核電站的核心部分是反應(yīng)堆，它提供了發(fā)電所需要的全部熱能。對于不同類型的核反應(yīng)堆，其核燃料、燃料組件及其反應(yīng)堆堆本體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)材料等有很大差異。壓水堆核動力廠的反應(yīng)堆由堆芯、壓力容器、上部堆內(nèi)構(gòu)件和下部堆內(nèi)構(gòu)件等部分組成。

堆芯又稱為活性區(qū)，位于反應(yīng)堆壓力容器中心偏下的位置。如我國大亞灣核電廠堆芯由157個燃料組件構(gòu)成一個高 3.66 m，等效直徑 3.04 m 的準圓柱狀核反應(yīng)區(qū)，見圖3-2。初始堆芯分成三個燃料富集度不同的區(qū)，在堆芯外區(qū)放置富集度較高的燃料組件， 富集度較低的燃料組件以棋盤的形式排列在堆芯的內(nèi)區(qū)。1 區(qū) 53 個組件，富集度 1.8%;2 區(qū) 52個組件，富集度2.4%;3區(qū) 52個組件，富集度為3.1%。燃料組件由燃料元件(也稱燃料棒)、定位格架和組件骨架等部件組成。壓水堆的燃料組件通常由 16×16、17×17和 18×18 等正方形排列的燃料元件組成。其燃料元件活性區(qū)部分的高度目前主要有3.66m(12英尺)和4.27 m(14英尺)兩種。在3.66 m 活性區(qū)高度的每根燃料元件中裝有 271塊二氧化鈾燃料芯塊，每個燃料芯塊直徑約8.2 mm，高13.5 mm。燃料芯塊的區(qū)域稱為活性區(qū)。燃料芯塊疊放在壁厚0.57 mm的 Zr-4 合金包殼中。

Zr作燃料包殼的優(yōu)點有∶

(1)中子吸收截面小∶

(2)在高溫下有較高的機械強度和抗腐蝕性能;

(3)只有少量氚穿過Zr管;

(4)正常運行時，與水不發(fā)生反應(yīng);

(5)熔點高(1800℃)。

Zr作燃料包殼的主要缺點是在 820 ℃下鋯與水開始發(fā)生錯水反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，會帶來安全問題。

這也就是日本福島核電爆炸的原因，日本福島在停堆情況下，由于沒有外部電力輸入，同時自己的柴油發(fā)電機全部淹沒，而且也不存在非能動余熱排除系統(tǒng)。堆芯溫度持續(xù)升高情況下，使得堆芯水分很快蒸發(fā)，鋯合金包殼裸露在空氣中，高溫條件下產(chǎn)生氫氣，產(chǎn)生爆炸。

包殼與芯塊之間有 0.17 mm 的間隙， 目的在于補償句殼和燃料芯塊不同材料的熱膨脹和燃料的輻照腫脹，減少句殼超應(yīng)力的風(fēng)險。燃料芯塊的上下兩端設(shè)有氧化鋁隔熱塊，頂部有彈簧壓緊，兩端用鋯合金端塞封堵，并與包殼管焊接密封在一起。彈簧所在空間可容納燃料放出的裂變氣體，氣空間充3MPa壓力的氦氣，用來改善間隙的傳熱性能和減小包殼內(nèi)外的壓差。壓水堆燃料組件外面不加裝方形盒，即所謂開式柵格， 以利于冷卻劑的橫向流動。密封的燃料元件包殼構(gòu)成了包容放射性物質(zhì)的第一道安全屏障。

一回路冷卻劑的微泄漏,放射性裂變產(chǎn)物也會進一步釋放到環(huán)境中;在停堆換料及破損元件貯水池存放時,某些放射性裂變產(chǎn)物也要釋放于環(huán)境之中,給公眾健康造成不良影響,所以,元件破損也關(guān)系到公眾安全問題。核電站運行規(guī)程中有明確規(guī)定,一旦一回路冷卻劑的當量碘的放射性劑量超過一定限值后,機組必須停止負荷追隨運行,再超過更高的限值后,反應(yīng)堆必須在規(guī)定時間內(nèi)停堆。

事故原因

在瞬時功率劇增和冷卻劑喪失條件下，可能釀成燃料熔化、包殼破損等嚴重事故。下面是引起輕水堆燃料一次破損的主要原因和機理。

(1)制造缺陷 指燃料棒端塞缺陷、焊縫缺陷和包殼缺陷引起的燃料棒破損。

(2)一次氫化 其機理是燃料棒內(nèi)存在過量的水份或殘留有機物,即有足夠的當量氫含量,被包殼內(nèi)表面氧化膜脫落的地方局部吸氫,產(chǎn)生所謂的“太陽狀”破損。

(3)PCI 芯塊—包殼相互作用(PCI)引起輕水堆燃料破損是機械和化學(xué)聯(lián)合作用的結(jié)果。PCI的程度取決于功率劇增前在低功率下所累積的燃耗、劇增時的最大棒功率、功率增量、平均劇增速率和在高功率下停留的時間。當這五個運行參數(shù)同時處在臨界范圍內(nèi)時燃料棒才會產(chǎn)生破損。其中壓水堆燃料棒由PCI引起的破損非常稀少。

(4)腐蝕輕水堆燃料棒鋯合金包殼水側(cè)腐蝕，是歷來倍受關(guān)注的問題。并明確規(guī)定設(shè)計壽期末，包殼均勻腐蝕深度應(yīng)小于包殼壁厚的10%。

(5)包殼坍塌 70年代初,由于燃料芯塊輻照密實化,在燃料芯塊堆積高度形成軸向間隙,致使許多壓水堆燃料棒包殼坍塌。這種情況通過使用合適密度(一般是95%TD)和穩(wěn)定的燃料芯塊以及提高燃料棒預(yù)充氦的壓力等己完全消除。

(6)格架—燃料棒磨蝕 壓水堆燃料棒破損的原因之一。主要原因是定位格架設(shè)計或制造不當,致使對燃料棒的夾持力不足,從而在冷卻劑流量,尤其是燃料棒在橫向流作用下產(chǎn)生流致振動而被磨蝕破損。通過設(shè)計改進,這種機理引起的燃料棒破損有所降低。

(7)異物磨蝕 所有動力堆燃料破損的主要原因。原因是冷卻劑回路中的異物隨冷卻劑循環(huán)進入燃料組件,被定位格架捕捉,在流致振動條件下,逐漸地磨穿包殼。防止異物磨蝕引起輕水堆燃料棒破損的措施是清除遺留在冷卻劑中的異物,而運行中產(chǎn)生的異物,則依靠防異物磨蝕破損的對策來解決,如使用帶過濾異物功能的下管座設(shè)計、緊靠下管座加保護性格架、燃料棒包殼下端預(yù)生保護性耐磨氧化膜等,這些措施均能產(chǎn)生很好的效果。

(8)圍板射流 曾是引起許多壓水堆燃料棒破損的原因之一。即環(huán)繞堆芯的圍板連接不合理,致使產(chǎn)生噴射流引起鄰近燃料棒振動磨蝕破損。采用降低圍板兩側(cè)壓差的新設(shè)計,基本上消除了圍板射流引起的燃料棒破損。

(9)燃料棒彎曲 盡管歷史上未見到因彎曲而引起燃料棒包殼破損,但是彎曲會使燃料組件中的燃料棒與燃料棒之間間距減小,從而使臨界熱流密度(DNBR)裕量降低。

表1. 燃料元件破損的基本原因以及可能導(dǎo)致釋放的破損分類