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商用压水堆核燃料研发进展与应用展望

焦拥军 于俊崇 周毅 李垣明 陈平 段振刚

焦拥军, 于俊崇, 周毅, 李垣明, 陈平, 段振刚. 商用压水堆核燃料研发进展与应用展望[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 1-7. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0001
引用本文: 焦拥军, 于俊崇, 周毅, 李垣明, 陈平, 段振刚. 商用压水堆核燃料研发进展与应用展望[J]. 核动力工程, 2022, 43(6): 1-7. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0001
Jiao Yongjun, Yu Junchong, Zhou Yi, Li Yuanming, Chen Ping, Duan Zhengang. Research and Development Progress and Application Prospect of Nuclear Fuels for Commercial Pressurized Water Reactors[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 1-7. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0001
Citation: Jiao Yongjun, Yu Junchong, Zhou Yi, Li Yuanming, Chen Ping, Duan Zhengang. Research and Development Progress and Application Prospect of Nuclear Fuels for Commercial Pressurized Water Reactors[J]. Nuclear Power Engineering, 2022, 43(6): 1-7. doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0001

商用压水堆核燃料研发进展与应用展望

doi: 10.13832/j.jnpe.2022.06.0001
基金项目: 国家自然科学重点项目(U2067221);四川省科技计划项目(2021YJ0512)
详细信息
    作者简介:

    焦拥军(1971—),男,研究员级高级工程师,主要从事反应堆核燃料开发工作,E-mail: 1277502145@qq.com

    通讯作者:

    于俊崇,E-mail: npicyjc@163.com

  • 中图分类号: TL99

Research and Development Progress and Application Prospect of Nuclear Fuels for Commercial Pressurized Water Reactors

  • 摘要: 压水堆(PWR)是目前核电厂反应堆的主力堆型,而核燃料是反应堆的能量源泉和放射性裂变物质的主要来源,关乎核电厂的经济性和安全性。本文对当前国际上面向商用PWR应用研发的掺杂UO2燃料、高铀密度燃料、微封装燃料和金属燃料的性能特点、技术状态及前景进行了归纳和评价。在掺杂UO2燃料中,大晶粒燃料具有较高的技术成熟度,将在PWR实现大规模商用;高铀密度燃料和金属燃料在高温水腐蚀氧化问题以及事故下的行为仍待研究解决;具有极致安全的微封装燃料更适合特殊用途的小型反应堆。应协同开展先进燃料组件设计、建立设计准则以及研发高保真的性能分析技术等,以充分发挥新型燃料的可靠性及高燃耗优势。

     

  • 表  1  高铀密度燃料与UO2燃料的主要物理性能对比

    Table  1.   Comparison of Main Physical Properties between High Uranium Density Fuel and UO2 Fuel

    燃料U3Si2UCUNUO2
    理论密度/(g·cm−3)12.213.614.410.96
    铀密度/(g·cm−3)13.312.9513.639.66
    熔点/K16652670~28803053~3133
    热膨胀系数/(10−6K−1)14.6~15.2(273~1223 K)11.2(300~1273 K)
    12.4(1273~2273 K)
    9.9(290~1870 K)
    8.61(290~1273 K)
    7.8(373 K)
    12.83(298~2273 K)
    热导率/(W·m−1·K−1)13.0~22.3 (673~1473 K)21~19(1000~2500 K)19~25(600~1400 K)6~2.5(673~1473 K)
      注:①在0.1 MPa N2分压中的熔点
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    表  2  国外主要的PWR燃料组件

    Table  2.   Main PWR Fuel Assemblies Abroad

    研发国家组件名称燃料类型排列方式组件设计燃耗/[GW·d·t−1(U)]投入使用时间
    美国ROBUSTUO2/ZIRLO17×17551997年
    AP1000UO2/ZIRLO17×17602018年
    法国AFA3GUO2/M517×17601998年
    GAIACr2O3掺杂UO2/M5(或Q12)17×17预计2025 年
    俄罗斯TVS-2MUO2(带中孔)/E110六棱柱602006年
    TVS-K掺杂Al2O3 + SiO2的UO2/E11017×1768
    韩国PLUS7UO2/ZIRLO16×16552006年
    ACE7UO2/HANA17×1755
    HIPER16UO2/ZIRLO(或HANA)17×17或16×1655
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    表  3  目前主要的先进燃料技术状态及前景对比

    Table  3.   Comparison of Current Status and Prospects of Current Major Advanced Fuel Technologies

    燃料主要优势应用商用PWR的主要难点研制状态及应用前景
    大晶粒UO2燃料 ①裂变产物包容能力强;
    ②肿胀量低;
    ③抗PCMI性能优异
    ①燃料棒轴向生长稍大;
    ②中子经济性稍差
    ①完成先导燃料棒辐照考验;
    ②已批量化入堆辐照;
    ③有望近期实现大规模商用
    高热导率UO2燃料 ①热导率高;
    ②热安全裕量较大
    ①中子经济性较差;
    ②制造成本较高
    ①已完成材料级辐照;
    ②技术成熟度较低
    硅化物燃料 ①铀密度高;
    ②热导率高;
    ③裂变气体释放率低
    ①熔点低;
    ②耐高温水腐蚀氧化性差
    ①完成先导燃料棒辐照考验;
    ②进入先导组件辐照试验阶段
    碳化物燃料 ①制造成本较高;
    ②耐高温水腐蚀氧化性差;
    ③辐照肿胀率高;
    ④与包壳材料的相容性差
    耐高温水腐蚀氧化性差等问题难以克服,短期内难以在PWR商用
    氮化物燃料 ①制造成本高;
    ②耐高温水腐蚀氧化性差
    ①已有材料级的辐照考验;
    ②耐高温水腐蚀氧化性差的问题目前难以克服;
    ③近期商用难度较大
    微封装燃料 ①安全性高;
    ②裂变气体释放率低
    ①制造成本高;
    ②铀装量低;
    ③铀回收困难
    ①已有材料级的辐照考验;
    ②在大型商用PWR中的适用性低;
    ③可作为特殊用途小型反应堆的燃料
    金属燃料 ①铀密度高;
    ②热导率高
    ①耐高温水腐蚀氧化性差;
    ②辐照肿胀大
    ①已有先导组件辐照试验;
    ②中远期可实现商用
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-07-04
  • 修回日期:  2022-08-16
  • 刊出日期:  2022-12-14

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