第十一章--燃料元件的设计.ppt

1、1,第十一章燃料元件的设计,2,概述： 燃料元件是反应堆堆芯的关键部件，其主要功能是释放能量，屏蔽强放射性物质。燃料元件的质量是关系到反应堆安全性、经济性和先进性的重要因素。保持燃料元件在整个寿期内的完整性是反应堆正常运行的基本要求。在第一章已提过，在确定燃料元件的形状、尺寸、排列方式及栅距时，必须兼顾核设计、热工水利设计和材料结构设计等几方面的要求、综合平衡。,3,主要内容：,11.1 设计准则 11.2 燃料元件材料、尺寸的选择 11.3 计算步骤,4,11.1 设计准则,核电厂轻水堆燃料元件的设计应遵循如下准则： （1）在堆运行条件下，燃料元件包壳必须是自立的。在反应堆运行初期，燃料元件

2、内压最低，冷却剂压力与元件内压之间压差最大，因此包壳可能发生瞬时坍塌的现象。 （2）在整个设计寿期内，燃料元件包壳不应发生蠕变坍塌。由于冷却剂压力、高的运行温度和快中子辐照的长期联合作用，在燃料元件内失去芯块支撑的地方，可能发生包壳蠕变坍塌现象。因此设计时应使包壳蠕变坍塌的临界时间大于工作寿期，以确保整个寿期内包壳是塑性稳定的。 （3）设计寿期末，燃料元件的内部气体压力应低于冷却剂工作压力。,5,（4）最热燃料芯块的中心温度应低于二氧化铀的熔点。 （5）在整个设计寿期内，包壳的应力应低于考虑了温度和中子辐照影响的材料屈服强度。,6,（6）在整个设计寿期内，包壳周向弹性加塑性应变不得超过1%，通

3、常以最大压缩应变（寿期初）和最大拉伸应变（寿期末）的代数差表示这一限制。 （7）包壳运行累积的应变疲劳循环次数应低于设计的应变疲劳次数。 一般规定： （11-1） 式中ni 在给定有效应变范围 下的循环次数；Ni 在给定有效应变范围 下允许的循环次数。 （8）设计寿期末，包壳的最大腐蚀深度应小于包壳壁厚的10%。在冷却剂中包壳的腐蚀使其壁厚减薄，随着氧化膜增厚，氧化膜与金属界面处温度升高，促使腐蚀进一步加速。从包壳的强度观点来看，必须限制包壳的腐蚀深度，以保证包壳必要金属厚度。,7,（9）设计寿期末，包壳按壁厚平均的最大含氢量不大于25010-6。锆合金在书中腐蚀时会放出氧，其中5%20%通过

4、氧化膜扩散到锆合金中使包壳脆化。 （10）燃料元件内每立方厘米自由冷空间（指室温下轴向气腔、芯块-包壳环形间隙、芯块碟形空间和芯块开口孔体积）的含水量应低于2mg。二氧化铀芯块表面极易吸收水分，当反应堆启动后，这些吸附水即挥发出来并被辐照分解成氢和羟基。如包壳内表面氧化膜出现缺陷时，氢即从缺陷处穿过氧化膜而局部使包壳氢脆破损。,8,11.2 燃料元件材料、尺寸的选择,燃料元件可设计成各种形状，但由于棒状元件加工装配比较容易、刚性好等特点，因此在核电厂中一般都采用棒状元件。压水堆燃料元件的结构见下图。,9,10,11.2.1燃料,11.2.1.1 材料选择 二氧化铀 优点：抗辐照能力强、对裂变气

5、体包容量大、辐照下尺寸变化很小、比 燃耗高、熔点高、高温稳定性好、极好的抗高温水及钠的腐蚀能力、与包壳相容性好。 缺点：导热性能差、燃料元件内径向温度梯度大、热应力会使圆柱状的芯块产生辐射状裂缝、同时晶体结构也会改变。,左图为二氧化铀结构。由于二氧化铀突出的化学稳定性及辐照下尺寸稳定性足以超过热导率低的缺点，因此目前轻水堆、重水堆都采用二氧化铀做燃料。,UO2的晶胞,11,（1）热膨胀 未经辐照的二氧化铀的热膨胀可用三阶多项式表示： 式中 线性热膨胀；T温度， （2）燃料肿胀 肿胀：二氧化铀受辐照后体积增大的现象称为肿胀。气体裂变产物气泡的形成和固体裂变产物的积累就是造成肿胀的原因，肿胀的程度

6、与燃料密度有关。,芯块受辐照后外形的变化及应对措施,12,二氧化铀的肿胀可用下述经验公式计算： 式中 -肿胀引起的相对体积膨胀；f 密度修正因子， -初始孔隙率；F几何因子，F=100； -100%密度的肿胀速率， b比燃耗（MWd/t),13,蠕变的影响因素：应力、温度、晶粒大小、密度、裂变率。 二氧化铀的蠕变方程为：,（3）蠕变和热压缩,14,（4）燃料的密实化 在制造氧化物燃料时，通常把实际密度控制在理论密度的92%97%，以便为裂变产物造成的肿胀提供一定的自由体积。但降低密度会引起燃料的密实化效应。燃料的密实化效应表现为元件棒中燃料柱长度的缩短和芯块半径的减小。 已提出二氧化铀密实化的

7、三种机理： 辐照导致孔隙的消除 热压缩 热烧结,15,辐照是使燃料密实的一个主要因素。辐照增加了空穴在芯块内扩散系数，由于裂变碎片穿过气孔而在燃料中产生空穴，以及这些空穴的一部分向表面扩散，从而造成了燃料密实化。 二氧化铀芯块的热压缩是由于燃料柱的自重，及包壳-芯块之间的相互作用造成的。尤其是端面不垂直而引起的芯块歪斜，或破裂的芯块挤在一起使燃料柱在元件棒轴向某个位置上造成堵塞。而且由于燃料和包壳的热膨胀不同，因此在功率增长时将在燃料柱上造成大的压缩载荷，气孔闭合，燃料柱就收缩。 烧结对燃料密实化有促进作用。尤其对液态金属快中子增值堆，因此它比轻水堆的温度高，通常认为气孔的闭合是压力下烧结的结

8、果。,16,（5）燃料芯块的破裂 反应堆刚一启动并在燃料元件发生明显的肿胀或蠕变之前，燃料芯块实际上就已经产生了裂纹，且以径向裂纹为主。（热应力超过燃料的拉伸断裂强度） （6）裂变气体的释放 在裂变产物原子中大约有15%为气体，其中主要是氪、氙和碘（高温下为气态）。当裂变气体到达任一种与燃料棒的自由空间相连通的地方，就认为气体从燃料内释放出来。 裂变气体的释放份额F可按下述经验公式计算：,芯块中心温度,芯块表面温度,17,11.2.1.2 密度的确定,二氧化铀芯块密度的高低由吸水性、密实效应、辐照肿胀等因素决定。通常取实际密度为理论密度（TD)的92%97%因为二氧化铀吸收水分能力很强，在制造

9、和存放过程中会吸收大量水分，吸附水的含量与芯块实际密度大小有关。由图11-1可见，吸水量随芯块密度的增加而减小。密度越小，则芯块内含水量越高，使包壳氢脆的危险性越大，而且密度越小，辐照过程中产生密实化的程度也越大。,18,11.2.2 包壳,19,铝合金 生产工艺成熟 中子吸收截面小、导热性好、容易加工 熔点低、耐热性能差，在高温水中存在晶间腐蚀 -只能用于250以下的反应堆，主要是实验堆和生产用堆。 镁合金 塑性好，热中子吸收截面小，抗氧化能力强，容易加工 延展性高，对辐照和热循环引起的应力变化适应能力强 抗蠕变能力，对保证燃料元件的完整性有利 熔点较低(650),不允许在高于550条件下使

10、用。 锆合金 锆的热中子吸收截面很低 锆合金保持锆原有优良性能的同时，提高其强度和耐腐蚀能力 锆合金相变延展性下降；在水中会发生高温腐蚀；锆合金的吸氢和氢脆效应；辐照脆化；锆合金包壳在压水堆工作温度和应力范围内显著蠕变；高温下，锆水反应；,燃料元件包壳材料,20,下面对锆合金性能再做进一步介绍。,（1）热膨胀 为了精确地预计包壳的形状尺寸以及燃料包壳间的间隙大小，必须考虑包壳在加热和冷却期间的尺寸变化。 在正常运行温度下，锆合金呈密集六方结构的相，而在高温时转变成体心立方结构的相。相变大约在769.8开始，994.8 结束。,21,假设锆合金的轴向织构与锆合金冷轧板的纵向性能相似，径向和冷轧板

11、的厚度方向性能相似，轴向与冷轧板的横向性能相似，则从室温到1090K的范围内锆合金包壳的热膨胀可按下式计算：,：径向热膨胀,：轴向热膨胀,22,（2）包壳的形变 应力与应变的关系可用两个方程来表示，在弹性区间内按照胡克定律：,真实应变,真实应力,弹性模量,在塑性区内按指数关系计算：,强度系数,无量纲的应变硬化系数,应变敏感系数,应变速率,23,在温度为300KT1090K范围内弹性模量可表示为：,在温度为300KT755K范围内，未辐照锆合金的应变硬化系数n满足方程：,T为温度，K。温度高于755K时认为n是常数，且等于755K时候的值，即n=0.057.,24,未经辐照的冷加工锆合金管及退火

12、板材的强度系数 可表示为：,866KT2098K,755KT866K,300KT755K,强度系数单位N/m2，敏感系数m在温度低于750K时是很小的，可取m=0.02，在750K 1090K 范围内,25,（3）强度和延性,锆合金的加工性能取决与先前的工艺历史，特别是与管子制造的后一道冷加工量和退火温度有关。,辐照强化：锆合金在中子辐照下，极限强度和屈服强度提高，延性降低。这种现象称为辐照强化。其程度与辐照剂量、辐照温度及冷加工量有关。,26,（4）蠕变,蠕变是材料受到恒定应力时产生的与时间有关的塑性应变。这种应力一般低于该材料的屈服强度，在第一阶段锆合金的蠕变以渐减的速率进行，应变与时间的

13、关系可用下式表示：,A 是所加应力的函数，t为时间。随后蠕变速率达到最小值，并基本保持不变，这就是第二阶段的蠕变，在这个阶段应变等于常数乘以时间。到第三阶段，蠕变速率随时间迅速增大，最后发生断裂。这个阶段的蠕变速率也可以用与上式类似的函数表示只是时间指数大于一。,27,锆合金的蠕变是应力、时间、温度和中子注量率的函数，也与冷加工量有关。 中子辐照对锆合金蠕变性能有显著影响，总的趋势是：蠕变速率往往成数量级增加;第二阶段蠕变速率长期稳定，而堆外试验时第二阶段蠕变速率逐渐减小；断裂时的延性提高，以致在第三阶段开始到断裂之间要经过一段较长时间。,28,堆内实验数据表明冷加工锆合金包壳的横向蠕变速率为

14、：式中： -横向蠕变速率，m/(m.s); R=8.3150J/(molK)；T- 温度，K；t- 时间，s； - 能量大于1MeV的快中子注量率， - 横向应力，,29,（5）腐蚀性能和吸氢 锆合金在高纯水或蒸汽中与水反应生成一层氧化膜，化学反应式：锆合金的氧化过程可分为两个不同的阶段；转折前阶段和转折后阶段。这两个阶段交替过程称为转折。氧化的一般规律可用增重随时间的变化来表示：式中： 单位面积上增重，mg/dm2； t 时间，d； A 腐蚀常数。 转折前阶段生成的氧化膜是次化学配比的，呈黑色。这层膜紧密地附着在锆合金的基体上，具有良好的保护作用。在232316温度范围内的水中腐蚀时，氧化规律为:,30,转折后阶段生成的氧化膜是化学配比的，呈灰色和白色。当膜厚增长到一定厚度时可发生剥落现象。氧化规律可表示成:即转折的氧化规律为线性关系。 吸氢是锆合金的一个重要问题，伴随锆合金腐蚀而产生的吸氢进一步促进了锆合金的破坏过程。氢所造成的危害程度与氢化锆是否形成、形成后氢化锆的量及氢化锆的分布状态有密切关系。氢化锆本身是脆性的，当它在锆合金中以片状形态析出时，使完整的锆合金在一些局部的位置上被分断，因而降低了锆合金的韧性而产生氢脆。,31,锆合金中氢通常有三个来源：(a)锆合金加工过程中作为杂质带到锆合金中；(b)从介质中吸氢，压水堆中冷却剂水可溶解一定量