先进压水堆燃料组件设计特点

刘洋华　李云　王浩煜　齐　敏　黄永忠　王璐　苗一非

【摘 要】传统能源的不断减少和对环境的持续污染使核电能源的地位变得越来越重要，而进一步提高燃料组件的性能则是发展核电能源的关键方向之一。本文介绍了世界上先进压水堆燃料组件的设计特点，包括了法国的GAIA燃料组件、美国的AP1000燃料组件、俄罗斯的TVS-K方形燃料组件以及Lightbridge燃料组件等，对世界上先进燃料组件的发展潮流和趋势进行总结。

【关键词】先进燃料组件；燃料组件设计特点；发展趋势

The Design Characteristic of Advanced Nuclear Fuel Assembly

Liu Yang-hua Li Yun Wang Hao-yu Qi Min Huang Yong-zhong Wang Lu Miao Yi-fei

（National Key Laboratory Of Reactor System Design Technology， Nuclear Power Institute of China，Chengdu of Sichuan Prov. 610041， China）

【Abstract】Owing to the incessant reduce of conventional resources and constant deterionrating environment problems， nuclear energy becomes more and more significant. To further promote the performance of fuel assembly is one of the critical directions. This article introduced the design characteristic of advanced fuel assembly in the world， including GAIA， AP1000， TVS-K and Lightbridge， and concluded the developing trend of fuel assembly ultimately.

【Key words】Advanced fuel assembly；Nuclear fuel design characteristic；Developing trend

0 引言

燃料组件是压水堆核电厂反应堆的关键部件之一，对核电厂的安全性、可靠性及经济性起着十分重要的影响。世界上核电先进的国家通过对燃料组件结构进行不断改进和优化，成功提高了核电站的安全性和经济性。本文对世界上先进压水堆燃料组件进行介绍，包括GAIA燃料组件、AP1000燃料组件、TVS-K方形燃料组件以及Lightbridge燃料组件，总结和归纳先进燃料组件的设计特点。

1 GAIA燃料组件

GAIA燃料组件[1]由法国AREVA公司设计，相对于AREVA公司以往设计的AFA 2G/AFA 3G燃料组件以及HTP燃料组件，GAIA燃料组件具有更好的几何尺寸稳定性、更强的刚度以及更好的抗弯曲能力。现对GAIA燃料组件的主要部件的设计特点进行说明。

1.1 格架

格架对燃料棒的夹持造成燃料棒的磨蚀是压水堆燃料组件最常见的燃料破损原因。世界上先进的核电发展国家，通过对格架结构设计的不断优化，进而降低格架对燃料棒的磨蚀作用，降低压水堆燃料破损。

GAIA燃料组件的设计中，格架与燃料棒的接触采用多条线接触弹簧夹持的方式，使格架对燃料棒保持足够夹持力的同时并降低格架对燃料棒的磨蚀。而GAIA格架通过夹持系统布置在栅元四角位置的独特结构设计，使得格架的压降系数进一步降低，并且在一定程度上使格架的强度增加。与此同时，GAIA燃料组件定位格架的搅混翼设计，保持了燃料组件优秀的热工水力性能，并且，定位格架较厚的外条带有效提高了吊装过程中燃料组件的稳定性。GAIA燃料组件的试验结果，进一步证明了GAIA燃料组件优良的抗磨蚀性能及良好的热工水力性能。

1.2 下管座

GAIA燃料组件的下管座，通过对流水孔及下管座结构的进一步优化设计，使下管座在保证了冷却剂流量的同时并为下管座进水口提供了更多的裕量，从而有效降低了燃料棒的振动，同时为冷却剂提供了足够的压力。并且，下管座出口处形成的均匀流体分布，进一步提高了燃料组件的抗磨蚀性能。而优化改进的具有更小压降的管座设计也进一步提高了下管座防异物的能力[2]。

1.3 燃料棒

采用M5包壳的GAIA燃料棒，其芯块采用了掺Cr的UO2芯块。这样的设计结果，使燃料棒内压裕量提高的同时，也为燃料组件提供了更多的铀装量，使燃料然组件能够达到更高的燃耗，并提高了燃料组件的铀利用率。

2 AP1000燃料组件

美国西屋公司于20世纪70年代形成了压水堆17×17型燃料组件的标准设计（SFA）[3]。此后，西屋公司又开发出一系列燃料组件，其中的AP1000燃料组件已经是西屋公司研发的第三代压水堆燃料组件。现对AP1000燃料组件主要部件的设计特点进行说明。

2.1 格架

AP1000燃料组件共有15个格架，其中，因科镍合金的顶部格架及底部格架可以为燃料组件全寿期期间提供足够的夹持力。燃料组件最下端的格架为保护格架，位于底部格架和下管座之间，保护格架与导向管通过定位环点焊实现连接。AP1000燃料组件保护格架与下管座、包壳及燃料棒下端塞的設计成功降低了燃料棒的振动，降低了燃料棒的破损。在AP1000燃料组件的上半部分布置的4个跨间搅混格架提高了格架搅混能力的同时，也提高了燃料组件的抗弯曲性能及燃料组件的强度，使燃料组件的可靠性进一步提高。

2.2 下管座与燃料棒

AP1000燃料组件与西屋公司以往设计的燃料组件相比，下管座与燃料棒的排列有着很大的不同。AP1000燃料组件下管座相对于西屋以前的设计而言，下管座高度较矮，因此使燃料组件的骨架空间增大，使得燃料棒长度得以增加，长度增加后的燃料棒也减小了燃料棒活性段长度占整个燃料棒长度的比例。由于燃料棒长度的增加，使得在燃料棒底部可以增加足够尺寸的下气腔，因此进一步提高了燃料组件的燃耗及循环长度。并且增加的下气腔设计减缓了燃料芯块与包壳之间的相互作用，提高了包壳抗蠕变坍塌能力。

3 TVS-K燃料组件

TVS-K燃料组件是俄罗斯基于TVSA燃料组件及VVER-1000燃料组件的基础上研制开发的[4]。TVS-K燃料组件由VVER传统的六边形演变为四边形[5]，采用的是17×17方形设计。现对TVS-K燃料组件的设计特点进行说明。

3.1 格架

TVS-K燃料组件的定位格架由带导向翼的围板、带搅混翼的条带和带刚凸的栅元组成。其中，栅元为燃料棒提供了足够的夹持力，并且防止了燃料棒与搅混翼发生接触；搅混翼和导向翼提高了格架的搅混性能。TVS-K燃料组件的所有定位格架中均含有搅混翼的设计。

在TVS-K燃料组件的定位格架之间，设置了3个搅混格架，其功能是使流体充分混合，降低燃料棒表面的温度。通过试验表明，加入搅混格架的燃料组件的热工水力性能高于没有搅混格架的燃料组件。

TVS-K燃料组件的最下端为不含搅混翼的底部格架，其主要功能为固定燃料棒，保证燃料棒只产生轴向位移。底部格架的上端，为TVS-K燃料组件的抗磨蚀格架，抗磨蚀格架的主要功能是减少燃料棒的振动、提高燃料组件的抗磨蚀性能。

3.2 导向管

TVS-K燃料组件的导向管是具有缓冲段的变径导向管。导向管部件与燃料组件的上、下管座进行焊接，保证燃料组件完整性的同时也提高了燃料组件的抗弯曲能力。TVS-K燃料组件的导向管与AFA 3G相比，导向管壁厚大幅增加，极大地提高了整个燃料组件的刚度及抗辐照变形性能，也极大提高了燃料组件抗极端事故能力。

3.2 燃料棒

TVS-K燃料棒中的燃料芯块采用了掺杂工艺（Al2O3+SiO2）。芯块掺杂之后其晶粒尺寸变大，减小了裂变气体释放，极大地提高了燃料芯块的性能，提高燃料棒的可靠性。燃料棒包壳的合金具有优异的抗腐蚀性能，进一步提高了燃料棒的可靠性。

Lightbridge燃料组件是Lightbridge公司开发的新一代燃料组件，与传统的燃料组件设计相比，Lightbridge燃料组件做出了重大的技术改进。

Lightbridge燃料组件采用铀-锆金属合金燃料，合金中的锆含量接近50wt%[6]。铀-锆合金的材料极大地改善了燃料棒的辐照稳定性，减少了燃料棒的肿胀率，并且提高了燃料棒的熔点和抗腐蚀性能。

Lightbridge燃料组件的燃料棒采用了多叶片螺旋形式的结构，此种结构设计使得燃料棒本身就对冷却剂有着很好的搅混效果。与传统燃料棒结构相比，此种结构设计的燃料棒与冷却剂的接触面积大幅提高，进一步增强了燃料棒与冷却剂的热交换能力，降低了燃料棒表面的温度。Lightbridge燃料棒由包壳管、燃料和中心金属区三个部分构成，其中，包壳与燃料紧密贴合在一起无任何间隙。包壳与燃料紧密贴合在一起的结构设计使得燃料棒具有更高的机械强度以及抗弯刚度。中心金属采用锆合金材料，极大提高了燃料中心的导热率。

由于Lightbridge燃料组件中的燃料棒具有良好的搅混能力，Lightbridge燃料组件中并无定位格架设计。与传统燃料组件相比，这样的设计方式降低了燃料组件的压降。Lightbridge燃料组件的结构设计极大地提高了燃料组件安全性能，虽然目前Lightbridge燃料组件只是处于初步设计阶段，燃料组件性能需要通过堆内辐照试验进行判断，但是Lightbridge燃料组件的设计方向为未来燃料的发展提供了宝贵的参考价值。

5 总结

本文介绍了世界上先进燃料组件的设计特点，这些最新研发的燃料组件代表着世界燃料组件发展的潮流和方向。总结燃料组件的设计特点和发展历程，提高燃料组件的可靠性和经济性是燃料组件的总体发展趋势。由于对燃料经济性以及对燃料可靠性提出的更高要求，使得燃料组件的结构设计需要进行持续地改进。及时掌握先进燃料组件发展方向，对于我国自主研发燃料组件有着重要的意义。

【参考文献】

[1]P.Mollard， G. Gentet， N. Vollmer， F. Curca-Tivig， S. Cole， N. Garner. AREVA Advanced Fuel Design and Codes & Methods-Increasing Reliability， Operating Margins and Efficiency in Operation[J]， Sociedad nuclear Espanola，2010，1-17.

[2]ETSURO SAJI， TOSHIKAZU IDA， AKIHIRO WAKAMATSU. Development of Advanced PWR Fuel and Core for High Reliability and Performance[C].Mitsubishi Heavy Industries Technical Review.2009.

[3]Michael C. Misvel， Michael E. Conner， Ronald P. Knott. DESIGN AND DEVELOPMENT OF THE FUEL ASSEMBLY FOR THE WESTINGHOUSE AP1000 REACTOR[R]. Chengdu， China，2011.

[4]V.Markelov，V.Novikov， A.Gusev， et al. Results of development of new Zirconium materials for VVER-1000 fuel rod claddings[R]. Chengdu， China， 2011.

[5]Jaemyung Choi，Jongsung Yoo， Hyeongkoo Kim，et al. Preliminary In-Pile Performance Models of HANA Claddings[R]. Chengdu， China， 2011.

[6]Sung-Tae Yang， Kyung-Ho Roh， Ki-Young Kim. A case study of a FMEA （Failure Mode and Effects Analysis） of failed fuel assemblies for enhancement of fuel reliability[R]. Chengdu， China， 2011.

[責任编辑：朱丽娜]