htr-pm燃料元件已修改已標(biāo)審

燃料元件制作人：趙勝威華能山東石島灣核電有限公司運(yùn)行部課程內(nèi)容一、設(shè)計(jì)原則二、燃料元件的結(jié)構(gòu)三、燃料元件的破損機(jī)制四、燃料元件的設(shè)計(jì)限值五、燃料元件的運(yùn)行六、燃料元件的主要技術(shù)指標(biāo)六、燃料元件的安全性評(píng)價(jià)一、設(shè)計(jì)原則防止反應(yīng)堆放射性裂變產(chǎn)物釋放是核安全的根本。高溫氣冷堆燃料元件是防止放射性裂變產(chǎn)物釋放、保證公眾及工作人員安全的第一道也是最主要的屏障。燃料元件的設(shè)計(jì)原則是：最大限度地把燃料和裂變產(chǎn)物約束在燃料元件內(nèi)，以保證工作人員和環(huán)境的安全；有效的導(dǎo)出核裂變釋放出來的能量；具有良好的抗輻照能力；便于加工制造，成本低。二、燃料元件的結(jié)構(gòu)HTR-PM采用球形燃料元件。球形燃料元件由燃料區(qū)和無燃料區(qū)構(gòu)成。燃料區(qū)是包覆燃料顆粒彌散在石墨基體里的直徑約50mm的球體。無燃料區(qū)是圍繞燃料區(qū)的厚度約為5mm、和燃料區(qū)相同的石墨基體材料的球殼。燃料區(qū)和無燃料區(qū)之間沒有物理上的分界面。球形燃料元件的直徑為60mm，每個(gè)球形燃料元件含7g鈾，含約12000個(gè)包覆燃料顆粒。如圖所示。1、包覆燃料顆粒HTR-PM燃料元件的包覆燃料顆粒采用TRISO型結(jié)構(gòu)，直徑為0.92mm，其中心是低富集度的燃料核芯，從里往外第一層是低密度熱解碳（疏松熱解炭層），第二層是高密度各向同性熱解碳（內(nèi)致密熱解炭層），第三層是碳化硅，第四層是高密度各向同性熱解碳（外致密熱解碳層）。燃料核芯提供HTR-PM所需的燃料，復(fù)合包覆層組成微球型壓力容器，把燃料和裂變產(chǎn)物約束在包覆燃料顆粒內(nèi)。（1）燃料核芯燃料核芯為顆粒。主要功能為：a.發(fā)生核裂變產(chǎn)生核能b.滯留一部分放射性裂變產(chǎn)物c.為疏松熱解炭層提供沉積基面（2）疏松熱解炭層材料為熱解碳。主要功能為：a.提供貯存裂變氣體的空間；b.吸收燃料核芯與致密包覆層因輻照和熱引起的尺寸變化的差異c.防止裂變反沖核造成致密熱解碳層的損傷（3）內(nèi)致密熱解碳層材料為熱解碳。主要功能為：a.阻擋裂變氣體產(chǎn)物的釋放b.防止沉積SiC層時(shí)產(chǎn)生的HCl對(duì)燃料核芯的侵蝕作用c.提供光滑的SiC層的沉積基底d.在SiC層破損時(shí)，與外致密熱解碳層一起，構(gòu)成壓力殼，阻止裂變產(chǎn)物外泄（4）熱解SiC層材料為碳化硅。SiC的彈性模量比熱解碳高一個(gè)量級(jí)，強(qiáng)度高幾倍，是包覆燃料顆粒復(fù)合壓力容器的關(guān)鍵組元。只要SiC包覆層完好無損，就能有效的阻止放射性裂變產(chǎn)物的外泄，反應(yīng)堆的安全就能得到保證。（5）外致密熱解炭層材料為熱解碳。這一層的作用是防止SiC層在球形元件壓制過程中的損傷。此外，由于熱解碳的輻照收縮比SiC大，在運(yùn)行過程中對(duì)SiC層施加壓應(yīng)力，改善了SiC層的受力狀態(tài)。在SiC層破損后，與內(nèi)致密熱解碳層一起，構(gòu)成壓力容器和防擴(kuò)散阻擋層，保證反應(yīng)堆的放射性安全。包覆燃料顆粒是HTR-PM阻擋裂變產(chǎn)物釋放的第一道也是最主要的屏障，只要包覆燃料顆粒在堆內(nèi)服役過程中保持完好無損，反應(yīng)堆的放射性安全就能得到保證。2、石墨基體球形燃料元件的石墨基體材料占燃料元件體積的90%以上，其原料為64%天然鱗片石墨，16%人造石墨粉，20%酚醛樹脂粘接劑。石墨基體用準(zhǔn)靜壓工藝制得。石墨基體材料的功能是作為燃料元件的結(jié)構(gòu)材料，賦予燃料以一定的幾何形狀和傳熱環(huán)境；保護(hù)包覆燃料顆粒在制造和運(yùn)行過程中免受損傷；此外，它是反應(yīng)堆內(nèi)中子的慢化劑。燃料元件的功能是產(chǎn)生核裂變能，最有效的導(dǎo)出核裂變釋放出來的能量；最大限度的把燃料和裂變產(chǎn)物約束在燃料元件內(nèi)；在堆運(yùn)行中滿足機(jī)械強(qiáng)度和熱工水力的要求；在反應(yīng)堆壽期內(nèi)保持完整性。小結(jié)：燃料球結(jié)構(gòu)三、燃料元件的破損機(jī)制

影響高溫堆安全、可靠運(yùn)行的燃料元件失效機(jī)制可以分為兩類：一類與放射性裂變產(chǎn)物釋放(主要與包覆燃料顆粒破損)有關(guān)；另一類與反應(yīng)堆可靠運(yùn)行(主要與燃料元件結(jié)構(gòu)完整性)有關(guān)。1、燃料元件的破損機(jī)制球形燃料元件的制造成品率在98%以上，次品的表現(xiàn)形式有：無燃料區(qū)厚度不合格、元件球直徑不合格等。燃料元件在堆內(nèi)運(yùn)行過程破損的機(jī)制主要包括：（1）、熱和輻照應(yīng)力。（2）、機(jī)械負(fù)荷（3）、化學(xué)腐蝕（4）、磨損2、包覆燃料顆粒的破損機(jī)制包覆燃料顆粒的破損包括制造破損和堆內(nèi)運(yùn)行造成的破損。目前的生產(chǎn)技術(shù)條件下，制造破損率可以控制在量級(jí)以下，因此我們主要考慮堆內(nèi)運(yùn)行造成的破損。包覆燃料顆粒失效是指它失去阻留裂變產(chǎn)物釋放的能力。燃料元件制造過程中包覆燃料顆粒的破損：堆內(nèi)運(yùn)行造成的包覆燃料顆粒破損有以下三種：1、復(fù)合包覆層壓力殼式破損2、裂變產(chǎn)物Pd對(duì)碳化硅層的侵蝕3、阿米巴效應(yīng)及SiC高溫分解1、復(fù)合包覆層壓力殼式破損反應(yīng)堆運(yùn)行過程中材料性能的退化及熱、輻照和裂變氣體內(nèi)壓產(chǎn)生的應(yīng)力造成的壓力殼式破損；2、裂變產(chǎn)物Pd對(duì)碳化硅層的侵蝕3、阿米巴效應(yīng)及SiC高溫分解阿米巴效應(yīng)：包覆燃料顆粒的燃料核芯在高溫和溫度梯度的作用下，向高溫側(cè)遷移，在其后面留下石墨形式的碳，這種現(xiàn)象稱為阿米巴效應(yīng)。燃料元件在反應(yīng)堆中運(yùn)行時(shí)，包覆燃料顆粒內(nèi)部處于下述化學(xué)平衡狀態(tài)：化學(xué)平衡隨溫度變化而移動(dòng)。阿米巴效應(yīng)的遷移距離可以用下式表示：SiC高溫分解包覆燃料顆粒的SiC層為面心立方的β-SiC，在2100℃以下是穩(wěn)定的，2100℃轉(zhuǎn)變?yōu)榱浇Y(jié)構(gòu)的α-SiC。SiC在1700℃開始緩慢分解成Si和C，由于高溫氣冷堆的事故溫度限值為1620℃，因此SiC的熱分解基本不發(fā)生。四、燃料元件的設(shè)計(jì)限值根據(jù)HTR-PM的安全設(shè)計(jì)和燃料元件設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，參考HTR-10和德國高溫氣冷堆燃料元件的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，燃料元件的設(shè)計(jì)限值確定如下：1、未輻照燃料元件的自由鈾含量（即未被包覆燃料顆粒的SiC層包住的鈾量與燃料元件鈾裝量的比值）。2、堆芯出口氦氣平均溫度為750℃時(shí)，最大燃耗不超過100GWd/tU，在此條件下，包覆燃料顆粒因運(yùn)行過程中材料的輻照損傷，裂變氣體的累積，熱和輻照應(yīng)力等造成的壓力殼式破損3、事故條件下燃料元件溫度安全限值為1620℃，在此事故溫度下，包覆燃料顆粒在鈀（Pd）對(duì)熱解SiC層的侵蝕，阿米巴效應(yīng)等破損機(jī)制綜合作用下，其破損率不超過正常運(yùn)行條件下的2.5倍，即4、燃料元件承受靜載荷的能力不低于18kN。5、為了限制燃料元件由于熱負(fù)荷和輻照產(chǎn)生的應(yīng)力，對(duì)平衡堆芯單個(gè)燃料元件最大功率設(shè)計(jì)限值為3.5kW。6、燃料元件在其壽期內(nèi)，裝卸過程中沖擊載荷的最大值不應(yīng)超過從4m高處落到球床上的值，積累次數(shù)應(yīng)不少于50次。7、燃料元件基體材料在含水蒸汽為1Vol.%的氦氣中，1000℃下10小時(shí)，其腐蝕速率應(yīng)五、燃料元件的運(yùn)行1、裝料（1）首爐料HTR-PM首爐料需87萬個(gè)燃料球，每個(gè)球含鈾量為7g，U-235富集度為4.2%。（2）補(bǔ)充料滿功率運(yùn)行時(shí)每天需補(bǔ)充800個(gè)新燃料球元件，每個(gè)球含鈾量為7g，U-235富集度為8.5%。2、運(yùn)行限值根據(jù)HTR-PM的安全設(shè)計(jì)要求，參考德國模塊化高溫氣冷堆燃料元件的設(shè)計(jì)要求，燃料元件的限制值確定如下：（1）堆內(nèi)未輻照燃料元件的平均自由鈾含量（即未被包覆燃料顆粒的SiC層包住的鈾量與燃料元件鈾裝量的比值，自由鈾含量涵蓋了破損顆粒含鈾量）：（2）燃料元件正常運(yùn)行溫度不高于設(shè)計(jì)限值1200℃，最大燃耗不超過100GWd/tU，包覆燃料顆粒輻照破損率（3）事故條件下，最高溫度不超過1620℃，持續(xù)時(shí)間不超過200h，包覆顆粒燃料破損率3、燃料循環(huán)HTR-PM為單區(qū)球床堆芯，堆芯由球形燃料元件組成的圓柱形活性區(qū)和外石墨反射層及外側(cè)炭磚組成，圓柱形燃料區(qū)等效高度為11m，等效外徑約3m，等效體積為77.8立方米，內(nèi)裝球形燃料元件。燃料元件在堆芯中以隨機(jī)方式堆放，填充率為0.61。燃料元件在反應(yīng)堆中的運(yùn)行方式是由堆頂加入，流經(jīng)堆芯，從堆底卸出，再由輸送系統(tǒng)送到堆頂和進(jìn)入堆芯。在堆內(nèi)燃料循環(huán)15次，平均停留時(shí)間（有效滿功率天）為1057天。平衡堆芯中，HTR-PM采用燃料元件15次通過堆芯的倒料方式。在平均卸料燃耗90000MWd/tU條件下，每天投、卸燃料元件數(shù)為12000個(gè)/2堆。投料中，800個(gè)是新燃料元件，11200個(gè)是再循環(huán)燃料元件；卸料中，燃耗最深的800個(gè)燃料元件作為乏燃料卸出堆外，其余11200個(gè)燃料元件作為再循環(huán)燃料元件。4、燃耗限值與燃料管理（1）燃料元件最大燃耗不超過100000MWd/tU；（2）燃料元件平均卸料燃耗90000MWd/tU；（3）燃料元件按照多次循環(huán)通過堆芯方式管理。六、燃料元件的主要技術(shù)指標(biāo)七、燃料元件的安全性評(píng)價(jià)燃料元件是由包覆燃料顆粒彌散在石墨基體里的燃料區(qū)和由同樣基體材料的無燃料區(qū)構(gòu)成。石墨既是結(jié)構(gòu)材料，也是慢化劑，它除了能容納包覆燃料顆粒外，還能阻留一部分放射性裂變產(chǎn)物使之不泄漏出去。燃料元件在運(yùn)行工況下產(chǎn)生失效的原因有三種：機(jī)械失效；應(yīng)力失效；化學(xué)失效。1、機(jī)械穩(wěn)定性由燃料元件的靜載荷、裝卸料時(shí)的擠壓、碰撞和磨損引起。HTR-PM的燃料元件在堆內(nèi)受自身重力和裝卸設(shè)備所施加的機(jī)械力，即單列器、氣流輸送系統(tǒng)和裝入堆芯的擠壓力和撞擊力?？刂瓢粼诜瓷鋵觾?nèi)，因此，控制棒的上下插入不會(huì)引起元件的破損。堆芯高度11m，高度方向按200個(gè)元件堆積計(jì)算，每個(gè)元件重量200g，底部元件承受的重力40kg（約400N），遠(yuǎn)小于元件的壓碎載荷18kN。燃料元件的設(shè)計(jì)指標(biāo)規(guī)定元件從4m高處落到球床上50次不破，PM堆循環(huán)次數(shù)為15次，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)元件的50次循環(huán)次數(shù)。因此可以預(yù)期，燃料元件的機(jī)械穩(wěn)定性是有保證的。2、化學(xué)穩(wěn)定性燃料元件在冷卻劑He中是穩(wěn)定的。只要能嚴(yán)格控制氦氣的純度，燃料的化學(xué)穩(wěn)定性就不會(huì)成問題。

1978年5月，AVR蒸汽發(fā)生器漏水，23t水漏入堆芯，1979年年中修好，8月中開始核干燥，燃料元件表面沒有明顯的腐蝕跡象，8月30日重新開始發(fā)電，隨后反應(yīng)堆運(yùn)行過程中，沒有發(fā)現(xiàn)任何性能