高燃耗燃料棒在失水事故工況下的行為研究

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

0 引 言

輕水堆(Light Water Reactor-LWR)的設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行都必須遵循事故下的安全準(zhǔn)則，例如失水事故(Loss Of Coolant Accident-LOCA)和反應(yīng)性引入事故(Reactivity Insertion Accident—RIA)。因?yàn)榉磻?yīng)堆燃料是主要的放射源及熱源，所以安全準(zhǔn)則是基于燃料在事故下的特性及性能而建立的。

美國(guó)聯(lián)邦法案于1974年發(fā)布第一版輕水堆(Light Water Reactor-LWR)安全準(zhǔn)則——應(yīng)急堆芯冷卻安全驗(yàn)收準(zhǔn)則(Emergency Core Cooling System-ECCS)。自從1974年ECCS準(zhǔn)則發(fā)布以來(lái)，燃料設(shè)計(jì)以及核反應(yīng)堆的運(yùn)行狀態(tài)都發(fā)生了巨大的變化，包括新的燃料和包殼尺寸、新型的包殼合金材料、更高的燃耗和更長(zhǎng)的換料周期。這些變化改變了反應(yīng)堆內(nèi)的工作環(huán)境，影響將來(lái)的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，故針對(duì)早已發(fā)布的ECCS準(zhǔn)則，需重新進(jìn)行安全裕度的評(píng)定，對(duì)其中的相關(guān)條目做出修訂以適應(yīng)新的反應(yīng)堆工作環(huán)境。

1 LOCA安全準(zhǔn)則

美國(guó)聯(lián)邦法案于1974年發(fā)布第一版輕水堆(Light Water Reactor-LWR)安全準(zhǔn)則——應(yīng)急堆芯冷卻安全驗(yàn)收準(zhǔn)則。此后，該準(zhǔn)則經(jīng)過(guò)多次修改，即是現(xiàn)行世界通用的安全準(zhǔn)則版本。ECCS驗(yàn)收準(zhǔn)則中規(guī)定了LOCA相關(guān)安全準(zhǔn)則，通常指10CFR50.46，或者簡(jiǎn)稱(chēng)為“LOCA準(zhǔn)則”。現(xiàn)行LOCA準(zhǔn)則包括五個(gè)獨(dú)立的限值或要求[1]：

(1)包殼峰值溫度：計(jì)算出的燃料元件包殼最高溫度不允許超過(guò)2 200 ℉(1204 ℃)；

(2)包殼氧化最大值：計(jì)算出的包殼氧化總量不能超過(guò)初始包殼總厚度的17%；

(3)產(chǎn)氫量最大值：計(jì)算出的包殼和水或蒸汽反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣總量不能超過(guò)所有金屬反應(yīng)產(chǎn)氫量的1%，這些金屬包括燃料周?chē)陌鼩ざ话涨徊糠郑?/p>

(4)可冷卻幾何尺寸：計(jì)算出的堆芯幾何的變化應(yīng)保持堆芯維持可冷卻的能力；

(5)長(zhǎng)期冷卻：應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)成功投入運(yùn)行后，計(jì)算出的堆芯溫度應(yīng)保持在可接受的低限值內(nèi)，并且可以在之后的一段時(shí)間內(nèi)排出堆芯內(nèi)長(zhǎng)壽命放射性元素引起的衰變熱。

對(duì)于低燃耗和中等燃耗的燃料棒，上述準(zhǔn)則的保守程度可以使發(fā)生LOCA時(shí)ECCS的性能具有充分的安全裕度。

失水事故(Loss Of Coolant Accident-LOCA)按發(fā)生時(shí)間順序，分為三個(gè)事故階段，依次為噴放(Blowdown)階段、再灌水(Refilling stage)階段、再淹沒(méi)(Reflooding stage)階段，其嚴(yán)重程度與發(fā)生破口的位置關(guān)系密切。LOCA會(huì)導(dǎo)致堆芯內(nèi)部過(guò)熱，繼而損毀堆芯，甚至造成堆芯融化的惡劣后果。

2 試驗(yàn)介紹

Halden試驗(yàn)[2]是國(guó)外研究機(jī)構(gòu)為L(zhǎng)OCA工況精心設(shè)計(jì)的系列試驗(yàn)，研究新型材料和高燃耗下燃料棒的性能。試驗(yàn)的主要目的是研究LOCA發(fā)生時(shí)，燃料棒的行為變化，例如：包殼腫脹、芯塊破碎、芯塊再定位、包殼破裂、氧化、氫化等。試驗(yàn)棒由在反應(yīng)堆內(nèi)輻照過(guò)的燃料棒制造。文中稿使用的數(shù)據(jù)來(lái)自IFA-650.5試驗(yàn)[3]。

2.1 IFA-650.5試驗(yàn)

Halden系列試驗(yàn)研究堆內(nèi)環(huán)境下各種影響因素對(duì)燃料棒的作用，重點(diǎn)研究芯塊與包殼之間的傳熱過(guò)程。試驗(yàn)?zāi)康闹饕切拚鶕?jù)堆外試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的傳熱過(guò)程模型。IFA-650.5試驗(yàn)的基本參數(shù)見(jiàn)表1-2[4,8]。

表1 IFA-650.5試驗(yàn)棒芯塊參數(shù)

表2 IFA-650.5試驗(yàn)棒參數(shù)

2.2 IFA-650.5試驗(yàn)設(shè)備

IFA-650.5試驗(yàn)設(shè)備截面示意圖如圖1所示。

圖1 IFA-650.5試驗(yàn)設(shè)備截面示意圖[5]

2.3 IFA-650.5試驗(yàn)過(guò)程

IFA-650試驗(yàn)設(shè)備介紹及步驟詳見(jiàn)[2-3]。試驗(yàn)開(kāi)始前，反應(yīng)堆功率調(diào)節(jié)至試驗(yàn)棒預(yù)設(shè)功率，然后開(kāi)啟加熱罩并保持在恒定功率。在準(zhǔn)備階段，反應(yīng)堆運(yùn)行在強(qiáng)制循環(huán)冷卻條件下(外部循環(huán)回路)，燃料棒達(dá)到預(yù)定功率后，斷開(kāi)外部循環(huán)回路，讓溫度在自然循環(huán)冷卻下穩(wěn)定幾分鐘，然后開(kāi)始LOCA瞬態(tài)試驗(yàn)，從噴放(Blowdown)開(kāi)始，至停堆(Scram)。調(diào)整加熱罩和燃料棒的功率，以便試驗(yàn)中包殼達(dá)到目標(biāo)峰值溫度。

IFA-650.5瞬態(tài)試驗(yàn)開(kāi)始后，噴放階段冷卻劑壓力和冷卻劑流量迅速減小。降壓階段致使包殼溫度從270 ℃上升到850 ℃。降壓和過(guò)熱觸發(fā)ECCS系統(tǒng)提供冷卻，但是此時(shí)溫度依然在上升。包殼的目標(biāo)PCT是1 100 ℃，但是在750 ℃時(shí)包殼就發(fā)生了破口。從發(fā)生噴放到包殼破口，歷時(shí)178s。事故中芯塊發(fā)生破碎和再定位，包殼的腫脹變形促進(jìn)了再定位的發(fā)生。圖2顯示整個(gè)LOCA試驗(yàn)中若干參數(shù)的變化情況。

圖2 (a)IFA-650.5的LOCA試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]TCC—包殼溫度；TCH—加熱器溫度；TIA/TOA—冷卻劑進(jìn)口/出口溫度；LHR—加熱器功率

圖2 (b)—IFA-650.5的LOCA試驗(yàn)數(shù)據(jù)[6]P-棒內(nèi)壓；1-包殼溫度；E-包殼伸長(zhǎng)量；G-泄漏芯塊碎片輻射監(jiān)測(cè)

3 LOCA瞬態(tài)過(guò)程模擬

3.1 程序介紹

FRAPTRAN-1.5[7]是一種瞬態(tài)性能分析程序，由 FRAP-T程序發(fā)展而來(lái)，可以計(jì)算瞬態(tài)工況下包殼和燃料的交互作用，模擬LOCA工況下的燃料棒行為。程序的模擬計(jì)算建立在熱工水力模型、力學(xué)模型、裂變氣體釋放模型和氧化模型等基礎(chǔ)之上，評(píng)估燃料棒隨時(shí)間變化的熱力過(guò)程，例如傳熱速率和熱膨脹等。FRAPCON-3.5是穩(wěn)態(tài)性能分析程序，模擬瞬態(tài)發(fā)生前燃料棒穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)，F(xiàn)RAPCON-3.5輸出與燃耗有關(guān)的數(shù)據(jù)，作為瞬態(tài)分析程序FRAPTRAN-1.5的初始化輸入。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和程序計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，可以驗(yàn)證性能分析程序的有效性。

3.2 試驗(yàn)?zāi)M

整個(gè)模擬分兩個(gè)部分。首先，模擬燃料棒的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。因?yàn)镮FA-650.5試驗(yàn)棒是由經(jīng)過(guò)商業(yè)堆輻照后的材料制造，所以先用FRAPCON-3.5模擬穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，然后再用FRAPTRAN-1.5模擬瞬態(tài)工況。文章關(guān)注瞬態(tài)過(guò)程，故忽略穩(wěn)態(tài)模擬的描述，僅使用與燃耗相關(guān)的FRAPCON-3.5輸出參數(shù)，作為FRAPTRAN-1.5的初始化數(shù)據(jù)。

程序計(jì)算中選用的模型是根據(jù)試驗(yàn)條件和目標(biāo)參數(shù)等數(shù)據(jù)選取的，不同的模型有其適用的溫度區(qū)間和適用的應(yīng)變區(qū)間，在適用區(qū)間外使用模型會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算誤差。文中稿計(jì)算使用的主要模型[7]有：

(1)FRACAS-I力學(xué)計(jì)算模型——?jiǎng)傂孕緣K模型，用于包殼腫脹之前的芯塊包殼相互作用的計(jì)算；

(2)BALON2模型——用于包殼腫脹到失效過(guò)程的力學(xué)計(jì)算；

(3)靜態(tài)壓力模型——用于燃料棒內(nèi)氣壓的計(jì)算；

(4)Cathcart-Pawel (C-P)氧化模型——適用最高包殼溫度高于1 073 K低于1 800 K的情況下包殼氧化厚度的計(jì)算。

FRAPTRAN-1.5模擬結(jié)果如圖4所示。其中關(guān)鍵參數(shù)是棒內(nèi)壓、腫脹變形、氧化限值、破口壓力和溫度，和試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。

圖3 燃料棒內(nèi)壓隨時(shí)間的變化

圖4 燃料棒包殼環(huán)向應(yīng)力隨時(shí)間的變化

圖5 包殼各節(jié)點(diǎn)平均溫度隨時(shí)間的變化

圖6 包殼內(nèi)壁氧化層厚度隨時(shí)間的變化

4 結(jié)束語(yǔ)

FRAPTRAN-1.5的模擬結(jié)果和IFA-650.5試驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)吻合度非常好。研究表明，加深燃耗之后，包殼失效溫度低于1 204 ℃的安全閾值，即1974年提出的LOCA工況下燃料棒的參數(shù)安全標(biāo)準(zhǔn)不適用文中稿處理的83.4 MWd/kgU高燃耗燃料棒。未來(lái)需要對(duì)LOCA工況下高燃耗燃料棒相關(guān)參數(shù)的安全閾值做出修訂，因此需要設(shè)計(jì)更多的高燃耗試驗(yàn)，將其試驗(yàn)結(jié)果作為修訂安全標(biāo)準(zhǔn)的參考。