金山核一廠鈽鈾混合燃料設計與應用

林靖昇(Ching-Sheng Lin)

指導教授 ： 薛燕婉 ； 陳健湘

國立清華大學/原子科學院/核子工程與科學研究所/碩士(2010年)

摘要

本研究的目的為設計鈽鈾混合燃料（MOX），並探討此鈽鈾混合燃料在爐心中的表現。設計的基準為對照於傳統鈾燃料有相同的能量輸出，及在運轉過程中符合熱限值的要求。
本研究燃料組件設計採用現行國際通用的BWR 10x10燃料，探討在金山核一廠二號機中使用相當比例的鈽鈾混合(MOX)燃料束時，爐心中各項性質與裝填傳統鈾燃料束有何差異性。首先為設計與傳統鈾燃料等效濃度的鈽鈾混合燃料，從燃料棒、燃料晶格、燃料組件的設計都符合運轉熱限值，且與傳統鈾燃料有相同的能量輸出。接著將此燃料組件以24（24/96=1/4爐心）束及32（32/96＝1/3爐心）束MOX新燃料束裝填於爐心，適當的燃料佈局後，使得爐心能全週期安全運轉。最後比較裝填MOX燃料的爐心表現與僅裝填傳統鈾燃料的爐心之差異性，以提供往後對於鈽鈾混合燃料進行更深入的研究。
本研究發現，由於MOX燃料有較硬的中子能譜，所以在設計MOX燃料晶格時可以使用比傳統UO2燃料較低濃縮度的Gd可燃性毒物，而仍能符合安全限值及達到相同的能量輸出。在MOX燃料束設計中，需使用多種濃縮度的燃料棒以降低功率尖峰因數；為了減少鈽鈾燃料束交界處熱中子通率的變化，位於燃料晶格邊界及角落處使用較低濃縮度的燃料棒。而基於考量燃料製造的方便性，在MOX燃料設計中使用與鈾燃料相同之含可燃性毒物燃料棒，其組成為1～2 wt% Gd與4.6 wt%濃縮鈾混合。而含可燃性毒物的燃料棒則擺放於靠近水棒的位置，因為水棒可以提供額外的緩速效果，使得Gd-155、Gd-157藉由更多的中子捕獲而更快速的耗盡。計算結果顯示，在符合熱限值規範與相同能量輸出的條件下，4.6 wt％的可分裂鈽加上0.5 wt%的U-235之鈽鈾混合燃料晶格大約等於傳統濃縮度為4.47 wt%的鈾燃料晶格。
金山核一廠二號機爐心裝填MOX燃料，對等於第24週期更換96束UO2燃料束，主要發生兩個問題：停機餘裕的不足及週期末反應度不足。為了克服週期初停機餘裕的不足，本研究在燃料束上半部晶格增加可燃性毒物Gd使用根數，使得週期初反應度降低。在燃料佈局方面，為了調整停機餘裕，需要將高燃耗燃料調換到停機餘裕不足的控制單元內，為了增加安全餘裕的燃料調換，將造成爐心能量的減少。本研究結果顯示金山核一廠二號機爐心裝填MOX燃料，可以使爐心各項安全限值（SDM、MFLCPR、MFLPD、MAPRAT）皆符合運轉規範，但發生週期末反應度不足現象，可以增加4束新燃料束後，滿足週期能量需求以及各項熱限值的規範。

關鍵字

鈽鈾混合燃料 ； 核燃料設計與應用

參考文獻

1.European utility requirements documents, available from: http://www.europeanutilityrequirements.org/.

8.J. Ramon Ramirez, et al., “Assessment of a MOX Fuel Assembly Design for a BWR Mixed Reload,” Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares Carretera Mexico-Toluca, 2006.

10.曾勝偉，核能電廠金山一號機功率提昇10%之多週期爐心佈局設計，清華大學碩士論文，2009。

12.J. Rhodes, K. Smith, “CASMO-4 User Manual,” SSP-01/400 Rev 5, 2007.

14.K. Smith, “Spatial homogenization methods for light water reactor analysis,” MIT, Ph.D Dissertation, 1980.