研究堆燃料組件設(shè)計(jì)綜述

雷濤 粟敏 黃春蘭

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041）

0 引言

反應(yīng)堆從用途上大致分為動(dòng)力堆和研究堆，動(dòng)力堆常用于大型的商用電站或核動(dòng)力裝置，其目的是輸出能量，燃料組件的運(yùn)行于高溫高壓環(huán)境之中，其燃料材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均要考慮高溫高壓環(huán)境的要求。研究堆的主要目的是為材料研究、中子照射或者其他用途提供中子源，而非輸出能量，因此研究堆燃料組件在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面與動(dòng)力堆有較大的差異，本文調(diào)研了目前研究堆燃料組件的結(jié)構(gòu)類型，分析了其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了研究堆燃料組件設(shè)計(jì)方面的建議，以供參考。

1 研究堆燃料組件結(jié)構(gòu)

研究堆燃料組件通常由燃料元件、與堆芯部件接口的上下連接件（或稱上下管座）以及燃料元件之間的連接結(jié)構(gòu)組成。

1.1 燃料元件結(jié)構(gòu)

研究堆燃料元件結(jié)構(gòu)形式有板型、管型和棒形，占主要地位的還是板型或管型。

圖1 燃料板分解示意圖Fig1 Fuel Plate Disassemble

彌散型燃料元件（燃料板或燃料管）結(jié)構(gòu)類似夾心餅干結(jié)構(gòu)，燃料彌散在基體材料中構(gòu)成燃料芯體，在芯體的上下兩側(cè)包覆包殼材料，包殼材料通常與基體材料相同，通過(guò)軋板或擠壓的方式是芯體與包殼結(jié)合。

燃料板通常采用軋板的方式制造，而燃料管通常采用共擠壓方式一次成型，對(duì)于燃料元件，每個(gè)燃料板以及每個(gè)燃料組件中鈾的均勻性都應(yīng)得到嚴(yán)格控制，[1]鈾密度若比正常值高出1%就意味著該位置的局部功率高1%。因此不論采用燃料板還是燃料管結(jié)構(gòu)，芯體的鈾密度控制是燃料元件中的重要指標(biāo)。對(duì)于U3Si2彌散燃料，由于芯體硬度較高，較高的鈾密度會(huì)對(duì)制造中鈾均勻性的控制造成難度，例如控制鈾密度4.8g/cm3的U3Si2燃料板的鈾均勻性要比控制鈾密度為1.2 g/cm3的UAlx燃料板的鈾均勻性要困難的多。從實(shí)際制造中這一點(diǎn)出發(fā)，采用U3Si2為燃料的研究堆燃料元件，從制造角度出發(fā)，在可保證元件鈾裝料的條件下，適當(dāng)降低鈾密度將有利于改善燃料元件的鈾均勻性，這一點(diǎn)對(duì)于元件的制造質(zhì)量以及未來(lái)堆內(nèi)運(yùn)行的安全都具有很大的益處。

1.2 燃料組件結(jié)構(gòu)

常見(jiàn)的研究堆燃料組件有套管型、弧板拼接套管型、弧板楔形及板型方盒形等幾種。

圖2 弧板拼接組件橫截面結(jié)構(gòu)Fig2 Cross Section of Arc Plate Fuel Assembly

典型的套管型燃料組件分為圓形、正方形和六邊形幾種，一般都包含幾層結(jié)構(gòu)尺寸不同的同心或同軸燃料管，燃料管通常采用共擠壓工藝加工制造。在最里層燃料管內(nèi)還裝有不含燃料的同心或同軸內(nèi)套管，可用于插入輻照裝置或控制棒，同時(shí)也起到保護(hù)內(nèi)層燃料管的作用。在最外層燃料外面裝有不含燃料的外套管，兼有保護(hù)外層燃料管和組件骨架的作用。外套管的形狀一般與燃料管相同（方形、圓形或六邊形）。也有的組件無(wú)論燃料管是什么形狀，外套管都采用六邊形結(jié)構(gòu)，其目的在于減少堆芯中的無(wú)效流量。也有的組件不帶外套管。套管型結(jié)構(gòu)的燃料組件整體剛度和機(jī)械強(qiáng)度較好，抗輻照變形能力好，每個(gè)組件都允許控制棒或輻照裝置的插入，且具有良好流動(dòng)阻力特性。

從橫截面上看，弧板拼接套管型燃料組件屬于圓形的套管型組件，差別在于每層燃料管由幾塊弧形燃料板拼接而成。通常一根燃料管由三塊弧形燃料板組成，弧形燃料板一般采用“鏡框技術(shù)”制造，即將燃料芯體包容在框板和上下兩層包殼內(nèi)，通過(guò)軋制或擠壓工藝成型。組件中心也帶有內(nèi)套管，外圍有外套管。這種結(jié)構(gòu)的燃料組件也具有較好的整體剛度和機(jī)械強(qiáng)度，但不如套管型組件；同時(shí)每個(gè)組件也都允許控制棒或輻照裝置的插入，且具有良好流動(dòng)阻力特性。

弧板楔形組件由若干弧形燃料板組成。各燃料板呈弧形，具有共同的軸心線，但在橫截面上的寬度不一樣，組裝后整個(gè)燃料組件成為楔形結(jié)構(gòu)，楔形角一般為450。堆芯中多個(gè)燃料組件組成一個(gè)或多個(gè)圓形的中子肼，以滿足反應(yīng)堆的試驗(yàn)要求。

板型方盒形組件由若干弧形或平面燃料板組成，各燃料板在橫截面上的寬度尺寸完全一致，組裝后整個(gè)燃料組件成為方形的盒式結(jié)構(gòu)。

1.4 燃料元件定位

對(duì)于套管型組件，通常采用在燃料管兩端設(shè)置定位齒或梳板將燃料管固定。各層燃料管的兩端分別嵌入齒塊或梳板的齒槽內(nèi)，再打入銷(xiāo)釘固定。

對(duì)于弧板形燃料組件，通常采用兩塊結(jié)構(gòu)邊板將燃料板固定并保持板間間隙。結(jié)構(gòu)邊板上開(kāi)有一定間距且平行的長(zhǎng)凹槽，各層燃料板的兩側(cè)分別嵌入結(jié)構(gòu)邊板的凹槽內(nèi)，再通過(guò)焊接或滾壓等方式連接固定。

1.5 冷卻劑流到結(jié)構(gòu)

燃料組件結(jié)構(gòu)中必須具有冷卻劑的流動(dòng)通道，以帶走燃料管（或燃料板）的發(fā)熱。對(duì)套管型組件，流道為各層燃料管間隔形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)；對(duì)弧板楔形組件，流道為各層弧形燃料板間隔形成的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)；對(duì)板型方盒形組件，流道為各層弧形燃料板間隔形成的扇環(huán)形結(jié)構(gòu)或平面燃料板間隔形成的長(zhǎng)方形結(jié)構(gòu)。流道的設(shè)計(jì)從結(jié)構(gòu)上應(yīng)避免發(fā)生流道閉合，影響熱量的帶出。流道的尺寸應(yīng)根據(jù)熱工傳熱的需求，各流道尺寸可以相同也可以不同，一般燃料較密集區(qū)（發(fā)熱面積大）流道尺寸寬，遠(yuǎn)離燃料密集區(qū)（如只有單側(cè)發(fā)熱或出于外圍位置）的流道尺寸可以更窄。

2 結(jié)論及建議

通過(guò)上述對(duì)研究堆燃料組件燃料材料的選擇、組件整體結(jié)構(gòu)、連接結(jié)構(gòu)以及流道結(jié)構(gòu)等描述及分析，U3Si2燃料具有較高的鈾密度，與基體具有良好的相容性以及在破損狀態(tài)下與水僅發(fā)生極輕微的反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種研究堆降低富集度后成熟可行的燃料材料，燃料元件設(shè)計(jì)中，適當(dāng)降低芯體鈾密度將有利于提高元件的鈾均勻性。組件結(jié)構(gòu)中流道尺寸的選擇需要綜合考慮結(jié)構(gòu)及熱工方面的需求，將不同部位的流道設(shè)計(jì)成不同的寬度。

［1］DURAND,B.DUBAN,Y.LAVASTRE,S.DE PERTHUIS，CERCA 公司 U3SI2 燃料制造25年經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[J].國(guó)外核動(dòng)力，2006(6):3-5.

［2］I.Glagolenko,D.Wachs,N.Woolstenhulme,G.Chang,B.Rabin,C.Clark.Irradiation testing of the RERTR fuel miniplates with burnable absorbers in the advanced test reactor[C]//RERTR 2010-32nd International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors.2010.