[科普中國(guó)]-燃料棒

簡(jiǎn)介

以最常見(jiàn)的壓水堆核電站為例，核燃料采用的鈾是低濃縮鈾，其中含裂變材料鈾-235的含量為3%（稱為富集度，天然鈾的鈾-235富集度為0.714%）。

在壓水反應(yīng)堆燃料組件中，一組15×15的含芯塊和包殼的燃料棒由15×15的定位格架在多點(diǎn)支承，每根燃料棒長(zhǎng)約4m，外徑約1 cm，沿軸向約有7到8個(gè)定位格架。在燃料組件的流致振動(dòng)分析時(shí)，通常將燃料棒簡(jiǎn)化為在流場(chǎng)作用下的多跨連續(xù)梁，格架中的每個(gè)單元分別含兩個(gè)彈簧片和四個(gè)剛凸。

相關(guān)介紹有些類型的反應(yīng)堆其它部分也有放射性，比如重水反應(yīng)堆中的重水，輕水反應(yīng)堆中的一回路冷卻水，這些都是有放射性的。

伊朗正在生產(chǎn)用于核反應(yīng)堆的燃料棒。這是伊朗政府推動(dòng)其核項(xiàng)目的最新進(jìn)展，國(guó)際社會(huì)正試圖對(duì)伊朗的核項(xiàng)目加以限制。燃料棒含有低濃縮度的鈾，它被放置在核反應(yīng)堆的核心位置以使反應(yīng)堆運(yùn)轉(zhuǎn)。

濃縮鈾可用于生產(chǎn)核能或用于制造核武。作為核不擴(kuò)散條約成員國(guó)的伊朗堅(jiān)持稱其核能項(xiàng)目只是出于生產(chǎn)電力的和平目的，但美國(guó)、法國(guó)和英國(guó)正推動(dòng)安理會(huì)通過(guò)一項(xiàng)要求伊朗放棄鈾濃縮活動(dòng)的決議案，否則將面臨安理會(huì)采取進(jìn)一步措施的威脅。

新聞資料韓媒體公開(kāi)朝鮮未使用的核燃料棒照片2009年2月4日，據(jù)韓聯(lián)社報(bào)道，朝鮮為生產(chǎn)核原料钚而制作的未使用燃料棒的照片首次曝光。照片共有9張，韓國(guó)外交通商部朝核外交企劃團(tuán)團(tuán)長(zhǎng)黃浚局等韓政府考察團(tuán)于上月15日至19日訪朝，并于16日前往朝鮮寧邊核燃料棒制造工廠燃料棒保管倉(cāng)庫(kù)，親自拍下這些照片。經(jīng)外交通商部同意，媒體公開(kāi)了這些照片。

據(jù)參與考察團(tuán)的韓國(guó)某官員介紹，未使用燃料棒共有1.4萬(wàn)多根，其中包括1.2萬(wàn)根用于50MW反應(yīng)堆的燃料棒和2千根用于5MW的燃料棒，分別被放在不同的房間里，每個(gè)擱板上捆放著30根。這些未使用燃料棒于1993年至1994年生產(chǎn)，1994年簽署《日內(nèi)瓦協(xié)議》后核燃料棒工廠關(guān)閉?？疾靾F(tuán)在訪朝期間向朝方提議取回燃料棒樣本，但朝方以為時(shí)尚早為由，表示了拒絕。此前，六方會(huì)談同意作為朝鮮核設(shè)施去功能化的一部分，以將未使用燃料棒弄彎或購(gòu)買(mǎi)的方式進(jìn)行處理。

福島核燃料棒轉(zhuǎn)移工作福島第一核電站封堆作業(yè)第一階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——從4號(hào)機(jī)組乏燃料池中取出核燃料棒的工作于2013年11月18日正式啟動(dòng)。福島第一核電站4號(hào)機(jī)組的乏燃料池里共存放1533根核燃料棒，其中1331根為使用完的乏燃料，輻射極高。工作人員須從乏燃料池中取出核燃料棒，裝入運(yùn)輸專用的“干式貯存桶”，再使用大型起重機(jī)將裝有核燃料棒的貯存桶轉(zhuǎn)移到地面，然后運(yùn)輸?shù)?00米外、名為“共用燃料池”的儲(chǔ)存設(shè)施內(nèi)。東京電力公司計(jì)劃2014年年底結(jié)束從4號(hào)機(jī)組乏燃料池取出核燃料棒的工作，而能否按計(jì)劃完成作業(yè)、確保安全無(wú)誤備受關(guān)注。

應(yīng)用定位格架彈性約束對(duì)燃料棒振動(dòng)特性的影響燃料組件是核反應(yīng)堆的核心部件，其性能直接影響核電站的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，而定位格架作為燃料組件的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證反應(yīng)堆在其壽期內(nèi)，具有良好的熱工水力性能、足夠的強(qiáng)度和剛度，其功能除了定位、支承和導(dǎo)向外，還需起到合理分配流量、限制燃料棒振動(dòng)水平的作用。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于格架力學(xué)性能的研究主要有：從流場(chǎng)分析的角度，研究定位格架導(dǎo)向翼和攪混翼的不同設(shè)計(jì)對(duì)合理分配流量的影響；通過(guò)靜力試驗(yàn)和分析，研究定位格架的力學(xué)參數(shù)，考察其整體剛度和強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。燃料組件在實(shí)際運(yùn)行工況下，長(zhǎng)期處于高溫高壓以及輻照等惡劣環(huán)境中，隨著燃耗的增加，定位格架上的彈簧片和剛凸有可能由于輻照生長(zhǎng)和蠕變而出現(xiàn)松動(dòng)，導(dǎo)致格架的力學(xué)性能參數(shù)會(huì)有不同程度的變化，對(duì)燃料棒模態(tài)參數(shù)將會(huì)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)一步影響燃料組件的使用壽命。而燃料棒在流致振動(dòng)分析中一般將其簡(jiǎn)化為在流場(chǎng)作用下的多跨連續(xù)梁，文獻(xiàn)僅分析了單跨情形下，兩端的彈性約束對(duì)燃料棒一階固有頻率的影響；將燃料棒作為多跨連續(xù)梁作整體分析，考慮格架的彈性約束對(duì)其模態(tài)參數(shù)的影響，這方面公開(kāi)發(fā)表的研究成果較為少見(jiàn)。

應(yīng)用多跨連續(xù)梁振動(dòng)理論，研究了定位格架約束對(duì)燃料棒固有振動(dòng)特性的影響，以某核電廠燃料組件為例，建立了定位格架彈性約束的等效線剛度與燃料棒一階固有頻率的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)測(cè)值確定格架彈性約束的等效剛度系數(shù)，并進(jìn)行了燃料棒在彈性約束下的固有振動(dòng)特性分析。結(jié)果表明，定位格架約束的不同處理對(duì)燃料棒的振動(dòng)特性影響顯著。因此，在燃料組件的設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮定位格架剛度的變化，所導(dǎo)致的燃料棒流致振動(dòng)特性的改變。1

核燃料棒235U富集度檢測(cè)設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)核電站不同堆型所使用的核燃料棒富集度也有所差異，核燃料元件廠為滿足這些需求，生產(chǎn)了不同富集度的核燃料芯塊。裝填芯塊時(shí)由于某些原因可能出現(xiàn)混裝，使得核燃料棒中出現(xiàn)異常芯塊，在反應(yīng)堆運(yùn)行過(guò)程中由于這些異常芯塊以及235U富集度不均勻產(chǎn)生的熱點(diǎn)可能引起燃料棒破裂。因此，必須對(duì)所生產(chǎn)的燃料棒235U富集度及其均勻性進(jìn)行100%的檢測(cè)。中國(guó)核電工程有限公司鄭州分公司新研制的252Cf中子活化核燃料棒235U富集度無(wú)損檢測(cè)設(shè)備在傳動(dòng)裝置、前端探測(cè)器、上下料以及檢測(cè)軟件等方面相對(duì)以前研制的設(shè)備都有所改進(jìn)，其中檢測(cè)軟件由DOS平臺(tái)運(yùn)行升級(jí)為Windows平臺(tái)運(yùn)行。

（1）檢測(cè)原理

熱中子誘發(fā)UO2芯塊中的235U發(fā)生裂變反應(yīng)產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物不穩(wěn)定，伴隨一系列β-衰變，釋放出大量γ射線(稱為緩發(fā)γ射線)。在中子源強(qiáng)度、輻照時(shí)間和冷卻時(shí)間一定的條件下，緩發(fā)γ射線強(qiáng)度與235U富集度成正比關(guān)
系，因此，通過(guò)測(cè)量γ射線強(qiáng)度沿燃料棒軸向分布和利用差值超限判別法便可確定核燃料棒的實(shí)際235U富集度值并判斷出棒中是否混有異常芯塊。

（2）系統(tǒng)組成

為提高中子源利用率和檢測(cè)效率，252Cf中子活化核燃料棒235U富集度檢測(cè)設(shè)備采用雙通道設(shè)計(jì)，每個(gè)通道上布置3路探測(cè)器，整套設(shè)備由上下料架、傳動(dòng)裝置、中子源、252Cf中子輻照器，六路探測(cè)器、放大器、單道脈沖幅度分析器、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。2