壓水堆燃料破損概述

高士鑫　張坤　呂亮亮　秦勉　郭子萱

摘要：燃料是核反應堆最要的堆芯部件，反應堆燃料的破損直接影響反應堆運行的安全性和經濟性。本文介紹了燃料破損對電廠經濟性的影響，總結了幾種常見的破損原因及相關機理，并提出改進措施。

關鍵詞：壓水堆 燃料破損 晶粒邊界分離

一、前言

在世界范圍內，壓水堆燃料一直運行良好。然而，各國正在運行的核電站仍有燃料破損發生。燃料性能的提升和改進基于對燃料的堆內行為和破損機制有更深的理解。燃料破損直接影響核電站的安全，燃料可靠性也會影響核電站的經濟性。尤其對我國自主研發的商用壓水堆核燃料來說，燃料破損率關系著我國自主核電品牌的形象，是自主品牌核電走出去的關鍵。

二、燃料破損對經濟性的影響

1.供電損失。有時為了卸除破損燃料，嚴重的燃料破損需要在中間循環停電。由于額外的燃料檢查，以及在進入安全殼和打開主回路前進行的必要的空氣或冷卻劑活性檢查，都潛在地延誤了破損燃料的維修，從而燃料破損也增加了停堆的持續時間。

2.燃料循環成本。燃料的檢查、修理或重新組裝增加了燃料循環成本。根據修理的復雜性或價格來確定對破損燃料組件進行維修或最終卸出。最典型的例子就是用新燃料組件或儲存在乏燃料池中的部分已耗盡燃料組件來替換破損燃料組件。這些改變需進行堆芯重新分析，這將導致堆芯設計不能最優化和燃料利用率降低。破損燃料組件或棒也需要特別的儲存條件和容器。

3.運行成本。破損燃料中的裂變產物卻又增加了活化產物的含量，特別地是燃料破損增加了氣態碘釋放的潛在危險。較高的冷卻劑活性也要求更廣泛的輻射廢物處理，這就增加了廢物處理成本。

三、破損原因分析

IAEA統計得出，格架與燃料棒之間的磨蝕在世界范圍內的壓水堆燃料棒破損機理中占主導地位，其次較普遍的原因是與異物有關的破損。第三個重要原因是與制造相關的破損（約占所有壓水堆破損的5%），另外腐蝕也占據了少量破損原因。本文介紹壓水堆燃料常見破損的原因。

1.格架與燃料棒的磨蝕。格架與燃料棒的磨蝕主要原因為，由于設計或制造的不當，導致燃料組件中對燃料棒的夾持不夠充分、燃料組件中橫向流導致的流體彈性不穩定性引起燃料棒振動、流體引起的組件及燃料棒的振動。格架與燃料棒間的磨蝕是由于湍流和流動不均勻性引起的燃料棒或燃料組件振動所導致。湍流總是存在的，特別是在入口一直到下部格架的范圍，當湍流超過設計值時或格架對燃料棒的夾持力不足時，均會導致燃料破損發生。

若改進格架燃料棒磨蝕的設計，可以有效減緩格架與燃料棒的磨蝕作用，具體包括以下幾點：1.較大的初始彈簧彈性力；2.較低的彈簧剛度；3.較小的包殼內蠕變速率；4.彈簧與包殼接觸面應光滑，以降低局部應力；5.較小的定位格架輻照生長：6.燃料棒裝載過程后，彈簧彈力減少應盡可能小；7.較大的格架和燃料棒接觸面積；8.定位格架攪渾翼的設計應對稱，以消除水流產生的旋轉力。

2.異物磨蝕。在所有類型的動力堆中，異物磨蝕仍然是燃料破損的常見機理。回路中各種類型的異物（主要是堆內構件機加工的屑）穿過下管座使燃料棒下部受損或在上部被格架捕捉造成包殼的穿透性磨蝕。可采用防異物管座或板的設計，來避免異物磨蝕。

3.制造缺陷。隨著制造工藝的改進，由制造缺陷所引起的破損數目逐年下降。然而，這類破損依然在發生，主要是端塞和焊接缺陷，有時候也包括管子軋制缺陷。

（1）端塞泄漏。鋯合金端塞制造中可能產生缺陷，從而為氣體從端塞泄漏提供了通道。在某些鋯產品中出現的線狀氯化物有時會形成這樣的缺陷，這些氯化物在制造過程中可能沿著棒材軸向縱向排列。

棒材的冷鍛也會在棒材端部產生內部空腔。由于鍛造時外表面變形比中心大，最后形成中心空腔。這種類型的破損很少見。顯然，解決之道是更仔細的制造工藝控制和檢查，例如，需要對棒材成品進行超聲檢查。

（2）焊縫缺陷。鋯合金端塞TIG焊接是在惰性氣氛下或真空中進行。如果氣體氣氛控制不好或有真空室有泄漏，會導致焊接的氮沾污，由此引起的腐蝕有時足以破壞焊接完整性。顯然，避免以上問題的方法是實行更好的氣氛控制，并使用傳感器來監測雜質。

（3）晶粒邊界分離。晶粒邊界分離的缺陷，其特征是微觀裂紋狀缺陷——該缺陷起始于焊接內表面，傾向于沿著D晶界徑向擴展。該缺陷是焊接操作的冷卻階段受到拉應力造成的。可采取的糾正措施包括：1）焊接硬件和工藝的改進，以降低加載拉應力的應力水平和不利影響；2）對所有端塞100%進行超聲檢測，以檢查是否存在晶粒邊界分離。

（4）端塞焊接中的咬邊。燃料破損的可能原因是包殼咬邊。通過X光檢查可發現咬邊缺陷，而超聲檢查則無法探測出這種異常。在大多數情況下，這種缺陷大小都不足以產生燃料棒破損。

4.腐蝕。均勻腐蝕性能是Zr-4合金包殼在壓水堆中長時間使用的主要限制因素。隨著燃耗及燃料功率的增加，Zr-4合金包殼腐蝕裕量顯著減少。然而為了提高燃料的經濟性，核電站希望能使用更高燃耗目標的燃料，因此有必要進行先進的包殼材料開發，以滿足高燃耗燃料的應用需求，比如AREVA公司M5、西屋公司的ZIRLO合金以及中核集團的N36合金。

一般情況下，除了不利的水化學或局部垢沉積引起的過度腐蝕外，腐蝕引起的燃料破損比較少見。在壓水堆中大多數的破損是不利的水化學條件、垢致腐蝕或其他綜合作用帶來的結果。

四、小結

對于壓水堆燃料來說，最顯著的發展就是平均卸料燃耗的不斷增加，燃料組件燃耗約達到60MW.d/kgU，計劃還要繼續增加。因此不斷提高我們燃料設計和制造水平，提高燃料可靠性，降低燃料的破損率，對與我國核電走出去至關重要。