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加拿大原子能公司(AECL)和清华大学工程物理系正在合作开展先进钍基重水核能系统(TACR)的研究设计工作,燃料棒束的物理研究与设计是后续工作的基础。多群栅元程序WIMS-AECL对棒束几何结构和材料成分具有很强的建模能力,被指定用于先进CANDU堆(ACR)的设计和分析。然而,WIMS-AECL程序和所采用核数据库用于我们研究工作之中的可靠性需要被进一步验证,特别是对于TACR的研究工作,这显得尤为必要。选取MCNP-4B和MCBurn作为临界和燃耗计算的基准程序,对WIMS-AECL自带基准例题和ACR实际组件的计算比较表明,WIMS-AECL使用ENDF/B-V库的结果好于B-VI库,主要是由于WIMS-AECL目前所使用的B-VI库没有钍相关核素的共振参数。因此,在本论文的研究工作中,采用B-V库进行计算。在反应堆设计中,冷却剂和慢化剂的类型必须符合所选择堆型的特点以及设计目标的要求。计算比较表明:在现有ACR栅格的几何结构下,冷却剂和慢化剂全部采用重水或者全部采用轻水会带来一系列物理和经济上的问题。采用标准的ACR轻水冷却、重水慢化栅格是一个合理的选择。特别是对于钍铀燃料栅元,这种选择能够使冷却剂空泡反应性降到负值,并且在燃耗期间不断降低。AECL目前正在进行比ACR-700功率更高的先进CANDU堆ACR-1000的研究工作,反应堆功率的增加对燃料组件的性能提出了更高的要求。增加棒束型燃料的元件棒数目,可以降低元件棒最大线功率密度、改善热工水力性能、加大安全裕度。71-rods燃料棒束组件采用和CANFLEX燃料组件完全一致的结构和燃料装量,元件棒排布采用1/7对称结构,将四圈燃料增加为五圈。61-rods棒束采用1/6对称结构,棒束的设计准则和71-rods相同。61-rods棒束的功率以及燃耗分布不如CANFLEX和71-rods棒束平坦。对于钍铀燃料,61-rods棒束的冷却剂空泡反应性介于43根棒TACR组件和71-rods棒束之间,能够达到负值,这一点61-rods棒束优于71-rods棒束。