燃料包殼破損事故

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)製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記憶體在過量的水份或殘留有機物,即有足夠的當量氫含量,被包殼內表面氧化膜脫落的地方局部吸氫,產生所謂的“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聯合作用的結果。PCI的程度取決於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。當這五個運行參數同時處在臨界範圍內時燃料棒才會產生破損。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腐蝕，是歷來倍受關注的問題。並明確規定設計壽期末，包殼均勻腐蝕深度應小於包殼壁厚的10%。

(5)包殼坍塌 70年代初,由於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)和穩定的燃料芯塊以及提高燃料棒預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計或製造不當,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生流致振動而被磨蝕破損。通過設計改進,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。原因是冷卻劑迴路中的異物隨冷卻劑循環進入燃料組件,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計、緊靠下管座加保護性格架、燃料棒包殼下端預生保護性耐磨氧化膜等,這些措施均能產生很好的效果。

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

(9)燃料棒彎曲儘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。

上述破損原因綜合列於下表

表1. 燃料元件破損的基本原因以及可能導致釋放的破損分類

項目	基本原因
	燃料		核電站
	設計	製造	設計	運行	維護
破損後有放射性產物的釋放
異物對包殼的磨蝕			●	●	●
格架對包殼的磨蝕		●	●
芯塊包殼相互作用	●			●	●
包殼的腐蝕		●	●	●
包殼端蓋焊接受腐		●
端塞泄漏		●
包殼的氫脆		●
可能導致放射性產物的釋放
燃料棒的振動	●		●	●
格架損壞	●			●
包殼坍塌		●
不可能導致放射性產物的釋放
螺釘和螺栓損壞	●	●
夾緊螺釘損壞	●	●
導向管磨損			●
鋯合金輻照生長的限制	●	●

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