壓水堆核電燃料設(shè)計(jì)特征及發(fā)展方向

徐陽 陳平 郭曉明

摘 ? 要：近年來，由于環(huán)境的污染、傳統(tǒng)能源的不斷減少，使核電的利用變得越來越重要。設(shè)計(jì)和開發(fā)先進(jìn)的燃料組件是發(fā)展高效清潔核電的關(guān)鍵。對于燃料組件，其發(fā)展總趨勢為提高燃料循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性及可靠性，以使核電廠更具經(jīng)濟(jì)競爭力、核燃料運(yùn)行更加安全可靠。提高經(jīng)濟(jì)性通過提高卸料燃耗和換料周期、提高熱工性能等幾個燃料技術(shù)方向來實(shí)現(xiàn);提高燃料組件的可靠性通過有針對性的改進(jìn)燃料破損相關(guān)設(shè)計(jì)（格架磨蝕、異物磨蝕等）來實(shí)現(xiàn)。本文從提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性及可靠性兩方面出發(fā)，以國際先進(jìn)的壓水堆燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征為例，說明燃料組件為提高經(jīng)濟(jì)性及可靠性在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)，對燃料組件的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：先進(jìn)的燃料組件 ?燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特征 ?經(jīng)濟(jì)性 ?可靠性 ?發(fā)展趨勢

中圖分類號：TL932 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0062-04

燃料組件是反應(yīng)堆的核心部件之一，直接影響核電站的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。在反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，燃料處于不斷消耗和補(bǔ)充供料的動態(tài)過程。因此，提高燃料組件的經(jīng)濟(jì)性及可靠性已成為改善核電站安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的有效手段。本文介紹了國際先進(jìn)的壓水堆燃料組件，列舉各型燃料組件的設(shè)計(jì)特征，并對燃料組件的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)。

1 ?提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性

提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性可以通過提高卸料燃耗和換料周期、提高熱工水力性能等方式實(shí)現(xiàn)。

1.1 提高燃料組件燃耗和延長換料周期

目前主流燃料組件設(shè)計(jì)卸料燃耗提高到約60GWd/tU甚至更高，換料周期延長到18個月或更長。為實(shí)現(xiàn)以上目的，可以采取以下措施：

（1）采用芯塊摻雜、增加芯塊直徑等方式，提高燃料運(yùn)行性能。其中，芯塊摻雜的方式可以提高燃料棒的內(nèi)壓裕量，減小裂變氣體的釋放;提高芯塊直徑等方式可以為燃料組件提供更大的鈾裝量。GAIA燃料組件中[1]，采用Cr2O3摻雜的UO2芯塊，并增加了芯塊直徑及密度。TVS-K燃料組件[2]，摻雜的芯塊（Al2O3+SiO2）設(shè)計(jì)使得芯塊晶粒尺寸增大，極大提升了芯塊的性能。TVS-2M燃料組件[3]，通過增加芯塊直徑、減小芯塊中心孔直徑的方式增加燃料裝載量。PLUS7等韓國燃料組件[4]，采用大尺寸芯塊。CAP1400燃料組件[5]，為減小芯塊的中心溫度、增大超功率事故下的PLHR范圍，芯塊設(shè)計(jì)帶有1.4mm的中心孔[6]。為抵消鈾裝量減小帶來的影響，使燃料組件達(dá)到目標(biāo)燃耗60 GWd/tU，CAP1400將燃料密度提高到97%。

（2）研發(fā)輻照性能更好的材料，提高包殼性能，減少高燃耗下燃料組件輻照變形。HTP LE燃料組件采用Zr-4復(fù)合包殼，即在Zr-4合金基體上復(fù)合一層更耐水側(cè)腐蝕的超低錫鋯合金。AP1000燃料組件專為高燃料研發(fā)了先進(jìn)的ZIRLO合金，其具有低熱中子吸收截面、較高的抗腐蝕性及高延性。PLUS7等燃料組件，燃料棒采用自主研發(fā)的具有較好抗腐蝕性能及輻照性能的新型鋯合金材料（如Zr-Nb合金[7]）。TVS-K燃料棒使用具有優(yōu)異抗腐蝕性能的E110鋯合金。CAP1400自主研發(fā)的SZA-4和SZA-6鋯合金，試驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的堆外抗腐蝕性能。

（3）改進(jìn)燃料棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高燃料組件燃耗。AP1000與HTP LE燃料組件，通過減少下管座高度、增加燃料棒長度、設(shè)置燃料棒下氣腔等方式提高燃料組件燃耗。燃料棒長度的增加，減小了活性段占整個燃料棒的比例;其底部增加的下氣腔，減緩了芯塊與包殼間的相互作用，防止包殼發(fā)生蠕變坍塌。TVS-2M燃料組件中，減小了上、下管座的高度，增加了堆芯活性區(qū)的長度。PLUS7等燃料組件，使用較短的氣腔彈簧，提高鈾裝量。

1.2 提高燃料組件熱工裕量

隨著功率的提升以及低泄露的堆芯設(shè)計(jì)要求，對燃料組件的熱工水力性能也提出了更高的要求[8]。高的熱工水力性能將為提升反應(yīng)堆功率提供條件、增加熱工裕量。

（1）改進(jìn)格架設(shè)計(jì)，提升攪混翼性能。PLUS7中間格架攪混翼的設(shè)計(jì)，使燃料組件有著更好的水力平衡。ACE7燃料組件的攪混翼在提高攪混性能的同時(shí)，僅增加少量的壓降，由CHF試驗(yàn)可知，其熱工裕量提高10%以上。HTP LE燃料組件設(shè)計(jì)了具有斜通道的中間格架，斜通道的設(shè)計(jì)不但對燃料棒起到夾持作用，同時(shí)也加強(qiáng)了冷卻劑的攪混作用，提高了格架的攪混能力。

（2）增加格架數(shù)量，提高燃料組件臨界熱流密度。AP1000燃料組件和CAP1400燃料組件均在流體高溫區(qū)域設(shè)置4個跨間攪混格架，目的在于增強(qiáng)攪混能力防止DNB發(fā)生。

1.3 提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性其他措施

（1）設(shè)計(jì)可拆卸的上管座。HTP LE、AP1000、PLUS7、HIPER16與TVS-K等燃料組件的上管座，均為可拆卸上管座。其中，HTP LE的上管座采用精密鑄造，為純機(jī)械連接，連接件加工、拆裝均較為簡單，為快速可拆上管座。可拆卸的上管座，簡化了檢查或替換燃料棒的工序，通過重新安裝上管座部件即可完成燃料組件的修復(fù)，降低了燃料組件的維修費(fèi)用。

（2）降低燃料組件壓降，提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性。GAIA燃料組件中，將夾持系統(tǒng)布置在柵元四角位置的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得格架的壓降系數(shù)較HTP低。PLUS7燃料組件，彈簧與剛凸采用橫向布置，降低了格架上的壓降。HIPER16燃料組件，下管座上大方形孔的設(shè)計(jì)，降低了下管座上的壓降。

2 ?提高燃料組件可靠性

隨著對燃料循環(huán)經(jīng)濟(jì)性的追求，燃料將在更加惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，對燃料的可靠性帶來更多的挑戰(zhàn)。福島事故后，對燃料組件在極端事故下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也提出了更高的要求。因此，各型燃料組件采取不同措施進(jìn)一步提高燃料組件可靠性。

2.1 降低燃料破損

世界范圍內(nèi)燃料組件運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，燃料破損主要由格架/燃料棒磨蝕、異物磨蝕這兩方面引起，約占所有破損燃料的66%。各型燃料組件研發(fā)，均針對這兩方面采取了相應(yīng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

（1）增大格架與燃料棒接觸面積，提高格架/燃料棒抗磨蝕性能。AP1000燃料組件，將中間格架及跨間攪混格架的高度分別增加至2.25英尺和0.66英尺;PLUS7燃料組件，彈簧（剛凸）與燃料棒采用了面接觸的方式;ACE7燃料組件，使用I型彈簧及寬剛凸;CAP1400燃料組件的SAF中間格架，使用長彈簧及寬剛凸。以上措施均加大了彈簧（剛凸）與燃料棒的接觸面積，提高了格架/燃料棒抗磨蝕性能。

（2）創(chuàng)新夾持系統(tǒng)，提高燃料組件抗磨蝕性能。GAIA燃料組中，采用8條線接觸彈簧（因科鎳718合金）的方式對燃料棒進(jìn)行夾持。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，GAIA組件的磨損程度較小，可以提供與HTP燃料組件相當(dāng)?shù)膴A持力。HTP LE燃料組件中，將冷卻劑流道作為彈簧，在燃料組件運(yùn)行期間限制燃料棒的橫向運(yùn)動。其流道與燃料棒之間保持8個長的線性接觸，使得格架即使發(fā)生完全輻照應(yīng)力松弛，格架/燃料棒也不會發(fā)生磨蝕。相關(guān)試驗(yàn)及堆內(nèi)輻照結(jié)果已驗(yàn)證了這種極佳的抗磨蝕性能。但是，HTP LE組件的臨界熱流密度要低于AFA3G LE組件。

（3）使用抗輻照性能優(yōu)良的材料，保持充足夾持力，降低燃料棒振動。HTP LE、AP1000、PLUS7、HIPER16和CAP1400燃料組件，均設(shè)置了輻照生長相對較小的因科鎳材質(zhì)的頂部格架和底部格架，使燃料組件在整個壽期內(nèi)對燃料棒保持充足的夾持力。

（4）提高下管座流場分布的均勻性，優(yōu)化下管座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低橫向流引起的流致振動。GAIA燃料組件的GRIP下管座，可以在出口處形成均勻的流體分布，增加燃料組件的抗磨蝕性能;燃料棒下端坐在下管座里的座底設(shè)計(jì)，有效降低了燃料棒下部由于振動造成的燃料破損風(fēng)險(xiǎn)[9]。TVS-K燃料組件將下格板的厚度減小到16mm，并改進(jìn)流水孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使流體分布更加均衡;其底部格架和抗磨蝕格架[10]用于固定燃料棒，減少了燃料棒的振動，降低了燃料棒的磨蝕。

（5）提高下管座過濾能力。GAIA的GRIP下管座，過濾板裝配在連接板的底部。過濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)，使其過濾效率較HTP及AFA3G下管座更高[11]。HTPLE燃料組件采用Robust FUELGUARD下管座，通過設(shè)置曲折的流道過濾異物，有效避免了細(xì)長結(jié)構(gòu)的異物進(jìn)入組件，但是其流動阻力偏大。CAP1400燃料組件的下管座（CARBON），在流水孔中引入十字形金屬分隔使每個流水孔最小化。試驗(yàn)結(jié)果表明，CARBON下管座擁有均勻的應(yīng)力分布以及令人滿意的壓降，防異物功能杰出。PLUS7等燃料組件使用具有小尺寸流水孔的下管座，有效降低了由異物磨蝕引起的燃料棒失效。為減小下管座的阻力并保證其機(jī)械強(qiáng)度，PLUS7在連接板上設(shè)計(jì)了圓形和槽形孔。TVS-K燃料組件下管座上的流水孔直徑為1.8mm，可攔截直徑大于1.8mm尺寸的異物。

2.2 提高燃料組件抗彎曲能力

燃料組件在輻照過程中產(chǎn)生的組件彎曲，對控制棒落棒、裝卸料操作等均會產(chǎn)生不利影響。因此，提高燃料組件的抗彎曲能力，對提高燃料組件的可靠性具有重要意義。

（1）減小壓緊力，改善壓緊系統(tǒng)。AFA 3G燃料組件在AFA 2G的基礎(chǔ)上，增加了彈簧片寬度并減薄了彈簧片厚度，降低了壓緊力與彈簧片表面應(yīng)力。韓國新型的On-Off壓緊系統(tǒng)[13]，采用每組有不少于兩片板狀壓緊彈簧的結(jié)構(gòu)。當(dāng)壓緊系統(tǒng)變形較小時(shí)，其中兩片彈簧受壓提供壓緊力;當(dāng)發(fā)生泵啟動等工況時(shí)，所有彈簧均受壓以提供更大壓緊力。與現(xiàn)用板狀彈簧壓緊系統(tǒng)相比，On-Off總壓緊力要小很多，有效避免了燃料組件因軸向載荷過大而產(chǎn)生的彎曲。

（2）增加導(dǎo)向管尺寸，強(qiáng)化導(dǎo)向管結(jié)構(gòu)。GAIA和TVS-K燃料組件，均增加了導(dǎo)向管截面尺寸。其中，TVS-K導(dǎo)向管上段壁厚0.68mm，相比AFA3G增加了36%，能將燃料組件的彎曲限制在5～7mm內(nèi)，極大增強(qiáng)了燃料組件的剛度、抗輻照變形能力與抗極端事故工況的能力。

（3）采用抗蠕變性能更好的導(dǎo)向管材料，提高燃料組件抗輻照變形能力。GAIA導(dǎo)向管使用的Q12TM材料（Zr1Nb0.5Sn0.1Fe）具有良好的抗蠕變性能;TVS-K導(dǎo)向管及骨架材料均采用具有更強(qiáng)抗蠕變能力及抗輻照生長能力的E110[12]。

（4）增強(qiáng)格架強(qiáng)度，提高組件的抗彎曲性能。西屋公司在對AP1000燃料組件運(yùn)行性能進(jìn)行驗(yàn)證之后，增加了中間格架及跨間攪混格架的高度，提高了格架的抗磨蝕性及地震與LOCA事故工況下的抗沖擊力。TVS-2M燃料組件，增加了定位格架高度與均布柵元管、異布柵元管的厚度，增強(qiáng)了格架的強(qiáng)度。

（5）加強(qiáng)各個部件之間的連接。GAIA燃料組件和TVS-2M燃料組件，通過加強(qiáng)定位格架與導(dǎo)向管的連接方式，提高了燃料組件的剛度。其中，TVS-2M燃料組件將格架與導(dǎo)向管的連接方式由摩擦力改為壓力電阻焊。AP1000燃料組件連接導(dǎo)向管的結(jié)構(gòu)件由4個增加至8個，提高了保護(hù)格架抗應(yīng)力腐蝕性能。

2.3 提高燃料組件可靠性其他措施

改進(jìn)相關(guān)結(jié)構(gòu)，提高燃料組件吊裝性能。GAIA燃料組件定位格架較厚的外條帶有效提高了組件在吊裝過程中的穩(wěn)定性;CAP1400燃料組件格架外條帶設(shè)置了較寬的導(dǎo)向翼，降低吊裝過程中發(fā)生鉤掛的可能性。

3 ?先進(jìn)燃料組件發(fā)展方向

本文介紹的燃料組件為國際上先進(jìn)的燃料組件，代表了壓水堆燃料組件的發(fā)展方向。及時(shí)把握先進(jìn)燃料組件的發(fā)展趨勢，對我國自主研發(fā)燃料組件有著重要意義。針對燃料組件各個部件，對其發(fā)展方向進(jìn)行如下總結(jié)：

提高燃料組件經(jīng)濟(jì)性：

（1）上管座：調(diào)整連接板流水孔參數(shù)，降低壓降;簡化部件加工過程，方便拆卸與維修。

（2）格架：增加或優(yōu)化攪混翼，增強(qiáng)格架攪混能力;增加格架數(shù)量，提高燃料組件臨界熱流密度。

（3）燃料棒：研發(fā)新型材料，提高包殼耐腐蝕性能;調(diào)整芯塊參數(shù)，提高燃料運(yùn)行性能;優(yōu)化燃料棒結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高其容納裂變氣體的能力。

提高燃料組件可靠性：

（1）上管座：對壓緊力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低燃料組件彎曲風(fēng)險(xiǎn)。

（2）導(dǎo)向管：增加導(dǎo)向管強(qiáng)度;選用抗蠕變性能更好的材料。

（3）格架：創(chuàng)新夾持系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)置保護(hù)格架，提高燃料組件耐振動磨蝕的能力;增大格架強(qiáng)度;強(qiáng)化燃料組件的結(jié)構(gòu)及其連接方式;采用防勾掛設(shè)計(jì)。

（4）下管座部件：提高過濾效率;優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小橫向流。

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