CANDU堆元件现状与发展张杰崔振波王世波
包头核燃料元件厂
2005年5月
摘要
摘要
本文介绍了重水堆核电站用燃料棒束发展里程和CANDU-6燃料棒束的技术特性，介绍了重水堆核电燃料棒束的技术改进方向和发展现状以及我国在CANDU燃料循环方面的发展设想。
关键词
重水堆燃料元件、CANDU堆燃料元件、发展、燃料循环、CANFLEX燃料棒束。
1 CANDU重水堆核电概况
CANDU型重水堆经过40多年的改进和发展，已成为当前比较成熟的堆型之一。历经几十年的商业运行已充分证明，就技术指标、经济性、安全性等方面而言，CANDU堆可称为当今世界上一种较为领先的核电技术。
我国秦山三期重水堆核电站就是引进加拿大原子能有限公司两台CANDU-6重水堆核电机组，总装机容量为2×728Mwe，设计年容量因子为85%，设计寿命40年。两台机组已分别于2002年12月和2003年7月投入商业运行。
同时，为了实现重水堆燃料元件国产化，满足秦山三期核电站换料节点要求，1998年12月8日经由中核原子能公司，二零二厂与加拿大ZPI公司签定了CANDU-6型燃料棒束制造技术转让合同。该项目于2000年4月1日破土动工，工程历时33个月，于2002年12月建成了我国第一条重水堆核燃料棒束生产线——包头核燃料元件厂。包头核燃料元件厂设计生产能力为年产200吨（铀）CANDU-6型核燃料棒束（约10400-10600只燃料棒束），以满足秦山三期两座728 Mwe商用核电站的年换料要求。2003年3月27日首批国产化燃料棒束入堆，目前堆内运行状态良好。
2 CANDU重水堆燃料元件
2.1 CANDU堆燃料元件
2.1.1 燃料元件的基本结构
CANDU堆燃料元件是由天然UO2陶瓷芯块，Zr-4合金包壳管、端塞、隔离块、支承垫和端板等部件组成的棒束。图2-1是一个典型的CANDU-6型燃料棒束。
图2-1 CANDU-6型燃料棒束外形
1-端塞；2-端板；3-包壳管；4-芯块；5-石墨涂层；6-支承垫；7-隔离块；8-压力管芯块是由天然陶瓷UO2粉末经压制成型、高温烧结制成圆柱形，其密度≥10.45克/厘米3，氧铀比为2.000～2.015。高密度燃料芯块可使燃料在堆内有尽可能多的可裂变材料和尽可能小的体积变化。芯块端面呈碟形，芯块端部有倒角。芯块柱面要经磨床磨削，以得到较高的光洁度，可以保证芯块与包壳有良好的接触及有利于热传导。
每只CANDU-6型燃料棒束是由37根单棒组成。UO2芯块装入壁厚0.4mm的Zr-4合金包壳管内，其两端由端塞密封焊接组成单棒。37根单棒按照固定位置环形排列，两侧用端板焊接固定，组成燃
料棒束。燃料单棒之间的间隙靠钎焊隔离块保持，而棒束和压力管之间的间隙则靠钎焊于外圈燃料棒表面上的支承垫来保持。
每个燃料棒束的重量24千克左右，结构材料的重量占燃料束重量的10%以下，UO2燃料的重量占燃料束重量的90%以上。
表2-1列出了CANDU-6型燃料棒束设计参数。
表2-1 CANDU-6型燃料棒束设计参数
2.1.2 燃料元件的主要特点
CANDU堆燃料棒束虽然结构简单，但它在尺寸、完整性、物理性能及化学成份的要求是非常高的。CANDU燃料元件的主要特点是：
(1)中子经济性好。坎杜堆燃料元件的包壳管壁厚只有沸水堆燃料元件包壳管的二分之一，相当于压水堆燃料元件包壳管的三分之二。由于使用了薄壁包壳，中子的寄生吸收很小。如皮克灵堆燃料元件全部结构材料仅占棒束重量的8%，结构材料的寄生吸收仅占燃料束热中子吸收截面的0.7%。
(2)安全性好。CANDU堆燃料的设计是采用高密度的UO2烧结芯块，又使用短尺寸棒束，这就使得坎杜堆燃料实际上不存在密实化而引起倒塌问题，减少了弯曲变形。
包壳管内壁的石墨涂层提高了燃料功率和线功率的裕度，使燃料能够适应更大范围的功率波动，大大减少了元件破损率。据国际原子能机构（IAEA）技术报告书中统计，加拿大14个大型CANDU 堆从1985年至1995年间燃料破损比例非常低，每10000只燃料棒束中只有1到2只有缺陷，累计平均缺陷率低于0.1%。
(3)生产成本低。由于坎杜堆燃料是天然UO2陶瓷芯块，比轻水堆低浓铀芯块加工费用低得多，而且所用锆合金结构材料也比轻水堆燃料元件少。
(4)生产和运输方便。坎杜堆燃料元件结构简单，一共只有6种零件，尺寸短小，无需占用很大的生产空间；重量较轻，无需笨重的起重设备；六种零部件结构简单，容易加工，省去了象轻水堆燃料元件中的结构复杂且价格昂贵的定位格架，这就给生产和运输都带来了方便。
2.2 燃料元件的改进及发展
从1962年第一个CANDU型示范重水堆（NPD）达到临界并投入商业运行以来，40多年来坎杜堆燃料元件的基本结构没有变，但是设计参数和制造工艺却有很大的改变。图2-2表示了它的发展趋势，CANDU堆燃料元件的发展主要有以下几点：
(1) 燃料棒束中的燃料单棒直径变小，燃料单棒根数增加，与此相适应，棒束直径增大。
(2) 随着燃料棒束平均卸料燃耗的提高，额定单管功率大幅度提高。
(3) 早期的坎杜堆燃料棒之间的间隙用绕丝结构维持，1972年之后改为钎焊隔离块结构。
(4) 对材料的要求有所提高。如UO2烧结芯块的密度由10.3克/厘米3提高到10.6克/厘米3，原料成分中硼和氟的含量控制更加严格，结构材料由锆-2合金改变为锆-4合金。
(5)从1972年开始，包壳管内壁增加石墨涂覆工艺，这种具有石墨涂层的燃料元件称为CANLUB 元件（CANDU Lubricant），能有效减少燃料元件的破损率。
(6)燃料元件棒束的制造工艺也有发展，如燃料棒的端塞密封焊接由氩气保护焊改为压力电阻焊，棒束组装焊接由铆焊或熔焊改为点焊等。
图2-2 CANDU燃料组件的发展演变过程图
3 CANDU堆元件的未来发展
当前的CANDU反应堆设计是近50年开发研究的结果。为进一步开拓CANDU反应堆市场，加拿大原子能有限公司（AECL）仍在有计划地开发研究新技术和新设计，目标是有效降低CANDU反应堆的基建造价和运行成本，进一步提高固有安全性能，从而提高在国际市场的竞争力。
CANDU堆采用天然铀燃料、重水慢化、重水冷却和不停堆换料方式。虽然具有中子经济性好，能灵活决定停堆大修的周期和时间的优点，但却存在燃耗浅、换料频繁、操作量大、乏燃料产出量大和中间贮存费用高等缺点。而且，CANDU-6机组安全裕量小，当机组运行10年后，由于老化现象可能导致堆芯进口温度上升，安全裕量下降，可能需要降功率运行。
为解决CANDU堆燃料循环中存在的问题，从二十世纪九十年代初加拿大原子能有限公司（AECL）及其合作者就一直致力于开发新的燃料循环方案。
3.1 用轻水堆（LWR）的乏燃料作CANDU堆的燃料
用轻水堆的乏燃料作CANDU堆的燃料，这不仅节省了大量的铀资源，又提高了燃料的燃耗。天然铀中铀-235含量为0.711wt%，而LWR的乏燃料中铀-235约为0.8～0.9wt%，钚-239约为0.6～0.8wt%，可裂变材料约1.5wt%，核反应能力足够，目前这项研究有三条途径：
