综上，本穿衣鼓的计算模型由外向内分别为水反射层、穿衣鼓边界、鼓内填充的UO2包覆颗粒与慢化剂。

（5）包覆颗粒排列模型

UO2包覆颗粒球体在穿衣鼓中以自然方式排列，即每4个小球（假定颗粒为球体）组成一个正三棱锥，见下图-3。

（6）各物料的计算参数如下：

1）235U富集度为10%的铀平均原子量为237.7731，铀同位素的各核素质量丰度分为0.11%（234U）、10.11%（235U）、89.78%（238U）。

UO2小球中各核素的原子密度见下表-1。

2）水（20℃时，密度为0.9982g/cm3）的原子密度为0.100140741×1024个原子/cm3、其中氢的原子密度0.066760494×1024个原子/cm3、氧的原子密度0.033380247×1024个原子/cm3。

3）石墨（理论密度为2.26g/cm3）的原子密度为0.11331037×1024个原子/cm3。

4）酒精（理论密度为0.79g/cm3）的原子密度为0.092939854×1024个原子/cm3，其中C原子密度为0.020653301×1024个原子/cm3，H原子密度为0.061959902×1024个原子/cm3，O原子密度为0.01032665×1024个原子/cm3。

4结论

由表-2可以看出，采取质量控制措施后穿衣鼓是次临界安全的，且有较大的安全欲度。

因此在实际操作中，应对这两种物料进行严格的质量控制。即对UO2小球采取双批料控制措施，酒精投料量≤10升，石墨投料量≤18kg。

参考文献

[1]阮可强等著《核临界安全》原子能出版社1995年