10 MW高温气冷堆燃料元件的辐照考验

10 MW高温气冷堆燃料元件的辐照考验在俄罗斯IVV-2M堆内进行,辐照考验于2000年7月13日开始,现仍在进行中.至2002年6月14日,燃料元件最高燃耗(以金属铀计,全文同)已达77 000 MW*d/t,累积快中子注量达8.59×1020 cm-2.本文描述辐照样品的冷态性能、辐照装置、辐照条件和已获得的辐照考验结果.     

高温气冷堆燃料元件发展现状和趋势

本文介绍了高温气冷堆燃料元件的发展历史，现状和趋势。经过３０多年的研究和发展，燃料元件的设计，制造工艺和质量鉴证技术已相当成熟，燃料元件可在１２５０℃长期工作。２１２０００个ＴＲＩＳＯ颗粒辐照试验的时没有一个破损，１６００℃下辐照后退火５００ｈ，阻挡裂变产物释放的能力没有下降。     

10 MW高温气冷堆包覆燃料颗粒辐照考验

TRISO型包覆燃料颗粒由燃料核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、碳化硅层和外致密热解炭层组成.在冷态性能检验合格的基础上,进行了10 MW高温气冷堆包覆燃料颗粒的静态辐照试验和动态回路辐照试验.在辐照温度1 000 ℃、累积快中子注量1.28×1025 m-2和燃耗(以金属铀计)达到95 GW·d·t-1时,包覆燃料颗粒的放射性裂变产物85Krm的释放率为1.02×10-6,辐照后检验未发现包覆燃料颗粒破损.辐照考验结果表明,包覆燃料颗粒的性能可以满足我国10 MW高温气冷堆安全运行的要求.     

高温气冷堆燃料元件发展前景

第4代核能系统主要候选堆型之一的超高温气冷反应堆(very-high-temperature reactor,简称VHTR)氦气出口温度要求大于1 000℃;从经济性考虑,模块式高温气冷堆的单堆功率愈高愈好,燃料的燃耗深度也愈高愈好,这些对近代低富集度3层包覆颗粒(modern LEU TRISO particles)燃料元件提出了更高燃耗深度和耐更高温的要求.为满足上述要求,本文介绍了ZrC层代替包覆燃料颗粒的SiC层、UCO(UO2 UC2)核芯代替包覆燃料颗粒的UO2核芯和进一步降低现有低富集度3层包覆颗粒SiC层破损率的高温气冷堆燃料元件的研究和发展.     

10MW高温气冷堆球形燃料元件碳化工艺研究

通过对高温气冷堆球形燃料元件压制坯体及酚醛树脂碳化过程的研究，确定了碳化工艺制度的制订原则。在碳化过程中，低温开裂主要是由压制工艺中产生的应变不均匀性造成原，高温开裂则主要受加热速率的影响，采用加压碳化工艺可提高基体材料的机械性能。     

10 MW高温气冷堆球形燃料元件制造

10 MW高温气冷实验堆球形燃料元件的制造使用橡胶模具冷准等静压工艺.制造了44批,约20 540个燃料元件.燃料元件的冷态性能符合设计指标,44批燃料元件的平均自由铀含量为4.57×10-5,正品率为99%.     

HTR-10燃料元件的制造和发展趋势

经过二十多年的研究和发展,研制成功了具有我国自主知识产权的高温气冷堆燃料元件制造技术,为10MW高温气冷堆生产了产炉燃料元件.生产的燃料元件所有性能指标均满足设计要求,平均制造破损率为4.7×10-5,达到了世界先进水平.为了考验燃料元件在堆内正常工况和事故工况下的辐照性能,分别从第一和第二批产品中各取出两个燃料球进行了辐照考验.辐照试验在俄罗斯IVV-2M堆进行,最高燃耗和累积快中子通量分别达到了107000MWd/t(U)和1.31×1021n/cm2,辐照没有引起燃料元件中包覆燃料颗粒的破损.为了满足超高温气冷堆的运行要求,新的ZrC"TRISO"型颗粒燃料有可能代替传统的SiC "TRISO"型颗粒燃料.     

10MW高温气冷堆包覆燃料颗粒的研制

我国10MW高温气冷堆采用全陶瓷型包覆颗粒球形燃料元件。TRISO型包覆燃料颗粒由燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、碳化硅层和外致密热解碳层组成。采用丙烯和乙炔混合气体制备致密热解碳层以及四层连续包覆的新工艺,开展生产工艺条件试验,系统地研究了生产工艺和性能之间的关系,摸索出最佳生产工艺条件。用化学气相沉积方法在150mm流化床沉积炉系统中批量生产出TRISO型包覆燃料颗粒。用扫描电镜观察分析了包覆燃料颗粒的微观结构,包覆燃料颗粒的制造破损率为3.4×10-6,冷态性能达到我国10MW高温气冷堆设计要求。包覆燃料颗粒辐照考验结果(放射性裂变产物释放率R/B为1×10-6左右)表明,包覆燃料颗粒的质量可以满足10MW高温气冷堆安全运行的要求。     

高温气冷堆包覆燃料颗粒包覆层性能测试方法

高温气冷堆包覆燃料颗粒由ＵＯ２燃料堆饼和在它表面沉积的热解碳和ＳｉＣ层材料构成。这些热解碳和ＳｉＣ层的厚度只有３０－９０μｍ，为测量这些微小颗粒包覆层材料的性能，专门研究了热解碳和ＳｉＣ层的厚度，密度和热解碳层的各项异性能，ＳｉＣ层的弹性模量等的测量方法，并研制了颗粒尺寸分析仪，小试样弹性模量测定仪设备等。     

10MW高温气冷堆燃料元件装卸系统的控制系统设计

１０ＭＷ高温气冷实验堆（ＨＴＲ－１０）是一座球床型反应堆,燃料元件的装卸和循环不需要停堆,由燃料元件装卸系统自动实现。为保证ＨＴＲ－１０的正常运行,燃料元件装卸系统必须安全可靠运行。为此,控制系统根据ＨＴＲ－１０燃料装卸系统热实验装置控制系统的设计和运行经验,采用了欧姆龙（ＯＭＲＯＮ）Ｃ２００Ｈ可编程控制器（ＰＬＣ）作为核心部件。本文介绍了控制系统的设计方案、控制过程和ＰＬＣ控制的特点以及用其实现     

10MW高温气冷堆乏燃料元件的贮存

10MW高温气冷堆（HTR-10）在设计寿命内共卸出约9万个乏燃料元件，其放射性裂变产物的活度高达1.0×10¹⁶Bq，必须妥善处置。HTR-10乏燃料元件卸在密封和屏蔽的乏燃料罐内，每罐可容纳2000个乏燃料元件。这些罐暂存在反应堆建筑物最底层的乏燃料暂存库内，在库内采取通风冷却。若干年后，通过转运小车运至反应堆大厅竖井下方，再用大厅吊车从竖井吊至地面，最后用卡车运至最终贮存库。     

10MW高温气冷堆控制方案研究

在清华大学核能设计研究院开发的高温堆可视化仿真控制平台上进行了10MW高温气冷堆动态特性研究,并结合其运行特点和控制要求设计了3种控制方案,采用比例积分与微分控制方法,在高温堆可视化仿真控制平台上进行了控制方案的仿真比较。控制的重点在于维持直流蒸汽发生器的出口蒸汽温度恒定,同时兼顾反应堆出口热氦气温度不超出保护限值。仿真结果表明,采用给水泵调节给水流量来控制蒸汽温度,并通过氦风机调节氦流量保持与给定功率成比例,避免跨回路调节,静态解除了由于氦流量的变化对一、二回路的耦合问题,能够获得理想的控制效果。     

10MW高温气冷实验堆的堆体结构特点

模块式高温气冷堆是当今世界上公认的先进反应堆堆型之一。固有安全性是它的最突出的优点。本文对10MW高温气冷堆的堆体布置进行了详细描述,并对10MW高温气冷堆的结构设计特点进行了分析。根据10MW高温气冷堆的特点,本文对该堆的固有安全性、制造工艺等方面的优点进行了论述。     

10MW高温气冷堆气体采样分析系统研究

10MW高温气冷堆的氦气净化系统由氧化铜床、分子筛床、低温吸附器等主要净化设备及其它辅助设备组成,气体采样分析系统由气相色谱仪,湿度计、红外分析仪组成。在投入HTR-10使用中,其湿度计和红外分析仪均能达到设计要求,实现了对反应堆一回路氦气中H2O,CO,CO2的连续监测。其气相色谱仪满足设计要求．实现了对反应堆一回路氦气中H2,O2、N2、CH4、CO、CO2的间歇取样分析。     

10MW高温气冷实验堆反应堆压力容器热电偶贯穿件

介绍了 10 MW高温气冷实验堆反应堆压力容器热电偶贯穿件。热电偶贯穿件用于堆芯部件温度的测量,由贯穿筒体、铠装热电偶组件和焊接保护管组成。采用过渡管结构、激光焊和钨极氩弧焊方法,实现两种壁厚相差甚大的铠装热电偶套管和贯穿筒体的焊接,有效地解决了高温高压下氦气密封的困难。铠装热电偶组件直接贯穿反应堆容器,在容器外采用卡套密封,避免了高温容器内信号的转接。经 ANSYS程序分析计算,热电偶贯穿件的结构设计满足应力强度和抗震要求。经氦检漏试验,热电偶贯穿件泄漏率小于 1× 10－ 7 Pa· m3/s。该热电偶贯穿件现已在反应堆上安装完毕。     

10MW高温气冷实验堆石墨砖的三维辐照应力分析

为分析快中子辐照和高温等条件下石墨砖在整修寿期内的力学行为，采用改编的ＡＤＩＮＡ和ＡＤＩＮＡＴ程序，计算了１０ＭＷ高温气冷实验堆石墨砖受快中子辐照后所产生的变形和应力历史。计算结果表明，改编后的ＡＤＩＮＡ和ＡＤＩＮＡＴ程序考虑了温度和辐照条件下多个参数的变化，可以用来分析石墨砖在辐照条件下的应力和变形。     

高温气冷堆燃料元件的自由铀含量

近代低富集度3层包覆颗粒(Modern LEU TRISO Particles)燃料元件的大量辐照试验表明:在高温气冷堆正常运行工况下,燃料元件的包覆燃料颗粒一般不会发生破损,放射性裂变产物的释放主要取决于制造引起的自由铀含量(燃料元件中没有被Sic层完整包覆的燃料颗粒铀量和总铀量之比).燃烧-浸取(Burn-Leach)法可以灵敏、准确地测量自由铀含量.本文介绍了燃烧-浸取法,给出了10MW高温气冷实验堆(HTR-10)首炉燃料元件自由铀含量的测量结果.     

10MW高温气冷实验堆工艺系统的辐射源及屏蔽设计

介绍了１０ＭＷ高温气冷实验堆（ＨＴＲ－１０）与氦冷却剂相关的工艺系统设备中的辐射源,并以ＱＡＤ－ＣＧ程序完成了各设备间的辐射屏蔽计算。计算结果表明,工艺系统各设备中的辐射源强较低,即使对这些设备不进行附加屏蔽,其大多数设备外表面处的辐射剂量率仍满足限定工作区剂量率管理限值要求,并且对这些设备所在房间进行整体屏蔽的要求不高（１０￣２０ｃｍ厚的温凝土即可）。因此,建筑物结构设计厚度就能满足要求。