大晶粒UO2芯塊及包殼涂層對燃料棒設計準則的影響分析

尤? 龔辛 李聰

（上海核工程研究設計院有限公司 上海 200233）

在2011年福島第一核電站事故之后，為了解決UO2芯塊-Zr 合金包殼燃料體系在嚴重事故下的安全性問題，國際核工業界提出了耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的概念，并投入大量資源開始了研發設計［1?3］。ATF 一般是以替換現有的及即將建造的商業輕水反應堆中的傳統UO2芯塊-Zr合金包殼燃料組件、提升反應堆的安全性為目的進行研發的。在眾多ATF 概念設計中，既有對原有UO2芯塊和鋯合金包殼材料進行改進的方案，也有徹底拋棄UO2燃料和Zr合金材料而使用新材料設計ATF燃料組件的方案［4?9］。經近10年的研發，目前國內外ATF 的研發已經呈現逐漸聚焦到：1）大晶粒UO2燃料芯塊；2）鋯包殼表面涂層；3）FeCrAl 包殼；4）SiCf/SiC 復合陶瓷包殼這幾類技術方案的趨勢。其中，前兩者是被普遍認為最有望在短期內得到商業應用的技術方案。而后兩者從根本上替換了原有的鋯合金包殼，在抗高溫氧化和抑制產氫方面有巨大的提升，但由于材料特性與原有材料差異巨大，要使其實用化仍有不少關鍵問題需要克服。

大晶粒UO2燃料芯塊是通過添加具有促進UO2晶粒生產的添加劑（Cr2O3、Al2O3等）、調節芯塊燒結條件等方法，將UO2燒結芯塊的晶粒尺寸由數微米增大至數十微米的一種改良型UO2芯塊［10?12］。由于晶粒尺寸的增大，在輻照過程中UO2晶粒內部產生的裂變產物更難到達晶界并釋放至芯塊外部，從而減少裂變氣體的釋放率［13］。而且，這類大晶粒UO2芯塊在使用溫度下的力學性質更“軟”，可降低在反應堆功率瞬態下芯塊-包殼機械相互作用（Pellet-Cladding Mechanical Interaction，PCMI）導致包殼破裂的幾率。……