付 浩，林少芳，洪志強(qiáng)，林煜宇，張利斌，聶立紅，鄧勇軍

(1.生態(tài)環(huán)境部 核與輻射安全中心，北京 102401；2.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518000； 3.大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518000)

對(duì)于一種新型鋯合金包殼材料，在商業(yè)反應(yīng)堆中開展輻照考驗(yàn)是研發(fā)過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。商業(yè)堆輻照考驗(yàn)不但可直觀考察鋯合金包殼材料在未來(lái)真實(shí)服役條件下的輻照行為，還可利用池邊檢查和熱室檢查手段獲得包殼腐蝕、輻照蠕變和輻照生長(zhǎng)等性能數(shù)據(jù)，為分析模型開發(fā)提供重要輸入。

在鋯合金材料研發(fā)過(guò)程中，國(guó)際核電發(fā)達(dá)國(guó)家積累了大量商業(yè)堆輻照考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)[1-5]。近年來(lái)，隨著我國(guó)核電大規(guī)模發(fā)展，部分自主鋯合金包殼已經(jīng)開展了有限的商業(yè)堆先導(dǎo)輻照考驗(yàn)。但到目前為止，輻照考驗(yàn)的燃耗水平依然偏低，如中國(guó)廣核集團(tuán)CZ燃料棒近期已完成4個(gè)循環(huán)輻照，但燃料棒燃耗仍低于57 GW·d/tU；中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)有限公司N36包殼特征化組件燃耗接近52 GW·d/tU[6]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)壓水堆核電機(jī)組燃料管理多采用18個(gè)月?lián)Q料方式，按國(guó)家核安全局批準(zhǔn)的52 GW·d/tU燃料組件燃耗限值考慮，燃料棒燃耗可能高達(dá)57 GW·d/tU。顯然，僅從燃耗水平看，現(xiàn)有考驗(yàn)難以充分支撐自主鋯合金包殼的商業(yè)化應(yīng)用，因此，有必要進(jìn)一步開展更高燃耗的輻照考驗(yàn)。然而，高燃耗考驗(yàn)時(shí)存在的一些高燃耗現(xiàn)象，如燃料棒輻照生長(zhǎng)更快、包殼腐蝕和吸氫更為嚴(yán)重等，使得高燃耗考驗(yàn)的安全問(wèn)題倍受關(guān)注。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)在高燃耗考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的缺乏，也將使得執(zhí)照申請(qǐng)難度增加。

本文將通過(guò)對(duì)國(guó)外鋯合金輻照考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)及自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出鋯合金包殼輻照考驗(yàn)時(shí)在方案設(shè)計(jì)上的一般方法和堆芯安全評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)上的基本考慮，旨為國(guó)內(nèi)鋯合金商業(yè)堆輻照考驗(yàn)研究提供參考。

1 國(guó)外輻照考驗(yàn)

國(guó)外鋯合金包殼材料的商業(yè)堆輻照考驗(yàn)具有以下共同點(diǎn)：考驗(yàn)分為基礎(chǔ)輻照以及加深燃耗兩個(gè)階段?；A(chǔ)輻照階段的對(duì)象為一定數(shù)量的先導(dǎo)棒(裝載于成熟燃料組件中)，棒燃耗被控制在同時(shí)裝載的成熟合金燃料棒燃耗限值內(nèi)；加深燃耗階段要求燃料棒燃耗超過(guò)現(xiàn)有限值。M5、ZIRLO、AXIOM、J合金的商業(yè)堆輻照考驗(yàn)實(shí)踐列于表1[7-17]。

表1 國(guó)外鋯合金包殼材料商業(yè)堆輻照考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)Table 1 Irradiation experience of zirconium alloy cladding in abroad commercial reactor

1.1 M5合金

法馬通公司(Framatome)于1995年在Three Mile Island電站(TMI)啟動(dòng)M5合金[7]在美國(guó)的輻照考驗(yàn)[8]。2組先導(dǎo)組件共包含8根先導(dǎo)棒[1]。編號(hào)NJ07VX組件和編號(hào)NJ07U9組件各經(jīng)歷3個(gè)和2個(gè)循環(huán)的輻照，最大燃料棒燃耗約為50 GW·d/tU，小于美國(guó)核管理委員會(huì)(NRC)在該機(jī)組的批準(zhǔn)燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU[9]。隨后，經(jīng)歷3個(gè)循環(huán)的NJ07VX組件中的4根M5燃料棒被拔出并替換到NJ07U9組件中。2001年，重構(gòu)組件裝載在堆芯的中心進(jìn)行考驗(yàn)。在加深燃耗考驗(yàn)結(jié)束后，棒燃耗達(dá)到了68 GW·d/tU[8]。

1.2 ZIRLO合金

西屋電氣公司(Westinghouse Electric Corporation)于1987年在North Anna電站對(duì)ZIRLO合金[10]進(jìn)行了輻照考驗(yàn)[11]。2組裝載ZIRLO先導(dǎo)棒的組件各經(jīng)歷2個(gè)和3個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)，先導(dǎo)棒燃耗接近55 GW·d/tU[3]，低于該機(jī)組獲批的燃料棒燃耗限值60 GW·d/tU[12]。隨后，8根經(jīng)歷3個(gè)循環(huán)輻照的ZIRLO燃料棒被替換到1個(gè)已經(jīng)歷1個(gè)循環(huán)的淺燃耗組件中[13]。重構(gòu)后的燃料組件于1999年入堆進(jìn)行加深燃耗考驗(yàn)[14]，最大棒燃耗達(dá)到了73 GW·d/tU。

1.3 AXIOM合金

西屋AXIOM合金[4]先導(dǎo)棒考驗(yàn)于2006年在Byron電站啟動(dòng)[15-16]，4組先導(dǎo)組件各包含16根先導(dǎo)棒。2008年，4組先導(dǎo)組件先后完成2個(gè)循環(huán)的輻照考驗(yàn)，先導(dǎo)棒燃耗約為55 GW·d/tU，未超過(guò)該機(jī)組獲批的燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU。

2010年，16根AXIOM先導(dǎo)棒被拔出并插入到1個(gè)新燃料組件中，形成重構(gòu)組件并裝載在堆芯中心經(jīng)歷1個(gè)循環(huán)的輻照考驗(yàn)，棒燃耗達(dá)到了75 GW·d/tU[4]。

1.4 J合金

J合金的先導(dǎo)考驗(yàn)在Almaraz核電站開展[5,17]，4組先導(dǎo)組件于2006年入堆，每個(gè)先導(dǎo)組件各包含20或30根先導(dǎo)棒。其中，1組組件經(jīng)歷了3個(gè)循環(huán)的輻照考驗(yàn)，另外3組組件經(jīng)歷了2個(gè)循環(huán)輻照考驗(yàn)，最大棒燃耗約為60 GW·d/tU。隨后，若干根經(jīng)歷2個(gè)循環(huán)輻照考驗(yàn)的先導(dǎo)棒被拔出并替換至新燃料組件中形成重構(gòu)組件。重構(gòu)組件在經(jīng)歷1個(gè)循環(huán)的考驗(yàn)后，最大棒燃耗達(dá)到了68 GW·d/tU。

2 國(guó)內(nèi)商業(yè)堆輻照考驗(yàn)基本考慮

基于國(guó)外鋯合金輻照考驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)及自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，新型鋯合金商業(yè)堆輻照考驗(yàn)需要考慮方案設(shè)計(jì)、安全評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)等3個(gè)方面的因素，如圖1所示。

2.1 方案設(shè)計(jì)

1) 入堆方案

為盡量減少新型燃料設(shè)計(jì)對(duì)堆芯安全的影響、降低執(zhí)照申請(qǐng)難度，新型鋯合金包殼材料通常都是以先導(dǎo)棒搭配成熟燃料組件構(gòu)成先導(dǎo)考驗(yàn)組件?？紤]到包殼材料在高燃耗下的輻照行為存在未知性，考驗(yàn)分為基礎(chǔ)輻照以及加深燃耗兩階段進(jìn)行，以逐步實(shí)現(xiàn)考驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

圖1 新型鋯合金商業(yè)堆輻照考驗(yàn)基本考慮Fig.1 Basic consideration of irradiation of new zirconium alloy in commercial reactor

基礎(chǔ)輻照階段一般通過(guò)2～3個(gè)燃料循環(huán)實(shí)現(xiàn)，先導(dǎo)棒燃耗需控制在國(guó)家核安全局批準(zhǔn)的燃耗限值內(nèi)；加深燃耗階段一般持續(xù)1個(gè)燃料循環(huán)，先導(dǎo)棒燃耗需要超過(guò)限值。棒燃耗受機(jī)組的循環(huán)長(zhǎng)度影響。因此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合電站的發(fā)電規(guī)劃和燃料管理方案，統(tǒng)籌考慮兩階段輻照考驗(yàn)的燃耗指標(biāo)，選擇合適的機(jī)組、合適的循環(huán)開展輻照考驗(yàn)。

對(duì)于商業(yè)堆，經(jīng)濟(jì)性也是其需考慮的重要方面。而為了獲取輻照后的包殼性能數(shù)據(jù)，則必須開展入堆前和出堆后的池邊檢查。在目前電站業(yè)主追求短大修工期的情況下，池邊檢查極有可能成為大修關(guān)鍵路徑，導(dǎo)致大修工期延長(zhǎng)，從而影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。為此，在方案設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)詳細(xì)考察電站的實(shí)際情況，如預(yù)計(jì)的維修、大修工期等。

2) 堆芯布置方案

堆芯布置方案首要需要保證堆芯運(yùn)行的安全性，因此要求裝載先導(dǎo)棒的組件應(yīng)放置在堆芯非極限位置，即避開控制棒組件和堆芯熱點(diǎn)位置，組件燃耗控制在燃耗限值之內(nèi)。對(duì)于加深燃耗考驗(yàn)，考慮到高燃耗下材料輻照性能的未知性，國(guó)際上通常采用組件重構(gòu)方式，即將少量經(jīng)歷基礎(chǔ)輻照的燃料棒從組件中抽出再插入到新燃料組件或淺燃耗組件中，形成單組重構(gòu)組件入堆輻照，在考驗(yàn)組件燃耗不超限的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)少量先導(dǎo)棒燃耗超限，從而避免整組件加深燃耗帶來(lái)大量燃料棒以及組件骨架出現(xiàn)燃耗超限的情況。單組重構(gòu)組件一般放置在堆芯中心進(jìn)行考驗(yàn)。

先導(dǎo)棒的燃耗是商業(yè)堆輻照的重要技術(shù)指標(biāo)。棒燃耗不僅取決于機(jī)組的循環(huán)長(zhǎng)度，還與堆芯內(nèi)組件的裝載位置密切相關(guān)。因此，在保證堆芯安全的基礎(chǔ)上，堆芯布置方案還應(yīng)通過(guò)堆內(nèi)布置優(yōu)化，使裝載先導(dǎo)棒的組件卸料燃耗達(dá)到較高水平。

2.2 安全評(píng)估

1) 核設(shè)計(jì)

由于材料成分不同，新型包殼材料的引入將對(duì)堆芯中子學(xué)性能造成影響。核設(shè)計(jì)需對(duì)堆芯關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響評(píng)估，從而論證最終安全分析報(bào)告(FSAR)的相關(guān)結(jié)論依然適用。

在分析過(guò)程中，需關(guān)注在加深燃耗階段，核設(shè)計(jì)軟件對(duì)重構(gòu)組件(重構(gòu)組件中同時(shí)存在新、乏燃料棒)的適用性。

2) 熱工水力設(shè)計(jì)

基于考驗(yàn)組件的設(shè)計(jì)特征(新型鋯合金包殼材料的先導(dǎo)棒裝載在成熟燃料組件中)，熱工水力設(shè)計(jì)需論證考驗(yàn)組件的引入帶來(lái)的影響在可接受范圍內(nèi)。

在分析過(guò)程中，由于新型包殼材料的引入，需關(guān)注先導(dǎo)棒的引入對(duì)組件熱工水力性能的影響。

3) 燃料性能

針對(duì)新型包殼材料，燃料性能分析需基于現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立與之匹配的分析模型以保守預(yù)測(cè)其堆內(nèi)行為。

M5合金以及AXIOM合金的加深燃耗考驗(yàn)中，NRC重點(diǎn)關(guān)注的先導(dǎo)棒高燃耗性能包括包殼腐蝕、燃料棒生長(zhǎng)以及燃料棒內(nèi)壓等[15,18]。

因此，分析模型需通過(guò)合理的外推以實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的預(yù)測(cè)，外推預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性最終需通過(guò)輻照后的池邊檢查結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

4) 事故影響

在事故影響評(píng)估中，需評(píng)估新型鋯合金包殼材料的引入對(duì)先導(dǎo)棒在事故工況下行為的影響，論證先導(dǎo)棒的引入不會(huì)對(duì)事故驗(yàn)收準(zhǔn)則造成挑戰(zhàn)。

M5合金以及AXIOM合金先導(dǎo)棒入堆考驗(yàn)時(shí)[19-20]，基于先導(dǎo)棒數(shù)目有限且包殼材料性能可預(yù)期，預(yù)計(jì)不會(huì)對(duì)已有的鋯水反應(yīng)產(chǎn)氫量帶來(lái)顯著改變，因此獲得對(duì)10CFR50.44(輕水冷卻反應(yīng)堆可燃?xì)怏w控制標(biāo)準(zhǔn))的豁免。

因此，分析過(guò)程中，需關(guān)注現(xiàn)有事故分析模型、驗(yàn)收準(zhǔn)則對(duì)新型鋯合金包殼材料的適用性。

5) 機(jī)組運(yùn)行影響

在機(jī)組運(yùn)行影響評(píng)估中，主要評(píng)估輻照考驗(yàn)方案對(duì)電站運(yùn)行參數(shù)、大修工期等的影響。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

1) 在線輻照監(jiān)督計(jì)劃

在輻照考驗(yàn)期間，每循環(huán)通過(guò)監(jiān)測(cè)一回路系統(tǒng)中的裂變產(chǎn)物放射性活度和不同裂變產(chǎn)物活度比值，對(duì)燃料包殼狀態(tài)進(jìn)行密切的在線監(jiān)督。如監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)異常變化，將加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻度并在大修檢查期間進(jìn)行破損燃料組件識(shí)別。

2) 池邊檢查計(jì)劃

在輻照考驗(yàn)期間，每循環(huán)輻照考驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)考驗(yàn)組件進(jìn)行目視檢查和尺寸檢查以確保組件及其部件的完整性。目視檢查主要包括包殼狀態(tài)、組件與棒變形等。尺寸檢查需包括燃料棒生長(zhǎng)、組件生長(zhǎng)、包殼氧化膜厚度等。

3) 燃料組件重構(gòu)方案

從公開文獻(xiàn)未見組件重構(gòu)在國(guó)內(nèi)的實(shí)施先例；操作經(jīng)驗(yàn)的缺乏可能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。需基于現(xiàn)場(chǎng)操作的提前演練，排除重構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)操作中的潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，考慮到在組件重構(gòu)過(guò)程中，乏燃料棒需經(jīng)歷拔出再插入的過(guò)程，其完整性存在風(fēng)險(xiǎn)。需評(píng)估組件重構(gòu)過(guò)程中的包殼力學(xué)行為，保證包殼不發(fā)生破損。

3 結(jié)論

本文基于M5、ZIRLO、AXIOM以及J合金等國(guó)外鋯合金包殼材料的輻照考驗(yàn)以及自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)新型鋯合金商業(yè)堆輻照考驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)、堆芯安全評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)等方面進(jìn)行了深入研究，形成以下結(jié)論。

1) 新型鋯合金包殼材料商業(yè)堆輻照考驗(yàn)以先導(dǎo)棒搭配成熟燃料組件為考驗(yàn)對(duì)象，分為基礎(chǔ)輻照(先導(dǎo)棒燃耗低于機(jī)組燃料棒燃耗限值)以及加深燃耗(先導(dǎo)棒燃耗需要超過(guò)限值)兩階段進(jìn)行。在加深燃耗階段，建議采用組件重構(gòu)方式形成考驗(yàn)組件。

2) 基于輻照考驗(yàn)方案，需要從核設(shè)計(jì)、熱工水力設(shè)計(jì)、燃料性能分析、事故分析等方面論證新型包殼材料的引入不會(huì)對(duì)堆芯安全造成影響；在分析過(guò)程中，需重點(diǎn)關(guān)注軟件模型、驗(yàn)收準(zhǔn)則對(duì)新型包殼材料的適用性。

3) 在方案實(shí)施過(guò)程中，需對(duì)在線輻照監(jiān)督計(jì)劃、池邊檢查計(jì)劃、燃料組件重構(gòu)方案進(jìn)行提前策劃以降低實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)。

本文針對(duì)新型鋯合金包殼材料商業(yè)堆輻照考驗(yàn)形成的基本考慮，可為國(guó)內(nèi)鋯合金輻照考驗(yàn)研究提供參考。