耐事故燃料控制棒備選材料的燃耗分析

劉 勇，李滿倉，于穎銳，肖 鵬，婁 磊

(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，成都 610213)

近年來，以改善核燃料在嚴重事故下保持結構完整性能力為目標，國際核燃料領域出現了耐事故燃料(accident tolerant fuel，ATF)這一新的核電燃料研究方向。采用新的燃料材料、包殼材料和結構設計的ATF，可以減少或避免可燃氣體的產生，盡量減少裂變產物的泄漏，保持嚴重事故下核燃料結構的完整性，從而降低核電站發生大量放射性物質泄漏的風險[1]。

目前，壓水堆中常用的控制棒為不銹鋼導向管裝載Ag-In-Cd(AIC)材料。AIC合金的熔點小于800 ℃，且遠小于Zr合金燃料包殼在多種事故下發生強烈氧化現象時的溫度1 300 ℃，這意味著發生事故時，燃料棒還處于完整狀態，但控制棒已開始熔化。一旦控制棒受到破壞，將導致不可控的反應性引入，產生一系列后續事故[2-3]。由此可見，控制棒材料的選取在ATF研究中具有重要意義。隨著反應堆技術的發展，新型控制棒材料不斷出現[4-5]，研究人員從材料熔點、穩定性及控制棒價值等方面對ATF控制棒備選材料進行了研究和篩選[6-7]，但對備選材料的中子學特性研究尚不充分，如對控制棒價值隨燃耗的變化研究較少。備選的ATF控制棒材料應與傳統的壓水堆控制棒材料具有相當的控制棒價值，且控制棒價值不能隨燃耗加深出現較大的衰減，這樣才能滿足反應堆設計及反應性控制要求。本文選擇稀土元素的倍半氧化物(Eu2O3，Gd2O3，Sm2O3，Dy2O3，Er2O3)、Hf及HfO2等材料，研究了其控制棒價值隨燃耗的變化，為控制棒材料選型提供數據支持。……