الملخص

تم في هذه الدراسة التحقق وإثبات بارامترات التصميم لأعمدة الوقود المجوفة بواسطة طريقة مونتي كارلو. أثبتت الدراسة أن الأداء النيتروني لهذا النوع من الوقود قريب جدا من أداء أعمدة الوقود الصلب التقليدي حيث إن الفرق بين عامل التضاعف اللانهائي لكل منهما أقل بكثير من 1% والفرق مع الدراسة المنشورة في حدود 1% [1]. تم اقتراح فكرة التصميم الجديدة للأعمدة المجوفة المصففة في تجميعات (assemblies) في معهد ماستشوستس التقني (MIT) لغرض رفع قدرة المفاعل إلى 150 % من القدرة الأصلية (3411 ألى 5111 ميجاوات حراري) بدون تجاوز لهوامش الحرارة والأمان. بعد التأكد من بارامترات التصميم لخلية الوقود المجوفة تم إجراء نمذجة مفصلة للتجميعات والقلب. المهمة الصعبة تتلخص في إدارة السم القابل للاحتراق (burnable poison) من الجادولينيوم حيث أنه ليس كل الأعمدة مسممة وليست بنفس النسبة الوزنية كما أن التجميعات مخصبة بنسب متفاوتة عالية ومنخفضة وعليه فقد اعتمدت عملية التكرار للتقليل من عدم الانتظام في توزيع القدرة والحصول على كمية كافية من المفاعلية (reactivity) السالبة لإلغاء المفاعلية الزائدة الضرورية لاستنفاد الوقود (Fuel depletion). البقية الباقية من المفاعلية الزائدة وهي 9% تم إلغاؤها بكمية من البورون السائل في حدود 370 جزء لكل مليون جزء(ppm). وعليه فقد تم الحصول على توزيع الفيض الحراري والسريع والقدرة في القلب وفي كل تجميعه أفقيا بالإضافة إلى توزيع القدرة رأسيا في كل من القلب وأسخن تجميعة وخلية وقود وكذلك في متوسطي التسخين. هذه البيانات أساسية للقيام بالدراسات الهيدرو-حرارية وبالتالي إثبات إمكانية زيادة القدرة المزعومة.

ABSTRACT

In this study the design parameters of the annular fuel cell are investigated and verified using the Monte Carlo method. The annular design shows a comparable neutronic performance to the solid fuel design as the difference in the infinite multiplication factor () is far less than 1% and the difference from published work is within 1% [1]. This new design concept of annular fuel pins arranged in a 13 by 13 fuel assemblies has been suggested first at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) where they have claimed a 150% power increase (3411 to 5111 MWt) without affecting the thermal and safety margins. Having established the confidence in the fuel cell design parameters, a detailed assembly and core model is described. The difficult part of the procedure is the Gadolinium burnable poison management where not all rods are poisoned and not all have the same mass fraction besides that some assemblies have highly enriched fuel rods and others have low enrichment ones. This lengthy iterative process is conditioned by less power fluctuations and by having enough amount of negative reactivity to cancel out the excess reactivity required for the fuel to deplete. The remaining 9% of excess reactivity is matched by 370 ppm of soluble boron to make the core critical. Therefore, the X-Y fast and thermal flux and power map of the core and assembly in addition to axial power profiles in the core and hottest and average assembly and the hottest and average fuel cell are obtained. Such data are essential for thermal hydraulic analysis and hence provide a proof for the power output increase.