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耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究

尹春雨 高士鑫 钱立波 秦雪 吴磊 张渝 崔怀明 肖忠 苏光辉

尹春雨, 高士鑫, 钱立波, 秦雪, 吴磊, 张渝, 崔怀明, 肖忠, 苏光辉. 耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 136-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0136
引用本文: 尹春雨, 高士鑫, 钱立波, 秦雪, 吴磊, 张渝, 崔怀明, 肖忠, 苏光辉. 耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究[J]. 核动力工程, 2023, 44(2): 136-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0136
Yin Chunyu, Gao Shixin, Qian Libo, Qin Xue, Wu Lei, Zhang Yu, Cui Huaiming, Xiao Zhong, Su Guanghui. Analytical Study on Accident Tolerant Fuel Used in the High Performance Pressurized Water Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 136-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0136
Citation: Yin Chunyu, Gao Shixin, Qian Libo, Qin Xue, Wu Lei, Zhang Yu, Cui Huaiming, Xiao Zhong, Su Guanghui. Analytical Study on Accident Tolerant Fuel Used in the High Performance Pressurized Water Reactor[J]. Nuclear Power Engineering, 2023, 44(2): 136-144. doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0136

耐事故燃料用于高性能压水堆的分析研究

doi: 10.13832/j.jnpe.2023.02.0136
详细信息
    作者简介:

    尹春雨(1982—),男,研究员级高级工程师,现主要从事燃料元件及其相关组件设计和研究工作,E-mail: yincy909@163.com

  • 中图分类号: TL334

Analytical Study on Accident Tolerant Fuel Used in the High Performance Pressurized Water Reactor

  • 摘要: 为明确未来高性能压水堆(PWR)可采用的耐事故燃料(ATF)元件设计方案,本研究采用燃料性能、核设计、反应堆热工安全的适用分析方法,从安全性、经济性和燃料性能等方面对几种潜在的ATF设计方案进行综合分析。结果表明:采用SiC复合包壳+高铀密度燃料的方案较好;由于高铀密度燃料(包括UN、U3Si2及UN-U3Si2复合燃料)各自均具有鲜明的特点,其中UN-U3Si2复合燃料在理论上可以成为高铀密度燃料的一大特色,但从中子经济性的角度考虑需要将UN中15N 进行富集,而目前的富集技术将大大提高该型燃料的制造成本。因此本研究建议高性能PWR的ATF燃料元件设计宜选择SiC复合包壳+U3Si2燃料的设计方案。

     

  • 图  1  2种FeCrAl包壳组件的 kinf曲线

    Figure  1.  kinf Curves of Two Kinds of FeCrAl Cladding Components      

    图  2  FeCrAl包壳+UO2燃料方案与Zr包壳+UO2燃料方案的峰值包壳温度对比     

    Figure  2.  Peak Cladding Temperature Comparison between FeCrAl Cladding + UO2 Fuel Scheme and Zr Cladding + UO2 Fuel Scheme

    图  3  2种燃料组件的kinf随循环长度变化

    Figure  3.  Variation of kinf with Cycle Length for Two Kinds of Fuel Assemblies

    图  4  3种燃料组件的kinf随燃耗深度的变化

    Figure  4.  Variation of kinf with Burn-up Level for Three Kinds of Fuel Assemblies

    图  5  3种燃料组件的kinf随循环长度变化

    Figure  5.  Variation of kinf with Cycle Length for Three Kinds of Fuel Assemblies

    图  6  Cr涂层包壳+U3Si2燃料方案峰值包壳温度与Zr包壳+UO2燃料方案对比

    Figure  6.  Peak Cladding Temperature Comparison between the Cr-coated Cladding + U3Si2 Fuel Scheme and the Zr Cladding + UO2 Fuel Scheme

    图  7  3种燃料组件的kinf随燃耗深度的变化

    Figure  7.  Variation of kinf with Burn-up Level for Three Kinds of Fuel Assemblies

    图  8  3种燃料组件kinf随循环长度变化

    Figure  8.  Variation of kinf with Cycle Length for Three Kinds of Fuel Assemblies

    图  9  FeCrAl包壳+U3Si2燃料方案峰值包壳温度与Zr包壳+UO2燃料方案对比

    Figure  9.  Peak Cladding Temperature Comparison between the FeCrAl Cladding + U3Si2 Fuel Scheme and the Zr Cladding + UO2 Fuel Scheme

    图  10  相同燃料富集度条件下Zr包壳+UO2燃料和SiC包壳+UO2燃料的kinf随燃耗深度变化

    Figure  10.  Variation of kinf with Burn-up Level for Zr Cladding + UO2 Fuel and SiC Cladding + UO2 Fuel under the Same Fuel Enrichment Conditon

    图  11  SiC包壳+U3Si2燃料方案峰值包壳温度与Zr包壳+UO2燃料方案对比

    Figure  11.  Peak Cladding Temperature Comparison between the SiC Cladding + U3Si2 Fuel Scheme and the Zr Cladding + UO2 Fuel Scheme

    表  1  FeCrAl包壳燃料棒、M5包壳燃料棒性能对比

    Table  1.   Performance Comparison of FeCrAl and M5 Cladding Fuel Rods

    参数名FeCrAl包壳燃料棒M5包壳燃料棒
    寿期末燃耗/[MW·d·t−1(U)]5396359999
    裂变气体释放量/%1.43.1
    燃料棒内压/MPa8.19.8
    包壳轴向生长量/%0.81.2
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    表  2  相同燃料富集度下Zr包壳+UO2燃料和FeCrAl +UO2燃料kinf随燃耗变化

    Table  2.   Variation of kinf with Burn-up Level for Zr Cladding + UO2 Fuel and FeCrAl + UO2 Fuel under the Same Fuel Enrichment Degree       

    参数名参数值
    燃耗深度/[MW·d·t−1(U)]015010005000100002000060000
    Zr包壳+UO2燃料的kinf1.3304091.2866721.2724171.2309071.1794551.0936390.848625
    FeCrAl包壳+UO2燃料的kinf1.2470521.2088781.1968871.1610441.1149501.0368440.813415
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    表  3  不同包壳壁厚、燃料装量下4.45%富集度的FeCrAl包壳+UO2燃料卸料循环长度

    Table  3.   Unloading Cycle Length for 4.45% Enriched FeCrAl Cladding + UO2 Fuel under Different Cladding Wall Thickness and Fuel Inventory

    参数名参数值
    FeCrAl包壳壁厚/μm570370350320300
    燃料装量增量/%010111314
    卸料循环长度/EFPD12771526155215931619
    与Zr包壳循环长度偏差/EFPD–245.73.929.770.496.9
    与Zr包壳循环长度相对偏差/%–16.10.32.04.66.4
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    表  4  Cr涂层包壳+高铀密度燃料棒与M5包壳+UO2燃料棒性能对比     

    Table  4.   Performance Comparison between Cr-coated Cladding + High Uranium Density Fuel Rod and M5 Cladding + UO2 Fuel Rod

    参数名高铀密度燃料棒UO2燃料棒
    燃耗/[MW·d·t−1(U)]4281759999
    燃料中心温度/℃6321075
    包壳内表面温度/℃378378
    燃料棒内压/MPa8.159.72
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    表  5  稳态工况下不同结构包壳管的温度、应力和失效概率         

    Table  5.   Temperature, Stress and Failure Probability of Different Structural Cladding Tubes under Steady State Conditions

    结构最高内表
    面温度/K
    最大环向
    拉应力/MPa
    最大轴向
    拉应力/MPa
    失效概率
    双层(外部单质SiC层)960.281.2153.11.23×10–3
    双层(内部单质SiC层)948.773.6162.76.29×10–3
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-22
  • 修回日期:  2022-10-17
  • 刊出日期:  2023-04-15

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