核電廠全陶瓷微封裝彌散燃料研發(fā)

(中核北方核燃料元件有限公司,內蒙古 包頭 014035)

隨著核電的發(fā)展,燃料元件也不斷地在更新?lián)Q代,但始終會遵循核燃料設計制造的準則——安全性和經(jīng)濟性。實現(xiàn)這一目標的關鍵是研發(fā)固有安全性更高的燃料芯體材料和包殼材料,進而研發(fā)出固有安全性更好、綜合性能更優(yōu)的燃料元件。

福島核事故暴露了UO2-Zr燃料的固有缺陷,包括芯塊導熱性能差、事故狀態(tài)下發(fā)生鋯水反應產(chǎn)生氫氣等。因此,在福島核事故后,業(yè)界提出了事故容錯燃料(ATF)的概念。設計ATF燃料的基本要求是：在設計基準事故和超基準事故工況下,與UO2-Zr燃料相比,ATF燃料能夠抵御高溫、滯留裂變產(chǎn)物、減緩可燃氣體(H2)產(chǎn)生速率或徹底消除可燃氣體釋放、保持堆芯可冷卻能力,從本質上減緩或杜絕反應堆在事故工況發(fā)生氫爆和堆芯熔化的可能。

ATF燃料的概念一經(jīng)提出,立刻得到了業(yè)界的廣泛關注和高度認可。美、法、日等核電大國紛紛投入較大的人財物力,積極推進ATF燃料的研發(fā)。根據(jù)美國2012年發(fā)布的關于發(fā)展輕水堆耐事故燃料的報告,到2022年,要實現(xiàn)ATF燃料能夠在LWR運行的研究目標。我國也高度重視ATF燃料的研發(fā),依照國家發(fā)展改革委、國家能源局關于印發(fā)《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016—2030年)》的通知,未來,在先進核燃料元件方面,會加快推進事故容錯燃料元件(ATF)的研發(fā)。ATF燃料的研發(fā)已列入國家重大科技專項、核能開發(fā)等項目。

就ATF燃料的芯體材料而言,主要提出了三種主要候選材料。包括改進型的UO2芯體(大晶粒UO2、摻雜BeO、SiO2等高導熱材料的UO2復合芯塊)、高裂變密度芯塊(U3Si2、UN-U3Si2、UN-U3Si5、U-Mo復合芯塊)和全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊等高裂變產(chǎn)物容納芯塊。在眾多ATF燃料候選芯體材料中,全陶瓷微封裝彌散燃料是實現(xiàn)ATF燃料的重要途徑。

本文將介紹目前全陶瓷微封裝彌散燃料的國際發(fā)展現(xiàn)狀以及中核北方核燃料有限公司(簡稱“中核北方”)關于全陶瓷微封裝彌散燃料研發(fā)方面取得的成果,希望借此對ATF燃料未來的研究、發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化應用提供借鑒和參考。

1 全陶瓷微封裝彌散燃料概念

1.1 結構形式

全陶瓷微封裝彌散燃料是將TRISO(tri-structural isotropic)三維結構同性顆粒彌散在SiC等具有高導熱性能的基體中制成彌散芯塊,再將彌散芯塊裝在包殼中,如圖1所示。

圖1 全陶瓷微封裝彌散燃料Fig.1 Fully ceramic micro-encapsulated fuel

全陶瓷微封裝彌散燃料采用的TRISO顆粒主要結構如下：TRISO顆粒中心是直徑大約不大于1 mm的UO2核芯小球,其外有多層包覆層包覆。包覆層一般由疏松碳層(buffer)、致密碳層(PyC)、SiC層和可燃毒物層構成。疏松碳層封裝UO2核芯,為CO、CO2和氣態(tài)裂變產(chǎn)物提供儲存空間,吸收燃料核芯因輻照而引起的腫脹,緩沖由溫度及輻照引起的應力；致密碳層，是防止SiC層沉積時產(chǎn)生的氯化氫與燃料核芯反應,防止或延緩貴金屬裂變產(chǎn)物對SiC層的腐蝕,并承受部分內外部壓力；SiC層,是承受內壓及阻擋氣態(tài)和固態(tài)裂變產(chǎn)物的關鍵層。根據(jù)使用環(huán)境不同,包覆層的層數(shù)和組成也不盡相同。

TRISO顆粒均勻彌散在SiC等具有高導熱性能的基體中,通過燒結工藝制成陶瓷芯體。陶瓷型的彌散芯體體外層通常會有一層無燃料的SiC基體區(qū),最終形成適用于壓水堆應用的芯塊。TRISO顆粒彌散的SiC基體不僅具備較高的熱導率和良好的輻照穩(wěn)定性等優(yōu)點,并能有效阻止裂變產(chǎn)物的釋放,是具有第四代特征的具有高安全特性的新型燃料。

1.2 性能優(yōu)勢

全陶瓷微封裝彌散燃料芯體有很多優(yōu)良的性能,比如具有熱導率高(如圖2)、比熱性能好(如圖3)、密度隨溫度變化率低(如圖4)、體積熱容(Volumetric Heat Capacity，VHC)(如圖5)指數(shù)優(yōu)異等出色的性能,與包殼材料的相容性好。阻擋裂變產(chǎn)物的能力強,事故狀態(tài)下具有較大的安全裕度。IAEA關于全陶瓷微封裝彌散燃料的報告中指出,全陶瓷微封裝彌散燃料+SiC的組合導熱性能雖然會隨溫度升高降低,但優(yōu)于其他芯塊包殼組合,有利于降低燃料棒運行時的中心溫度。同時,對比全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的比熱、密度隨溫度的變化以及VHC指數(shù),可以看出,在LOCA事故下,芯塊吸收同等的能量,全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的溫度是最低的,因此也是最安全的(如圖6)。

圖2 材料的熱導率Fig.2 Conductivity of the candidate material

圖3 材料的比熱Fig.3 Specific heat of the candidate material

圖4 材料溫度隨密度的變化Fig.4 Variation of candidate materialdensity with the temperature

圖5 材料的VHC指數(shù)Fig.5 VHC of the candidate material

圖6 LOCA事故下材料的溫度變化Fig.6 The temperature of the candidatematerial under LOCA

更為重要的是,全陶瓷微封裝彌散燃料不改變現(xiàn)有燃料的結構,材料成熟,性能確定,與目前的商用堆完全兼容。現(xiàn)在只需做芯塊性能設計、評價,要解決的技術問題是最少的。

2 全陶瓷微封裝彌散燃料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

2.1 核芯研究

由于全陶瓷微封裝彌散燃料設計主要應用于壓水堆中替代傳統(tǒng)UO2燃料,要達到傳統(tǒng)壓水堆燃料同等的燃耗就需要提高TRISO顆粒中UO2核芯的富集度。因為受限于經(jīng)濟成本和國際原子能機構的相關規(guī)定,TRISO顆粒中的核芯材料設計就逐步從最初的UO2發(fā)展至高鈾密度的UCO、UC以及UN等材料,又依據(jù)使用核芯材料的不同,核芯尺寸從10～800 μm不等。但目前最為成熟的還是UO2核芯。

UO2核芯共有4層包覆層,由內到外依次包覆疏松碳層(buffer)、內致密碳層(IPyC)、SiC層和外致密碳層(OPyC)等四層包覆層。研究中的TRISO顆粒包覆層依據(jù)不同應用方向的反應堆,除了上述提到的四層外,還可以包括可燃毒物層。總的來說依照應用需求TRISO顆粒包覆層數(shù)從3～5層不等,每層厚度從20～125 μm不等。針對包覆層的層數(shù)、包覆厚度各國學者也從熱物理性能方面做了相關研究。上海交通大學的模擬實驗表明,對帶OPyC層的TRISO顆粒和不帶OPyC層的TRISO顆粒的熱流模擬分析結果顯示,不帶OPyC層的TRISO顆粒熱導率更優(yōu)異。

2.2 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊研究

TRISO顆粒彌散在SiC等基體材料中,通過燒結工藝制備成陶瓷芯塊。目前UO2核芯以及TRISO顆粒包覆技術較為成熟。因此,面向工程化應用的研究重點是燃料芯塊制備技術。針對芯塊的燒結,目前研究最多的是熱壓燒結技術、瞬態(tài)共晶技術和等離子體放電燒結技術。

2.2.1 熱壓燒結技術

熱壓燒結是將TRISO顆粒和SiC粉末均勻混合后放置于專用的模具中,在高溫高壓的環(huán)境下燒結制成最終的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊。熱壓燒結主要是借助高溫高壓將TRISO顆粒和SiC粉末“粘合”在一起,為了降低燒結的溫度和壓力以便降低燒結難度,學者們研究了不同的氧化物助燒劑以便在低溫液相燒結線附近實現(xiàn)燒結粘合。1992年起,Mah開始研究Al-Y添加劑體系下的熱壓燒結工藝,通過燒結劑的添加,可將燒結溫度降至1400 ℃。2017年,USNC在前人熱壓燒結研究的基礎上,申請了以可燃毒物作為全陶瓷微封裝燃料芯塊的助燒劑的專利。專利權利要求書中明確了采用稀土氧化物作為芯塊燒結助燒劑的制備工藝內容。為了進一步節(jié)約燒結時間,2017年USNC申請了全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備專利。專利權利要求書中明確了采用模具預制成型-熱壓燒結的方式完成芯塊的制備。

2.2.2 瞬態(tài)共晶技術

瞬態(tài)共晶技術(Nano-Infiltration and Transient Eutectic-phase,NITE)是Omori等人在1982年發(fā)明的一種液相燒結技術,即采用納米粉末為漿料,將漿料放置在模具中成型燒結。2001年起,Katoh等人以納米SiC粉末為原料,采用NITE制備獲得了結構致密的與CVD制備的SiC相類似的SiC基體。采用瞬態(tài)共晶技術同時添加助燒劑,2007年Shimoda可以將燒結溫度降低200～400 ℃。2011年Koyanagi等人研究表明該種方式制備的SiC陶瓷抗輻照腫脹性能良好。

2.2.3 等離子體放電燒結

為了進一步縮短燒結時間增加燃料芯塊的致密化程度,美國佛羅里達大學首次采用等離子體放電燒結(SPS)方式燒結全陶瓷微封裝燃料芯塊,同時還可以添加SiC晶須等。國內在2018年,Fangcheng Cao等人采用SPS方式制備出ZrO2核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊,密度為3.01 g/cm3,硬度19.2 GPa。

2.3 全陶瓷微封裝彌散燃料的組件設計及應用研究

全陶瓷微封裝彌散燃料研制的初衷就是為了取代傳統(tǒng)的壓水堆UO2燃料芯塊,在事故工況下提高燃料的安全性能。為了實現(xiàn)該目的,需要對比全陶瓷微封裝彌散燃料同UO2燃料在熱傳遞和能量釋放上的性能差異,因此2013年美國橡樹嶺國家實驗室提出了全陶瓷微封裝彌散燃料應用于壓水堆的研發(fā)內容：即研發(fā)燃料組件的中子性能、燃料核芯的熱工水力研究、運行安全性能以及合格性能評估等內容。

隨后美國和韓國分別針對上述研發(fā)內容,開展了全陶瓷微封裝彌散燃料在壓水堆上應用的相應設計工作,其中,一種應用設計是將UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料用于OPR-1000反應堆上,并設計了2種12×12和2種16×16組件排列形式,具體結果如表1所示。另外一種應用設計是將13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料用于替代西屋公司的17×17組件,具體結果如圖7、圖8所示。

表1 全陶瓷微封裝彌散燃料用于OPR-1000反應堆上的設計指標Table 1 Design index of the fully ceramic micro-encapsulated fuel utilizing in the OPR-1000 reactor

圖7 13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料設計指標Fig.7 Design index of the fully ceramic micro-encapsulated fuel in the 13×13 UN core

圖8 13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料布置圖Fig.8 Layout of the fully ceramic micro-encapsulated fuelin the 13×13 UN core

同步,為了擴充全陶瓷微封裝彌散燃料的應用,加快推進燃料發(fā)展,美國USNC還開展了全陶瓷微封裝彌散燃料用于重水堆的相關設計研究,并申請了相關專利,采用UN為核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊替代重水堆燃料的芯塊。

3 中核北方全陶瓷微封裝彌散燃料研究進展

3.1 研究概況

中核北方核燃料元件有限公司是中核集團公司的重要成員單位,是我國規(guī)模最大、種類最多、技術最全的核材料、核燃料研制生產(chǎn)基地。研制生產(chǎn)了我國絕大多數(shù)的生產(chǎn)堆、動力堆、研究堆燃料元件,為我國原子彈、氫彈的成功爆炸和核潛艇的順利下水做出了重要歷史貢獻。

進入21世紀,中核北方搶抓國家核電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的歷史機遇,全面推進核電燃料元件產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過引進、消化、吸收技術,先后建成了我國唯一的重水堆核電燃料元件生產(chǎn)線、AFA3 G核電燃料元件生產(chǎn)線、我國唯一的AP1000核電燃料元件生產(chǎn)線,實現(xiàn)了高溫氣冷堆球形元件制造技術的工程化應用,建成了全球首條商業(yè)化高溫氣冷堆球形燃料元件生產(chǎn)線。

與此同時,中核北方大力推進協(xié)同創(chuàng)新。在國家科技重大專項、核能開發(fā)、中核集團重點研發(fā)計劃等項目的支持下,依托公司所擁有的一個國家級企業(yè)技術中心和多個省部級研發(fā)平臺,積極致力于新一代核材料、核燃料關鍵技術研究,取得了大量科技創(chuàng)新成果。

在核燃料元件開發(fā)方面,掌握了CAP1400自主化燃料制造技術,于2016年研制出CAP1400自主化燃料定型組件,目前正在進行CAP1400自主化燃料先導組件研制；掌握了我國自主創(chuàng)新的環(huán)形燃料制造技術,于2018年研制出了首個環(huán)形燃料全尺寸力學試驗件；開發(fā)了海洋核動力平臺燃料組件及相關組件；掌握了ADS嬗變堆燃料組件制造技術,完成了多種試驗組件制造；參與了CF系列燃料組件制造技術開發(fā)。

在核材料研發(fā)方面,積極跟蹤世界核電技術發(fā)展趨勢,加快了第三代核電燃料元件和第四代核能系統(tǒng)燃料元件的探索和預研研究,系統(tǒng)開展了ATF、全陶瓷微封裝彌散燃料、NU芯塊、高熱導芯塊、SiC復合材料包殼管等新型核燃料芯體材料和包殼材料的研發(fā),為實現(xiàn)自主知識產(chǎn)權新型核燃料的研發(fā)打下良好的技術基礎。

3.2 全陶瓷微封裝彌散燃料研究進展

3.2.1 研究背景和目標

自2016年起,中核北方著手開始在ATF燃料方面開展相關研究,借助中核集團重點研發(fā)專項“龍騰2020”科技創(chuàng)新計劃——“核電耐事故燃料技術研究和核能開發(fā)項目——耐事故燃料關鍵技術研究項目”的支持,中核北方以突破全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結技術、無燃料區(qū)制備技術為目標,開展了大量深入細致的研究。

主要研究內容包括全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊中TRISO顆粒的均勻彌散排布、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊無燃料區(qū)的制備與精度控制、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊致密度的控制、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結后TRISO顆粒的球形度與完整性以及全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結后內應力的釋放等方面。目前已經(jīng)取得了一定的進展。

3.2.2 研究進展以及取得的成果

為了保障彌散燃料在運行過程中熱流密度的均勻性,中核北方專門開展了TRISO顆粒在SiC基體中均勻分散的研究,同時針對燃料中TRISO顆粒的分布的檢測評判方法進行了研究,分別采用X光呈像和金相檢測評價手段進行評價,綜合建立并形成了評價體系,結果表明中核北方制備的彌散燃料芯塊中的TRISO顆粒均勻分布在SiC基體內,如圖9所示。

圖9 不同TRISO顆粒含量的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊(含無燃料區(qū))的X光呈像Fig.9 X-ray image of the fully ceramic micro-encapsulatedfuel with different TRISO volume (with non fuel zone)

同對普通芯塊的要求一樣,全陶瓷微封裝彌散燃料要有一定的強度,因此就需要制備致密度較高的芯塊。中核北方針對SiC基體粉末粒徑和TRISO顆粒粒徑差異較大的特點,專門制備了相應的混料工裝和配方,既能保障彌散燃料芯塊的致密度和強度,又能確保燒結后的芯塊中TRISO顆粒的完整性和球形度。

圖10為制備的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊金相照片,SiC基質金相照片顯示,SiC基質內部結構較為均勻,其內部存在由助燒劑組成的第二相,且分布均勻。TRISO顆粒金相照片可以清晰看出顆粒外層4層包覆層,顆粒結構完整,在成型燒結過程中未發(fā)生破損現(xiàn)象。

圖10 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊金相照片F(xiàn)ig.10 SEM of the fully ceramicmicro-encapsulated fuel pellets

對燒結后彌散燃料芯塊中的TRISO顆粒表面包覆層各層成分進行定點EDS檢測,最外層包覆層的能譜結果如圖11所示,測試點的成分為C,幾乎不存在任何其他雜質,TRISO顆粒最外層包覆層為致密熱解C層。

圖11 TRISO顆粒最外層成分EDS檢測Fig 11 EDS chemical components results of outer layer for the TRISO particles

依照不同的應用方向和設計需求,針對不同TRISO顆粒裝量的彌散燃料芯塊,中核北方開展了系列研究,在保障芯塊密度、TRISO顆粒均勻彌散以及TRISO顆粒完整性的基礎上,目前可以獲得TRISO顆粒在彌散燃料中的體積分數(shù)范圍為0%～50%,X光成像圖如圖9所示。

為了進一步保障彌散燃料芯塊的安全性能,中核北方在TRISO顆粒彌散SiC基體芯塊的外圍又增加了一定厚度的無燃料SiC基體。這層基體既可以保障將TRISO顆粒全部封裝在SiC陶瓷基體中,又通過相應的應力釋放處理,以滿足在燒結和芯塊運行過程熱膨脹一致,不至于由于熱量釋放而導致芯塊開裂。目前可以采用不同工藝可以制備獲得厚度范圍在50～2 000 μm內的無燃料區(qū)。

圖12 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的無燃料區(qū)顯微結構Fig.12 Microstructure of the non-fuel zone for the fullyceramic micro-encapsulated fuel pellets

另外,為了證明全陶瓷微封裝彌散燃料的優(yōu)越性,中核北方對制備的全陶瓷微封裝彌散燃料開展了一系列熱物理性全陶瓷微封裝彌散燃料的熱物理性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的UO2芯塊。