研究堆燃料材料選擇分析

雷 濤 馮琳娜 陳 杰

（中國核動力研究設(shè)計院 核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

反應(yīng)堆從用途上大致分為動力堆和研究堆，動力堆常用于大型的商用電站或核動力裝置，其目的是輸出能量，燃料組件的運行于高溫高壓環(huán)境之中，其燃料材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計均要考慮高溫高壓環(huán)境的要求。研究堆的主要目的是為材料研究、中子照射或者其他用途提供中子源，而非輸出能量，因此研究堆燃料組件在材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面與動力堆有較大的差異，本文調(diào)研了目前研究堆主要使用的燃料材料類型以及燃料組件的結(jié)構(gòu)，分析了其材料的選擇、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了研究堆燃料組件設(shè)計方面的建議，以供參考。

1 研究堆燃料材料選擇

早期的一些研究堆使用UAl3-Al彌散燃料（如美國MTR堆、ETR堆）或加入少量Si的UAl3-Al彌散燃料（如美國HFBR堆），也有一些使用研究堆使用U-Al合金作為燃料（如美國CP-5堆），或者U3O8-Al彌散燃料、UO2-Al彌散燃料（烏克蘭WWR-M堆）。為滿足研究堆的性能要求，這些低鈾密度的燃料一般都有著非常高的富集度，在90%左右。為滿足核不擴散的要求，國際核燃料循環(huán)評估（INFCE）會議參與國一致同意應(yīng)將燃料富集度降低到安全水平。根據(jù)該決定，美國能源部提出并制定了一個有關(guān)降低研究堆燃料富集度（RERTR）的計劃，通過該計劃，研究堆將轉(zhuǎn)而使用低富集鈾燃料，該計劃得到了國際原子能機構(gòu)的確認。降低燃料富集度計劃要求燃料的富集度降低到20%甚至更低，為此，需要開發(fā)具有高鈾密度的燃料，目前主要開發(fā)的高鈾密度的燃料有U3Si2-Al，U-Mo合金燃料或(U-Mo)-Al彌散燃料，此外還有U-ZrH1.6彌散燃料等用于脈沖堆的燃料。

1.1 研究堆燃料材料性能分析

U3Si2-Al是目前研究堆中使用較廣發(fā)的一種燃料，燃料的優(yōu)點之一是可以達到較高的鈾密度，有利于提高燃料元件中的鈾裝量。[1]按預(yù)期最高裝載密度可以達到4.8g/cm3，實際使用中U3Si2-Al彌散型燃料板的芯體鈾密度謹慎地裝載到最高達到了4.3g/cm3。

U3Si2-Al燃料與鋁基體和鋁合金包殼是相容的，[2]在制造溫度下發(fā)生的反應(yīng)微弱，輻照時僅發(fā)生在裂變碎片反沖行程之內(nèi)。

U3Si2-Al與水有極輕微的反應(yīng)，[2]在100℃水中16天后失重0.042%，在200℃水中4天失重0.02%。試驗表明，燃料板上鉆直徑3mm的通孔，使芯體暴露，在去離子水中煮沸168小時后，水中無可測量的放射性，燃料板有極微量的增重，暴露的芯體中無U3Si2溶蝕和脫落等金相可見的變化。這表明，即使出現(xiàn)元件破損，也不會造成嚴重污染。U3Si2彌散燃料的這一特點與目前商用堆采用的棒形元件相比，在抗燃料破損方面具有明顯的優(yōu)勢，通常棒形燃料元件發(fā)生破損放射性物質(zhì)的釋放影響較大，而U3Si2彌散發(fā)生破損的影響只局限于局部。

UMo合金燃料是首先被開發(fā)的是傳統(tǒng)的UMo-Al彌散板或棒形燃料。UMo合金的優(yōu)點是具有高度鈾密度，這有利于實現(xiàn)燃料板或棒較高的芯體鈾密度。然而，近年來的輻照結(jié)果并不樂觀，輻照后的檢驗結(jié)果表明，[3]UMo燃料顆粒與基體在輻照條件下發(fā)生了廣泛的反應(yīng)。隨著燃耗的增加，UMo與Al的相互反應(yīng)層增厚，大部分Al被反應(yīng)消化掉了。這種特性將會影響燃料板（或燃料棒）基體材料的結(jié)構(gòu)部分，對燃料板的性能造成不利影響。

1.2 不同燃料材料的制造性能

研究堆燃料元件的結(jié)構(gòu)形式通常是燃料板或燃料管等形式。燃料元件（燃料板或燃料管）結(jié)構(gòu)類似夾心餅干結(jié)構(gòu)，燃料彌散在基體材料中構(gòu)成燃料芯體，在芯體的上下兩側(cè)包覆包殼材料，包殼材料通常與基體材料相同，通過軋板或擠壓的方式是芯體與包殼結(jié)合。

U3Si2燃料為陶瓷相，一般彌散在鋁基體中，形成U3Si2-Al燃料芯體，其在硬度上高于包殼材料，芯體與包殼硬度匹配性不好，容易造成燃料元件在鈾均勻性分布不好，芯體的硬度與U3Si2燃料相比例相關(guān)，對于U3Si2燃料，考慮制造中鈾均勻性的影響，芯體鈾密度的應(yīng)不超過4.8g/cm3。

UMo合金具有良好的延展性，這使彌散燃料制粉有一定難度。

2 結(jié)論

隨著研究堆燃料降低富集度的要求，U3Si2-Al，U-Mo合金燃料由于有較高的鈾密度成為了可選擇的燃料堆燃料，從鈾密度、芯體的穩(wěn)定性、與基體的相容性等方面分析，U3Si2燃料是一種更可行的研究堆燃料材料。

［1］孫榮先，解懷英.研究堆燃料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2011,45(7)：847-851.

［2］孫榮先.U3Si2彌散型燃料元件[J].核動力工程，1990,11(2):69-73.