Effect of packing fraction variations on the multiplication factor in pebble-bed nuclear reactors

摘要

The effect of fuel element packing density on the effective multiplication factor, k_(eff), in a typical pebble-bed reactor (PBR) is studied using MCNP and WIMS computer codes. It is observed that at normal operating conditions k_(eff) increases with packing density. Increase in packing density of 1 % results in approximately 0.0015 increase in k_(eff). A negative temperature effect is observed at all feasible packing densities. The effect of secondary coolant (water) ingress in the core at accidental conditions is studied at various packing densities. The effect of effective water density on k_(eff) depends on packing fraction, fuel enrichment and fuel-to-graphite ratio. It is strongly positive in highly enriched fuel at low water density regardless of packing fraction. For fuel enrichment 8 % and normal packing density, a maximum positive effect of approximately +0.10 on k_(eff) is observed at a water density of ～0.1 g/cm~3. The positive effect is reduced at low enrichments. Above a water density of 0.5 g/ cm~3, the effect on k_(eff) becomes negative regardless of enrichment and packing density.%Der Einfluss der Brennelementpackungsdichte auf den effektiven Multiplikationsfaktor k_(eff) in einem typischen Kugelhaufenreaktor wurde mit Hilfe der Rechencodes MCNP und WIMS untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass bei normalen Betriebsbedingungen k_(eff) mit der Packungsdichte wächst. Ein Anstieg der Packungsdichte von 1% hat einen Anstieg von k_(eff) um etwa 0,0015 zur Folge. Ein negativer Temperatureffekt wurde bei allen möglichen Packungsdichten beobachtet, der Effekt des Zuflusses von Sekundär-Kühlmittel (Wasser) in den Kern unter Unfallbedingungen wurde bei verschiedenen Packungsdichten untersucht. Der Einfluss der effektiven Wasserdichte auf k_(eff) hängt von der Packdichte, der Brennstoffanreicherung und dem Brennstoff-Graphit-Verhältnis ab. Der Effekt ist stark positiv bei hoch angereichertem Brennstoff und niedriger Wasserdichte unabhängig von der Packungsdichte. Für 8 % angereichenen Brennstoff und normale Packungsdichte wurde ein maximal positiver Effekt von ca. +0,10 auf k_(eff) bei einer Wasserdichte von ca. 0,1 g/cm~3 beobachtet. Dieser positive Effekt reduziert sich bei niedrigeren Anreicherungen, oberhalb einer Wasserdichte von 0,5 g/cm~3 wird der Einfluss auf k_(eff) negativ, unabhängig von Anreicherungsgrad und Packungsdichte.