環(huán)形燃料元件國內(nèi)外發(fā)展調(diào)研

趙麒霖

【摘 ?要】環(huán)形燃料元件是國際上開發(fā)的新一代高性能燃料元件。國內(nèi)外研究結(jié)果表明，水堆采用環(huán)形燃料元件代替?zhèn)鹘y(tǒng)實(shí)心燃料棒，在總體堆芯功率不改變的情況下，會(huì)明顯提高核電燃料的安全性能;在保持堆芯結(jié)構(gòu)不變的情況下，還可將堆功率提高近一半，且燃耗大大提升。故在本文章中對(duì)環(huán)形燃料元件的國內(nèi)外（包括中國，美國，韓國等國家）發(fā)展進(jìn)行簡單調(diào)研，以提高我國的發(fā)展水平，對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行憧憬。

【關(guān)鍵詞】高性能燃料;環(huán)形燃料元件;國內(nèi)外發(fā)展

我國現(xiàn)在人口特別多，這就導(dǎo)致我們現(xiàn)在能源用的多消耗格外的高，在新時(shí)代整體不斷進(jìn)步向著工業(yè)化和城市化邁開步伐的同時(shí)，能源問題也就成為了我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和前進(jìn)道路上的“瓶頸”。所以我們必須要正確對(duì)待國內(nèi)的整體能源現(xiàn)況，實(shí)現(xiàn)能源，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)之間發(fā)展協(xié)調(diào)，這是我國目前所必須面對(duì)和必須解決的重要課題，我們不容忽視。

我國現(xiàn)在的能源主要供應(yīng)還是煤，煤產(chǎn)量占總能源76.7%，處于主導(dǎo)地位，但現(xiàn)在新型能源正在逐步崛起，包括：核電，水電，風(fēng)電所占比較往常都有所提高。改革開放過后，中國一直努力了很多年，成功的改善了我國的能源結(jié)構(gòu)，讓可再生能源，與不可再生能源一起協(xié)調(diào)發(fā)展，主要發(fā)展可再生能源，形成可再生能源作為主要能源供應(yīng)，建立了較為健全的體系。但是要是真的滿足國家可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，還是需要更加優(yōu)化能源所在結(jié)構(gòu)，這也是我們新一代年輕人所共同奮斗的目標(biāo)。

在共同發(fā)展的同時(shí)，各項(xiàng)問題也都在涌現(xiàn)出來，這就需要我們處理問題，主要問題就在于能源與環(huán)境無法協(xié)調(diào)發(fā)展，所以我國現(xiàn)在準(zhǔn)備發(fā)展核電能源，雖然核電能源是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)但它確實(shí)能夠得到能源的可持續(xù)發(fā)展。

所以我國重視到了能源與環(huán)境不協(xié)調(diào)的問題，開始新興新的能源材料，即核能，在同等條件下核能的效率更高且污染環(huán)境的范圍相比之前更少。

在我國的高性能核燃料之中，在近幾年突然涌現(xiàn)出來的環(huán)形燃料元件是未來的主要發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)于之前的燃料元件來說，環(huán)形燃料元件是一種新型的燃料元件其結(jié)構(gòu)主要是兩層包殼和環(huán)形芯塊，由于其內(nèi)外兩面雙層冷卻，見圖一，我國近幾年也主要開展了對(duì)環(huán)形燃料元件的分析，主要對(duì)他的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)他的物理特性進(jìn)行考察，對(duì)他的熱工水力水平進(jìn)行分析，對(duì)他的安全性能進(jìn)行考證，最終結(jié)果都顯示環(huán)形燃料元件要相對(duì)于老式燃料元件更有優(yōu)勢(shì)，所以它既是高效率的也是相當(dāng)安全的。

環(huán)形燃料元件是世界上核能方面比較新進(jìn)的元件，所以我國研究設(shè)計(jì)出一整套應(yīng)用于環(huán)形燃料元件的軟件程序，通過程序驗(yàn)證和計(jì)算整個(gè)堆芯的有效增值系數(shù)，以及各個(gè)溫度效應(yīng)等哥干堆芯參數(shù)。

現(xiàn)在國際上也已經(jīng)有國家對(duì)環(huán)形燃料元件進(jìn)行了分析，目前來看，主要的研究國家包括美國和韓國，其他國家也進(jìn)行了簡略的研究，現(xiàn)在美國開始進(jìn)行“美國現(xiàn)役核電站延壽至80年”設(shè)計(jì)，當(dāng)美國看到環(huán)形燃料元件的優(yōu)勢(shì)時(shí)將環(huán)形燃料確定了新一代燃料并將其作為該設(shè)計(jì)的首選燃料;韓國為了提升現(xiàn)役POR-1000堆芯功率密度也將環(huán)形燃料元件的研發(fā)進(jìn)程提上議程。這就更加說明了環(huán)形燃料元件是一個(gè)非常有發(fā)展前景的新型燃料。

在我國的高性能核燃料之中，在近幾年突然涌現(xiàn)出來的環(huán)形燃料元件是未來的主要發(fā)展趨勢(shì)。相對(duì)于之前的燃料元件來說，環(huán)形燃料元件是一種新型的燃料元件其結(jié)構(gòu)主要是兩層包殼和環(huán)形芯塊，由于其內(nèi)外兩面雙層冷卻，見圖一，我國近幾年也主要開展了對(duì)環(huán)形燃料元件的分析，主要對(duì)他的模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)他的物理特性進(jìn)行考察，對(duì)他的熱工水力水平進(jìn)行分析，對(duì)他的安全性能進(jìn)行考證，最終結(jié)果都顯示環(huán)形燃料元件要相對(duì)于老式燃料元件更有優(yōu)勢(shì)，所以它既是高效率的也是相當(dāng)安全的。

環(huán)形燃料元件是世界上核能方面比較新進(jìn)的元件，所以我國研究設(shè)計(jì)出一整套應(yīng)用于環(huán)形燃料元件的軟件程序，通過程序驗(yàn)證和計(jì)算整個(gè)堆芯的有效增值系數(shù)，以及各個(gè)溫度效應(yīng)等哥干堆芯參數(shù)。

現(xiàn)在國際上也已經(jīng)有國家對(duì)環(huán)形燃料元件進(jìn)行了分析，目前來看，主要的研究國家包括美國和韓國，其他國家也進(jìn)行了簡略的研究，現(xiàn)在美國開始進(jìn)行“美國現(xiàn)役核電站延壽至80年”設(shè)計(jì)，當(dāng)美國看到環(huán)形燃料元件的優(yōu)勢(shì)時(shí)將環(huán)形燃料確定了新一代燃料并將其作為該設(shè)計(jì)的首選燃料;韓國為了提升現(xiàn)役POR-1000堆芯功率密度也將環(huán)形燃料元件的研發(fā)進(jìn)程提上議程。這就更加說明了環(huán)形燃料元件是一個(gè)非常有發(fā)展前景的新型燃料。

為了確保環(huán)形燃料元件的安全性，我國多次對(duì)環(huán)形燃料元件的安全性能進(jìn)行評(píng)估，并創(chuàng)建了一個(gè)安全事故分析程序，為RELAP5/MOD3程序，該程序通過在基礎(chǔ)事故和嚴(yán)重事故中建立相關(guān)模型并進(jìn)行分析，通過后期驗(yàn)證之后，我國認(rèn)為此程序能夠分析事故中元件的表現(xiàn)狀態(tài)，是可以進(jìn)行安全技術(shù)分析，所得的結(jié)果是有效且可依靠的。

首先我國將環(huán)形燃料元件的內(nèi)外包殼進(jìn)行分析，通過技術(shù)手段讓內(nèi)外包殼的伸長長度不一致，并進(jìn)行分析其使用狀態(tài)，結(jié)果表示在內(nèi)外包殼伸長長度不一致時(shí)也可以得到原有的效果，這就證明在現(xiàn)在已經(jīng)具有的形態(tài)結(jié)構(gòu)和各種各樣的運(yùn)行狀態(tài)，不管怎樣改變其物理形狀都不會(huì)改變它原具有的性能。

其次我國對(duì)環(huán)形燃料元件內(nèi)部管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，來查看當(dāng)燃料內(nèi)部管道擁堵時(shí)，元件還能否具有原有性能，我國進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)：進(jìn)行了對(duì)內(nèi)部管道進(jìn)行10%擁堵并進(jìn)行測試，結(jié)果表示其性能還可以滿足所需要求;進(jìn)行了對(duì)內(nèi)部管道進(jìn)行20%擁堵并進(jìn)行測試，結(jié)果表示其性能還可以滿足所需要求;進(jìn)行了對(duì)內(nèi)部管道進(jìn)行30%擁堵并進(jìn)行測試，結(jié)果表示其性能還可以滿足所需要求;進(jìn)行了對(duì)內(nèi)部管道進(jìn)行40%擁堵并進(jìn)行測試，結(jié)果表示其性能還可以滿足所需要求;進(jìn)行了對(duì)內(nèi)部管道進(jìn)行50%擁堵并進(jìn)行測試，最終發(fā)現(xiàn)其性能無法滿足所需要求，故研發(fā)人員停止了后續(xù)測試，所以最終結(jié)果表示，如果想要元件的各項(xiàng)性能能夠滿足所需的各項(xiàng)要求，環(huán)形燃料元件內(nèi)部管道可以接受的最大擁堵狀態(tài)為40%。

然后我國通過對(duì)改變環(huán)形燃料元件的熱流分配來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而查看它的冷卻效果，通過技術(shù)手段將環(huán)形燃料元件的熱流分配進(jìn)行不均衡，并在同等的狀態(tài)及環(huán)境下與熱流分配均衡的環(huán)形燃料元件進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比其最后的溫度，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果大跌眼鏡，兩種環(huán)形燃料元件的溫度相處甚小，這就證明在最保守的條件之下，元件仍然具有足夠的冷卻能力。

我國還對(duì)環(huán)形燃料元件的內(nèi)輻照性能進(jìn)行分析，此次分析我國研發(fā)了AFPAC v1.0程序，來進(jìn)行燃料元件穩(wěn)態(tài)事故分析，最終分析結(jié)果表明環(huán)形燃料元件的內(nèi)輻照性能是可以滿足使用要求的。

最后我國通過在失水事故發(fā)生時(shí)，將環(huán)形燃料元件的塑料外殼進(jìn)行鼓脹爆破實(shí)驗(yàn)，并在同等條件下與傳統(tǒng)的棒形燃料進(jìn)行同等實(shí)驗(yàn)，來查看最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終結(jié)果是兩種燃料元件的結(jié)果一致，最后研制人員分析，由于由于環(huán)形燃料元件采用了Zr-4材料，所以在失水事故發(fā)生時(shí)其性能與傳統(tǒng)燃料包殼性能一致。

以上所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行多次并進(jìn)行分析，所以不存在數(shù)據(jù)的偶然性，通過以上實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)程序證明環(huán)形燃料元件在運(yùn)行過程中可出于安全狀態(tài)。

我國多次對(duì)環(huán)形燃料元件的安全性能進(jìn)行評(píng)估，多項(xiàng)評(píng)估結(jié)果顯示，環(huán)形燃料元件在運(yùn)用過程中可處于安全狀態(tài)。

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