核能科学与发电技术学报

使用 FRAPCON 模拟边缘结构对燃料棒燃尽延伸性能的影响

余建国、张洪斌

延长轻水反应堆 (LWR) 的核准燃料燃尽极限是提高核电站商业竞争力最有希望的方法之一。高燃尽的好处包括降低维护和燃料循环成本、减少换料操作从而提高容量系数，以及减少以产生的能量为标准的乏燃料排放量。然而，为了确保高燃尽燃料的燃料棒的完整性，仍有许多问题需要解决。例如，高燃尽结构 (HBS) 或边缘结构的形成可能是 LWR 中堆内颗粒边缘在燃尽延长时最重要的重组过程，HBS 对燃料热物理或机械性能的影响是确保成功实施延长燃尽的关键要求。有独立的实验证据支持 HBS 同时影响燃料的热性能和机械性能。但这种 HBS 如何影响燃料的热物理或机械性能仍不太清楚。本研究评估了正常运行条件下 HBS 形成对燃料棒裂变气体行为的影响。使用燃料性能代码 FRAPCON-4.0 模拟正常运行条件下全长燃料棒的裂变气体相关特性，其中，通过 FRAPFGR 模型模拟有 HBS 形成，通过 Massih 模型模拟无边缘结构。研究发现，当燃耗从当前极限 62 延伸到拟议的新极限 75 GWd/MTU 时，在平坦的功率历史曲线和不考虑 HBS 效应的情况下，气室压力和裂变气体释放仅适度增加。然而，当功率历史曲线具有更高的峰值因子并考虑到 HBS 形成的贡献时，这种增加更为明显。建议在核电站运行中尽可能保持功率历史曲线平坦，无论是径向还是轴向，以确保燃料棒的完整性，从而实现燃耗延长的好处。