压水堆MOX与UO2燃料棒辐照性能对比分析

任啟森 张永栋

摘   要：采用MOX燃料是提高铀资源利用率、实现核燃料闭式循环的重要途径。MOX燃料与纯UO2在热导率、裂变气体释放等性能方面不同。本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，对压水堆MOX和UO2燃料棒的辐照性能进行了对比分析。结果表明，在相同的辐照条件下，MOX燃料中心温度在低燃耗阶段比UO2偏低，高燃耗阶段则明显高于UO2;MOX燃料棒内压高于UO2，两者之间的差距随燃耗增加而增大;辐照后期，MOX燃料棒包壳发生向内应变的绝对值比UO2偏低。

关键词：压水堆  MOX燃料  辐照性能

中图分类号：TL352                                 文獻标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）07（b）-0134-06

Abstract： Use of mixed oxide （MOX） nuclear reactors is an important approach to improve uranium efficiency and achieve closed nuclear fuel cycle. The properties of MOX fuel differ from UO2 in the aspects of thermal conductivity， fission gas release， etc. In the present study， comparison analysis of irradiation behaviors between MOX and UO2 fuel rod were carried out using the fuel performance code COPERNIC. The results indicate that， with the same irradiation condition， the MOX fuel rod represents a lower centerline temperature at lower burnup while higher centerline temperature at higher burnup， compare to that of the UO2 fuel rod. The internal pressure of MOX fuel rod is distinctly higher than that of UO2， and the difference increases with burnup. At the end of irradiation， the MOX fuel rod achieves a smaller absolute cladding compressive strain.

Key Words： PWR; MOX fuel; Irradiation behavior

二氧化铀（UO2）燃料是目前核电站反应堆中应用最广的燃料。经过辐照后，UO2燃料中会产生一定含量的钚，通常乏燃料中含有约1%的钚，其中约2/3是易裂变材料[1]。为了提高铀资源利用率，将从反应堆中卸出的乏燃料进行后处理，提取其中易裂变的钚元素并将其与UO2混合再加工，从而形成了铀-钚混合氧化物（MOX）燃料。研究表明，MOX燃料与纯UO2燃料在性能方面略有不同[2]，但通过恰当的设计，两者对反应堆的安全性和运行性能基本没有影响。目前MOX燃料在比利时、瑞士、法国和日本等多个国家已有大量的运行经验[3]，国内针对MOX燃料在压水堆中的应用可行性，从核设计、燃料管理等方面进行了相关研究[4]。

本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，对典型百万千瓦级压水堆MOX燃料棒进行了计算分析，研究了稳态运行工况下的燃料芯块温度、燃料棒内压、包壳应变等辐照性能随燃耗的变化，对比分析了MOX和UO2燃料棒的性能差异。

1  程序及模型

1.1 COPERNIC程序简介

COPERNIC是FRAMATOME ANP公司开发的燃料棒分析验证工具，用于燃料棒在堆内辐照期间的辐照性能分析评估。该程序将燃料棒径向离散成同心圆环且轴向分段，并在离散的时间段内进行计算得到燃料棒的辐照性能。在COPERNIC的模型中，考虑了温度分布、力学响应、裂变气体释放、包壳腐蚀及吸氢等因素，并通过它们之间的耦合计算实现燃料棒的综合性能分析[5]。该程序可用于UO2和MOX燃料棒的计算[6]。

1.2 燃料热导率模型

MOX燃料的热导率主要与温度、燃料成分、燃耗、化学计量、密度等因素相关。研究表明，添加少量的PuO2会使MOX燃料的热导率有所降低，当PuO2含量大于15%wt时，MOX燃料热导率还将存在更加明显的降低趋势[7]。通常商用反应堆MOX燃料中的PuO2含量不会超过15%。

2  燃料棒设计特征及辐照功率史

参考典型的百万千瓦级压水堆设计，选取燃料棒的主要设计特征见表1，包络功率史如图1所示。MOX燃料芯块由乏燃料后处理提取的Pu和U浓缩剩余的尾料混合形成，其中235U富集度为0.25%，Pu含量为9.8%;作为参比对象，标准UO2燃料芯块中235U富集度按目前商用压水堆18个月换料管理方案取4.45%[9]。

3  计算结果分析及讨论

3.1 燃料中心温度

温度分布是整个燃料棒综合性能分析计算的基础，对燃料棒辐照行为有决定性的影响。燃料芯块的中心温度是安全分析评价中关注的重要因素之一，燃料中心最高温度不应超过其熔点，以避免燃料熔化导致的放射性物质泄露。图2给出了辐照期间MOX和UO2燃料芯块中心温度随燃耗的变化趋势，可以看出，在稳态正常运行工况下，燃料中心温度随燃耗增加整体呈下降趋势。当燃耗达到15000MWd/tU左右时，芯块-包壳间隙发生闭合强化了间隙传热，芯块温度显著降低;在燃耗约32000MWd/tU和53000MWd/tU时温度存在突然增加的现象，这是由于燃料棒轴向功率分布变化导致局部功率突增所致。

辐照初期阶段，MOX燃料中心温度低于UO2，主要原因是寿期初MOX燃料径向功率分布较为陡峭，在相同的线功率水平下其中心位置局部功率偏低。随着燃耗加深，两者径向功率分布特征趋于一致，如图3所示，径向功率分布效应对中心温度的影响减弱。但由于MOX燃料的裂變气体释放率比UO2偏高，更多的裂变气体释放到燃料棒包壳和芯块间隙增加了间隙传热热阻;另一方面，MOX燃料的热导率整体上比UO2偏低，使得辐照后期MOX燃料的中心温度明显高于UO2，增加幅度接近50℃。

MOX燃料的熔点与PuO2含量、氧-金属比以及燃耗等因素相关，一般而言MOX燃料比纯UO2燃料的熔点更低[10-11]。因此，在较高燃耗下，更低的熔点与更高的温度两者叠加将使得MOX燃料棒的热工裕量显著低于UO2，在设计验证和安全评估中应予以关注。

3.2 燃料棒内压

在燃料棒设计验证中，需限定燃料棒内压不能超过特定的设计限值，以避免芯块与包壳接触后间隙重新打开或间隙尺寸增加而导致的燃料棒性能迅速恶化。燃料棒内压与温度、裂变气体释放等因素密切相关。裂变气体释放直接决定了燃料棒内气腔中的气体总量，温度则是影响内压的重要参数。如图4所示，随着燃耗的增加，裂变气体释放到燃料棒内空间，导致内压逐渐增大;MOX燃料棒的内压明显高于UO2，两者相差的幅度随燃耗增加而增大，寿期末相差了约25%，主要原因是两种燃料在热导率和裂变气体释放两方面的性能差异所致。

3.3 包壳应变

燃料棒在反应堆内运行中， 包壳会因内外压差变化、材料不同热膨胀、芯块辐照肿胀等因素的长期作用而发生塑性变形。在设计中，需验证包壳不会因发生过度应变而破损，通常要求稳态工况下锆合金包壳的拉伸应变不超过1%。

图5给出了两种燃料棒包壳应变随燃耗的变化趋势。可以看出，在整个辐照寿期内，包壳应变一直为负值，说明包壳存在向内的变形。在辐照初期，包壳应变的绝对值随燃耗快速增大，这是由于此时燃料棒内压较低，内外压差导致包壳向内蠕变。燃耗达到约15000MWd/tU时，芯块和包壳之间的间隙闭合，随后芯块继续肿胀产生芯块-包壳机械相互作用，包壳向内蠕变的速率减缓。当燃耗达到32000MWd/tU左右时，包壳向内的应变达到最大值，此后芯块肿胀对包壳应变的影响逐渐占据主导地位，导致包壳产生向外的变形，体现为包壳塑性应变绝对值逐渐减小。从图5可以看出，在辐照寿期末，MOX燃料棒包壳应变的绝对值明显低于UO2燃料棒，二者相差为0.08%，这主要是由于辐照后期阶段MOX燃料棒的内压较高，内外压差较小，由此产生的包壳向内蠕变较低。

4  结语

本文采用燃料棒性能分析程序COPERNIC，对压水堆MOX和UO2燃料棒的辐照性能进行了对比分析，结果表明：

（1）稳态正常运行工况下，辐照后期阶段MOX燃料的中心温度明显高于UO2，增加幅度约50℃;较高燃耗下MOX燃料棒的热工裕量将显著低于UO2。

（2）MOX燃料棒的内压比UO2偏高，两者之间的差距随燃耗增加而增大，寿期末两者相差约25%。

（3）整个辐照寿期内，包壳存在向内的塑性应变，应变的绝对值随燃耗先增大后减小;辐照寿期末MOX燃料棒包壳应变的绝对值明显低于UO2燃料棒，二者相差为0.08%。

参考文献

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[3] 刘晓黎，宫宇.MOX燃料组件装入现役M310堆芯对堆芯核设计的影响研究[J].原子能科学技术， 2015， 49（9）： 1629-1636.

[4] 刘国明，郭治鹏， HPR1000堆芯装载50%MOX组件的燃料管理方案[J]， 强激光与粒子束， 2017 ， 29（3）： 49-55.

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