国外压水堆燃料组件的发展动向

来源：尔游网

　第34卷第6期　2000年11月原子能科学技术

AtomicEnergyScienceandTechnology

Vol.34,No.6Nov.2000

国外压水堆燃料组件的发展动向

郑继师,甄树权,朱关仁

(中国核工业集团公司核燃料局,北京　100822)

摘要:基于反应堆的运行经验,压水堆燃料组件自问世以来一直在不断地发展,最新一代燃料组件的设计批平均卸料燃耗(以金属铀计)已达52000MW・d/t。文章就高燃耗下压水堆燃料组件所出现的问题及目前世界上4家较大的核燃料供应商所推出的高性能压水堆燃料组件作一概要介绍。

关键词:燃料组件;水侧腐蚀;裂变气体;碎片磨蚀;可燃毒物

中图分类号:TL352　　　文献标识码:A　　　文章编号:100026931(2000)0620557206

1　概述

自从反应堆问世以来,燃料组件一直在不断地发展,辐照后检验的信息反馈使燃料元件

的设计不断趋于合理,性能不断提高。就压水堆燃料组件而言,平均卸料燃耗(以金属铀计,下同)已由70年代初的批平均卸料燃耗20000MW・d/t左右提高到目前的最大批平均卸料燃耗48000MW・d/t,而最新一代燃料组件的设计批平均卸料燃耗已达52000MW・d/t,其最大燃料组件燃耗达65000MW・d/t[1]。

我国自行设计制造的压水堆燃料组件目前能达到的批平均卸料燃耗还不高,1994年通过技术引进,我国虽已可制造出批平均卸料燃耗为33000MW・d/t的燃料组件,但与世界水平仍有较大差距。目前,出于经济上的考虑,国内用户已提出燃料组件更新换代的要求。因而,了解当前世界上压水堆燃料组件的发展状况,对促进我国核燃料的发展有重要意义。新一代燃料组件的改进基于以往的运行经验。实践证明:影响燃料组件性能的主要因素有:1)燃料元件包壳水侧腐蚀;2)组件变形;3)裂变气体释放;4)芯块和包壳相互作用;5)冷却剂中碎片磨损[2,3]。这些因素了燃料组件性能的提高,影响着燃料组件的使用寿命,甚至在燃料组件的设计寿期内就出现破损,对核电的经济性和安全性产生较大影响。

目前,世界上几家较大的核燃料供应商都推出了自己的最新型高性能燃料组件,其中有美国西屋公司的PERFORMANCE+,西门子公司的HTP,ABB2CE公司的TURBO和法国法马通公司的AFA23G等(图1)。以下对各公司最新推出的燃料组件性能作一概要综述。

2　燃料元件包壳材料的开发

收稿日期:1999207213;修回日期:1999210229

),男,河北阳原人,高级工程师,核材料专业作者简介:郑继师(1957—

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图1　国外新型高性能燃料组件结构

Fig.1　Thestructureofthenewhighperformancefuelassemblies

a———美国西屋公司的PERFORMANCE+燃料组件;b———西门子美国公司的HTP燃料组件;

c———ABB2CE公司的TURBO燃料组件;d———法国法马通公司的AFA23G燃料组件

各种堆型的冷却方式和介质一般都是一定的,燃料棒的目标卸料燃耗取决于包壳材料的

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水侧耐腐蚀性。为此,西屋公司开发了ZIRLO合金,西门子公司开发了ELS2DUPLEX包壳,法马通公司开发了M5合金,ABB2CE公司开发了OPTIN合金及高性能材料ALLOY2A。在燃耗可比范围内与优化锆24合金相比,它们的耐水侧腐蚀性能有很大提高。这些新型包壳材料大多已经商用[1,4～6]。

表1　新包壳材料特性

Table1　Thepropertiesofthenewlydevelopedcladdingmaterials

包壳材料

ZIRLOELS2DUPLEX

M5OPTIN1)ALLOY2A

实验燃耗/MW・d・t-1

7500060000650006000075000

所用组件

PERFORMACE+

HTPAFA23GTURBOTURBO水侧腐蚀降低率/%辐照生长/%辐照蠕变/%

605760～5080

不详501040

不详60

≈10≈10

　　注:1)OPTIN数据是与标准Zr24相比的结果3　燃料组件的设计改进311　控制棒卡棒问题90年代初,随着反应堆燃料燃耗的加深,某些核燃料供应公司的燃料组件出现控制棒卡

棒问题。为此,各公司投入了大量人力物力寻找原因。研究发现:在加深燃耗运行中,由于燃

料组件压紧弹簧压力过大,导向管蠕变增大,组件刚度不够而发生“S”型或香蕉型变形[7]。在新的燃料组件设计中,各公司分别采取相应措施抑制组件变形的发生。例如,法马通公司的AFA23G组件,控制棒导向管由变径改成等外径变内径,增加壁厚和内径结构;优化上管座设计,给燃料棒生长留有足够空间,改进压紧弹簧设计以减少组件在堆内所承受的压力;各公司所采用的新型材料也增加了抗组件变形能力(表1)。就ABB2CE公司的TURBO燃料组件而言,因其组件由5根粗壮的控制棒导向管支撑,到目前为止,还未发生过卡棒事件。312　高裂变气体量储存问题

裂变气体释放量增加是高燃耗燃料组件的基本特征之一,在燃耗高于50000MW・d/t的情况下尤为明显[8]。新一代燃料组件的平均卸料燃耗均在50000MW・d/t以上,个别燃料棒所经受的燃耗深度更大。所以,要求在燃料组件的寿命后期能容纳足够的裂变气体,同时,在辐照初期又不导致包壳塌陷是元件设计的一项重要内容。各公司开发的新包壳材料在强度上都有一定改善,给燃料设计提供了良好基础,在结构上,普遍增大了气腔体积。如西屋、西门子和ABB2CE公司,还采用了环型贫铀或低浓缩铀轴向再生段芯块,使用变节距弹簧,既增加了气腔体积,又节约了浓缩铀燃料;日本将在PWR55000MW・d/t的高燃耗燃料棒中使用大晶粒芯块,以减少FGR量,从而使燃料组件更适于在高燃耗下运行。313　磨蚀问题据压水堆核电站运行资料统计,90年代初期,约60%的燃料棒破损是由一回路冷却剂中的碎片磨蚀所引起[9]。为此,各公司在燃料组件设计上均采取措施捕获碎片。如西屋公司采用的三重防碎片措施、西门子公司采用的FUELGUARD、法马通公司的TRAPPER过滤碎片下管座和ABB2CE公司采用的GUARDIAN捕集碎片格架(图2)。尽管各公司所采用的防碎

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片装置结构上有所不同,原理各异,但它们的效果是非常显著的,这一点已得到了实践的证实。

图2　国外新型高性能燃料组件防碎片装置结构

Fig.2　Thestructureofdebristrapofthenewhighperformancefuelassemblies

a———美国西屋公司的三重防碎片措施;b———法国法马通公司带TRAPPER的过滤碎片下管座;

c———西门子美国公司的带FUELGUARD的过滤碎片下管座;

d———ABB2CE公司采用的GUARDIAN捕集碎片格架

314　提高热工裕度问题

核电站燃料组件一般都在较稳定的条件下运行,但为了安全,组件均留有足够的运行裕

度。优化组件设计、增大运行裕度是燃料组件技术水平的重要标志。在先进的燃料组件,特别是高燃耗燃料组件的设计中,这方面都有充分的考虑。它们共同的特点之一是:在组件高热区

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段增加3层中间流量搅混格架(图1)。中间流量搅混格架的使用,既改善了高热区的热交换,又增加了组件的刚度,通过它们对水流模式的影响,改善了组件的热工水力特性,提高了组件运行的热工裕度。

4　可燃毒物的利用

对高燃耗燃料组件而言,由于其使用周期长、可裂变元素丰度较高,在新燃料组件入堆时,合理使用可燃毒物来展平堆芯中子通量分布,实现长周期反应性控制和负的慢化剂温度系数控制是必需的。目前,国际上几家较大的核燃料供应商所使用的具有代表性的可燃毒物有:ABB2CE公司的氧化铒、西门子美国公司及法国法马通公司的氧化钆、美国西屋公司的二硼化锆(IFBA)等。

氧化钆可燃毒物是以单独的元素棒形式装入组件的,其制造工艺类同UO2燃料棒。氧化钆可燃毒物的使用历史始于1967年,首先用于沸水堆,1982年开始用于压水堆,目前,世界上已有许多国家在压水堆中使用这种可燃毒物。氧化钆可燃毒物的特点是:制造工艺类同UO2燃料棒,所需数量相对较少,有较长的研究历史和较广泛的使用业绩。但氧化钆可燃毒物的加入使得燃料热导降低,且有一定的残余毒性。

氧化铒可燃毒物由ABB2CE公司开发,其制造工艺与氧化钆可燃毒物的制造工艺类似。该可燃毒物残余毒性较大,但其消耗较慢,比较适用于长周期燃料循环。

二硼化锆是美国西屋公司的专利产品,1981年开始辐照试验,目前,已大规模使用于西屋公司提供燃料组件的核电站中。二硼化锆可燃毒物的使用方法比较独特,通过专门的喷涂设备将二硼化锆均匀地涂覆在UO2芯块的表面,形成一均匀而与芯块紧密结合在一起的包覆层。其它制造工艺与UO2芯块相同。二硼化锆的特点是可以烧尽,使用经济效益较好,目前已有大规模的使用经验。但因其单个芯块的涂覆量有限,每组组件中需有1/3左右的燃料棒装有这样的芯块,因而,需要涂复的燃料芯块数量很大。

5　各国PWR燃料组件比较

从当前压水堆核电站燃料组件所暴露出来的包壳腐蚀、组件变形、碎片磨蚀及潜在的PCI等主要问题来看,各燃料组件生产商都进行了长期深入的研究,并在实践中采取了相应的解决措施,其效果都比较好。就新材料而言,西屋公司的ZIRLO合金开发较早,有较多的商用经验。就燃料棒设计而言,西屋公司、西门子公司和ABB公司都采用了低浓端部再生芯块,这对展平元件棒轴向功率分布、节省裂变材料均有一定好处。此外,在制造技术方面,西门子公司的管座铸造技术值得借鉴,它可在一定程度上减少机械加工工序和加工量。对于长周期高燃耗燃料组件,可燃毒物是不可缺少的。二硼化锆、氧化铒和三氧化二钆都具有成熟的加工工艺和一定的商用经验。二硼化锆有一定的经济性,而三氧化二钆则在世界范围内在压水堆和沸水堆中得到了广泛的应用,对高性能燃料组件,二者都是目前较理想的可燃毒物材料。

我国将用于大亚湾核电站的18个月循环周期的燃料组件是法马通公司的AFA23G。该组件是目前世界上先进的核电站燃料组件之一,但随着技术的不断发展和用户使用要求的不断提高,其设计和性能还有待进一步改善。我国有多年的核技术基础,核电站燃料组件的引进为我国研制自己的高性能燃料组件创造了有利的条件。

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6　结束语

燃料组件是一技术含量极高的产品,体现着核电站安全和经济两大特性。由于核电燃料的特殊性,几乎每项技术改进都要经堆外试验和堆内验证,因而,其技术发展周期较长、投资较

大。尽管如此,燃料组件的技术水平仍在不断提高。到目前为止,平均卸料燃耗差不多以每十年一万兆瓦日/吨的速度发展,给核电事业带来了相当大的经济效益。中国的核电事业正处在发展阶段,先进的燃料组件将给核电发展注入强大的活力。我们应趁此机会,充分吸收国际上的先进技术,立足燃料组件国产化,把中国的核电事业推向一个新的水平。参考文献:

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31.

TrendinthePWRFuelAssemblyatAbroad

ZHENGJi2shi,ZHENShu2quan,ZHUGuan2ren

(ChinaNationalNuclearCorperation,

DepartmentofNuclearFuels,Beijing100822,China)

Abstract:ThePWRfuelassemblyhavebeenimprovingbasedontheoperationexperienceofreac2torsandtheresultsofresearchsincethemomentwhenitwasfound.Nowadaysthedesignedbatchaveragereloadburnupofnuclearfuelassembleisupto52000MW・d/t.Thispapermakesabriefintroductiononthepresenthighperformancenuclearfuelassemblieswhicharedesignedandutilizedbyfourofthemainsuppliersintheworld,andalsosomeoftheproblemsfacedbythehighperformancenuclearfuelassemblyareintroduced.

Keywords:fuelassembly;watersidecorrosion;fissiongas;debrisfretting;burnableabsorber

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