研究堆燃料材料選擇分析

雷 濤 馮琳娜 陳 杰

（中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

反應堆從用途上大致分為動力堆和研究堆，動力堆常用于大型的商用電站或核動力裝置，其目的是輸出能量，燃料組件的運行于高溫高壓環境之中，其燃料材料的選擇及結構設計均要考慮高溫高壓環境的要求。研究堆的主要目的是為材料研究、中子照射或者其他用途提供中子源，而非輸出能量，因此研究堆燃料組件在材料選擇、結構設計等方面與動力堆有較大的差異，本文調研了目前研究堆主要使用的燃料材料類型以及燃料組件的結構，分析了其材料的選擇、整體結構設計，提出了研究堆燃料組件設計方面的建議，以供參考。

1 研究堆燃料材料選擇

早期的一些研究堆使用UAl3-Al彌散燃料（如美國MTR堆、ETR堆）或加入少量Si的UAl3-Al彌散燃料（如美國HFBR堆），也有一些使用研究堆使用U-Al合金作為燃料（如美國CP-5堆），或者U3O8-Al彌散燃料、UO2-Al彌散燃料（烏克蘭WWR-M堆）。為滿足研究堆的性能要求，這些低鈾密度的燃料一般都有著非常高的富集度，在90%左右。為滿足核不擴散的要求，國際核燃料循環評估（INFCE）會議參與國一致同意應將燃料富集度降低到安全水平。根據該決定，美國能源部提出并制定了一個有關降低研究堆燃料富集度（RERTR）的計劃，通過該計劃，研究堆將轉而使用低富集鈾燃料，該計劃得到了國際原子能機構的確認。降低燃料富集度計劃要求燃料的富集度降低到20%甚至更低，為此，需要開發具有高鈾密度的燃料，目前主要開發的高鈾密度的燃料有U3Si2-Al，U-Mo合金燃料或(U-Mo)-Al彌散燃料，此外還有U-ZrH1.6彌散燃料等用于脈沖堆的燃料。

1.1 研究堆燃料材料性能分析

U3Si2-Al是目前研究堆中使用較廣發的一種燃料，燃料的優點之一是可以達到較高的鈾密度，有利于提高燃料元件中的鈾裝量。[1]按預期最高裝載密度可以達到4.8g/cm3，實際使用中U3Si2-Al彌散型燃料板的芯體鈾密度謹慎地裝載到最高達到了4.3g/cm3。

U3Si2-Al燃料與鋁基體和鋁合金包殼是相容的，[2]在制造溫度下發生的反應微弱，輻照時僅發生在裂變碎片反沖行程之內。

U3Si2-Al與水有極輕微的反應，[2]在100℃水中16天后失重0.042%，在200℃水中4天失重0.02%。試驗表明，燃料板上鉆直徑3mm的通孔，使芯體暴露，在去離子水中煮沸168小時后，水中無可測量的放射性，燃料板有極微量的增重，暴露的芯體中無U3Si2溶蝕和脫落等金相可見的變化。這表明，即使出現元件破損，也不會造成嚴重污染。U3Si2彌散燃料的這一特點與目前商用堆采用的棒形元件相比，在抗燃料破損方面具有明顯的優勢，通常棒形燃料元件發生破損放射性物質的釋放影響較大，而U3Si2彌散發生破損的影響只局限于局部。

UMo合金燃料是首先被開發的是傳統的UMo-Al彌散板或棒形燃料。UMo合金的優點是具有高度鈾密度，這有利于實現燃料板或棒較高的芯體鈾密度。然而，近年來的輻照結果并不樂觀，輻照后的檢驗結果表明，[3]UMo燃料顆粒與基體在輻照條件下發生了廣泛的反應。隨著燃耗的增加，UMo與Al的相互反應層增厚，大部分Al被反應消化掉了。這種特性將會影響燃料板（或燃料棒）基體材料的結構部分，對燃料板的性能造成不利影響。

1.2 不同燃料材料的制造性能

研究堆燃料元件的結構形式通常是燃料板或燃料管等形式。燃料元件（燃料板或燃料管）結構類似夾心餅干結構，燃料彌散在基體材料中構成燃料芯體，在芯體的上下兩側包覆包殼材料，包殼材料通常與基體材料相同，通過軋板或擠壓的方式是芯體與包殼結合。

U3Si2燃料為陶瓷相，一般彌散在鋁基體中，形成U3Si2-Al燃料芯體，其在硬度上高于包殼材料，芯體與包殼硬度匹配性不好，容易造成燃料元件在鈾均勻性分布不好，芯體的硬度與U3Si2燃料相比例相關，對于U3Si2燃料，考慮制造中鈾均勻性的影響，芯體鈾密度的應不超過4.8g/cm3。

UMo合金具有良好的延展性，這使彌散燃料制粉有一定難度。

2 結論

隨著研究堆燃料降低富集度的要求，U3Si2-Al，U-Mo合金燃料由于有較高的鈾密度成為了可選擇的燃料堆燃料，從鈾密度、芯體的穩定性、與基體的相容性等方面分析，U3Si2燃料是一種更可行的研究堆燃料材料。

［1］孫榮先，解懷英.研究堆燃料的發展現狀與前景[J].原子能科學技術，2011,45(7)：847-851.

［2］孫榮先.U3Si2彌散型燃料元件[J].核動力工程，1990,11(2):69-73.