丁 麗 駱貝貝 花 曉 寧 波 喬雅馨

（中國原子能科學研究院 北京 102413）

板狀燃料元件已經用于國外很多研究堆中，國內研究堆近年來剛開始使用。采用板狀燃料元件的研究堆，一旦發(fā)生外來異物落入堆芯入口的意外情況，流道堵塞事故就成為一種可信事故。針對性的分析研究此類事故，提出及早探測方法與預防措施，可為以板狀燃料元件為燃料的研究堆的安全運行提供參考，為安全監(jiān)督管理提供技術支持。

1 國內外板狀燃料元件流道堵塞事故研究情況

1.1 板狀燃料元件特性

板狀燃料元件由于其發(fā)熱表面積大，元件表面溫度低，很多研究堆使用板狀燃料元件。常用的板狀燃料元件主要有：UO2陶瓷型，U-Al合金型以及UAlx-Al、UMo-Al、U3O8-Al、U3Si-Al和U3Si2-Al彌散型等。U3Si2-Al彌散型燃料在堆內腫脹穩(wěn)定，反應層內無起泡等可見變化，具有良好的輻照性能。至今已有上千盒U3Si2-Al燃料組件運行在各國研究堆中。同時有研究表明：在高熱通量（約260 W·cm-2）、高燃耗（約5×1021f·cm-3）和高燃料溫度（約140 °C）環(huán)境中，低濃度U3Si2-Al的抗輻照性能會隨著溫度的升高與燃耗的增加急劇降低。

1.2 流道堵塞事故研究情況

板狀燃料元件的板間柵距通常很小，堆芯冷卻劑流道為狹窄的矩形流道，且各流道間互不連通，一般采用強迫循環(huán)冷卻。因此，一旦發(fā)生外來異物落入堆芯入口的意外情況，將出現(xiàn)冷卻劑流道堵塞事故。

1.2.1 國外研究情況

1987年，美國首次將U3Si2-Al彌散型板狀燃料元件應用于橡樹嶺研究堆（Oak Ridge research，ORR），并實現(xiàn)了低濃化［1］。1988年，美國正式批準在研究堆中推廣使用鈾密度為4.8 g·cm-3的U3Si2-Al彌散型燃料元件［2］。美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）模擬計算了ANS（Advanced Neutron Source）反應堆的堵流事故，假定了多種可能造成流道堵塞的事故，認為當冷卻劑流道堵塞時，堵塞流道的燃料板過熱，并導致相鄰燃料板溫度升高，發(fā)生變形，并進一步影響其他鄰近的燃 料 板［3］。 日 本 也 分 析 研 究 了 HTETR（High Temperature Engineering Test Reactor）發(fā)生堵流事故后的燃料溫度分布［4］。研究認為燃料板的破損機制是大的溫度梯度和快速淬火聯(lián)合引起的熱應力，并給出燃料板的破損閾 82～94 cal/g·fuel，包殼表面溫度小于330°C時破損燃料板有小的晶體結構改變，而大于400°C時由于燃料板鋁包殼熔毀，結構會出現(xiàn)大的變化［5］。

1.2.2 國內研究情況

中國工程物理研究院的中國綿陽研究堆（China Mianyang Research Reactor，CMRR）和中國原子能科學研究院的中國先進研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）均采用U3Si2-Al彌散型板狀燃料組件。

在CARR設計、建造階段，中國原子能科學研究院對板狀燃料元件進行了包括熱工水力、腐蝕、流致振動和結構穩(wěn)定性等多項研究與設計驗證工作，并在俄羅斯MIR堆（Material Irradiation Reactor）上先后進行了燃料組件小燃料板的輻照考驗和整盒燃料組件的輻照考驗［6］。清華大學也曾采用經改良的RETRAN-02程序對日本板狀燃料元件高通量研究堆JRR3M（The Japanese Research Reactor）進行了堵流事故模擬分析，給出事故后的物理過程的周期性變化規(guī)律。

1.3 典型板狀燃料元件流道堵塞事故實例

20世紀60～90年代，國際上發(fā)生了多起板狀燃料元件流道堵塞事故，詳情見表1。

2 板狀燃料元件流道堵塞事故行為物理、熱工等分析

反應堆燃料元件流道堵塞事故的嚴重程度與事故響應的時間息息相關，越早探測到事故發(fā)生，對事故處理就越有利，因此需要進行燃料元件堵流事故探測技術的研究，尋找快速及時探測堵流事故的方法。為了使研究成果更貼近于研究堆實際，選取具有典型代表性（高功率密度、窄流道、高流速）的使用板狀燃料元件的CARR作為研究對象。

2.1 CARR結構特點及參數

CARR為稍加壓輕水冷卻、慢化，重水作為反射層的反中子阱型、池罐式反應堆，設計核功率為60 MW。堆本體主要由導流箱、衰變箱和堆芯容器等部件組成，堆芯置于堆芯容器內，其主要運行參數見表2。

堆芯淹沒在約700 m3的堆水池里，池水通過濾網與主冷卻劑系統(tǒng)相通，使水池起到了穩(wěn)壓器的作用。正常運行時，主冷卻劑通過導流箱，進入堆芯容器冷卻堆芯，再流入衰變箱，經堆外主回路系統(tǒng)的主循環(huán)泵、主換熱器、管道和閥門等返回導流箱，冷卻劑流程簡圖如圖1所示；事故時，當主回路壓力降至一定值時，應急泵開始將池水注入堆芯實現(xiàn)應急冷卻。在導流箱上安裝兩個非能動的自然循環(huán)瓣閥，當其內外壓差降低到某一定值，瓣閥非能動打開，可以建立自然循環(huán)。自然循環(huán)過程是從濾網處吸水，流過衰變箱、堆芯、導流箱、自然循環(huán)瓣閥，再到堆水池。

表1 典型堵流事故實例情況Table 1 List of typical blockage accidents

表2 CARR主要運行參數Table 2 Main operating parameters of CARR

2.2 研究思路及計算模型

2.2.1 研究思路

1）依據堵流事故可能情形和嚴重程度，分析高功率運行狀態(tài)下，單盒燃料組件和多盒燃料組件發(fā)生堵流時壓力、流量、溫度等特征參數的變化，其中，單盒燃料組件發(fā)生堵流的情形分為單通道堵流、相鄰兩通道堵流、不相鄰兩通道堵流、三個相鄰通道堵流4種情況進行詳細分析。

2）分析高功率運行時，單組件燃料發(fā)生堵流事故時堆芯反應性變化。

2.2.2 計算模型

采用RELAP5/MOD3.2熱工計算程序對堵流事故進行熱工分析。對CARR堆芯、堆本體、單盒組件、堆外冷卻回路等進行了熱工水力模擬。通過燃料芯體、燃料包殼、冷卻劑溫度變化，冷卻劑流量、壓力變化，冷卻劑中含氣率變化等反映堵流事故行為。

圖1 CARR冷卻劑流程示意圖Fig.1 Coolant flow diagram of CARR

CARR堆芯包括17盒標準燃料組件和4盒跟隨體燃料組件。在建模時，將堆芯21盒組件分成三個通道，發(fā)生堵流的組件為一個獨立通道、將其他組件平均化為一個通道、所有組件外的流道視為旁流通道。計算模型節(jié)塊圖如圖2所示。標準燃料組件入口處用閥門控制進口流通面積來模擬堵流過程，認為該閥門在一段時間內關閉，分析堵流過程對反應堆參數的影響。

單盒組件一個、相鄰兩個、不相鄰兩個及三個流道計算時，流道入口處用閥門控制進口流通面積來模擬堵流過程，認為該閥門在一段時間內關閉。

圖2 堆芯計算模型節(jié)塊圖Fig.2 Nodal diagram of core calculation model

2.3 計算結果與分析

2.3.1 多盒燃料組件堵流

當堆芯有兩盒組件發(fā)生堵流時（事件起點為200 s時），假設入口閥門10 s關閉，在216 s時反應堆入口流量降至最低值524 kg·s-1，壓力達到最高值0.976 MPa，操縱人員可根據堆芯冷卻劑壓力與流量變化，及時發(fā)現(xiàn)參數異常并做出響應。計算結果如圖3所示。

圖3 兩盒組件堵流反應堆入口流量(a)和入口壓力(b)Fig.3 Inlet flow(a)and pressure(b)of reactor under the condition of two fuel assemblies flow blockage occurred

2.3.2 單盒燃料組件堵流

選取堵流組件為功率最大的一盒標準燃料組件（其核功率占堆總功率的5.815%）中板間間隙最小的流道（2.2 mm），堵流位置發(fā)生在燃料組件冷卻劑通道入口，考慮燃料的多普勒效應及冷卻劑溫度效應。

1） 單通道堵流

計算中假設，在反應堆及系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定后，最熱燃料通道的入口開始發(fā)生堵塞，并且在10 s內完全堵死。發(fā)生堵流后，燃料通道內流量減小且壓力開始下降，在堵流發(fā)生后7 s時組件的出口處開始沸騰。當流道完全堵死時，包殼最高溫度為220°C，認為此燃料元件并未熔毀。單通道堵流事故通道進出口溫度和燃料板包殼溫度計算結果分別如圖4所示。

2） 相鄰兩通道堵流

當發(fā)生相鄰兩個通道堵流面積達到89%時，發(fā)生堵流的兩個相鄰流道間的燃料板包殼溫度達到2 300°C以上，燃料元件發(fā)生燒毀，傳熱開始劇烈變化，產生大量氣體。計算結果如圖5所示。

3） 不相鄰兩通道堵流

圖4 單盒單通道堵流的通道進出口溫度(a)和燃料板包殼溫度(b)Fig.4 Inlet and outlet temperature(a)and,fuel cladding temperature(b)under the condition of single channel flow blockage occurred

圖5 相鄰兩通道發(fā)生堵塞燃料板包殼溫度變化Fig.5 Fuel cladding temperature variation under the condition of two adjacent channels flow blockage occurred

兩個獨立的不相鄰通道完全堵流事故情況下，燃料板包殼最高溫度在220°C左右，認為燃料元件不熔毀。計算結果如圖6所示。

圖6 兩個不相鄰通道發(fā)生堵塞時的燃料板包殼溫度變化Fig.6 Fuel cladding temperature change under the condition of two non-adjacent channels flow blockage occurred

4） 三個相鄰通道堵流

當相鄰三個通道堵流面積達到86%時，中間兩燃料板包殼溫度最高達到2 300°C，燃料板發(fā)生燒毀。傳熱開始劇烈變化，產生大量氣體。計算結果如圖7所示。

2.3.3 堵流事故時堆芯反應性變化

為了得到更貼近實際的堵流事故時反應堆的反應性變化，研究堵流發(fā)生后堵流組件冷卻劑和燃料溫度變化以及冷卻劑出現(xiàn)局部沸騰后引入的堆芯局部反應性擾動，采用MVP程序對一盒堵流組件冷卻劑溫度效應、燃料多普勒效應以及空泡系數進行計算，所得計算結果用于RELAP5反應性反饋卡輸入中。計算結果如表3～5所示。

圖7 三個相鄰通道堵塞，最熱燃料板包殼溫度變化Fig.7 Fuel cladding temperature change under the condition of three adjacent channels flow blockage occurred

表3 一盒堵流組件冷卻劑溫度反應性反饋Table 3 Coolant temperature reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

表4 一盒堵流組件燃料溫度反應性反饋Table 4 Fuel temperature reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

表5 一盒組件堵流空泡反應性反饋Table 5 Bubble reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

等溫溫度反應性反饋系數隨著溫度的升高而增大。由于在堵流事故中溫度變化范圍很窄，主冷卻劑溫度反應性系數和燃料溫度反應性系數均非常小。假設一盒組件全部堵塞后冷卻劑全部成為水蒸汽，引入約-2.41×10-2（Δk/k）反應性。CARR設計時，對調節(jié)棒的提升速率有一定的要求，當調節(jié)棒引入的反應性速率大于0.07βeffs-1時，由于調節(jié)棒超速將切除自動。可見，當一盒燃料組件流道全部堵塞時，調節(jié)棒將快速切除自動。此后，因冷卻劑溫度進一步升高而引入負反應性將使反應堆功率下降，但短時間內功率下降幅度不會太大。

3 板狀燃料組件流道堵塞的探測方法

3.1 事故初期探測方法

對于建立有燃料單通道運行參數監(jiān)測的反應堆，可以從燃料通道的冷卻劑溫度、流量和壓力等在線監(jiān)測參數以及元件破損監(jiān)測數據的變化即可及時發(fā)現(xiàn)堵流事故的征兆。而對于大部分無燃料單通道參數監(jiān)測的反應堆，在反應堆啟動過程和功率運行狀態(tài)下，通過對反應堆運行參數異常變化的監(jiān)測與分析，可及時探測與判斷堵流事故的存在，如圖8所示，分析如下：

圖8 堵流事故快速探測與判斷示意圖Fig.8 Schematic diagram of rapid detection and judgment of flow blockage accident

1） 由堆芯冷卻劑流量、壓力參數異常變化探測堵流事故

對于發(fā)生堆芯單盒或多盒燃料組件流道的大面積堵塞，會引起堆芯冷卻劑出入口流量、壓力等參數出現(xiàn)超出正常波動范圍的明顯異常，操縱人員可及早發(fā)現(xiàn)并做出準確判斷。

2） 由核功率參數、自動調節(jié)棒異常波動探測堵流事故

堵流事故早期，堵塞流道內冷卻劑產生不穩(wěn)定的氣液兩相流，堆芯引入局部反應性擾動。此時，反應堆核功率監(jiān)測儀的監(jiān)測參數會出現(xiàn)異常波動，功率自動調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)棒會出現(xiàn)異常的上下擺動。

事故過程中，流道堵塞面積增大，堵塞部位下游流道內的冷卻劑將產生大量氣泡，最后充滿整個流道。氣泡的產生、消失將引起堆芯較大的反應性擾動，此時核功率監(jiān)測參數異常波動更加明顯，自動調節(jié)棒會出現(xiàn)大幅上下擺動，甚至切除自動調節(jié)。事故進一步發(fā)展，堵流通道內的氣泡將逐漸增加，核功率監(jiān)測儀的監(jiān)測參數會出現(xiàn)異常波動，且隨著氣泡數量的增長，功率波動越發(fā)明顯，甚至出現(xiàn)功率周期過短現(xiàn)象。

綜上所述，通過核功率參數、自動調節(jié)棒的異常波動及時做出判斷和響應，此時因燃料功率較低，被阻流道中燃料板最高溫度仍可低于規(guī)定的起泡溫度，若能停止提升功率或停堆，則不會發(fā)生燃料板損壞和放射性物質釋放事故。

3.2 由元件破損監(jiān)測參數異常升高探測堵流事故

反應堆運行時，冷卻劑中的裂變產物（常用測量131I、133I、134I、133Xe、134Cs、137Cs、惰性氣體總量、131I當量的方法［7］）的活度和不同裂變產物核素活度的比可用于顯示燃料包殼的破損。冷卻劑活度可通過從回路系統(tǒng)單獨取樣測量或者在回路系統(tǒng)管道適當位置進行連續(xù)監(jiān)測。當燃料元件破損探測系統(tǒng)檢測出冷卻劑γ水平或緩發(fā)中子異常升高時，說明燃料元件包殼已經出現(xiàn)破損［8］。從燃料包殼破損到燃料板熔毀是有一個發(fā)展過程的，此時如果操縱人員能快速做出判斷和響應，及時停堆。

4 板狀燃料元件堵流事故的預防措施

分析發(fā)現(xiàn)，堵流事故的起因可歸結為兩個方面：一是堆芯進入異物，異物隨冷卻劑進入燃料流道并造成堵塞；二是隨著燃耗的加深輻照后燃料發(fā)生腫脹導致流道間隙變窄。另外，堵流事故發(fā)生時，操縱人員能否對事故現(xiàn)象做出正確判斷，并快速響應予以停堆處理，是控制事故進一步擴大、減小事故后果的關鍵。

針對堵流事故的預防措施的主要措施如下，以供借鑒。

1）新燃料組件入堆的質量控制和檢查：在新燃料組件制造、驗收、運輸等過程中，應制定質量控制計劃，嚴格控制新燃料組件的制造質量，入堆前必須對新燃料組件再次進行外觀檢查，嚴禁質量不合格的燃料組件入堆。

2）堆芯換料、堆內操作中防異物進入堆內：對進入堆內的人員及物項進行嚴格控制措施，包括堆芯保護措施，人員穿戴，工藝操作要求，進出堆芯物項要求及核查等。

3）堆芯及燃料組件定期檢查。

4）冷卻劑回路運行維修中防異物進入堆內。

5）冷卻劑水質控制：一旦發(fā)現(xiàn)水質下降明顯，應及時采取更換去離子水或水池充水以恢復水池凈化系統(tǒng)運行等措施。

6）操作大廳、堆水池和乏燃料水池區(qū)域清潔度控制。

5 結語

通過對板式燃料元件堵流事故的實例的調研和分析，得出具體的堆芯操作過程中，嚴格執(zhí)行質量控制，確保各項指標均符合安全要求是預防堵流事故的關鍵。通過對中國先進研究堆板狀燃料元件發(fā)生流道堵塞的可能情況進行模擬計算和分析后，得出事故發(fā)生早期，反應堆相關功率、流量和壓力等特征數據會發(fā)生波動，操作員可以通過參數的異動，及早判斷和采取措施預防事故進一步發(fā)展和擴大。

致謝 本工作得到了反應堆工程技術研究部領導的悉心指導和相關部門同事的熱心幫助，在此表示衷心的感謝。