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CF2燃料组件主要堆内辐照性能

李云 李华 张林 蒲曾坪 焦拥军 张坤 黄春兰

李云, 李华, 张林, 等. CF2燃料组件主要堆内辐照性能[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
引用本文: 李云, 李华, 张林, 等. CF2燃料组件主要堆内辐照性能[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
Li Yun, Li Hua, Zhang Lin, et al. Major in pile performance of CF2 fuel assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
Citation: Li Yun, Li Hua, Zhang Lin, et al. Major in pile performance of CF2 fuel assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159

CF2燃料组件主要堆内辐照性能

doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
详细信息
    作者简介:

    李 云(1981—),男,学士,从事核燃料组件研究;liyun658@126.com

  • 中图分类号: TL329

Major in pile performance of CF2 fuel assembly

  • 摘要: 结合辐照考验方案,评价了CF2先导燃料组件的机械性能及燃料棒的热力性能,结果表明各项性能均满足准则要求。结合辐照后池边检查结果,对CF2燃料组件的主要堆内辐照性能进行了研究,包括燃料组件及燃料棒生长和弯曲、定位格架生长等各项燃耗相关性能。结果表明,在燃耗达到44500 MWd/tU的情况下CF2燃料组件主要辐照性能均达到了预期水平,满足反应堆的使用要求。CF2燃料组件后续可批量应用于华龙一号。
  • 图  1  CF2燃料组件典型表观

    Figure  1.  Typical appearance of CF2 fuel assembly

    图  2  CF2燃料组件辐照生长率

    Figure  2.  The growth rate of CF2 fuel assembly

    图  3  燃料棒生长率

    Figure  3.  The growth rate of fuel rod

    图  4  CF2燃料组件弯曲度

    Figure  4.  Bowing of CF2 fuel assembly

    图  5  CF2燃料组件扭转度

    Figure  5.  The twist of CF2 fuel assembly

    图  6  CF2燃料组件流道闭合率

    Figure  6.  The fractional channel closure of CF2 fuel assembly

    图  7  定位格架横向生长率

    Figure  7.  The growth rate of spacer grid

    表  1  堆芯运行参数

    Table  1.   Core operation parameters

    average linear power density/(W/cm)core pressure/(MPa)coolant average temperature/(℃)coolant average flow velocity/(m/s)
    160.915.53104.34
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    表  2  CF2先导燃料组件辐照历史

    Table  2.   Iirradiation history of CF2 lead fuel assembly

    cyclecycle length/dcycle burnup/(MWd/tU)fuel assembly burnup/(MWd/tU)
    10th cycle335112008400
    11th cycle4861670027200
    12th cycle4861660044500
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    表  3  CF2燃料组件主要性能评价结果

    Table  3.   The main evaluation results for CF2 fuel assembly

    gap between
    FA and core
    cavity/(mm)
    gap between fuel
    rod and top
    nozzle/(mm)
    gap between
    neighboring fuel
    assemblies/
    (mm)
    axial hold down
    force/(N)
    fretting of
    fuel rod
    cladding/(μm)
    Fueltemperature/
    (℃)
    cladding temperature
    in steady
    state/(℃)
    cladding temperature
    in transient
    state/(℃)
    cladding
    strain/(%)
    value1.259.380.499425.519593703890.91
    criteria>0>0>0>0≤57<2590<400<425<1%
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-03
  • 修回日期:  2020-06-16
  • 网络出版日期:  2020-09-10

CF2燃料组件主要堆内辐照性能

doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
    作者简介:

    李 云(1981—),男,学士,从事核燃料组件研究;liyun658@126.com

  • 中图分类号: TL329

摘要: 结合辐照考验方案,评价了CF2先导燃料组件的机械性能及燃料棒的热力性能,结果表明各项性能均满足准则要求。结合辐照后池边检查结果,对CF2燃料组件的主要堆内辐照性能进行了研究,包括燃料组件及燃料棒生长和弯曲、定位格架生长等各项燃耗相关性能。结果表明,在燃耗达到44500 MWd/tU的情况下CF2燃料组件主要辐照性能均达到了预期水平,满足反应堆的使用要求。CF2燃料组件后续可批量应用于华龙一号。

English Abstract

李云, 李华, 张林, 等. CF2燃料组件主要堆内辐照性能[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
引用本文: 李云, 李华, 张林, 等. CF2燃料组件主要堆内辐照性能[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
Li Yun, Li Hua, Zhang Lin, et al. Major in pile performance of CF2 fuel assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
Citation: Li Yun, Li Hua, Zhang Lin, et al. Major in pile performance of CF2 fuel assembly[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200159
  • 为保障我国华龙一号三代核电技术顺利出口,中核集团在国内首次自主研发了适用于大型商业核电站的CF2燃料组件,拥有了具完全自主知识产权的燃料组件[1-2]。根据相关法规标准要求,燃料组件作为反应堆的关键部件,在其批量应用之前,必须开展燃料组件堆内辐照性能的研究,确保其具有反应堆系统所要求的满意性能。本文介绍了CF2燃料组件辐照考验方案及相关验证情况,并结合辐照后的池边检查结果,对其主要辐照性能进行了研究。根据辐照后检查结果,CF2燃料组件的实际辐照性能达到预期,具有满意的性能,后续可开展CF2燃料组件的批量应用。

    • CF2燃料组件设计燃耗为44000 MWd/tU,定位于满足出口项目首炉装料需求,采用成熟的17×17栅元布置,由骨架、上管座及264根燃料棒组成。骨架上设置了2层端部格架、6层搅混格架及3层跨间搅混格架,具有良好的热工性能。为保持与现有反应堆的兼容性,其轮廓及相关接口尺寸与现役燃料组件保持一致。主要设计特征包括上管座连接板上1/4对称布置长条形流水孔,采用长方形滤孔的下管座防异物板,具有较低压降及过滤较小直径异物的能力,内套管与导向管胀接形成导向管的缓冲段,工艺简单同时结构可靠,燃料棒包壳采用成熟的国产再结晶Zr-4合金。

    • 根据HAD003/10《核燃料组件采购、设计和制造中的质量保证》可知,“对于与以前所用设计相比有重大设计变更(例如棒栅距、棒径或结构材料变更)的燃料组件设计,除要求的设计审查外,通常还要求进行原型燃料组件或先导燃料组件的鉴定试验”。CF2燃料组件结构形式及材料选择与堆内现有燃料组件存在差异,必须进行CF2燃料组件的辐照性能试验,获取其堆内实际运行性能,为其后续批量应用提供支持。

      4组全尺寸CF2先导燃料组件装入秦山第二核电厂2号反应堆中进行辐照试验,从第10循环开始一直持续到第12循环,共经历3个循环辐照后出堆[3-4]。CF2先导燃料组件采用与同批换料组件相同的富集度3.7%。辐照考验方案设计采取了一系列措施使得对电厂运行的影响以及可能的风险和损失最小化。4组CF2先导燃料组件在堆芯内对称布置,即使CF2先导燃料组件出现燃料棒破损,需要紧急换料的情况下受影响的燃料组件数量有限。CF2先导燃料组件在3个循环中均布置于不含控制棒组件的通道,降低了其装入堆芯后对反应堆安全性的影响。装入CF2先导燃料组件后也未对反应堆的运行设置任何额外的限制。

      秦山第二核电厂2号反应堆运行参数见表1。CF2先导燃料组件的辐照考验历史见表2

      表 1  堆芯运行参数

      Table 1.  Core operation parameters

      average linear power density/(W/cm)core pressure/(MPa)coolant average temperature/(℃)coolant average flow velocity/(m/s)
      160.915.53104.34

      表 2  CF2先导燃料组件辐照历史

      Table 2.  Iirradiation history of CF2 lead fuel assembly

      cyclecycle length/dcycle burnup/(MWd/tU)fuel assembly burnup/(MWd/tU)
      10th cycle335112008400
      11th cycle4861670027200
      12th cycle4861660044500
    • 为确保4组CF2先导燃料组件的辐照安全,结合燃料管理设计方案,对其进行了机械性能分析及燃料棒热力性能分析。机械性能分析主要包括燃料组件与堆芯上、下板最小间隙、相邻燃料组件间最小间隙、格架弹簧夹持功能、压紧系统性能、燃料棒最大磨蚀深度、导向管应力分析和稳定性等[5- 6]。燃料棒热力性能分析主要包括燃料芯块温度、包壳温度、包壳应变等。主要的分析结果见表3。分析结果表明,在燃耗为44 000 MWd/tU的情况下,CF2先导燃料组件的相关性能满足设计准则要求。

      表 3  CF2燃料组件主要性能评价结果

      Table 3.  The main evaluation results for CF2 fuel assembly

      gap between
      FA and core
      cavity/(mm)
      gap between fuel
      rod and top
      nozzle/(mm)
      gap between
      neighboring fuel
      assemblies/
      (mm)
      axial hold down
      force/(N)
      fretting of
      fuel rod
      cladding/(μm)
      Fueltemperature/
      (℃)
      cladding temperature
      in steady
      state/(℃)
      cladding temperature
      in transient
      state/(℃)
      cladding
      strain/(%)
      value1.259.380.499425.519593703890.91
      criteria>0>0>0>0≤57<2590<400<425<1%
    • 为避免出现由于制造因素引起燃料破损,该4组先导燃料组件的生产均经过严格的质量控制程序,与堆内现有燃料组件具有相同的质量水平。装入的燃料芯块均经过挑选,避免出现由于芯块掉块等缺陷引起燃料破损。为便于与辐照后的相关数据进行对比,对燃料组件出厂状态的高度等外形尺寸进行了测量和记录。

    • 每循环末停堆换料期间,均对CF2先导燃料组件进行了池边检查[7]:(1)外观检查。燃料组件辐照后的外观是辐照稳定性和完整性最直接的体现。外观检查主要采用水下摄像头检查燃料组件整体明显变形情况、组件及定位格架条带可见缺陷和损伤、燃料棒表面状况、沉积物附着等;(2)尺寸测量采用图像法测量组件高度、弯曲及扭转程度、上下管座间距、棒间距等与组件辐照性能直接相关参数。

    • 寿期末燃料组件典型表观见图1。4组CF2先导燃料组件整体无可见变形;螺钉连接处、定位格架外条带焊接部位和下管座滤板等未见异常,各零部件完好无缺。燃料组件表面无明显沉积物和水垢,燃料棒表面呈灰黑色。燃料棒间、格架条带与燃料棒之间、上/下管座内腔等可见部位未见异物。定位格架外条带及燃料棒表面无磨蚀、擦挂痕迹,条带焊缝处无撕裂、翻边及其它可见损伤和变形。受燃料棒辐照生长及定位格架夹持力下降等因素影响,燃料棒下端与下管座间隙变小。

      图  1  CF2燃料组件典型表观

      Figure 1.  Typical appearance of CF2 fuel assembly

    • 燃料组件的高度将由于锆-4合金导向管的辐照生长而增加。燃料组件的辐照生长应处在一个合适的范围,过大的辐照生长可能引起燃料组件与反应堆堆腔的轴向干涉而影响组件的结构完整性。燃料组件过小的辐照生长不利于补偿压紧系统因辐照松弛引起的压紧力减小[8]图2给出了CF2燃料组件辐照生长率与燃耗关系曲线(归一化处理)。CF2先导燃料组件的辐照生长处在预期范围内,生长率小于分析模型预测的辐照生长率上界值,在寿期末与堆腔之间仍有至少4.4 mm的轴向间隙,不会发生轴向干涉。

      图  2  CF2燃料组件辐照生长率

      Figure 2.  The growth rate of CF2 fuel assembly

    • 燃料棒包壳采用再结晶Zr-4合金。在堆内运行环境中燃料棒长度会增加。包壳受辐照而自由生长,另外当芯块与包壳接触后,包壳受到芯块-包壳轴向相互作用,包壳将沿轴向生长。包壳生长带来燃料棒内部容纳裂变气体空间体积的增加,但如果生长量过大,将引起燃料棒与上管座/下管座轴向干涉,危及燃料棒的结构完整性。图3给出了燃料棒包壳生长率随快中子注量的变化情况(归一化处理)。燃料棒生长率符合预期,生长率实测平均值小于模型预测的最佳估算值,实测最大值小于模型预测的上界值。寿期末燃料棒与上管座/下管座至少仍有26 mm的轴向间隙,不会发生轴向干涉。

      图  3  燃料棒生长率

      Figure 3.  The growth rate of fuel rod

    • 随着燃耗增加,由于横向流、中子通量梯度、导向管辐照生长不均匀等各种综合因素,燃料组件将逐渐发生弯曲变形。过大的燃料组件弯曲变形将引起控制棒不能完全插入堆芯,危及反应堆的安全,同时也将增加装卸料过程中发生勾挂的风险[9-10]。CF2燃料组件弯曲度随燃耗变化的关系曲线见图4(归一化处理)。4组燃料组件的弯曲变形量随着燃耗的增加均有所增加。经过3个循环后,最大弯曲变形量为2.8 mm。根据以往经验,燃料组件弯曲变形量小于10 mm的情况下不会引起不可接受的负面效应。CF2燃料组件具有良好的抗弯曲性能,不会引起控制棒落棒不畅或装卸料操作困难。

      图  4  CF2燃料组件弯曲度

      Figure 4.  Bowing of CF2 fuel assembly

    • 燃料组件过大的周向扭转变形可能导致堆内构件中定位燃料组件的销钉不能正常插入燃料组件上管座相应销孔内,甚至控制棒落棒通道不对中导致控制棒插入困难,影响装料操作或者引起燃料组件损坏。图5给出了CF2燃料组件上管座相对于下管座的扭转度(归一化处理)。四组CF2燃料组件的扭转度很小,均未超过0.1 °,且未呈现与燃耗相关的趋势。这与预期相符,因为燃料组件在堆内并不受明显的周向扭转载荷。

      图  5  CF2燃料组件扭转度

      Figure 5.  The twist of CF2 fuel assembly

    • 燃料棒弯曲现象主要与定位格架的夹持力有关,通常两跨定位格架之间燃料棒的辐照生长量大于对应范围导向管的生长量,过大的格架夹持力将限制燃料棒与定位格架之间的轴向相对滑动,从而引起燃料棒弯曲。燃料棒弯曲将使棒间距偏离名义范围,引起流道闭合率增加,带来偏离泡核沸腾(DNB)惩罚的负面效果。

      通过池边检查测量获取了棒间距的数据,经进一步处理得到对应的流道闭合率。图6给出了CF2燃料组件流道闭合率(归一化处理)。CF2燃料组件实际的流道闭合率远小于堆芯热工水力设计所采用的保守流道闭合率极值曲线,CF2燃料棒弯曲处于较低水平。

      图  6  CF2燃料组件流道闭合率

      Figure 6.  The fractional channel closure of CF2 fuel assembly

    • 定位格架横向尺寸将随着快中子的辐照效应增加,引起相邻燃料组件之间间隙减小甚至闭合。为了确保燃料组件能顺利装入和卸出堆芯,燃料组件之间必须保持一定间隙,避免相互之间发生勾挂。

      图7给出了定位格架随快中子注量的横向生长率(归一化处理)。随着快中子注量的增加,CF2定格架横向生长率不断增加。在寿期末,格架生长率仍远小于组件间间隙闭合对应的格架生长率,不会引起装卸料困难。在实际装卸料过程中也未出现异常情况。池边表观检查结果表明,格架外条带及导向翼无勾挂引起的损伤。

      图  7  定位格架横向生长率

      Figure 7.  The growth rate of spacer grid

    • 结合辐照方案以及实际的辐照考验试验,本文对CF2先导燃料组件辐照性能进行了研究。结果表明,在燃耗达44500 MWd/tU的情况下CF2先导燃料组件各项主要辐照性能均满足设计要求。CF2燃料组件具有满意的辐照性能,后续可批量应用于出口项目首炉堆芯,也可应用于采用年换料制的换料堆芯。考虑到辐照经验的重要性,CF2燃料组件后续仍有必要进一步积累更多辐照性能数据。

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