焦擁軍,肖 忠,李 云,張 林,陳 平,杜思佳,雷 濤,張 坤

(中國核動力研究設計院,四川 成都 610041)

“華龍一號”是中國研發(fā)的具有完全自主知識產權的第三代核電技術,其要求使用的燃料組件須性能先進、技術成熟、具有完全自主知識產權,并滿足卸料燃耗深度52 000 MW·d/t U、18個月?lián)Q料、SL-2(極限安全地震)為0.3g、高熱工性能等具體要求。

為了研發(fā)出滿足第三代核電技術要求的燃料組件,中核集團在2010年將 “壓水堆燃料元件設計制造”項目列為集團首批重點科技專項,開展了CF系列燃料組件的設計研發(fā)工作。該項目中,中國核燃料有限公司為責任單位,中國核動力研究設計院為技術牽頭單位,中核建中核燃料元件有限公司、中核北方核燃料元件有限公司、中核運行管理有限公司為參研單位。經過幾年的共同努力,2014年7月,實現(xiàn)了CF3先導燃料組件在秦山二期核電站輻照考驗的目標。目前,4組CF3先導燃料組件在堆內輻照考驗情況良好,池邊檢查結果符合預期,預計在2018年年底出堆。目前 “華龍一號”核電技術擬定采用CF3燃料組件,并基于此進行相關設計工作。

1 CF3燃料組件設計介紹

1.1 CF3燃料組件結構簡介

CF3燃料組件燃料棒采用束棒型的結構設計,呈17×17方形排列,長度為3 862.2 mm,含1個骨架和264根燃料棒。其骨架由1個上管座部件、8個定位格架、3個跨間攪混格架、24根導向管部件、1根儀表管和1個下管座部件組成,與以AFA3G為燃料組件的國內運行的二代核電站結構兼容。

1.2 CF3燃料組件主要性能指標

CF3燃料組件主要性能指標包括:燃耗深度設計目標55 000 MW·d/t U,可滿足18個月循環(huán)長度要求;破損率小于1/100 000;滿足三代核電SL-2為0.3g的要求。具有優(yōu)良的熱工水力性能和機械性能。

1.3 知識產權分析

在CF系列燃料組件研發(fā)過程中,參研科研人員通過自主創(chuàng)新并采取針對性措施,突破了各國的重重專利壁壘,并針對自主研發(fā)成果,通過申請專利、商標、軟件著作權以及技術秘密等方式進行知識產權保護和布局,建立了CF燃料組件知識產權體系,形成了完整的知識產權成果包。截至目前,CF項目完成了88件專利申報(含國際專利5項),其中49件已獲得授權;完成了CF相關商標注冊;申報了3項軟件著作權。

1.4 CF3燃料組件設計特征

為達到優(yōu)良的綜合性能,保證高可靠性與良好的經濟性,結合燃料運行領域的反饋,在設計過程中開展了大量創(chuàng)新設計。CF3燃料組件主要技術特征包括:采用N36鋯合金包殼、厚壁導向管、熱工性能優(yōu)良且具有防勾掛功能的定位格架以及具有異物過濾功能的空間曲面流道下管座等。

(1)新型鋯合金N36

CF3燃料棒包殼材料采用由中國核動力研究設計院自主研發(fā)的新型鋯合金材料——N36合金。N36合金不但具有低的熱中子吸收截面,而且具有合適的力學性能、良好的耐腐蝕性能和輻照穩(wěn)定性能等。

N36合金是Zr-Sn-Nb系合金,基于對N36合金開展的大量堆內外試驗證明,N36合金具有較低的輻照生長、優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗蠕變性能。

采用該型號鋯合金包殼材料的燃料棒設計可以滿足 “華龍一號”反應堆的燃耗設計要求,能適應 “華龍一號”反應堆堆芯功率變化特征,在“華龍一號”反應堆冷卻劑水化學環(huán)境下具有良好的耐腐蝕表現(xiàn)。

(2)高熱工性能格架設計

為了提高安全性和經濟性,CF3燃料組件將具有高熱工性能作為主要目標之一,在燃料組件阻力特性與現(xiàn)役燃料相容條件下,通過開發(fā)新型定位格架,達到提高燃料組件臨界熱流密度的目標。

CF3燃料組件研發(fā)將開發(fā)熱工性能優(yōu)良的定位格架作為關鍵設計創(chuàng)新。為定量評價格架流場,研究建立了渦漩交混率、橫向流交混因子、溫度偏差度等渦旋與橫向流、熱交混效果、質量交混效果等交混性能的量化評價手段。

采用量化評價手段設計了30余種定位格架方案,開展了交混性能分析、夾持性能分析、交混系統(tǒng)與夾持系統(tǒng)匹配性分析,從中優(yōu)選最終方案。最終的臨界熱流密度試驗結果表明,CF3燃料組件的熱工性能已達到國際先進水平。

CF3燃料組件水力特性試驗結果表明,采用了低壓降流量分配均勻的管座結構和高熱工性能定位格架,CF3燃料組件壓降系數(shù)與AFA3G燃料組件相當。

(3)厚壁導向管設計

作為第三代核電技術, “華龍一號”采用SL-2為0.3g的更高抗震要求,這對燃料組件提出了更高的結構強度要求。另一方面,隨著經濟性要求的提高,堆芯燃料管理采用更為先進的策略,燃料組件通常需經歷長燃料循環(huán)以及更高燃耗深度。更加惡劣的運行條件對燃料組件的結構強度也帶來了更高的要求。

導向管部件及定位格架對燃料組件的結構強度起著關鍵作用。CF3燃料組件有針對性地對導向管及定位格架進行了結構強化設計。

在導向管內適當?shù)妮S向位置插入一定長度的內套管,兩者通過脹接相連接,形成導向管的緩沖段,最后焊接導向管端塞形成導向管部件。導向管采用0.6 mm的厚壁設計,相對通常0.5 mm壁厚增加了20%。這樣的方案加強了燃料組件的整體剛度,使其即使在承受較大軸向壓縮載荷、長期高燃耗輻照情況下仍然具有較好的尺寸穩(wěn)定性,增強了抗彎曲性能,能避免出現(xiàn)控制棒不完全插入現(xiàn)象。

(4)空間曲面下管座設計

異物磨蝕破損是目前主要的燃料棒破損機理之一。為了減小由于異物磨蝕引起的燃料破損,CF3燃料組件創(chuàng)造性的采用空間曲面的結構形式。整個下管座由下管座結構件、筋條、葉片、導向管座和儀表管座釬焊構成 (見圖1)。空間曲面下管座利用流道本身的幾何形狀進行異物的過濾,不需要額外的防異物板,具備過濾較小尺寸異物的能力。

圖1 空間曲面下管座結構Fig.1 The botto m nozzle wit h curved flow channels

對空間曲面下管座進行了水力學性能分析及力學性能分析。采用單相CFD方法對下管座進行了水力學計算。結果表明,下管座的壓降水平與現(xiàn)役燃料組件下管座接近,其水力學力是平衡的,流體經過下管座并不會形成明顯的橫向流。按照燃料組件下管座在堆內外承受的最大載核進行分析計算,其結果表明下管座的力學性能是滿足燃料組件機械設計要求的,并且較大余量。

(5)防勾掛設計

根據運行經驗反饋,燃料組件在堆芯裝卸過程中容易出現(xiàn)相鄰組件之間的定位格架勾掛現(xiàn)象。嚴重的勾掛現(xiàn)象將使燃料組件不能再次裝入反應堆,帶來很大的經濟損失。CF3燃料組件定位格架外條帶采用了防勾掛設計,降低裝卸料期間格架鉤掛損傷的風險。外條帶上下端導向翼連續(xù)布置。上端高矮交替布置導向翼,下端連續(xù)布置導向翼。導向翼高低搭配方式,具備防勾掛設計特征。

通過以上兩個定位格架之間的三維模型勾掛模擬,驗證了各種典型工況條件,CF3改進型定位格架不會與相鄰組件的定位格架發(fā)生勾掛。開展的格架勾掛試驗也表明燃料組件具有優(yōu)良的防勾掛性能。如圖2所示。

圖2 格架勾掛試驗裝置Fig.2 Test apparatus for grids hanging up

(6)先進堆芯測量適應性設計

為了提高反應堆的安全性,“華龍一號”核電站采用先進堆芯測量系統(tǒng)。堆芯測量儀表將從堆芯上部插入,從燃料組件的上管座進入儀表管。為了實現(xiàn)這一目的,燃料組件進行了適應性的設計。上管座連接板中心設置通孔,其與儀表管相連形成連續(xù)的通道,便于堆芯測量儀表插入。

2 CF3燃料組件設計驗證

在CF3燃料組件研發(fā)過程中,開展了一系列的理論分析及試驗驗證工作,驗證了燃料組件本身的性能及特性。另外為評價CF3燃料組件用于 “華龍一號”反應堆的性能,確保其堆內使用的安全性和可靠性,結合 “華龍一號”反應堆設計的具體要求,針對CF3燃料組件開展了系列工程應用的驗證分析工作。

2.1 N36合金堆內外試驗

針對N36合金開展了大量的堆內外試驗以驗證其性能并獲得關鍵性能參數(shù),具體如下:

(1)堆外試驗

1)堆外力學性能試驗

針對N36合金拉伸性能、蠕變性能、疲勞性能、爆破性能等開展了試驗測試,并與參比合金進行了對比,驗證了N36合金力學性能并獲得了關鍵性能參數(shù),為燃料棒設計驗證提供了理論支持。

2)腐蝕及吸氫性能試驗

針對N36合金腐蝕性能及吸氫性能開展了在多種水質條件及溫度條件下的試驗,并與參比合金進行對比,以驗證其腐蝕性能及吸氫性能,為評估堆內環(huán)境的腐蝕及吸氫性能提供參考。

3)高溫氧化行為試驗

針對N36合金在高溫環(huán)境下的腐蝕氧化行為開展試驗研究,驗證其在事故工況下的氧化行為,為安全分析提供理論支持。

4)碘致應力腐蝕開裂

針對N36合金在不同溫度及碘分壓條件下的應力腐蝕開裂行為進行試驗,以獲得其在不同條件下的碘致應力腐蝕開裂敏感性,為反應堆內燃料元件行為分析提供理論支持。

(2)堆內試驗

1)高通量試驗堆輻照考驗

針對N36合金在輻照條件下的力學性能開展了在高通量試驗堆內輻照考驗,以獲得其在輻照條件下的關鍵力學性能參數(shù),為開展燃料棒性能分析奠定基礎。

2)商業(yè)堆輻照考驗

已入商業(yè)堆考驗的N36特征化組件及CF3先導組件均采用N36合金作為燃料棒包殼材料,通過池邊檢查及熱室檢查將獲得N36合金的腐蝕、生長、力學等關鍵性能數(shù)據,這些數(shù)據是對N36合金包殼性能的綜合驗證,同時也將為燃料棒性能分析模型的建立提供支撐。

2.2 CF3綜合性能測試與驗證

CF3燃料組件研發(fā)過程中采用了大量的代表性試驗件或原型部件 (組件),開展了一系列燃料組件機械性能、熱工水力性能以及綜合性能的試驗研究,其中重要的試驗如下:

1)定位格架試驗:原型格架的力學試驗測量獲得了格架的屈曲強度和剛度,為驗證燃料組件是否滿足LOCA＋SSE事故中SL-2為0.3g的要求提供基礎數(shù)據。

2)燃料組件力學試驗:采用1∶1模擬組件開展的力學試驗測量了燃料組件剛度、頻率、模態(tài)等基本力學特性,同時為其LOCA＋SSE事故分析提供阻尼等基本輸入。如圖3所示。

3)控制棒落棒試驗:針對加厚導向管和新型燃料組件結構設計,采用1∶1模擬組件開展了控制棒落棒性能測試試驗,不同流量、不同提棒高度下的落棒試驗結果表明燃料組件具有優(yōu)良的落棒性能。

圖3 燃料組件力學試驗Fig.3 Mechanical test f or f uel asse mbly

4)燃料組件流致振動試驗:采用1∶1模擬燃料組件開展流致振動試驗結果表明燃料組件及燃料棒在模擬實堆的運行環(huán)境中振動很小,具有良好的振動特性。

5)燃料組件耐久性試驗:采用1∶1模擬燃料組件開展了1 000 h的耐久性試驗,檢查結果表明燃料組件具有優(yōu)良結構性能,試驗中未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的磨蝕。

6)燃料組件水力特性試驗:采用1∶1模擬組件開展燃料組件水力特性試驗,測量獲得燃料組件及其部件的壓降系數(shù),結果表明CF3燃料組件壓降系數(shù)與AFA3G燃料組件相當。

7)臨界熱流密度試驗:采用實際棒徑和柵距的5×5棒束開展了臨界熱流密度試驗,測量數(shù)據點擬合CF3燃料組件臨界熱流密度關系式用于堆芯熱工水力設計和安全分析。試驗用冷棒與熱棒的功率比為0.85∶1。試驗結果表明CF3燃料組件具有較滿意的熱工性能。

8)燃料組件輻照考驗:為系統(tǒng)驗證CF3燃料組件的堆內綜合性能,開展了采用N36合金包殼燃料棒的特征化組件和先導組件的輻照考驗,N36包殼燃料棒已于2012年6月入秦山二期反應堆輻照,即將完成所有4個循環(huán)輻照。前3個循環(huán)末池邊檢查結果表明其狀態(tài)良好,池邊檢查結果顯示,N36合金具有優(yōu)于M5合金的輻照生長性能,與M5合金相當?shù)娜渥冃阅?同時腐蝕性能表現(xiàn)良好。4組CF3先導燃料組件也于2014年6月入秦山二期反應堆,即將完成第二個18個月長循環(huán)輻照。池邊檢查結果顯示,CF3燃料組件包括輻照性能在內的堆內綜合性能良好 (見圖4)。

圖4 CF3先導組件入堆和池邊檢查Fig.4 Insertion into the core and poolside examination of CF3 lead f uel asse mbly

3 CF3燃料組件工程設計驗證

3.1 燃料組件機械設計驗證

CF3燃料組件為滿足 “華龍一號”三代核電的要求,除了需要滿足核電燃料組件的制造、吊裝、運輸?shù)确沁\行載荷與設計工況載荷外,還需要滿足事故工況載荷SL-2由0.2g提高到0.3g的要求。根據設計準則要求,對燃料組件機械性能進行了計算分析,并與相應的準則進行了比較。驗證的主要結果如下:

(1)間隙驗證

通過分析計算估計,在壽期末,最大使用燃耗下,上管座與上堆芯板之間存在的間隙仍大于零。在燃料組件壽期末,燃料棒與管座之間的最小熱態(tài)間隙仍大于零。相鄰的燃料組件橫向間隙為未全部閉合。

(2)壓緊系統(tǒng)設計驗證

在保守考慮水力載荷、燃料組件尺寸、輻照松弛生長效應的情況下,正常工況下板彈簧壓緊力有較大裕量 (1 740 N),燃料組件不會跳起,滿足壓緊要求。

(3)格架功能驗證

運行期間燃料棒支承有效性:燃料棒所受的軸向外力小于燃料棒的摩擦力,燃料棒不會滑移。計算燃料棒最大磨蝕深度為5μm,小于磨蝕限值57μm(10%壁厚),滿足設計要求。

(4)導向管穩(wěn)定性驗證

對導向管在吊裝運輸及正常運行各工況的穩(wěn)定性進行了驗證,軸向壓縮載荷小于導向管臨界屈曲載荷,滿足設計要求 (見表1)。

(5)上管座及下管座應力驗證

對上管座及下管座在I、II類工況下承受最大載荷 (運輸、吊裝過程中軸向允許最大4g加速度)的應力進行了分析,結果表明應力均小于準則限值 (見表2)。

表1 導向管穩(wěn)定性驗證Table 1 the stability verification of guide thi mble

表2 上管座及下管座應力驗證Table 2 The stress evaluation of top nozzle and bottom nozzle

(6)事故分析

針對SL-2為0.3g的要求,CF3燃料組件研發(fā)過程中開展了抗震性能建模和分析方法研究,通過試驗測量獲得了燃料組件的剛度、阻尼、格架屈曲強度等關鍵參數(shù)。LOCA＋SSE事故工況分析表明,CF3燃料組件上管座、下管座及導向管應力滿足準則要求,格架所受撞擊力小于格架屈曲限值,滿足SL-2為0.3g的要求 (見表3)。

表3 事故分析結果Table 3 Results of DBA evaluation

3.2 燃料棒設計驗證

采用N36合金作為包殼材料的燃料棒應滿足燃料棒設計的相關準則要求,基于 “華龍一號”堆芯設計特征開展了燃料棒的性能分析,分析結果如下:

(1)燃料溫度準則

芯塊中心最高溫度為1 852℃,考慮不確定性后為1 962.8℃。小于準則限值2 590℃。

(2)包殼溫度準則

在穩(wěn)態(tài)工況下的包殼表面溫度最大值為378℃,瞬態(tài)工況下為404℃,滿足包殼溫度準則穩(wěn)態(tài)運行時不超過400℃及瞬態(tài)運行時不超過425℃的要求。

(3)內壓準則

燃料棒內壓在壽期末達到最大值為12.311 MPa,考慮不確定性后為14.179 MPa,低于系統(tǒng)壓力,不會造成芯塊—包殼直徑間隙增大或閉合后重新打開,滿足內壓準則。

(4)包殼應變準則

燃料棒功率變化導致的包殼直徑增大 (彈塑性應變＋蠕變)小于準則限值1%。

(5)包殼應力準則

在穩(wěn)態(tài)條件下,燃料棒的體積平均有效應力不超過171 MPa,小于考慮溫度和輻照效應的屈服強度,滿足準則要求。

(6)包殼疲勞準則

75%、50%和30%低功率水平運行3個循環(huán)在壽期末的累積應變疲勞損傷因子分別為6.27%、12.34%和16.49%,滿足包殼疲勞準則。

3.3 小結

對CF3燃料組件用于 “華龍一號”堆芯的輻照性能進行了分析,結果表明CF3燃料組件在18個月?lián)Q料燃料管理策略下,燃耗達到55 000 MW·d/t U時依然滿足相關準則要求。

4 結論

通過CF3堆外性能試驗和堆內輻照考驗,表明CF3燃料組件具有良好的機械性能和熱工水力性能。結合 “華龍一號”核電站的具體設計要求,對CF3燃料組件工程應用進行了設計驗證,結果表明CF3燃料組件滿足卸料燃耗52 000 MW·d/t U、18個月?lián)Q料、SL-2為0.3g及高熱工性能等具體要求。