杜景暉

四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

加拿大重水堆技術(shù)發(fā)展綜述

杜景暉

四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

介紹了加拿大重水動力堆技術(shù)發(fā)展的歷史及對未來的展望。加拿大在重水動力堆方面一直有深厚的經(jīng)驗(yàn)，在役反應(yīng)堆多為CANDU 6型。上世紀(jì)九十年代開發(fā)出的CANFLEX棒束是CANDU堆最先進(jìn)燃料循環(huán)最合適的載體被運(yùn)用在之后設(shè)計(jì)的ACR堆和CANDU SCWR堆中，由于允許較高的運(yùn)行溫度和壓力，機(jī)組的熱效率有所提高。AECL的長期計(jì)劃是發(fā)展CANDUX ，使熱效率能提高40%。

CANDU堆；發(fā)展；canflex棒束；重水堆

序言

加拿大原子能公司（AECL）是目前核動力堆的主要設(shè)計(jì)商之一，其旗艦產(chǎn)品CANDU堆的發(fā)展一直受到關(guān)注。六十年來，加拿大原子能公司一直致力于CANDU堆的發(fā)展，由最早第I代的原型堆NPD，到第I I代反應(yīng)堆C A N D U，第I I+代的CANDU6，發(fā)展到第III代的Echanced CADNU 6，III+的先進(jìn)CANDU堆（ACR系列），AECL正在積極規(guī)劃發(fā)展IV代的CANDU 超臨界水堆（SCWR），和剛開始概念設(shè)計(jì)的CANDU X。

1.CANDU 6 堆的發(fā)展

CANDU6堆是700MW級的核反應(yīng)堆，最早使用CANDU 6型反應(yīng)堆的核電廠位于加拿大近海岸，已運(yùn)行了三十年。國內(nèi)投入運(yùn)營的秦山三期重水堆，采用的就是CANDU6堆，其燃料棒束設(shè)計(jì)是由37根天然鈾棒組成的NU-37（natural uranium）組件。

NU37燃料棒束由天然鈾二氧化鈾陶瓷芯塊、Zr-4合金包殼管和壓力管、端塞、隔離塊、支撐墊和端板等部件組成。其中經(jīng)壓制燒結(jié)而成的高密度芯塊能降低體積變化率且使堆內(nèi)裝載盡可能多的可裂變材料。而芯塊端面呈蝶形，端部有倒角，柱面經(jīng)磨床加工后光潔度較高，有利于芯塊與包殼的接觸和熱傳導(dǎo)。組成棒束的37根元件棒結(jié)構(gòu)相同，芯塊裝在Zr-4合金包殼管內(nèi)，其兩端由端塞密封焊接而成，兩側(cè)由端板焊接固定。元件棒與元件棒之間由隔離塊連接，棒束通過最外層元件棒上的支承墊由壓力管支承。

2.CANFLEX 棒束的應(yīng)用

CANDU6堆采用天然鈾燃料，重水冷卻和慢化及不停堆換料方式，雖然具有較好中子經(jīng)濟(jì)性，能靈活決定停堆維修的周期和時間的優(yōu)點(diǎn)，但卻存在燃耗低、換料頻繁、操作量大、乏燃料產(chǎn)量大、中間貯存費(fèi)用高以及安全裕度小的缺點(diǎn)。因此，AECL提出了用輕水堆的乏燃料作CANDU堆燃料的方案，這不僅節(jié)省了天然鈾資源，也提高了燃耗。因此CANFLEX棒束被研究出來作為多種燃料的載體，如SEU（Slightly Enriched Uranium）、DUPIC（direct use of Spent PWR Fuel in CANDU）燃料、MOX（M i x e d O x i d e F u e l）燃料、R U（recoverd uranium）、釷等。而總功率為900MWe的CANDU 9開始采用這種燃料組件。

CANFLEX棒束是由AECL和韓國的KAERI用了十年時間開發(fā)出來，具有優(yōu)良的熱工水力特性，比NU-37棒束能有更高的燃耗。CANFLEX棒束的主要特征是在NU37（CANDU6）組件的37根元件棒基礎(chǔ)上增為43根。CANFLEX棒束內(nèi)部的元件棒分為兩種不同的尺寸： 中心元件與內(nèi)環(huán)共8根采用大直徑的燃料元件棒，外部二環(huán)35根采用小直徑的燃料元件棒。外部兩環(huán)峰因子相比于NU37組件降低了16%，而內(nèi)環(huán)和中心尺寸較大的元件就是為了補(bǔ)償外部兩環(huán)較小的元件所造成的燃料體積的損失。

與NU37組件的相比，CANFLEX棒束有著優(yōu)越的技術(shù)特點(diǎn)：

首先，CANFLEX棒束增加了6%～9%的臨界通道功率水平，而根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，堆芯長期運(yùn)行后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象使得臨界通道功率降低，canflex棒束剛好能抵消這些不利效應(yīng)，保證堆在滿功率運(yùn)行下有足夠的安全裕度，延緩降低現(xiàn)象對堆芯使用壽命的影響，使得安全性方面有所提升。

其次，如果在CANFLEX棒束中使用與NU37相同量的天然鈾，由于元件數(shù)目的增加，元件棒的峰值功率會降低20%，但整個棒束的功率和NU37的相近。這也增強(qiáng)了其安全性。

第三，為了使CANFLEX棒束與現(xiàn)有CANDU堆內(nèi)燃料裝卸系統(tǒng)完全兼容，兩種組件長度和外徑都分別相等，并具有近似的壓降和氙瞬態(tài)水平,使得CANFLEX棒束可以直接使用在CANDU堆上而無需對堆芯幾何結(jié)構(gòu)和換料機(jī)構(gòu)做任何調(diào)整，因此, 營運(yùn)者可在不停堆換料期間引入CAN FLEX 棒束，同時原有的元件制造生產(chǎn)線也無需作重大改變即可進(jìn)行CANFLEX組件的生產(chǎn)。

此外，CANFLEX棒束還增加了CHF（critical heat flux）附加塊，這種結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出該棒束較高的熱工水力效率（增加冷卻劑的湍動，減小產(chǎn)生冷卻劑空泡的可能性），提高了熱傳輸效率，也更增強(qiáng)了安全裕度。

由于其靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，優(yōu)化后的CANFLEX棒束在之后的CANDU技術(shù)發(fā)展中得到廣泛采用。

圖1 NU-37燃料組件

圖2 CANFLEX燃料組件

3、ACR（Advanced CANDU Reactor）的發(fā)展

研發(fā)先進(jìn)CANDU堆是為了更好地滿足工業(yè)界和公眾對安全、經(jīng)濟(jì)、可靠和環(huán)保核電的期望。

ACR的發(fā)展保留了CANDU堆久經(jīng)驗(yàn)證的基本設(shè)計(jì)理念與優(yōu)勢特點(diǎn)，此外，為了最大化其經(jīng)濟(jì)性的增長，AECL對反應(yīng)堆進(jìn)行了一系列優(yōu)化設(shè)計(jì)。以下是ACR 相比于CANDU的主要設(shè)計(jì)革新：

使用輕水替代重水作為冷卻劑，省去了重水冷卻劑凈化回收系統(tǒng)；

更加緊湊的堆芯設(shè)計(jì)（較小的燃料通道刪距降低了堆芯體積），減少了重水裝量，降低成本和輻射；

使用進(jìn)低濃縮鈾（L E U ）的CANFLEX-ACR燃料棒束，提高了燃耗，延長了燃料的使用壽命；

可以高效使用混合氧化物（MOX）燃料和釷等其他類型的核燃料；

提高了燃料的安全裕度；減少乏燃料產(chǎn)量約60%；冷卻劑和蒸汽供應(yīng)系統(tǒng)的溫度更高，提高了熱效率；

設(shè)計(jì)中還包含了許多非能動安全特點(diǎn)，使其安全性更強(qiáng)；

堆芯尺寸雖與CANDU6相仿，但輸出功率更大。

ACR堆所采用的CANFLEX-ACR棒束，其中心元件是含中子吸收劑和燃料棒（含鏑Dy的天然鈾芯塊），其余42個元件為低富集鈾芯塊。這就更好的優(yōu)化燃料的線功率，同時，中心元件內(nèi)的中子吸收劑可以調(diào)整冷卻劑空泡反應(yīng)性，使ACR堆具有負(fù)的冷卻劑空泡反應(yīng)性，同時也使其成為最理想的混合氧化物（MOX）燃料和釷燃料的反應(yīng)堆。此外，在燃料包殼內(nèi)壁覆蓋的一層很薄的特殊潤滑層也能提高燃料性能。

4、IV代超臨界水冷堆（CANDUSCWR）

SCWR堆作為六種優(yōu)先發(fā)展的第四代核能系統(tǒng)之一，是唯一一個以輕水作冷卻劑的反應(yīng)堆，它是在現(xiàn)有水冷反應(yīng)堆技術(shù)和超臨界火電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。與之前的反應(yīng)堆技術(shù)相比，它在經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性、可靠性以及防核擴(kuò)散方面都有優(yōu)勢。SCWR堆應(yīng)用范圍也被擴(kuò)展到許多方面，比如從油砂中提取石油，供熱，脫鹽等等。

現(xiàn)在主要有兩種類型的SCWR堆：與傳統(tǒng)壓水堆、沸水堆相似的壓力容器式以及壓力管式。前者主要由日本以及歐盟集中研究，而加拿大主要研究基于CANDU堆的壓力管式SCWR堆。

作為冷卻劑的超臨界水密度變化會很大，尤其在堆內(nèi)當(dāng)水溫超過臨界點(diǎn)時變化尤為顯著。這種密度變化會使堆芯通量梯度以及通量的形狀更加復(fù)雜，而在這一點(diǎn)上CANDU堆則不會受太大的影響。這主要是因?yàn)椋?/p>

在CANDU堆內(nèi)慢化劑是和冷卻劑分離的，使冷卻劑對于中子的影響較??；

燃料通道的流動方向是交錯的，這就剛好平衡了密度梯度，軸向的通量分布也較為均勻。作為慢化劑的重水特別適合于使用超臨界水。

超臨界水的壓力要求高于23兆帕，如果是壓力容器式反應(yīng)堆，就要求其壓力容器要更厚，這就會增加成本以及引起其他問題，而CANDU堆只需對燃料通道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)就能滿足要求。

因此，壓力管式SCWR堆可直接在CANDU堆基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而不用改變過多參數(shù)，實(shí)現(xiàn)較好的過渡。

CANDU SCWR堆堆芯出口溫度均超過500攝氏度，壓力約30兆帕，由于高溫，堆內(nèi)水密度較低，這就減弱了對中子的慢化，從而使堆內(nèi)中子能譜硬化，易裂變?nèi)剂系霓D(zhuǎn)換比和燃料利用率也得到提高，這就相當(dāng)于CANDU燃料效率與超臨界水熱效率的疊加，其優(yōu)良的效率可見一斑。該堆預(yù)計(jì)最早將在2015年建成示范堆。

5.CANDU X

CANDU X的概念是在上世紀(jì)九十年代初提出來的，其中不少理念已經(jīng)被應(yīng)用到III+的ACR技術(shù)中（緊湊的堆芯，輕水冷卻，先進(jìn)燃料及燃料循環(huán)方式等）。CANDU X將是AECL發(fā)展的方向。而CANDU X的發(fā)展可能會給現(xiàn)在的技術(shù)水平帶來一場革新。

6.結(jié)束語

加拿大重水堆的突出優(yōu)點(diǎn)是可直接利用天然鈾。由于重水良好的慢化性能，使其吸收的中子數(shù)較少，故可直接用天然鈾作燃料?；贑ANDU堆簡單短小的燃料組件設(shè)計(jì)，其對燃料的適應(yīng)性強(qiáng)，有利于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的燃料循環(huán)方式，再加上成本的低廉性，高中子經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，CANDU堆在核電的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可持續(xù)性等方面有著其自身的優(yōu)勢。圍繞CANDU堆，加拿大原子能公司開展了大量的設(shè)計(jì)研究，從CANDU技術(shù)到中期的ACR技術(shù)，這對于實(shí)現(xiàn)全球核電的經(jīng)濟(jì)以及可持續(xù)發(fā)展有著積極意義。

謝仲生.Peter Boczar.CAN堆DU先進(jìn)燃料循環(huán)展望 [J].核動力工程.1999, 20(6): 560-565

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.006