污垢沉積對燃料包殼性能影響研究

傅先剛，蔡智毅，林煜宇，林少芳，李長征，鄧勇軍

污垢沉積對燃料包殼性能影響研究

傅先剛，蔡智毅，林煜宇，林少芳，李長征，鄧勇軍

（中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

壓水堆（PWR）一回路系統釋放的腐蝕產物（又稱為污垢）會沉積在燃料包殼表面。大量的污垢沉積不僅能夠引起堆芯軸向功率偏移異常（AOA，Axial Offset Anomaly），還會導致燃料包殼表面局部溫度升高，從而引起包殼氧化加速，嚴重情況下會導致燃料包殼腐蝕失效。燃料包殼垢致局部腐蝕（CILC，Crud-Induced Localized Corrosion）是導致燃料棒失效的重要原因之一。本文基于Ⅲ級污垢沉積風險評估方法，對某典型PWR電廠開展污垢沉積對燃料包殼性能影響的研究，評估各循環期間堆芯污垢最大沉積厚度以及污垢對燃料包殼氧化膜厚度的影響，為評估堆芯CILC失效風險提供依據。

污垢沉積；燃料包殼；CILC；風險評估

20世紀80年代以來，隨著壓水堆（PressurizedWaterReactor，PWR）電廠逐漸采用更長循環周期、更高燃耗及更高的功率峰因子運行工況，燃料的運行負荷變得更加苛刻。由于燃料包殼表面過冷泡核沸騰（Sub-cooled Nucleated Boiling，SNB）的作用，PWR一回路冷卻劑系統（Reactor Coolant System，RCS）中的腐蝕產物容易在燃料包殼表面形成沉積[1]，這種腐蝕沉積物被命名為Chalk River Unidentified Deposit[2]（CRUD，以下統稱為“污垢”）。

研究表明，燃料包殼表面沉積的污垢主要源于蒸汽發生器（Steam Generator，SG）傳熱管的腐蝕產物[3]。PWR電廠中常用的SG傳熱管材料主要有3種，分別為鎳基合金600、鎳基合金690和鐵基合金800。因此燃料包殼上的污垢成分主要包括鐵酸鎳、氧化鎳、金屬鎳及部分亞鉻酸鹽。一般而言，污垢主要集中沉積在燃料組件的中上部位，在硼酸局部富集于污垢的條件下，容易造成堆芯上部的中子通量降低，使得堆芯功率向下部偏移，此現象稱為軸向功率異常偏移（Axial Offset Anomaly，AOA）。由于污垢的熱阻效應，沉積在燃料包殼表面的污垢還會引起包殼外表面溫度升高，從而造成燃料包殼氧化加速，嚴重時導致包殼腐蝕失效。

20世紀90年代中期，美國在幾座高負荷電站中觀察到垢致軸向功率偏移（Crud Induced Power Shift，CIPS）現象，在隨后的幾年中，有四座電廠發生了垢致包殼腐蝕（Crud-Induced Localized Corrosion，CILC）失效事件。污垢沉積對燃料完整性和反應堆安全運行造成威脅，其對燃料包殼性能的影響引起業界廣泛關注[4,5]。因此，有必要開展污垢沉積對燃料包殼性能影響研究，評估燃料CILC失效風險。

1　污垢沉積風險評估方法

污垢沉積對燃料可靠性和堆芯安全運行的影響使得污垢評估在燃料設計驗證中愈發重要，特別是在發生燃料設計變更、堆芯運行環境變化、一回路水化學變化或大部件更換的堆芯設計中。根據國際上燃料可靠性導則，污垢沉積風險評估分為四個級別[6,7]。

1.1　Ⅰ級評估

Ⅰ級評估方法為采用中子學軟件和單通道SR（Steaming Rate）軟件對堆芯功率峰值及單通道熱工水力進行分析。Ⅰ級評估可以作為AOA風險評估的一部分，并且具有很明顯的優點：簡單、快速；但是該評估方法較為粗略，在燃料性能影響評估中所起的作用非常有限。

1.2　Ⅱ級評估

Ⅱ級評估方法為采用三維R分析軟件對堆芯蒸汽率（R）進行三維分析。根據初步沸騰模型污垢沉積原理[8]，對于相同的污垢質量源，燃料局部位置的R越高，污垢在該局部位置的沉積量越大；燃料沸騰表面積越小，沉積的污垢層厚度越厚。因此，Ⅱ級評估重點針對最大R和SNB總表面積的變化進行分析。

1.3　Ⅲ級評估

Ⅲ級評估方法為采用污垢評估軟件對堆芯的污垢沉積情況和硼沉積情況進行分析。過冷泡核沸騰面積、腐蝕產物濃度和局部水化學條件會相互作用，最終對污垢的沉積質量及硼沉積產生影響。污垢評估模型應明確考慮與AOA形成相關的三個主要因素：包殼表面過冷泡核沸騰、腐蝕產物沉積和包殼表面污垢中硼沉積。Ⅲ級評估需要熱工水力學軟件提供熱通量和燃料組件的熱工水力條件作為輸入，采用全系統腐蝕產物釋放與沉積的質量平衡方法來計算堆芯的污垢沉積情況和硼沉積情況。

1.4　Ⅳ級評估

Ⅳ級評估方法為采用CFD（computational fluid dynamics，CFD）程序對燃料包殼表面局部溫度在軸向和徑向上的變化進行精確的評估分析。Ⅳ級評估最為復雜，理論表明由于燃料組件通道結構及格架的影響，燃料棒包殼周圍的表面傳熱系數存在差異，使用CFD分析耦合污垢質量能夠最為完整地評估堆芯內燃料組件的運行工況。目前用于評估堆芯污垢沉積風險的CFD程序尚未被充分論證，該評估方法仍然處于研究階段。由于CFD分析的復雜性及該方法的經驗缺乏，Ⅳ級風險評估僅用于特殊情況。

2　污垢沉積與包殼腐蝕評估

如第1章節所述，污垢沉積風險評估方法分為四個等級，I、Ⅱ級評估方法并未直接對污垢行為進行分析計算，評估方法較為粗略，難以準確評估堆內污垢沉積風險；而Ⅳ級評估方法目前仍處于研究驗證階段，沒有成熟的試驗數據和電廠應用來驗證該計算模型的準確性，尚不適用于工程分析評估。Ⅲ級評估方法經過國際研究機構的驗證，具有較為成熟的工程應用經驗，對污垢沉積風險評估具有良好的準確性和可參考性。因此，本文采用Ⅲ級評估方法，以某典型PWR電廠為例，采用中廣核自主研發的污垢行為分析軟件[9]對首循環（CY01）和兩個過渡循環（CY02、CY03）的污垢沉積行為進行分析評估，并對后續平衡循環的污垢沉積進行計算，評估燃料CILC風險。

2.1　計算流程

污垢沉積是一個多物理場多尺度的復雜物理化學現象。Ⅲ級評估首先使用3D堆芯核設計程序計算堆芯的功率（即熱流密度）分布；之后，堆芯功率分布作為輸入條件提供給熱工水力設計程序，以計算堆芯內各通道的過冷泡核沸騰率和局部的熱工水力參數；最后，使用污垢行為分析軟件對腐蝕產物的釋放、污垢沉積量、污垢沉積分布和硼酸在污垢中的沉積進行評估。Ⅲ級評估簡要計算流程如圖1所示。

圖1　Ⅲ級評估簡要計算流程圖

2.2　計算輸入

本文的計算輸入基于某典型PWR電廠數據，其主要參數如表1所示。

表1　典型PWR電廠主要參數表

由于堆芯分布具有對稱性，本文采用1/4堆芯結構作為污垢沉積評估輸入，1/4堆芯組件通道分布如圖2所示。每個組件由4個子通道組成，共177個子通道，通道參數與熱工水力輸出文件中的參數保持一致。

2.3　計算結果

2.3.1污垢沉積及分布

燃料包殼污垢沉積風險評估計算采用迭代方式進行，首循環（CY01）計算中初始污垢質量采用假定值，為后續循環的迭代計算提供初始條件。污垢評估計算結果中的堆芯最大污垢厚度是燃料包殼CILC風險評估中的重要參數。表2為電廠首循環（CY01）、兩個過渡循環（CY02、CY03）和一個平衡循環（EQ01）的堆芯最大污垢沉積厚度計算結果。結果表明，堆芯在所計算的循環內最大污垢厚度均不超過50 μm，即低于國際燃料可靠性導則所推薦的污垢沉積風險Ⅲ級評估閾值[6]。因此，堆芯在這四個循環內發生CILC失效的風險較低。

表2　堆芯最大污垢厚度計算結果

* 非真實計算數據，已按一定百分比做保密處理

圖2　1/4堆芯組件通道分布圖

PWR電廠首循環、過渡循環和平衡循環的堆芯最大污垢厚度隨運行時間的變化曲線如圖3所示（圖3縱坐標數據已做保密處理）。從圖3可以看出，堆芯最大污垢厚度隨運行時間的增加呈上升趨勢，其中過渡循環和平衡循環在循環初期出現最大污垢厚度平緩上升甚至是降低現象，主要是由舊組件表面的污垢在堆芯中重新溶解與再分布行為所致。圖4展示了四個循環末最大污垢厚度沿燃料組件軸向高度的分布情況（圖4縱坐標數據已做保密處理）。從圖4可以看出，四個循環末堆芯最大污垢厚度沿軸向高度的分布規律基本一致，即污垢主要集中沉積在燃料組件上部，這與實際PWR電廠燃料池邊檢查結果相一致[7,10,11]。這是因為過冷泡核沸騰通常發生在燃料組件上部區域，而腐蝕產物在燃料包殼表面上的沉積主要受過冷泡核沸騰程度控制。

圖3　堆芯最大污垢厚度隨運行時間的變化曲線

圖4　最大污垢厚度沿燃料軸向高度分布圖

2.3.2燃料包殼腐蝕影響

將污垢評估計算得到的污垢厚度作為燃料棒設計驗證的輸入，采用燃料棒性能分析軟件計算考慮污垢后的燃料包殼氧化膜厚度，分析評估燃料包殼表面的污垢沉積對包殼腐蝕性能的影響。

首先，定位平衡循環EQ01中污垢厚度最大的燃料組件；其次，根據堆芯燃料管理方案確定該組件在后續循環中的位置，通過污垢評估迭代計算出該組件在后續循環中的污垢厚度；最后，采用燃料棒性能分析軟件計算考慮污垢的燃料包殼氧化膜厚度。

根據堆芯燃料管理方案，平衡循環EQ01中污垢最厚的燃料組件在堆內經歷了兩個平衡循環（EQ01、EQ02）。燃料包殼氧化膜厚度計算結果如圖5所示（圖5縱坐標數據已做保密處理），計算采用每個循環燃料包殼表面均處于該循環最大污垢厚度作用的保守假設。計算結果表明，包殼表面的污垢沉積會對包殼氧化膜厚度產生影響，但距離氧化膜厚度設計限值100 μm仍有較為充足的裕量。因此，含垢層的氧化膜厚度仍滿足燃料棒設計準則要求，進一步論證了燃料發生CILC失效的風險較低。

圖5　燃料包殼氧化膜厚度計算結果

3　總結

本文基于Ⅲ級污垢沉積風險評估方法，對某典型PWR電廠開展污垢沉積對燃料包殼性能影響的研究，計算得出各循環期間堆芯污垢最大沉積厚度以及污垢對燃料包殼氧化膜厚度的影響。計算結果表明：每個循環的堆芯最大污垢厚度以及相鄰兩個循環的堆芯最大污垢厚度增量均小于風險閾值，燃料包殼氧化膜厚度未超過設計限值，燃料發生CILC失效的風險較低。

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Effect of Crud on the Performance of Fuel Cladding

FU Xiangang，CAI Zhiyi，LIN Yuyu，LIN Shaofang，LI Changzheng，DENG Yongjun

（China Nuclear Power Technology Research Institute，Shenzhen of Guangdong Prov. 518000，China）

The corrosion products (also called “crud”) released from the primary system in pressurized water reactors (PWRs) can be deposited on the fuel cladding surface. Lots of the deposited crud can not only cause the axial offset anomaly (AOA), but also cause the localized temperature arising on fuel cladding surface, and then can induce cladding corrosion accelerated, can even more lead to the fuel failure. Crud induced localized corrosion (CILC) is one of the important causes for fuel failure. In this paper, the effect of crud on the fuel cladding performance of typical PWR plant is studied by the level Ⅲ risk assessment methodology. The maximum crud thickness during the cycles and the influence of crud on the cladding oxide layer thickness were evaluated, which provides the basis for assessing the risk of CILC.

Crud deposition; Fuel cladding; CILC; Risk assessment

TL352

A

0258-0918（2023）03-0489-05

2022-09-15

國家自然科學基金（U20B0211，針對堆芯氧化腐蝕產物材料-熱工-中子行為的多物理耦合機理）；國家自然科學基金（52171085，模擬壓水堆一回路冷卻劑中燃料包殼管表面污垢沉積行為與機理研究）

傅先剛（1962—），男，山東濰坊人，研究員級高級工程師，現主要從事燃料性能相關研究