超流量工況下PWR 燃料系統影響分析

李 云 張 林 張吉斌 朱發文 馬 超

（中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都 610041）

0 引言

國內二代加核電站反應堆設計中，反應堆冷卻劑流量驗收準則為：單環路流量在22840m3/h～24740m3/h 之間，堆芯總流量在68520m3/h～74220m3/h 之間，即介于機械設計流量和熱工設計流量之間。在嶺澳3、4 號及紅沿河1、2 號等多個機組調試過程中，普遍出現環路流量甚至堆芯總流量超出準則限值的現象。

冷卻劑流量是反應堆設計的重要參數，雖然流量的增加對堆芯熱工性能有利，但也會帶來流致振動、落棒時間增加等與反應堆安全相關方面的擔心。針對流量超出設計范圍的情況，有必要對一回路與流量相關的各項設計進行分析評價，確保各系統、設備及反應堆的安全運行。

對燃料系統而言，作為反應堆的核心部件，控制棒落棒時間、燃料組件的可靠性等直接關系到反應堆的安全性及經濟性。本文對超流量工況燃料系統的可靠性進行了全面的分析，對于保證燃料系統的安全運行有重要意義，對后續機組可能出現的超流量工況評價具有借鑒意義。

1 超流量工況對燃料系統的影響及評價

燃料系統包括燃料組件、控制棒組件及固定式相關組件等部件。燃料系統設計工作已得出結論，只要運行工況包括冷卻劑流量處在設計范圍內，燃料系統可保持其結構完整性，滿足設計要求。冷卻劑流量的增加將影響到控制棒落棒時間、燃料組件流致振動、燃料棒磨蝕、燃料組件及固定式相關組件的壓緊等性能或功能方面的評價。

以下對超流量工況燃料系統的可靠性進行了全面的分析及評價。評價的燃料系統為AFA3G 及其對應相關組件。綜合各機組實際出現的超流量情況，除特別說明外，均保守假設流量在機械設計流量74220m3/h 基礎上增加3%。

1.1 控制棒落棒時間

正常工況或事故工況下控制棒落棒時間是否滿足準則要求直接影響到堆芯反應性的控制，與反應堆的安全相關。在控制棒落棒過程中，將受到重力、水力阻力及摩擦力等載荷作用。各種載荷的大小將影響落棒的時程，各種阻力越大，落棒時間將越長。其中水力阻力是各種阻力中占主要份額的因素。水力阻力大小與堆芯冷卻劑流量直接相關。堆芯流量的增加將使控制棒所受沿程阻力及由壓差引起的阻力增加，進而使得落棒時間增加。

正常運行工況及安全停堆地震（SSE）工況下對落棒時間均有準則要求。正常運行工況下，要求T5（控制棒從全提棒位置到導向管緩沖段入口處的時間）＜2.15s，T5+T6（T6 為控制棒在緩沖段中的下落時間）＜3s。SSE 工況下，要求T5＜3s，T5+T6＜4.2s。

采用落棒時間專用程序對超流量工況下的落棒時間進行了評估。該程序詳細考慮了落棒過程中的各種影響因素，建立了相應的水力阻力及摩擦力等計算模型，可保守的預測整個落棒時程及T5 和T6。超流量情況下，正常運行及SSE 工況落棒時間計算結果如表1。

表1 超流量工況落棒時間計算結果

結果表明流量的增加顯著的增加了落棒時間。正常工況下時間增加較少（0.068s），SSE 工況T5+T6 增加較多（0.19s）。正常及SSE 兩種工況落棒時間均仍滿足準則要求，但SSE 工況落棒時間已經比較接近準則限值4.2s。

在反應堆啟動前，將在熱態落棒試驗中對落棒時間進行測量。出現超流量機組落棒時間測量結果表明，落棒時間均滿足準則要求，且有較大裕量。例如紅沿河1 號機組熱態落棒試驗中實測的最大落棒時間為（T5=1.412s，T5+T6=1.967s），滿足準則要求。該實測落棒時間較計算的時間小，原因是計算中對相關輸入參數采用了較保守的假設。

1.2 流致振動

冷卻劑流量增加后將使燃料組件存在因流致振動引起失效的風險。燃料棒因流致振動引起磨蝕破損是燃料棒失效的主要機理之一。堆芯中冷卻劑軸向流動及橫向流動將產生紊流、旋渦脫落及流體彈性激振的激勵機理，使得燃料棒產生振動，進而與定位格架或異物磨蝕引起包殼破損。燃料組件在冷卻劑激勵下也將產生振動，如果出現共振或持續不穩定的振動將可能影響燃料組件相關部件的結構完整性。

燃料系統設計中，在正常流量工況下，采用專用程序對燃料棒振動響應及磨蝕進行了評估。結果表明燃料棒不會出現共振，燃料棒的流致振動磨蝕量較小，滿足準則要求。計算中保守定義了軸向流速，流速最低的節點為6m/s。堆芯平均流速4.95m/s，考慮3%的超流量工況后冷卻劑流速也遠小于6m/s。

燃料組件開發階段需開展堆外沖刷試驗以驗證其綜合性能，特別是抵抗流致振動的能力。在試驗回路中進行了全尺寸AFA3G 燃料組件1000 小時的堆外沖刷試驗。回路平均流量為550m3/h，遠大于反應堆中每個組件的平均機械設計流量473m3/h。沖刷試驗結果表明，即使流量超出機械設計流量較大范圍，燃料組件仍能保持其結構完整性。流量的少量超限對燃料組件本身的結構完整性的影響可以忽略。

1.3 燃料組件壓緊功能

燃料組件的壓緊系統防止燃料組件在水力載荷作用下跳起。冷卻劑流量的增加將使燃料組件所受水力載荷增加，需要壓緊系統提供更大壓緊力。

在AFA3G 燃料組件壓緊功能評價中，水力載荷計算采用流量為流經壓力容器的機械設計流量74220m3/h，并考慮了一定的流量偏差1039m3/h，最大流量達到75259m3/h，超出機械設計流量1.4%。目前出現的超流量工況壓力容器實測總流量考慮測量誤差后均未超出75259m3/h，燃料組件壓緊功能滿足要求的結論不受影響。如果實測流量超出了該值，需結合超流量具體情況重新評估燃料組件壓緊功能。

1.4 固定式相關組件壓緊功能

固定式相關組件在水力載荷作用下需保持可靠的壓緊狀態，以便使相關棒保持在設計的軸向位置，并避免出現不穩定的振動影響其結構完整性。在固定式相關組件壓緊功能評價中，考慮到燃料組件輻照生長及固定式相關組件壓緊彈簧的輻照松弛行為，極限的情況是新燃料組件中插入接近設計壽期的固定式相關組件。對泵超速流量達120%的工況進行了評價，結果表明固定式相關組件不會跳起。3%的流量增加遠小于評價采用的20%，固定式相關組件可得到有效壓緊。

1.5 定位格架的夾持功能

定位格架設計中，其夾持系統保證燃料棒的軸向支承定位。運行工況下，燃料棒受到向上的水力載荷作用。定位格架夾持系統提供的夾持力需保證燃料棒在水力載荷及重力等綜合作用下不會向上竄動。隨著冷卻劑流量增加，燃料棒所受水力載荷也將增加。分析表明，即使流量超出機械設計流量10%，燃料棒所受除格架以外的所有合力仍向下，燃料棒不會軸向滑移。這是由于燃料棒重力與水力載荷大部分抵消，需要格架提供的支承力較小。3%超流量情況下，格架仍能有效夾持燃料棒。

1.6 其他方面

正常運行工況下，燃料組件各部件需保持其結構完整性。燃料組件的軸向壓緊載荷是各部件的重要設計載荷。1.3 節中的評價表明，超流量工況下燃料組件可得到有效壓緊，不會跳起，壓緊系統壓緊載荷就不會變化。

（1）上管座及下管座所受板彈簧軸向壓緊力就不會因流量增加而變化，而且該力遠小于上管座設計基準載荷，即運輸和吊裝時4g 軸向加速度對應的載荷。

（2）對于導向管部件，設計中需評價其應力及穩定性。導向管的應力及穩定性主要與燃料組件軸向載荷及定位格架跨距相關。根據前文所述，流量增加未引起燃料組件軸向載荷的變化。

（3）定位格架的完整性主要取決于其本身的結構強度，流量的增加引起格架所受載荷的增加可以忽略。

（4）對于各處連接結構，導向管和格架的焊接考慮的設計載荷為制造時拉棒載荷及運行狀態燃料棒滑移產生的載荷，上管座、下管座與導向管螺釘連接主要考慮預緊載荷，螺紋套筒脹接連主要考慮吊裝與運輸載荷及燃料組件軸向壓緊載荷。流量超限對連接結構無影響。

（5）對于燃料棒及各相關組件棒的運行性能，更多的取決于包殼材料的特性、燃料或功能材料的輻照性能等與材料及輻照相關的效應。流量的增加有利于燃料棒或相關組件棒的釋熱及冷卻。

（6）關于運行期間燃料組件的變形評估，燃料組件與堆腔之間的軸向間隙、燃料組件之間的橫向間隙、燃料棒彎曲及燃料組件變形主要考慮輻照帶來的影響。流量超限對其無直接影響。

2 結束語

針對國內二代加核電站普遍出現的超流量情況，對燃料系統是否仍能安全可靠的運行進行了全面的評價。與反應堆安全性直接相關的控制棒落棒時間在超流量工況下仍滿足設計準則要求，但是已經較接近準則限值。燃料棒流致振動、燃料組件與固定式相關組件壓緊功能及各主要部件結構完整性等方面的評價結果表明，燃料系統滿足設計要求，在出現的超流量工況下可安全可靠的運行。