反應(yīng)堆設(shè)計原理3燃料元件設(shè)計準則和限制課件

3.1設(shè)計準則和限制的概述3.2壓水堆核電廠燃料組件設(shè)計準則3.3實驗快堆燃料組件設(shè)計準則,3燃料元件設(shè)計準則和限制,1,PPT學習交流,3燃料元件設(shè)計準則和限制,燃料組件是堆內(nèi)操作的最小單位，產(chǎn)生裂變熱能，并為冷卻劑提供恰當?shù)牧鞯溃瑢崃繋С鋈剂辖M件。保證燃料組件及其零部件能在高溫，高快中子注量及冷卻劑沖刷下，直至壽期末保持組件結(jié)構(gòu)基本完整，能進行正常的工藝運輸操作。對燃料組件設(shè)計（包括燃料組件結(jié)構(gòu)、材料、力學性能、熱工性能和輻照性能）應(yīng)遵守設(shè)計準則，通過計算分析表明設(shè)計滿足設(shè)計準則，最后燃料組件通過堆內(nèi)、外試驗驗證設(shè)計的安全可靠性。燃料元件是組件主要部分，保持燃料元件在整個壽期內(nèi)的完整性是核電廠正常運行的基本要求。包殼破損的原因是由多方面因素引起的,有些只要有預(yù)防措施就能避免。在已有經(jīng)驗和分析基礎(chǔ)上,對可能引起破裂的各種因素,作了若干可以定量檢查的規(guī)定和限制。,2,PPT學習交流,壓水堆燃料元件設(shè)計的出發(fā)點核歸宿是：堆芯（包括燃料元件）及其相關(guān)的冷卻系統(tǒng)、控制保護系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)共同保證,1)在工況、下，燃料元件應(yīng)保證其完整性，可能發(fā)生少量的燃料棒隨機破損，其所釋放的放射性物質(zhì)應(yīng)在反應(yīng)堆凈化系統(tǒng)的凈化能力之內(nèi)。2）在發(fā)生類工況后，堆芯中破損的燃料棒數(shù)僅占燃料棒總數(shù)的一個小份額，反應(yīng)堆能處于安全狀態(tài)，經(jīng)過一段長的停堆時間，反應(yīng)堆能恢復(fù)運行。3）在發(fā)生工況后，燃料棒的破損不應(yīng)對公眾健康和環(huán)境造成超過標準規(guī)定的危害，堆芯應(yīng)保持可冷卻的幾何形狀，反應(yīng)堆處于次臨界狀態(tài)。以上3條也稱為設(shè)計基準。是靠核電廠的各有關(guān)系統(tǒng)共同保證的，燃料元件只是其中之一。,3,PPT學習交流,3.1設(shè)計準則和限制的概述（以壓水堆為例）,包殼破損的原因是由多方面因素引起的,有些只要有預(yù)防措施就能避免。在已有經(jīng)驗和分析基礎(chǔ)上,對可能引起破裂的各種因素,作了若干可以定量檢查的規(guī)定和限制。下面列出輕水堆自立型二氧化鈾混合芯塊、鋯合金包殼燃料元件的限制條件。這是針對第、類工況最不利條件作的規(guī)定,即考慮到設(shè)計熱通道因子及其誤差時的最大超功率,再加上設(shè)計裕度后應(yīng)符合的條件。,4,PPT學習交流,1）燃料溫度與包殼溫度燃料溫度不應(yīng)過高,以防止：(1）燃料芯塊膨脹過多；（2）燃料芯塊不穩(wěn)定（密實化）；（3）裂變氣體遷移和釋放過多；（4）燃料芯塊和包殼間有害的化學反應(yīng)。目前以限制燃料中心最高溫度低于二氧化鈾熔點為有效的預(yù)防措施?？紤]到熔點隨燃耗而降低,一般取燃料設(shè)計最高溫度約為2600左右。包殼表面溫度在金屬與氧化物的界面處穩(wěn)態(tài)運行時不超過400，對短時瞬態(tài)運行不超過425。,5,PPT學習交流,2）包殼的應(yīng)變范圍作為包殼可能發(fā)生破損的主要限制指標之一是包殼的最大應(yīng)變值,包括彈性和塑性應(yīng)變。造成包殼穩(wěn)態(tài)應(yīng)變的直接原因有：（1）冷卻劑壓力；（2）二氧化鈾或混合氧化物芯塊的輻照腫脹；（3）當功率、溫度變化時,二氧化鈾和包殼間不同的熱膨脹；（4）裂變氣體在包殼內(nèi)的積累,并引起內(nèi)壓上升。鋯合金包殼受輻照和氫化物沉積的影響,使其延性進一步下降。經(jīng)驗表明最大許用應(yīng)變值不應(yīng)超過1左右；因為這時已有一些試樣發(fā)生了破損。,6,PPT學習交流,3）包殼應(yīng)力準則規(guī)定在整個設(shè)計壽期內(nèi)，包殼的體平均當量應(yīng)力不應(yīng)超過考慮了溫度和中子輻照影響的包殼材料屈服強度。在燃料棒設(shè)計中，不允許包殼全面屈服，故提出此準則加以保證。所謂的體平均當量或有效應(yīng)力，是由包殼內(nèi)外壓差和芯包接觸壓力而形成的徑向、切向和軸向應(yīng)力分量，應(yīng)用最大變形能理論，通過包殼壁厚積分得到的。,7,PPT學習交流,4）內(nèi)部氣體壓力隨著燃耗的增加,從芯塊釋放出來的裂變氣體量增多,使內(nèi)壓上升。準則規(guī)定在整個設(shè)計壽期內(nèi)，燃料棒內(nèi)壓應(yīng)低于可能因包殼向外蠕變使燃料芯塊包殼接觸后重新出現(xiàn)徑向間隙或者使間隙變大的值。以防止：（1）芯塊和包殼間間隙增加,這會造成芯塊溫度自動升高而進一步釋放裂變氣體的惡性循環(huán)；（2）當冷卻劑失壓時,會導(dǎo)致包殼塑性變形,即造成局部鼓脹,阻塞流道,進而影響其周圍燃料元件的正常冷卻。因此，對最大燃耗棒棒內(nèi)壓允許超過系統(tǒng)壓力。這取決與元件棒設(shè)計和輻照條件。,8,PPT學習交流,5）包殼循環(huán)應(yīng)變堆功率變化等因素將引起燃料元件包殼的循環(huán)應(yīng)變。使有可能在包殼達到最大許用應(yīng)變值之前,先發(fā)生疲勞破損。因此根據(jù)疲勞壽命來制定循環(huán)應(yīng)變的限制范圍,ni在給定有效應(yīng)變范圍下的循環(huán)次數(shù)；Ni在給定有效應(yīng)變范圍下允許的循環(huán)次數(shù)。實際循環(huán)次數(shù)要限制在設(shè)計循環(huán)壽命的80%以下。應(yīng)避免由于環(huán)脊造成包殼徑向過分變形,這要求注意芯塊端面形狀和尺寸的設(shè)計。應(yīng)避免由于熱棘輪現(xiàn)象造成包殼過分變形。,9,PPT學習交流,環(huán)脊現(xiàn)象燃料芯塊是有限長的圓柱體，在溫度梯度下，芯塊中心溫度明顯地比外圍高，因此芯塊發(fā)生熱膨脹變形而呈砂漏形，當芯塊與包殼貼緊后，燃料棒外觀出現(xiàn)環(huán)脊（竹節(jié)狀）。環(huán)脊位置在兩個芯塊的界面上，該處是包殼應(yīng)力最集中的地方，往往造成破裂，環(huán)脊高度與芯塊端面形狀有關(guān)，平端面和倒角的芯塊在高的發(fā)熱率下可能產(chǎn)生的環(huán)脊高度較?。欢味嗣嫘緣K可能產(chǎn)生的環(huán)脊高度較大，這與芯塊凸肩受壓力向外翻轉(zhuǎn)有關(guān)。碟形端面主要是為抵消芯塊腫脹引起的軸向變形，采用碟形端面和倒角的芯塊可使芯塊變形減小。,10,PPT學習交流,11,PPT學習交流,12,PPT學習交流,6）包殼的腐蝕包殼強度計算時規(guī)定了包殼允許的腐蝕深度應(yīng)小子壁厚的10。按常規(guī)腐蝕速度估計燃料元件壽期時,應(yīng)注意到鋯合金的腐蝕有自動加快的趨向,因為形成的鋯氧化層熱導(dǎo)率低,這將使氧化層和鋯包殼交界面以內(nèi)的溫度上升,同時會增加腐蝕速率。,13,PPT學習交流,表面腐蝕均勻腐蝕其間有轉(zhuǎn)折點，轉(zhuǎn)折前腐蝕速率低，薄的黑色膜有光澤且平滑。有很高的耐腐蝕性能。當膜厚達到2-3m出現(xiàn)轉(zhuǎn)折時，膜變成灰色，膜厚至50-60m時變成白色。是疏松的易剝落的。,圖5-2Zr-2和Zr-4合金的腐蝕動力學曲線示意圖,14,PPT學習交流,非均勻腐蝕癤狀腐蝕，外觀形貌呈白色氧化膜圓斑，直徑約0.5mm，深度達10-100m，隨著燃耗加深，腐蝕斑擴展成片?？p隙腐蝕，它發(fā)生在定位格架和包殼管接觸部位，由于縫隙處水流阻力大，幾乎不流動，在熱流作用下，水質(zhì)發(fā)生變化，引起嚴重堿蝕，并且隨燃耗加深而增加。嚴重的非均勻腐蝕行為也會影響燃料棒壽命。,15,PPT學習交流,7）包殼的吸氫鋯合金在水中腐蝕時會產(chǎn)生氫,其中的一部分氫（約5-20）會通過氧化層擴散到鋯合金中去,在高溫時固溶在基體中，氫在鋯中的固溶度隨溫度而變化，室溫下固溶度很小，當合金中固溶度超過極限固溶度時，氫將以氫化物（ZrH1.5）小片析出，成為材料中的裂紋源，引起氫脆。準則曾規(guī)定,壽期末包殼中的含氫量應(yīng)小于250g/g,超過600g/g時則決不能采用。目前中國去掉了該項，反應(yīng)在包殼溫度和腐蝕厚度中了。,16,PPT學習交流,包殼中氫化物析出,17,PPT學習交流,內(nèi)氫化破損,18,PPT學習交流,8）燃料中的含水量準則規(guī)定：在反應(yīng)堆額定功率運行工況下，燃料棒內(nèi)每立方厘米自由熱空間的當量水含量應(yīng)低于2mg。所謂自由熱空間包括軸向氣腔、芯包環(huán)形間隙、芯塊碟形空間和芯塊開口孔體積。已經(jīng)在一些反應(yīng)堆中發(fā)生過鋯合金的氫化破損。二氧化鈾芯塊很容易從周圍環(huán)境中吸收水分,在燃料元件在反應(yīng)堆中功率運行后,這些水分又會釋放出來,并被輻照為原子氫和氫氧根,氫將被鋯合金吸收。如果氫產(chǎn)量過大,被鋯合金吸收的氫量大于隨溫度梯度擴散的量,則氫化鋯鼓泡將長大。這時包殼會在很低的應(yīng)力下破損。預(yù)防的措施是限制芯塊中的含水量不超過10g/gU。目前也有很多國家規(guī)定在芯塊的總氫（含水分）含量不超過1.3g/gU。,19,PPT學習交流,圖5-3內(nèi)氫化破損（Sunburst）,20,PPT學習交流,9）燃料芯塊的穩(wěn)定性在一定條件下,燃料芯塊柱的收縮可能產(chǎn)生芯塊密實化。其結(jié)果將使芯塊和包殼間間隙增大,引起芯塊溫度上升。也會使包殼由于失去支撐而倒塌。密實化的速率取決于芯塊中氣孔尺寸,燃料密度和晶粒大小等因素。實驗結(jié)果表明，采用大晶粒(大于16m)和適量小氣孔(小于2m)的芯塊,可以消除芯塊密實化引起的影響。,21,PPT學習交流,3.2燃料組件設(shè)計準則,1燃料組件所用各種材將必須符合國際、部標或有關(guān)堆用材料標準。2以合適的方式使燃料棒在燃料組件中定位和燃料組件在堆芯中定位,以構(gòu)成并維持在工況、可滿足物理、熱工-水力等要求的燃料幾何形狀及其徑向、軸向位置。3考慮到所有尺寸變化因素,應(yīng)允許燃料棒和燃料組件軸向和徑向自由膨脹。4燃何組件用能承受工況、流體力產(chǎn)生的振動、腐蝕、升力、壓力波動和流動不穩(wěn)定性的各種作用。5燃料組件應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向管以為控制棒提供通道,并考慮到快速落棒要求和為快速落捧提供必要的緩沖,導(dǎo)向管應(yīng)能承受壓力瞬態(tài)作用和由控制棒動作引起的磨蝕與沖擊。,22,PPT學習交流,6燃料組件均應(yīng)能容納控制棒、可燃毒物、中子源、阻力塞各組件及準芯測最裝置,并為它們提供足夠的冷卻劑流量。7燃料組件在堆內(nèi)應(yīng)能承受橫向和軸向載荷作用,其變形應(yīng)在恰當規(guī)定的限制之內(nèi)；可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的任何載荷值應(yīng)低于相應(yīng)的失穩(wěn)臨界載荷值。8對工況、的負荷,應(yīng)按下述規(guī)定進行部件強度設(shè)計：a.奧氏體不銹鋼部件部件應(yīng)力強度按第三強度理論計算,設(shè)計應(yīng)力強度（Sm）取下述最低值：室溫下規(guī)定的最小抗拉強度的1/3或規(guī)定的最小屈服強度的2/3；設(shè)計溫度下抗拉強度的l/3或屈服強度的90,但不能超過室溫下規(guī)定的最小屈服強度的2/3。許用應(yīng)力強度限值見表1。b.鋯-錫合金部件（不包括鋯-錫合金包殼管）最大主應(yīng)力不超過未經(jīng)輻照的、工作溫度下的鋯-錫合金屈服強度,或用最大剪切理論評價鋯-錫合金部件設(shè)計。,23,PPT學習交流,表2奧氏體不銹鋼部件,表中Su為材料抗拉強度，Sm定義同前。表3鋯-錫含金部件（不包括鋯-錫合金包殼管）,表中Sy和Su分別為未經(jīng)輻照的、工作溫度下的鋯-錫合金屈服強度和抗拉強度,24,PPT學習交流,10在6g（g為重力加速度）非運行載荷下,燃料組件及其部件應(yīng)保持尺寸穩(wěn)定性。11堆芯中所有燃料組件,在結(jié)構(gòu)上必須有互換性,即任一燃抖組件都能在堆芯中安裝并互換位置。12燃料組件上應(yīng)為其操作、運輸和準芯中的裝卸提供抓取和接觸部位,它們應(yīng)能承受相應(yīng)操作、運輸和堆芯中裝卸時的載荷并與所用相關(guān)設(shè)備相容。13燃料組件應(yīng)設(shè)置必要的標識符號。,25,PPT學習交流,3.3實驗快堆燃料元件與組件設(shè)計準則,按本標準設(shè)計的燃料組件與反應(yīng)堆控制系統(tǒng)、保護系統(tǒng)、應(yīng)急堆芯冷卻系統(tǒng)等一起應(yīng)保證做到：在正常運行及預(yù)計運行事件下，燃料組件在設(shè)計壽期內(nèi)不發(fā)生持久性包殼破損和燃料熔化事故；可能發(fā)生少量包殼隨機破損：燃料棒氣密性破損率不大于0.05%；燃料與冷卻劑發(fā)生接觸的燃料棒破損率不大于0.005，其所釋放的放射性物質(zhì)應(yīng)在一回路鈉凈化系統(tǒng)的凈化能力之內(nèi)。在事故工況下，燃料棒氣密性破損率不大于0.1%；燃料與冷卻劑發(fā)生接觸的燃料棒破損率不大于0.01，反應(yīng)堆仍處于安全狀態(tài)，經(jīng)過一定的停堆時間，反應(yīng)堆能恢復(fù)運行。在嚴重事故工況下，燃料棒的破損不應(yīng)對公眾健康和環(huán)境安全造成超過國家標準的危害，燃料組件應(yīng)保持可冷卻的幾何形狀，且反應(yīng)堆應(yīng)處于次臨界狀態(tài)。,26,PPT學習交流,3.3.1燃料棒設(shè)計準則1）在正常運行工況和預(yù)計運行事件工況下，燃料的中心溫度不超過它在該燃耗下的熔點，包殼的最高溫度不超過700。包殼安全運行限值為800。2)燃料芯塊密度和芯包間隙的選擇，要確保在設(shè)計壽期內(nèi)，在正常運行工況和預(yù)計運行事件工況下，燃料塊的熱膨脹、熱蠕變、輻照腫脹等變形，應(yīng)在包殼內(nèi)調(diào)節(jié)，以避免燃料芯塊與包殼之間發(fā)生互相機械作用。3)(Pu,U)O2均勻度和單個PuO2粒子大小應(yīng)保證提供足夠的負瞬發(fā)多卜勒反應(yīng)性系數(shù)。4)燃料棒內(nèi)應(yīng)留有足夠的裂變氣體貯存空間，保證當100的裂變氣體釋放，包殼內(nèi)的壓力不得超過允許值。5)在壽期末，包殼的應(yīng)變累積損傷和疲勞損傷的壽命份額之和為：,27,PPT學習交流,式中：tr(Qi,)在溫度Qi和應(yīng)力下包殼的破損時間；t在溫度Qi和應(yīng)力下包殼的實際工作時間；Nr-在有效應(yīng)變j下允許的循環(huán)次數(shù)Nj在有效應(yīng)變j下包殼的實際循環(huán)次數(shù)。6)包殼應(yīng)變量的限值：在正常運行工況和預(yù)計運行事件工況下，非彈性應(yīng)變（系指瞬時塑性應(yīng)變與蠕變之和）不得超過0.2，在事故工況下非彈性應(yīng)變不得超過0.3，在嚴重事故工況下，保持包殼完整性限制，非彈性應(yīng)變不得超過0.7。7）燃料棒的定位和支撐結(jié)構(gòu)，保證燃料棒有足夠的完整性，并防止熱彎曲引起燃料棒的位移和冷卻劑造成的水力振動。8)包殼管材料的選擇要求與周圍的材料和工作介質(zhì)相容。在壽期末，輻照引起的體積腫脹不應(yīng)超過規(guī)定限值，包殼內(nèi)外壁的腐蝕影響厚度之和不應(yīng)超過規(guī)定限值。,28,PPT學習交流,3.3.2燃料組件設(shè)計準則1)一盒燃料組件的最大裂變材料含量是組件完全浸入純水中不出現(xiàn)臨界事故，燃料組件因熱效應(yīng)和輻照效應(yīng)的引起變形的總效應(yīng)不產(chǎn)生正反應(yīng)性效應(yīng)，且不能影響燃料組件換料和控制棒組件的功能。2)燃料棒在組件