压水堆燃料破损概述

摘要：燃料是核反应堆最要的堆芯部件，反应堆燃料的破损直接影响反应堆运行的安全性和经济性。本文介绍了燃料破损对电厂经济性的影响，总结了几种常见的破损原因及相关机理，并提出改进措施。

关键词：压水堆 燃料破损 晶粒边界分离

一、前言

在世界范围内，压水堆燃料一直运行良好。然而，各国正在运行的核电站仍有燃料破损发生。燃料性能的提升和改进基于对燃料的堆内行为和破损机制有更深的理解。燃料破损直接影响核电站的安全，燃料可靠性也会影响核电站的经济性。尤其对我国自主研发的商用压水堆核燃料来说，燃料破损率关系着我国自主核电品牌的形象，是自主品牌核电走出去的关键。

二、燃料破损对经济性的影响

1.供电损失。有时为了卸除破损燃料，严重的燃料破损需要在中间循环停电。由于额外的燃料检查，以及在进入安全壳和打开主回路前进行的必要的空气或冷却剂活性检查，都潜在地延误了破损燃料的维修，从而燃料破损也增加了停堆的持续时间。

2.燃料循环成本。燃料的检查、修理或重新组装增加了燃料循环成本。根据修理的复杂性或价格来确定对破损燃料组件进行维修或最终卸出。最典型的例子就是用新燃料组件或储存在乏燃料池中的部分已耗尽燃料组件来替换破损燃料组件。这些改变需进行堆芯重新分析，这将导致堆芯设计不能最优化和燃料利用率降低。破损燃料组件或棒也需要特别的储存条件和容器。

3.运行成本。破损燃料中的裂变产物却又增加了活化产物的含量，特别地是燃料破损增加了气态碘释放的潜在危险。较高的冷却剂活性也要求更广泛的辐射废物处理，这就增加了废物处理成本。

三、破损原因分析

IAEA统计得出，格架与燃料棒之间的磨蚀在世界范围内的压水堆燃料棒破损机理中占主导地位，其次较普遍的原因是与异物有关的破损。第三个重要原因是与制造相关的破损（约占所有压水堆破损的5%），另外腐蚀也占据了少量破损原因。本文介绍压水堆燃料常见破损的原因。

1.格架与燃料棒的磨蚀。格架与燃料棒的磨蚀主要原因为，由于设计或制造的不当，导致燃料组件中对燃料棒的夹持不够充分、燃料组件中横向流导致的流体弹性不稳定性引起燃料棒振动、流体引起的组件及燃料棒的振动。格架与燃料棒间的磨蚀是由于湍流和流动不均匀性引起的燃料棒或燃料组件振动所导致。湍流总是存在的，特别是在入口一直到下部格架的范围，当湍流超过设计值时或格架对燃料棒的夹持力不足时，均会导致燃料破损发生。

若改进格架燃料棒磨蚀的设计，可以有效减缓格架与燃料棒的磨蚀作用，具体包括以下几点：1.较大的初始弹簧弹性力；2.较低的弹簧刚度；3.较小的包壳内蠕变速率；4.弹簧与包壳接触面应光滑，以降低局部应力；5.较小的定位格架辐照生长：6.燃料棒装载过程后，弹簧弹力减少应尽可能小；7.较大的格架和燃料棒接触面积；8.定位格架搅浑翼的设计应对称，以消除水流产生的旋转力。

2.异物磨蚀。在所有类型的动力堆中，异物磨蚀仍然是燃料破损的常见机理。回路中各种类型的异物（主要是堆内构件机加工的屑）穿过下管座使燃料棒下部受损或在上部被格架捕捉造成包壳的穿透性磨蚀。可采用防异物管座或板的设计，来避免异物磨蚀。

3.制造缺陷。随着制造工艺的改进，由制造缺陷所引起的破损数目逐年下降。然而，这类破损依然在发生，主要是端塞和焊接缺陷，有时候也包括管子轧制缺陷。

（1）端塞泄漏。锆合金端塞制造中可能产生缺陷，从而为气体从端塞泄漏提供了通道。在某些锆产品中出现的线状氯化物有时会形成这样的缺陷，这些氯化物在制造过程中可能沿着棒材轴向纵向排列。

棒材的冷锻也会在棒材端部产生内部空腔。由于锻造时外表面变形比中心大，最后形成中心空腔。这种类型的破损很少见。显然，解决之道是更仔细的制造工艺控制和检查，例如，需要对棒材成品进行超声检查。

（2）焊缝缺陷。锆合金端塞TIG焊接是在惰性气氛下或真空中进行。如果气体气氛控制不好或有真空室有泄漏，會导致焊接的氮沾污，由此引起的腐蚀有时足以破坏焊接完整性。显然，避免以上问题的方法是实行更好的气氛控制，并使用传感器来监测杂质。

（3）晶粒边界分离。晶粒边界分离的缺陷，其特征是微观裂纹状缺陷——该缺陷起始于焊接内表面，倾向于沿着D晶界径向扩展。该缺陷是焊接操作的冷却阶段受到拉应力造成的。可采取的纠正措施包括：1）焊接硬件和工艺的改进，以降低加载拉应力的应力水平和不利影响；2）对所有端塞100%进行超声检测，以检查是否存在晶粒边界分离。

（4）端塞焊接中的咬边。燃料破损的可能原因是包壳咬边。通过X光检查可发现咬边缺陷，而超声检查则无法探测出这种异常。在大多数情况下，这种缺陷大小都不足以产生燃料棒破损。

4.腐蚀。均匀腐蚀性能是Zr-4合金包壳在压水堆中长时间使用的主要限制因素。随着燃耗及燃料功率的增加，Zr-4合金包壳腐蚀裕量显著减少。然而为了提高燃料的经济性，核电站希望能使用更高燃耗目标的燃料，因此有必要进行先进的包壳材料开发，以满足高燃耗燃料的应用需求，比如AREVA公司M5、西屋公司的ZIRLO合金以及中核集团的N36合金。

一般情况下，除了不利的水化学或局部垢沉积引起的过度腐蚀外，腐蚀引起的燃料破损比较少见。在压水堆中大多数的破损是不利的水化学条件、垢致腐蚀或其他综合作用带来的结果。

四、小结

对于压水堆燃料来说，最显著的发展就是平均卸料燃耗的不断增加，燃料组件燃耗约达到60MW.d/kgU，计划还要继续增加。因此不断提高我们燃料设计和制造水平，提高燃料可靠性，降低燃料的破损率，对与我国核电走出去至关重要。