耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究_尹春雨.pdf

文章编号：0258-0926(2023)02-0136-09;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0136耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究尹春雨1,2，高士鑫1,2，钱立波2，秦雪2，吴磊2，张渝2，崔怀明2，肖忠2，苏光辉11.西安交通大学核科学与技术学院，西安，710049；2.中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都，610213摘要：为明确未来高性能压水堆（PWR）可采用的耐事故燃料（ATF）元件设计方案，本研究采用燃料性能、核设计、反应堆热工安全的适用分析方法，从安全性、经济性和燃料性能等方面对几种潜在的ATF 设计方案进行综合分析。结果表明：采用 SiC 复合包壳高铀密度燃料的方案较好；由于高铀密度燃料（包括 UN、U3Si2及 UN-U3Si2复合燃料）各自均具有鲜明的特点，其中 UN-U3Si2复合燃料在理论上可以成为高铀密度燃料的一大特色，但从中子经济性的角度考虑需要将 UN 中15N 进行富集，而目前的富集技术将大大提高该型燃料的制造成本。因此本研究建议高性能 PWR 的 ATF 燃料元件设计宜选择 SiC 复合包壳U3Si2燃料的设计方案。关键词：耐事故燃料；SiC 复合包壳；高铀密度燃料；燃料性能中图分类号：TL334文献标志码：AAnalytical Study on Accident Tolerant Fuel Used in the HighPerformance Pressurized Water ReactorYin Chunyu1,2,Gao Shixin1,2,Qian Libo2,Qin Xue2,Wu Lei2,Zhang Yu2,Cui Huaiming2,Xiao Zhong2,Su Guanghui11.School of Nuclear Science and Technology,Xian Jiaotong University,Xian,710049,China;2.Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory,Nuclear Power Institute of China,Chengdu,610213,ChinaAbstract:In order to determine the accident tolerant fuel(ATF)element design schemes forfuture high performance pressurized water reactor (PWR),this study comprehensively analyzesseveral potential ATF design schemes from the perspectives of safety,economical efficiency andfuel performance by using the methods applicable to the analysis of fuel performance,nucleardesign and reactor thermal safety.The results show that the scheme of using SiC composite cladding+high uranium density fuel is good.High uranium density fuel includes UN,U3Si2 and UN-U3Si2composite fuels,each of them has distinct characteristics,Among them,UN-U3Si2 composite fuelcan theoretically develop its strengths and avoid its weaknesses and become one of thecharacteristics of high uranium density fuel.However,from the perspective of neutron economy,itis necessary to enrich 15N in UN,and the current enrichment technology will greatly increase themanufacturing cost of this type of fuel.Therefore,the design scheme of SiC composite cladding+U3Si2 fuel should be selected for the design of ATF fuel element of high-performance PWR.Key words:Accident tolerant fuel,SiC composite cladding,High uranium density fuel,Fuelperformance 收稿日期：2022-04-22；修回日期：2022-10-17作者简介：尹春雨（1982），男，研究员级高级工程师，现主要从事燃料元件及其相关组件设计和研究工作，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023 0 引言核电的发展对我国能源结构的优化有积极作用，也符合党中央提出的“双碳”目标，同时近年来也已实现了“华龙一号”“国和一号”第三代核电技术、CF 系列自主商用燃料技术等突破。未来核电技术的进一步发展或跨越，必然需要与新型燃料等颠覆性技术发展紧密结合，大胆创新，以实现经济性和安全性的同步大幅提升，亦即高性能压水堆（PWR）。耐事故燃料（ATF）以大力提升燃料固有安全性为目标，是核燃料领域的研究热点。ATF 通过采用更加先进的材料（如U3Si2燃料1、环形燃料2、UO2-BeO3和 UO2-SiC 掺杂燃料4以及 Cr 涂层5、FeCrAl 合金6、SiC 材料7等包壳材料），能够有效降低堆芯中心温度，增大核电厂的安全裕度，可从根本上提高核反应堆安全性能，抵御严重事故，有效缓解事故后果8。因此，ATF 是应用于未来高经济性、高安全性等高性能 PWR 堆芯的良好潜在对象。但由于 ATF 燃料本身具有多种燃料和包壳的组合，为明确未来高性能 PWR 用 ATF 燃料元件型式，本研究从燃料性能、核设计、反应堆热工安全等方面，对几种潜在的 ATF 设计方案进行了分析阐述，结合各种燃料型式的安全性和经济性，给出了采用的 ATF 燃料元件设计方案，为后续进一步提高反应堆的安全性能和经济性能提供理论支撑。1 潜在设计方案我国在 ATF 研发中选择的燃料和包壳候选材料主要有：Cr 涂层包壳、FeCrAl 包壳、SiC包壳、高铀密度燃料（包括 UN、U3Si2、UN-U3Si2复合燃料）和陶瓷基弥散微封装燃料（CDM）。CDM 由三元结构各向同性（TRISO）燃料弥散于 SiC 基体形成。考虑现役燃料，ATF燃料元件可组合而成的设计方案有如下 6 种：Cr 涂层包壳+UO2燃料；FeCrAl 包壳+UO2燃料；Cr 涂层包壳+高铀密度燃料；FeCrAl包壳+高铀密度燃料；SiC 包壳+高铀密度燃料；SiC 包壳+CDM。第 1 种方案（Cr 涂层包壳+UO2燃料）因为与现有堆芯匹配良好、技术成熟度相对较高，成为 ATF 聚焦的近期重点攻关方案，美国、法国和俄罗斯已分别于 2018 年 3 月、2019 年 4 月、2021 年 9 月实现了商用堆辐照9-11。我国中核集团也于 2021 年 11 月在国内率先实现了商用堆辐照。第一种方案也是我国ATF 的近期重点攻关方向。方案 2 至方案 6 均属于中远期方案，本文主要对这几种方案开展分析，但第 6 种方案与 UO2燃料相比，为达到与传统 Zr 包壳+UO2燃料相当的堆芯循环长度和组件卸料燃耗深度，需提高铀的富集度、提高燃料球体积份额、增大 TRISO颗粒核芯尺寸、改变核芯外包覆层壁厚等。但在现有的燃料富集度限制下，5%富集度 CDM 燃料远远无法达到现有商业压水堆的燃耗目标，即 SiC 包壳+CDM 燃料组件不适用于现有 PWR堆芯。因此，对未来高性能 PWR 选择第 25 种为对象进行分析论述，尽可能在相同的设计框架下进行设计方案评估。2 方案分析目前商用燃料最主要的技术指标就是燃料燃耗，其代表一种型号燃料的先进性和应用潜力；在燃料经济性方面，主要的指标就是中子经济性；提高燃料的耐事故性能是 ATF 的重要任务。限于篇幅，本研究对各备选方案进行分析时，安全性方面主要针对较具代表性的大破口失水事故进行分析；核设计方面主针对从中子经济性进行分析；燃料性能方面主要从燃料燃耗和包壳运行工况下进行分析。2.1 FeCrAl 包壳+UO2燃料 2.1.1 燃料棒性能分析燃料棒计算采用 PWR核电厂中成熟的燃料棒性能分析程序，并输入了自主研发的最新 ATF 材料性能模型，该分析方法在中国核动力研究设计院承担的燃料棒试验堆辐照、商用堆辐照的过程中，起到了数值模拟预测的重要作用，但现阶段实验数据较少，模型验证其实还并不充分，后续结合辐照数据开展进一步的验证和修正。本方案的特点在于包壳材料由传统的 Zr 包壳更换为 FeCrAl 包壳。相比于 Zr包壳+UO2燃料，FeCrAl 包壳在高温下的力学性能和耐腐蚀性能优良。FeCrAl 包壳壁厚为0.35 mm时，PWR 中 FeCrAl 包壳燃料组件采用 4.6%富集度的 UO2可保持与 PWR 下 Zr 包壳燃料组件采用 4.45%富集度的 UO2基本相当的循环长度。尹春雨等：耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究137 因此，在本方案中，FeCrAl 包壳的壁厚为0.35 mm，外径仍为 9.5 mm，块直径 8.632 mm。以秦山 II期长循环的最深燃耗燃料棒作为分析对象，假设 FeCrAl 包壳与 M5 包壳外径、相应组件结构、辐照时间不变，UO2燃料富集度为 4.6%，M5 包壳燃料棒的 UO2燃料富集度为 4.45%，FeCrAl包壳燃料棒、M5 包壳燃料棒性能计算结果对比见表 1。从表 1 中可以看出，由于 FeCrAl 包壳中子经济性较差，在相同的辐照时间内，即使FeCrAl 包壳燃料棒的富集度更高，但其燃耗也相对较低，因此燃料的裂变气体释放量和燃料棒内压也较低。表 1 FeCrAl 包壳燃料棒、M5 包壳燃料棒性能对比Tab.1 Performance Comparison of FeCrAl and M5Cladding Fuel Rods参数名FeCrAl包壳燃料棒M5包壳燃料棒寿期末燃耗/MWdt1(U)5396359999裂变气体释放量/%1.43.1燃料棒内压/MPa8.19.8包壳轴向生长量/%0.81.2 2.1.2 中子经济性分析本文中子经济性分析采用中国核动力研究设计院开发的 NESTOR 软件包。目前 NESTOR 软件包通过各核电厂机组运行数据、国际相关基准题和试验数据，以及“华龙一号”机组特性相关试验数据验证，计算精度达到国际同类软件水平，并已在福清核电厂 5、6 号机组中得到应用。NESTOR 中用于堆芯物理设计的主要包括组件中子输运计算软件KYLIN 和堆芯中子学计算软件 CORCA-3D。在相同燃料富集度下 Zr 包壳+UO2燃料和 FeCrAl包壳+UO2燃料无限增殖因子 kinf随燃耗深度变化见表 2。可以看出，在相同燃料富集度下，FeCrAl包壳+UO2燃料在各燃耗深度下的 kinf均比 Zr 包壳+UO2燃料小。可见相比于 Zr 包壳，由于 Fe和 Cr 对中子的吸收作用更大，FeCrAl 包壳的中子经济性较差