CANDU燃料元件现状与发展.doc

CANDU堆元件现状与发展张杰 崔振波 王世波包头核燃料元件厂2005年5月摘 要摘要本文介绍了重水堆核电站用燃料棒束发展里程和CANDU-6燃料棒束的技术特性，介绍了重水堆核电燃料棒束的技术改进方向和发展现状以及我国在CANDU燃料循环方面的发展设想。关键词 重水堆燃料元件、CANDU堆燃料元件、发展、燃料循环、CANFLEX燃料棒束。1 CANDU重水堆核电概况CANDU型重水堆经过40多年的改进和发展，已成为当前比较成熟的堆型之一。历经几十年的商业运行已充分证明，就技术指标、经济性、安全性等方面而言，CANDU堆可称为当今世界上一种较为领先的核电技术。我国秦山三期重水堆核电站就是引进加拿大原子能有限公司两台CANDU-6重水堆核电机组，总装机容量为2728Mwe，设计年容量因子为85%，设计寿命40年。两台机组已分别于2002年12月和2003年7月投入商业运行。同时，为了实现重水堆燃料元件国产化，满足秦山三期核电站换料节点要求，1998年12月8日经由中核原子能公司，二零二厂与加拿大ZPI公司签定了CANDU-6型燃料棒束制造技术转让合同。该项目于2000年4月1日破土动工，工程历时33个月，于2002年12月建成了我国第一条重水堆核燃料棒束生产线包头核燃料元件厂。包头核燃料元件厂设计生产能力为年产200吨（铀）CANDU-6型核燃料棒束（约10400-10600只燃料棒束），以满足秦山三期两座728 Mwe商用核电站的年换料要求。2003年3月27日首批国产化燃料棒束入堆，目前堆内运行状态良好。2 CANDU重水堆燃料元件2.1 CANDU堆燃料元件2.1.1 燃料元件的基本结构CANDU堆燃料元件是由天然UO2陶瓷芯块，Zr-4合金包壳管、端塞、隔离块、支承垫和端板等部件组成的棒束。图2-1是一个典型的CANDU-6型燃料棒束。图2-1 CANDU-6型燃料棒束外形1-端塞；2-端板；3-包壳管；4-芯块；5-石墨涂层；6-支承垫；7-隔离块；8-压力管芯块是由天然陶瓷UO2粉末经压制成型、高温烧结制成圆柱形，其密度10.45克/厘米3，氧铀比为2.0002.015。高密度燃料芯块可使燃料在堆内有尽可能多的可裂变材料和尽可能小的体积变化。芯块端面呈碟形，芯块端部有倒角。芯块柱面要经磨床磨削，以得到较高的光洁度，可以保证芯块与包壳有良好的接触及有利于热传导。每只CANDU-6型燃料棒束是由37根单棒组成。UO2芯块装入壁厚0.4mm的Zr-4合金包壳管内，其两端由端塞密封焊接组成单棒。37根单棒按照固定位置环形排列，两侧用端板焊接固定，组成燃料棒束。燃料单棒之间的间隙靠钎焊隔离块保持，而棒束和压力管之间的间隙则靠钎焊于外圈燃料棒表面上的支承垫来保持。每个燃料棒束的重量24千克左右，结构材料的重量占燃料束重量的10%以下，UO2燃料的重量占燃料束重量的90%以上。表2-1列出了CANDU-6型燃料棒束设计参数。表2-1 CANDU-6型燃料棒束设计参数名称单位参数裂变材料天然二氧化铀结构材料(包壳管、端管、支承块、隔离块、端板)锆-4合金芯块芯块形状蝶形带倒角圆柱体直径mm12.20堆积高度mm480芯块个数个30密度（名义）g/cm310.60氧铀比（O/U）2.000-2.015总硼当量（相对于轴）1.184包壳管外径mm13.10厚度石墨层厚度（最小）mmm0.403隔离块长度mm8.26宽度mm2.29厚度（最小）mm0.64支承垫支承面长度支承面宽度厚度（最小）mmmmmm25.42.031.0端板直径mm90.8厚度mm1.52燃料棒束棒内压MPa0.1棒间间隙mm1.55棒与压力管间隙mm1.03燃料棒束长度mm495.3燃料棒束直径mm102.4二氧化铀重量kg21.8锆-4合金重量kg2.3总重量kg24.1运行工况SI3燃料通道冷却却剂流量kg/s26.5SI3燃料通道冷却剂压力降kpa840燃料棒束在堆内的驻留时间(平衡换料工况)平均(堆芯内部/堆芯外部)等效满功率天(EFPD)248最大(堆芯内部/堆芯外部)EFPD352燃料棒束名义功率kw800峰值棒线功率kw/m57.3平均卸料燃耗MWh/kgu171.7峰值棒燃耗MWh/kgu312.12.1.2 燃料元件的主要特点CANDU堆燃料棒束虽然结构简单，但它在尺寸、完整性、物理性能及化学成份的要求是非常高的。CANDU燃料元件的主要特点是：(1)中子经济性好。坎杜堆燃料元件的包壳管壁厚只有沸水堆燃料元件包壳管的二分之一，相当于压水堆燃料元件包壳管的三分之二。由于使用了薄壁包壳，中子的寄生吸收很小。如皮克灵堆燃料元件全部结构材料仅占棒束重量的8%，结构材料的寄生吸收仅占燃料束热中子吸收截面的0.7%。(2)安全性好。CANDU堆燃料的设计是采用高密度的UO2烧结芯块，又使用短尺寸棒束，这就使得坎杜堆燃料实际上不存在密实化而引起倒塌问题，减少了弯曲变形。包壳管内壁的石墨涂层提高了燃料功率和线功率的裕度，使燃料能够适应更大范围的功率波动，大大减少了元件破损率。据国际原子能机构（IAEA）技术报告书中统计，加拿大14个大型CANDU堆从1985年至1995年间燃料破损比例非常低，每10000只燃料棒束中只有1到2只有缺陷，累计平均缺陷率低于0.1%。(3)生产成本低。由于坎杜堆燃料是天然UO2陶瓷芯块，比轻水堆低浓铀芯块加工费用低得多，而且所用锆合金结构材料也比轻水堆燃料元件少。(4)生产和运输方便。坎杜堆燃料元件结构简单，一共只有6种零件，尺寸短小，无需占用很大的生产空间；重量较轻，无需笨重的起重设备；六种零部件结构简单，容易加工，省去了象轻水堆燃料元件中的结构复杂且价格昂贵的定位格架，这就给生产和运输都带来了方便。2.2 燃料元件的改进及发展从1962年第一个CANDU型示范重水堆（NPD）达到临界并投入商业运行以来，40多年来坎杜堆燃料元件的基本结构没有变，但是设计参数和制造工艺却有很大的改变。图2-2表示了它的发展趋势，CANDU堆燃料元件的发展主要有以下几点：(1) 燃料棒束中的燃料单棒直径变小，燃料单棒根数增加，与此相适应，棒束直径增大。(2) 随着燃料棒束平均卸料燃耗的提高，额定单管功率大幅度提高。(3) 早期的坎杜堆燃料棒之间的间隙用绕丝结构维持，1972年之后改为钎焊隔离块结构。(4) 对材料的要求有所提高。如UO2烧结芯块的密度由10.3克/厘米3提高到10.6克/厘米3，原料成分中硼和氟的含量控制更加严格，结构材料由锆-2合金改变为锆-4合金。(5)从1972年开始，包壳管内壁增加石墨涂覆工艺，这种具有石墨涂层的燃料元件称为CANLUB元件（CANDU Lubricant），能有效减少燃料元件的破损率。(6)燃料元件棒束的制造工艺也有发展，如燃料棒的端塞密封焊接由氩气保护焊改为压力电阻焊，棒束组装焊接由铆焊或熔焊改为点焊等。NPD 37根元件220KWDouglas Point19根元件420KWPickering28根元件640KWBruce/CANDU/Darlington37根元件 800-900KWCANFLEX43根元件1200KW下一代燃料棒束天然铀/镝可燃毒物图2-2 CANDU燃料组件的发展演变过程图3 CANDU堆元件的未来发展当前的CANDU反应堆设计是近50年开发研究的结果。为进一步开拓CANDU反应堆市场，加拿大原子能有限公司（AECL）仍在有计划地开发研究新技术和新设计，目标是有效降低CANDU反应堆的基建造价和运行成本，进一步提高固有安全性能，从而提高在国际市场的竞争力。CANDU堆采用天然铀燃料、重水慢化、重水冷却和不停堆换料方式。虽然具有中子经济性好，能灵活决定停堆大修的周期和时间的优点，但却存在燃耗浅、换料频繁、操作量大、乏燃料产出量大和中间贮存费用高等缺点。而且，CANDU-6机组安全裕量小，当机组运行10年后，由于老化现象可能导致堆芯进口温度上升，安全裕量下降，可能需要降功率运行。为解决CANDU堆燃料循环中存在的问题，从二十世纪九十年代初加拿大原子能有限公司（AECL）及其合作者就一直致力于开发新的燃料循环方案。3.1 用轻水堆（LWR）的乏燃料作CANDU堆的燃料用轻水堆的乏燃料作CANDU堆的燃料，这不仅节省了大量的铀资源，又提高了燃料的燃耗。天然铀中铀-235含量为0.711wt%，而LWR的乏燃料中铀-235约为0.80.9wt%，钚-239约为0.60.8wt%，可裂变材料约1.5wt%，核反应能力足够，目前这项研究有三条途径：(1)DUPIC（Direct use of Spent PWR Fuel in CANDU）燃料。PWR乏燃料用干法处理，使U-Pu与部分裂变碎片分开，U-Pu不分离，只能除去部分裂变碎片，燃料仍具高放射性，必须遥控加工。一种是将燃料直接制成CANDU的几何尺寸，把PWR乏燃料元件切成CANDU堆元件长度，拉直，两端焊上端盖（元件也可制成双包壳）。另一种是将PWR乏燃料去掉包壳，把芯棒制成粉末，压成“新”CANDU芯块，烧结后再装入CANDU包壳，制成标准的CANDU元件。(2)MOX（Mixed Oxide Fuel）燃料。轻水堆乏燃料经湿法处理，使U-Pu与裂变碎片分开，铀和钚混合形成MOX燃料。(3)回收铀（RU）燃料。轻水堆乏燃料处理后的回收铀，放射性略高于天然铀，无操作困难，管理简单。3.2 低浓铀（SEU）燃料用加浓到0.91.5wt%的铀-235作为CANDU堆燃料，其优越性如下:（1）燃料循环成本降低30%。（2）减少乏燃料数量。（3）更高运行安全裕度。（4）可提高额定功率，1.2wt%铀-235燃料的燃耗为天然铀的三倍。（5）更好的铀利用率。3.3 钍循环钍在地表有丰富的贮量，约为铀的三倍。钍本身不是可裂变材料，经中子辐照后转变为可裂变材料铀-233。如铀-233得到回收，天然铀的需求量可减少90%。钍燃料在CANDU堆的循环可分为一次循环和直接再循环两种，其中一次循环方案又可分为如下两种方案：方案一混合燃料通道：钍和驱动燃料装在不同的燃料通道内，换料速率独立可调，燃料管理比较复杂。方案二混合棒束：钍和驱动燃料装在同一棒束内，钍和稍加浓缩铀具有同样驻留时间，燃料管理简单。燃料棒束的示意图3-1，技术参数如下 ：（1）UO2在外面两圈元件中，中央8根元件中装ThO2。（2）棒束平均燃耗为22MWd/kg，钍燃耗为10.4 MWd/kg，稍加浓缩铀为25 MWd/kg。（3）均一堆芯，换料简单，每次更换2只棒束。 图3-1 引入钍的燃料棒束钍在CANDU堆中“直接再循环”是将经过辐照的中间ThO2元件重新插入装有新SEU棒束中央，每个循环ThO2可获得20 MWd/kg，使ThO2的燃耗得到最大限度的提高。钍燃料具有以下特点：（1）钍比铀的导热性高50%，因而燃料运行温度低，熔化温度比UO2高340。（2）ThO2是钍的最高氧化态，因而燃料不可能再进一步氧化而释放大量裂变产物和气溶胶。（3）钍循环的乏燃料放射性比铀乏燃料小9099%，产生的锕系元素也少。3.4 先进的CANFLEX燃料棒束的研制加拿大的AECL和韩国的KAERI经十多年的研制工作，开发出了CANFLEX（CANDU flexible fuelling）燃料棒束。CANFLEX是目前CANDU堆先进燃料循环最合适的燃料载体。CANFLEX最显著的特点是具有突出的热工水力效率，并能采用不同的燃料装载方式（如天然铀、稍加浓铀、LWR乏燃料、钍铀燃料和MOX燃料等）。每个CANFLEX燃料棒束有43根燃料单棒，而且CANFLEX燃料棒束在1/4和3/4燃料棒束平面上增加了CHF-提高附加块（CHF-enhancing button），这种结构在燃料棒束横截面上的分布形式如图3-2所示。CANFLEX燃料棒束与37根元件的标准燃料棒束相比峰值功率将降低约20%，使得燃料棒束可以有更高的燃耗。CANFLEX在设计上增加的CHF-提高附加块能加强冷却剂的湍动，降低冷却剂空泡产能的可能性，从而提高传热效果，使得运行安全裕量更高。图3-2 CHF-提高附加块在燃料棒束横截面上的分布形式3.5 CANDU燃料循环在中国发展的前景考虑到今后中国将大规模发展核电，在2050年至少达到100Gwe的规模，CANDU反应堆对中国核电在近期、中期的可持续发展中扮演战略补充的角色。3.5.1 近期（1）在现有CANDU堆（CANDU-6）中使用稍加浓缩铀。（2）在CANDU反应堆中引入钍CANFLEX燃料。3.5.2 中期（1）开始压水堆乏燃料的后处理。（2）通过在CANDU堆中优化使用后处理过的乏燃料，乏燃料有以下优点：l 后处理获得的回收铀是现有CANDU堆的理想燃料。l 浓缩度约为0.9%的U-235。l 燃耗是天然铀的两倍。l 良好的轴向功率分布。l 充分利用压水堆乏燃料资源。（3）将压水堆乏燃料后处理获得的钚制成(Pu，Th)O2混合燃料在ACR反应堆中利用，现AECL与清华大学等单位合作研制。参考文献1 钱剑秋，中国核工业，秦山重水堆核电站建设经验专刊（综合管理），2002，9-19.2 王奇卓等编著，压管式重水堆核电站，原子能出版社，1985，9-11.3 宋文辉，Al Manzer，核动力工程，原子能出版社，1999，Vol.20