核電廠全陶瓷微封裝彌散燃料研發(fā)

(中核北方核燃料元件有限公司,內(nèi)蒙古 包頭 014035)

隨著核電的發(fā)展,燃料元件也不斷地在更新?lián)Q代,但始終會(huì)遵循核燃料設(shè)計(jì)制造的準(zhǔn)則——安全性和經(jīng)濟(jì)性。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是研發(fā)固有安全性更高的燃料芯體材料和包殼材料,進(jìn)而研發(fā)出固有安全性更好、綜合性能更優(yōu)的燃料元件。

福島核事故暴露了UO2-Zr燃料的固有缺陷,包括芯塊導(dǎo)熱性能差、事故狀態(tài)下發(fā)生鋯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣等。因此,在福島核事故后,業(yè)界提出了事故容錯(cuò)燃料(ATF)的概念。設(shè)計(jì)ATF燃料的基本要求是：在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事故和超基準(zhǔn)事故工況下,與UO2-Zr燃料相比,ATF燃料能夠抵御高溫、滯留裂變產(chǎn)物、減緩可燃?xì)怏w(H2)產(chǎn)生速率或徹底消除可燃?xì)怏w釋放、保持堆芯可冷卻能力,從本質(zhì)上減緩或杜絕反應(yīng)堆在事故工況發(fā)生氫爆和堆芯熔化的可能。

ATF燃料的概念一經(jīng)提出,立刻得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和高度認(rèn)可。美、法、日等核電大國(guó)紛紛投入較大的人財(cái)物力,積極推進(jìn)ATF燃料的研發(fā)。根據(jù)美國(guó)2012年發(fā)布的關(guān)于發(fā)展輕水堆耐事故燃料的報(bào)告,到2022年,要實(shí)現(xiàn)ATF燃料能夠在LWR運(yùn)行的研究目標(biāo)。我國(guó)也高度重視ATF燃料的研發(fā),依照國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局關(guān)于印發(fā)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》的通知,未來,在先進(jìn)核燃料元件方面,會(huì)加快推進(jìn)事故容錯(cuò)燃料元件(ATF)的研發(fā)。ATF燃料的研發(fā)已列入國(guó)家重大科技專項(xiàng)、核能開發(fā)等項(xiàng)目。

就ATF燃料的芯體材料而言,主要提出了三種主要候選材料。包括改進(jìn)型的UO2芯體(大晶粒UO2、摻雜BeO、SiO2等高導(dǎo)熱材料的UO2復(fù)合芯塊)、高裂變密度芯塊(U3Si2、UN-U3Si2、UN-U3Si5、U-Mo復(fù)合芯塊)和全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊等高裂變產(chǎn)物容納芯塊。在眾多ATF燃料候選芯體材料中,全陶瓷微封裝彌散燃料是實(shí)現(xiàn)ATF燃料的重要途徑。

本文將介紹目前全陶瓷微封裝彌散燃料的國(guó)際發(fā)展現(xiàn)狀以及中核北方核燃料有限公司(簡(jiǎn)稱“中核北方”)關(guān)于全陶瓷微封裝彌散燃料研發(fā)方面取得的成果,希望借此對(duì)ATF燃料未來的研究、發(fā)展以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 全陶瓷微封裝彌散燃料概念

1.1 結(jié)構(gòu)形式

全陶瓷微封裝彌散燃料是將TRISO(tri-structural isotropic)三維結(jié)構(gòu)同性顆粒彌散在SiC等具有高導(dǎo)熱性能的基體中制成彌散芯塊,再將彌散芯塊裝在包殼中,如圖1所示。

圖1 全陶瓷微封裝彌散燃料Fig.1 Fully ceramic micro-encapsulated fuel

全陶瓷微封裝彌散燃料采用的TRISO顆粒主要結(jié)構(gòu)如下：TRISO顆粒中心是直徑大約不大于1 mm的UO2核芯小球,其外有多層包覆層包覆。包覆層一般由疏松碳層(buffer)、致密碳層(PyC)、SiC層和可燃毒物層構(gòu)成。疏松碳層封裝UO2核芯,為CO、CO2和氣態(tài)裂變產(chǎn)物提供儲(chǔ)存空間,吸收燃料核芯因輻照而引起的腫脹,緩沖由溫度及輻照引起的應(yīng)力；致密碳層，是防止SiC層沉積時(shí)產(chǎn)生的氯化氫與燃料核芯反應(yīng),防止或延緩貴金屬裂變產(chǎn)物對(duì)SiC層的腐蝕,并承受部分內(nèi)外部壓力；SiC層,是承受內(nèi)壓及阻擋氣態(tài)和固態(tài)裂變產(chǎn)物的關(guān)鍵層。根據(jù)使用環(huán)境不同,包覆層的層數(shù)和組成也不盡相同。

TRISO顆粒均勻彌散在SiC等具有高導(dǎo)熱性能的基體中,通過燒結(jié)工藝制成陶瓷芯體。陶瓷型的彌散芯體體外層通常會(huì)有一層無燃料的SiC基體區(qū),最終形成適用于壓水堆應(yīng)用的芯塊。TRISO顆粒彌散的SiC基體不僅具備較高的熱導(dǎo)率和良好的輻照穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),并能有效阻止裂變產(chǎn)物的釋放,是具有第四代特征的具有高安全特性的新型燃料。

1.2 性能優(yōu)勢(shì)

全陶瓷微封裝彌散燃料芯體有很多優(yōu)良的性能,比如具有熱導(dǎo)率高(如圖2)、比熱性能好(如圖3)、密度隨溫度變化率低(如圖4)、體積熱容(Volumetric Heat Capacity，VHC)(如圖5)指數(shù)優(yōu)異等出色的性能,與包殼材料的相容性好。阻擋裂變產(chǎn)物的能力強(qiáng),事故狀態(tài)下具有較大的安全裕度。IAEA關(guān)于全陶瓷微封裝彌散燃料的報(bào)告中指出,全陶瓷微封裝彌散燃料+SiC的組合導(dǎo)熱性能雖然會(huì)隨溫度升高降低,但優(yōu)于其他芯塊包殼組合,有利于降低燃料棒運(yùn)行時(shí)的中心溫度。同時(shí),對(duì)比全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的比熱、密度隨溫度的變化以及VHC指數(shù),可以看出,在LOCA事故下,芯塊吸收同等的能量,全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的溫度是最低的,因此也是最安全的(如圖6)。

圖2 材料的熱導(dǎo)率Fig.2 Conductivity of the candidate material

圖3 材料的比熱Fig.3 Specific heat of the candidate material

圖4 材料溫度隨密度的變化Fig.4 Variation of candidate materialdensity with the temperature

圖5 材料的VHC指數(shù)Fig.5 VHC of the candidate material

圖6 LOCA事故下材料的溫度變化Fig.6 The temperature of the candidatematerial under LOCA

更為重要的是,全陶瓷微封裝彌散燃料不改變現(xiàn)有燃料的結(jié)構(gòu),材料成熟,性能確定,與目前的商用堆完全兼容?，F(xiàn)在只需做芯塊性能設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià),要解決的技術(shù)問題是最少的。

2 全陶瓷微封裝彌散燃料研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 核芯研究

由于全陶瓷微封裝彌散燃料設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于壓水堆中替代傳統(tǒng)UO2燃料,要達(dá)到傳統(tǒng)壓水堆燃料同等的燃耗就需要提高TRISO顆粒中UO2核芯的富集度。因?yàn)槭芟抻诮?jīng)濟(jì)成本和國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定,TRISO顆粒中的核芯材料設(shè)計(jì)就逐步從最初的UO2發(fā)展至高鈾密度的UCO、UC以及UN等材料,又依據(jù)使用核芯材料的不同,核芯尺寸從10～800 μm不等。但目前最為成熟的還是UO2核芯。

UO2核芯共有4層包覆層,由內(nèi)到外依次包覆疏松碳層(buffer)、內(nèi)致密碳層(IPyC)、SiC層和外致密碳層(OPyC)等四層包覆層。研究中的TRISO顆粒包覆層依據(jù)不同應(yīng)用方向的反應(yīng)堆,除了上述提到的四層外,還可以包括可燃毒物層。總的來說依照應(yīng)用需求TRISO顆粒包覆層數(shù)從3～5層不等,每層厚度從20～125 μm不等。針對(duì)包覆層的層數(shù)、包覆厚度各國(guó)學(xué)者也從熱物理性能方面做了相關(guān)研究。上海交通大學(xué)的模擬實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)帶OPyC層的TRISO顆粒和不帶OPyC層的TRISO顆粒的熱流模擬分析結(jié)果顯示,不帶OPyC層的TRISO顆粒熱導(dǎo)率更優(yōu)異。

2.2 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊研究

TRISO顆粒彌散在SiC等基體材料中,通過燒結(jié)工藝制備成陶瓷芯塊。目前UO2核芯以及TRISO顆粒包覆技術(shù)較為成熟。因此,面向工程化應(yīng)用的研究重點(diǎn)是燃料芯塊制備技術(shù)。針對(duì)芯塊的燒結(jié),目前研究最多的是熱壓燒結(jié)技術(shù)、瞬態(tài)共晶技術(shù)和等離子體放電燒結(jié)技術(shù)。

2.2.1 熱壓燒結(jié)技術(shù)

熱壓燒結(jié)是將TRISO顆粒和SiC粉末均勻混合后放置于專用的模具中,在高溫高壓的環(huán)境下燒結(jié)制成最終的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊。熱壓燒結(jié)主要是借助高溫高壓將TRISO顆粒和SiC粉末“粘合”在一起,為了降低燒結(jié)的溫度和壓力以便降低燒結(jié)難度,學(xué)者們研究了不同的氧化物助燒劑以便在低溫液相燒結(jié)線附近實(shí)現(xiàn)燒結(jié)粘合。1992年起,Mah開始研究Al-Y添加劑體系下的熱壓燒結(jié)工藝,通過燒結(jié)劑的添加,可將燒結(jié)溫度降至1400 ℃。2017年,USNC在前人熱壓燒結(jié)研究的基礎(chǔ)上,申請(qǐng)了以可燃毒物作為全陶瓷微封裝燃料芯塊的助燒劑的專利。專利權(quán)利要求書中明確了采用稀土氧化物作為芯塊燒結(jié)助燒劑的制備工藝內(nèi)容。為了進(jìn)一步節(jié)約燒結(jié)時(shí)間,2017年USNC申請(qǐng)了全陶瓷微封裝燃料芯塊的制備專利。專利權(quán)利要求書中明確了采用模具預(yù)制成型-熱壓燒結(jié)的方式完成芯塊的制備。

2.2.2 瞬態(tài)共晶技術(shù)

瞬態(tài)共晶技術(shù)(Nano-Infiltration and Transient Eutectic-phase,NITE)是Omori等人在1982年發(fā)明的一種液相燒結(jié)技術(shù),即采用納米粉末為漿料,將漿料放置在模具中成型燒結(jié)。2001年起,Katoh等人以納米SiC粉末為原料,采用NITE制備獲得了結(jié)構(gòu)致密的與CVD制備的SiC相類似的SiC基體。采用瞬態(tài)共晶技術(shù)同時(shí)添加助燒劑,2007年Shimoda可以將燒結(jié)溫度降低200～400 ℃。2011年Koyanagi等人研究表明該種方式制備的SiC陶瓷抗輻照腫脹性能良好。

2.2.3 等離子體放電燒結(jié)

為了進(jìn)一步縮短燒結(jié)時(shí)間增加燃料芯塊的致密化程度,美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)首次采用等離子體放電燒結(jié)(SPS)方式燒結(jié)全陶瓷微封裝燃料芯塊,同時(shí)還可以添加SiC晶須等。國(guó)內(nèi)在2018年,Fangcheng Cao等人采用SPS方式制備出ZrO2核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊,密度為3.01 g/cm3,硬度19.2 GPa。

2.3 全陶瓷微封裝彌散燃料的組件設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

全陶瓷微封裝彌散燃料研制的初衷就是為了取代傳統(tǒng)的壓水堆UO2燃料芯塊,在事故工況下提高燃料的安全性能。為了實(shí)現(xiàn)該目的,需要對(duì)比全陶瓷微封裝彌散燃料同UO2燃料在熱傳遞和能量釋放上的性能差異,因此2013年美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出了全陶瓷微封裝彌散燃料應(yīng)用于壓水堆的研發(fā)內(nèi)容：即研發(fā)燃料組件的中子性能、燃料核芯的熱工水力研究、運(yùn)行安全性能以及合格性能評(píng)估等內(nèi)容。

隨后美國(guó)和韓國(guó)分別針對(duì)上述研發(fā)內(nèi)容,開展了全陶瓷微封裝彌散燃料在壓水堆上應(yīng)用的相應(yīng)設(shè)計(jì)工作,其中,一種應(yīng)用設(shè)計(jì)是將UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料用于OPR-1000反應(yīng)堆上,并設(shè)計(jì)了2種12×12和2種16×16組件排列形式,具體結(jié)果如表1所示。另外一種應(yīng)用設(shè)計(jì)是將13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料用于替代西屋公司的17×17組件,具體結(jié)果如圖7、圖8所示。

表1 全陶瓷微封裝彌散燃料用于OPR-1000反應(yīng)堆上的設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Design index of the fully ceramic micro-encapsulated fuel utilizing in the OPR-1000 reactor

圖7 13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料設(shè)計(jì)指標(biāo)Fig.7 Design index of the fully ceramic micro-encapsulated fuel in the 13×13 UN core

圖8 13×13的UN核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料布置圖Fig.8 Layout of the fully ceramic micro-encapsulated fuelin the 13×13 UN core

同步,為了擴(kuò)充全陶瓷微封裝彌散燃料的應(yīng)用,加快推進(jìn)燃料發(fā)展,美國(guó)USNC還開展了全陶瓷微封裝彌散燃料用于重水堆的相關(guān)設(shè)計(jì)研究,并申請(qǐng)了相關(guān)專利,采用UN為核芯的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊替代重水堆燃料的芯塊。

3 中核北方全陶瓷微封裝彌散燃料研究進(jìn)展

3.1 研究概況

中核北方核燃料元件有限公司是中核集團(tuán)公司的重要成員單位,是我國(guó)規(guī)模最大、種類最多、技術(shù)最全的核材料、核燃料研制生產(chǎn)基地。研制生產(chǎn)了我國(guó)絕大多數(shù)的生產(chǎn)堆、動(dòng)力堆、研究堆燃料元件,為我國(guó)原子彈、氫彈的成功爆炸和核潛艇的順利下水做出了重要?dú)v史貢獻(xiàn)。

進(jìn)入21世紀(jì),中核北方搶抓國(guó)家核電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的歷史機(jī)遇,全面推進(jìn)核電燃料元件產(chǎn)業(yè)發(fā)展。通過引進(jìn)、消化、吸收技術(shù),先后建成了我國(guó)唯一的重水堆核電燃料元件生產(chǎn)線、AFA3 G核電燃料元件生產(chǎn)線、我國(guó)唯一的AP1000核電燃料元件生產(chǎn)線,實(shí)現(xiàn)了高溫氣冷堆球形元件制造技術(shù)的工程化應(yīng)用,建成了全球首條商業(yè)化高溫氣冷堆球形燃料元件生產(chǎn)線。

與此同時(shí),中核北方大力推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新。在國(guó)家科技重大專項(xiàng)、核能開發(fā)、中核集團(tuán)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下,依托公司所擁有的一個(gè)國(guó)家級(jí)企業(yè)技術(shù)中心和多個(gè)省部級(jí)研發(fā)平臺(tái),積極致力于新一代核材料、核燃料關(guān)鍵技術(shù)研究,取得了大量科技創(chuàng)新成果。

在核燃料元件開發(fā)方面,掌握了CAP1400自主化燃料制造技術(shù),于2016年研制出CAP1400自主化燃料定型組件,目前正在進(jìn)行CAP1400自主化燃料先導(dǎo)組件研制；掌握了我國(guó)自主創(chuàng)新的環(huán)形燃料制造技術(shù),于2018年研制出了首個(gè)環(huán)形燃料全尺寸力學(xué)試驗(yàn)件；開發(fā)了海洋核動(dòng)力平臺(tái)燃料組件及相關(guān)組件；掌握了ADS嬗變堆燃料組件制造技術(shù),完成了多種試驗(yàn)組件制造；參與了CF系列燃料組件制造技術(shù)開發(fā)。

在核材料研發(fā)方面,積極跟蹤世界核電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì),加快了第三代核電燃料元件和第四代核能系統(tǒng)燃料元件的探索和預(yù)研研究,系統(tǒng)開展了ATF、全陶瓷微封裝彌散燃料、NU芯塊、高熱導(dǎo)芯塊、SiC復(fù)合材料包殼管等新型核燃料芯體材料和包殼材料的研發(fā),為實(shí)現(xiàn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)新型核燃料的研發(fā)打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2 全陶瓷微封裝彌散燃料研究進(jìn)展

3.2.1 研究背景和目標(biāo)

自2016年起,中核北方著手開始在ATF燃料方面開展相關(guān)研究,借助中核集團(tuán)重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)“龍騰2020”科技創(chuàng)新計(jì)劃——“核電耐事故燃料技術(shù)研究和核能開發(fā)項(xiàng)目——耐事故燃料關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目”的支持,中核北方以突破全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結(jié)技術(shù)、無燃料區(qū)制備技術(shù)為目標(biāo),開展了大量深入細(xì)致的研究。

主要研究?jī)?nèi)容包括全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊中TRISO顆粒的均勻彌散排布、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊無燃料區(qū)的制備與精度控制、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊致密度的控制、全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結(jié)后TRISO顆粒的球形度與完整性以及全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊燒結(jié)后內(nèi)應(yīng)力的釋放等方面。目前已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。

3.2.2 研究進(jìn)展以及取得的成果

為了保障彌散燃料在運(yùn)行過程中熱流密度的均勻性,中核北方專門開展了TRISO顆粒在SiC基體中均勻分散的研究,同時(shí)針對(duì)燃料中TRISO顆粒的分布的檢測(cè)評(píng)判方法進(jìn)行了研究,分別采用X光呈像和金相檢測(cè)評(píng)價(jià)手段進(jìn)行評(píng)價(jià),綜合建立并形成了評(píng)價(jià)體系,結(jié)果表明中核北方制備的彌散燃料芯塊中的TRISO顆粒均勻分布在SiC基體內(nèi),如圖9所示。

圖9 不同TRISO顆粒含量的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊(含無燃料區(qū))的X光呈像Fig.9 X-ray image of the fully ceramic micro-encapsulatedfuel with different TRISO volume (with non fuel zone)

同對(duì)普通芯塊的要求一樣,全陶瓷微封裝彌散燃料要有一定的強(qiáng)度,因此就需要制備致密度較高的芯塊。中核北方針對(duì)SiC基體粉末粒徑和TRISO顆粒粒徑差異較大的特點(diǎn),專門制備了相應(yīng)的混料工裝和配方,既能保障彌散燃料芯塊的致密度和強(qiáng)度,又能確保燒結(jié)后的芯塊中TRISO顆粒的完整性和球形度。

圖10為制備的全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊金相照片,SiC基質(zhì)金相照片顯示,SiC基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為均勻,其內(nèi)部存在由助燒劑組成的第二相,且分布均勻。TRISO顆粒金相照片可以清晰看出顆粒外層4層包覆層,顆粒結(jié)構(gòu)完整,在成型燒結(jié)過程中未發(fā)生破損現(xiàn)象。

圖10 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊金相照片F(xiàn)ig.10 SEM of the fully ceramicmicro-encapsulated fuel pellets

對(duì)燒結(jié)后彌散燃料芯塊中的TRISO顆粒表面包覆層各層成分進(jìn)行定點(diǎn)EDS檢測(cè),最外層包覆層的能譜結(jié)果如圖11所示,測(cè)試點(diǎn)的成分為C,幾乎不存在任何其他雜質(zhì),TRISO顆粒最外層包覆層為致密熱解C層。

圖11 TRISO顆粒最外層成分EDS檢測(cè)Fig 11 EDS chemical components results of outer layer for the TRISO particles

依照不同的應(yīng)用方向和設(shè)計(jì)需求,針對(duì)不同TRISO顆粒裝量的彌散燃料芯塊,中核北方開展了系列研究,在保障芯塊密度、TRISO顆粒均勻彌散以及TRISO顆粒完整性的基礎(chǔ)上,目前可以獲得TRISO顆粒在彌散燃料中的體積分?jǐn)?shù)范圍為0%～50%,X光成像圖如圖9所示。

為了進(jìn)一步保障彌散燃料芯塊的安全性能,中核北方在TRISO顆粒彌散SiC基體芯塊的外圍又增加了一定厚度的無燃料SiC基體。這層基體既可以保障將TRISO顆粒全部封裝在SiC陶瓷基體中,又通過相應(yīng)的應(yīng)力釋放處理,以滿足在燒結(jié)和芯塊運(yùn)行過程熱膨脹一致,不至于由于熱量釋放而導(dǎo)致芯塊開裂。目前可以采用不同工藝可以制備獲得厚度范圍在50～2 000 μm內(nèi)的無燃料區(qū)。

圖12 全陶瓷微封裝彌散燃料芯塊的無燃料區(qū)顯微結(jié)構(gòu)Fig.12 Microstructure of the non-fuel zone for the fullyceramic micro-encapsulated fuel pellets

另外,為了證明全陶瓷微封裝彌散燃料的優(yōu)越性,中核北方對(duì)制備的全陶瓷微封裝彌散燃料開展了一系列熱物理性全陶瓷微封裝彌散燃料的熱物理性能均優(yōu)于傳統(tǒng)的UO2芯塊。