壓水堆MOX與UO2燃料棒輻照性能對(duì)比分析

任啟森 張永棟

摘 ? 要：采用MOX燃料是提高鈾資源利用率、實(shí)現(xiàn)核燃料閉式循環(huán)的重要途徑。MOX燃料與純UO2在熱導(dǎo)率、裂變氣體釋放等性能方面不同。本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，對(duì)壓水堆MOX和UO2燃料棒的輻照性能進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在相同的輻照條件下，MOX燃料中心溫度在低燃耗階段比UO2偏低，高燃耗階段則明顯高于UO2;MOX燃料棒內(nèi)壓高于UO2，兩者之間的差距隨燃耗增加而增大;輻照后期，MOX燃料棒包殼發(fā)生向內(nèi)應(yīng)變的絕對(duì)值比UO2偏低。

關(guān)鍵詞：壓水堆 ?MOX燃料 ?輻照性能

中圖分類號(hào)：TL352 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）07（b）-0134-06

Abstract： Use of mixed oxide （MOX） nuclear reactors is an important approach to improve uranium efficiency and achieve closed nuclear fuel cycle. The properties of MOX fuel differ from UO2 in the aspects of thermal conductivity， fission gas release， etc. In the present study， comparison analysis of irradiation behaviors between MOX and UO2 fuel rod were carried out using the fuel performance code COPERNIC. The results indicate that， with the same irradiation condition， the MOX fuel rod represents a lower centerline temperature at lower burnup while higher centerline temperature at higher burnup， compare to that of the UO2 fuel rod. The internal pressure of MOX fuel rod is distinctly higher than that of UO2， and the difference increases with burnup. At the end of irradiation， the MOX fuel rod achieves a smaller absolute cladding compressive strain.

Key Words： PWR; MOX fuel; Irradiation behavior

二氧化鈾（UO2）燃料是目前核電站反應(yīng)堆中應(yīng)用最廣的燃料。經(jīng)過(guò)輻照后，UO2燃料中會(huì)產(chǎn)生一定含量的钚，通常乏燃料中含有約1%的钚，其中約2/3是易裂變材料[1]。為了提高鈾資源利用率，將從反應(yīng)堆中卸出的乏燃料進(jìn)行后處理，提取其中易裂變的钚元素并將其與UO2混合再加工，從而形成了鈾-钚混合氧化物（MOX）燃料。研究表明，MOX燃料與純UO2燃料在性能方面略有不同[2]，但通過(guò)恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，兩者對(duì)反應(yīng)堆的安全性和運(yùn)行性能基本沒有影響。目前MOX燃料在比利時(shí)、瑞士、法國(guó)和日本等多個(gè)國(guó)家已有大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[3]，國(guó)內(nèi)針對(duì)MOX燃料在壓水堆中的應(yīng)用可行性，從核設(shè)計(jì)、燃料管理等方面進(jìn)行了相關(guān)研究[4]。

本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，對(duì)典型百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆MOX燃料棒進(jìn)行了計(jì)算分析，研究了穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的燃料芯塊溫度、燃料棒內(nèi)壓、包殼應(yīng)變等輻照性能隨燃耗的變化，對(duì)比分析了MOX和UO2燃料棒的性能差異。

1 ?程序及模型

1.1 COPERNIC程序簡(jiǎn)介

COPERNIC是FRAMATOME ANP公司開發(fā)的燃料棒分析驗(yàn)證工具，用于燃料棒在堆內(nèi)輻照期間的輻照性能分析評(píng)估。該程序?qū)⑷剂习魪较螂x散成同心圓環(huán)且軸向分段，并在離散的時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行計(jì)算得到燃料棒的輻照性能。在COPERNIC的模型中，考慮了溫度分布、力學(xué)響應(yīng)、裂變氣體釋放、包殼腐蝕及吸氫等因素，并通過(guò)它們之間的耦合計(jì)算實(shí)現(xiàn)燃料棒的綜合性能分析[5]。該程序可用于UO2和MOX燃料棒的計(jì)算[6]。

1.2 燃料熱導(dǎo)率模型

MOX燃料的熱導(dǎo)率主要與溫度、燃料成分、燃耗、化學(xué)計(jì)量、密度等因素相關(guān)。研究表明，添加少量的PuO2會(huì)使MOX燃料的熱導(dǎo)率有所降低，當(dāng)PuO2含量大于15%wt時(shí)，MOX燃料熱導(dǎo)率還將存在更加明顯的降低趨勢(shì)[7]。通常商用反應(yīng)堆MOX燃料中的PuO2含量不會(huì)超過(guò)15%。

2 ?燃料棒設(shè)計(jì)特征及輻照功率史

參考典型的百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆設(shè)計(jì)，選取燃料棒的主要設(shè)計(jì)特征見表1，包絡(luò)功率史如圖1所示。MOX燃料芯塊由乏燃料后處理提取的Pu和U濃縮剩余的尾料混合形成，其中235U富集度為0.25%，Pu含量為9.8%;作為參比對(duì)象，標(biāo)準(zhǔn)UO2燃料芯塊中235U富集度按目前商用壓水堆18個(gè)月?lián)Q料管理方案取4.45%[9]。

3 ?計(jì)算結(jié)果分析及討論

3.1 燃料中心溫度

溫度分布是整個(gè)燃料棒綜合性能分析計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)燃料棒輻照行為有決定性的影響。燃料芯塊的中心溫度是安全分析評(píng)價(jià)中關(guān)注的重要因素之一，燃料中心最高溫度不應(yīng)超過(guò)其熔點(diǎn)，以避免燃料熔化導(dǎo)致的放射性物質(zhì)泄露。圖2給出了輻照期間MOX和UO2燃料芯塊中心溫度隨燃耗的變化趨勢(shì)，可以看出，在穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行工況下，燃料中心溫度隨燃耗增加整體呈下降趨勢(shì)。當(dāng)燃耗達(dá)到15000MWd/tU左右時(shí)，芯塊-包殼間隙發(fā)生閉合強(qiáng)化了間隙傳熱，芯塊溫度顯著降低;在燃耗約32000MWd/tU和53000MWd/tU時(shí)溫度存在突然增加的現(xiàn)象，這是由于燃料棒軸向功率分布變化導(dǎo)致局部功率突增所致。

輻照初期階段，MOX燃料中心溫度低于UO2，主要原因是壽期初MOX燃料徑向功率分布較為陡峭，在相同的線功率水平下其中心位置局部功率偏低。隨著燃耗加深，兩者徑向功率分布特征趨于一致，如圖3所示，徑向功率分布效應(yīng)對(duì)中心溫度的影響減弱。但由于MOX燃料的裂變氣體釋放率比UO2偏高，更多的裂變氣體釋放到燃料棒包殼和芯塊間隙增加了間隙傳熱熱阻;另一方面，MOX燃料的熱導(dǎo)率整體上比UO2偏低，使得輻照后期MOX燃料的中心溫度明顯高于UO2，增加幅度接近50℃。

MOX燃料的熔點(diǎn)與PuO2含量、氧-金屬比以及燃耗等因素相關(guān)，一般而言MOX燃料比純UO2燃料的熔點(diǎn)更低[10-11]。因此，在較高燃耗下，更低的熔點(diǎn)與更高的溫度兩者疊加將使得MOX燃料棒的熱工裕量顯著低于UO2，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證和安全評(píng)估中應(yīng)予以關(guān)注。

3.2 燃料棒內(nèi)壓

在燃料棒設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，需限定燃料棒內(nèi)壓不能超過(guò)特定的設(shè)計(jì)限值，以避免芯塊與包殼接觸后間隙重新打開或間隙尺寸增加而導(dǎo)致的燃料棒性能迅速惡化。燃料棒內(nèi)壓與溫度、裂變氣體釋放等因素密切相關(guān)。裂變氣體釋放直接決定了燃料棒內(nèi)氣腔中的氣體總量，溫度則是影響內(nèi)壓的重要參數(shù)。如圖4所示，隨著燃耗的增加，裂變氣體釋放到燃料棒內(nèi)空間，導(dǎo)致內(nèi)壓逐漸增大;MOX燃料棒的內(nèi)壓明顯高于UO2，兩者相差的幅度隨燃耗增加而增大，壽期末相差了約25%，主要原因是兩種燃料在熱導(dǎo)率和裂變氣體釋放兩方面的性能差異所致。

3.3 包殼應(yīng)變

燃料棒在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行中， 包殼會(huì)因內(nèi)外壓差變化、材料不同熱膨脹、芯塊輻照腫脹等因素的長(zhǎng)期作用而發(fā)生塑性變形。在設(shè)計(jì)中，需驗(yàn)證包殼不會(huì)因發(fā)生過(guò)度應(yīng)變而破損，通常要求穩(wěn)態(tài)工況下鋯合金包殼的拉伸應(yīng)變不超過(guò)1%。

圖5給出了兩種燃料棒包殼應(yīng)變隨燃耗的變化趨勢(shì)?？梢钥闯觯谡麄€(gè)輻照壽期內(nèi)，包殼應(yīng)變一直為負(fù)值，說(shuō)明包殼存在向內(nèi)的變形。在輻照初期，包殼應(yīng)變的絕對(duì)值隨燃耗快速增大，這是由于此時(shí)燃料棒內(nèi)壓較低，內(nèi)外壓差導(dǎo)致包殼向內(nèi)蠕變。燃耗達(dá)到約15000MWd/tU時(shí)，芯塊和包殼之間的間隙閉合，隨后芯塊繼續(xù)腫脹產(chǎn)生芯塊-包殼機(jī)械相互作用，包殼向內(nèi)蠕變的速率減緩。當(dāng)燃耗達(dá)到32000MWd/tU左右時(shí)，包殼向內(nèi)的應(yīng)變達(dá)到最大值，此后芯塊腫脹對(duì)包殼應(yīng)變的影響逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致包殼產(chǎn)生向外的變形，體現(xiàn)為包殼塑性應(yīng)變絕對(duì)值逐漸減小。從圖5可以看出，在輻照壽期末，MOX燃料棒包殼應(yīng)變的絕對(duì)值明顯低于UO2燃料棒，二者相差為0.08%，這主要是由于輻照后期階段MOX燃料棒的內(nèi)壓較高，內(nèi)外壓差較小，由此產(chǎn)生的包殼向內(nèi)蠕變較低。

4 ?結(jié)語(yǔ)

本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，對(duì)壓水堆MOX和UO2燃料棒的輻照性能進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明：

（1）穩(wěn)態(tài)正常運(yùn)行工況下，輻照后期階段MOX燃料的中心溫度明顯高于UO2，增加幅度約50℃;較高燃耗下MOX燃料棒的熱工裕量將顯著低于UO2。

（2）MOX燃料棒的內(nèi)壓比UO2偏高，兩者之間的差距隨燃耗增加而增大，壽期末兩者相差約25%。

（3）整個(gè)輻照壽期內(nèi)，包殼存在向內(nèi)的塑性應(yīng)變，應(yīng)變的絕對(duì)值隨燃耗先增大后減小;輻照壽期末MOX燃料棒包殼應(yīng)變的絕對(duì)值明顯低于UO2燃料棒，二者相差為0.08%。

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