大晶粒UO2芯塊及包殼涂層對燃料棒設計準則的影響分析

尤? 龔辛 李聰

（上海核工程研究設計院有限公司 上海 200233）

在2011年福島第一核電站事故之后，為了解決UO2芯塊-Zr 合金包殼燃料體系在嚴重事故下的安全性問題，國際核工業(yè)界提出了耐事故燃料（Accident Tolerant Fuel，ATF）的概念，并投入大量資源開始了研發(fā)設計［1?3］。ATF 一般是以替換現(xiàn)有的及即將建造的商業(yè)輕水反應堆中的傳統(tǒng)UO2芯塊-Zr合金包殼燃料組件、提升反應堆的安全性為目的進行研發(fā)的。在眾多ATF 概念設計中，既有對原有UO2芯塊和鋯合金包殼材料進行改進的方案，也有徹底拋棄UO2燃料和Zr合金材料而使用新材料設計ATF燃料組件的方案［4?9］。經(jīng)近10年的研發(fā)，目前國內(nèi)外ATF 的研發(fā)已經(jīng)呈現(xiàn)逐漸聚焦到：1）大晶粒UO2燃料芯塊；2）鋯包殼表面涂層；3）FeCrAl 包殼；4）SiCf/SiC 復合陶瓷包殼這幾類技術(shù)方案的趨勢。其中，前兩者是被普遍認為最有望在短期內(nèi)得到商業(yè)應用的技術(shù)方案。而后兩者從根本上替換了原有的鋯合金包殼，在抗高溫氧化和抑制產(chǎn)氫方面有巨大的提升，但由于材料特性與原有材料差異巨大，要使其實用化仍有不少關(guān)鍵問題需要克服。

大晶粒UO2燃料芯塊是通過添加具有促進UO2晶粒生產(chǎn)的添加劑（Cr2O3、Al2O3等）、調(diào)節(jié)芯塊燒結(jié)條件等方法，將UO2燒結(jié)芯塊的晶粒尺寸由數(shù)微米增大至數(shù)十微米的一種改良型UO2芯塊［10?12］。由于晶粒尺寸的增大，在輻照過程中UO2晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物更難到達晶界并釋放至芯塊外部，從而減少裂變氣體的釋放率［13］。而且，這類大晶粒UO2芯塊在使用溫度下的力學性質(zhì)更“軟”，可降低在反應堆功率瞬態(tài)下芯塊-包殼機械相互作用（Pellet-Cladding Mechanical Interaction，PCMI）導致包殼破裂的幾率。

為提高燃料包殼的抗水蒸氣氧化性能，在原有鋯合金包殼表面增加一個抗氧化涂層也是短期內(nèi)最簡單可行的技術(shù)方案［14?16］。目前被最廣泛研究和認可的鋯合金涂層為Cr 金屬涂層。根據(jù)公開的研究結(jié)果，幾微米至幾十微米的Cr涂層即可對鋯包殼起到顯著的保護作用。

針對現(xiàn)有的使用UO2芯塊和鋯合金包殼的燃料組件，國內(nèi)外已有較成熟的設計準則和標準，如我國能源行業(yè)標準“NB/T 20057.3-2012 壓水堆核電廠反應堆系統(tǒng)設計堆芯第3 部分：燃料組件”、美國核管會（Nuclear Regulation Commission，NRC）標準審查大綱（Standard Review Plan，SRP）§4.2 等。然而，隨著大晶粒UO2燃料芯塊與鋯包殼表面涂層已逐漸臨近商業(yè)化使用，這兩種材料對現(xiàn)行反應堆設計準則的影響卻還沒能形成定論。本文主要根據(jù)現(xiàn)有針對上述兩種ATF 的近期研究成果，參考美國安全審查大綱中所述設計準則，分析評價其應用對現(xiàn)有燃料設計準則可能帶來的影響，為ATF 的研發(fā)和后續(xù)實驗設計提供參考。

1 輕水堆燃料棒設計準則

制定核燃料設計準則的主要目的就是確保設計的燃料系統(tǒng)可在包括事故工況的各種運行工況下都有符合核電廠設計標準的表現(xiàn)，在包括事故等任何時候都保持堆芯可冷卻性、不對外界造成超過標準的危害。

NRC SRP 4.2 中所述的設計準則的概要匯總于表1。這些準則從由鋯合金包殼和UO2燃料芯塊等構(gòu)成的燃料系統(tǒng)關(guān)鍵的損傷和失效機制出發(fā)，根據(jù)不同現(xiàn)象對材料的性能進行了較保守的限制。根據(jù)設定目標，可大體分成燃料系統(tǒng)損傷、燃料棒失效以及維持可冷卻幾何。而自然地，如果燃料系統(tǒng)的構(gòu)成材料發(fā)生了較大改變，則需要重新審視這些設計準則，并根據(jù)可能引入的新?lián)p傷和失效機制開展引入新設計準則的研究。我國能源行業(yè)標準“NB/T 20057.3-2012壓水堆核電廠反應堆系統(tǒng)設計堆芯第3部分：燃料組件”中同樣對燃料棒及燃料組件的設計準則進行了規(guī)定。NB/T 20057.3-2012 與NRC SRP 4.2 的主要區(qū)別在于NB/T 20057.3-2012 是從規(guī)范燃料組件設計方法的目的出發(fā)，對燃料棒的各項設計準則和參數(shù)要求進行了規(guī)定，在燃料棒的尺度之上對燃料組件的整體結(jié)構(gòu)設計也提出了相應要求。而NRC SRP 4.2 則以審查的角度，從各種造成燃料系統(tǒng)損傷現(xiàn)象出發(fā)來開展對燃料棒層面的設計準則的描述，從內(nèi)容上對燃料棒設計準則進行了更詳細的描述。在具體燃料棒設計準則要求上，兩者的區(qū)別不大。本文主要以NRC SRP 4.2中所規(guī)定的燃料棒設計準則開展討論。

表1 輕水堆UO2-鋯合金燃料棒設計準則Table 1 LWR UO2-zirconium alloy fuel rod design criteria

續(xù)表

2 大晶粒UO2 燃料芯塊對準則的影響分析

大晶粒UO2燃料芯塊與標準UO2燃料芯塊的區(qū)別僅在于其在微觀結(jié)構(gòu)上擁有更大的晶粒尺寸，在化學成分上增加了少量Cr2O3、Al2O3等添加劑。因此，表1中除序號12～15、18及20之外的大部分現(xiàn)有燃料設計準則應不受大晶粒UO2燃料芯塊的影響。

參考NRC 對Framatome 公司用于沸水堆（Boiling Water Reactor，BWR）的大晶粒UO2芯塊產(chǎn)品性能評價軟件的審查報告［17］，Cr2O3的添加主要影響了芯塊的熱導率和熔點，也增強了芯塊的變形能力，而增大的晶粒尺寸影響芯塊輻照腫脹、裂變氣體釋放特性，其他大部分性能大晶粒UO2芯塊產(chǎn)品的性能與現(xiàn)有標準UO2芯塊相似。Framatome 通過實驗結(jié)果證明，大晶粒UO2芯塊熱導率和熔點的變化對其芯塊熔化的熱裕量的影響是微乎其微的。因此，對芯塊過熱準則也沒有明顯影響。添加Cr2O3的大晶粒UO2芯塊具有更高的蠕變速率和塑性變形能力，這個特性可以降低燃料因PCMI而損壞的幾率。根據(jù)Dugay等［18］的實驗測量結(jié)果，得到Cr2O3摻雜的UO2芯塊熱蠕變模型方程及參數(shù)分別見式（1）和表2。在1 773 K 和45 MPa 應力的條件下，UO2芯塊的熱蠕變速率與Cr2O3含量的關(guān)系見圖1，可見添加Cr2O3的UO2芯塊的高溫蠕變速率由明顯提高。

表2 Cr2O3摻雜UO2芯塊的蠕變模型參數(shù)(@1 773 K)Table 2 Creep model parameters of Cr2O3 doped UO2 (@1 773 K)

圖1 UO2芯塊的熱蠕變速率與Cr2O3含量的關(guān)系(45 MPa, 1 773 K)Fig.1 Thermal creep rate of UO2 versus Cr2O3 concentration(45 MPa, 1 773 K)

在裂變氣體行為方面，由于有更多的裂變氣體被儲存在晶粒內(nèi)的氣泡中，因此添加Cr2O3的大晶粒UO2芯塊的氣體腫脹（gaseous swelling）相比標準UO2芯塊略大［17］。然而，由于添加Cr2O3的大晶粒UO2芯塊本身的高溫蠕變速率更快，應變能力更好，且高燃耗下芯塊邊緣部分會產(chǎn)生更多徑向裂紋使PCMI對包殼的應力分布均勻化，稍大的氣態(tài)腫脹在PCMI 上應不會產(chǎn)生不利影響?，F(xiàn)有UO2芯塊裂變氣體釋放的模型（如FRAPCON-4.0 軟件所用的Modified Forsberg-Massih 模型［20］等）就指出晶粒的尺寸與芯塊的裂變氣體釋放率呈負相關(guān)。Arborelius 等［21］報告了添加Cr2O3的大晶粒UO2芯塊在瑞典商業(yè)BWR反應堆Barseback 2進行穩(wěn)態(tài)輻照及在Studsvik 公司R2 實驗堆開展的升功率實驗結(jié)果，結(jié)果顯示，添加Cr2O3的大晶粒UO2芯塊的裂變氣體釋放率比標準UO2芯塊低30%～40%。Che等［22］使用核燃料有限元模擬軟件BISON 對Cr2O3摻雜UO2芯塊進行了建模分析，并給出了Halden 堆的實際實驗測量結(jié)果用于比較，結(jié)果顯示在升功率試驗（Ramp Test）過程中大晶粒UO2芯塊的裂變氣體釋放率明顯低于標準UO2芯塊。更低的裂變氣體釋放率可降低燃料棒的內(nèi)壓，對緩解RIA 工況下包殼鼓脹及破裂失效是有好處的，裝載大晶粒UO2芯塊的燃料棒在功率瞬態(tài)下保持完整性的能力更強。

綜上所述，大晶粒UO2芯塊對燃料比焓、芯塊-包殼相互作用、包殼爆破、以及燃料棒鼓脹等準則是有利的，在沒有完善的實驗數(shù)據(jù)前沿用標準UO2芯塊的相關(guān)模型和分析方法可認為是較保守的。此外，“燃料劇烈爆炸”是在較極端的RIA工況下，燃料棒發(fā)生破損后，燃料碎片以熔融狀態(tài)或近熔融狀態(tài)被噴射散布到水中，高溫的燃料顆粒與水接觸后熱能被轉(zhuǎn)化成機械能，形成沖擊波的過程。其主要受燃料芯塊的熔點、碎裂行為以及燃料棒內(nèi)壓等因素的影響。其中添加劑對UO2芯塊熔點的微小影響不足以對該過程造成影響，而大晶粒UO2芯塊晶界氣泡數(shù)量相比標準UO2芯塊更少，這可能會對芯塊的碎裂情況有正面的影響，大晶粒UO2芯塊較低的裂變氣體釋放也會使內(nèi)壓相對較低，因此大晶粒UO2芯塊對“燃料劇烈爆炸”準則可能也是有好處的。維持原有燃料劇烈爆炸準則的要求不變是保守的。

此外，NRC 的審查報告還提及了大晶粒UO2芯塊可能存在Cr2O3被還原成金屬Cr 析出，而氧遷移至芯塊與包殼的結(jié)合層，從內(nèi)側(cè)氧化包殼從而降低包殼塑性的現(xiàn)象［17］。但是因為相關(guān)安全法規(guī)10 CFR 50.46c 尚未正式實施而在該報告中未予審查評價。

3 包殼涂層對準則的影響分析

涂層對鋯合金包殼帶來的影響主要體現(xiàn)在包殼表面性質(zhì)的變化，主要有：1）抗氧化性能的增強，及其發(fā)展機理的變化；2）氧化膜和水垢沉積的特性變化，并影響包殼的傳熱變化；3）鋯包殼冷卻劑側(cè)的吸氫特性的改變，影響了鋯包殼的脆化過程；4）涂層本身的機械特性所帶來的包殼整體強度、耐磨性能的變化；5）涂層加工及使用過程中破損失效等引入的新加工工藝和新現(xiàn)象等所帶來的額外后果。

以Cr金屬涂層為例，Cr金屬具有優(yōu)異的抗氧化性能，無論在高溫水蒸氣中還是正常工況下的高溫水冷卻劑條件下，都能對Zr合金包殼提供良好的保護，氧化增重測試結(jié)果大幅降低，氧化膜厚度較薄，鋯合金基體的吸氫量也相應大幅降低［16，23?24］。而氧化和吸氫是鋯合金包殼脆化的重要因素，減少氧化和吸氫量可增強燃料棒包殼的塑性。在新的10 CFR 50.46c法規(guī)中對現(xiàn)有的包殼脆化準則進行了修訂，將包殼PCT 和ECR 限值與氫含量進行了關(guān)聯(lián)。因為鋯合金包殼在正常運行中會吸收一部分腐蝕氧化反應產(chǎn)生的氫，而氫會增加失水事故（Lost-of-Coolant Accident，LOCA）工況下氧在β 相鋯中的固溶度和擴散速度，促進脆化。因此，氫含量較高的包殼在現(xiàn)有17% ECR 的限值內(nèi)仍可能脆化。圖2 為RG1.224導則中給出的新的鋯合金包殼脆化分析推薦限值，可見高燃耗下有涂層的包殼中氫含量如果可降低1 個數(shù)量級，其PCT 限值則可提高約83 ℃，ECR 限值可提高數(shù)倍。然而，上述結(jié)論只適用于無涂層的鋯合金包殼。Krej?í 等［25］的研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過高溫氧化后帶Cr 涂層的鋯合金樣品在較低水平的ECR 和含氫量下就會發(fā)生脆化。這意味著對于帶Cr 涂層的鋯合金包殼ECR 和含氫量已經(jīng)變成導致其脆化的次要因素，現(xiàn)有的準則已不再適用。但是也需要注意的是，帶Cr涂層的鋯合金包殼要達到脆化水平的ECR 和含氫量需要在更高溫度或更長時間的氧化，在相比無涂層鋯合金包殼更低的ECR和含氫量下發(fā)生脆化并不意味著帶Cr 涂層的鋯合金包殼更容易脆化。Brachet 等［26］在對此進行分析后也認為對于涂層鋯包殼，應針對每種方案的實際性能分別制定準則指標，且需要將鼓脹、爆破等LOCA事故瞬態(tài)現(xiàn)象對涂層保護效率的影響納入考慮中。

圖2 RG1.224導則推薦的包殼淬火脆化分析限值Fig.2 Post-quench ductility analytical limit given in RG1.224

有研究顯示，在Cr 涂層表面水垢（Chalk River Unidentified Deposits，CRUD）的沉積特性與鋯合金包殼表面相比似乎并無不同［27］。在壽期末水垢和氧化膜對鋯合金包殼傳熱性能的影響可能也將得到一定緩解，使包殼和燃料平均溫度有幾K 到幾十K 的降低。同時，Cr涂層也會改變鋯合金包殼外表面的輻射傳熱特性，這在一定程度上會影響包殼輻射傳熱相對重要的LOCA等事故分析結(jié)果。

Cr金屬本身的屈服強度和硬度高于鋯合金，然而由于涂層本身較薄，經(jīng)過Cr涂層加工的鋯合金包殼管的強度不至于發(fā)生明顯變化，但是更高的表面硬度對包殼的磨蝕特性有較大提升，Areva NP 公司的磨損實驗顯示，Cr 涂層使磨損體積降低了近98%［15］。但需要注意的是，在反應堆內(nèi)這種磨損通常發(fā)生在格架壓緊彈簧發(fā)生松動的中高燃耗階段，這時鋯合金包殼表面已有一定厚度的氧化層，這會提升鋯合金包殼的耐磨性。而帶Cr 金屬涂層的鋯合金，在Cr 金屬表面產(chǎn)生的氧化膜很薄，難以從中獲益。因此，該實驗可能未能真實反映傳統(tǒng)燃料組件和采用涂層包殼的燃料組件在中高燃耗下的磨蝕特性差異。對此，對燃料棒和格架進行一定程度的預氧化后再開展磨損性能對比也是有必要的。

Cr 涂層的涂覆工藝有冷噴涂、物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）等。目前已知冷噴涂工藝在加工過程中會對鋯包殼表面造成損傷，這些損傷點處容易形成應力集中，成為裂紋的起始點。?eve?ek等［28］的實驗顯示，用冷噴涂工藝涂覆Cr涂層后的鋯包殼樣品在疲勞實驗中相比未涂覆樣品更早形成開裂。而PVD 工藝對鋯包殼基體的損傷較小，目前還沒有會造成疲勞性能下降的報告，Ma等［29］的實驗反而顯示，用多弧電子鍍法（一種PVD法）涂覆Cr涂層后Zr-4樣品的疲勞壽命有所提升。

在反應堆中引入涂層技術(shù)后，涂層本身失效所帶來的影響也需要重點關(guān)注。美國太平洋西北國家實 驗 室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的一份研究報告［30］對Cr 涂層鋯合金包殼在堆內(nèi)的性能降級和失效機理做了較全面的分析。在該報告中就提出了幾種Cr 涂層鋯合金包殼的幾種新的潛在損傷機制，包括涂層損傷開裂、涂層脫層、Cr-Zr 相互擴散及Cr 涂層輻照效應的不確定性等。其中前兩者造成的風險是有可能抹除涂層本身帶來的好處的，需要重點進行研究和完善。就Cr涂層來說，涂層開裂可能發(fā)生在包殼本身發(fā)生較大應變或者較小應變的累積過程中。這個開裂本身會形成一個應力集中點，使包殼局部更容易受到腐蝕。同時鋯氧化發(fā)生的體積膨脹，將在周圍基體鋯和涂層之間形成應力場，容易引起周圍涂層剝落，進而促進鋯基體的氧化。涂層脫層指的是涂層與基體局部分離形成空泡。涂層脫層導致的直接后果就是包殼傳熱不均，形成局部溫度差，從而使包殼氧化、氫含量出現(xiàn)局部集中的現(xiàn)象，最終導致包殼更容易發(fā)生破損。這會對燃料棒在反應堆事故工況還是正常運行工況下的性能都有嚴重影響，需要進一步的研究進行評估。此外，還值得注意的是，在增加Cr 涂層后可能對包殼的電化學腐蝕特性產(chǎn)生影響。鋯合金包殼在反應堆中（更常見于沸水堆）靠近其他鎳基合金堆芯組件的部分會發(fā)生一種被稱為“陰影腐蝕”的由電化學腐蝕與堆內(nèi)輻照環(huán)境造成的綜合腐蝕加速機制［31］。而Cr 涂層與涂層開裂或者破損處暴露的鋯合金基體之間可能形成電流回路，此時鋯因較活潑而成為原電池反應的陽極，因而Cr涂層局部破損形成了產(chǎn)生類似“陰影腐蝕”的局部鋯腐蝕促進機制的條件，從而對燃料棒完整性造成威脅。

綜合考慮應用包殼涂層所引起的燃料棒性能變化，可認為該技術(shù)對表1 中No.1、No.5～13、No.16、No.18～19、No.21 等準則無明顯影響。而No.2～4 的疲勞、磨蝕、以及氧化、氫化及水垢等準則則受到涂層的直接影響。視Cr涂層的涂覆工藝，對包殼的疲勞壽命可能有不利影響，而磨蝕、氧化、氫化等方面性能則可能因涂層的耐磨和抗氧化性有一定提升。而No.14～15、No.17、No.20 等準則可能會間接受益于涂層降低的包殼氧化和吸氫。鋯合金包殼氧化和含氫量的降低使其脆化程度降低，提高了鋯合金包殼的整體力學性能，因此對芯塊-包殼相互作用、包殼鼓脹、脆化、爆破等方面都是明顯有利的。但是由于增加涂層后鋯包殼的ECR 和含氫量不能再作為包殼脆化的判斷依據(jù)，No.17 包殼脆化準則亟需在新型涂層包殼的特性重新制定。

4 結(jié)語

大晶粒UO2芯塊、鋯合金包殼涂層是對原有輕水堆燃料棒的芯塊以及包殼材料進行的改進，燃料棒的設計特征沒有發(fā)生根本性變化。因此，大晶粒UO2芯塊、鋯合金包殼涂層對設計準則的影響更多體現(xiàn)在了具體安全限值或安全裕量的提升，現(xiàn)有燃料棒的設計準則大部分依然適用。但是，增加涂層后包殼的ECR 和含氫量不再能作為包殼脆化的判斷依據(jù)，雖然涂層本身對包殼在LOCA 等事故工況的高溫氧化后淬火的條件下保持韌性仍是有益的，但是包殼脆化的判定依據(jù)和相關(guān)模型需要重新制定。涂層在提升燃料棒包殼在抗氧化、氫化等性能的同時，也給燃料棒帶來了新的潛在破損機制，包括：涂層的破損所引起燃料棒的局部腐蝕氧化，部分涂層加工工藝可能顯著降低包殼的疲勞壽命等。這些問題有必要開展相應的研究工作，以完善相應的燃料棒設計準則。