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1、第32卷第1期原子能科学技术Vol.32,No.11998年1月AtomicEnergyScienceandTechnologyJan.1998几种新型可燃毒物的特性以及在我国的应用前景黄锦华 邢 辉 程平东(上海核工程研究设计院,200233)阐述了现代压水堆可燃毒物的设计要求,评价了几种新型可燃毒物的主要特性,提出了在我国研制和应用新型可燃毒物的具体建议。关键词可燃毒物 堆芯燃料管理 压水堆中图法分类号TL345TL421111 现代压水堆可燃毒物的设计要求[1,2]深燃耗、长循环、低泄漏是现代
2、压水堆堆芯燃料管理优化的本质所在。在核电发达国家,现在运行中燃料的区域平均卸料燃耗的目标是45GWdöt,90年代新一代燃料组件的卸料燃耗可望达到55GWdöt,甚至更高;绝大多数电厂的循环长度达到15至20个月,先进型电厂的设计要求已是24个月。系统的研究表明,低泄漏装料方式通常可使堆芯外围组件功率水平下降30%—40%,平衡循环长度增加2%—5%。这些目标和特点不仅对燃料性能要求更高,而且使得可燃毒物在再装载堆芯中的作用变得十分重要。首先,在上述优化策略中,提供足够数量的可燃毒物,实现长期反应性
3、控制和慢化剂温度系数控制是必不可少的。但大量使用可燃毒物可能造成的循环末期反应性残留惩罚及其对后续循环的影响以及挤水效应等将会成为改善燃料循环经济的制约因素。另一方面,在上述优化策略中,通过可燃毒物合理的空间配置,实现轴向和径向功率分布整形,限制过大的功率峰,降低热工裕度的损失以满足安全要求,更是必须解决的突出问题。这样,功率分布控制的有效性就成为评价可燃毒物的另一个限制性条件。消除可燃毒物在燃料循环经济中的不利影响,以及必须在实现功率分布控制目标的情况下对所有可能使用的可燃毒物加以评价,导致了复杂
4、得多的要求。综合以上分析,可以看到,为了满足现代压水堆堆芯燃料管理的需要,新型可燃毒物设计[3]的基本要求主要涉及2个方面。一是能够获得最大的燃料利用率、降低燃料循环成本。关键之点是可燃毒物吸收过剩中子的能力随着运行平稳下降,以把可燃毒物束缚的反应性在燃耗过程中逐渐地、最终充分地释放出来,这包括更好地耗尽可燃吸收体、减少包壳等结构件的吸收和减少慢化剂挤出。二是能够提供良好的功率分布控制能力。关键之点是实现可燃毒物的消耗黄锦华:女,55岁,核反应堆燃料系统设计专业,研究员级高级工程师收稿日期:1997
5、205208 收到修改稿日期:1997208203第1期 黄锦华等:几种新型可燃毒物的特性以及在我国的应用前景91与燃料燃耗在速率及在空间关系上的最佳匹配,这主要包括可燃毒物在堆芯配置的灵活性、良好的运行可预测性、对燃料传热性能的影响和对燃料局部富集度的影响。在新型可燃毒物的设计中,易于制造、良好的辐照性能、与燃料及其包壳的相容性、换料时易于操作与处理等要求也与安全性和经济性密切相关。2 几种新型可燃毒物的主要特性至今,用于压水堆的可燃毒物主要有2类,一类属离散型;另一类则与燃料结合在一起,简称为整
6、体型。离散型可燃毒物主要有包容在不锈钢包壳内的硼硅酸盐玻璃管(简称硼硅玻璃ö不锈钢)以及由环状氧化铝2碳化硼(Al2O32B4C)芯块包在两层同心锆合金管内组成的通水环状可燃吸收棒(简称WABA)。整体型可燃毒物有2种,一是以硼化锆(ZrB2)薄层涂复在燃料芯块表面上的整体燃料可燃吸收体(简称IFBA),二是稀土氧化物,如氧化钆(Gd2O3)或氧化铒(Er2O3)弥散在燃料中的烧结体。211 离散型可燃毒物离散型可燃毒物能成功地控制反应性,并用于功率分布控制。包容在不锈钢包壳内的硼硅玻璃在国内外在役
7、和在建核电厂中广泛使用,如国内秦山É期和Ê期、大亚湾及岭澳核电厂等。秦山É期用硼硅玻璃取代我国第一代压水型动力堆中曾经使用过的硼不锈钢可燃毒物,使首装堆芯的运行寿期延长了24个等效满功率天(EFPD),扣除对后续过渡循环的影响,净获[4]益14EFPD,相当于多发电1亿零80万kW·h。这种可燃毒物的主要缺点是较高的包壳吸收和硼残留限制了中子经济的改善,使循环末期的反应性惩罚较大,其结构形式则限制了使用的灵活性,不利于最佳换料设计的实现。基于对可燃毒物技术的综合评价以及对多种吸收体材料的考察研究,西
8、屋公司从70年代中、后期开始进行WABA的设计研究。1983年美国核管会批准了WABA设计,同年第1批WABA交货使用,现已在许多核电厂中运行,与硼硅玻璃ö不锈钢相比,WABA在核性能上具有明显的优点:包壳材料的低寄生吸收改善了中子经济,棒的内腔通水增加了可燃毒物栅元的热中子通量,提高了可燃毒物的有效性,增加了硼随燃料燃耗的消耗。这样不仅可以降低毒物的初始硼含量,而且可以使循环末的硼残留以及由硼残留造成的末期反应性惩罚大幅度下降,从而降低燃料循环成本。与硼硅玻璃ö不锈
