国内外环形燃料元件发展情况与关键技术研究

环形燃料元件是国际上开发的新一代高性能燃料元件。国内外研究结果表明,水堆采用环形燃料元件代替传统实心燃料棒,在总体堆芯功率不改变的情况下,会明显提高核电燃料的安全性能;在保持堆芯结构不变的情况下,还可将堆功率提高近一半,且燃耗大大提升。基于此,文章对环形燃料元件的国内外发展进行简单调研,以供参考。

双面冷却环形燃料元件的几何尺寸优化

针对双面冷却环形燃料元件,建立了计算元件内流量分配、温度场分布和径向最高温度位置沿元件轴向分布的相关数学物理模型,编制了热工水力计算程序,制定了评估环形燃料元件几何设计优劣性的3个评价指标,获得了双面冷却环形燃料元件的最优尺寸设计范围。计算结果表明,优化后的环形燃料元件具有良好的热工水力特性,优化后的几何尺寸与麻省理工学院选择的尺寸吻合良好,验证了程序的可靠性和正确性。

基于ANSYS Workbench的环形燃料元件强度分析方法

环形燃料元件具有内、外双层包壳,冷却剂同时从内、外两侧冷却燃料元件。在反应堆中,正常运行时内外热流密度差异、局部燃耗差异等可能使环形燃料元件内、外包壳出现不均匀的轴向伸长,这种伸长差异通过端塞的约束,会使包壳在端塞附近产生应力集中,甚至导致强度破坏。应用有限元仿真平台ANSYS Workbench分析环形燃料元件在内、外包壳轴向伸长不均情况下的变形与应力分布,得出该结构下内、外包壳允许的伸长差限值。为环形燃料元件强度失效分析提供一种可行方法,同时也为进一步结构优化提供依据。

环形燃料元件几何尺寸对其热工性能的影响研究

针对环形燃料元件,基于欧洲铅冷系统反应堆ELSY选取环形燃料元件参数,建立环形燃料元件导热模型,设定环形燃料元件的初始参数并利用MATLAB编制环形燃料元件导热计算程序,通过制定的三个评估标准研究环形燃料流量分配比、内外包壳厚度、内外气隙厚度和芯块厚度对环形燃料元件热工性能的影响并进行几何尺寸修正。研究结果表明:适当增大流量分配比、减小内包壳厚度、增大外包壳厚度、减小内外气隙间距和减小芯块厚度可改善元件的热工性能;设定流量分配比为1、内包壳厚度0.06 cm修正为0.04 cm、外包壳厚度0.06 cm修正为0.07 cm、内外气隙间距0.035 cm修正为0.015 cm、芯块厚度修正为0.05 cm,进行这些几何尺寸修正后,芯块的最高温度下降了90 K(8.6%),绝热面位置偏离芯块几何中心不足2μm,内外通道冷却剂出口温差不足2 K,环形燃料元件热工性能得到了明显提高。

环形燃料元件小堆的概念设计

环形燃料元件小堆是世界上目前比较先进的堆型。研究设计了一个环形燃料元件小堆,开发出适于环形燃料堆计算的软件和方法。采用整组件束棒计算堆芯少群参数的方法大大提高了计算精度。计算了堆芯的有效增殖系数、所有控制毒物的单个价值以及总价值、堆芯从室温到工作温度的温度效应等堆芯参数。结果表明:设计的环形燃料元件堆具有良好的稳定性和安全性,可以作为一代新堆。

环形核燃料元件焊缝的数字X射线成像检测

环形核燃料元件是一种两面冷却的新型、高效和安全的燃料元件,为确保该元件环焊缝的焊接质量,对其进行了数字X射线成像检测,检测结果表明,柱面环焊缝射线检测图像灵敏度(最小可见丝径)达0.20 mm,端部环焊缝射线检测图像灵敏度达0.10 mm。通过金相试验进一步验证了该检测方法可满足该类焊缝的质量评价要求。

环形元件超临界水冷堆CSR1000A初步概念设计

在压水堆环形燃料元件基础上,提出了一种新型适用于超临界水冷堆(SCWR)的环形元件。该环形元件具有大几何尺寸、采用UO2颗粒燃料、内包壳表面涂隔热层等特点。利用163盒由61个改进型环形元件及组件盒构成的六角形燃料组件,设计了百万千瓦环形元件超临界水冷堆CSR1000A,并给出了卸料燃耗、冷却剂出口温度及最大燃料包壳温度等关键参数。

环形元件超高通量堆堆芯初步概念设计

基于环形燃料元件,提出了一种超高通量堆(UFR)堆芯概念设计。UFR燃料组件设计采用61个燃料元件构成的六角形组件,堆芯采用52盒燃料组件、9盒控制棒组件和厚反射层设计。通过开展堆芯概念设计方案评价,给出了堆芯循环长度、中子注量率、中子能谱、中子空间分布等关键参数。结果表明,在当前的总体参数下所提出的UFR的最大中子注量率可达到1.0×10^(16)cm^(−2)·s^(−1)。

锆 -4合金包壳长期均匀腐蚀性能研究

在模拟压水堆一回路水条件下,用静态高压釜对锆-4合金进行了8000 h的均匀腐蚀实验,并对氧化膜的厚度进行了测量和计算,对腐蚀增重和均匀腐蚀速率进行了定量评估。结果表明:锆-4合金包壳内外管在模拟压水堆一回路环境下的氧化增重曲线,初始阶段符合立方规律,2500 h后为线性规律。内管在腐蚀时间0~2500 h的氧化增重拟合曲线为y=2.47347 x 1/3;超过2500 h后的拟合曲线为y=9.03343+0.01322 x;外管在腐蚀时间0~2500 h的氧化增重拟合曲线为y=2.47347 x 1/3,超过2500 h后的拟合曲线为y=9.49849+0.01311 x。4.5 a内管氧化膜增厚32.4μm,相当于金属层减薄厚度为20.8μm,远小于锆-4合金内管壁厚的10%。4.5 a外管氧化膜增厚31.5μm,相当于金属层减薄厚度为20.2μm,远小于锆-4合金外管壁厚的10%。考虑到辐照加速腐蚀效应和实际工况,经过4.5 a的模拟反应堆一回路高温高压环境运行,锆-4合金内外包壳管的均匀腐蚀深度均小于包壳名义厚度的10%。