压水堆环形燃料组件研发进展

Vol. 54,Suppl.
Sep 2020
第5 4卷增刊
2020年9月
原子能科学技术
AtomicEnergyScienceandTechnology
压水堆环形燃料组件研发进展
季松涛，韩智杰，何晓军,李卓群
(中国原子能科学研究院，北京102413)
摘要：与传统棒状燃料相比，环形燃料元件具有两个冷却表面，传热面积-体积比增加，芯块导热路径减
小，能大幅降低燃料峰值温度，可在保持充分安全裕度的条件下，有效提升反应堆功率密度$本文简要
总结了美国、韩国等国家环形燃料技术发展状态，介绍了我国正在开展的环形燃料设计、设计验证和制 造技术等方面的研发进展，展望了环形燃料的应用前景$
关键词：双面冷却；环形燃料；研发进展
中图分类号:TL352
文献标志码:A 文章编号：1000-6931(2020)S0-0240-06
doi ： 10. 7538/yzk. 2020. zhuankan. 0440
Progress of Research and Development
on Annular Fuel Assembly for PWR Application
JI Songtao , HAN Zhijie , HE Xiaojun , LI Zhuoqun
(.China Institute of Atomic Energy , Beijing 102413, China )
Abstract : Compared with traditional sold fuel rod , annular fuel rod has double cooled
surfacesthat maketheratioofsurfacetoarea-volumeforheattransferincrease ,the path of heat conduction shorten , and the peak temperature of fuel pe l et decrease
sharply&Therefore , annularfuelcanincreasethepowerdensityofthereactorcorewhile maintainingasu f icientsafetymargin&ThetechnicalstatusofannularfuelintheUnited States , Korea and other countries was summarized briefly. The progress of research and developmentontechnologiesforannularfueldesign , validationexperimentand manu- factureinChinawasshown&Theprospectiveapplicationsofannularfuelwerealsogiven
inthispaper&
Key words : double cooled surfaces ； annular fuel ； progress of research and development
核能技术的发展一直在致力于降低反应堆 成本并提高安全裕度，核燃料元件是直接影响 反应堆输出功率及安全性能的关键部件，采用
高性能燃料元件是提高反应堆安全性和经济性 最直接和有效的手段$多年以来，各核燃料供 应商通过持续优化燃料组件的设计、采用性能
更好的包壳材料等方式,不断提高燃料的性能$
通过优化棒状UO 2-Zr 燃料的方式大幅提升燃
料性能的空间已经非常有限，采用双面冷却环
形等新型结构来进一步提高燃料性能，成为一 种必然的选择$
本文将概括国外环形燃料研发技术状态,
收稿日期：2020-06-24；修回日期：2020-07-27
作者简介:季松涛(1967-),男，江苏南京人，研究员，博士，从事核燃料及安全研究
增刊季松涛等：压水堆环形燃料组件研发进展241
总结我国的压水堆环形燃料研发进展，展望环形燃料应用前景。

1国外研究进展
环形燃料元件由内外两层包壳及中间的环形芯块组成，如图1所示。

环形燃料元件内部也有1个冷却剂通道，提高了燃料元件传热面积-体积比，减少了芯块传热路径，有效降低了燃料温度「门。

相关分析表明，环形燃料具有以下潜在的优势：1）燃料元件功率密度高，单位组件输出功率大，可提升反应堆经济性；2）芯块运行温度低，燃料储能少，可提高反应堆安全性；3）与传统的UO2-Zr燃料系统相容，对现有燃料循环体系没有不利影响。

当然，环形燃料组件研发也需要解决一系列新的技术问题，如内外通道的流量和热量的匹配、内管的焊接和检测以及两个通道引起的特殊安全问题等。

图1棒状燃料元件和环形燃料元件横截面示意图
Fig.1Illustrations of sections
ofsolidandannularfuelrods
国际上，美国和韩国曾相对系统和全面地开展了环形燃料研究，其他国家仅开展过一些应用探索研究。

$1美国
从2001年开始，在美国能源部资助下，麻省理工学院（MIT）、西屋公司、法玛通公司、加拿大原子能公司、伽马工程公司等单位联合开展了环形燃料研究。

研究目的是评估利用环形燃料新建下一代先进核电厂以及升级改造现役压水堆核电厂的可行性。

研究内容涉及堆芯物理分析、热工水力分析、安全分析、燃料制造、辐照性能研究以及经济性分析等方面。

MIT从最小偏离泡核沸腾比（MDNBR）的角度出发，确定了13X13型环形燃料组件为最优的设计方案。

该设计可使环形燃料具有更高的MDNBR，安全裕量更大「2+。

堆芯物理分析结果表明，环形燃料对反应堆物理性能影响很小，可通过适当提高燃料富集度或燃料密度的方式抵消增加包壳造成的中子损失囚。

热工水力分析表明，在相同功率水平下，环形燃料的芯块平均温度及芯块峰值温度较棒状燃料的低，即使在堆芯功率提升50%的条件下，芯块峰值温度也较棒状燃料的低1300C⑷。

由于芯块温度更低，燃料储能减少，环形燃料具有更好的抵御失水事故（LOCA）的能力。

分析结果显示，在LOCA喷放阶段，包壳不再出现温度峰值，在绝热升温时,包壳温度峰值有更大的安全裕量。

在堆芯功率提升50%时，包壳峰值温度仍低于1200C囚。

燃料性能分析结果显示，燃料芯块的温度低、气体释放少，这得到了堆内辐照试验的印证「6+。

在制造技术研究方面，现有核燃料传统“压制-烧结”方法可制造出满足设计要求的环形燃料芯块「7+。

美国研究结果表明，在各项设计指标均满足核电厂安全性要求的条件下，在现役核电厂中使用环形燃料元件提升功率20%〜30%是可行的；新建压水堆中采用环形燃料，同等大小堆芯的反应堆功率可较采用传统棒状燃料提升50%「8+。

环形燃料在经济性和安全性方面均具有明显优势。

1.2韩国
从2007年开始，由韩国原子能研究院（KAER I）主持，韩国计算流体工程协会、机械工程协会、磨擦润滑工程协会、科学技术研究院和核安全研究院等多家科研机构联合开展了“环形燃料组件结构设计研究-目标是将环形燃料应用于现役OPR1000反应堆中，以提升功率20%「9+。

研究内容包括反应堆堆芯设计、环形芯块制造、内外包壳制备、堆内辐照试验、热工水力设计及试验、燃料组件及相关组件机械设计和试验等。

为能替代OPR1000反应堆组件，KAERI 设计了定位格架、导向管、上下端塞等部件，形成12X12型环形燃料组件设计，并开展了关键结构部件及组件验证试验
*10+;在此基础上，完成了堆芯总体设计、安全分析、热工水力分析，结果显示OPR1000环形燃料堆芯慢化剂温度
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原子能科学技术 第54 卷
系数和停堆裕量满足设计要求，较传统棒状燃 料具有更好的安全性「11+;制造技术研究主要集
中在环形芯块、内外包壳制造及焊接方面*12+, 研制出了满足技术要求的环形燃料芯块及全尺
寸燃料试验组件；在HANARO 堆开展了环形 燃料辐照试验*13+,研究不同烧结密度环形燃料芯
块的辐照性能，最高局部燃耗达到了 10.9 MW ・
d/kg(U),最高芯块温度为700 d ，结果显示由
于燃料温度更低,燃料肿胀较小。

KAERI 的研究表明，现役OPR-1000采用环
形燃料提升反应堆功率20%是完全可行的*14+ $ 1・3其他国家
除美国、韩国曾较深入地开展了环形燃料
研究之外，伊朗、埃及、新加坡、加拿大等国的学 者也曾开展了一些环形燃料可行性研究$伊朗
伊斯法罕理工大学、设拉子大学等单位联合研 究结果显示，在保证足够热工安全裕量的前提
下，VVER-1000反应堆采用环形燃料可使现有 堆芯功率提升到129%"16+。

埃及原子能机构 和亚历山大大学的联合研究结果表明，使用环
形氮化铀燃料可将AP1000的反应堆功率提升
25%「17+。

埃及核与辐射管理局论证了 VVER -
1000采用环形钍基燃料元件的可行性「18+。

新
加坡南洋工学院研究结果表明，铅冷快堆中使 用环形燃料可提升反应堆功率10%，并能大幅
降低燃料峰值温度约750 d 「19+。

加拿大开展 了环形燃料用于重水堆的研究「20+。

伊朗伊斯
法罕大学开展了采用环形燃料设计「21+及优 化「22+小型反应堆Nuscale 的研究，结果显示，
从燃料管理的角度出发，环形燃料堆芯增加了 额外的反应性，可延长换料周期；减少了堆芯压 降，使功率分布及冷却剂速度分布更加均匀，增
强了反应堆自然循环能力$
2 国内研究进展
我国从2007年开始跟踪环形燃料研发进 展,2010年正式启动环形燃料的研发工作，发
展路线如图2所示$迄今为止，通过一系列的 研究，突破了环形燃料设计、制造、试验等方面
的多项关键技术，取得了显著的进展$
2.1堆芯设计及分析技术
1)设计软件
针对环形燃料堆芯和组件特点，开发形成
了 1套设计分析软件$在堆芯核设计方面，建 立了压水堆CMS5分析程序系统，利用环形燃 料零功率物理试验数据及KAERI 的环形燃料 物理分析程序DeCART/MASTER 计算结果
进行了校验，验证了该程序系统的有效性和可 靠性「23+;在热工水力设计及分析方面，通过建 立环形燃料元件双面传热、内外通道流量分配
等关键模型，开发出环形燃料子通道热工水力
分析程序MARC ，并利用美国VIPRE-01和韩 国KAERI MATRA-AF 程序对 MARC 程序
进行了稳态及瞬态计算验证，结果表明MARC
图2我国环形燃料组件研发路线图
Fig. 2 Roadmap of developing annular fuel assembly in
China
增刊季松涛等：压水堆环形燃料组件研发进展243
程序具备全环形燃料堆芯以及棒状-环形燃料混合堆芯的热工水力分析能力;在燃料堆内辐照性能分析方面，开发出环形燃料元件稳态性能分析程序AFPAC V1.0以及环形燃料元件瞬态性能分析程序，并进行了初步验证;在安全分析方面，开展了设计基准事故分析「旳和严重事故分析模型开发"6+,通过模型研究及验证，初步建立了环形燃料堆芯设计基准事故、严重事故分析的能力。

2）堆芯设计及分析
开展了秦山二期全环形燃料堆芯（提升50%功率）概念设计和分析、秦山二期“全棒状燃料堆芯”向“全环形燃料堆芯”过渡方案研究、秦山二期使用全环形燃料提升功率15%可行性研究、先导组件入秦山二期辐照考验混合堆芯的设计和分析以及先导组件入福清核电1号机组考验混合堆芯设计和分析$环形燃料元件堆内稳态性能分析结果显示，与传统棒状燃料元件相比，相同运行条件下，环形燃料元件温度低、变形小、裂变气体释放份额小、内部压力低，表明轻水堆采用环形燃料元件有利于提高反应堆安全性能$
2.2组件结构设计及验证
1）组件结构设计
通过堆芯物理、热工水力、元件性能分析和验证试验的相互反馈，完成了13X13环形燃料先导组件设计$先导组件和现有的棒状组件外形尺寸一致，且物理、热工和结构和现有压水堆堆芯相容。

该组件由燃料骨架、上管座及160根环形燃料棒组成$其中燃料骨架由8根导向管、1根仪表管、11个定位格架和下管座组成$燃料元件由环形芯块和压紧弹簧装入Zr-4合金内外包壳管内，并在内外包壳管两端加端塞封焊形成$
2）试验验证
针对组件设计，开展了一系列的热工水力试验，包括传热、内管临界热流密度、关键部件水力和全尺寸组件水力以及流致振动等试验$获得了环形燃料元件内管临界热流密度、燃料组件关键部件流动阻力特性、环形燃料小组件外通道传热特性、全尺寸组件水力特性和流致振动等数据$研究表明环形燃料在试验工况范围内无流动不稳定性问题，内管临界热流密度得到了KAERI的验证$
载荷试验验证了在正常工况、异常工况及事故工况下先导组件下管座的结构体均处于弹性阶段$载荷试验还验证了在落棒载荷、运行载荷、运输载荷、吊装载荷下先导组件上管座的结构体均在弹性阶段$试验获得了两种定位格架静态刚度系数和动态载荷-角度关系曲线$开展了一系列的环形燃料全尺寸组件力学试验，主要包括:横向强迫振动、横向自由振动、倾斜自由振动、倾斜强迫振动、横向碰撞、横向刚度、倾斜刚度、轴向刚度、轴向碰撞以及扭转刚度等试验$试验结果表明，组件整体综合性能与现有压水堆燃料组件相当$
环形燃料考验元件于2017年6月入堆，至今已完成22个周期辐照，辐照装置和各在线监测仪表均运行正常$
3）安全性能评估
环形燃料元件内外包壳伸长不均的研究结果表明，在现有结构设计及各种运行条件下，内外包壳的伸长不均不会导致环形燃料元件失效;环形燃料元件堵流事故分析结果表明，环形燃料元件内管发生堵流40%时，燃料元件性能仍能满足限值要求；环形燃料元件热流分配不均研究结果表明，在最保守条件下环形燃料元件仍能保证有足够的冷却能力。

LOCA条件下环形燃料包壳鼓胀爆破试验研究表明，由于 采用成熟的Zr-4材料，环形燃料包壳的鼓胀爆破性能与传统棒状燃料包壳相当$
2.3组件制造及检测
通过开展环形燃料组件制造、组装和检测技术的相关研究，基本掌握了环形UO2芯块制备技术、上下端塞与包壳管的焊接技术、上下管座机械加工棒状技术、导向管制造技术、防异物网制造技术、定位格架制备技术、环形燃料组件骨架制备技术、环形燃料组件组装技术以及环形燃料组件检测技术$研制出定位格架、上下管座、研究堆辐照考验用环形燃料元件、零功率物理试验环形燃料短棒、全尺寸环形燃料试验组件等$
3应用展望
环形燃料采用双面冷却的结构形式，明显提升了燃料性能，且研发可充分利用传统燃料
244原子能科学技术第54卷
制造工艺及后处理体系，可实现性好$这些优势使得环形燃料在大型压水堆及新型反应堆中具有广阔的应用前景$
1）大型压水堆核电站：在充分的安全裕量条件下，有效提高堆芯功率密度，减少核电成本，增强核电的经济性&
2）小型反应堆:环形燃料的高功率密度有利于研发更加紧凑、功率输出更高、固有安全性更好的小型反应堆堆芯[28];
3）第四代反应堆:环形燃料运行温度低的特点，有利于满足四代堆高安全性的要求，如在快堆中采用环形燃料组件&
4）其他堆型：环形燃料的性能优势也可使其应用于多种其他用途的反应堆，如同位素生产堆、低温供热堆等$
从技术发展角度来看，若环形的组件结构和性能更好的新材料结合，则可研发出性能更优越的新型燃料，如环形氮化铀燃料、环形金属燃料以及环形陶瓷微封装燃料「29+等$
4结语
环形燃料能提高反应堆功率密度，增加反应堆安全裕度，是一种能兼顾安全性及经济性的先进高性能燃料元件，是核燃料的重要发展方向之一。

经过多年努力，我国已解决了环形燃料堆芯及组件设计、组件制造、堆外试验以及研究堆辐照考验等诸多关键技术，初步形成了环形燃料组件研制技术体系$下一步的重点工作是开展先导组件入商用堆辐照考验及工程应用的关键技术研究，力争尽早实现环形燃料商业应用$
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