TRISO釷鈾包覆燃料顆粒裂變氣體生成規(guī)律

尹文靜 張海青 曹長青 林 俊 朱智勇

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

TRISO釷鈾包覆燃料顆粒裂變氣體生成規(guī)律

尹文靜1,2張海青1曹長青1林 俊1朱智勇1

1（中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 嘉定園區(qū) 上海 201800）

2（中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

三結(jié)構(gòu)同向性型(Tri-structural iso-tropic, TRISO)包覆燃料顆粒產(chǎn)生的裂變氣體是影響燃料元件安全性的一個重要因素。本工作利用ORIGEN計算程序，研究了基于熱堆的TRISO包覆燃料顆粒中裂變氣體氙和氪的積累隨中子能譜和中子通量的變化規(guī)律。計算結(jié)果表明，中子能譜、通量和運行時間均相同時，UO2包覆顆粒中氙的生成量為氪的約7倍，ThO2包覆顆粒中氙的生成量約為氪的4.5倍。研究了ThO2包覆顆粒裂變氣體飽和值與能譜的關(guān)系，結(jié)果表明，能譜越軟，越易達(dá)到飽和，但能譜較軟時達(dá)到的飽和值較小。通過對裂變氣體積累量的計算估計了ThO2包覆顆粒因內(nèi)壓導(dǎo)致破損的壽命值。

三結(jié)構(gòu)同向性型(Tri-structural iso-tropic, TRISO)包覆燃料顆粒，裂變氣體，中子能譜，中子通量

固態(tài)熔鹽堆[1]概念是由美國科學(xué)家于20世紀(jì)初首先提出的，采用氟化物熔鹽作為冷卻劑，石墨作為慢化劑，三結(jié)構(gòu)同向性型(Tri-structural iso-tropic, TRISO)包覆顆粒球形元件作為燃料。球形燃料元件[2-3]分為燃料區(qū)和非燃料區(qū)，燃料區(qū)是由TRISO包覆燃料顆粒均勻分散在基體石墨中，非燃料區(qū)為基體石墨材料。TRISO包覆燃料顆粒由燃料核芯和四層包覆結(jié)構(gòu)組成，盡管包覆結(jié)構(gòu)使燃料顆粒安全性大為增加，但是如果反應(yīng)堆的運行環(huán)境超過它所能夠承受的范圍，也會導(dǎo)致包覆顆粒破損失效。包覆燃料顆粒失效的機制有SiC層壓力殼破損、燃料核芯遷移、固態(tài)裂變產(chǎn)物對SiC層的腐蝕以及SiC層的高溫分解等，其中因氣體積累導(dǎo)致SiC層破損是包覆燃料顆粒失效的主要機制。在中子輻照過程中，包覆燃料顆粒內(nèi)產(chǎn)生的氣體主要包括裂變氣體氙與氪、CO和CO2。實驗[4]顯示燃耗在15% FIMA (fissions per initial metal atom)以內(nèi)，裂變的氙氪氣體產(chǎn)生的內(nèi)壓為CO和CO2產(chǎn)生的約4倍，且溫度越低、燃耗越小時CO和CO2的產(chǎn)量越少。因此，分析裂變氣體氙和氪的生成規(guī)律對于燃料的安全運行具有重要意義。

球形燃料元件最早應(yīng)用于高溫氣冷堆中，一些國家已經(jīng)發(fā)展了相應(yīng)的安全性分析模型，如德國的CONVOL模型[2]、PANAMA模型[5]和美國的SORS模型[6]，這些模型都假定包覆燃料顆粒為彈性微球壓力容器，運用彈性力學(xué)的原理進行計算。本文選取了幾種熱中子反應(yīng)堆能譜，應(yīng)用ORIGEN[7]程序?qū)RISO包覆燃料顆粒中主要的裂變氣體氙和氪的生成規(guī)律進行了計算，并初步分析了裂變氣體對包覆顆粒安全性的影響。

1 計算工具與模型

ORIGEN(Oak Ridge Isotope Generation and Depletion Code)是美國橡樹嶺國家實驗室研發(fā)的一個多功能點燃耗及放射性衰變計算程序，它能模擬核燃料循環(huán)過程中放射性物質(zhì)的積累、衰變和各種中間過程，其中子截面庫為單群有效中子截面庫，能夠計算出核素的成分、放射性活度、衰變熱、化學(xué)毒性以及其他特性。

為了研究固態(tài)熔鹽堆中裂變氣體積累對包覆顆粒安全性的影響，并考慮到目前固態(tài)熔鹽堆的能譜偏熱但截面數(shù)據(jù)庫尚未建立，本文選用幾種熱堆數(shù)據(jù)庫作為輸入進行計算，它們分別為熱中子數(shù)據(jù)庫THERMAL.LIB、沸水堆數(shù)據(jù)庫BWRU.LIB、重水堆數(shù)據(jù)庫CANDUSEU.LIB以及壓水堆數(shù)據(jù)庫PWRU.LIB，其針對不同堆型和燃料而設(shè)計[8-9]，其中PWRU和BWRU的燃料為低富集度鈾，卸載燃耗分別為33.0 MWd/kgHM和27.5 MWd/kgHM，CANDUSEU的燃料為1.2wt%低富集度濃縮鈾(Slightly Enriched Uranium, SEU)。采用文獻[7-9]中相關(guān)熱中子通量的THERM、RES和FAST因子以及統(tǒng)計學(xué)方法可計算出這幾種堆型的中子能群通量分布百分比(表1)。計算中UO2和ThO2包覆顆粒采用的參數(shù)如表2所示[2]，主要參考為清華大學(xué)HTR-10試驗堆燃料參數(shù)和德國球形燃料元件參數(shù)。

表1 反應(yīng)堆的中子能群通量分布百分比以及對應(yīng)的235U和233U的裂變截面Table1 Percentage distribution of neutron flux in four energy groups and the corresponding fission cross sections of 235U and 233U.

表2 TRISO包覆燃料顆粒設(shè)計參數(shù)Table2 Design parameters of TRISO coated fuel particles.

2 結(jié)果與討論

2.1 中子能譜和中子通量對UO2核芯裂變氣體生成量的影響

為分析能譜對裂變氣體生成量的影響，參考中國科學(xué)院釷基熔鹽堆先導(dǎo)專項(TMSR)固態(tài)熔鹽實驗堆目前的設(shè)計參數(shù)，選擇中子通量φ=5×1013cm-2·s-1進行計算。運行時間2200 d內(nèi)(約6年)，氙和氪的生成量在不同能譜下隨時間的變化關(guān)系如圖1所示。由圖1，同一能譜條件下，UO2核芯氙和氪生成量都隨運行時間持續(xù)增加，當(dāng)時間和能譜相同時，氙的生成量約為氪的7倍；在運行時間相同時，能譜越硬，氙和氪的生成量越小。根據(jù)235U的裂變碎片的質(zhì)量-產(chǎn)額曲線，氙的平均原子質(zhì)量數(shù)為131.3，對應(yīng)的235U裂變產(chǎn)額約為8%，而氪的平均原子質(zhì)量數(shù)為83.8，對應(yīng)的裂變產(chǎn)額約為1.2%，所以氙的生成量約為氪的7倍。

選取數(shù)據(jù)庫THERMAL.LIB，計算了不同通量下UO2核芯氙和氪的生成量隨時間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。由圖2，在中子通量φ=3×1013cm-2·s-1和φ=5×1013cm-2·s-1條件下，UO2核芯中氙和氪的生成量隨通量和時間增加，并最終隨著UO2核芯內(nèi)235U的消耗而趨于飽和。在較高通量下(φ= 3×1014cm-2·s-1和φ=5×1014cm-2·s-1)，前期氙和氪的生成量快速增加，在約200 d后其增速大幅放緩，但隨時間仍近似以線性關(guān)系增加。后期氙和氪的生成量隨時間線性增加的現(xiàn)象不能由235U的裂變得到解釋。由計算可知，在這兩個通量下，235U基本消耗殆盡的時間都低于200 d。假定在第200 d后235U的裂變過程完全停止，則相應(yīng)的氙和氪的產(chǎn)生都會停止，且隨時間增加其存量還會略有減少（如圖2中虛線所示），可見，后期氙和氪生成量的線性增加只能是氙和氪的其它前驅(qū)體與中子反應(yīng)的結(jié)果。計算發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)后期對氙的產(chǎn)量貢獻較大的主要有132Xe、134Xe和136Xe，對氪產(chǎn)量貢獻較大的主要有84Kr和86Kr。132Xe一部分是由131I先與中子發(fā)生(n,γ)反應(yīng)再放出β粒子轉(zhuǎn)化而來，另一部分是由131Xe與中子發(fā)生(n,γ)生成，134Xe和136Xe分別是127I和129I先與中子發(fā)生(n,γ)反應(yīng)，放出β粒子之后再與中子發(fā)生多次(n,γ)反應(yīng)生成。84Kr和86Kr分別是由79Br和81Br先與中子發(fā)生(n,γ)反應(yīng)、放出β粒子之后再與中子發(fā)生多次(n,γ)反應(yīng)生成的。

圖1 不同中子能譜UO2核芯氙(a)和氪(b)的生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.1 Production of xenon (a) and krypton (b) vs. time in the kernel of UO2 at different neutron spectra.■ BWRU, ★ CANDUSEU, ▽ PWRU, ○ THERMAL

圖2 不同中子通量下UO2核芯氙(a)和氪(b)的生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.2 Production of xenon (a) and krypton (b) vs. time in the kernel of UO2 at different neutron fluxes.■ 3×1013 cm-2·s-1, ▲ 5×1013 cm-2·s-1, · 3×1014 cm-2·s-1, ★ 5×1014 cm-2·s-1,○ 3×1014 cm-2·s-1 (decay), ☆ 5×1014 cm-2·s-1 (decay)

2.2 中子能譜和中子通量對ThO2核芯裂變氣體生成量的影響

圖3是中子通量為5×1013cm-2·s-1時ThO2核芯中氙和氪的生成量在不同能譜下隨著時間的變化關(guān)系。由圖3，當(dāng)運行時間和能譜相同時，ThO2核芯中氙的生成量約為氪的4.5倍；運行時間相同時，能譜越硬，裂變氣體氙和氪的生成量越小。氙與氪的生成比例與233U裂變碎片的質(zhì)量-產(chǎn)額曲線相符。

為了研究中子通量對ThO2核芯裂變氣體生成量的影響，選取數(shù)據(jù)庫THERMAL.LIB進行計算，得到不同通量下氙和氪的生成量隨時間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4，ThO2核芯在THERMAL.LIB能譜下，氙和氪的生成量在累積中子通量約為5.18×1023cm-2時達(dá)到飽和，且氙的飽和值是氪的約5.7倍。在裂變氣體生成量達(dá)到飽和前，通量越大，所產(chǎn)生的裂變氣體就越多，但在裂變氣體生成量達(dá)到飽和之后，通量越大產(chǎn)生的氣體量反而要小。這是因為在運行初期，通量越高，產(chǎn)生的233U就越多，相應(yīng)的裂變量就越大，而當(dāng)反應(yīng)趨于穩(wěn)態(tài)時，計算表明此時233U的裂變量將達(dá)到飽和，且233U的飽和裂變量隨著通量增加而減少，這就使得高通量下裂變氣體的飽和生成量反而比低通量時要低。

不同能譜相同通量條件下，ThO2核芯氙和氪的生成量與能譜的關(guān)系如圖5所示。由圖5，裂變氣體達(dá)到飽和的先后順序與能譜的軟硬程度有關(guān)，即能譜越軟越易達(dá)到飽和。同樣，裂變氣體產(chǎn)生量的飽和值也與能譜軟硬有關(guān)，能譜越軟飽和值越小。在裂變氣體氙和氪產(chǎn)生未達(dá)到飽和前，能譜越軟，裂變氣體的生成量越大，而當(dāng)氙和氪的產(chǎn)生量趨于飽和時，能譜越軟，氙和氪的飽和值越小。這是因為在運行初期，較軟的能譜更易于誘發(fā)232Th向可裂變核素233U的轉(zhuǎn)化，從而使得233U的裂變量大，導(dǎo)致氙和氪的產(chǎn)生量就大。而由于越軟的中子譜下其233U的飽和值也小，因此相應(yīng)的飽和裂變氣體產(chǎn)生量也就小。

圖3 不同中子能譜下ThO2核芯氙(a)和氪(b)的生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.3 Production of xenon (a) and krypton (b) vs. time in the kernel of ThO2 at different neutron spectra.■ BWRU, ★ CANDUSEU, ○ PWRU, ▽ THERMAL

圖4 不同中子通量下ThO2核芯氙(a)和氪(b)的生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.4 Production of xenon (a) and krypton (b) vs. time in the kernel of ThO2 at different neutron fluxes.□ 3×1014 cm-2·s-1, ▲ 5×1014 cm-2·s-1, ☆ 3×1015 cm-2·s-1, · 5×1015 cm-2·s-1

圖5 中子通量為5×1015 cm-2·s-1，不同中子能譜下ThO2核芯氙(a)和氪(b)生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.5 Production of xenon (a) and krypton (b) vs. time in the kernel of ThO2 at different neutron spectra and at neutron flux of 5×1015 cm-2·s-1.■ BWRU, ★ CANDUSEU, ○ PWRU, ▽ THERMAL

圖6給出了233U的裂變量和232Th的消耗量與中子能譜的關(guān)系。可以看到，不同能譜下233U的裂變量隨時間的變化趨勢與氙和氪的生成量的變化趨勢基本相同，開始時，能譜最軟的THERMAL譜233U的裂變量最多，從而導(dǎo)致氙與氪的生成量高于其他較硬的能譜；隨著運行時間的延長，較軟的能譜下233U的裂變量先趨向飽和，且飽和值較小，能譜越硬233U裂變量的飽和值越大。這與圖中虛線部分的232Th的消耗情況相一致，能譜越硬232Th向233U的轉(zhuǎn)化速率越慢，且轉(zhuǎn)化的量也比較小，而反應(yīng)后期(約1400 d之后)由于較軟的能譜條件下232Th已基本消耗殆盡，而較硬的能譜下尚剩余較多的232Th，所以此時其232Th的轉(zhuǎn)化速率和233U的裂變速率都要較軟譜時快，從而使得233U的裂變量逐漸超過軟能譜條件下的裂變量，相應(yīng)的裂變氣體的產(chǎn)生量也就比較高。

圖6 ThO2核芯中232Th的剩余量以及233U的裂變量與中子能譜的關(guān)系Fig.6 232Th residual and 233U fission vs. neutron spectra in the kernel of ThO2.

2.3 UO2和ThO2核芯裂變氣體生成量的比較

根據(jù)前面的計算結(jié)果，對UO2與ThO2核芯在裂變反應(yīng)過程中的裂變氣體生成量作如下比較。

(1) 由圖1和圖3可知，中子能譜、通量和運行時間都相同時，UO2核芯氙和氪的生成量比ThO2的要多。這一方面是由于232Th要先轉(zhuǎn)化成233U才能裂變，另一方面也是由于233U和235U的裂變氣體產(chǎn)額略有不同。

(2) 中子能譜較軟時，UO2和ThO2包覆顆粒中裂變氣體的生成速率都更快，但裂變氣體的增加趨勢明顯不同，這是因為UO2燃料中可裂變?nèi)剂?35U占17%，所以開始就與中子發(fā)生裂變，之后隨著235U的逐漸消耗，裂變氣體生成速率逐漸減緩。在ThO2燃料中232Th需俘獲中子后再經(jīng)過兩次β-衰變(半衰期分別為22.3 min和27 d)才得到可裂變物質(zhì)233U，相比之下其裂變氣體的產(chǎn)生速率要比UO2燃料小。

(3) 為了估計ThO2包覆顆粒的使用壽命，選擇THERMAL.LIB能譜和通量φ=5×1013cm-2·s-1，計算了UO2和ThO2核芯產(chǎn)生的裂變氣體氙和氪的總量隨時間的變化關(guān)系，結(jié)果如圖7所示。根據(jù)文獻[2]獲知，UO2包覆顆粒卸載燃耗為8% FIMA，計算可知在THERMAL.LIB能譜下，達(dá)到卸載燃耗時裂變氣體的總量約為6.44×10-8mol，所需時間約為250 d。由圖7可見，ThO2核芯若要達(dá)到相同的氣體總量，累積時間約為3150 d。假設(shè)裂變氣體氙和氪的積累所產(chǎn)生的內(nèi)壓是導(dǎo)致包覆顆粒失效的主要機制，則上述計算結(jié)果表明，相同能譜和通量條件下，ThO2包覆顆粒的壽命為UO2包覆顆粒的約12倍。

圖7 THERMAL.LIB能譜下，不同燃料TRISO包覆顆粒中，裂變氣體氙和氪的總生成量隨時間的變化關(guān)系Fig.7 Production of total fission gases (Xe+Kr) vs. time in different kernels of TRISO coated fuel particles (calculated by using data from THERMAL.LIB).

3 結(jié)語

本文利用ORIGEN程序研究分析了釷、鈾燃料TRISO包覆顆粒在不同熱堆、不同中子通量情況下裂變氣體氙和氪的生成規(guī)律。結(jié)果表明，中子能譜、通量和運行時間均相同時，UO2核芯中氙的生成量約為氪的7倍，ThO2核芯中氙的生成量約為氪的4.5倍；對于ThO2核芯，能譜越軟，裂變氣體生成量越易達(dá)到飽和，但能譜較軟時達(dá)到的飽和值較??；假設(shè)裂變氣體氙和氪的積累所產(chǎn)生的內(nèi)壓是導(dǎo)致包覆顆粒失效的主要機制，則在UO2燃料富集度為17%時，同樣中子能譜和中子通量條件下，ThO2包覆顆粒的壽命為UO2包覆顆粒的約12倍。

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CLCTL277

Investigation of fission product gas formation in TRISO Th/U coated fuel particles

YIN Wenjing1,2ZHANG Haiqing1CAO Changqing1LIN Jun1ZHU Zhiyong1
1(Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Jiading Campus, Shanghai 201800, China)
2(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: Fission product gas accumulation in Tri-structural iso-tropic (TRISO) coated fuel particles can cause the failure of TRISO fuel elements. Purpose: The aim is to study the fission product gases (xenon and krypton) accumulation in UO2and ThO2coated particles with respect to various neutron spectra and neutron flux. Methods: Calculations were conducted using ORIGEN code with the neutron databases of THERMAL.LIB, BWRU.LIB, CANDUSEU.LIB and PWRU.LIB as input. Results: It was found that, with the same neutron spectrum, neutron flux and running time, the production of xenon is about 7 times of that of krypton in the UO2coated particles, and about 4.5 times in the ThO2coated particles. For the ThO2coated particles, both xenon and krypton reach saturation earlier when the neutron spectrum are softer, and the saturation values are smaller compared with those in the harder spectrum environment. Conclusion: Taking the fission product gas accumulation as the main factor of TRISO coated particles, the calculation implies that the ThO2coated particles can have a longer lifetime than the UO2coated particles under the same neutron environment.

TRISO (Tri-structural iso-tropic) coated fuel particles, Fission product gas, Neutron spectrum, Neutron flux

TL277

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010601

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(Grant No. XDA02030200)資助

尹文靜，女，1988年出生，2011年畢業(yè)于徐州師范大學(xué)，現(xiàn)為中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所在讀碩士研究生

朱智勇，E-mail: zhuzhiyong@sinap.ac.cn

2013-10-18，

2013-11-07