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综述国内外核燃料包壳鼓胀爆破的详尽情况

2020-07-16 411 上传者：管理员

摘要：在压水堆的设计基准事故中，冷却剂丧失事故有着非常重要的地位，其后果非常严重。为了确保可冷却的几何形状和长期冷却的能力，进行鼓胀爆破试验是必要的。为此，文中对核燃料包壳鼓胀爆破国外研究情况进行介绍，为国内相关研究提供借鉴。

关键词：
包壳鼓胀爆破
压水堆设计
核燃料
鼓胀爆破试验
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本文分析介绍了国外一些典型的LOCA工况下单棒包壳鼓胀爆破堆外试验，对试验方法，试验特点或试验结果进行广泛调研，为后续国内研究燃料包壳在LOCA工况下的鼓胀爆破性能提供试验方法参考及数据对照基础。

1、背景介绍

LOCA是冷却剂丧失事故的简称，是压水堆的设计基准事故之一。LOCA工况后果十分严重，在反应堆安全分析中占有重要的地位。为了保证在LOCA发生时不对公众造成恶劣的放射性后果，必须制定相应的LOCA准则。为了确定LOCA准则中关于保持可冷却的几何形状和长期冷却能力的相关要求，国际上进行了大量的鼓胀爆破试验。随着时代的发展，燃耗逐渐加深，新的包壳材料被研发出来，燃料结构也在进行更新，对于不同情况，不同时期的LOCA准则也会发生变化。在新包壳材料或新燃料结构研发投产前，需要进行试验来对LOCA准则进行完善，保证投产后的安全性。为保证可冷却的几何形状和长期冷却的能力，进行鼓胀爆破试验是必要的。

2、国外LOCA鼓胀爆破试验

2.1 英国斯普林菲尔德实验室的试验

该试验在蒸汽环境中用PROPAT试验装置进行。热损失的主要来源是对流冷却，传热系数为，这是通过典型LOCA期间的计算得出的系数，蒸汽流量为80L/min。圆柱形的铜护罩包裹试验件使得辐射热损失最小。大约96%的热量被反射回来，试验件接收到的辐射热量大约相当于被相似物体在的温度下环绕接收到的热量。试验件中含有氧化铝芯块和约20ml的内部自由体积。加热方法是直接电加热。试验件被加热到大约600℃，在施加内部压力的同时保持约60s，然后进行升温，由中心放置的热电偶测得升温速率为10K/s。在试验件失效之前一直保持这个升温速率。试验结果得到胡萝卜形状的试验件。

2.2 Chalk河实验室的试验

试验装置内的试验件既可以在1.3Pa的真空状态下，也可以在蒸汽状态下。试验件通过自身的电阻电加热。采用钨铼热电偶直接点焊在试验件表面测量温度。在每次蒸汽试验之前，蒸汽以2g/s的流量进入装置，为试验件提供一个氧化环境。使设备稳定600 s，然后用氦气将试验件内部加压至试验压力，然后升高温度直至达到预定应变或发生爆破。在试验过程中，试验件在轴向上不受到约束，并且可以通过旋转密封件自由膨胀或收缩。

2.3 EDGAR试验

在法国CEA，用EDGAR-2装置进行了蒸汽中的包壳鼓胀试验。主要目的是提供一个热力学数据库，用于建立计算机程序中引入的物理模型。

试验件长490mm，放置在护罩中，通过直接电加热方式升温。用计算机控制整个试验，并实时记录数据。为了保持封闭端管的双轴应力状态，试验件的上部可以自由移动。EDGAR-2设备的工作温度范围是350至1400℃。升温速率能够控制在0.1至250K/s之间。最大内部压强为20MPa。在试验件有用部分的中部，即300mm左右处测量了温度和径向变形。有用部分的温度梯度小于5K。包壳温度可用光学高温计测量，也可用点焊Pt-Pt Rh型热电偶测量。内部气体温度用内部K型热电偶测量。试验过程中包壳直径的变化是通过激光装置连续测量的。包壳爆破后，试验停止。试验后使用薄纸带测量相应的包壳周向应变。

2.4 REBEKA试验

20世纪七十年代末在卡尔斯鲁厄的KfK进行了REBEKA单棒试验。试验棒长度325mm，内置INCONEL电加热棒，该加热棒通过环形氧化铝芯块与锆合金包壳分隔开。将其在蒸汽或惰性气体环境中加热，并用可加热或不可加热的圆柱型护罩包围，以便在包壳圆周上获得均匀的温度场。在试验瞬态过程中，棒内压和升温速率保持不变，分别在1-140bar和1-30K/s范围内。使用未加热的护罩的REBEKA单棒试验，可以揭示和量化包壳温度差对爆破应变的本质影响。

此影响与锆锡合金在α相中的各向异性引起的“热侧伸直效应”有关，可以解释如下：在高α区和α+β过渡区范围内，应变率对温度非常敏感；由于不可避免的温差，应变首先发生并集中在热侧附近；由于锆锡合金的各向异性，热侧的周向应变将导致轴向缩短，从而迫使包壳与热源紧密接触，并将包壳相对较冷的一侧抬离热源；这会导致包壳的周向温差增大，并加剧这种现象，导致包壳在总周向应变相对较低的时候更早爆破。因此，周向温差是LOCA瞬态中爆破变形，流动阻塞和相关可冷却性现象的关键参数。

2.5 ORNL试验

20世纪70年代，美国橡树岭国家实验室（ORNL）进行了单棒试验。加热长度为915 mm的试验棒由锆锡合金包壳以及内部的电加热棒组成。该包壳由专门为大多数美国核管理委员会（NRC）包壳研究计划而购买的母料制成：外径10.92 mm，壁厚0.635 mm，介于压水堆和沸水堆设计之间。电加热棒具有缠绕在氧化镁芯上的螺旋形加热元件，并通过氮化硼与不锈钢护套隔离；不锈钢护套涂有0.05mm氧化锆等离子喷涂剂。加热棒和包壳之间的间隙充入所需压力值的氦气，试验期间保持包壳内气体总量不变。冷态条件下的标称间隙值为0.23 mm。将试验棒放置在加热或不加热的圆柱形护罩内，气体环境为蒸汽或氩气。大多数试验都是在不加热的护罩下以28 K/s的升温速率进行的。还进行了5和10 K/s升温速率的试验，以及在760℃左右的恒定温度下进行的一些蠕变试验。

2.6 印度重水堆包壳鼓胀爆破试验

2014年Tapan K.Sawarn等人进行了LOCA工况下印度重水堆燃料包壳鼓胀爆破试验。测量了爆破压力、爆破温度、环向应变、径向应变以及爆破开口面积。在α、α+β、β相建立了爆破温度和应力的相关性。该试验采用直接电加热方式给试验件加热，试验件内部初始压力范围从0.3MPa到7.35MPa，升温速率为7℃/s至12℃/s。内部初始压力和升温速率为试验的自变量，因变量是爆破时间、爆破温度、环向应变、径向应变和爆破开口面积。

试验结果发现试验件均发生鼓胀，有些试验件不只有一个鼓胀位置。试验结果表明，0.2至7.1MPa的爆破压力下相应的爆破温度在1086至663℃之间。爆破延迟时间随爆破温度的增加而增加。爆破口的形状多样，有矩形爆破口（爆破温度≤721℃），也有线状爆破口（爆破温度770℃～923℃）。针孔型爆破可见于爆破温度在962℃以上。由于环向应力的作用，在所有情况下，爆破开口都被限制在轴向上。在790℃和1030℃观察到两个周向应变极大值，在880℃观察到极小值。爆破开口面积在2mm2～142mm2变化。周向应变的范围在16%到89.5%之间。

3、总结

本文精炼了国际上著名的LOCA工况下核燃料包壳鼓胀爆破试验项目的试验方法和结果分析，为国内后续将进行的核燃料包壳鼓胀爆破研究起到指导作用，在国内类似的研究中可以借鉴相关的试验方法和分析思路。

关玺彤,刁均辉.核燃料包壳鼓胀爆破国外研究情况综述[J].中国科技信息,2020(14):71+73.