压水堆核电燃料设计特征及发展方向

徐阳 陈平 郭晓明

摘   要：近年来，由于环境的污染、传统能源的不断减少，使核电的利用变得越来越重要。设计和开发先进的燃料组件是发展高效清洁核电的关键。对于燃料组件，其发展总趋势为提高燃料循环的经济性及可靠性，以使核电厂更具经济竞争力、核燃料运行更加安全可靠。提高经济性通过提高卸料燃耗和换料周期、提高热工性能等几个燃料技术方向来实现;提高燃料组件的可靠性通过有针对性的改进燃料破损相关设计（格架磨蚀、异物磨蚀等）来实现。本文从提高燃料组件经济性及可靠性两方面出发，以国际先进的压水堆燃料组件结构设计特征为例，说明燃料组件为提高经济性及可靠性在结构方面进行的相关设计，对燃料组件的发展趋势进行总结。

关键词：先进的燃料组件  燃料组件结构设计特征  经济性  可靠性  发展趋势

中图分类号：TL932                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0062-04

燃料组件是反应堆的核心部件之一，直接影响核电站的可靠性、安全性和经济性。在反应堆运行过程中，燃料处于不断消耗和补充供料的动态过程。因此，提高燃料组件的经济性及可靠性已成为改善核电站安全性、可靠性和经济性的有效手段。本文介绍了国际先进的压水堆燃料组件，列举各型燃料组件的设计特征，并对燃料组件的发展趋势进行总结。

1  提高燃料组件经济性

提高燃料组件经济性可以通过提高卸料燃耗和换料周期、提高热工水力性能等方式实现。

1.1 提高燃料组件燃耗和延长换料周期

目前主流燃料组件设计卸料燃耗提高到约60GWd/tU甚至更高，换料周期延长到18个月或更长。为实现以上目的，可以采取以下措施：

（1）采用芯块掺杂、增加芯块直径等方式，提高燃料运行性能。其中，芯块掺杂的方式可以提高燃料棒的内压裕量，减小裂变气体的释放;提高芯块直径等方式可以为燃料组件提供更大的铀装量。GAIA燃料组件中[1]，采用Cr2O3掺杂的UO2芯块，并增加了芯块直径及密度。TVS-K燃料组件[2]，掺杂的芯块（Al2O3+SiO2）设计使得芯块晶粒尺寸增大，极大提升了芯块的性能。TVS-2M燃料组件[3]，通过增加芯块直径、减小芯块中心孔直径的方式增加燃料装载量。PLUS7等韩国燃料组件[4]，采用大尺寸芯块。CAP1400燃料组件[5]，为减小芯块的中心温度、增大超功率事故下的PLHR范围，芯块设计带有1.4mm的中心孔[6]。为抵消铀装量减小带来的影响，使燃料组件达到目标燃耗60 GWd/tU，CAP1400将燃料密度提高到97%。

（2）研发辐照性能更好的材料，提高包壳性能，减少高燃耗下燃料组件辐照变形。HTP LE燃料组件采用Zr-4复合包壳，即在Zr-4合金基体上复合一层更耐水侧腐蚀的超低锡锆合金。AP1000燃料组件专为高燃料研发了先进的ZIRLO合金，其具有低热中子吸收截面、较高的抗腐蚀性及高延性。PLUS7等燃料组件，燃料棒采用自主研发的具有较好抗腐蚀性能及辐照性能的新型锆合金材料（如Zr-Nb合金[7]）。TVS-K燃料棒使用具有优异抗腐蚀性能的E110锆合金。CAP1400自主研发的SZA-4和SZA-6锆合金，试验中表现出良好的堆外抗腐蚀性能。

（3）改进燃料棒结构设计，提高燃料组件燃耗。AP1000与HTP LE燃料组件，通过减少下管座高度、增加燃料棒长度、设置燃料棒下气腔等方式提高燃料组件燃耗。燃料棒长度的增加，减小了活性段占整个燃料棒的比例;其底部增加的下气腔，减缓了芯块与包壳间的相互作用，防止包壳发生蠕变坍塌。TVS-2M燃料组件中，减小了上、下管座的高度，增加了堆芯活性区的长度。PLUS7等燃料组件，使用較短的气腔弹簧，提高铀装量。

1.2 提高燃料组件热工裕量

随着功率的提升以及低泄露的堆芯设计要求，对燃料组件的热工水力性能也提出了更高的要求[8]。高的热工水力性能将为提升反应堆功率提供条件、增加热工裕量。

（1）改进格架设计，提升搅混翼性能。PLUS7中间格架搅混翼的设计，使燃料组件有着更好的水力平衡。ACE7燃料组件的搅混翼在提高搅混性能的同时，仅增加少量的压降，由CHF试验可知，其热工裕量提高10%以上。HTP LE燃料组件设计了具有斜通道的中间格架，斜通道的设计不但对燃料棒起到夹持作用，同时也加强了冷却剂的搅混作用，提高了格架的搅混能力。

（2）增加格架数量，提高燃料组件临界热流密度。AP1000燃料组件和CAP1400燃料组件均在流体高温区域设置4个跨间搅混格架，目的在于增强搅混能力防止DNB发生。

1.3 提高燃料组件经济性其他措施

（1）设计可拆卸的上管座。HTP LE、AP1000、PLUS7、HIPER16与TVS-K等燃料组件的上管座，均为可拆卸上管座。其中，HTP LE的上管座采用精密铸造，为纯机械连接，连接件加工、拆装均较为简单，为快速可拆上管座。可拆卸的上管座，简化了检查或替换燃料棒的工序，通过重新安装上管座部件即可完成燃料组件的修复，降低了燃料组件的维修费用。

（2）降低燃料组件压降，提高燃料组件经济性。GAIA燃料组件中，将夹持系统布置在栅元四角位置的独特结构设计，使得格架的压降系数较HTP低。PLUS7燃料组件，弹簧与刚凸采用横向布置，降低了格架上的压降。HIPER16燃料组件，下管座上大方形孔的设计，降低了下管座上的压降。

2  提高燃料组件可靠性

随着对燃料循环经济性的追求，燃料将在更加恶劣的环境中运行，对燃料的可靠性带来更多的挑战。福岛事故后，对燃料组件在极端事故下的结构强度也提出了更高的要求。因此，各型燃料组件采取不同措施进一步提高燃料组件可靠性。

2.1 降低燃料破损

世界范围內燃料组件运行经验表明，燃料破损主要由格架/燃料棒磨蚀、异物磨蚀这两方面引起，约占所有破损燃料的66%。各型燃料组件研发，均针对这两方面采取了相应的设计改进措施。

（1）增大格架与燃料棒接触面积，提高格架/燃料棒抗磨蚀性能。AP1000燃料组件，将中间格架及跨间搅混格架的高度分别增加至2.25英尺和0.66英尺;PLUS7燃料组件，弹簧（刚凸）与燃料棒采用了面接触的方式;ACE7燃料组件，使用I型弹簧及宽刚凸;CAP1400燃料组件的SAF中间格架，使用长弹簧及宽刚凸。以上措施均加大了弹簧（刚凸）与燃料棒的接触面积，提高了格架/燃料棒抗磨蚀性能。

（2）创新夹持系统，提高燃料组件抗磨蚀性能。GAIA燃料组中，采用8条线接触弹簧（因科镍718合金）的方式对燃料棒进行夹持。通过试验验证，GAIA组件的磨损程度较小，可以提供与HTP燃料组件相当的夹持力。HTP LE燃料组件中，将冷却剂流道作为弹簧，在燃料组件运行期间限制燃料棒的横向运动。其流道与燃料棒之间保持8个长的线性接触，使得格架即使发生完全辐照应力松弛，格架/燃料棒也不会发生磨蚀。相关试验及堆内辐照结果已验证了这种极佳的抗磨蚀性能。但是，HTP LE组件的临界热流密度要低于AFA3G LE组件。

（3）使用抗辐照性能优良的材料，保持充足夹持力，降低燃料棒振动。HTP LE、AP1000、PLUS7、HIPER16和CAP1400燃料组件，均设置了辐照生长相对较小的因科镍材质的顶部格架和底部格架，使燃料组件在整个寿期内对燃料棒保持充足的夹持力。

（4）提高下管座流场分布的均匀性，优化下管座结构设计，降低横向流引起的流致振动。GAIA燃料组件的GRIP下管座，可以在出口处形成均匀的流体分布，增加燃料组件的抗磨蚀性能;燃料棒下端坐在下管座里的座底设计，有效降低了燃料棒下部由于振动造成的燃料破损风险[9]。TVS-K燃料组件将下格板的厚度减小到16mm，并改进流水孔的结构参数，使流体分布更加均衡;其底部格架和抗磨蚀格架[10]用于固定燃料棒，减少了燃料棒的振动，降低了燃料棒的磨蚀。

（5）提高下管座过滤能力。GAIA的GRIP下管座，过滤板装配在连接板的底部。过滤网的设计，使其过滤效率较HTP及AFA3G下管座更高[11]。HTPLE燃料组件采用Robust FUELGUARD下管座，通过设置曲折的流道过滤异物，有效避免了细长结构的异物进入组件，但是其流动阻力偏大。CAP1400燃料组件的下管座（CARBON），在流水孔中引入十字形金属分隔使每个流水孔最小化。试验结果表明，CARBON下管座拥有均匀的应力分布以及令人满意的压降，防异物功能杰出。PLUS7等燃料组件使用具有小尺寸流水孔的下管座，有效降低了由异物磨蚀引起的燃料棒失效。为减小下管座的阻力并保证其机械强度，PLUS7在连接板上设计了圆形和槽形孔。TVS-K燃料组件下管座上的流水孔直径为1.8mm，可拦截直径大于1.8mm尺寸的异物。

2.2 提高燃料组件抗弯曲能力

燃料组件在辐照过程中产生的组件弯曲，对控制棒落棒、装卸料操作等均会产生不利影响。因此，提高燃料组件的抗弯曲能力，对提高燃料组件的可靠性具有重要意义。

（1）减小压紧力，改善压紧系统。AFA 3G燃料组件在AFA 2G的基础上，增加了弹簧片宽度并减薄了弹簧片厚度，降低了压紧力与弹簧片表面应力。韩国新型的On-Off压紧系统[13]，采用每组有不少于两片板状压紧弹簧的结构。当压紧系统变形较小时，其中两片弹簧受压提供压紧力;当发生泵启动等工况时，所有弹簧均受压以提供更大压紧力。与现用板状弹簧压紧系统相比，On-Off总压紧力要小很多，有效避免了燃料组件因轴向载荷过大而产生的弯曲。

（2）增加导向管尺寸，强化导向管结构。GAIA和TVS-K燃料组件，均增加了导向管截面尺寸。其中，TVS-K导向管上段壁厚0.68mm，相比AFA3G增加了36%，能将燃料组件的弯曲限制在5～7mm内，极大增强了燃料组件的刚度、抗辐照变形能力与抗极端事故工况的能力。

（3）采用抗蠕变性能更好的导向管材料，提高燃料组件抗辐照变形能力。GAIA导向管使用的Q12TM材料（Zr1Nb0.5Sn0.1Fe）具有良好的抗蠕变性能;TVS-K导向管及骨架材料均采用具有更强抗蠕变能力及抗辐照生长能力的E110[12]。

（4）增强格架强度，提高组件的抗弯曲性能。西屋公司在对AP1000燃料组件运行性能进行验证之后，增加了中间格架及跨间搅混格架的高度，提高了格架的抗磨蚀性及地震与LOCA事故工况下的抗冲击力。TVS-2M燃料组件，增加了定位格架高度与均布栅元管、异布栅元管的厚度，增强了格架的强度。

（5）加强各个部件之间的连接。GAIA燃料组件和TVS-2M燃料组件，通过加强定位格架与导向管的连接方式，提高了燃料组件的刚度。其中，TVS-2M燃料组件将格架与导向管的连接方式由摩擦力改为压力电阻焊。AP1000燃料组件连接导向管的结构件由4个增加至8个，提高了保护格架抗应力腐蚀性能。

2.3 提高燃料组件可靠性其他措施

改进相关结构，提高燃料组件吊装性能。GAIA燃料组件定位格架较厚的外条带有效提高了组件在吊装过程中的稳定性;CAP1400燃料组件格架外条带设置了较宽的导向翼，降低吊装过程中发生钩挂的可能性。

3  先进燃料组件发展方向

本文介绍的燃料组件为国际上先进的燃料组件，代表了压水堆燃料组件的发展方向。及时把握先进燃料组件的发展趋势，对我国自主研发燃料组件有着重要意义。针对燃料组件各个部件，对其发展方向进行如下总结：

提高燃料组件经济性：

（1）上管座：调整连接板流水孔参数，降低压降;简化部件加工过程，方便拆卸与维修。

（2）格架：增加或优化攪混翼，增强格架搅混能力;增加格架数量，提高燃料组件临界热流密度。

（3）燃料棒：研发新型材料，提高包壳耐腐蚀性能;调整芯块参数，提高燃料运行性能;优化燃料棒结构参数，提高其容纳裂变气体的能力。

提高燃料组件可靠性：

（1）上管座：对压紧力系统进行优化设计，降低燃料组件弯曲风险。

（2）导向管：增加导向管强度;选用抗蠕变性能更好的材料。

（3）格架：创新夹持系统设计、设置保护格架，提高燃料组件耐振动磨蚀的能力;增大格架强度;强化燃料组件的结构及其连接方式;采用防勾挂设计。

（4）下管座部件：提高过滤效率;优化结构参数，减小横向流。

参考文献

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