王 坤，邢 硕，张 坤，蒲曾坪

(中国核动力研究设计院，四川 成都 610213)

随着燃料技术和运行条件的发展，为降低燃料循环成本，国际上均采用延长燃料燃耗，以提高燃料经济性。同时，作为保持安全边际的一种手段，各国监管机构对燃耗限值进行了限定。目前，各国商用轻水堆燃料燃耗的监管限值已达到燃料棒燃耗60 000 MWd/t。

燃耗限值的制定往往基于燃料在正常和事故工况下的机械热性能。为了研究CF燃料高燃耗下的性能，本文采用FUPAC软件，从理论上分析了燃耗达到60 000 MWd/t的CF燃料棒满足设计准则的情况。

1 CF燃料棒结构描述

CF燃料棒是由N36包壳管、装在包壳管中的UO2芯块或UO2-Gd2O3芯块、弹簧以及密封焊在包壳管两端的端塞构成。燃料棒的主要特性参数见表1。

表1 CF燃料棒主要结构参数Table 1 Main structural parameters of the CF fuel rod

2 FUPAC 软件相关模型

2.1 热学模型

燃料棒的热学求解模型采用简化为(一维问题)圆柱径向热传导方程：

(1)

式中，r——半径,m；

k——热导率,W/(m·K)；

cp——定压比热容,J/(kg·K)；

ρ——密度,kg/m3。

热学模型所需的N36包壳物性参数由N36合金管材物理性能试验研究数据获得。

2.2 腐蚀模型

包壳外部氧化膜发生的两个阶段：

(1)转折前

转折前使用Arrhenius拋物线关系式计算：

(2)

(2)转折后

(3)

式中，S——氧化膜厚度,m；

Kpre——转折前，氧化反应的动力学常数,m2·s-1；

Qpre——转折前，氧化反应的反应激活常数,K；

Qpost——转折后的反应激活常数,K；

Kpost——转折后的动力学常数,m2·s-1；

R——理想气体常数,J·mol-1·K-1；

T——金属/氧化膜界面温度,K。

腐蚀模型参数由N36合金管棒材腐蚀性能试验研究获得。

2.3 力学模型

(4)

根据“各向同性、空间上不变化的弹性常数”假设，对弹性矩阵[D]进行简化后，可得：