浮動(dòng)核電站燃料棒設(shè)計(jì)研究

尹春雨 邢碩 龐華 青濤

摘 要：根據(jù)浮動(dòng)核電站反應(yīng)堆堆芯的總體要求，結(jié)合燃料組件的功率史及功率分布等相關(guān)接口數(shù)據(jù)，通過對(duì)燃料棒參數(shù)進(jìn)行初步設(shè)定和驗(yàn)證優(yōu)化，最終采用燃料棒性能分析程序和驗(yàn)證方法，對(duì)浮動(dòng)核電站用燃料棒最終優(yōu)化的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行綜合驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明設(shè)計(jì)出的燃料棒符合燃料溫度、包殼溫度、燃料棒內(nèi)壓、包殼應(yīng)變、包殼應(yīng)力、包殼自立和蠕變坍塌等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出的浮動(dòng)核電站燃料棒技術(shù)參數(shù)要求是合理的。

關(guān)鍵詞：浮動(dòng)核電站 燃料棒 分析程序

中圖分類號(hào)：TL32 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）08（c）-0130-03

Fuel Rod Design of Floating NPP

Yin Chunyu Xing Shuo Pang Hua Qing Tao

（Science and Technology on Reactor System Design Technology Laboratory，ChengduSichuan， 610213，China）

Abstract：A kind of fuel rod which satisfied the Floating NPP （nuclear power plant） is designed in this paper，based on the fuel assembly power history，physics data and so on，by pre-establishing the fuel rod parameters and validating the certain fuel rod performance， then rectifying the fuel rod parameters，finally this paper integrated validated the fuel rod performance using the fuel rod performance analysis code and validate method.

Key Words：Floating NPP；Fuel Rod；Analysis Code

浮動(dòng)核電站是一種安全性和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到第三代核能系統(tǒng)技術(shù)水平的革新型模塊式多用途一體化小型壓水堆。它可滿足接近人口密集區(qū)域及內(nèi)陸、沿海地區(qū)對(duì)核能熱-電聯(lián)供、淡水-電聯(lián)供等多樣性需求，還可用于海島等的電-熱-淡水聯(lián)供[1]。目前，世界上諸如美、俄、韓、日、法等國(guó)均在致力于研發(fā)小型堆[2-6]。在國(guó)內(nèi)浮動(dòng)核電站作為重點(diǎn)科技專項(xiàng)，開展相關(guān)研究工作，對(duì)于我國(guó)核電發(fā)展具有重要意義。

國(guó)內(nèi)浮動(dòng)核電站用燃料組件的設(shè)計(jì)借鑒了國(guó)內(nèi)當(dāng)前核電先進(jìn)燃料組件（以下稱原型設(shè)計(jì)）的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)浮動(dòng)核電站的需要實(shí)質(zhì)上進(jìn)行了全新的燃料棒設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)需要考慮以下幾方面。

（1）活性段變化后，氣腔長(zhǎng)度及其中充氦壓力與活性段的匹配，以滿足堆內(nèi)使用條件下滿足內(nèi)壓設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、包殼應(yīng)力應(yīng)變準(zhǔn)則及燃料溫度和包殼溫度準(zhǔn)則等，還需要考慮與燃料組件的相關(guān)設(shè)計(jì)相匹配，并滿足熱工水力設(shè)計(jì)的要求。

（2）活性段和氣腔長(zhǎng)度減小后，需根據(jù)氣腔彈簧準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出滿足要求的氣腔彈簧。

1 燃料棒主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)思路

浮動(dòng)核電站用燃料棒的設(shè)計(jì)研究的總體思路為：

（1）根據(jù)堆芯設(shè)計(jì)總體方案和燃料組件的設(shè)計(jì)情況確定燃料棒長(zhǎng)度。

（2）通過計(jì)算得到燃料活性段高度和燃料棒氣腔長(zhǎng)度，再根據(jù)活性段高度和氣腔長(zhǎng)度對(duì)氣腔彈簧進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（3）根據(jù)燃料棒的設(shè)計(jì)情況反饋給總體后進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

1.2 燃料棒設(shè)計(jì)

根據(jù)上述思路，燃料棒的設(shè)計(jì)研究具體過程如下。

1.2.1 燃料棒長(zhǎng)度

根據(jù)浮動(dòng)核電站起初方案設(shè)計(jì)要求，首先在燃料組件定位格架跨距保持與原型設(shè)計(jì)一致的前提下，初步計(jì)算出一個(gè)大致的燃料活性段高度，再根據(jù)堆芯的運(yùn)行壓力、冷卻劑進(jìn)口溫度、熱效率、燃料富集度、焓升因子、熱工設(shè)計(jì)流量等總體參數(shù)要求進(jìn)行燃料棒的細(xì)化設(shè)計(jì)，在此過程中研究了多種方案，其中典型的設(shè)計(jì)方案有兩種。

方案一：將浮動(dòng)核電站燃料組件各層定位格架跨距設(shè)計(jì)為與原型設(shè)計(jì)相同，即從下端起第1層與第2層格架間距為620.5 mm，其余各層間距為522 mm。那么要使活性段大致滿足要求，燃料組件需要有4跨，5層定位格架。綜合考慮格架所處位置的高度、格架高度、下管座高度、燃料棒與下管座間隙和燃料棒下部超出格架長(zhǎng)度幾方面因素，并借鑒原型燃料組件的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)浮動(dòng)核電站設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算得到燃料棒的合理長(zhǎng)度（Lrod1）。

方案二：將浮動(dòng)核電站燃料組件各層定位格架跨距統(tǒng)一為522 mm。同樣綜合考慮后計(jì)算得出燃料棒的合理長(zhǎng)度?。↙rod2）。

燃料棒充氦壓力和活性段長(zhǎng)度及氣腔長(zhǎng)度燃料棒長(zhǎng)度確定后，可進(jìn)一步確定燃料棒的氣腔長(zhǎng)度和活性段長(zhǎng)度，它們需要在一定的燃料棒預(yù)充壓條件下相互匹配，以滿足燃料棒的內(nèi)壓等設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

燃料棒的上下端塞長(zhǎng)度參考原型燃料棒設(shè)計(jì)，則可得出方案一的燃料棒活性段與氣腔長(zhǎng)度之和。考慮燃料棒的功率情況等因素，借鑒原型燃料棒的氣腔長(zhǎng)度與活性段長(zhǎng)度情況，根據(jù)浮動(dòng)核電站燃料棒設(shè)計(jì)要求，通過計(jì)算可得出活性段長(zhǎng)度（Lfuel1）和氣腔長(zhǎng)度（Lplenum1）。對(duì)燃料棒充氦壓力，參考目前國(guó)內(nèi)外燃料棒的充氦壓力范圍（一般在（2～3）MPa），進(jìn)行充氦壓力值的預(yù)設(shè)，再根據(jù)浮動(dòng)核電站燃料棒預(yù)設(shè)的活性段長(zhǎng)度及氣腔長(zhǎng)度，結(jié)合功率史及功率分布等數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，根據(jù)核算的情況進(jìn)行充氦壓力的調(diào)整，至核算結(jié)果合理時(shí)為止。最終將燃料棒初始充氦壓力設(shè)定為2.6 MPa，以便壽期末燃料棒內(nèi)壓還具有足夠的裕量。記為方案一A。

為提高燃料棒容納裂變氣體的能力，可將活性段高度適當(dāng)降低（Lfuel1），則氣腔長(zhǎng)度適當(dāng)加長(zhǎng)（Lplenum1）。記為方案一B。

針對(duì)方案一調(diào)整前后的設(shè)計(jì)，選取相應(yīng)燃料棒進(jìn)行穩(wěn)態(tài)條件下的燃料溫度、包殼溫度、內(nèi)壓的進(jìn)行最佳估計(jì)計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果滿足準(zhǔn)則限值要求（見表1數(shù)值方案一A、方案一B列所示）。

同樣，按類似方法計(jì)算得出方案二合理的活性段高度（Lfuel2）和氣腔長(zhǎng)度（Lplenum2），其穩(wěn)態(tài)條件下燃料芯塊最高溫度、包殼溫度和內(nèi)壓的計(jì)算結(jié)果滿足準(zhǔn)則限值要求（見表2中方案二列所示）。

對(duì)上述兩種方案中的燃料棒穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的內(nèi)壓情況進(jìn)行對(duì)比（如圖1所示）可知，在對(duì)方案一的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整后燃料棒內(nèi)壓有所降低，容納裂變氣體的能力略好。

從燃料棒角度考慮，所述兩種設(shè)計(jì)方案均可行；從燃料組件的設(shè)計(jì)角度考慮，燃料棒較短可使燃料組件較短，可增加燃料組件剛度，則采用方案二較合適。但是對(duì)兩種方案進(jìn)行堆芯熱工性能等方面的分析后表明，燃料棒活性段長(zhǎng)度較大的熱工安全裕量較大，從熱工安全角度考慮活性段應(yīng)在可行的范圍盡量增大。

綜上，浮動(dòng)核電站燃料棒的活性段高度采取方案一的優(yōu)化結(jié)果（即方案一B）較合適，即活性段長(zhǎng)度和氣腔長(zhǎng)度分別為：Lfuel1和Lplenum1。

1.2.2 氣腔彈簧設(shè)計(jì)

在燃料棒的活性段長(zhǎng)度和氣腔長(zhǎng)度確定后可進(jìn)行氣腔彈簧的設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求如下。

（1）必須施加至少4倍于燃料柱名義重量的最小彈簧力，以保證在堆芯裝料前的燃料組件操作中壓住燃料和防止芯塊破碎。

（2）反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，螺旋彈簧不得并圈，以避免擠壓燃料芯塊柱。

（3）彈簧插入氣腔后，在每厘米氣腔長(zhǎng)度上至少需含兩個(gè)有效圈，以便彈簧對(duì)包殼提供必要的徑向支承。

（4）彈簧伸出包殼管外的無(wú)支承長(zhǎng)度，應(yīng)使得在插入上端塞時(shí)不存在彈簧失穩(wěn)的可能性。

（5）在壽期初，壓縮彈簧與包殼管間的間隙須至少為0.025 mm以防接觸；至多為0.50 mm以排除氣腔段包殼管屈曲的危險(xiǎn)。

除上述準(zhǔn)則外還應(yīng)強(qiáng)調(diào)，彈簧須能運(yùn)行在塑性范圍，并在每端至少有一定圈數(shù)的彈簧相接觸，其主要目的是防止最末幾圈彈簧在上端塞焊到包殼管上時(shí)發(fā)生失穩(wěn)。

為盡量采用成熟技術(shù)，浮動(dòng)核電站燃料棒氣腔彈簧的絲徑和外徑繼承原型設(shè)計(jì)，因此，需要確定的主要參數(shù)為彈簧自由高度和彈簧有效圈數(shù)。

彈簧自由高度及其有效圈數(shù)可以根據(jù)浮動(dòng)核電站燃料棒參數(shù)，借鑒原型燃料棒的活性段高度、燃料棒氣腔長(zhǎng)度、彈簧自由高度及有效圈數(shù)的設(shè)計(jì)情況，按照相似原理進(jìn)行計(jì)算可以得出浮動(dòng)核電站燃料棒氣腔彈簧自由高度和有效圈數(shù)的初步值：氣腔彈簧自由高度為148 mm，有效圈數(shù)為21。

采用燃料棒氣腔彈簧的設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)氣腔彈簧每單位長(zhǎng)度的有效圈數(shù)為1.91，不滿足“在每厘米氣腔長(zhǎng)度上至少需含兩個(gè)有效圈”的要求。因此采用相似原理進(jìn)行計(jì)算的方法不可行，需要對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。綜合考慮浮動(dòng)核電站燃料棒的活性段高度和燃料棒長(zhǎng)等參數(shù)，進(jìn)行氣腔彈簧自由高度和有效圈數(shù)的多次調(diào)整并采用氣腔彈簧驗(yàn)證方法進(jìn)行計(jì)算后，最終得到氣腔彈簧的自由高度和有效圈數(shù)分別取為145 mm和25較合適。

1.3 小結(jié)

根據(jù)浮動(dòng)核電站燃料棒設(shè)計(jì)情況，其主要技術(shù)參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

2 燃料棒設(shè)計(jì)驗(yàn)證

燃料棒的綜合性能分析驗(yàn)證是燃料棒設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，該章針對(duì)燃料棒的燃料溫度準(zhǔn)則、包殼溫度準(zhǔn)則、燃料棒內(nèi)壓準(zhǔn)則、包殼應(yīng)變準(zhǔn)則、包殼應(yīng)力準(zhǔn)則、包殼自立準(zhǔn)則、包殼坍塌準(zhǔn)則和氣腔彈簧準(zhǔn)則，對(duì)燃料棒的這些方面逐一進(jìn)行校核計(jì)算，以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的燃料棒是否滿足這些準(zhǔn)則。

2.1 分析方法

燃料溫度、包殼溫度、燃料棒內(nèi)壓、包殼應(yīng)變、包殼應(yīng)力的計(jì)算分析采用COPERNIC程序，分析驗(yàn)證的主要過程為：（1）使用程序在名義制造參數(shù)和最佳估計(jì)模型的條件下進(jìn)行燃料棒性能參數(shù)的計(jì)算。（2）考慮制造參數(shù)和模型帶來不確定性的條件下，進(jìn)行燃料棒性能參數(shù)的計(jì)算，對(duì)某一性能參數(shù)，采用均方根法進(jìn)行不確定性計(jì)算。（3）對(duì)穩(wěn)態(tài)驗(yàn)證中用到的功率史，在每個(gè)循環(huán)初、中、末進(jìn)行瞬態(tài)模擬計(jì)算，瞬態(tài)末的功率由瞬態(tài)發(fā)生前的初始功率、局部功率限值和局部功率變化限值所決定。

包殼自立計(jì)算采用Timoshenko公式。

包殼蠕變坍塌是在COPERNIC程序穩(wěn)態(tài)的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上采用CROV程序進(jìn)行計(jì)算。

氣腔彈簧計(jì)算分析采用燃料棒彈簧設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法對(duì)燃料棒密封后彈簧的作用力、螺旋彈簧高度、每單位長(zhǎng)度的有效圈數(shù)、彈簧屈曲和彈簧-包殼間隙進(jìn)行計(jì)算。

2.2 分析結(jié)果

對(duì)燃料棒各參數(shù)的設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)堆芯中子學(xué)數(shù)據(jù)和熱工水力數(shù)據(jù)，對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，分析結(jié)果表明燃料棒前述的各項(xiàng)性能滿足相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求，具體如下。

2.2.1 燃料溫度

穩(wěn)態(tài)工況下，功率領(lǐng)先棒在壽期初芯塊中心溫度達(dá)到最大值849 ℃。燃耗最深棒在第一循環(huán)初進(jìn)行瞬態(tài)模擬時(shí)溫度最高，考慮不確定性的芯塊中心溫度最大值為1228 ℃。因此燃料溫度小于其準(zhǔn)則限值2590 ℃。

2.2.2 包殼溫度

穩(wěn)態(tài)時(shí)燃耗最深棒包殼外表面最高溫度為363 ℃，瞬態(tài)時(shí)功率領(lǐng)先棒包殼外表面最高溫度為385 ℃。因此，浮動(dòng)核電站燃料棒設(shè)計(jì)滿足包殼溫度準(zhǔn)則要求。

2.2.3 燃料棒內(nèi)壓

極限棒（燃耗較高且后期高功率棒）內(nèi)壓最大值為9.59 MPa，出現(xiàn)在第三循環(huán)末，對(duì)應(yīng)的裂變氣體釋放份額為0.35%?？紤]不確定性后，燃料棒內(nèi)壓的最大值為10.59 MPa，該值低于運(yùn)行壓力（15 MPa），滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

2.2.4包殼應(yīng)變

穩(wěn)態(tài)工況下包殼的應(yīng)變始終為負(fù)，滿足穩(wěn)態(tài)工況下包殼應(yīng)變準(zhǔn)則。瞬態(tài)極限工況下，功率變化導(dǎo)致的包殼直徑增大（彈塑性應(yīng)變+蠕變）為0.35%，小于準(zhǔn)則限值1%，滿足包殼應(yīng)變準(zhǔn)則要求。

2.2.5 包殼應(yīng)力

整個(gè)壽期內(nèi)，其體積平均有效應(yīng)力小于未考慮溫度和輻照影響的包殼屈服強(qiáng)度，滿足包殼應(yīng)力準(zhǔn)則。

2.2.6 包殼自立

包殼的瞬時(shí)坍塌臨界壓力23.46 MPa遠(yuǎn)大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力17.2 MPa，不會(huì)發(fā)生包殼的瞬時(shí)坍塌，滿足包殼的自立準(zhǔn)則。

2.2.7 包殼蠕變坍塌

燃耗和功率包絡(luò)棒包殼在整個(gè)壽期中滿足要求，未發(fā)生蠕變坍塌。

2.2.8 氣腔彈簧

對(duì)燃料棒彈簧準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證計(jì)算，結(jié)果顯示。

（1）燃料棒密封后彈簧作用力為63 N，大于4倍的燃料柱名義重量。

（2）壽期末熱態(tài)最小氣腔長(zhǎng)度大于相同工況下彈簧全壓縮后的彈簧長(zhǎng)度，即運(yùn)行過程中，彈簧不會(huì)出現(xiàn)并圈。

（3）單位長(zhǎng)度的有效圈數(shù)為2.28，大于2。

（4）當(dāng)上端塞插入時(shí)，不會(huì)引起彈簧無(wú)支撐長(zhǎng)度發(fā)生屈曲。

（5）在氣腔位置上包殼無(wú)屈曲可能性。

因此燃料棒氣腔彈簧的設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求。

3 結(jié)語(yǔ)

該文根據(jù)浮動(dòng)核電站反應(yīng)堆的需要，結(jié)合堆芯的運(yùn)行工況，通過對(duì)燃料棒參數(shù)的設(shè)計(jì)和分析，采用燃料棒性能分析程序和驗(yàn)證方法對(duì)燃料棒進(jìn)行了綜合性能分析，驗(yàn)證了燃料棒的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了滿足燃料棒設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的浮動(dòng)核電站燃料棒。

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