研究堆燃料材料选择分析

雷 涛 冯琳娜 陈 杰

（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主要使用的燃料材料类型以及燃料组件的结构，分析了其材料的选择、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 研究堆燃料材料选择

早期的一些研究堆使用UAl3-Al弥散燃料（如美国MTR堆、ETR堆）或加入少量Si的UAl3-Al弥散燃料（如美国HFBR堆），也有一些使用研究堆使用U-Al合金作为燃料（如美国CP-5堆），或者U3O8-Al弥散燃料、UO2-Al弥散燃料（乌克兰WWR-M堆）。为满足研究堆的性能要求，这些低铀密度的燃料一般都有着非常高的富集度，在90%左右。为满足核不扩散的要求，国际核燃料循环评估（INFCE）会议参与国一致同意应将燃料富集度降低到安全水平。根据该决定，美国能源部提出并制定了一个有关降低研究堆燃料富集度（RERTR）的计划，通过该计划，研究堆将转而使用低富集铀燃料，该计划得到了国际原子能机构的确认。降低燃料富集度计划要求燃料的富集度降低到20%甚至更低，为此，需要开发具有高铀密度的燃料，目前主要开发的高铀密度的燃料有U3Si2-Al，U-Mo合金燃料或(U-Mo)-Al弥散燃料，此外还有U-ZrH1.6弥散燃料等用于脉冲堆的燃料。

1.1 研究堆燃料材料性能分析

U3Si2-Al是目前研究堆中使用较广发的一种燃料，燃料的优点之一是可以达到较高的铀密度，有利于提高燃料元件中的铀装量。[1]按预期最高装载密度可以达到4.8g/cm3，实际使用中U3Si2-Al弥散型燃料板的芯体铀密度谨慎地装载到最高达到了4.3g/cm3。

U3Si2-Al燃料与铝基体和铝合金包壳是相容的，[2]在制造温度下发生的反应微弱，辐照时仅发生在裂变碎片反冲行程之内。

U3Si2-Al与水有极轻微的反应，[2]在100℃水中16天后失重0.042%，在200℃水中4天失重0.02%。试验表明，燃料板上钻直径3mm的通孔，使芯体暴露，在去离子水中煮沸168小时后，水中无可测量的放射性，燃料板有极微量的增重，暴露的芯体中无U3Si2溶蚀和脱落等金相可见的变化。这表明，即使出现元件破损，也不会造成严重污染。U3Si2弥散燃料的这一特点与目前商用堆采用的棒形元件相比，在抗燃料破损方面具有明显的优势，通常棒形燃料元件发生破损放射性物质的释放影响较大，而U3Si2弥散发生破损的影响只局限于局部。

UMo合金燃料是首先被开发的是传统的UMo-Al弥散板或棒形燃料。UMo合金的优点是具有高度铀密度，这有利于实现燃料板或棒较高的芯体铀密度。然而，近年来的辐照结果并不乐观，辐照后的检验结果表明，[3]UMo燃料颗粒与基体在辐照条件下发生了广泛的反应。随着燃耗的增加，UMo与Al的相互反应层增厚，大部分Al被反应消化掉了。这种特性将会影响燃料板（或燃料棒）基体材料的结构部分，对燃料板的性能造成不利影响。

1.2 不同燃料材料的制造性能

研究堆燃料元件的结构形式通常是燃料板或燃料管等形式。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。

U3Si2燃料为陶瓷相，一般弥散在铝基体中，形成U3Si2-Al燃料芯体，其在硬度上高于包壳材料，芯体与包壳硬度匹配性不好，容易造成燃料元件在铀均匀性分布不好，芯体的硬度与U3Si2燃料相比例相关，对于U3Si2燃料，考虑制造中铀均匀性的影响，芯体铀密度的应不超过4.8g/cm3。

UMo合金具有良好的延展性，这使弥散燃料制粉有一定难度。

2 结论

随着研究堆燃料降低富集度的要求，U3Si2-Al，U-Mo合金燃料由于有较高的铀密度成为了可选择的燃料堆燃料，从铀密度、芯体的稳定性、与基体的相容性等方面分析，U3Si2燃料是一种更可行的研究堆燃料材料。

［1］孙荣先，解怀英.研究堆燃料的发展现状与前景[J].原子能科学技术，2011,45(7)：847-851.

［2］孙荣先.U3Si2弥散型燃料元件[J].核动力工程，1990,11(2):69-73.