研究堆燃料组件设计综述

雷涛 粟敏 黄春兰

（中国核动力研究设计院 核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都 610041）

0 引言

反应堆从用途上大致分为动力堆和研究堆，动力堆常用于大型的商用电站或核动力装置，其目的是输出能量，燃料组件的运行于高温高压环境之中，其燃料材料的选择及结构设计均要考虑高温高压环境的要求。研究堆的主要目的是为材料研究、中子照射或者其他用途提供中子源，而非输出能量，因此研究堆燃料组件在材料选择、结构设计等方面与动力堆有较大的差异，本文调研了目前研究堆燃料组件的结构类型，分析了其整体结构设计，提出了研究堆燃料组件设计方面的建议，以供参考。

1 研究堆燃料组件结构

研究堆燃料组件通常由燃料元件、与堆芯部件接口的上下连接件（或称上下管座）以及燃料元件之间的连接结构组成。

1.1 燃料元件结构

研究堆燃料元件结构形式有板型、管型和棒形，占主要地位的还是板型或管型。

图1 燃料板分解示意图Fig1 Fuel Plate Disassemble

弥散型燃料元件（燃料板或燃料管）结构类似夹心饼干结构，燃料弥散在基体材料中构成燃料芯体，在芯体的上下两侧包覆包壳材料，包壳材料通常与基体材料相同，通过轧板或挤压的方式是芯体与包壳结合。

燃料板通常采用轧板的方式制造，而燃料管通常采用共挤压方式一次成型，对于燃料元件，每个燃料板以及每个燃料组件中铀的均匀性都应得到严格控制，[1]铀密度若比正常值高出1%就意味着该位置的局部功率高1%。因此不论采用燃料板还是燃料管结构，芯体的铀密度控制是燃料元件中的重要指标。对于U3Si2弥散燃料，由于芯体硬度较高，较高的铀密度会对制造中铀均匀性的控制造成难度，例如控制铀密度4.8g/cm3的U3Si2燃料板的铀均匀性要比控制铀密度为1.2 g/cm3的UAlx燃料板的铀均匀性要困难的多。从实际制造中这一点出发，采用U3Si2为燃料的研究堆燃料元件，从制造角度出发，在可保证元件铀装料的条件下，适当降低铀密度将有利于改善燃料元件的铀均匀性，这一点对于元件的制造质量以及未来堆内运行的安全都具有很大的益处。

1.2 燃料组件结构

常见的研究堆燃料组件有套管型、弧板拼接套管型、弧板楔形及板型方盒形等几种。

图2 弧板拼接组件横截面结构Fig2 Cross Section of Arc Plate Fuel Assembly

典型的套管型燃料组件分为圆形、正方形和六边形几种，一般都包含几层结构尺寸不同的同心或同轴燃料管，燃料管通常采用共挤压工艺加工制造。在最里层燃料管内还装有不含燃料的同心或同轴内套管，可用于插入辐照装置或控制棒，同时也起到保护内层燃料管的作用。在最外层燃料外面装有不含燃料的外套管，兼有保护外层燃料管和组件骨架的作用。外套管的形状一般与燃料管相同（方形、圆形或六边形）。也有的组件无论燃料管是什么形状，外套管都采用六边形结构，其目的在于减少堆芯中的无效流量。也有的组件不带外套管。套管型结构的燃料组件整体刚度和机械强度较好，抗辐照变形能力好，每个组件都允许控制棒或辐照装置的插入，且具有良好流动阻力特性。

从横截面上看，弧板拼接套管型燃料组件属于圆形的套管型组件，差别在于每层燃料管由几块弧形燃料板拼接而成。通常一根燃料管由三块弧形燃料板组成，弧形燃料板一般采用“镜框技术”制造，即将燃料芯体包容在框板和上下两层包壳内，通过轧制或挤压工艺成型。组件中心也带有内套管，外围有外套管。这种结构的燃料组件也具有较好的整体刚度和机械强度，但不如套管型组件；同时每个组件也都允许控制棒或辐照装置的插入，且具有良好流动阻力特性。

弧板楔形组件由若干弧形燃料板组成。各燃料板呈弧形，具有共同的轴心线，但在横截面上的宽度不一样，组装后整个燃料组件成为楔形结构，楔形角一般为450。堆芯中多个燃料组件组成一个或多个圆形的中子肼，以满足反应堆的试验要求。

板型方盒形组件由若干弧形或平面燃料板组成，各燃料板在横截面上的宽度尺寸完全一致，组装后整个燃料组件成为方形的盒式结构。

1.4 燃料元件定位

对于套管型组件，通常采用在燃料管两端设置定位齿或梳板将燃料管固定。各层燃料管的两端分别嵌入齿块或梳板的齿槽内，再打入销钉固定。

对于弧板形燃料组件，通常采用两块结构边板将燃料板固定并保持板间间隙。结构边板上开有一定间距且平行的长凹槽，各层燃料板的两侧分别嵌入结构边板的凹槽内，再通过焊接或滚压等方式连接固定。

1.5 冷却剂流到结构

燃料组件结构中必须具有冷却剂的流动通道，以带走燃料管（或燃料板）的发热。对套管型组件，流道为各层燃料管间隔形成的环形结构；对弧板楔形组件，流道为各层弧形燃料板间隔形成的扇环形结构；对板型方盒形组件，流道为各层弧形燃料板间隔形成的扇环形结构或平面燃料板间隔形成的长方形结构。流道的设计从结构上应避免发生流道闭合，影响热量的带出。流道的尺寸应根据热工传热的需求，各流道尺寸可以相同也可以不同，一般燃料较密集区（发热面积大）流道尺寸宽，远离燃料密集区（如只有单侧发热或出于外围位置）的流道尺寸可以更窄。

2 结论及建议

通过上述对研究堆燃料组件燃料材料的选择、组件整体结构、连接结构以及流道结构等描述及分析，U3Si2燃料具有较高的铀密度，与基体具有良好的相容性以及在破损状态下与水仅发生极轻微的反应等优点，已经成为一种研究堆降低富集度后成熟可行的燃料材料，燃料元件设计中，适当降低芯体铀密度将有利于提高元件的铀均匀性。组件结构中流道尺寸的选择需要综合考虑结构及热工方面的需求，将不同部位的流道设计成不同的宽度。

［1］DURAND,B.DUBAN,Y.LAVASTRE,S.DE PERTHUIS，CERCA 公司 U3SI2 燃料制造25年经验总结[J].国外核动力，2006(6):3-5.

［2］I.Glagolenko,D.Wachs,N.Woolstenhulme,G.Chang,B.Rabin,C.Clark.Irradiation testing of the RERTR fuel miniplates with burnable absorbers in the advanced test reactor[C]//RERTR 2010-32nd International Meeting on Reduced Enrichment for Research and Test Reactors.2010.