LOCA工況下環(huán)形燃料元件外包殼鼓脹爆破試驗(yàn)研究

武 琦，刁均輝，季松濤，李 凱，關(guān)璽彤，高永光

(中國原子能科學(xué)研究院 反應(yīng)堆工程技術(shù)研究所，北京 102413)

壓水堆冷卻劑喪失事故(LOCA)過程中，燃料元件快速升溫，內(nèi)壓增大而外壓喪失，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)包殼鼓脹甚至爆破的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致放射性物質(zhì)進(jìn)入一回路，嚴(yán)重的甚至可能堵塞堆芯部分冷卻劑流道。在壓水堆LOCA過程中，如果燃料包殼發(fā)生過度脆化，有可能會(huì)發(fā)生包殼和芯塊的碎裂從而堵塞冷卻劑流道；如果燃料包殼未發(fā)生過度脆化，有可能會(huì)發(fā)生極限的共面鼓脹而堵塞部分冷卻劑流道?，F(xiàn)行壓水堆LOCA準(zhǔn)則側(cè)重于防止包殼的過度脆化失效，在堆芯設(shè)計(jì)時(shí)盡力避免燃料包殼發(fā)生過度脆化，但仍存在未過度脆化的燃料包殼發(fā)生極限的共面鼓脹進(jìn)而堵塞部分冷卻劑流道的可能。

關(guān)于壓水堆燃料組件和燃料元件在LOCA工況下的鼓脹爆破現(xiàn)象，國外于20世紀(jì)70年代開展了大量的堆外和堆內(nèi)試驗(yàn)，最終由美國核管理委員會(huì)(NRC)于20世紀(jì)80年代出版的NUREG0630[1]中進(jìn)行了歸納總結(jié)。其中燃料元件包殼在LOCA工況下爆破溫度與爆破內(nèi)壓的關(guān)系總結(jié)為Chapman公式。Chapman公式中，為了消除尺寸的影響，采用薄壁理論將內(nèi)外壓差轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ汰h(huán)向應(yīng)力。

環(huán)形燃料是一種新型結(jié)構(gòu)的壓水堆核燃料，具有功率密度高、運(yùn)行溫度低和安全裕量大等優(yōu)點(diǎn)[2]。環(huán)形燃料元件由內(nèi)、外兩層鋯合金包殼和圓環(huán)狀的UO2芯塊組成，冷卻劑可同時(shí)從內(nèi)、外兩個(gè)流道對燃料元件進(jìn)行冷卻[3]。由于環(huán)形燃料外包殼的尺寸和材料與NUREG0630中的相比都發(fā)生了一些變化，為驗(yàn)證環(huán)形燃料元件外包殼在壓水堆LOCA工況下的鼓脹爆破性能以確保堆芯安全，獲得鼓脹爆破溫度、壓力和應(yīng)變等經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，為環(huán)形燃料的設(shè)計(jì)、計(jì)算和改進(jìn)提供支撐，開展環(huán)形燃料元件外包殼在堆外LOCA工況下的鼓脹爆破試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要分為3個(gè)部分：試驗(yàn)回路、加熱段和試驗(yàn)件。試驗(yàn)回路主要由水箱、蒸汽發(fā)生器、淬火罐、管道和閥門組成，介質(zhì)為去離子水，可以產(chǎn)生過熱蒸汽進(jìn)入到加熱段。加熱段主要由玻璃管、紅外加熱爐和兩端的密封連接件組成，對試驗(yàn)件進(jìn)行一定速率的升溫。試驗(yàn)件為一定長度的包殼中填充了模擬芯塊，固定在加熱段上，內(nèi)部可以充氬氣至一定壓力。試驗(yàn)回路的流程圖如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程盡量模擬壓水堆堆內(nèi)LOCA進(jìn)程中的熱工狀態(tài)。首先運(yùn)行試驗(yàn)回路以產(chǎn)生過熱蒸汽，同時(shí)在加熱段上安裝試驗(yàn)件，然后向其中通入蒸汽，打開加熱爐將其加熱至385 ℃并保持15 min，再以一定的升溫速率對試驗(yàn)件進(jìn)行升溫，直至試驗(yàn)件鼓脹爆破，最后打開淬火罐對試驗(yàn)件進(jìn)行淬火，使其溫度降至100 ℃以下。

圖1 試驗(yàn)回路流程圖Fig.1 Flow chart of experiment loop

在試驗(yàn)中，將熱電偶固定在試驗(yàn)件外表面測量試驗(yàn)件溫度，用引壓管將試驗(yàn)件內(nèi)部壓力引至壓力變送器測量，并將溫度信號和壓力信號都接入監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄。以2.8 ℃/s的升溫速率和2.4 MPa內(nèi)壓的試驗(yàn)工況為例，試驗(yàn)過程中的溫度和壓力狀態(tài)如圖2所示。

溫度1、2、3——試驗(yàn)件上的3個(gè)溫度測點(diǎn)；壓力——試驗(yàn)件的內(nèi)壓圖2 2.8 ℃/s升溫速率和2.4 MPa內(nèi)壓下的試驗(yàn)過程Fig.2 Process of experiment under 2.8 ℃/s heating rate and 2.4 MPa internal pressure

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單棒試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)板殼理論[4]，薄壁圓管的縱向應(yīng)力σm和環(huán)向應(yīng)力σt為：

式中，p為壓力。

試驗(yàn)后，典型的試驗(yàn)件破口形貌如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)件破口照片F(xiàn)ig.3 Photo of break on experimental piece

試驗(yàn)后，試驗(yàn)件爆破的破口沿著試驗(yàn)件縱向，而在薄壁容器受內(nèi)壓時(shí)，容器壁上受到的環(huán)向應(yīng)力σt是縱向應(yīng)力σm的兩倍，因此破口處的包殼在未爆破之前受到的環(huán)向應(yīng)力較大，破口沿縱向的試驗(yàn)結(jié)果是與理論分析相符合的。

此外，觀察每個(gè)試驗(yàn)后的試驗(yàn)件幾乎都發(fā)生了彎曲，如圖4所示。試驗(yàn)件在長度方向上發(fā)生了不同程度的彎曲，發(fā)生彎曲的拐點(diǎn)在爆破破口附近。發(fā)生這一現(xiàn)象的原因在文獻(xiàn)[5]中已有一定解釋：鋯合金在α相下是密排六方晶格，具有很強(qiáng)的各向異性。具體在鋯合金包殼管上的表現(xiàn)為：當(dāng)直徑增加時(shí)，材料在軸向上收縮，在較熱的一側(cè)(爆破側(cè))變形更多，因此在那一側(cè)會(huì)縮短更多，從而導(dǎo)致包殼管軸向的整體彎曲。

圖4 彎曲的試驗(yàn)件Fig.4 Bended experimental piece

2.2 燃料棒矩陣試驗(yàn)結(jié)果

完成的試驗(yàn)矩陣列于表1。實(shí)際試驗(yàn)中，參數(shù)設(shè)置盡量接近于設(shè)定的升溫速率和內(nèi)壓，實(shí)際值仍以試驗(yàn)后數(shù)據(jù)處理的結(jié)果為準(zhǔn)。

2.2.1爆破溫度和爆破壓力的關(guān)系 爆破溫度和爆破壓力的關(guān)系如圖5所示，其中爆破壓力轉(zhuǎn)換為工程環(huán)向應(yīng)力。由圖5可看出，在不同升溫速率下，爆破溫度隨爆破壓力的減小而增大。溫度升高導(dǎo)致鋯合金的強(qiáng)度降低，溫度越高包殼強(qiáng)度下降得越多，因而在更低的壓力下發(fā)生鼓脹甚至爆破。

表1 試驗(yàn)矩陣Table 1 Experiment matrix

圖5 爆破溫度和爆破壓力的關(guān)系Fig.5 Relationship between burst temperature and burst pressure

與NUREG0630中Chapman公式相比，在一定的升溫速率下，試驗(yàn)值分布在相應(yīng)升溫速率曲線的上下兩側(cè)，由于Chapman公式在擬合時(shí)采用了最小二乘法，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果與Chapman公式符合得較好。

2.2.2爆破溫度和升溫速率的關(guān)系 爆破溫度和升溫速率的關(guān)系如圖6所示。由圖6可看出，大部分情況時(shí)，在同一壓力下升溫速率越快爆破溫度越高，這與NUREG0630中的結(jié)果吻合。試驗(yàn)結(jié)果中一些28 ℃/s下工況點(diǎn)的爆破溫度相對較低，可能是高升溫速率下對溫度的測量誤差造成的。

2.2.3爆破應(yīng)變與爆破溫度的關(guān)系 燃料元件包殼的爆破應(yīng)變定義為爆破后包殼破口處的最大周向伸長量與原包殼周長之比。實(shí)際確定爆破應(yīng)變時(shí)，以2.8 ℃/s升溫速率和2.4 MPa內(nèi)壓的工況為例：沿著試驗(yàn)件破口的軸向取5個(gè)位置測量周長，其中的最大值減去原包殼周長即為爆破后包殼破口處的最大周向伸長量。用該伸長量除以原包殼周長即得到爆破應(yīng)變。試驗(yàn)件上某一破口位置的測量結(jié)果如圖7所示。

圖6 爆破溫度與升溫速率的關(guān)系Fig.6 Relationship between burst temperature and heating rate

圖7 2.8 ℃/s升溫速率和2.4 MPa內(nèi)壓試驗(yàn)后的包殼周長測量Fig.7 Measurement of cladding circumference under 2.8 ℃/s heating rate and 2.4 MPa internal pressure

爆破應(yīng)變和爆破溫度的關(guān)系如圖8所示。由圖8可看出，爆破應(yīng)變與爆破溫度的相關(guān)性不強(qiáng)，整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果是比較發(fā)散的。整體而言，在相同升溫速率下，爆破應(yīng)變隨爆破溫度升高而降低；而在相同爆破溫度下，爆破應(yīng)變隨升溫速率升高而降低。

5.6、14和28 ℃/s的升溫速率下，爆破應(yīng)變隨爆破溫度的變化趨勢在750 ℃左右出現(xiàn)一個(gè)波谷。出現(xiàn)波谷的可能原因是鋯合金在750 ℃附近的溫度區(qū)間內(nèi)從α相(密排六方晶格)向β相(體心立方晶格)轉(zhuǎn)變。NUREG0630中關(guān)系曲線的波谷位置在950 ℃左右，根據(jù)其中的描述，NUREG0630在擬合曲線時(shí)綜合考慮了眾多實(shí)驗(yàn)室來源的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并且非常保守[1]。因此，本工作試驗(yàn)值絕大部分在NUREG0630關(guān)系曲線之下是合理的。

圖8 不同升溫速率下爆破應(yīng)變和爆破溫度的關(guān)系Fig.8 Relationship between burst strain and burst temperature under different heating rates

2.2.4溫度測量誤差 試驗(yàn)中溫度測量的誤差來自于3點(diǎn)：1) 來源于熱電偶本身的測量誤差，試驗(yàn)中采用K型Ⅱ級熱電偶，在400～1 300 ℃范圍內(nèi)的測溫誤差為±0.007 5T[6](T為測量溫度)；2) 由于爆破位置與測溫位置存在一定的距離，試驗(yàn)中試驗(yàn)件的外表面有水蒸氣流動(dòng)，在軸向上產(chǎn)生一定的溫差，試驗(yàn)件的熱電偶布置在固定的高度，但試驗(yàn)后的爆破高度有很大的隨機(jī)性，與熱電偶布置高度一般不同，因此實(shí)際爆破溫度與測量溫度產(chǎn)生一定的誤差；3) 由于試驗(yàn)時(shí)數(shù)據(jù)采集間隔較長，試驗(yàn)時(shí)對溫度測點(diǎn)每隔1 s記錄1個(gè)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中可能存在上一秒的末尾就已經(jīng)開始泄壓，卻到下一秒才完成泄壓的過程(判定發(fā)生了爆破)，此時(shí)的溫度誤差可能大于1倍的升溫速率。所有試驗(yàn)均是采用同一批熱電偶沒有更換，因此上述3點(diǎn)誤差中，第1點(diǎn)是所有試驗(yàn)中均有的，不影響整體趨勢；第2點(diǎn)隨機(jī)性較大，難以評估其影響；第3點(diǎn)在高升溫速率下比較明顯。

3 其他影響因素

3.1 包殼材料

NUREG0630中采用的試驗(yàn)包殼材料為Zr-4，其具體成分沒有說明。本試驗(yàn)中采用的試驗(yàn)包殼材料為Zr-4，其主要成分為Zr-1.2Sn-0.1Cr-0.2Fe，相比40多年前常用的Zr-4，主要是降低了Sn含量。Sn含量的降低，主要是為了在反應(yīng)堆正常運(yùn)行時(shí)降低包殼的腐蝕速率和減少其吸氫量[7]，對材料的力學(xué)性能影響不大，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)采用的Zr-4包殼與NUREG0630中的Zr-4包殼雖有一些成分上的變化，但力學(xué)性能比較接近，二者成分的細(xì)微差別不會(huì)對鼓脹爆破試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生大的影響，試驗(yàn)得到的結(jié)果與NUREG0630中的結(jié)果具有可比性。

3.2 氧化程度

本試驗(yàn)中采用的包殼材料均是新的未氧化Zr-4包殼，但在加熱和升溫過程中(圖4)受到微小程度的氧化。試驗(yàn)后氧化程度檢測工作正在進(jìn)行，目前無法判斷試驗(yàn)中的氧化程度是否對包殼鼓脹爆破產(chǎn)生了影響。參考文獻(xiàn)[8-9]并綜合分析來看，氧化會(huì)使鋯合金包殼變脆，氧化程度的增加會(huì)使鋯合金包殼的爆破溫度降低，爆破應(yīng)變減小。

3.3 加熱方式

NUREG0630中關(guān)系式采用的試驗(yàn)結(jié)果都是將電加熱棒插入包殼內(nèi)部進(jìn)行加熱而得到，本試驗(yàn)中采用的加熱方式為用遠(yuǎn)紅外爐從包殼外部進(jìn)行加熱。NUREG0630中認(rèn)為將電加熱棒插入包殼內(nèi)部加熱的方式會(huì)使包殼存在周向溫差，更符合真實(shí)的堆內(nèi)情況。周向溫差的存在會(huì)使爆破溫度降低，爆破應(yīng)變減小，20 ℃周向溫差可導(dǎo)致周向應(yīng)變減小20%～35%[10]。試驗(yàn)中將遠(yuǎn)紅外爐偏心放置也可使包殼上存在周向溫差，但在遠(yuǎn)紅外爐從包殼外部加熱的方式下，怎樣控制加熱爐使試驗(yàn)件達(dá)到固定和穩(wěn)定的周向溫差這一技術(shù)仍需解決。

4 結(jié)論

1) 環(huán)形燃料元件外包殼的鼓脹爆破試驗(yàn)結(jié)果符合規(guī)律，與NUREG0630中的結(jié)果較吻合，試驗(yàn)結(jié)果可信，可用于環(huán)形燃料后續(xù)的設(shè)計(jì)、分析和改進(jìn)。

2) 試驗(yàn)研究了環(huán)形燃料元件外包殼內(nèi)壓和升溫速率對爆破溫度的影響，整體而言，爆破溫度隨內(nèi)壓增大而降低，隨升溫速率增大而升高；試驗(yàn)研究了爆破溫度和升溫速率對爆破應(yīng)變的影響，整體而言，爆破應(yīng)變隨爆破溫度的變化與NUREG0630中的結(jié)果較為一致，處于NUREG0630中的保守估計(jì)范圍內(nèi)。

3) 環(huán)形燃料元件在LOCA工況下升溫增壓時(shí)，內(nèi)包殼受到外壓，外包殼受到相同的內(nèi)壓，都有發(fā)生失效的可能。其失效形式是外包殼發(fā)生鼓脹爆破還是內(nèi)包殼發(fā)生外壓屈曲，需要根據(jù)內(nèi)、外包殼分別發(fā)生失效時(shí)的溫度-壓力關(guān)系，結(jié)合實(shí)際的工況(溫度、壓力和升溫速率)進(jìn)行判斷，并設(shè)計(jì)應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)(ECCS)進(jìn)行響應(yīng)。本試驗(yàn)研究了環(huán)形燃料外包殼發(fā)生鼓脹爆破時(shí)的壓力-溫度關(guān)系，后續(xù)將繼續(xù)研究環(huán)形燃料內(nèi)包殼發(fā)生外壓屈曲時(shí)的壓力-溫度關(guān)系。