核电站第一道安全屏障燃料包壳为什么会容易破损呢？

核电站的核心部分是反应堆，它提供了发电所需要的全部热能。对于不同类型的核反应堆，其核燃料、燃料组件及其反应堆堆本体结构和结构材料等有很大差异。压水堆核动力厂的反应堆由堆芯、压力容器、上部堆内构件和下部堆内构件等部分组成。

堆芯又称为活性区，位于反应堆压力容器中心偏下的位置。如我国大亚湾核电厂堆芯由157个燃料组件构成一个高 3.66 m，等效直径 3.04 m 的准圆柱状核反应区，见图3-2。初始堆芯分成三个燃料富集度不同的区，在堆芯外区放置富集度较高的燃料组件， 富集度较低的燃料组件以棋盘的形式排列在堆芯的内区。1 区 53 个组件，富集度 1.8%;2 区 52个组件，富集度2.4%;3区 52个组件，富集度为3.1%。燃料组件由燃料元件(也称燃料棒)、定位格架和组件骨架等部件组成。压水堆的燃料组件通常由 16×16、17×17和 18×18 等正方形排列的燃料元件组成。其燃料元件活性区部分的高度目前主要有3.66m(12英尺)和4.27 m(14英尺)两种。在3.66 m 活性区高度的每根燃料元件中装有 271块二氧化铀燃料芯块，每个燃料芯块直径约8.2 mm，高13.5 mm。燃料芯块的区域称为活性区。燃料芯块叠放在壁厚0.57 mm的 Zr-4 合金包壳中。

Zr作燃料包壳的优点有∶

(1)中子吸收截面小∶

(2)在高温下有较高的机械强度和抗腐蚀性能;

(3)只有少量氚穿过Zr管;

(4)正常运行时，与水不发生反应;

(5)熔点高(1800℃)。

Zr作燃料包壳的主要缺点是在 820 ℃下锆与水开始发生错水反应产生氢气，会带来安全问题。

这也就是日本福岛核电爆炸的原因，日本福岛在停堆情况下，由于没有外部电力输入，同时自己的柴油发电机全部淹没，而且也不存在非能动余热排除系统。堆芯温度持续升高情况下，使得堆芯水分很快蒸发，锆合金包壳裸露在空气中，高温条件下产生氢气，产生爆炸。

包壳与芯块之间有 0.17 mm 的间隙， 目的在于补偿句壳和燃料芯块不同材料的热膨胀和燃料的辐照肿胀，减少句壳超应力的风险。燃料芯块的上下两端设有氧化铝隔热块，顶部有弹簧压紧，两端用锆合金端塞封堵，并与包壳管焊接密封在一起。弹簧所在空间可容纳燃料放出的裂变气体，气空间充3MPa压力的氦气，用来改善间隙的传热性能和减小包壳内外的压差。压水堆燃料组件外面不加装方形盒，即所谓开式栅格， 以利于冷却剂的横向流动。密封的燃料元件包壳构成了包容放射性物质的第一道安全屏障。

一回路冷却剂的微泄漏,放射性裂变产物也会进一步释放到环境中;在停堆换料及破损元件贮水池存放时,某些放射性裂变产物也要释放于环境之中,给公众健康造成不良影响,所以,元件破损也关系到公众安全问题。核电站运行规程中有明确规定,一旦一回路冷却剂的当量碘的放射性剂量超过一定限值后,机组必须停止负荷追随运行,再超过更高的限值后,反应堆必须在规定时间内停堆。

事故原因

在瞬时功率剧增和冷却剂丧失条件下，可能酿成燃料熔化、包壳破损等严重事故。下面是引起轻水堆燃料一次破损的主要原因和机理。

(1)制造缺陷 指燃料棒端塞缺陷、焊缝缺陷和包壳缺陷引起的燃料棒破损。

(2)一次氢化 其机理是燃料棒内存在过量的水份或残留有机物,即有足够的当量氢含量,被包壳内表面氧化膜脱落的地方局部吸氢,产生所谓的“太阳状”破损。

(3)PCI 芯块—包壳相互作用(PCI)引起轻水堆燃料破损是机械和化学联合作用的结果。PCI的程度取决于功率剧增前在低功率下所累积的燃耗、剧增时的最大棒功率、功率增量、平均剧增速率和在高功率下停留的时间。当这五个运行参数同时处在临界范围内时燃料棒才会产生破损。其中压水堆燃料棒由PCI引起的破损非常稀少。

(4)腐蚀轻水堆燃料棒锆合金包壳水侧腐蚀，是历来倍受关注的问题。并明确规定设计寿期末，包壳均匀腐蚀深度应小于包壳壁厚的10%。

(5)包壳坍塌 70年代初,由于燃料芯块辐照密实化,在燃料芯块堆积高度形成轴向间隙,致使许多压水堆燃料棒包壳坍塌。这种情况通过使用合适密度(一般是95%TD)和稳定的燃料芯块以及提高燃料棒预充氦的压力等己完全消除。

(6)格架—燃料棒磨蚀 压水堆燃料棒破损的原因之一。主要原因是定位格架设计或制造不当,致使对燃料棒的夹持力不足,从而在冷却剂流量,尤其是燃料棒在横向流作用下产生流致振动而被磨蚀破损。通过设计改进,这种机理引起的燃料棒破损有所降低。

(7)异物磨蚀 所有动力堆燃料破损的主要原因。原因是冷却剂回路中的异物随冷却剂循环进入燃料组件,被定位格架捕捉,在流致振动条件下,逐渐地磨穿包壳。防止异物磨蚀引起轻水堆燃料棒破损的措施是清除遗留在冷却剂中的异物,而运行中产生的异物,则依靠防异物磨蚀破损的对策来解决,如使用带过滤异物功能的下管座设计、紧靠下管座加保护性格架、燃料棒包壳下端预生保护性耐磨氧化膜等,这些措施均能产生很好的效果。

(8)围板射流 曾是引起许多压水堆燃料棒破损的原因之一。即环绕堆芯的围板连接不合理,致使产生喷射流引起邻近燃料棒振动磨蚀破损。采用降低围板两侧压差的新设计,基本上消除了围板射流引起的燃料棒破损。

(9)燃料棒弯曲 尽管历史上未见到因弯曲而引起燃料棒包壳破损,但是弯曲会使燃料组件中的燃料棒与燃料棒之间间距减小,从而使临界热流密度(DNBR)裕量降低。

表1. 燃料元件破损的基本原因以及可能导致释放的破损分类