压水堆环形燃料元件可行性研究

压水堆环形燃料元件可行性研究

崔喆贾建申

（福建福清核电有限公司福建福清350318）

摘要：论文主要概述了我国压水堆核电燃料元件的发展历程，对压水堆核电站采用环形燃料元件的可行性进行了分析，得出结论核电厂采用环形燃料代替传统棒状燃料，安全性显著提高，经济性明显改善，且在传统燃料生产线上制造环形燃料是可行的，制造成本不会明显增加。

关键词：核电站；燃料元件；发展

1我国压水堆核电燃料元件的发展

核电站的反应堆是靠核燃料进行核裂变，释放巨大的能量，由于反应堆安全运行的特殊要求，决定了燃料组件的复杂设计、精密的制造以及高可靠性的质量保证。根据国情，从开始发展核电我国就同步建立了自己的燃料供应体系，既满足了核电站对燃料的需求，同时提供了可靠的保障为我国的核电发展。

我国核电以压水堆为主，决定了压水堆核燃料元件的快速发展。目前，核燃料生产技术成熟，完全可以为我国核电站提供所需的燃料，具有我国自己的特色的燃料元件质量以达到国际先进水平。

2压水堆核电站采用环形燃料元件可行性研究

环形燃料元件由内、外两层锆合金包壳和圆环状的UO2芯块组成，冷却剂可同时从内、外两个流道对燃料元件进行冷却。麻省理工学院（MIT）的研究结果显示，环形燃料可在保持或增进现有反应堆安全性能的前提下，提升堆芯功率密度20%～50%，显著提高了核电厂的安全性和经济性。美国已将环形燃料确定为新一代核电水堆燃料进行研发，且将其作为“美国现役核电站延寿至80年”研究计划中的首选燃料。韩国计划使用环形燃料提升现役OPR-1000堆芯功率密度20%，目前正处于环形燃料组件关键技术研发阶段。此外，国外一些将环形燃料应用于快堆和沸水堆的研究工作，也说明了环形燃料是一种非常有发展前景的新型燃料元件。

3研究方法

2010-2011年中国原子能科学研究院开发了环形燃料设计和分析软件，以秦山Ⅱ期核电厂为参考堆芯、AFA-3G组件为参考组件，进行了环形燃料元件和组件的概念设计，开展了环形燃料堆芯物理、热工水力、反应堆安全、稳态辐照性能、制造可行性和经济性分析，较系统地研究了压水堆核电厂采用环形燃料元件的可行性。图4-1a为环形燃料元件横截面示意图，图3-1为环形燃料组件横截面示意图，环形燃料组件与棒状燃料组件外形几何尺寸完全相同，只是燃料元件数量有所减少。

图3-1环形燃料元件（a）和组件(b)结构示意图

3.1研究内容及结果

3.1．1环形燃料分析程序开发

针对环形燃料元件特殊的几何结构，在传统棒状燃料分析程序的基础上，开发并验证了1套环形燃料分析程序，为开展环形燃料概念设计和综合性能评估提供了最基本的研究和设计工具，程序名称及功能列于表3-1。

3.1.2环形燃料元件（组件）结构概念设计

采用AFA-3G组件的外形尺寸，借鉴棒状燃料元件、组件的基本设计原则和国际上环形燃料元件、组件的设计经验，考虑与堆芯物理、热工水力和元件性能分析的相互反馈，同时与燃料元件制造方协调，初步确定了环形燃料组件和元件的结构。

1）在不改变组件外形和基本保持“水-铀”体积比不变的情况下，将17×17-25型排列的，棒状燃料组件改为13×13-9型排列的环状燃料组件，即每个组件布置160根环形燃料元件、8根控制棒导向管和1根中子测量仪表管。

2）燃料元件采用内外冷却的环形结构，每根燃料元件由上、下端塞，内包壳管，外包壳管，环形UO2芯块和压紧弹簧组成，考虑燃耗加深，每根燃料元件设计了上部气腔以容纳裂变气体，气腔由芯块压紧弹簧保持。

3）按照环形燃料组件的结构特点，设计了上、下管座和控制棒导向管，为解决相邻燃料元件间距较小、弹簧片夹持力不足的问题，设计了5种适用于压水堆环形燃料组件的定位格架。

3.1.3压水堆用环形燃料的堆芯物理分析计算

按照环形燃料堆芯设计的目标进行了组件结构以及堆芯布置的物理分析计算和优化。环形燃料元件按照13×13排列方式构成方形燃料组件，组件结构尺寸以及堆芯大小符合秦山II期核电厂的基本特征，采用3种不同富集度（4.1%、4.5%和4.9%）的UO2燃料。核燃料按照富集度的不同分区布置，且采用含钆型燃料Gd2O3（初始百分比是5.0％）作为可燃毒物来控制初始堆芯的反应性。采用确定论计算程序FMP和蒙特卡罗燃耗计算程序系统（MVP/MVP-BURN）完成了环形燃料堆芯物理性能分析计算，结果表明环形燃料堆芯的稳态物理性能良好，从反应堆物理角度来说，采用环形燃料元件并相应提升反应堆功率密度是可行的，且装载环形燃料元件的堆芯结构能够在秦山Ⅱ期核电厂150%功率水平下运行12个月以上。

3.2元件稳态性能分析

使用AFPAC程序开展了环形燃料元件稳态辐照性能研究，分析工况分别为100%和150%现有反应堆功率密度，分析内容包括环形燃料元件的中子物理、热工水力、元件变形以及裂变气体释放等。表3-2为不同线功率密度时的元件径向温度分布，列出主要参数分析结果的对比。

从表3-2可看出与棒状燃料元件相比同等运行条件下的环形燃料元件有温度低变形小、裂变气体释放份额小和内部压力低的特点，表明轻水堆中采用环形燃料元件确实有利于提高反应堆安全性。

3.3环形元件制造可行性分析

中核北方核燃料元件有限公司开展了环形燃料元件制造可行性研究。结合我国现有燃料元件制造工艺，从环形燃料元件的原辅材料的供应能力、环形芯块的制造工艺、环形燃料元件的装配及焊接工艺、燃料制造过程中的临界安全、辐射防护安全分析等方面，分析研究环形燃料元件制造的可行性。

利用现有燃料生产线和实验室设备，对环形芯块制造工艺进行了试验研究。经反复试验，研制成功尺寸合格的环形UO2芯块。通过芯块密度、孔隙率、开口孔测量和晶粒度等微观结构检查，证明研制的环形芯块基本能达到传统芯块的制造水平。此外，开展了环形燃料元件焊接工艺可行性研究通过试验初步确定了焊件的清洗工艺和端塞与内、外包壳的焊接工艺，并提出了上端塞堵孔焊工艺方案。

研究结果显示，在目前压水堆燃料生产线的条件下，只需改造或增加少量设备，并经进一步试验，制造环形燃料元件和组件是完全可行的，且制造成本不会有明显的增加。

4.结论

本工作开发和校验了一组环形燃料分析程序，完成了环形燃料组件和元件的概念设计，并开展了堆芯物理、热工水力、反应堆安全、稳态性能、制造可行性和经济性分析。目前的研究结果表明，核电厂采用环形燃料代替传统棒状燃料，安全性显著提高，经济性明显改善，且在传统燃料生产线上制造环形燃料是可行的，制造成本不会明显增加。总之，压水堆核电站采用环形燃料替代传统的棒状燃料，技术上是可行的。

为推进环形燃料组件的研制和入商用堆随堆考验及实际应用，需进一步深入开展环形燃料组件关键技术研究，掌握环形燃料组件设计和制造的核心技术，获得环形元件堆内辐照及热工水力等关键性能数据。

参考文献

[1]谢仲生罗经宇核反应堆物理分析（第三版）[M]北京：原子能出版社，2000.6

[2]朱继洲等编著核反应堆安全分析[M]西安：西安交通大学出版社2011.3

作者简介：崔喆（1991-）男，汉族，本科，助理工程师，从事核电厂运行工作