環形燃料元件國內外發展調研

趙麒霖

【摘 ?要】環形燃料元件是國際上開發的新一代高性能燃料元件。國內外研究結果表明，水堆采用環形燃料元件代替傳統實心燃料棒，在總體堆芯功率不改變的情況下，會明顯提高核電燃料的安全性能;在保持堆芯結構不變的情況下，還可將堆功率提高近一半，且燃耗大大提升。故在本文章中對環形燃料元件的國內外（包括中國，美國，韓國等國家）發展進行簡單調研，以提高我國的發展水平，對發展前景進行憧憬。

【關鍵詞】高性能燃料;環形燃料元件;國內外發展

我國現在人口特別多，這就導致我們現在能源用的多消耗格外的高，在新時代整體不斷進步向著工業化和城市化邁開步伐的同時，能源問題也就成為了我國經濟發展和前進道路上的“瓶頸”。所以我們必須要正確對待國內的整體能源現況，實現能源，社會和經濟之間發展協調，這是我國目前所必須面對和必須解決的重要課題，我們不容忽視。

我國現在的能源主要供應還是煤，煤產量占總能源76.7%，處于主導地位，但現在新型能源正在逐步崛起，包括：核電，水電，風電所占比較往常都有所提高。改革開放過后，中國一直努力了很多年，成功的改善了我國的能源結構，讓可再生能源，與不可再生能源一起協調發展，主要發展可再生能源，形成可再生能源作為主要能源供應，建立了較為健全的體系。但是要是真的滿足國家可持續發展的目標，還是需要更加優化能源所在結構，這也是我們新一代年輕人所共同奮斗的目標。

在共同發展的同時，各項問題也都在涌現出來，這就需要我們處理問題，主要問題就在于能源與環境無法協調發展，所以我國現在準備發展核電能源，雖然核電能源是一個新興產業但它確實能夠得到能源的可持續發展。

所以我國重視到了能源與環境不協調的問題，開始新興新的能源材料，即核能，在同等條件下核能的效率更高且污染環境的范圍相比之前更少。

在我國的高性能核燃料之中，在近幾年突然涌現出來的環形燃料元件是未來的主要發展趨勢。相對于之前的燃料元件來說，環形燃料元件是一種新型的燃料元件其結構主要是兩層包殼和環形芯塊，由于其內外兩面雙層冷卻，見圖一，我國近幾年也主要開展了對環形燃料元件的分析，主要對他的模型進行設計，對他的物理特性進行考察，對他的熱工水力水平進行分析，對他的安全性能進行考證，最終結果都顯示環形燃料元件要相對于老式燃料元件更有優勢，所以它既是高效率的也是相當安全的。

環形燃料元件是世界上核能方面比較新進的元件，所以我國研究設計出一整套應用于環形燃料元件的軟件程序，通過程序驗證和計算整個堆芯的有效增值系數，以及各個溫度效應等哥干堆芯參數。

現在國際上也已經有國家對環形燃料元件進行了分析，目前來看，主要的研究國家包括美國和韓國，其他國家也進行了簡略的研究，現在美國開始進行“美國現役核電站延壽至80年”設計，當美國看到環形燃料元件的優勢時將環形燃料確定了新一代燃料并將其作為該設計的首選燃料;韓國為了提升現役POR-1000堆芯功率密度也將環形燃料元件的研發進程提上議程。這就更加說明了環形燃料元件是一個非常有發展前景的新型燃料。

在我國的高性能核燃料之中，在近幾年突然涌現出來的環形燃料元件是未來的主要發展趨勢。相對于之前的燃料元件來說，環形燃料元件是一種新型的燃料元件其結構主要是兩層包殼和環形芯塊，由于其內外兩面雙層冷卻，見圖一，我國近幾年也主要開展了對環形燃料元件的分析，主要對他的模型進行設計，對他的物理特性進行考察，對他的熱工水力水平進行分析，對他的安全性能進行考證，最終結果都顯示環形燃料元件要相對于老式燃料元件更有優勢，所以它既是高效率的也是相當安全的。

環形燃料元件是世界上核能方面比較新進的元件，所以我國研究設計出一整套應用于環形燃料元件的軟件程序，通過程序驗證和計算整個堆芯的有效增值系數，以及各個溫度效應等哥干堆芯參數。

現在國際上也已經有國家對環形燃料元件進行了分析，目前來看，主要的研究國家包括美國和韓國，其他國家也進行了簡略的研究，現在美國開始進行“美國現役核電站延壽至80年”設計，當美國看到環形燃料元件的優勢時將環形燃料確定了新一代燃料并將其作為該設計的首選燃料;韓國為了提升現役POR-1000堆芯功率密度也將環形燃料元件的研發進程提上議程。這就更加說明了環形燃料元件是一個非常有發展前景的新型燃料。

為了確保環形燃料元件的安全性，我國多次對環形燃料元件的安全性能進行評估，并創建了一個安全事故分析程序，為RELAP5/MOD3程序，該程序通過在基礎事故和嚴重事故中建立相關模型并進行分析，通過后期驗證之后，我國認為此程序能夠分析事故中元件的表現狀態，是可以進行安全技術分析，所得的結果是有效且可依靠的。

首先我國將環形燃料元件的內外包殼進行分析，通過技術手段讓內外包殼的伸長長度不一致，并進行分析其使用狀態，結果表示在內外包殼伸長長度不一致時也可以得到原有的效果，這就證明在現在已經具有的形態結構和各種各樣的運行狀態，不管怎樣改變其物理形狀都不會改變它原具有的性能。

其次我國對環形燃料元件內部管道進行實驗，來查看當燃料內部管道擁堵時，元件還能否具有原有性能，我國進行了多次實驗：進行了對內部管道進行10%擁堵并進行測試，結果表示其性能還可以滿足所需要求;進行了對內部管道進行20%擁堵并進行測試，結果表示其性能還可以滿足所需要求;進行了對內部管道進行30%擁堵并進行測試，結果表示其性能還可以滿足所需要求;進行了對內部管道進行40%擁堵并進行測試，結果表示其性能還可以滿足所需要求;進行了對內部管道進行50%擁堵并進行測試，最終發現其性能無法滿足所需要求，故研發人員停止了后續測試，所以最終結果表示，如果想要元件的各項性能能夠滿足所需的各項要求，環形燃料元件內部管道可以接受的最大擁堵狀態為40%。

然后我國通過對改變環形燃料元件的熱流分配來進行實驗，進而查看它的冷卻效果，通過技術手段將環形燃料元件的熱流分配進行不均衡，并在同等的狀態及環境下與熱流分配均衡的環形燃料元件進行對比，對比其最后的溫度，最后實驗結果大跌眼鏡，兩種環形燃料元件的溫度相處甚小，這就證明在最保守的條件之下，元件仍然具有足夠的冷卻能力。

我國還對環形燃料元件的內輻照性能進行分析，此次分析我國研發了AFPAC v1.0程序，來進行燃料元件穩態事故分析，最終分析結果表明環形燃料元件的內輻照性能是可以滿足使用要求的。

最后我國通過在失水事故發生時，將環形燃料元件的塑料外殼進行鼓脹爆破實驗，并在同等條件下與傳統的棒形燃料進行同等實驗，來查看最后的實驗結果，最終結果是兩種燃料元件的結果一致，最后研制人員分析，由于由于環形燃料元件采用了Zr-4材料，所以在失水事故發生時其性能與傳統燃料包殼性能一致。

以上所有實驗均進行多次并進行分析，所以不存在數據的偶然性，通過以上實驗以及相關程序證明環形燃料元件在運行過程中可出于安全狀態。

我國多次對環形燃料元件的安全性能進行評估，多項評估結果顯示，環形燃料元件在運用過程中可處于安全狀態。

參考文獻：

[1]季松濤，韓智杰，何曉軍，李卓群.壓水堆環形燃料組件研發進展[J].原子能科學技術，2020，

[2]刁均輝，季松濤，張應超.環形燃料熱工水力性能分析程序開發及驗證[J].原子能科學技術，2015，49（6）：1051-1056

[3]張京，趙守智，郭婭，等.環形燃料元件小堆的概念設計[J].核動力工程，2015，36（6）1-3.