王璐,張林,涂騰,何梁,路懷玉,齊飛鵬,張笑天
中國核動力研究設計院 核反應堆系統(tǒng)設計技術重點實驗室,四川 成都 610213
在燃料設計過程中,通過性能參數(shù)與準則限制進行比較,來判斷設計是否滿足要求。性能參數(shù)主要包括燃料棒內(nèi)壓、燃料中心溫度等可以在燃料棒性能分析中表征燃料棒性能的數(shù)據(jù)[1]。在燃料棒生產(chǎn)過程中,會存在制造公差,比如燃料芯塊密度、芯塊和包殼的尺寸等。除了制造參數(shù)帶來的不確定性,還需考慮計算分析中所用模型帶來的不確定性。針對不同準則需考慮的不確定因素(制造參數(shù)或模型)并不一樣。設計驗證中該不確定因素的取值應根據(jù)燃料棒的堆內(nèi)行為進行考慮。本文以田灣核電站5、6號機組長燃料循環(huán)堆芯燃料管理為背景,采用自主研發(fā)的燃料棒性能分析程序FUPAC[2?3]模擬燃料棒在堆內(nèi)輻照期間的熱力學行為,針對燃料棒內(nèi)壓和燃料溫度設計準則進行驗證計算,并對制造參數(shù)及模型帶來的不確定性加以分析。
為保證反應堆可靠的運行,對于工況I和工況II的所有運行事件,必須滿足下述設計準則,即當證明每個燃料區(qū)的燃料性能在所有工況I和工況II事件中均在各準則規(guī)定限值之內(nèi)時,則燃料棒設計被視為滿足準則[4]。通常的做法是證明考慮不確定性的極限燃料棒性能在各準則規(guī)定的限值以內(nèi)。
1)燃料棒內(nèi)壓準則:在堆內(nèi),燃料棒的內(nèi)壓應低于一個限值,即功率保持不變時,在該內(nèi)壓限值作用下由于包殼向外蠕變而造成芯塊?包殼直徑間隙增大或閉合后重新打開。采用該準則可防止包殼向外蠕變速率超過芯塊的腫脹速率,從而保證在穩(wěn)態(tài)運行中不會發(fā)生芯塊?包殼直徑間隙增大或閉合后重新打開現(xiàn)象。
2)燃料溫度準則:燃料最高中心溫度必須低于其熔點。未輻照UO2燃料的熔點為2 800 ℃,保守估計燃耗每增加10 000 MWd/tU,該熔點約降低32 ℃??紤]到模型和制造誤差等各種不確定性影響因素,燃料中心溫度計算時的限值取為2 590 ℃。采用該準則可避免燃料熔化狀態(tài)可能導致的包殼嚴重承載,因為燃料熔化時相變會引起芯塊體積變化。
實際的燃料棒外表面溫度是兩者的較小值,即
單相強迫對流換熱系數(shù) h(W/(cm2?K))采用的是SAURY關系式:
在兩氣?液相強迫對流條件下,燃料棒外表面溫度與冷卻劑飽和溫度之間的溫差(ΔTSAT)采用Jens Lottes 關系式[6?7]:
式中:p為冷卻劑系統(tǒng)壓力,105Pa;為燃料棒表面熱流密度,W/cm2。
間隙(對流形式)換熱系數(shù)為
2.2.1 輻射換熱
熱輻射換熱系數(shù)計算公式如下:
2.2.2 氣體換熱系數(shù)
由于燃料外表面與包殼內(nèi)表面溫度的不連續(xù)性,氣體與燃料和包殼表面都存在溫度跳躍,考慮溫度跳躍,對單一氣體的換熱系數(shù)的計算公式為:
2.2.3 接觸換熱系數(shù)
當燃料與包殼接觸時,換熱系數(shù)計算公式為:
燃料芯塊內(nèi)部各處的體積釋熱率與裂變密度分布相對應,后者取決于燃料內(nèi)初始的同位素分布和輻照條件(如溫度、功率、環(huán)境等)。這些條件導致了中子通量和同位素組成的徑向分布。影響釋熱率的主要現(xiàn)象包括:
1)由于自屏蔽效應,中子通量沿芯塊表面向中心逐步降低;
2)芯塊內(nèi)的易裂變原子貧化;
3)由于238U的捕獲,將在芯塊邊緣形成一個薄層的Pu富集層;
4)可燃毒物如釓的消耗。
燃料熱導率[8?10]考慮了以下因素的影響:
1)熱導率輻照退化
對于具有一定孔隙率的UO2燃料,其實際熱導率為
2)燃料邊緣效應
當燃料棒平均燃耗高于45 000 MWd/tM或芯塊邊緣燃耗高于70 000 MWd/tM時,芯塊邊緣會形成高燃耗結(jié)構[11?12]。高燃耗結(jié)構的空隙率(POR)增加,晶粒變小,因此將改變該處的熱導率。
1)燃料的密度
二氧化鈾芯塊的理論密度為
式中:Y為235U的原子份額;X=O/U(氧鈾原子比)?2;M 為原子量;a(X)為晶格常數(shù)(10?10m);N=6.02×1023(阿伏伽德羅常數(shù))。
二氧化鈾芯塊晶格常數(shù)為
式中:X=O/U-2;a(X)為晶格常數(shù),10?10m。
235U的份額計算公式為
式中ε1為235U的富集度。
除考慮了孔隙率,還綜合考慮了應變的作用:
通過對模擬過程中模型的詳細分析,對燃料棒內(nèi)壓和燃料溫度計算過程中需考慮的不確定因素如下:
1)燃料棒內(nèi)壓不確定性分析
在分析燃料棒內(nèi)壓過程中,需要考慮最大芯塊包殼間隙和裂變氣體釋放上界模型、最小燃料密實和最小氣腔長度。
2)燃料溫度不確定性分析
在分析燃料溫度過程中,需要考慮溫度上界模型、最大芯塊包殼直徑間隙、最小燃料密度、最小燃料密實。
在設計過程中,為了更準確地對燃料棒性能進行評估,在保證裕量的同時,計算結(jié)果不宜過分保守。這就要求全面考慮制造參數(shù)及模型不確定因素的同時要結(jié)合燃料棒在堆內(nèi)的實際行為,即在不同時刻添加瞬態(tài)所考慮的不確定因素是不同的。下面針對實際工程背景,進行準則驗證及不確定因素敏感性分析。
以田灣核電站5、6號機組長燃料循環(huán)堆芯燃料管理為背景,針對燃料棒內(nèi)壓和燃料溫度準則進行驗證計算、分析和評價。
分別選取二氧化鈾棒和含釓棒的極限棒進行計算,在不考慮其他不確定因素的條件下,名義結(jié)果列于表1。
表1 內(nèi)壓計算結(jié)果
分別考慮最大芯?包間隙、最小氣腔長度、裂變氣體釋放上界模型以及最小燃料密實的計算結(jié)果列于表2。
表 2 考慮不確定因素內(nèi)壓計算結(jié)果 MPa
對比表1、2可以發(fā)現(xiàn),無論是二氧化鈾極限棒還是含釓極限棒,其內(nèi)壓均與氣腔長度成負相關、與燃料芯塊?包殼間隙成正相關。這是由于氣腔長度越短,裂變氣體產(chǎn)生的壓力越高。雖然芯塊?包殼間隙的增大,也是對空間體積的貢獻,不過由于裂變氣體的增加導致傳熱惡化,造成燃料溫度升高,進一步引起內(nèi)壓的升高。
選擇二氧化鈾極限棒進行計算,給定燃耗下,燃料中心溫度與線功率密度直接相關,因此穩(wěn)態(tài)工況的驗證計算可被瞬態(tài)工況的計算包絡。
瞬態(tài)模擬過程中考慮模型或制造參數(shù)所帶來的不確定性,包括溫度上界模型、最大芯塊包殼直徑間隙、最小燃料密度、最小燃料密實。
燃料在堆內(nèi)的行為隨輻照的變化而不同,因此在不同時刻考慮的不確定性是不同的,計算過程中分別在壽期初和各循環(huán)末對燃料棒進行瞬態(tài)模擬,壽期初考慮的不確定性因素如下:1)溫度上界模型;2)最大芯塊包殼直徑間隙;3)最小燃料密度。
各循環(huán)末考慮的不確定性因素如下:1)溫度上界模型;2)最小燃料密實;3)最小燃料密度。
計算結(jié)果如3表所示,可以看出燃料溫度與芯?包間隙成正比,與燃料密實、燃料密度成反比。本質(zhì)上這3種由于燃料堆內(nèi)行為變化而帶來的參數(shù)變化都是在增大燃料內(nèi)部的孔隙率,由于裂變氣體的聚集,導致傳熱惡化,進一步帶來溫度的升高。
表 3 燃料溫度計算結(jié)果 ℃
本文詳細分析了燃料棒設計采用的熱力學模型,深入研究制造參數(shù)和模型帶來的不確定性。以田灣核電站5、6號機組長燃料循環(huán)堆芯燃料管理為背景,在進行準則驗證的同時,結(jié)合燃料在堆內(nèi)不同時刻的行為進行了敏感性分析,得到以下結(jié)論:
1)分析得到影響設計準則的主要影響因素,以及工程計算中需要考慮的不確定性因素;
2)通過我院自主化軟件FUPAC程序驗證計算,計算結(jié)果與技術限值相比較均有裕量,滿足設計準則;
3)在新型燃料設計當中,需全面考慮引起燃料棒失效的因素以及計算模型帶來的不確定性,在保證安全性的同時提高經(jīng)濟性。