丁 麗 駱貝貝 花 曉 寧 波 喬雅馨

（中國(guó)原子能科學(xué)研究院 北京 102413）

板狀燃料元件已經(jīng)用于國(guó)外很多研究堆中，國(guó)內(nèi)研究堆近年來(lái)剛開(kāi)始使用。采用板狀燃料元件的研究堆，一旦發(fā)生外來(lái)異物落入堆芯入口的意外情況，流道堵塞事故就成為一種可信事故。針對(duì)性的分析研究此類事故，提出及早探測(cè)方法與預(yù)防措施，可為以板狀燃料元件為燃料的研究堆的安全運(yùn)行提供參考，為安全監(jiān)督管理提供技術(shù)支持。

1 國(guó)內(nèi)外板狀燃料元件流道堵塞事故研究情況

1.1 板狀燃料元件特性

板狀燃料元件由于其發(fā)熱表面積大，元件表面溫度低，很多研究堆使用板狀燃料元件。常用的板狀燃料元件主要有：UO2陶瓷型，U-Al合金型以及UAlx-Al、UMo-Al、U3O8-Al、U3Si-Al和U3Si2-Al彌散型等。U3Si2-Al彌散型燃料在堆內(nèi)腫脹穩(wěn)定，反應(yīng)層內(nèi)無(wú)起泡等可見(jiàn)變化，具有良好的輻照性能。至今已有上千盒U3Si2-Al燃料組件運(yùn)行在各國(guó)研究堆中。同時(shí)有研究表明：在高熱通量（約260 W·cm-2）、高燃耗（約5×1021f·cm-3）和高燃料溫度（約140 °C）環(huán)境中，低濃度U3Si2-Al的抗輻照性能會(huì)隨著溫度的升高與燃耗的增加急劇降低。

1.2 流道堵塞事故研究情況

板狀燃料元件的板間柵距通常很小，堆芯冷卻劑流道為狹窄的矩形流道，且各流道間互不連通，一般采用強(qiáng)迫循環(huán)冷卻。因此，一旦發(fā)生外來(lái)異物落入堆芯入口的意外情況，將出現(xiàn)冷卻劑流道堵塞事故。

1.2.1 國(guó)外研究情況

1987年，美國(guó)首次將U3Si2-Al彌散型板狀燃料元件應(yīng)用于橡樹(shù)嶺研究堆（Oak Ridge research，ORR），并實(shí)現(xiàn)了低濃化［1］。1988年，美國(guó)正式批準(zhǔn)在研究堆中推廣使用鈾密度為4.8 g·cm-3的U3Si2-Al彌散型燃料元件［2］。美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）模擬計(jì)算了ANS（Advanced Neutron Source）反應(yīng)堆的堵流事故，假定了多種可能造成流道堵塞的事故，認(rèn)為當(dāng)冷卻劑流道堵塞時(shí)，堵塞流道的燃料板過(guò)熱，并導(dǎo)致相鄰燃料板溫度升高，發(fā)生變形，并進(jìn)一步影響其他鄰近的燃 料 板［3］。 日 本 也 分 析 研 究 了 HTETR（High Temperature Engineering Test Reactor）發(fā)生堵流事故后的燃料溫度分布［4］。研究認(rèn)為燃料板的破損機(jī)制是大的溫度梯度和快速淬火聯(lián)合引起的熱應(yīng)力，并給出燃料板的破損閾 82～94 cal/g·fuel，包殼表面溫度小于330°C時(shí)破損燃料板有小的晶體結(jié)構(gòu)改變，而大于400°C時(shí)由于燃料板鋁包殼熔毀，結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)大的變化［5］。

1.2.2 國(guó)內(nèi)研究情況

中國(guó)工程物理研究院的中國(guó)綿陽(yáng)研究堆（China Mianyang Research Reactor，CMRR）和中國(guó)原子能科學(xué)研究院的中國(guó)先進(jìn)研究堆（China Advanced Research Reactor，CARR）均采用U3Si2-Al彌散型板狀燃料組件。

在CARR設(shè)計(jì)、建造階段，中國(guó)原子能科學(xué)研究院對(duì)板狀燃料元件進(jìn)行了包括熱工水力、腐蝕、流致振動(dòng)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等多項(xiàng)研究與設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，并在俄羅斯MIR堆（Material Irradiation Reactor）上先后進(jìn)行了燃料組件小燃料板的輻照考驗(yàn)和整盒燃料組件的輻照考驗(yàn)［6］。清華大學(xué)也曾采用經(jīng)改良的RETRAN-02程序?qū)θ毡景鍫钊剂显咄垦芯慷袹RR3M（The Japanese Research Reactor）進(jìn)行了堵流事故模擬分析，給出事故后的物理過(guò)程的周期性變化規(guī)律。

1.3 典型板狀燃料元件流道堵塞事故實(shí)例

20世紀(jì)60～90年代，國(guó)際上發(fā)生了多起板狀燃料元件流道堵塞事故，詳情見(jiàn)表1。

2 板狀燃料元件流道堵塞事故行為物理、熱工等分析

反應(yīng)堆燃料元件流道堵塞事故的嚴(yán)重程度與事故響應(yīng)的時(shí)間息息相關(guān)，越早探測(cè)到事故發(fā)生，對(duì)事故處理就越有利，因此需要進(jìn)行燃料元件堵流事故探測(cè)技術(shù)的研究，尋找快速及時(shí)探測(cè)堵流事故的方法。為了使研究成果更貼近于研究堆實(shí)際，選取具有典型代表性（高功率密度、窄流道、高流速）的使用板狀燃料元件的CARR作為研究對(duì)象。

2.1 CARR結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及參數(shù)

CARR為稍加壓輕水冷卻、慢化，重水作為反射層的反中子阱型、池罐式反應(yīng)堆，設(shè)計(jì)核功率為60 MW。堆本體主要由導(dǎo)流箱、衰變箱和堆芯容器等部件組成，堆芯置于堆芯容器內(nèi)，其主要運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

堆芯淹沒(méi)在約700 m3的堆水池里，池水通過(guò)濾網(wǎng)與主冷卻劑系統(tǒng)相通，使水池起到了穩(wěn)壓器的作用。正常運(yùn)行時(shí)，主冷卻劑通過(guò)導(dǎo)流箱，進(jìn)入堆芯容器冷卻堆芯，再流入衰變箱，經(jīng)堆外主回路系統(tǒng)的主循環(huán)泵、主換熱器、管道和閥門等返回導(dǎo)流箱，冷卻劑流程簡(jiǎn)圖如圖1所示；事故時(shí)，當(dāng)主回路壓力降至一定值時(shí)，應(yīng)急泵開(kāi)始將池水注入堆芯實(shí)現(xiàn)應(yīng)急冷卻。在導(dǎo)流箱上安裝兩個(gè)非能動(dòng)的自然循環(huán)瓣閥，當(dāng)其內(nèi)外壓差降低到某一定值，瓣閥非能動(dòng)打開(kāi)，可以建立自然循環(huán)。自然循環(huán)過(guò)程是從濾網(wǎng)處吸水，流過(guò)衰變箱、堆芯、導(dǎo)流箱、自然循環(huán)瓣閥，再到堆水池。

表1 典型堵流事故實(shí)例情況Table 1 List of typical blockage accidents

表2 CARR主要運(yùn)行參數(shù)Table 2 Main operating parameters of CARR

2.2 研究思路及計(jì)算模型

2.2.1 研究思路

1）依據(jù)堵流事故可能情形和嚴(yán)重程度，分析高功率運(yùn)行狀態(tài)下，單盒燃料組件和多盒燃料組件發(fā)生堵流時(shí)壓力、流量、溫度等特征參數(shù)的變化，其中，單盒燃料組件發(fā)生堵流的情形分為單通道堵流、相鄰兩通道堵流、不相鄰兩通道堵流、三個(gè)相鄰?fù)ǖ蓝铝?種情況進(jìn)行詳細(xì)分析。

2）分析高功率運(yùn)行時(shí)，單組件燃料發(fā)生堵流事故時(shí)堆芯反應(yīng)性變化。

2.2.2 計(jì)算模型

采用RELAP5/MOD3.2熱工計(jì)算程序?qū)Χ铝魇鹿蔬M(jìn)行熱工分析。對(duì)CARR堆芯、堆本體、單盒組件、堆外冷卻回路等進(jìn)行了熱工水力模擬。通過(guò)燃料芯體、燃料包殼、冷卻劑溫度變化，冷卻劑流量、壓力變化，冷卻劑中含氣率變化等反映堵流事故行為。

圖1 CARR冷卻劑流程示意圖Fig.1 Coolant flow diagram of CARR

CARR堆芯包括17盒標(biāo)準(zhǔn)燃料組件和4盒跟隨體燃料組件。在建模時(shí)，將堆芯21盒組件分成三個(gè)通道，發(fā)生堵流的組件為一個(gè)獨(dú)立通道、將其他組件平均化為一個(gè)通道、所有組件外的流道視為旁流通道。計(jì)算模型節(jié)塊圖如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)燃料組件入口處用閥門控制進(jìn)口流通面積來(lái)模擬堵流過(guò)程，認(rèn)為該閥門在一段時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，分析堵流過(guò)程對(duì)反應(yīng)堆參數(shù)的影響。

單盒組件一個(gè)、相鄰兩個(gè)、不相鄰兩個(gè)及三個(gè)流道計(jì)算時(shí)，流道入口處用閥門控制進(jìn)口流通面積來(lái)模擬堵流過(guò)程，認(rèn)為該閥門在一段時(shí)間內(nèi)關(guān)閉。

圖2 堆芯計(jì)算模型節(jié)塊圖Fig.2 Nodal diagram of core calculation model

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

2.3.1 多盒燃料組件堵流

當(dāng)堆芯有兩盒組件發(fā)生堵流時(shí)（事件起點(diǎn)為200 s時(shí)），假設(shè)入口閥門10 s關(guān)閉，在216 s時(shí)反應(yīng)堆入口流量降至最低值524 kg·s-1，壓力達(dá)到最高值0.976 MPa，操縱人員可根據(jù)堆芯冷卻劑壓力與流量變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常并做出響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 兩盒組件堵流反應(yīng)堆入口流量(a)和入口壓力(b)Fig.3 Inlet flow(a)and pressure(b)of reactor under the condition of two fuel assemblies flow blockage occurred

2.3.2 單盒燃料組件堵流

選取堵流組件為功率最大的一盒標(biāo)準(zhǔn)燃料組件（其核功率占堆總功率的5.815%）中板間間隙最小的流道（2.2 mm），堵流位置發(fā)生在燃料組件冷卻劑通道入口，考慮燃料的多普勒效應(yīng)及冷卻劑溫度效應(yīng)。

1） 單通道堵流

計(jì)算中假設(shè)，在反應(yīng)堆及系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定后，最熱燃料通道的入口開(kāi)始發(fā)生堵塞，并且在10 s內(nèi)完全堵死。發(fā)生堵流后，燃料通道內(nèi)流量減小且壓力開(kāi)始下降，在堵流發(fā)生后7 s時(shí)組件的出口處開(kāi)始沸騰。當(dāng)流道完全堵死時(shí)，包殼最高溫度為220°C，認(rèn)為此燃料元件并未熔毀。單通道堵流事故通道進(jìn)出口溫度和燃料板包殼溫度計(jì)算結(jié)果分別如圖4所示。

2） 相鄰兩通道堵流

當(dāng)發(fā)生相鄰兩個(gè)通道堵流面積達(dá)到89%時(shí)，發(fā)生堵流的兩個(gè)相鄰流道間的燃料板包殼溫度達(dá)到2 300°C以上，燃料元件發(fā)生燒毀，傳熱開(kāi)始劇烈變化，產(chǎn)生大量氣體。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

3） 不相鄰兩通道堵流

圖4 單盒單通道堵流的通道進(jìn)出口溫度(a)和燃料板包殼溫度(b)Fig.4 Inlet and outlet temperature(a)and,fuel cladding temperature(b)under the condition of single channel flow blockage occurred

圖5 相鄰兩通道發(fā)生堵塞燃料板包殼溫度變化Fig.5 Fuel cladding temperature variation under the condition of two adjacent channels flow blockage occurred

兩個(gè)獨(dú)立的不相鄰?fù)ǖ劳耆铝魇鹿是闆r下，燃料板包殼最高溫度在220°C左右，認(rèn)為燃料元件不熔毀。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩個(gè)不相鄰?fù)ǖ腊l(fā)生堵塞時(shí)的燃料板包殼溫度變化Fig.6 Fuel cladding temperature change under the condition of two non-adjacent channels flow blockage occurred

4） 三個(gè)相鄰?fù)ǖ蓝铝?/p>

當(dāng)相鄰三個(gè)通道堵流面積達(dá)到86%時(shí)，中間兩燃料板包殼溫度最高達(dá)到2 300°C，燃料板發(fā)生燒毀。傳熱開(kāi)始劇烈變化，產(chǎn)生大量氣體。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

2.3.3 堵流事故時(shí)堆芯反應(yīng)性變化

為了得到更貼近實(shí)際的堵流事故時(shí)反應(yīng)堆的反應(yīng)性變化，研究堵流發(fā)生后堵流組件冷卻劑和燃料溫度變化以及冷卻劑出現(xiàn)局部沸騰后引入的堆芯局部反應(yīng)性擾動(dòng)，采用MVP程序?qū)σ缓卸铝鹘M件冷卻劑溫度效應(yīng)、燃料多普勒效應(yīng)以及空泡系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所得計(jì)算結(jié)果用于RELAP5反應(yīng)性反饋卡輸入中。計(jì)算結(jié)果如表3～5所示。

圖7 三個(gè)相鄰?fù)ǖ蓝氯?，最熱燃料板包殼溫度變化Fig.7 Fuel cladding temperature change under the condition of three adjacent channels flow blockage occurred

表3 一盒堵流組件冷卻劑溫度反應(yīng)性反饋Table 3 Coolant temperature reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

表4 一盒堵流組件燃料溫度反應(yīng)性反饋Table 4 Fuel temperature reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

表5 一盒組件堵流空泡反應(yīng)性反饋Table 5 Bubble reactivity coefficients if one fuel assembly has been blocked

等溫溫度反應(yīng)性反饋系數(shù)隨著溫度的升高而增大。由于在堵流事故中溫度變化范圍很窄，主冷卻劑溫度反應(yīng)性系數(shù)和燃料溫度反應(yīng)性系數(shù)均非常小。假設(shè)一盒組件全部堵塞后冷卻劑全部成為水蒸汽，引入約-2.41×10-2（Δk/k）反應(yīng)性。CARR設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)調(diào)節(jié)棒的提升速率有一定的要求，當(dāng)調(diào)節(jié)棒引入的反應(yīng)性速率大于0.07βeffs-1時(shí)，由于調(diào)節(jié)棒超速將切除自動(dòng)?？梢?jiàn)，當(dāng)一盒燃料組件流道全部堵塞時(shí)，調(diào)節(jié)棒將快速切除自動(dòng)。此后，因冷卻劑溫度進(jìn)一步升高而引入負(fù)反應(yīng)性將使反應(yīng)堆功率下降，但短時(shí)間內(nèi)功率下降幅度不會(huì)太大。

3 板狀燃料組件流道堵塞的探測(cè)方法

3.1 事故初期探測(cè)方法

對(duì)于建立有燃料單通道運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)的反應(yīng)堆，可以從燃料通道的冷卻劑溫度、流量和壓力等在線監(jiān)測(cè)參數(shù)以及元件破損監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化即可及時(shí)發(fā)現(xiàn)堵流事故的征兆。而對(duì)于大部分無(wú)燃料單通道參數(shù)監(jiān)測(cè)的反應(yīng)堆，在反應(yīng)堆啟動(dòng)過(guò)程和功率運(yùn)行狀態(tài)下，通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆運(yùn)行參數(shù)異常變化的監(jiān)測(cè)與分析，可及時(shí)探測(cè)與判斷堵流事故的存在，如圖8所示，分析如下：

圖8 堵流事故快速探測(cè)與判斷示意圖Fig.8 Schematic diagram of rapid detection and judgment of flow blockage accident

1） 由堆芯冷卻劑流量、壓力參數(shù)異常變化探測(cè)堵流事故

對(duì)于發(fā)生堆芯單盒或多盒燃料組件流道的大面積堵塞，會(huì)引起堆芯冷卻劑出入口流量、壓力等參數(shù)出現(xiàn)超出正常波動(dòng)范圍的明顯異常，操縱人員可及早發(fā)現(xiàn)并做出準(zhǔn)確判斷。

2） 由核功率參數(shù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)棒異常波動(dòng)探測(cè)堵流事故

堵流事故早期，堵塞流道內(nèi)冷卻劑產(chǎn)生不穩(wěn)定的氣液兩相流，堆芯引入局部反應(yīng)性擾動(dòng)。此時(shí)，反應(yīng)堆核功率監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，功率自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)棒會(huì)出現(xiàn)異常的上下擺動(dòng)。

事故過(guò)程中，流道堵塞面積增大，堵塞部位下游流道內(nèi)的冷卻劑將產(chǎn)生大量氣泡，最后充滿整個(gè)流道。氣泡的產(chǎn)生、消失將引起堆芯較大的反應(yīng)性擾動(dòng)，此時(shí)核功率監(jiān)測(cè)參數(shù)異常波動(dòng)更加明顯，自動(dòng)調(diào)節(jié)棒會(huì)出現(xiàn)大幅上下擺動(dòng)，甚至切除自動(dòng)調(diào)節(jié)。事故進(jìn)一步發(fā)展，堵流通道內(nèi)的氣泡將逐漸增加，核功率監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)參數(shù)會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng)，且隨著氣泡數(shù)量的增長(zhǎng)，功率波動(dòng)越發(fā)明顯，甚至出現(xiàn)功率周期過(guò)短現(xiàn)象。

綜上所述，通過(guò)核功率參數(shù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)棒的異常波動(dòng)及時(shí)做出判斷和響應(yīng)，此時(shí)因燃料功率較低，被阻流道中燃料板最高溫度仍可低于規(guī)定的起泡溫度，若能停止提升功率或停堆，則不會(huì)發(fā)生燃料板損壞和放射性物質(zhì)釋放事故。

3.2 由元件破損監(jiān)測(cè)參數(shù)異常升高探測(cè)堵流事故

反應(yīng)堆運(yùn)行時(shí)，冷卻劑中的裂變產(chǎn)物（常用測(cè)量131I、133I、134I、133Xe、134Cs、137Cs、惰性氣體總量、131I當(dāng)量的方法［7］）的活度和不同裂變產(chǎn)物核素活度的比可用于顯示燃料包殼的破損。冷卻劑活度可通過(guò)從回路系統(tǒng)單獨(dú)取樣測(cè)量或者在回路系統(tǒng)管道適當(dāng)位置進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。當(dāng)燃料元件破損探測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出冷卻劑γ水平或緩發(fā)中子異常升高時(shí)，說(shuō)明燃料元件包殼已經(jīng)出現(xiàn)破損［8］。從燃料包殼破損到燃料板熔毀是有一個(gè)發(fā)展過(guò)程的，此時(shí)如果操縱人員能快速做出判斷和響應(yīng)，及時(shí)停堆。

4 板狀燃料元件堵流事故的預(yù)防措施

分析發(fā)現(xiàn)，堵流事故的起因可歸結(jié)為兩個(gè)方面：一是堆芯進(jìn)入異物，異物隨冷卻劑進(jìn)入燃料流道并造成堵塞；二是隨著燃耗的加深輻照后燃料發(fā)生腫脹導(dǎo)致流道間隙變窄。另外，堵流事故發(fā)生時(shí)，操縱人員能否對(duì)事故現(xiàn)象做出正確判斷，并快速響應(yīng)予以停堆處理，是控制事故進(jìn)一步擴(kuò)大、減小事故后果的關(guān)鍵。

針對(duì)堵流事故的預(yù)防措施的主要措施如下，以供借鑒。

1）新燃料組件入堆的質(zhì)量控制和檢查：在新燃料組件制造、驗(yàn)收、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，應(yīng)制定質(zhì)量控制計(jì)劃，嚴(yán)格控制新燃料組件的制造質(zhì)量，入堆前必須對(duì)新燃料組件再次進(jìn)行外觀檢查，嚴(yán)禁質(zhì)量不合格的燃料組件入堆。

2）堆芯換料、堆內(nèi)操作中防異物進(jìn)入堆內(nèi)：對(duì)進(jìn)入堆內(nèi)的人員及物項(xiàng)進(jìn)行嚴(yán)格控制措施，包括堆芯保護(hù)措施，人員穿戴，工藝操作要求，進(jìn)出堆芯物項(xiàng)要求及核查等。

3）堆芯及燃料組件定期檢查。

4）冷卻劑回路運(yùn)行維修中防異物進(jìn)入堆內(nèi)。

5）冷卻劑水質(zhì)控制：一旦發(fā)現(xiàn)水質(zhì)下降明顯，應(yīng)及時(shí)采取更換去離子水或水池充水以恢復(fù)水池凈化系統(tǒng)運(yùn)行等措施。

6）操作大廳、堆水池和乏燃料水池區(qū)域清潔度控制。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)板式燃料元件堵流事故的實(shí)例的調(diào)研和分析，得出具體的堆芯操作過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行質(zhì)量控制，確保各項(xiàng)指標(biāo)均符合安全要求是預(yù)防堵流事故的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)中國(guó)先進(jìn)研究堆板狀燃料元件發(fā)生流道堵塞的可能情況進(jìn)行模擬計(jì)算和分析后，得出事故發(fā)生早期，反應(yīng)堆相關(guān)功率、流量和壓力等特征數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生波動(dòng)，操作員可以通過(guò)參數(shù)的異動(dòng)，及早判斷和采取措施預(yù)防事故進(jìn)一步發(fā)展和擴(kuò)大。

致謝 本工作得到了反應(yīng)堆工程技術(shù)研究部領(lǐng)導(dǎo)的悉心指導(dǎo)和相關(guān)部門同事的熱心幫助，在此表示衷心的感謝。