耐事故包殼中子經濟性分析*

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(中國核動力研究設計院 核反應堆系統設計技術重點實驗室,四川 成都 610213)

日本福島核事故之后，核燃料在事故工況下的安全性越來越受到重視。為了提高反應堆的安全性，提出耐事故的概念。除核燃料采用TRISO顆粒等耐事故形式外，包殼也需要采用耐事故包殼材料。耐事故包殼材料可以防止鋯合金包殼燃料可能出現的“鋯水”反應，同時在深燃耗或一些極限工況下能夠承受更高的溫度，保持燃料棒包殼結構完整性，阻止芯體內的裂變產物釋放到包殼外的冷卻劑中，在反應堆中起到更牢固的防線作用。

目前主流的耐事故包殼有SiC、FeCrAl以及鋯合金SiC涂層包殼等，此外還有304SS、310SS以及APMT[1-3]等不銹鋼材料也在研究之列。SiC包殼具有耐高溫特性，同時與FCM燃料基體SiO2具有很好的相容性。FeCrAl不僅能夠有效防止堆芯可能出現的“鋯水”反應，而且中子經濟性優于不銹鋼材料。

本文主要分析幾種常見的耐事故包殼材料相比傳統壓水堆中鋯合金包殼的中子經濟性，為耐事故包殼用于堆芯核設計做借鑒和指導。

1 分析程序與方法

本文計算程序采用HELIOS[4]，它是二維組件(柵格)中子/光子輸運計算程序，使用包含200多種核素的190群核截面數據庫，采用子群法共振計算模型和中子流耦合碰撞概率法(CCCP方法)輸運計算模型，能夠處理各種復雜幾何結構的組件，其適用性廣、計算精度高。

以傳統壓水堆組件鋯合金包殼作為對照，分析將鋯合金包殼替換為不同材料的其他包殼時組件的中子學特性，然后分析不同包殼厚度對組件中子學影響，以及采用與鋯合金包殼厚度的其他包殼材料時，若要達到鋯合金包殼相同的壽期，需要采用何種富集度，用以指導堆芯堆芯核設計。

2 不同包殼中子經濟性

表1給出了包殼材料FeCrAl、SiC、304SS、310SS和APMT的材料成分及密度。以鋯合金包殼標準AFA3 G組件為參考對象，依次將標準AFA3 G組件的鋯合金包殼替換成表1中的五種材料。分析鋯合金SiC涂層包殼時，按包殼中鋯合金和SiC涂層厚度相同處理，進行燃耗計算，并與AFA3 G原有的鋯合金包殼結果進行比較。計算過程中燃料富集度統一取4.45%，慢化劑中硼濃度取700 ppm，包殼內外徑分別為0.4180 cm和0.4750 cm。

表1 候選包殼材料成分和密度Table 1 Composition and density of candidate cladding materials

不同包殼材料組件燃耗計算結果見表2，燃耗曲線如圖1所示。從計算結果可知：與鋯合金相比，由于Fe的中子吸收截面較大，Fe基合金包殼的中子經濟性低于鋯合金包殼;而FeCrAl、APMT的中子經濟性要高于304SS、310SS，主要原因是304SS、310SS材料中含有吸收截面較大的Ni；而SiC的中子經濟性要高于鋯合金。按中子經濟性由高到底排序為：SiC>SiC涂層>Zr>FeCrAl>APMT>304SS>310SS。

圖1 不同包殼材料組件kinf隨燃耗變化曲線Fig.1 Variation curve of kinf vs.burnup of fuel assemblies with different cladding materials

表2 不同包殼材料組件kinf隨燃耗變化Table 2 Variation of kinf vs.burnup of fuel assemblies with different cladding materials

為了達到相同壽期，需要提高Fe基合金包殼的燃料富集度，以增加235U裝量[5]，或者減小包殼厚度(可能改變燃料裝量)；SiC相比Zr中子經濟性更好，SiC包殼可以比鋯合金包殼略厚。

3 包殼厚度敏感性分析

表3給出了不同包殼厚度的計算方案，改變包殼厚度時有兩種方案：一是保持包殼外徑和氣隙厚度不變，包殼厚度減小將直接導致芯體外徑減小，在富集度一定的情況下，影響燃料裝量；二是保持包殼內徑和氣隙厚度不變，芯體外徑因此保持不變，包殼厚度減小將導致包殼外徑減小，降低堆芯中冷卻劑含量，降低水鈾比，影響燃料利用率。敏感性分析中燃料富集度取4.95%。表3中方案2是當前AFA3 G組件鋯合金包殼的尺寸，作為對比對象；方案1～5是保持包殼外徑不變，包殼厚度變化時各計算方案；方案6～9是保持包殼內徑不變，包殼厚度變化時各計算方案。分析不同包殼厚度壽期末(60 000 MW·d/tU)組件kinf與參考狀態的組件kinf差別，即Δkinf。Δkinf定義為：

表3 不同包殼厚度的組件計算方案Table 3 Calculation schemes for fuel assemblieswith different cladding thickness

表4 不同包殼厚度組件計算方案的壽期末ΔkinfTable 4 Δ kinf of fuel assemblies with differentcladding thickness at the end of life

表5給出滿足壽期要求，即壽期末(60 000 MW·d/tU)Δkinf為0時，各包殼材料對應的包殼厚度。從表5可以看出，若燃料富集度維持4.95%不變，為達到與AFA3 G組件相同的壽期，若采用FeCrAl包殼，包殼厚度需降至0.25 mm；若采用SiC包殼，包殼厚度可增加至0.68 mm；其他Fe基合金包殼的厚度也需大幅降低至0.20 mm左右。

表5 滿足壽期要求的包殼厚度Table 5 Cladding thickness meeting the life requirements

4 燃料富集度敏感性分析

表6給出了燃料富集度敏感性分析計算方案，各計算方案維持包殼厚度不變，改變燃料富集度，計算不同包殼類型下壽期末的Δkinf。表7給出表6各方案的壽期末Δkinf。從表7可以看出，若壽期末Δkinf為0，Fe基合金包殼235U富集度需增加至6.0%左右；而SiC包殼235U富集度低于4.95%。

表6 不同燃料富集度的計算方案Table 6 Calculation schemes for different fuel enrichment

表7 不同燃料富集度的壽期末ΔkinfTable 7 Δ kinf of fuel assemblies with differentfuel enrichment at the end of life

表8給出滿足壽期要求，即壽期末(60000 MWd/tU)Δkinf為0時，各包殼材料對應的235U富集度。從表8中可以看出，為達到與AFA3 G組件相同的壽期，采用FeCrAl包殼，235U富集度需增加到5.70%；而采用SiC包殼，235U富集度可降至4.85%；其他Fe基合金包殼富集度需增加到至少5.80%。

表8 滿足壽期要求的燃料富集度Table 8 Fuel enrichment meeting the life requirements

5 結論

本文對包殼材料FeCrAl、SiC、304SS、310SS和APMT進行中子經濟性分析，分析的目標燃耗為60 000 MWd/tU，并與鋯合金包殼進行比較。按中子經濟性由高到底排序為：SiC>SiC涂層>Zr>FeCrAl>APMT>304SS>310SS。保持包殼外徑不變，為達到與鋯合金包殼相當的燃耗深度，采用相同的包殼厚度，FeCrAl包殼富集度將超過5%，達到約5.70%；若富集度保持4.95%，FeCrAl包殼厚度需降至0.25 mm。SiC可以采用更厚的包殼厚度達到與鋯合金包殼相當的燃耗深度，4.95%富集度時，包殼厚度可增加至0.68 mm。FeCrAl包殼工程設計時，可以考慮在增大包殼內徑的同時適當增大包殼外徑，但冷卻劑減少對熱工水力的影響以及水鈾比降低對物理的影響，需開展進一步研究分析。