耐事故燃料控制棒备选材料的燃耗分析

刘 勇，李满仓，于颖锐，肖 鹏，娄 磊

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，成都 610213)

近年来，以改善核燃料在严重事故下保持结构完整性能力为目标，国际核燃料领域出现了耐事故燃料(accident tolerant fuel，ATF)这一新的核电燃料研究方向。采用新的燃料材料、包壳材料和结构设计的ATF，可以减少或避免可燃气体的产生，尽量减少裂变产物的泄漏，保持严重事故下核燃料结构的完整性，从而降低核电站发生大量放射性物质泄漏的风险[1]。

目前，压水堆中常用的控制棒为不锈钢导向管装载Ag-In-Cd(AIC)材料。AIC合金的熔点小于800 ℃，且远小于Zr合金燃料包壳在多种事故下发生强烈氧化现象时的温度1 300 ℃，这意味着发生事故时，燃料棒还处于完整状态，但控制棒已开始熔化。一旦控制棒受到破坏，将导致不可控的反应性引入，产生一系列后续事故[2-3]。由此可见，控制棒材料的选取在ATF研究中具有重要意义。随着反应堆技术的发展，新型控制棒材料不断出现[4-5]，研究人员从材料熔点、稳定性及控制棒价值等方面对ATF控制棒备选材料进行了研究和筛选[6-7]，但对备选材料的中子学特性研究尚不充分，如对控制棒价值随燃耗的变化研究较少。备选的ATF控制棒材料应与传统的压水堆控制棒材料具有相当的控制棒价值，且控制棒价值不能随燃耗加深出现较大的衰减，这样才能满足反应堆设计及反应性控制要求。本文选择稀土元素的倍半氧化物(Eu2O3，Gd2O3，Sm2O3，Dy2O3，Er2O3)、Hf及HfO2等材料，研究了其控制棒价值随燃耗的变化，为控制棒材料选型提供数据支持。……