环形燃料元件国内外发展调研

赵麒霖

【摘  要】环形燃料元件是国际上开发的新一代高性能燃料元件。国内外研究结果表明，水堆采用环形燃料元件代替传统实心燃料棒，在总体堆芯功率不改变的情况下，会明显提高核电燃料的安全性能;在保持堆芯结构不变的情况下，还可将堆功率提高近一半，且燃耗大大提升。故在本文章中對环形燃料元件的国内外（包括中国，美国，韩国等国家）发展进行简单调研，以提高我国的发展水平，对发展前景进行憧憬。

【关键词】高性能燃料;环形燃料元件;国内外发展

我国现在人口特别多，这就导致我们现在能源用的多消耗格外的高，在新时代整体不断进步向着工业化和城市化迈开步伐的同时，能源问题也就成为了我国经济发展和前进道路上的“瓶颈”。所以我们必须要正确对待国内的整体能源现况，实现能源，社会和经济之间发展协调，这是我国目前所必须面对和必须解决的重要课题，我们不容忽视。

我国现在的能源主要供应还是煤，煤产量占总能源76.7%，处于主导地位，但现在新型能源正在逐步崛起，包括：核电，水电，风电所占比较往常都有所提高。改革开放过后，中国一直努力了很多年，成功的改善了我国的能源结构，让可再生能源，与不可再生能源一起协调发展，主要发展可再生能源，形成可再生能源作为主要能源供应，建立了较为健全的体系。但是要是真的满足国家可持续发展的目标，还是需要更加优化能源所在结构，这也是我们新一代年轻人所共同奋斗的目标。

在共同发展的同时，各项问题也都在涌现出来，这就需要我们处理问题，主要问题就在于能源与环境无法协调发展，所以我国现在准备发展核电能源，虽然核电能源是一个新兴产业但它确实能够得到能源的可持续发展。

所以我国重视到了能源与环境不协调的问题，开始新兴新的能源材料，即核能，在同等条件下核能的效率更高且污染环境的范围相比之前更少。

在我国的高性能核燃料之中，在近几年突然涌现出来的环形燃料元件是未来的主要发展趋势。相对于之前的燃料元件来说，环形燃料元件是一种新型的燃料元件其结构主要是两层包壳和环形芯块，由于其内外两面双层冷却，见图一，我国近几年也主要开展了对环形燃料元件的分析，主要对他的模型进行设计，对他的物理特性进行考察，对他的热工水力水平进行分析，对他的安全性能进行考证，最终结果都显示环形燃料元件要相对于老式燃料元件更有优势，所以它既是高效率的也是相当安全的。

环形燃料元件是世界上核能方面比较新进的元件，所以我国研究设计出一整套应用于环形燃料元件的软件程序，通过程序验证和计算整个堆芯的有效增值系数，以及各个温度效应等哥干堆芯参数。

现在国际上也已经有国家对环形燃料元件进行了分析，目前来看，主要的研究国家包括美国和韩国，其他国家也进行了简略的研究，现在美国开始进行“美国现役核电站延寿至80年”设计，当美国看到环形燃料元件的优势时将环形燃料确定了新一代燃料并将其作为该设计的首选燃料;韩国为了提升现役POR-1000堆芯功率密度也将环形燃料元件的研发进程提上议程。这就更加说明了环形燃料元件是一个非常有发展前景的新型燃料。

在我国的高性能核燃料之中，在近几年突然涌现出来的环形燃料元件是未来的主要发展趋势。相对于之前的燃料元件来说，环形燃料元件是一种新型的燃料元件其结构主要是两层包壳和环形芯块，由于其内外两面双层冷却，见图一，我国近几年也主要开展了对环形燃料元件的分析，主要对他的模型进行设计，对他的物理特性进行考察，对他的热工水力水平进行分析，对他的安全性能进行考证，最终结果都显示环形燃料元件要相对于老式燃料元件更有优势，所以它既是高效率的也是相当安全的。

环形燃料元件是世界上核能方面比较新进的元件，所以我国研究设计出一整套应用于环形燃料元件的软件程序，通过程序验证和计算整个堆芯的有效增值系数，以及各个温度效应等哥干堆芯参数。

现在国际上也已经有国家对环形燃料元件进行了分析，目前来看，主要的研究国家包括美国和韩国，其他国家也进行了简略的研究，现在美国开始进行“美国现役核电站延寿至80年”设计，当美国看到环形燃料元件的优势时将环形燃料确定了新一代燃料并将其作为该设计的首选燃料;韩国为了提升现役POR-1000堆芯功率密度也将环形燃料元件的研发进程提上议程。这就更加说明了环形燃料元件是一个非常有发展前景的新型燃料。

为了确保环形燃料元件的安全性，我国多次对环形燃料元件的安全性能进行评估，并创建了一个安全事故分析程序，为RELAP5/MOD3程序，该程序通过在基础事故和严重事故中建立相关模型并进行分析，通过后期验证之后，我国认为此程序能够分析事故中元件的表现状态，是可以进行安全技术分析，所得的结果是有效且可依靠的。

首先我国将环形燃料元件的内外包壳进行分析，通过技术手段让内外包壳的伸长长度不一致，并进行分析其使用状态，结果表示在内外包壳伸长长度不一致时也可以得到原有的效果，这就证明在现在已经具有的形态结构和各种各样的运行状态，不管怎样改变其物理形状都不会改变它原具有的性能。

其次我国对环形燃料元件内部管道进行实验，来查看当燃料内部管道拥堵时，元件还能否具有原有性能，我国进行了多次实验：进行了对内部管道进行10%拥堵并进行测试，结果表示其性能还可以满足所需要求;进行了对内部管道进行20%拥堵并进行测试，结果表示其性能还可以满足所需要求;进行了对内部管道进行30%拥堵并进行测试，结果表示其性能还可以满足所需要求;进行了对内部管道进行40%拥堵并进行测试，结果表示其性能还可以满足所需要求;进行了对内部管道进行50%拥堵并进行测试，最终发现其性能无法满足所需要求，故研发人员停止了后续测试，所以最终结果表示，如果想要元件的各项性能能够满足所需的各项要求，环形燃料元件内部管道可以接受的最大拥堵状态为40%。

然后我国通过对改变环形燃料元件的热流分配来进行实验，进而查看它的冷却效果，通过技术手段将环形燃料元件的热流分配进行不均衡，并在同等的状态及环境下与热流分配均衡的环形燃料元件进行对比，对比其最后的温度，最后实验结果大跌眼镜，两种环形燃料元件的温度相处甚小，这就证明在最保守的条件之下，元件仍然具有足够的冷却能力。

我国还对环形燃料元件的内辐照性能进行分析，此次分析我国研发了AFPAC v1.0程序，来进行燃料元件稳态事故分析，最终分析结果表明环形燃料元件的内辐照性能是可以满足使用要求的。

最后我国通过在失水事故发生时，将环形燃料元件的塑料外壳进行鼓胀爆破实验，并在同等条件下与传统的棒形燃料进行同等实验，来查看最后的实验结果，最终结果是两种燃料元件的结果一致，最后研制人员分析，由于由于环形燃料元件采用了Zr-4材料，所以在失水事故发生时其性能与传统燃料包壳性能一致。

以上所有实验均进行多次并进行分析，所以不存在数据的偶然性，通过以上实验以及相关程序证明环形燃料元件在运行过程中可出于安全状态。

我国多次对环形燃料元件的安全性能进行评估，多项评估结果显示，环形燃料元件在运用过程中可处于安全状态。

参考文献：

[1]季松涛，韩智杰，何晓军，李卓群.压水堆环形燃料组件研发进展[J].原子能科学技术，2020，

[2]刁均辉，季松涛，张应超.环形燃料热工水力性能分析程序开发及验证[J].原子能科学技术，2015，49（6）：1051-1056

[3]张京，赵守智，郭娅，等.环形燃料元件小堆的概念设计[J].核动力工程，2015，36（6）1-3.