壓水堆候選耐事故包殼材料對控制棒價值的影響分析

倪東洋　吳文斌　魏彥琴　劉琨

摘 要：該文針對候選耐事故包殼材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC開展控制棒價值的影響分析。從分析結(jié)果可以看出，與鋯包殼相比，候選包殼材料本身對控制棒價值影響較小，約-1.0%～2.5%；對于鐵基包殼，為保證與鋯包殼相同的循環(huán)壽期，需要的最小燃料富集度增加量約0.71wt%，由此導(dǎo)致的控制棒價值顯著減少（大于10%），遠(yuǎn)大于包殼材料本身對控制棒價值的影響。從中子經(jīng)濟性以及由此帶來的對控制棒價值影響的角度，給出了耐事故燃料候選包殼的優(yōu)先順序。

關(guān)鍵詞：耐事故包殼材料 控制棒價值 壓水堆

中圖分類號：X70 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）11（a）-0091-03

Abstract：This paper analyzes the effects of the candidate accident–tolerant cladding materials（304SS，310SS，F(xiàn)eCrAl，APMT and SiC）on the control rods worth.The results show a small difference around-1.0%～2.5% on the control rods worth for the candidates，comparing with that of zircaloy.Because of the neutron penalty of iron-based alloys，the minimum increase of the enrichment （about 0.71wt%）is needed to meet fuel cycle length requirement，resulting in control rods worth penalty（10% or higher），which outweighs than that of candidate cladding materials.The recommended sequence for the tolerant cladding materials selection is presented from the aspect of neutronic economy and the influence on the control rods worth.

Key Words：Tolerant cladding materials；Control rods worth；PWRs

福島事故后國際上對新一代核電站和核燃料的安全性和可靠性提出了更高的要求，研發(fā)耐事故燃料，即一定程度包容事故和具有固有安全性的燃料，正在成為核燃料領(lǐng)域國際發(fā)展的新方向。

選擇具有抗高溫氧化、更好的抗腐蝕性能以及減少氫氣產(chǎn)生等特性的材料，如鐵基合金（包括304SS、310SS、FeCrAl和APMT）和SiC[1-2]，作為耐事故燃料的候選包殼材料。

文章針對以上候選包殼材料開展控制棒價值的影響分析，為耐事故包殼材料的選擇提供指導(dǎo)。

1 分析條件及程序

文中以壓水堆中標(biāo)準(zhǔn)AFA3G組件作為參考狀態(tài)：燃料柵元按17×17排列；燃料芯體為UO2，富集度取3.7%，密度取10.4339 g/cm3；控制棒材料為銀銦鎘，密度為10.13 g/cm3；計算分析時燃料溫度923K，包殼和氣隙溫度612K，慢化劑和控制棒溫度584 K，壓力為15.5 MPa。

計算采用SARCS 4.1程序系統(tǒng)中的KYLIN程序計算程序[3]，該程序系統(tǒng)能夠處理任意燃料組件幾何，具有較高的計算精度。組件建模見圖1。

2 計算分析

表1給出了候選包殼材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC的材料成分及密度。將標(biāo)準(zhǔn)AFA3G組件的Zr包殼替換成表1中的材料，分析各包殼材料對控制棒價值的影響。不同富集度下控制棒價值計算結(jié)果見圖2，并與Zr包殼結(jié)果進行比較?？刂瓢魞r值為控制棒插入所引入的反應(yīng)性Δρ，計算公式為：

Δρ=ρ無棒-ρ有棒=（1/Kinf有棒-1/Kinf無棒）

其中：ρ無棒/ Kinf無棒為控制棒提出時組件反應(yīng)性/無限增值因子，ρ有棒/ Kinf有棒為控制棒插入時組件反應(yīng)性/無限增值因子。

從圖2中可以看出，鐵基包殼組件的控制棒價值比鋯包殼組件的略大，SiC包殼組件的控制棒價值比鋯包殼略小。表2中給出各候選包殼材料下控制棒價值與鋯包殼組件的相對偏差。

從表2可以看出，與鋯包殼的相對偏差在-1.00%～2.50%

之間，候選包殼材料本身對控制棒價值影響不大。

但是從圖2中可以看出隨著富集度變化，組件控制棒價值變化較明顯。參考文獻(xiàn)[4]指出，鐵基包殼由于吸收截面較大的Fe、Ni含量較高，其中子經(jīng)濟性要低于鋯包殼，為了達(dá)到相同的循環(huán)壽期，需要提高燃料富集度，而SiC的經(jīng)濟性要高于鋯包殼。

圖3給出不同富集度增加量下，候選包殼與參考狀態(tài)的中子經(jīng)濟性比較，圖中值為壽期末60 000 MWd/tU燃耗時刻下各計算狀態(tài)下的Kinf與參考狀態(tài)Kinf的差ΔKinf，當(dāng)ΔKinf為0.000時即表明達(dá)到相同的循環(huán)壽期。

因此，為了達(dá)到與鋯包殼達(dá)到相同的循環(huán)壽期，304SS、310SS、APMT、FeCrAl和SiC需要的富集度增加量分別為：0.93wt%、1.07wt%，0.82wt%，0.71wt%和-0.10wt%。表3給出不同富集度增加量對候選包殼組件控制棒價值的影響。

從表3可以看出，不同候選包殼組件控制棒價值y與富集度增加量x的關(guān)系比較接近，與包殼材料種類關(guān)系不大，可近似用擬合為：y=2.452x2-16.20x-0.107，那么與鋯包殼達(dá)到相同循環(huán)壽期時，304SS、310SS、APMT、FeCrAl和SiC由富集度變化導(dǎo)致的控制棒價值變化分別為：-13.1%、-14.6%、-11.7%、-10.4%、1.5%。因此，對于鐵基包殼，彌補經(jīng)濟性損失導(dǎo)致控制棒價值減少要遠(yuǎn)大于包殼材料本身對控制棒價值的影響。

3 結(jié)語

該文對候選包殼材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC展開控制棒價值影響分析，并與Zr包殼進行比較，通過比較發(fā)現(xiàn)，候選包殼材料對控制棒價值的影響在-1.0%～2.5%之間，影響較??；但對于鐵基包殼304SS、310SS、FeCrAl、APMT，因增加富集度彌補中子經(jīng)濟性導(dǎo)致控制棒價值減少10%以上。因此，選擇鐵基包殼作為候選包殼材料時，建議其中子經(jīng)濟性的彌補可通過減少包殼厚度和增加燃料富集度來共同實現(xiàn)，以減少富集度增加對控制棒價值的影響；同時從中子經(jīng)濟性以及由此帶來的對控制棒價值影響的角度，建議耐事故燃料候選包殼的優(yōu)先順序為SiC、FeCrAl、APMT、304SS、310SS。

參考文獻(xiàn)

[1] Shannon Bragg-Sitton.Development of advanced accident tolerant fuels for commercial LWRs[M].Idaho National Laboratory，2014：83-91.

[2] Kristine Barrett，S Bragg-Sitton，D Galicki.Advanced LWR Nuclear Fuel Cladding System Development Trade-off Study[J].Research Gate，2012（22）：8-33.

[3] 柴曉明，馬永強，王育威，等，堆芯中子學(xué)程序系統(tǒng)SARCS-4.0的開發(fā)及初步驗證[J].核動力工程，2013（S1）：34.

[4] Nathan Michael George，et al.Neutronic analysis of candidate accident-tolerant cladding concepts in pressurized water reactors[J].Annals of Nuclear Energy，2015（75）：703-712.