基于TRISO燃料的小型压水堆研究

黄锦锋,张尧立,郭奇勋,沈道祥,梁墩煌,李 宁

(厦门大学能源学院,福建厦门361102)

基于TRISO燃料的小型压水堆研究

黄锦锋,张尧立,郭奇勋*,沈道祥,梁墩煌,李 宁*

(厦门大学能源学院,福建厦门361102)

目前世界上运行的大部分压水堆都采用二氧化铀(UO2)作为核燃料,锆合金作为包壳．该技术虽然成熟,但在高温下仍存在一定缺陷．新开发的TRISO(Tristructural-isotropic)燃料可以长时间在1 600 ℃的温度下保持燃料和包壳的完整性,防止裂变产物释放到环境中,在压水堆中使用TRISO燃料替代常规UO2芯块燃料可以大大提高反应堆的安全性．本研究使用TRISO包覆颗粒燃料的小型压水堆,对不同富集度组件排列下的有效增殖系数、堆芯换料周期、中子通量分布等进行分析讨论,并比较2种燃料棒在反应堆正常运行环境下的温度分布．计算结果表明,从换料周期、通量展平、燃料的中心最高温度这3个方面看,在小型压水堆中采用TRISO燃料棒替代常规UO2燃料棒是可行的,使用TRISO燃料的堆芯具有更优异的安全性．

TRISO燃料;小型压水堆;安全性

自核电站问世以来,在工业上成熟的核电反应堆主要有以下3种:轻水堆、重水堆和石墨气冷堆．压水堆是轻水堆的一种,它技术成熟、成本低廉,积累了上万堆年的运行经验,是现代核电的主力堆型．

目前应用最广泛的核燃料是二氧化铀(UO2)陶瓷燃料,它是一种黑色的固体,其熔点高达2 865 ℃,晶格结构为面心立方,在熔点下无晶型转变,各向同性,抗辐照稳定性好,且与水和包壳材料的相容性较好,但导热性能差[1],这使得运行时芯块中心部分和周边部分的温度梯度很大,易造成热应力开裂和堆芯燃料棒的熔化,进而引起大规模放射性物质的泄漏．切尔诺贝利核电事故[2-3]、福岛核电事故[4-5]均是由于大规模放射性物质泄漏而造成严重危害[6-8]．因此,采用新型安全核燃料替代现有的UO2陶瓷燃料,可以从根本上解决反应堆堆芯熔化问题,现已成为核科学领域的一个研究热点．

近年来,TRISO(Tristructural-isotropic)包覆颗粒燃料引起了人们的重视．它是由英国的Nosdwall等在1966年首次提出,并率先使用在英国的龙堆[9-10],后来在德国的AVR(Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor)堆中大量使用[11-12]．我国山东石岛湾建设的高温气冷堆采用的也是TRISO燃料．20世纪80年代,清华大学提出振动密实燃料可供压水堆使用,但燃料棒里只含TRISO颗粒,等效导热系数低;20世纪90年代,韩国科学家提出TRISO加入到石墨基质中,供压水堆使用;2000年,日本北海道大学研究者使用TRISO设计50 MW堆;从2012年起,美国橡树岭、爱达荷、布鲁克海文国家实验室对全陶瓷微密封(FCM)燃料特性进行深入研究,但研究都集中于材料本身的制备和辐照特性,对于材料用于反应堆后的物理特性研究很少．本文从理论上对压水堆使用TRISO燃料进行研究,对其初步的物理和热工特性进行数值计算,并与传统UO2燃料的性能进行比较．

1 燃料棒材料选择与建模

TRISO包覆燃料颗粒由燃料核芯和4层包覆结构组成．燃料核芯由直径200～500 μm的球状颗粒组成,成分为氧化物、碳化物以及混合碳氧化物等[13],碳化物核芯是指UC和UC-O[14],其优点是与接触的炭包覆层有很好的相容性．氧化物核芯是指铀或钍(Th)的氧化物,如U-O2、ThO2[14]．氧化物核芯与碳化物核芯相比具有耐高温、制造工艺简单、滞留固态裂变产物和阻挡气态裂变产物的扩散能力强等特点[15]．由于目前核工业中UO2核芯最为常见,工艺也最成熟,因此,本文选用UO2燃料核芯.TRISO包覆燃料与传统的UO2芯燃料特性如表1所示．TRISO包覆颗粒燃料结构如图1所示，其结构从里向外依次为UO2燃料核芯(半径250 μm)、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层、外致密热解炭层，四层包覆层厚度分别为95，45，30，45 μm．

常用压水堆燃料棒由UO2芯块重叠在包壳里组成,而新型燃料棒由TRISO颗粒球和基质组成,基质采用石墨或碳化硅(SiC)材料,基质起到固定TRISO颗粒球的作用,同时作为慢化剂和较为优良的导热材料,可有效降低燃料棒的温度,图2是燃料棒中的TRISO球排列截面图．这种独特的包壳结构使TRISO燃料可以长时间在1 600 ℃的温度下保持包壳和燃料的完整性[16],防止裂变产物释放到环境中[17-18]．

表1 TRISO包覆燃料与UO2芯块燃料特性

图1 TRISO燃料球结构示意图

图2 燃料棒中的TRISO球排列截面图

图3 燃料组件的燃料棒排列示意图

图3为燃料组件排列示意图,采用常见的17×17的排列方式,此排列有利于降低反应堆的线功率密度,与常用的压水堆燃料棒排列完全一致,以便利用压水堆的已有成熟经验和技术,降低建造周期和成本．图中21个空位为可燃毒物棒预留空位，可为下一步优化堆芯设计提供空间．

图4所示为小型堆堆芯的燃料装载图,采用7×7的组件排列,总共37个组件,组件外侧包围着水反射层,水反射层起到展平功率作用,也能减少压力容器的中子辐照剂量,延长压力容器的使用寿命．

图4 反应堆堆芯燃料装载图

2 计算过程及结果

反应堆中子的计算采用蒙特卡罗程序,该程序由美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开发，基于蒙特卡罗方法，用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子、光子、电子输运问题,也具有计算核临界系统(包括次临界和超临界系统)本征值问题的能力,扩展版还具有燃耗计算功能,被大量应用于新型反应堆的设计中．TRISO包覆燃料几何结构复杂,采用传统的确定论方法进行计算时,存在双重非均匀性等问题,从而影响计算精度,而蒙特卡罗程序恰好具有强大的描述三维复杂结构等特点,因此本文采用该程序进行计算．

2.1 反应性随时间的变化与堆芯寿期

为了展平通量分布,采用分区燃料布置方案：一种是装载在同一批次中富集度为15%和8%的燃料；另一种是富集度为19%的燃料．由图5可知,寿期初的有效增殖系数(keff)为1.31,在运行时间的初期,因氙毒物的累积,堆芯的keff下降较快[19],而后近似线性减小,这是由于裂变燃料的减少和裂变产物的积累．当所有组件的富集度提高到19.9%时,堆芯的初始剩余反应性增加,keff为1.49,使得首炉装料的换料时间由原来的250 d延长到550 d,换料间隔延长1倍,大大提高了反应堆的经济性水平．

图5 富集度为15%和8%以及19.9%的2种燃料keff随堆运行天数的变化

2.2 堆芯中子通量分布及展平

堆芯中子通量或功率峰值限制反应堆的功率输出水平,因此需要通过各种方法降低峰值因子．对于均匀裸堆,通量或功率分布在中心区域出现峰值,峰值因子较大,限制了功率输出水平．本文采用不同富集度燃料组件分区布置方案,可以降低中子通量峰值因子．图6为堆芯中子通量分布云图,由图可知,由于采取功率展平措施,中子通量分布的峰值并不位于堆芯中心,而是位于靠近反射层处,其峰值与中心区的比值约为1.4,这说明采用TRISO包覆颗粒燃料的压水堆,尽管其燃料的富集度相对较高,其堆芯中子通量水平可以被有效展平．

2.3 装载TRISO颗粒的燃料棒中心温度

由于UO2陶瓷燃料芯块的导热率较低,使得燃料棒的温度较高,在线功率密度为492 W/cm时,燃料棒的中心温度达到了2 000 ℃[20]．以石墨为基体的TRISO复合燃料的有效热导率确定是一个复杂的过程[21-24],现取为20 W/(m·K)[25-26],远大于UO2芯块的热导率．采用圆柱形燃料元件的稳态导热方程,由图7可知,以燃料元件表面温度为350 ℃作边界条件,在相同的线功率密度下,当UO2芯块的中心最高温度为1 300 ℃时,TRISO颗粒燃料的中心最高温度仅为540 ℃,而TRISO颗粒燃料在1 600 ℃的条件下仍然能够维持燃料的完整性．相比于常规的核燃料,TRISO燃料具有更高的热工安全裕度,安全性能更高．

3 结 论

本文使用蒙特卡罗软件，在压水堆中,以TRISO燃料替代UO2燃料,可以提高燃料组件的富集度,增加堆芯的初始剩余反应性,延长首炉装料的换料时间,由原来的250 d延长到550 d,减少因频繁换料而导致的停堆停机,有利于提高电站的容量因子．对于不同富集度组件的分区布置,堆芯中子通量分布的峰值出现在较靠近反射层的组件处,有利于通量分布展平和功率展平．在相同的线功率密度下,UO2芯块燃料棒的中心最高温度为1 300 ℃时,而TRISO颗粒燃料的中心最高温度仅为540 ℃,可见采用了TRISO燃料后,压水堆具有更高的热工安全裕度,表现出更优异的安全性能．综上所述,从换料周期、通量展平、燃料棒的中心最高温度这3个方面看,TRISO燃料替代UO2燃料在小型压水堆中是可行的，其研究结果可以为未来进一步优化设计小型压水堆提供参考．

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《厦门大学学报(自然科学版)》获得

“福建省品牌刊社培育计划”种子期刊资金

8月13日，2015年“福建省品牌刊社培育计划”种子期刊、种子杂志社评选结果公布，我刊入选种子期刊二档(二档共2个)，也是唯一一家获得种子期刊资金扶持的高校学报.

为推动我省期刊业做强、做大，根据今年出台的《福建省品牌刊社培育扶持管理暂行办法》要求，省新闻出版广电局开展了2015年“福建省品牌刊社培育计划”种子期刊、种子杂志社的评选工作．经专家评审、公示等，全省共评出培育扶持种子期刊8个、种子杂志社2个，分一、二、三档，给予扶持资金．其中种子期刊一档(1个)：《每周大象文摘》；二档(2个)：《人畜共患病学报》《厦门大学学报(自然科学版)》；三档(5个)：《福建教育》《小火炬》《福建论坛》《青年博览》《福建画报》．《厦门大学学报(自然科学版)》以全省期刊中较高的学术质量和切实可行的发展计划跻身种子期刊二档．

本刊编辑部

2015-08-25

Studies on the Small Pressurized Water Reactor Based on TRISO Fuels

HUANG Jin-feng,ZHANG Yao-li,GUO Qi-xun*,SHEN Dao-xiang,LIANG Dun-huang,LI Ning*

(College of Energy,Xiamen University,Xiamen 361102,China)

At present,most of pressurized water reactors (PWR) use UO2fuel pellets as nuclear fuels in the world.Although fuel pellets are utilized widely,they suffer from some defects under high temperature.The newly developed tristructural-isotropic(TRISO) fuel can maintain the integrity of the fuel and cladding,which is able to prevent the fission products from being released to the environment at a temperature of 1 600 ℃ for a long time.Therefore,the safety of the reactor can be significantly improved by using TRISO fuel instead of the conventional UO2pellet fuel in PWR.In this paper,a small pressurized water reactor using TRISO fuel was considered.The effective multiplication factor under different uranium enrichment,the refuel cycle,and the neutron flux distribution were discussed.The temperature distributions for two kinds of fuel rods in the reactor were compared.Calculation results show that,according to the fuel reloading length,flux flatted,and temperature distribution,using TRISO instead of conventional UO2fuel rods is feasible and safer in the small pressurized water reactor.

TRISO fuel;small pressurized water reactor;safety

2015-03-16 录用日期：2015-06-25

厦门大学校长基金(2012121034,20720150095)

黄锦锋,张尧立,郭奇勋，等.基于TRISO燃料的小型压水堆研究[J].厦门大学学报:自然科学版，2015,54(5)：603-607.

：Huang Jinfeng,Zhang Yaoli,Guo Qixun,et al．Studies on the small ppressurized water reactor based on TRISO fuels[J].Journal of Xiamen University:Natural Science，2015,54(5)：603-607．(in Chinese)

10.6043/j.issn.0438-0479.2015.05.002

新能源材料专题

TL 329

A

0438-0479(2015)05-0603-05

* 通信作者：qxguo@xmu.edu.cn;ningli@xmu.edu.cn