“華龍一號”燃料組件設(shè)計研究及驗證

焦擁軍,肖 忠,李 云,張 林,陳 平,杜思佳,雷 濤,張 坤

(中國核動力研究設(shè)計院,四川 成都 610041)

“華龍一號”是中國研發(fā)的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代核電技術(shù),其要求使用的燃料組件須性能先進(jìn)、技術(shù)成熟、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán),并滿足卸料燃耗深度52 000 MW·d/t U、18個月?lián)Q料、SL-2(極限安全地震)為0.3g、高熱工性能等具體要求。

為了研發(fā)出滿足第三代核電技術(shù)要求的燃料組件,中核集團在2010年將 “壓水堆燃料元件設(shè)計制造”項目列為集團首批重點科技專項,開展了CF系列燃料組件的設(shè)計研發(fā)工作。該項目中,中國核燃料有限公司為責(zé)任單位,中國核動力研究設(shè)計院為技術(shù)牽頭單位,中核建中核燃料元件有限公司、中核北方核燃料元件有限公司、中核運行管理有限公司為參研單位。經(jīng)過幾年的共同努力,2014年7月,實現(xiàn)了CF3先導(dǎo)燃料組件在秦山二期核電站輻照考驗的目標(biāo)。目前,4組CF3先導(dǎo)燃料組件在堆內(nèi)輻照考驗情況良好,池邊檢查結(jié)果符合預(yù)期,預(yù)計在2018年年底出堆。目前 “華龍一號”核電技術(shù)擬定采用CF3燃料組件,并基于此進(jìn)行相關(guān)設(shè)計工作。

1 CF3燃料組件設(shè)計介紹

1.1 CF3燃料組件結(jié)構(gòu)簡介

CF3燃料組件燃料棒采用束棒型的結(jié)構(gòu)設(shè)計,呈17×17方形排列,長度為3 862.2 mm,含1個骨架和264根燃料棒。其骨架由1個上管座部件、8個定位格架、3個跨間攪混格架、24根導(dǎo)向管部件、1根儀表管和1個下管座部件組成,與以AFA3G為燃料組件的國內(nèi)運行的二代核電站結(jié)構(gòu)兼容。

1.2 CF3燃料組件主要性能指標(biāo)

CF3燃料組件主要性能指標(biāo)包括:燃耗深度設(shè)計目標(biāo)55 000 MW·d/t U,可滿足18個月循環(huán)長度要求;破損率小于1/100 000;滿足三代核電SL-2為0.3g的要求。具有優(yōu)良的熱工水力性能和機械性能。

1.3 知識產(chǎn)權(quán)分析

在CF系列燃料組件研發(fā)過程中,參研科研人員通過自主創(chuàng)新并采取針對性措施,突破了各國的重重專利壁壘,并針對自主研發(fā)成果,通過申請專利、商標(biāo)、軟件著作權(quán)以及技術(shù)秘密等方式進(jìn)行知識產(chǎn)權(quán)保護和布局,建立了CF燃料組件知識產(chǎn)權(quán)體系,形成了完整的知識產(chǎn)權(quán)成果包。截至目前,CF項目完成了88件專利申報(含國際專利5項),其中49件已獲得授權(quán);完成了CF相關(guān)商標(biāo)注冊;申報了3項軟件著作權(quán)。

1.4 CF3燃料組件設(shè)計特征

為達(dá)到優(yōu)良的綜合性能,保證高可靠性與良好的經(jīng)濟性,結(jié)合燃料運行領(lǐng)域的反饋,在設(shè)計過程中開展了大量創(chuàng)新設(shè)計。CF3燃料組件主要技術(shù)特征包括:采用N36鋯合金包殼、厚壁導(dǎo)向管、熱工性能優(yōu)良且具有防勾掛功能的定位格架以及具有異物過濾功能的空間曲面流道下管座等。

(1)新型鋯合金N36

CF3燃料棒包殼材料采用由中國核動力研究設(shè)計院自主研發(fā)的新型鋯合金材料——N36合金。N36合金不但具有低的熱中子吸收截面,而且具有合適的力學(xué)性能、良好的耐腐蝕性能和輻照穩(wěn)定性能等。

N36合金是Zr-Sn-Nb系合金,基于對N36合金開展的大量堆內(nèi)外試驗證明,N36合金具有較低的輻照生長、優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗蠕變性能。

采用該型號鋯合金包殼材料的燃料棒設(shè)計可以滿足 “華龍一號”反應(yīng)堆的燃耗設(shè)計要求,能適應(yīng) “華龍一號”反應(yīng)堆堆芯功率變化特征,在“華龍一號”反應(yīng)堆冷卻劑水化學(xué)環(huán)境下具有良好的耐腐蝕表現(xiàn)。

(2)高熱工性能格架設(shè)計

為了提高安全性和經(jīng)濟性,CF3燃料組件將具有高熱工性能作為主要目標(biāo)之一,在燃料組件阻力特性與現(xiàn)役燃料相容條件下,通過開發(fā)新型定位格架,達(dá)到提高燃料組件臨界熱流密度的目標(biāo)。

CF3燃料組件研發(fā)將開發(fā)熱工性能優(yōu)良的定位格架作為關(guān)鍵設(shè)計創(chuàng)新。為定量評價格架流場,研究建立了渦漩交混率、橫向流交混因子、溫度偏差度等渦旋與橫向流、熱交混效果、質(zhì)量交混效果等交混性能的量化評價手段。

采用量化評價手段設(shè)計了30余種定位格架方案,開展了交混性能分析、夾持性能分析、交混系統(tǒng)與夾持系統(tǒng)匹配性分析,從中優(yōu)選最終方案。最終的臨界熱流密度試驗結(jié)果表明,CF3燃料組件的熱工性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

CF3燃料組件水力特性試驗結(jié)果表明,采用了低壓降流量分配均勻的管座結(jié)構(gòu)和高熱工性能定位格架,CF3燃料組件壓降系數(shù)與AFA3G燃料組件相當(dāng)。

(3)厚壁導(dǎo)向管設(shè)計

作為第三代核電技術(shù), “華龍一號”采用SL-2為0.3g的更高抗震要求,這對燃料組件提出了更高的結(jié)構(gòu)強度要求。另一方面,隨著經(jīng)濟性要求的提高,堆芯燃料管理采用更為先進(jìn)的策略,燃料組件通常需經(jīng)歷長燃料循環(huán)以及更高燃耗深度。更加惡劣的運行條件對燃料組件的結(jié)構(gòu)強度也帶來了更高的要求。

導(dǎo)向管部件及定位格架對燃料組件的結(jié)構(gòu)強度起著關(guān)鍵作用。CF3燃料組件有針對性地對導(dǎo)向管及定位格架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)強化設(shè)計。

在導(dǎo)向管內(nèi)適當(dāng)?shù)妮S向位置插入一定長度的內(nèi)套管,兩者通過脹接相連接,形成導(dǎo)向管的緩沖段,最后焊接導(dǎo)向管端塞形成導(dǎo)向管部件。導(dǎo)向管采用0.6 mm的厚壁設(shè)計,相對通常0.5 mm壁厚增加了20%。這樣的方案加強了燃料組件的整體剛度,使其即使在承受較大軸向壓縮載荷、長期高燃耗輻照情況下仍然具有較好的尺寸穩(wěn)定性,增強了抗彎曲性能,能避免出現(xiàn)控制棒不完全插入現(xiàn)象。

(4)空間曲面下管座設(shè)計

異物磨蝕破損是目前主要的燃料棒破損機理之一。為了減小由于異物磨蝕引起的燃料破損,CF3燃料組件創(chuàng)造性的采用空間曲面的結(jié)構(gòu)形式。整個下管座由下管座結(jié)構(gòu)件、筋條、葉片、導(dǎo)向管座和儀表管座釬焊構(gòu)成 (見圖1)。空間曲面下管座利用流道本身的幾何形狀進(jìn)行異物的過濾,不需要額外的防異物板,具備過濾較小尺寸異物的能力。

圖1 空間曲面下管座結(jié)構(gòu)Fig.1 The botto m nozzle wit h curved flow channels

對空間曲面下管座進(jìn)行了水力學(xué)性能分析及力學(xué)性能分析。采用單相CFD方法對下管座進(jìn)行了水力學(xué)計算。結(jié)果表明,下管座的壓降水平與現(xiàn)役燃料組件下管座接近,其水力學(xué)力是平衡的,流體經(jīng)過下管座并不會形成明顯的橫向流。按照燃料組件下管座在堆內(nèi)外承受的最大載核進(jìn)行分析計算,其結(jié)果表明下管座的力學(xué)性能是滿足燃料組件機械設(shè)計要求的,并且較大余量。

(5)防勾掛設(shè)計

根據(jù)運行經(jīng)驗反饋,燃料組件在堆芯裝卸過程中容易出現(xiàn)相鄰組件之間的定位格架勾掛現(xiàn)象。嚴(yán)重的勾掛現(xiàn)象將使燃料組件不能再次裝入反應(yīng)堆,帶來很大的經(jīng)濟損失。CF3燃料組件定位格架外條帶采用了防勾掛設(shè)計,降低裝卸料期間格架鉤掛損傷的風(fēng)險。外條帶上下端導(dǎo)向翼連續(xù)布置。上端高矮交替布置導(dǎo)向翼,下端連續(xù)布置導(dǎo)向翼。導(dǎo)向翼高低搭配方式,具備防勾掛設(shè)計特征。

通過以上兩個定位格架之間的三維模型勾掛模擬,驗證了各種典型工況條件,CF3改進(jìn)型定位格架不會與相鄰組件的定位格架發(fā)生勾掛。開展的格架勾掛試驗也表明燃料組件具有優(yōu)良的防勾掛性能。如圖2所示。

圖2 格架勾掛試驗裝置Fig.2 Test apparatus for grids hanging up

(6)先進(jìn)堆芯測量適應(yīng)性設(shè)計

為了提高反應(yīng)堆的安全性,“華龍一號”核電站采用先進(jìn)堆芯測量系統(tǒng)。堆芯測量儀表將從堆芯上部插入,從燃料組件的上管座進(jìn)入儀表管。為了實現(xiàn)這一目的,燃料組件進(jìn)行了適應(yīng)性的設(shè)計。上管座連接板中心設(shè)置通孔,其與儀表管相連形成連續(xù)的通道,便于堆芯測量儀表插入。

2 CF3燃料組件設(shè)計驗證

在CF3燃料組件研發(fā)過程中,開展了一系列的理論分析及試驗驗證工作,驗證了燃料組件本身的性能及特性。另外為評價CF3燃料組件用于 “華龍一號”反應(yīng)堆的性能,確保其堆內(nèi)使用的安全性和可靠性,結(jié)合 “華龍一號”反應(yīng)堆設(shè)計的具體要求,針對CF3燃料組件開展了系列工程應(yīng)用的驗證分析工作。

2.1 N36合金堆內(nèi)外試驗

針對N36合金開展了大量的堆內(nèi)外試驗以驗證其性能并獲得關(guān)鍵性能參數(shù),具體如下:

(1)堆外試驗

1)堆外力學(xué)性能試驗

針對N36合金拉伸性能、蠕變性能、疲勞性能、爆破性能等開展了試驗測試,并與參比合金進(jìn)行了對比,驗證了N36合金力學(xué)性能并獲得了關(guān)鍵性能參數(shù),為燃料棒設(shè)計驗證提供了理論支持。

2)腐蝕及吸氫性能試驗

針對N36合金腐蝕性能及吸氫性能開展了在多種水質(zhì)條件及溫度條件下的試驗,并與參比合金進(jìn)行對比,以驗證其腐蝕性能及吸氫性能,為評估堆內(nèi)環(huán)境的腐蝕及吸氫性能提供參考。

3)高溫氧化行為試驗

針對N36合金在高溫環(huán)境下的腐蝕氧化行為開展試驗研究,驗證其在事故工況下的氧化行為,為安全分析提供理論支持。

4)碘致應(yīng)力腐蝕開裂

針對N36合金在不同溫度及碘分壓條件下的應(yīng)力腐蝕開裂行為進(jìn)行試驗,以獲得其在不同條件下的碘致應(yīng)力腐蝕開裂敏感性,為反應(yīng)堆內(nèi)燃料元件行為分析提供理論支持。

(2)堆內(nèi)試驗

1)高通量試驗堆輻照考驗

針對N36合金在輻照條件下的力學(xué)性能開展了在高通量試驗堆內(nèi)輻照考驗,以獲得其在輻照條件下的關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù),為開展燃料棒性能分析奠定基礎(chǔ)。

2)商業(yè)堆輻照考驗

已入商業(yè)堆考驗的N36特征化組件及CF3先導(dǎo)組件均采用N36合金作為燃料棒包殼材料,通過池邊檢查及熱室檢查將獲得N36合金的腐蝕、生長、力學(xué)等關(guān)鍵性能數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是對N36合金包殼性能的綜合驗證,同時也將為燃料棒性能分析模型的建立提供支撐。

2.2 CF3綜合性能測試與驗證

CF3燃料組件研發(fā)過程中采用了大量的代表性試驗件或原型部件 (組件),開展了一系列燃料組件機械性能、熱工水力性能以及綜合性能的試驗研究,其中重要的試驗如下:

1)定位格架試驗:原型格架的力學(xué)試驗測量獲得了格架的屈曲強度和剛度,為驗證燃料組件是否滿足LOCA＋SSE事故中SL-2為0.3g的要求提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2)燃料組件力學(xué)試驗:采用1∶1模擬組件開展的力學(xué)試驗測量了燃料組件剛度、頻率、模態(tài)等基本力學(xué)特性,同時為其LOCA＋SSE事故分析提供阻尼等基本輸入。如圖3所示。

3)控制棒落棒試驗:針對加厚導(dǎo)向管和新型燃料組件結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用1∶1模擬組件開展了控制棒落棒性能測試試驗,不同流量、不同提棒高度下的落棒試驗結(jié)果表明燃料組件具有優(yōu)良的落棒性能。

圖3 燃料組件力學(xué)試驗Fig.3 Mechanical test f or f uel asse mbly

4)燃料組件流致振動試驗:采用1∶1模擬燃料組件開展流致振動試驗結(jié)果表明燃料組件及燃料棒在模擬實堆的運行環(huán)境中振動很小,具有良好的振動特性。

5)燃料組件耐久性試驗:采用1∶1模擬燃料組件開展了1 000 h的耐久性試驗,檢查結(jié)果表明燃料組件具有優(yōu)良結(jié)構(gòu)性能,試驗中未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的磨蝕。

6)燃料組件水力特性試驗:采用1∶1模擬組件開展燃料組件水力特性試驗,測量獲得燃料組件及其部件的壓降系數(shù),結(jié)果表明CF3燃料組件壓降系數(shù)與AFA3G燃料組件相當(dāng)。

7)臨界熱流密度試驗:采用實際棒徑和柵距的5×5棒束開展了臨界熱流密度試驗,測量數(shù)據(jù)點擬合CF3燃料組件臨界熱流密度關(guān)系式用于堆芯熱工水力設(shè)計和安全分析。試驗用冷棒與熱棒的功率比為0.85∶1。試驗結(jié)果表明CF3燃料組件具有較滿意的熱工性能。

8)燃料組件輻照考驗:為系統(tǒng)驗證CF3燃料組件的堆內(nèi)綜合性能,開展了采用N36合金包殼燃料棒的特征化組件和先導(dǎo)組件的輻照考驗,N36包殼燃料棒已于2012年6月入秦山二期反應(yīng)堆輻照,即將完成所有4個循環(huán)輻照。前3個循環(huán)末池邊檢查結(jié)果表明其狀態(tài)良好,池邊檢查結(jié)果顯示,N36合金具有優(yōu)于M5合金的輻照生長性能,與M5合金相當(dāng)?shù)娜渥冃阅?同時腐蝕性能表現(xiàn)良好。4組CF3先導(dǎo)燃料組件也于2014年6月入秦山二期反應(yīng)堆,即將完成第二個18個月長循環(huán)輻照。池邊檢查結(jié)果顯示,CF3燃料組件包括輻照性能在內(nèi)的堆內(nèi)綜合性能良好 (見圖4)。

圖4 CF3先導(dǎo)組件入堆和池邊檢查Fig.4 Insertion into the core and poolside examination of CF3 lead f uel asse mbly

3 CF3燃料組件工程設(shè)計驗證

3.1 燃料組件機械設(shè)計驗證

CF3燃料組件為滿足 “華龍一號”三代核電的要求,除了需要滿足核電燃料組件的制造、吊裝、運輸?shù)确沁\行載荷與設(shè)計工況載荷外,還需要滿足事故工況載荷SL-2由0.2g提高到0.3g的要求。根據(jù)設(shè)計準(zhǔn)則要求,對燃料組件機械性能進(jìn)行了計算分析,并與相應(yīng)的準(zhǔn)則進(jìn)行了比較。驗證的主要結(jié)果如下:

(1)間隙驗證

通過分析計算估計,在壽期末,最大使用燃耗下,上管座與上堆芯板之間存在的間隙仍大于零。在燃料組件壽期末,燃料棒與管座之間的最小熱態(tài)間隙仍大于零。相鄰的燃料組件橫向間隙為未全部閉合。

(2)壓緊系統(tǒng)設(shè)計驗證

在保守考慮水力載荷、燃料組件尺寸、輻照松弛生長效應(yīng)的情況下,正常工況下板彈簧壓緊力有較大裕量 (1 740 N),燃料組件不會跳起,滿足壓緊要求。

(3)格架功能驗證

運行期間燃料棒支承有效性:燃料棒所受的軸向外力小于燃料棒的摩擦力,燃料棒不會滑移。計算燃料棒最大磨蝕深度為5μm,小于磨蝕限值57μm(10%壁厚),滿足設(shè)計要求。

(4)導(dǎo)向管穩(wěn)定性驗證

對導(dǎo)向管在吊裝運輸及正常運行各工況的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗證,軸向壓縮載荷小于導(dǎo)向管臨界屈曲載荷,滿足設(shè)計要求 (見表1)。

(5)上管座及下管座應(yīng)力驗證

對上管座及下管座在I、II類工況下承受最大載荷 (運輸、吊裝過程中軸向允許最大4g加速度)的應(yīng)力進(jìn)行了分析,結(jié)果表明應(yīng)力均小于準(zhǔn)則限值 (見表2)。

表1 導(dǎo)向管穩(wěn)定性驗證Table 1 the stability verification of guide thi mble

表2 上管座及下管座應(yīng)力驗證Table 2 The stress evaluation of top nozzle and bottom nozzle

(6)事故分析

針對SL-2為0.3g的要求,CF3燃料組件研發(fā)過程中開展了抗震性能建模和分析方法研究,通過試驗測量獲得了燃料組件的剛度、阻尼、格架屈曲強度等關(guān)鍵參數(shù)。LOCA＋SSE事故工況分析表明,CF3燃料組件上管座、下管座及導(dǎo)向管應(yīng)力滿足準(zhǔn)則要求,格架所受撞擊力小于格架屈曲限值,滿足SL-2為0.3g的要求 (見表3)。

表3 事故分析結(jié)果Table 3 Results of DBA evaluation

3.2 燃料棒設(shè)計驗證

采用N36合金作為包殼材料的燃料棒應(yīng)滿足燃料棒設(shè)計的相關(guān)準(zhǔn)則要求,基于 “華龍一號”堆芯設(shè)計特征開展了燃料棒的性能分析,分析結(jié)果如下:

(1)燃料溫度準(zhǔn)則

芯塊中心最高溫度為1 852℃,考慮不確定性后為1 962.8℃。小于準(zhǔn)則限值2 590℃。

(2)包殼溫度準(zhǔn)則

在穩(wěn)態(tài)工況下的包殼表面溫度最大值為378℃,瞬態(tài)工況下為404℃,滿足包殼溫度準(zhǔn)則穩(wěn)態(tài)運行時不超過400℃及瞬態(tài)運行時不超過425℃的要求。

(3)內(nèi)壓準(zhǔn)則

燃料棒內(nèi)壓在壽期末達(dá)到最大值為12.311 MPa,考慮不確定性后為14.179 MPa,低于系統(tǒng)壓力,不會造成芯塊—包殼直徑間隙增大或閉合后重新打開,滿足內(nèi)壓準(zhǔn)則。

(4)包殼應(yīng)變準(zhǔn)則

燃料棒功率變化導(dǎo)致的包殼直徑增大 (彈塑性應(yīng)變＋蠕變)小于準(zhǔn)則限值1%。

(5)包殼應(yīng)力準(zhǔn)則

在穩(wěn)態(tài)條件下,燃料棒的體積平均有效應(yīng)力不超過171 MPa,小于考慮溫度和輻照效應(yīng)的屈服強度,滿足準(zhǔn)則要求。

(6)包殼疲勞準(zhǔn)則

75%、50%和30%低功率水平運行3個循環(huán)在壽期末的累積應(yīng)變疲勞損傷因子分別為6.27%、12.34%和16.49%,滿足包殼疲勞準(zhǔn)則。

3.3 小結(jié)

對CF3燃料組件用于 “華龍一號”堆芯的輻照性能進(jìn)行了分析,結(jié)果表明CF3燃料組件在18個月?lián)Q料燃料管理策略下,燃耗達(dá)到55 000 MW·d/t U時依然滿足相關(guān)準(zhǔn)則要求。

4 結(jié)論

通過CF3堆外性能試驗和堆內(nèi)輻照考驗,表明CF3燃料組件具有良好的機械性能和熱工水力性能。結(jié)合 “華龍一號”核電站的具體設(shè)計要求,對CF3燃料組件工程應(yīng)用進(jìn)行了設(shè)計驗證,結(jié)果表明CF3燃料組件滿足卸料燃耗52 000 MW·d/t U、18個月?lián)Q料、SL-2為0.3g及高熱工性能等具體要求。