压水堆候选耐事故包壳材料对控制棒价值的影响分析

倪东洋　吴文斌　魏彦琴　刘琨

摘 要：该文针对候选耐事故包壳材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC开展控制棒价值的影响分析。从分析结果可以看出，与锆包壳相比，候选包壳材料本身对控制棒价值影响较小，约-1.0%～2.5%；对于铁基包壳，为保证与锆包壳相同的循环寿期，需要的最小燃料富集度增加量约0.71wt%，由此导致的控制棒价值显著减少（大于10%），远大于包壳材料本身对控制棒价值的影响。从中子经济性以及由此带来的对控制棒价值影响的角度，给出了耐事故燃料候选包壳的优先顺序。

关键词：耐事故包壳材料 控制棒价值 压水堆

中图分类号：X70 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）11（a）-0091-03

Abstract：This paper analyzes the effects of the candidate accident–tolerant cladding materials（304SS，310SS，FeCrAl，APMT and SiC）on the control rods worth.The results show a small difference around-1.0%～2.5% on the control rods worth for the candidates，comparing with that of zircaloy.Because of the neutron penalty of iron-based alloys，the minimum increase of the enrichment （about 0.71wt%）is needed to meet fuel cycle length requirement，resulting in control rods worth penalty（10% or higher），which outweighs than that of candidate cladding materials.The recommended sequence for the tolerant cladding materials selection is presented from the aspect of neutronic economy and the influence on the control rods worth.

Key Words：Tolerant cladding materials；Control rods worth；PWRs

福岛事故后国际上对新一代核电站和核燃料的安全性和可靠性提出了更高的要求，研发耐事故燃料，即一定程度包容事故和具有固有安全性的燃料，正在成为核燃料领域国际发展的新方向。

选择具有抗高温氧化、更好的抗腐蚀性能以及减少氢气产生等特性的材料，如铁基合金（包括304SS、310SS、FeCrAl和APMT）和SiC[1-2]，作为耐事故燃料的候选包壳材料。

文章针对以上候选包壳材料开展控制棒价值的影响分析，为耐事故包壳材料的选择提供指导。

1 分析条件及程序

文中以压水堆中标准AFA3G组件作为参考状态：燃料栅元按17×17排列；燃料芯体为UO2，富集度取3.7%，密度取10.4339 g/cm3；控制棒材料为银铟镉，密度为10.13 g/cm3；计算分析时燃料温度923K，包壳和气隙温度612K，慢化剂和控制棒温度584 K，压力为15.5 MPa。

计算采用SARCS 4.1程序系统中的KYLIN程序计算程序[3]，该程序系统能够处理任意燃料组件几何，具有较高的计算精度。组件建模见图1。

2 计算分析

表1给出了候选包壳材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC的材料成分及密度。将标准AFA3G组件的Zr包壳替换成表1中的材料，分析各包壳材料对控制棒价值的影响。不同富集度下控制棒价值计算结果见图2，并与Zr包壳结果进行比较。控制棒价值为控制棒插入所引入的反应性Δρ，计算公式为：

Δρ=ρ无棒-ρ有棒=（1/Kinf有棒-1/Kinf无棒）

其中：ρ无棒/ Kinf无棒为控制棒提出时组件反应性/无限增值因子，ρ有棒/ Kinf有棒为控制棒插入时组件反应性/无限增值因子。

从图2中可以看出，铁基包壳组件的控制棒价值比锆包壳组件的略大，SiC包壳组件的控制棒价值比锆包壳略小。表2中给出各候选包壳材料下控制棒价值与锆包壳组件的相对偏差。

从表2可以看出，与锆包壳的相对偏差在-1.00%～2.50%

之间，候选包壳材料本身对控制棒价值影响不大。

但是从图2中可以看出随着富集度变化，组件控制棒价值变化较明显。参考文献[4]指出，铁基包壳由于吸收截面较大的Fe、Ni含量较高，其中子经济性要低于锆包壳，为了达到相同的循环寿期，需要提高燃料富集度，而SiC的经济性要高于锆包壳。

图3给出不同富集度增加量下，候选包壳与参考状态的中子经济性比较，图中值为寿期末60 000 MWd/tU燃耗时刻下各计算状态下的Kinf与参考状态Kinf的差ΔKinf，当ΔKinf为0.000时即表明达到相同的循环寿期。

因此，为了达到与锆包壳达到相同的循环寿期，304SS、310SS、APMT、FeCrAl和SiC需要的富集度增加量分别为：0.93wt%、1.07wt%，0.82wt%，0.71wt%和-0.10wt%。表3给出不同富集度增加量对候选包壳组件控制棒价值的影响。

从表3可以看出，不同候选包壳组件控制棒价值y与富集度增加量x的关系比较接近，与包壳材料种类关系不大，可近似用拟合为：y=2.452x2-16.20x-0.107，那么与锆包壳达到相同循环寿期时，304SS、310SS、APMT、FeCrAl和SiC由富集度变化导致的控制棒价值变化分别为：-13.1%、-14.6%、-11.7%、-10.4%、1.5%。因此，对于铁基包壳，弥补经济性损失导致控制棒价值减少要远大于包壳材料本身对控制棒价值的影响。

3 结语

该文对候选包壳材料304SS、310SS、FeCrAl、APMT和SiC展开控制棒价值影响分析，并与Zr包壳进行比较，通过比较发现，候选包壳材料对控制棒价值的影响在-1.0%～2.5%之间，影响较小；但对于铁基包壳304SS、310SS、FeCrAl、APMT，因增加富集度弥补中子经济性导致控制棒价值减少10%以上。因此，选择铁基包壳作为候选包壳材料时，建议其中子经济性的弥补可通过减少包壳厚度和增加燃料富集度来共同实现，以减少富集度增加对控制棒价值的影响；同时从中子经济性以及由此带来的对控制棒价值影响的角度，建议耐事故燃料候选包壳的优先顺序为SiC、FeCrAl、APMT、304SS、310SS。

参考文献

[1] Shannon Bragg-Sitton.Development of advanced accident tolerant fuels for commercial LWRs[M].Idaho National Laboratory，2014：83-91.

[2] Kristine Barrett，S Bragg-Sitton，D Galicki.Advanced LWR Nuclear Fuel Cladding System Development Trade-off Study[J].Research Gate，2012（22）：8-33.

[3] 柴晓明，马永强，王育威，等，堆芯中子学程序系统SARCS-4.0的开发及初步验证[J].核动力工程，2013（S1）：34.

[4] Nathan Michael George，et al.Neutronic analysis of candidate accident-tolerant cladding concepts in pressurized water reactors[J].Annals of Nuclear Energy，2015（75）：703-712.