新型鋯合金包殼材料商業反應堆輻照考驗方案設計

付 浩，林少芳，洪志強，林煜宇，張利斌，聶立紅，鄧勇軍

(1.生態環境部 核與輻射安全中心，北京 102401；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000； 3.大亞灣核電運營管理有限責任公司，廣東 深圳 518000)

對于一種新型鋯合金包殼材料，在商業反應堆中開展輻照考驗是研發過程中必不可少的關鍵環節。商業堆輻照考驗不但可直觀考察鋯合金包殼材料在未來真實服役條件下的輻照行為，還可利用池邊檢查和熱室檢查手段獲得包殼腐蝕、輻照蠕變和輻照生長等性能數據，為分析模型開發提供重要輸入。

在鋯合金材料研發過程中，國際核電發達國家積累了大量商業堆輻照考驗經驗[1-5]。近年來，隨著我國核電大規模發展，部分自主鋯合金包殼已經開展了有限的商業堆先導輻照考驗。但到目前為止，輻照考驗的燃耗水平依然偏低，如中國廣核集團CZ燃料棒近期已完成4個循環輻照，但燃料棒燃耗仍低于57 GW·d/tU；中國核工業集團有限公司N36包殼特征化組件燃耗接近52 GW·d/tU[6]。當前國內壓水堆核電機組燃料管理多采用18個月換料方式，按國家核安全局批準的52 GW·d/tU燃料組件燃耗限值考慮，燃料棒燃耗可能高達57 GW·d/tU。顯然，僅從燃耗水平看，現有考驗難以充分支撐自主鋯合金包殼的商業化應用，因此，有必要進一步開展更高燃耗的輻照考驗。然而，高燃耗考驗時存在的一些高燃耗現象，如燃料棒輻照生長更快、包殼腐蝕和吸氫更為嚴重等，使得高燃耗考驗的安全問題倍受關注。與此同時，國內在高燃耗考驗經驗的缺乏，也將使得執照申請難度增加。

本文將通過對國外鋯合金輻照考驗經驗的總結及自身實踐經驗，給出鋯合金包殼輻照考驗時在方案設計上的一般方法和堆芯安全評估、風險應對上的基本考慮，旨為國內鋯合金商業堆輻照考驗研究提供參考。

1 國外輻照考驗

國外鋯合金包殼材料的商業堆輻照考驗具有以下共同點：考驗分為基礎輻照以及加深燃耗兩個階段。基礎輻照階段的對象為一定數量的先導棒(裝載于成熟燃料組件中)，棒燃耗被控制在同時裝載的成熟合金燃料棒燃耗限值內；加深燃耗階段要求燃料棒燃耗超過現有限值。M5、ZIRLO、AXIOM、J合金的商業堆輻照考驗實踐列于表1[7-17]。

表1 國外鋯合金包殼材料商業堆輻照考驗經驗Table 1 Irradiation experience of zirconium alloy cladding in abroad commercial reactor

1.1 M5合金

法馬通公司(Framatome)于1995年在Three Mile Island電站(TMI)啟動M5合金[7]在美國的輻照考驗[8]。2組先導組件共包含8根先導棒[1]。編號NJ07VX組件和編號NJ07U9組件各經歷3個和2個循環的輻照，最大燃料棒燃耗約為50 GW·d/tU，小于美國核管理委員會(NRC)在該機組的批準燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU[9]。隨后，經歷3個循環的NJ07VX組件中的4根M5燃料棒被拔出并替換到NJ07U9組件中。2001年，重構組件裝載在堆芯的中心進行考驗。在加深燃耗考驗結束后，棒燃耗達到了68 GW·d/tU[8]。

1.2 ZIRLO合金

西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corporation)于1987年在North Anna電站對ZIRLO合金[10]進行了輻照考驗[11]。2組裝載ZIRLO先導棒的組件各經歷2個和3個循環的考驗，先導棒燃耗接近55 GW·d/tU[3]，低于該機組獲批的燃料棒燃耗限值60 GW·d/tU[12]。隨后，8根經歷3個循環輻照的ZIRLO燃料棒被替換到1個已經歷1個循環的淺燃耗組件中[13]。重構后的燃料組件于1999年入堆進行加深燃耗考驗[14]，最大棒燃耗達到了73 GW·d/tU。

1.3 AXIOM合金

西屋AXIOM合金[4]先導棒考驗于2006年在Byron電站啟動[15-16]，4組先導組件各包含16根先導棒。2008年，4組先導組件先后完成2個循環的輻照考驗，先導棒燃耗約為55 GW·d/tU，未超過該機組獲批的燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU。

2010年，16根AXIOM先導棒被拔出并插入到1個新燃料組件中，形成重構組件并裝載在堆芯中心經歷1個循環的輻照考驗，棒燃耗達到了75 GW·d/tU[4]。

1.4 J合金

J合金的先導考驗在Almaraz核電站開展[5,17]，4組先導組件于2006年入堆，每個先導組件各包含20或30根先導棒。其中，1組組件經歷了3個循環的輻照考驗，另外3組組件經歷了2個循環輻照考驗，最大棒燃耗約為60 GW·d/tU。隨后，若干根經歷2個循環輻照考驗的先導棒被拔出并替換至新燃料組件中形成重構組件。重構組件在經歷1個循環的考驗后，最大棒燃耗達到了68 GW·d/tU。

2 國內商業堆輻照考驗基本考慮

基于國外鋯合金輻照考驗經驗的總結及自身實踐經驗，新型鋯合金商業堆輻照考驗需要考慮方案設計、安全評估、風險應對等3個方面的因素，如圖1所示。

2.1 方案設計

1) 入堆方案

為盡量減少新型燃料設計對堆芯安全的影響、降低執照申請難度，新型鋯合金包殼材料通常都是以先導棒搭配成熟燃料組件構成先導考驗組件?？紤]到包殼材料在高燃耗下的輻照行為存在未知性，考驗分為基礎輻照以及加深燃耗兩階段進行，以逐步實現考驗目標。

圖1 新型鋯合金商業堆輻照考驗基本考慮Fig.1 Basic consideration of irradiation of new zirconium alloy in commercial reactor

基礎輻照階段一般通過2～3個燃料循環實現，先導棒燃耗需控制在國家核安全局批準的燃耗限值內；加深燃耗階段一般持續1個燃料循環，先導棒燃耗需要超過限值。棒燃耗受機組的循環長度影響。因此，在方案設計時，應結合電站的發電規劃和燃料管理方案，統籌考慮兩階段輻照考驗的燃耗指標，選擇合適的機組、合適的循環開展輻照考驗。

對于商業堆，經濟性也是其需考慮的重要方面。而為了獲取輻照后的包殼性能數據，則必須開展入堆前和出堆后的池邊檢查。在目前電站業主追求短大修工期的情況下，池邊檢查極有可能成為大修關鍵路徑，導致大修工期延長，從而影響機組的經濟性。為此，在方案設計時，還應詳細考察電站的實際情況，如預計的維修、大修工期等。

2) 堆芯布置方案

堆芯布置方案首要需要保證堆芯運行的安全性，因此要求裝載先導棒的組件應放置在堆芯非極限位置，即避開控制棒組件和堆芯熱點位置，組件燃耗控制在燃耗限值之內。對于加深燃耗考驗，考慮到高燃耗下材料輻照性能的未知性，國際上通常采用組件重構方式，即將少量經歷基礎輻照的燃料棒從組件中抽出再插入到新燃料組件或淺燃耗組件中，形成單組重構組件入堆輻照，在考驗組件燃耗不超限的基礎上實現少量先導棒燃耗超限，從而避免整組件加深燃耗帶來大量燃料棒以及組件骨架出現燃耗超限的情況。單組重構組件一般放置在堆芯中心進行考驗。

先導棒的燃耗是商業堆輻照的重要技術指標。棒燃耗不僅取決于機組的循環長度，還與堆芯內組件的裝載位置密切相關。因此，在保證堆芯安全的基礎上，堆芯布置方案還應通過堆內布置優化，使裝載先導棒的組件卸料燃耗達到較高水平。

2.2 安全評估

1) 核設計

由于材料成分不同，新型包殼材料的引入將對堆芯中子學性能造成影響。核設計需對堆芯關鍵設計參數進行影響評估，從而論證最終安全分析報告(FSAR)的相關結論依然適用。

在分析過程中，需關注在加深燃耗階段，核設計軟件對重構組件(重構組件中同時存在新、乏燃料棒)的適用性。

2) 熱工水力設計

基于考驗組件的設計特征(新型鋯合金包殼材料的先導棒裝載在成熟燃料組件中)，熱工水力設計需論證考驗組件的引入帶來的影響在可接受范圍內。

在分析過程中，由于新型包殼材料的引入，需關注先導棒的引入對組件熱工水力性能的影響。

3) 燃料性能

針對新型包殼材料，燃料性能分析需基于現有試驗數據建立與之匹配的分析模型以保守預測其堆內行為。

M5合金以及AXIOM合金的加深燃耗考驗中，NRC重點關注的先導棒高燃耗性能包括包殼腐蝕、燃料棒生長以及燃料棒內壓等[15,18]。

因此，分析模型需通過合理的外推以實現對關鍵參數的預測，外推預測結果的合理性最終需通過輻照后的池邊檢查結果進行確認。

4) 事故影響

在事故影響評估中，需評估新型鋯合金包殼材料的引入對先導棒在事故工況下行為的影響，論證先導棒的引入不會對事故驗收準則造成挑戰。

M5合金以及AXIOM合金先導棒入堆考驗時[19-20]，基于先導棒數目有限且包殼材料性能可預期，預計不會對已有的鋯水反應產氫量帶來顯著改變，因此獲得對10CFR50.44(輕水冷卻反應堆可燃氣體控制標準)的豁免。

因此，分析過程中，需關注現有事故分析模型、驗收準則對新型鋯合金包殼材料的適用性。

5) 機組運行影響

在機組運行影響評估中，主要評估輻照考驗方案對電站運行參數、大修工期等的影響。

2.3 風險應對

1) 在線輻照監督計劃

在輻照考驗期間，每循環通過監測一回路系統中的裂變產物放射性活度和不同裂變產物活度比值，對燃料包殼狀態進行密切的在線監督。如監測發現異常變化，將加強監測頻度并在大修檢查期間進行破損燃料組件識別。

2) 池邊檢查計劃

在輻照考驗期間，每循環輻照考驗結束后，對考驗組件進行目視檢查和尺寸檢查以確保組件及其部件的完整性。目視檢查主要包括包殼狀態、組件與棒變形等。尺寸檢查需包括燃料棒生長、組件生長、包殼氧化膜厚度等。

3) 燃料組件重構方案

從公開文獻未見組件重構在國內的實施先例；操作經驗的缺乏可能對現場實施帶來風險。需基于現場操作的提前演練，排除重構現場操作中的潛在風險。同時，考慮到在組件重構過程中，乏燃料棒需經歷拔出再插入的過程，其完整性存在風險。需評估組件重構過程中的包殼力學行為，保證包殼不發生破損。

3 結論

本文基于M5、ZIRLO、AXIOM以及J合金等國外鋯合金包殼材料的輻照考驗以及自身實踐經驗，對新型鋯合金商業堆輻照考驗的方案設計、堆芯安全評估、風險應對等方面進行了深入研究，形成以下結論。

1) 新型鋯合金包殼材料商業堆輻照考驗以先導棒搭配成熟燃料組件為考驗對象，分為基礎輻照(先導棒燃耗低于機組燃料棒燃耗限值)以及加深燃耗(先導棒燃耗需要超過限值)兩階段進行。在加深燃耗階段，建議采用組件重構方式形成考驗組件。

2) 基于輻照考驗方案，需要從核設計、熱工水力設計、燃料性能分析、事故分析等方面論證新型包殼材料的引入不會對堆芯安全造成影響；在分析過程中，需重點關注軟件模型、驗收準則對新型包殼材料的適用性。

3) 在方案實施過程中，需對在線輻照監督計劃、池邊檢查計劃、燃料組件重構方案進行提前策劃以降低實施風險。

本文針對新型鋯合金包殼材料商業堆輻照考驗形成的基本考慮，可為國內鋯合金輻照考驗研究提供參考。