可燃毒物中子学性能评估方法研究

《Applied Sciences》：Study on Neutronic Performance Evaluation Method of Burnable Poisons

　　

可燃毒物（BPs）在小型长寿命压水堆（PWRs）的反应性控制中起着关键作用。然而，传统的评估方法是主观且一维的，无法全面反映其多阶段中子学性能。方法：建立了一个覆盖燃耗周期初始、中期和末期的多维度评估体系。选取了六个关键评估指标，包括初始反应性抑制、循环末期燃耗降低、最大反应性峰、超临界剩余反应性积分面积、有无BP的反应性积分面积差以及BP燃耗率，并定义了它们的定量模型。采用CRITIC方法确定指标的客观权重。使用DRAGON程序对十种典型BP材料（B₄C、Gd₂O₃、Er₂O₃、Dy₂O₃、Eu₂O₃、Sm₂O₃、²³¹Pa、²³⁷Np、²⁴⁰Pu、²⁴¹Am）进行了燃耗计算以验证评估体系。结果：初始反应性抑制、最大反应性峰和BP燃耗率的权重分别为0.2332、0.2190和0.2019，这些是影响BP综合性能的关键因素。²³¹Pa表现出最佳的综合性能，无循环末期燃耗降低且增加了燃耗深度。B₄C和Gd₂O₃表现出优异的初始反应性抑制和平稳的反应性释放。Dy₂O₃和Eu₂O₃由于显著的循环末期反应性惩罚，综合性能较差。

论文解读文章

在全球能源转型与碳中和目标日益紧迫的背景下，小型长寿命压水堆（Pressurized Water Reactors, PWRs）凭借其紧凑结构、延长换料周期和提升安全性等优势，成为分布式能源供应、海洋推进及偏远地区发电的重要选择。与依赖可溶硼和调节棒进行反应性控制的大型商业PWRs不同，小型长寿命PWRs通常取消可溶硼系统以简化设计并增强运行安全性，这使得可燃毒物（Burnable Poisons, BPs）成为抑制初始过剩反应性和调控长期运行中反应性演变的核心手段。然而，传统的中子学性能评估方法主要依赖对反应性-燃耗曲线的半定量和主观对比分析，无法全面捕获BP在燃耗周期内多阶段的综合性能。已有研究虽提出某些评估指标，但多聚焦于单一阶段，缺乏覆盖全燃耗周期的系统框架，且指标权重常由主观专家经验确定，导致结果不一致且不可靠。现有客观赋权方法（如熵权法）要么忽略指标间相关性，要么造成信息损失，限制了其在BP性能评估中的应用。因此，研究人员旨在构建一套覆盖初始、中期和末期全过程、定量且客观的中子学性能综合评估体系，以标准化评估不同BP材料的优劣，指导工程选型。该研究发表于《Applied Sciences》。

为开展研究，研究人员采用了以下关键技术方法：①基于麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology, MIT）的燃料组件模型（包含13块燃料板与2块支撑板，燃料采用60%富集度的Zr-4合金基体弥散燃料，轻水作为冷却剂）；②使用加拿大蒙特利尔理工学院开发的DRAGON程序（一种基于确定论方法的组件级中子输运计算代码，可处理双重非均匀性与自屏蔽效应）进行燃耗计算，生成反应性-燃耗曲线；③采用CRITIC方法（一种综合考虑指标对比强度和冲突的客观赋权方法）确定各评估指标的权重，避免主观偏差。

研究结果如下：

**4.1 燃料组件模型与代码描述**
研究人员参考MIT组件模型，建立了包含13块燃料板和2块支撑板的板状燃料组件结构，并采用DRAGON程序进行燃耗计算。该组件基于Zr-4合金包壳与基体，铀燃料富集度为60%，轻水作为冷却剂。

**4.2 可燃毒物中子学性能评估指标权重计算**
研究人员将十种典型BP材料（B₄C、Gd₂O₃、Er₂O₃、Dy₂O₃、Eu₂O₃、Sm₂O₃、²³¹Pa、²³⁷Np、²⁴⁰Pu、²⁴¹Am）以固定1 wt%含量分散于燃料板中，通过逐步增加含毒物板数量（1至13块）进行燃耗计算，得到各材料的反应性-燃耗曲线。利用已建立的定量模型计算六个评估指标的数值，并经无量纲化处理后，采用CRITIC方法计算各指标权重。结果表明：初始反应性抑制（p₁）权重为0.2332，最大反应性峰（p₃）权重为0.2190，BP燃耗率（p₆）权重为0.2019，三者是影响BP综合性能的关键因素；循环末期燃耗降低（p₂）权重为0.1108，超临界剩余反应性积分面积（p₄）和有无BP的反应性积分面积差（p₅）权重均为0.1175，共同构成覆盖全燃耗周期的完整评估。

基于此，研究人员建立了综合性能评分公式（S = 0.2332×p₁ + 0.1108×p₂ + 0.2190×p₃ + 0.1175×p₄ + 0.1175×p₅ + 0.2019×p₆），并计算了十种BP材料在不同加载条件下的综合评分。结果显示：²³¹Pa因无循环末期燃耗降低且能增加燃耗深度（归因于其燃耗过程中持续生成高性能易裂变核素²³³U），获得最高综合评分；B₄C和Gd₂O₃表现出优异的初始反应性抑制能力和平缓的反应性释放，评分次之；Dy₂O₃和Eu₂O₃因循环末期燃耗惩罚极大，综合性能最差。其他材料（Er₂O₃、Sm₂O₃、²³⁷Np、²⁴⁰Pu、²⁴¹Am）的综合性能介于两者之间。

**讨论与结论**
该研究建立的中子学性能评估体系实现了对BP的标准化客观评估，不仅明确了单种BP的性能优劣与适用场景，还为后续多BP组合优化及堆芯BP选型提供了可靠评估方法与基础数据支持。研究结论部分翻译如下：
（1）建立了覆盖全堆芯寿期的多维度评估指标体系，从初始、中期和末期三个阶段选取六个核心评估指标并明确了定量计算模型，全面反映了BP在反应性抑制、波动控制及燃耗特性方面的核心性能，解决了传统评估方法主观性强、维度单一的问题。
（2）采用CRITIC客观赋权法确定各指标权重，其中初始反应性抑制、最大反应性峰和BP燃耗率权重占比排名前三，成为影响BP综合性能的关键因素；循环末期燃耗降低、超临界剩余反应性积分面积及有无BP的反应性积分面积差也具有稳定的权重贡献，与核心指标互补形成了覆盖全燃耗周期的完整评估。这为精确识别BP性能短板提供了定量依据。
（3）基于DRAGON程序完成了十种BP的燃耗计算与性能评估。结果表明：²³¹Pa因无循环末期燃耗降低且能增加燃耗深度，适合长寿命堆芯需求；B₄C和Gd₂O₃具备突出的初始反应性抑制能力和平缓反应性释放，适合作为堆芯主控BP；Dy₂O₃和Eu₂O₃等因循环末期燃耗降低过大而综合性能较差，不推荐在长寿命堆芯中单独使用。该评估体系对提高小型长寿命PWR的反应性控制水平具有重要工程意义。