先進(jìn)壓水堆燃料組件設(shè)計(jì)特點(diǎn)

劉洋華　李云　王浩煜　齊　敏　黃永忠　王璐　苗一非

【摘 要】傳統(tǒng)能源的不斷減少和對(duì)環(huán)境的持續(xù)污染使核電能源的地位變得越來(lái)越重要，而進(jìn)一步提高燃料組件的性能則是發(fā)展核電能源的關(guān)鍵方向之一。本文介紹了世界上先進(jìn)壓水堆燃料組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，包括了法國(guó)的GAIA燃料組件、美國(guó)的AP1000燃料組件、俄羅斯的TVS-K方形燃料組件以及Lightbridge燃料組件等，對(duì)世界上先進(jìn)燃料組件的發(fā)展潮流和趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】先進(jìn)燃料組件；燃料組件設(shè)計(jì)特點(diǎn)；發(fā)展趨勢(shì)

The Design Characteristic of Advanced Nuclear Fuel Assembly

Liu Yang-hua Li Yun Wang Hao-yu Qi Min Huang Yong-zhong Wang Lu Miao Yi-fei

（National Key Laboratory Of Reactor System Design Technology， Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041， China）

【Abstract】Owing to the incessant reduce of conventional resources and constant deterionrating environment problems， nuclear energy becomes more and more significant. To further promote the performance of fuel assembly is one of the critical directions. This article introduced the design characteristic of advanced fuel assembly in the world， including GAIA， AP1000， TVS-K and Lightbridge， and concluded the developing trend of fuel assembly ultimately.

【Key words】Advanced fuel assembly；Nuclear fuel design characteristic；Developing trend

0 引言

燃料組件是壓水堆核電廠反應(yīng)堆的關(guān)鍵部件之一，對(duì)核電廠的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性起著十分重要的影響。世界上核電先進(jìn)的國(guó)家通過(guò)對(duì)燃料組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷改進(jìn)和優(yōu)化，成功提高了核電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文對(duì)世界上先進(jìn)壓水堆燃料組件進(jìn)行介紹，包括GAIA燃料組件、AP1000燃料組件、TVS-K方形燃料組件以及Lightbridge燃料組件，總結(jié)和歸納先進(jìn)燃料組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。

1 GAIA燃料組件

GAIA燃料組件[1]由法國(guó)AREVA公司設(shè)計(jì)，相對(duì)于AREVA公司以往設(shè)計(jì)的AFA 2G/AFA 3G燃料組件以及HTP燃料組件，GAIA燃料組件具有更好的幾何尺寸穩(wěn)定性、更強(qiáng)的剛度以及更好的抗彎曲能力。現(xiàn)對(duì)GAIA燃料組件的主要部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

1.1 格架

格架對(duì)燃料棒的夾持造成燃料棒的磨蝕是壓水堆燃料組件最常見的燃料破損原因。世界上先進(jìn)的核電發(fā)展國(guó)家，通過(guò)對(duì)格架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，進(jìn)而降低格架對(duì)燃料棒的磨蝕作用，降低壓水堆燃料破損。

GAIA燃料組件的設(shè)計(jì)中，格架與燃料棒的接觸采用多條線接觸彈簧夾持的方式，使格架對(duì)燃料棒保持足夠夾持力的同時(shí)并降低格架對(duì)燃料棒的磨蝕。而GAIA格架通過(guò)夾持系統(tǒng)布置在柵元四角位置的獨(dú)特結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得格架的壓降系數(shù)進(jìn)一步降低，并且在一定程度上使格架的強(qiáng)度增加。與此同時(shí)，GAIA燃料組件定位格架的攪混翼設(shè)計(jì)，保持了燃料組件優(yōu)秀的熱工水力性能，并且，定位格架較厚的外條帶有效提高了吊裝過(guò)程中燃料組件的穩(wěn)定性。GAIA燃料組件的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步證明了GAIA燃料組件優(yōu)良的抗磨蝕性能及良好的熱工水力性能。

1.2 下管座

GAIA燃料組件的下管座，通過(guò)對(duì)流水孔及下管座結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使下管座在保證了冷卻劑流量的同時(shí)并為下管座進(jìn)水口提供了更多的裕量，從而有效降低了燃料棒的振動(dòng)，同時(shí)為冷卻劑提供了足夠的壓力。并且，下管座出口處形成的均勻流體分布，進(jìn)一步提高了燃料組件的抗磨蝕性能。而優(yōu)化改進(jìn)的具有更小壓降的管座設(shè)計(jì)也進(jìn)一步提高了下管座防異物的能力[2]。

1.3 燃料棒

采用M5包殼的GAIA燃料棒，其芯塊采用了摻Cr的UO2芯塊。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)果，使燃料棒內(nèi)壓裕量提高的同時(shí)，也為燃料組件提供了更多的鈾裝量，使燃料然組件能夠達(dá)到更高的燃耗，并提高了燃料組件的鈾利用率。

2 AP1000燃料組件

美國(guó)西屋公司于20世紀(jì)70年代形成了壓水堆17×17型燃料組件的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（SFA）[3]。此后，西屋公司又開發(fā)出一系列燃料組件，其中的AP1000燃料組件已經(jīng)是西屋公司研發(fā)的第三代壓水堆燃料組件。現(xiàn)對(duì)AP1000燃料組件主要部件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 格架

AP1000燃料組件共有15個(gè)格架，其中，因科鎳合金的頂部格架及底部格架可以為燃料組件全壽期期間提供足夠的夾持力。燃料組件最下端的格架為保護(hù)格架，位于底部格架和下管座之間，保護(hù)格架與導(dǎo)向管通過(guò)定位環(huán)點(diǎn)焊實(shí)現(xiàn)連接。AP1000燃料組件保護(hù)格架與下管座、包殼及燃料棒下端塞的設(shè)計(jì)成功降低了燃料棒的振動(dòng)，降低了燃料棒的破損。在AP1000燃料組件的上半部分布置的4個(gè)跨間攪混格架提高了格架攪混能力的同時(shí)，也提高了燃料組件的抗彎曲性能及燃料組件的強(qiáng)度，使燃料組件的可靠性進(jìn)一步提高。

2.2 下管座與燃料棒

AP1000燃料組件與西屋公司以往設(shè)計(jì)的燃料組件相比，下管座與燃料棒的排列有著很大的不同。AP1000燃料組件下管座相對(duì)于西屋以前的設(shè)計(jì)而言，下管座高度較矮，因此使燃料組件的骨架空間增大，使得燃料棒長(zhǎng)度得以增加，長(zhǎng)度增加后的燃料棒也減小了燃料棒活性段長(zhǎng)度占整個(gè)燃料棒長(zhǎng)度的比例。由于燃料棒長(zhǎng)度的增加，使得在燃料棒底部可以增加足夠尺寸的下氣腔，因此進(jìn)一步提高了燃料組件的燃耗及循環(huán)長(zhǎng)度。并且增加的下氣腔設(shè)計(jì)減緩了燃料芯塊與包殼之間的相互作用，提高了包殼抗蠕變坍塌能力。

3 TVS-K燃料組件

TVS-K燃料組件是俄羅斯基于TVSA燃料組件及VVER-1000燃料組件的基礎(chǔ)上研制開發(fā)的[4]。TVS-K燃料組件由VVER傳統(tǒng)的六邊形演變?yōu)樗倪呅蝃5]，采用的是17×17方形設(shè)計(jì)。現(xiàn)對(duì)TVS-K燃料組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 格架

TVS-K燃料組件的定位格架由帶導(dǎo)向翼的圍板、帶攪混翼的條帶和帶剛凸的柵元組成。其中，柵元為燃料棒提供了足夠的夾持力，并且防止了燃料棒與攪混翼發(fā)生接觸；攪混翼和導(dǎo)向翼提高了格架的攪混性能。TVS-K燃料組件的所有定位格架中均含有攪混翼的設(shè)計(jì)。

在TVS-K燃料組件的定位格架之間，設(shè)置了3個(gè)攪混格架，其功能是使流體充分混合，降低燃料棒表面的溫度。通過(guò)試驗(yàn)表明，加入攪混格架的燃料組件的熱工水力性能高于沒有攪混格架的燃料組件。

TVS-K燃料組件的最下端為不含攪混翼的底部格架，其主要功能為固定燃料棒，保證燃料棒只產(chǎn)生軸向位移。底部格架的上端，為TVS-K燃料組件的抗磨蝕格架，抗磨蝕格架的主要功能是減少燃料棒的振動(dòng)、提高燃料組件的抗磨蝕性能。

3.2 導(dǎo)向管

TVS-K燃料組件的導(dǎo)向管是具有緩沖段的變徑導(dǎo)向管。導(dǎo)向管部件與燃料組件的上、下管座進(jìn)行焊接，保證燃料組件完整性的同時(shí)也提高了燃料組件的抗彎曲能力。TVS-K燃料組件的導(dǎo)向管與AFA 3G相比，導(dǎo)向管壁厚大幅增加，極大地提高了整個(gè)燃料組件的剛度及抗輻照變形性能，也極大提高了燃料組件抗極端事故能力。

3.2 燃料棒

TVS-K燃料棒中的燃料芯塊采用了摻雜工藝（Al2O3+SiO2）。芯塊摻雜之后其晶粒尺寸變大，減小了裂變氣體釋放，極大地提高了燃料芯塊的性能，提高燃料棒的可靠性。燃料棒包殼的合金具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，進(jìn)一步提高了燃料棒的可靠性。

Lightbridge燃料組件是Lightbridge公司開發(fā)的新一代燃料組件，與傳統(tǒng)的燃料組件設(shè)計(jì)相比，Lightbridge燃料組件做出了重大的技術(shù)改進(jìn)。

Lightbridge燃料組件采用鈾-鋯金屬合金燃料，合金中的鋯含量接近50wt%[6]。鈾-鋯合金的材料極大地改善了燃料棒的輻照穩(wěn)定性，減少了燃料棒的腫脹率，并且提高了燃料棒的熔點(diǎn)和抗腐蝕性能。

Lightbridge燃料組件的燃料棒采用了多葉片螺旋形式的結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得燃料棒本身就對(duì)冷卻劑有著很好的攪混效果。與傳統(tǒng)燃料棒結(jié)構(gòu)相比，此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的燃料棒與冷卻劑的接觸面積大幅提高，進(jìn)一步增強(qiáng)了燃料棒與冷卻劑的熱交換能力，降低了燃料棒表面的溫度。Lightbridge燃料棒由包殼管、燃料和中心金屬區(qū)三個(gè)部分構(gòu)成，其中，包殼與燃料緊密貼合在一起無(wú)任何間隙。包殼與燃料緊密貼合在一起的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得燃料棒具有更高的機(jī)械強(qiáng)度以及抗彎剛度。中心金屬采用鋯合金材料，極大提高了燃料中心的導(dǎo)熱率。

由于Lightbridge燃料組件中的燃料棒具有良好的攪混能力，Lightbridge燃料組件中并無(wú)定位格架設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)燃料組件相比，這樣的設(shè)計(jì)方式降低了燃料組件的壓降。Lightbridge燃料組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極大地提高了燃料組件安全性能，雖然目前Lightbridge燃料組件只是處于初步設(shè)計(jì)階段，燃料組件性能需要通過(guò)堆內(nèi)輻照試驗(yàn)進(jìn)行判斷，但是Lightbridge燃料組件的設(shè)計(jì)方向?yàn)槲磥?lái)燃料的發(fā)展提供了寶貴的參考價(jià)值。

5 總結(jié)

本文介紹了世界上先進(jìn)燃料組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，這些最新研發(fā)的燃料組件代表著世界燃料組件發(fā)展的潮流和方向。總結(jié)燃料組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和發(fā)展歷程，提高燃料組件的可靠性和經(jīng)濟(jì)性是燃料組件的總體發(fā)展趨勢(shì)。由于對(duì)燃料經(jīng)濟(jì)性以及對(duì)燃料可靠性提出的更高要求，使得燃料組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要進(jìn)行持續(xù)地改進(jìn)。及時(shí)掌握先進(jìn)燃料組件發(fā)展方向，對(duì)于我國(guó)自主研發(fā)燃料組件有著重要的意義。

【參考文獻(xiàn)】

[1]P.Mollard， G. Gentet， N. Vollmer， F. Curca-Tivig， S. Cole， N. Garner. AREVA Advanced Fuel Design and Codes & Methods-Increasing Reliability， Operating Margins and Efficiency in Operation[J]， Sociedad nuclear Espanola，2010，1-17.

[2]ETSURO SAJI， TOSHIKAZU IDA， AKIHIRO WAKAMATSU. Development of Advanced PWR Fuel and Core for High Reliability and Performance[C].Mitsubishi Heavy Industries Technical Review.2009.

[3]Michael C. Misvel， Michael E. Conner， Ronald P. Knott. DESIGN AND DEVELOPMENT OF THE FUEL ASSEMBLY FOR THE WESTINGHOUSE AP1000 REACTOR[R]. Chengdu， China，2011.

[4]V.Markelov，V.Novikov， A.Gusev， et al. Results of development of new Zirconium materials for VVER-1000 fuel rod claddings[R]. Chengdu， China， 2011.

[5]Jaemyung Choi，Jongsung Yoo， Hyeongkoo Kim，et al. Preliminary In-Pile Performance Models of HANA Claddings[R]. Chengdu， China， 2011.

[6]Sung-Tae Yang， Kyung-Ho Roh， Ki-Young Kim. A case study of a FMEA （Failure Mode and Effects Analysis） of failed fuel assemblies for enhancement of fuel reliability[R]. Chengdu， China， 2011.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]