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(yīng)堆最要的堆芯部件，反應(yīng)堆燃料的破損直接影響反應(yīng)堆運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文介紹了燃料破損對(duì)電廠經(jīng)濟(jì)性的影響，總結(jié)了幾種常見的破損原因及相關(guān)機(jī)理，并提出改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：壓水堆 燃料破損 晶粒邊界分離

一、前言

在世界范圍內(nèi)，壓水堆燃料一直運(yùn)行良好。然而，各國(guó)正在運(yùn)行的核電站仍有燃料破損發(fā)生。燃料性能的提升和改進(jìn)基于對(duì)燃料的堆內(nèi)行為和破損機(jī)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(huì)影響核電站的經(jīng)濟(jì)性。尤其對(duì)我國(guó)自主研發(fā)的商用壓水堆核燃料來(lái)說(shuō)，燃料破損率關(guān)系著我國(guó)自主核電品牌的形象，是自主品牌核電走出去的關(guān)鍵。

二、燃料破損對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響

1.供電損失。有時(shí)為了卸除破損燃料，嚴(yán)重的燃料破損需要在中間循環(huán)停電。由于額外的燃料檢查，以及在進(jìn)入安全殼和打開主回路前進(jìn)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(xù)時(shí)間。

2.燃料循環(huán)成本。燃料的檢查、修理或重新組裝增加了燃料循環(huán)成本。根據(jù)修理的復(fù)雜性或價(jià)格來(lái)確定對(duì)破損燃料組件進(jìn)行維修或最終卸出。最典型的例子就是用新燃料組件或儲(chǔ)存在乏燃料池中的部分已耗盡燃料組件來(lái)替換破損燃料組件。這些改變需進(jìn)行堆芯重新分析，這將導(dǎo)致堆芯設(shè)計(jì)不能最優(yōu)化和燃料利用率降低。破損燃料組件或棒也需要特別的儲(chǔ)存條件和容器。

3.運(yùn)行成本。破損燃料中的裂變產(chǎn)物卻又增加了活化產(chǎn)物的含量，特別地是燃料破損增加了氣態(tài)碘釋放的潛在危險(xiǎn)。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(tǒng)計(jì)得出，格架與燃料棒之間的磨蝕在世界范圍內(nèi)的壓水堆燃料棒破損機(jī)理中占主導(dǎo)地位，其次較普遍的原因是與異物有關(guān)的破損。第三個(gè)重要原因是與制造相關(guān)的破損（約占所有壓水堆破損的5%），另外腐蝕也占據(jù)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?yàn)椋捎谠O(shè)計(jì)或制造的不當(dāng)，導(dǎo)致燃料組件中對(duì)燃料棒的夾持不夠充分、燃料組件中橫向流導(dǎo)致的流體彈性不穩(wěn)定性引起燃料棒振動(dòng)、流體引起的組件及燃料棒的振動(dòng)。格架與燃料棒間的磨蝕是由于湍流和流動(dòng)不均勻性引起的燃料棒或燃料組件振動(dòng)所導(dǎo)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(dāng)湍流超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)或格架對(duì)燃料棒的夾持力不足時(shí)，均會(huì)導(dǎo)致燃料破損發(fā)生。

若改進(jìn)格架燃料棒磨蝕的設(shè)計(jì)，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(diǎn)：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(nèi)蠕變速率；4.彈簧與包殼接觸面應(yīng)光滑，以降低局部應(yīng)力；5.較小的定位格架輻照生長(zhǎng)：6.燃料棒裝載過(guò)程后，彈簧彈力減少應(yīng)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(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)稱，以消除水流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力。

2.異物磨蝕。在所有類型的動(dòng)力堆中，異物磨蝕仍然是燃料破損的常見機(jī)理。回路中各種類型的異物（主要是堆內(nèi)構(gòu)件機(jī)加工的屑）穿過(guò)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(shè)計(jì)，來(lái)避免異物磨蝕。

3.制造缺陷。隨著制造工藝的改進(jìn)，由制造缺陷所引起的破損數(shù)目逐年下降。然而，這類破損依然在發(fā)生，主要是端塞和焊接缺陷，有時(shí)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(chǎn)生缺陷，從而為氣體從端塞泄漏提供了通道。在某些鋯產(chǎn)品中出現(xiàn)的線狀氯化物有時(shí)會(huì)形成這樣的缺陷，這些氯化物在制造過(guò)程中可能沿著棒材軸向縱向排列。

棒材的冷鍛也會(huì)在棒材端部產(chǎn)生內(nèi)部空腔。由于鍛造時(shí)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(xì)的制造工藝控制和檢查，例如，需要對(duì)棒材成品進(jìn)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(jìn)行。如果氣體氣氛控制不好或有真空室有泄漏，會(huì)導(dǎo)致焊接的氮沾污，由此引起的腐蝕有時(shí)足以破壞焊接完整性。顯然，避免以上問(wèn)題的方法是實(shí)行更好的氣氛控制，并使用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)雜質(zhì)。

（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(nèi)表面，傾向于沿著D晶界徑向擴(kuò)展。該缺陷是焊接操作的冷卻階段受到拉應(yīng)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(jìn)，以降低加載拉應(yīng)力的應(yīng)力水平和不利影響；2）對(duì)所有端塞100%進(jìn)行超聲檢測(cè)，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(guò)X光檢查可發(fā)現(xiàn)咬邊缺陷，而超聲檢查則無(wú)法探測(cè)出這種異常。在大多數(shù)情況下，這種缺陷大小都不足以產(chǎn)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(zhǎng)時(shí)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(jīng)濟(jì)性，核電站希望能使用更高燃耗目標(biāo)的燃料，因此有必要進(jìn)行先進(jìn)的包殼材料開發(fā)，以滿足高燃耗燃料的應(yīng)用需求，比如AREVA公司M5、西屋公司的ZIRLO合金以及中核集團(tuán)的N36合金。

一般情況下，除了不利的水化學(xué)或局部垢沉積引起的過(guò)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(shù)的破損是不利的水化學(xué)條件、垢致腐蝕或其他綜合作用帶來(lái)的結(jié)果。

四、小結(jié)

對(duì)于壓水堆燃料來(lái)說(shuō)，最顯著的發(fā)展就是平均卸料燃耗的不斷增加，燃料組件燃耗約達(dá)到60MW.d/kgU，計(jì)劃還要繼續(xù)增加。因此不斷提高我們?nèi)剂显O(shè)計(jì)和制造水平，提高燃料可靠性，降低燃料的破損率，對(duì)與我國(guó)核電走出去至關(guān)重要。