新型锆合金包壳材料商业反应堆辐照考验方案设计

付 浩，林少芳，洪志强，林煜宇，张利斌，聂立红，邓勇军

(1.生态环境部 核与辐射安全中心，北京 102401；2.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518000； 3.大亚湾核电运营管理有限责任公司，广东 深圳 518000)

对于一种新型锆合金包壳材料，在商业反应堆中开展辐照考验是研发过程中必不可少的关键环节。商业堆辐照考验不但可直观考察锆合金包壳材料在未来真实服役条件下的辐照行为，还可利用池边检查和热室检查手段获得包壳腐蚀、辐照蠕变和辐照生长等性能数据，为分析模型开发提供重要输入。

在锆合金材料研发过程中，国际核电发达国家积累了大量商业堆辐照考验经验[1-5]。近年来，随着我国核电大规模发展，部分自主锆合金包壳已经开展了有限的商业堆先导辐照考验。但到目前为止，辐照考验的燃耗水平依然偏低，如中国广核集团CZ燃料棒近期已完成4个循环辐照，但燃料棒燃耗仍低于57 GW·d/tU；中国核工业集团有限公司N36包壳特征化组件燃耗接近52 GW·d/tU[6]。当前国内压水堆核电机组燃料管理多采用18个月换料方式，按国家核安全局批准的52 GW·d/tU燃料组件燃耗限值考虑，燃料棒燃耗可能高达57 GW·d/tU。显然，仅从燃耗水平看，现有考验难以充分支撑自主锆合金包壳的商业化应用，因此，有必要进一步开展更高燃耗的辐照考验。然而，高燃耗考验时存在的一些高燃耗现象，如燃料棒辐照生长更快、包壳腐蚀和吸氢更为严重等，使得高燃耗考验的安全问题倍受关注。与此同时，国内在高燃耗考验经验的缺乏，也将使得执照申请难度增加。

本文将通过对国外锆合金辐照考验经验的总结及自身实践经验，给出锆合金包壳辐照考验时在方案设计上的一般方法和堆芯安全评估、风险应对上的基本考虑，旨为国内锆合金商业堆辐照考验研究提供参考。

1 国外辐照考验

国外锆合金包壳材料的商业堆辐照考验具有以下共同点：考验分为基础辐照以及加深燃耗两个阶段。基础辐照阶段的对象为一定数量的先导棒(装载于成熟燃料组件中)，棒燃耗被控制在同时装载的成熟合金燃料棒燃耗限值内；加深燃耗阶段要求燃料棒燃耗超过现有限值。M5、ZIRLO、AXIOM、J合金的商业堆辐照考验实践列于表1[7-17]。

表1 国外锆合金包壳材料商业堆辐照考验经验Table 1 Irradiation experience of zirconium alloy cladding in abroad commercial reactor

1.1 M5合金

法马通公司(Framatome)于1995年在Three Mile Island电站(TMI)启动M5合金[7]在美国的辐照考验[8]。2组先导组件共包含8根先导棒[1]。编号NJ07VX组件和编号NJ07U9组件各经历3个和2个循环的辐照，最大燃料棒燃耗约为50 GW·d/tU，小于美国核管理委员会(NRC)在该机组的批准燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU[9]。随后，经历3个循环的NJ07VX组件中的4根M5燃料棒被拔出并替换到NJ07U9组件中。2001年，重构组件装载在堆芯的中心进行考验。在加深燃耗考验结束后，棒燃耗达到了68 GW·d/tU[8]。

1.2 ZIRLO合金

西屋电气公司(Westinghouse Electric Corporation)于1987年在North Anna电站对ZIRLO合金[10]进行了辐照考验[11]。2组装载ZIRLO先导棒的组件各经历2个和3个循环的考验，先导棒燃耗接近55 GW·d/tU[3]，低于该机组获批的燃料棒燃耗限值60 GW·d/tU[12]。随后，8根经历3个循环辐照的ZIRLO燃料棒被替换到1个已经历1个循环的浅燃耗组件中[13]。重构后的燃料组件于1999年入堆进行加深燃耗考验[14]，最大棒燃耗达到了73 GW·d/tU。

1.3 AXIOM合金

西屋AXIOM合金[4]先导棒考验于2006年在Byron电站启动[15-16]，4组先导组件各包含16根先导棒。2008年，4组先导组件先后完成2个循环的辐照考验，先导棒燃耗约为55 GW·d/tU，未超过该机组获批的燃料棒燃耗限值62 GW·d/tU。

2010年，16根AXIOM先导棒被拔出并插入到1个新燃料组件中，形成重构组件并装载在堆芯中心经历1个循环的辐照考验，棒燃耗达到了75 GW·d/tU[4]。

1.4 J合金

J合金的先导考验在Almaraz核电站开展[5,17]，4组先导组件于2006年入堆，每个先导组件各包含20或30根先导棒。其中，1组组件经历了3个循环的辐照考验，另外3组组件经历了2个循环辐照考验，最大棒燃耗约为60 GW·d/tU。随后，若干根经历2个循环辐照考验的先导棒被拔出并替换至新燃料组件中形成重构组件。重构组件在经历1个循环的考验后，最大棒燃耗达到了68 GW·d/tU。

2 国内商业堆辐照考验基本考虑

基于国外锆合金辐照考验经验的总结及自身实践经验，新型锆合金商业堆辐照考验需要考虑方案设计、安全评估、风险应对等3个方面的因素，如图1所示。

2.1 方案设计

1) 入堆方案

为尽量减少新型燃料设计对堆芯安全的影响、降低执照申请难度，新型锆合金包壳材料通常都是以先导棒搭配成熟燃料组件构成先导考验组件。考虑到包壳材料在高燃耗下的辐照行为存在未知性，考验分为基础辐照以及加深燃耗两阶段进行，以逐步实现考验目标。

图1 新型锆合金商业堆辐照考验基本考虑Fig.1 Basic consideration of irradiation of new zirconium alloy in commercial reactor

基础辐照阶段一般通过2～3个燃料循环实现，先导棒燃耗需控制在国家核安全局批准的燃耗限值内；加深燃耗阶段一般持续1个燃料循环，先导棒燃耗需要超过限值。棒燃耗受机组的循环长度影响。因此，在方案设计时，应结合电站的发电规划和燃料管理方案，统筹考虑两阶段辐照考验的燃耗指标，选择合适的机组、合适的循环开展辐照考验。

对于商业堆，经济性也是其需考虑的重要方面。而为了获取辐照后的包壳性能数据，则必须开展入堆前和出堆后的池边检查。在目前电站业主追求短大修工期的情况下，池边检查极有可能成为大修关键路径，导致大修工期延长，从而影响机组的经济性。为此，在方案设计时，还应详细考察电站的实际情况，如预计的维修、大修工期等。

2) 堆芯布置方案

堆芯布置方案首要需要保证堆芯运行的安全性，因此要求装载先导棒的组件应放置在堆芯非极限位置，即避开控制棒组件和堆芯热点位置，组件燃耗控制在燃耗限值之内。对于加深燃耗考验，考虑到高燃耗下材料辐照性能的未知性，国际上通常采用组件重构方式，即将少量经历基础辐照的燃料棒从组件中抽出再插入到新燃料组件或浅燃耗组件中，形成单组重构组件入堆辐照，在考验组件燃耗不超限的基础上实现少量先导棒燃耗超限，从而避免整组件加深燃耗带来大量燃料棒以及组件骨架出现燃耗超限的情况。单组重构组件一般放置在堆芯中心进行考验。

先导棒的燃耗是商业堆辐照的重要技术指标。棒燃耗不仅取决于机组的循环长度，还与堆芯内组件的装载位置密切相关。因此，在保证堆芯安全的基础上，堆芯布置方案还应通过堆内布置优化，使装载先导棒的组件卸料燃耗达到较高水平。

2.2 安全评估

1) 核设计

由于材料成分不同，新型包壳材料的引入将对堆芯中子学性能造成影响。核设计需对堆芯关键设计参数进行影响评估，从而论证最终安全分析报告(FSAR)的相关结论依然适用。

在分析过程中，需关注在加深燃耗阶段，核设计软件对重构组件(重构组件中同时存在新、乏燃料棒)的适用性。

2) 热工水力设计

基于考验组件的设计特征(新型锆合金包壳材料的先导棒装载在成熟燃料组件中)，热工水力设计需论证考验组件的引入带来的影响在可接受范围内。

在分析过程中，由于新型包壳材料的引入，需关注先导棒的引入对组件热工水力性能的影响。

3) 燃料性能

针对新型包壳材料，燃料性能分析需基于现有试验数据建立与之匹配的分析模型以保守预测其堆内行为。

M5合金以及AXIOM合金的加深燃耗考验中，NRC重点关注的先导棒高燃耗性能包括包壳腐蚀、燃料棒生长以及燃料棒内压等[15,18]。

因此，分析模型需通过合理的外推以实现对关键参数的预测，外推预测结果的合理性最终需通过辐照后的池边检查结果进行确认。

4) 事故影响

在事故影响评估中，需评估新型锆合金包壳材料的引入对先导棒在事故工况下行为的影响，论证先导棒的引入不会对事故验收准则造成挑战。

M5合金以及AXIOM合金先导棒入堆考验时[19-20]，基于先导棒数目有限且包壳材料性能可预期，预计不会对已有的锆水反应产氢量带来显著改变，因此获得对10CFR50.44(轻水冷却反应堆可燃气体控制标准)的豁免。

因此，分析过程中，需关注现有事故分析模型、验收准则对新型锆合金包壳材料的适用性。

5) 机组运行影响

在机组运行影响评估中，主要评估辐照考验方案对电站运行参数、大修工期等的影响。

2.3 风险应对

1) 在线辐照监督计划

在辐照考验期间，每循环通过监测一回路系统中的裂变产物放射性活度和不同裂变产物活度比值，对燃料包壳状态进行密切的在线监督。如监测发现异常变化，将加强监测频度并在大修检查期间进行破损燃料组件识别。

2) 池边检查计划

在辐照考验期间，每循环辐照考验结束后，对考验组件进行目视检查和尺寸检查以确保组件及其部件的完整性。目视检查主要包括包壳状态、组件与棒变形等。尺寸检查需包括燃料棒生长、组件生长、包壳氧化膜厚度等。

3) 燃料组件重构方案

从公开文献未见组件重构在国内的实施先例；操作经验的缺乏可能对现场实施带来风险。需基于现场操作的提前演练，排除重构现场操作中的潜在风险。同时，考虑到在组件重构过程中，乏燃料棒需经历拔出再插入的过程，其完整性存在风险。需评估组件重构过程中的包壳力学行为，保证包壳不发生破损。

3 结论

本文基于M5、ZIRLO、AXIOM以及J合金等国外锆合金包壳材料的辐照考验以及自身实践经验，对新型锆合金商业堆辐照考验的方案设计、堆芯安全评估、风险应对等方面进行了深入研究，形成以下结论。

1) 新型锆合金包壳材料商业堆辐照考验以先导棒搭配成熟燃料组件为考验对象，分为基础辐照(先导棒燃耗低于机组燃料棒燃耗限值)以及加深燃耗(先导棒燃耗需要超过限值)两阶段进行。在加深燃耗阶段，建议采用组件重构方式形成考验组件。

2) 基于辐照考验方案，需要从核设计、热工水力设计、燃料性能分析、事故分析等方面论证新型包壳材料的引入不会对堆芯安全造成影响；在分析过程中，需重点关注软件模型、验收准则对新型包壳材料的适用性。

3) 在方案实施过程中，需对在线辐照监督计划、池边检查计划、燃料组件重构方案进行提前策划以降低实施风险。

本文针对新型锆合金包壳材料商业堆辐照考验形成的基本考虑，可为国内锆合金辐照考验研究提供参考。