抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒

摘要

本文公开了一种抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒。该抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒包括外包壳管和内包壳管。外包壳管为沿纵向具有圆形截面的中空筒状。内包壳管为直径小于外包壳管的直径的中空筒状，内包壳管位于外包壳管的中空部内，内包壳管在正常操作期间不塑性变形，并且内包壳管具有当冷却剂泄漏事故发生时在外包壳管发生膨胀变形之前允许内包壳管发生弹性屈曲的厚度。

说明书

技术领域

本发明涉及抗冷却剂泄漏事故(loss-of-coolant)的双冷(dual-cooled) 核燃料棒，更特别地，本发明涉及通过调整双冷核燃料棒的内包壳(cladding) 管的厚度而在冷却剂泄漏事故发生时耐受膨胀故障(ballooningfailure)的双 冷核燃料棒。

背景技术

核安全意味着保护个人、公众和环境不遭受产生自核设施的放射线，并 且是和平利用核能绝对需要的核工程领域。核能发电在半个多世纪以来在主 要工业化国家一直是重要的能量源，现在，全世界大约有400个核电站在运 行。同样在韩国，从1978年开始，核能发电随经济发展一起持续上升，现在 覆盖了韩国发电总量的30％以上。照此，随着核电站的增加，对核安全和规 范的关注和重要性增加。尤其在2011年3月11日发生的福岛核事故之后，对 核能发电设施的安全的关注增加，并且更加重视核反应堆和核燃料的与安全 有关的问题。

核电站的安全分析通过根据核电站的设计确保法律规定的各种设计基 础事故的容许标准是否达到来评价核电站设计的安全性。此外，为了确保核 电站的安全性和操作性，提供了保护系统和安全系统的设计所需的和技术操 作规程所需的信息(操作限制条件、安全系统设定值等)。在除了正常操作 条件之外的预料到的过度操作条件的情况下，应当确保核反应堆的安全关 闭。此外，对于作为设计基础事故(DBAs)的冷却剂泄漏事故(LOCA)， 设计了诸如紧急堆芯(core)冷却系统(ECCS)等的安全系统并执行安全分 析。因而，已作出努力以基本防止堆芯熔化事故的可能性。

设计基础事故指的是在设计阶段考虑的假设事故以确保与发电站的各 操作条件对应的安全功能，并包括初级(initial)事件，诸如过载状态、装 置损坏、操作人员失误和可能在发电站发生的自然灾害。这里，应当被确保 的安全系统的功能是，第一，维持核反应堆中的冷却剂压力限制的完整性 (integrity)，第二，安全关闭核反应堆并维持该安全关闭状态，第三，防止 事故或减缓事故使得释放到环境中的放射性物质的量不超过法定限制。

当上述冷却剂泄漏事故发生时，由于由典型筒状核燃料棒中内部压力增 加引起的膨胀变形使冷却剂流路的形成中断，因此可能发生以下问题：当紧 急冷却系统执行用于冷却核反应堆的喷水时，核燃料棒可能没有被充分冷 却。图1示出了在通过在商用轻水反应堆中使用核燃料棒的包壳管模拟冷却 剂泄漏事故的实验中观察的膨胀损坏的形状。

因而，需要在商业化之前，通过将当前发展的双冷核燃料棒设计成抗事 故的，来提供一种更安全的核燃料棒。

发明内容

本发明的实施方式旨在提供一种抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒，使 得在冷却剂泄漏事故情况下在外包壳管发生膨胀之前使内包壳管可以发生 弹性屈曲。

本发明的实施方式还旨在提供一种抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒， 其包括在正常操作期间不会发生塑性变形的内包壳管。

根据本发明的一方面，提供了一种抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒， 所述双冷核燃料棒包括：外包壳管，所述外包壳管为沿纵向具有圆形截面的 中空筒状；和内包壳管，所述内包壳管为直径小于所述外包壳管的直径的中 空筒状，所述内包壳管位于所述外包壳管的中空部内，内包壳管在正常操作 期间不塑性变形，并且所述内包壳管具有当冷却剂泄漏事故发生时在所述外 包壳管发生膨胀变形之前允许所述内包壳管发生弹性屈曲的厚度；和芯块， 芯块被充入外包壳管与内包壳管之间的空间并通过核裂变产生能量。

根据本发明的另一方面，提供了一种双冷核燃料棒，所述双冷核燃料棒 包括：外包壳管，所述外包壳管为沿纵向具有圆形截面的中空筒状；内包壳 管，所述内包壳管为直径小于所述外包壳管的直径的中空筒状，所述内包壳 管位于所述外包壳管的中空部内；和芯块，所述芯块被充入所述外包壳管与 所述内包壳管之间的空间，并经由核裂变产生能量，其中，所述内包壳管的 厚度小于所述内包壳管在发生弹性屈曲时的厚度tb，且所述内包壳管的厚度 大于所述内包壳管在发生膨胀时的厚度ta。

附图说明

从以下结合附图的详细说明，本发明的以上和其它目的、特征和其它优 点将被更清楚地理解，在附图中：

图1是示出了典型燃料棒在冷却剂泄漏事故中发生的膨胀损坏的形状的 图；

图2是示出了根据本发明的实施方式的双冷核燃料棒的图；以及

图3是示出了根据本发明的实施方式的双冷核燃料棒的内包壳管的弹性 屈曲现象的图。

具体实施方式

以下，将参照附图详细说明本发明的实施方式。首先，要注意的是，在 给出的各图的元件的附图标记中，即使当同一元件被在不同的图中示出时， 同一附图标记也指的是同一元件。此外，在本发明的说明中，由于已知的构 造或功能不会模糊对本发明的理解，因此将不会详细说明已知的构造或功 能。

图2是示出了根据本发明的实施方式的双冷核燃料棒的图，并示出了双 冷核燃料棒的截面。

参照图2，双冷核燃料棒包括外包壳管70和内包壳管30。此外，参照图2 的(b)，可以在内包壳管30与外包壳管70之间限定内部空间51。芯块(pellet) 50被充入内部空间51并用作双冷核燃料棒(见图2的(a))。

首先，将详细说明双冷核燃料棒的结构。外包壳管70为沿纵向具有圆形 截面的中空筒状，内包壳管30为直径小于外包壳管70的直径的中空筒状并位 于外包壳管70的中空部内。此外，芯块50被充入外包壳管70与内包壳管30之 间限定的空间，并通过核裂变产生能量。这里，外包壳管70被设计成具有这 样的厚度：该厚度使得在不发生核事故的正常操作期间不会发生屈曲变形 (bucklingdeformation)。

接着，将详细说明在正常操作期间和冷却剂泄漏事故期间的双冷核燃料 棒的结构。在正常操作期间，在内包壳管30中产生张紧应力(tensilestress)。 这是由于以下原因而发生的现象：在正常操作期间，在双冷核燃料棒的内包 壳管的内部10维持大约15MPa反应堆冷却剂的情况下，内包壳管的内部10的 压力大于由根据芯块50的燃耗的核裂变产生的气体施加到内包壳管30的外 部的压力。

相反地，当冷却剂泄漏事故发生时，内包壳管30中产生压缩应力 (compressivestress)。这是由于以下原因而发生的现象：当内包壳管的内部 10降落至大气压力时，内包壳管的内部10的压力小于由根据芯块50的燃耗的 核裂变产生的气体施加到内包壳管30的外部的压力。由此，可以理解的是， 当冷却剂泄漏事故发生时，可能根据内包壳管30的厚度而发生弹性屈曲。

虽然在正常操作期间外包壳管70的外部压力也维持在相当于反应堆冷 却剂压力的大约15MPa，但是当冷却剂泄漏事故发生时该压力降落到大气压 力。因此，当冷却剂泄漏事故发生时，可能根据外包壳管的厚度而在外包壳 管中产生膨胀形状。因而，为了防止外包壳管70的膨胀现象，需要将内包壳 管30的厚度设定成使得：内包壳管30可以在外包壳管70发生膨胀现象之前先 屈曲。本发明涉及对内包壳管的厚度进行设计，以防止当冷却剂泄漏事故发 生时外包壳管的膨胀现象。

如上述，内包壳管30的厚度应当被充分地设定成使得：一旦发生冷却剂 泄漏事故，内包壳管30可以在外包壳管70发生膨胀现象之前先屈曲。更具体 地，内包壳管30具有比发生内包壳管30的膨胀变形的厚度大的厚度，以便在 正常操作期间不发生内包壳管30的塑性变形，内包壳管30还具有比当冷却剂 泄漏故障发生时内包壳管开始屈曲的厚度小的厚度。

现在，将使用数学方程式来具体说明本发明。这里，将作为引起内包壳 管或外包壳管的变形的负荷的压力定义如下。这里，由于本发明涉及内包壳 管的变形，因此将施加到内包壳管的压力的位置作为基准。内包壳管的外部 与双冷核燃料棒的存在芯块的内部对应，并且是由根据芯块的燃耗的核裂变 产生的气体的压力施加到的区域。这与相对于内包壳管的外部对应，并且在 这里被表示为p₀。在正常操作期间，内包壳管的内部的压力变成大约15MPa 的反应堆冷却剂压力的压力，并且当冷却剂泄漏事故发生时变成大气压力， 这两个压力被分别表示为p_i,normal和p_i,LOCA。

当内包壳管30归因于内部压力而变形向外扩张(expand)时，可以通过 使用方程式1来得到内包壳管的厚度。

【方程式1】

${\sigma }_{\theta \theta }=\frac{pr}{t}$

其中，σ_θθ是当包壳管扩张时周向上的应力，p是扩张包壳管的内部压力， 并且r和t分别是包壳管的半径和厚度。

通过使用方程式1，当归因于内包壳管30的内部压力而发生膨胀时，可 以通过使用源自方程式1的方程式2来得到内包壳管的厚度。

【方程式2】

$\frac{t_a}{r}=\frac{p}{{\sigma }_{ys}}=\frac{p_{i,normal}-p_o}{{\sigma }_{ys}}$

其中，t_a是当发生膨胀时内包壳管的厚度，r是内包壳管的半径，p是扩 张内包壳管的内部压力，σ_ys是内包壳管的材料的屈服强度，p_o是在正常操作 期间通过根据芯块50的燃耗的核裂变产生的气体的压力施加到内包壳管的 压力，以及p_i,normal是核反应堆中的冷却水的压力，其与正常操作期间在内包 壳管的内部10中存在的大约15MPa对应。

相比之下，当内包壳管30发生弹性屈曲时，可以通过使用下述方程式3 来得到内包壳管30的厚度。

【方程式3】

$p_{cr}=\frac{E}{4(1-{\nu }^2)}{\left(\frac{t}{r}\right)}^3$

通过使用方程式3，当内包壳管30内发生弹性屈曲时，可以通过使用源 自方程式3的方程式4来得到内包壳管30的厚度。

【方程式4】

$\frac{t_b}{r}=\sqrt[3]{\frac{4{\left(1-\nu \right)}^2{p}_{cr}}{E}}=\sqrt[3]{\frac{4\left(1-{\nu }^2\right)\left(p_o-p_{i,LOCA}\right)}{E}}$

其中，t_b是当弹性屈曲发生时内包壳管的厚度，r是内包壳管的半径，ν 是内包壳管的泊松比，p_cr是当内包壳管塌陷(collapsed)时的临界屈曲压力， E是内包壳管的材料的弹性模量，p_o-p_i,LOCA是通过根据芯块50的燃耗的核裂 变产生的气体的压力施加到内包壳管30的外部的压力与当冷却剂泄漏事故 发生时内包壳管的内部10中存在的压力(大气压力)之间的差。

考虑到方程式2和方程式4中使用的各定值，在作为包壳管的通用材料的 锆合金情况下，由于σ_ys是1000MPa或更小的值，E是大于100000MPa的值，ν 是具有最大值为0.5的正数，因此可以理解，方程式2中的最右边的值和方程 式4中的方根的值均小于1。因此，对于相同半径的内包壳管，满足方程式4 的包壳管的厚度总是大于满足方程式2的包壳管的厚度。即，当发生弹性屈 曲时的内包壳管的厚度t_b总是大于当发生膨胀时的内包壳管的厚度t_a。因此， 当确定了不允许发生弹性屈曲的厚度时，不会发生由内部压力引起的塑性变 形。

由此，当双冷核燃料棒的内包壳管的厚度t满足条件t_b>t>t_a时，正常操作 期间的完整性被维持，在冷却剂泄漏事故发生时在内包壳管30中发生屈曲， 因而防止了外包壳管70的膨胀变形。

以下，将通过实施方式更详细地说明本发明。然而，以下说明的实施方 式不用于限制本发明的范围，而是仅用于说明本发明。

对于双冷核燃料棒，考虑具有15.9mm外径的外包壳管和具有9.5mm外径 的内包壳管。这里，包壳管(350℃的Zry-4)的材料常数与表1相同，认为 正常操作期间核反应堆的冷却压力为15.5MPa，作为由根据芯块的燃耗的核 裂变产生的气体的压力的燃料棒的内部压力被假设为0MPa至5MPa(0MPa 用于张紧环向应力(tensilehoopstress)，5MPa用于内包壳管的弹性屈曲)。

【表1】

通过使用双冷核燃料棒的尺寸和材料常数以及方程式1，可以得到当不 发生膨胀时的内包壳管的厚度t_a。即，当计算 时，由于t_a≥0.213mm，结果，当内包壳管 的厚度为0.22mm或更大时，可以理解在正常状态下不会发生膨胀变形。

因此，当内包壳管的厚度为0.25mm时，如下可以通过使用方程式3得到 发生弹性屈曲的压力。

$p_{cr}=\frac{70140.36}{4\left(1-{0.25}^2\right)}\left(\frac{0.25}{4.625}\right)=2.594MPa$

由此，当发生冷却剂泄漏事故时，如果与棒内部压力相比，核反应堆的 内部压力降落产生2.6Mpa或更大的压力差，则在内包壳管中发生弹性屈曲现 象。

当假设在内包壳管屈曲的情况下内包壳管的形状被完全压缩成如图3的 (a)所示时，双冷核燃料棒的内截面面积在内包壳管30的屈曲前后的变化 可以被如下得到。屈曲之前的双冷核燃料棒的内截面面积与方程式5相同， 屈曲之后的双冷核燃料棒的内截面面积与方程式6相同。

【方程式5】

$A_o=\pi \left\{{\left(r_i^o\right)}^2-{\left(r_o^i\right)}^2\right\}=\pi \{{7.08}^2-{4.75}^2\}=86.59{\mathrm{mm}}^2$

其中，A_o是发生弹性屈曲之前内包壳管完好时双冷核燃料棒的内截面面 积，是外包壳管的内半径，是内包壳管的外半径。

【方程式6】

$\left(\begin{array}{c}{A}_f=\pi {\left(r_i^o\right)}^2-2lt=\pi \times {7.08}^2-2\times {14.42}^{*)}\times 0.25\\ =150.27{\mathrm{mm}}^2\end{array}\right)$

其中，A_f是当内包壳管中发生弹性屈曲时双冷核燃料棒的内截面面积， t是内包壳管的厚度。此外，当假设筒管状的内包壳管的截面被弹性屈曲完全 压缩而变形成具有内包壳管的厚度的两倍的厚度的板状时，l表示板的宽度。 即，l可以从下述方程式7得到。

【方程式7】

$2{\mathrm{\pi r}}_o^i=2l+4t$

因此，通过计算(150.27-86.59)/86.59，可以得到双冷燃料棒在屈曲前后 的内部体积增加率为73.5％。因此，压力可以减少大约58％。

即，在内包壳管30中发生屈曲时，由于发生根据燃料棒的内部体积的增 加而导致的快速压力降落，因此向外扩张外包壳管的力也减小。因此，外包 壳管中不会发生膨胀变形。然而，当内包壳管中实际发生屈曲时，预料到内 包壳管归因于与芯块的干涉而将不会被完全压缩。因此以下将参照图3说明 这种情况。

图3是示出了根据本发明的实施方式的双冷核燃料棒的内包壳管的弹性 屈曲现象的图。图3的(a)示出了内包壳管30被完全压平的情况，图3的(b) 示出了内包壳管30没有被完全压平而是结合了与芯块的干涉的可能的变形。

更具体地，当在实际内包壳管30中发生屈曲时，归因于与具有比包壳管 的硬度大得多的硬度的铀环状芯块的干涉，将发生如图3的(b)所示的半圆 形或月牙形变形，而不是如图3的(a)所示的完全压平的形状。此时，当发 生如图3的(b)所示的变形时，燃料棒内部的体积增加可能变得比图3的(a) 的情况小。因此，压力降落的量可能减小。然而，由于与完全压平形状(图 3的(a))相比可以另外形成内流路，因此在抗事故性方面能够得到积极效 果。

根据本发明的主题，抗冷却剂泄漏事故的双冷核燃料棒在正常操作期间 维持完整性，在发生冷却剂泄漏事故时允许内包壳管塌陷，因而可以防止外 包壳管的膨胀变形。由此，可以增加双冷核燃料棒的抗事故性。此外，当内 包壳管塌陷时，内包壳管与外包壳管之间的体积增加，核燃料棒的内部压力 减小。同时，防止外包壳管的膨胀损坏的裕量(margin)变大，使得可以提 供在冷却剂泄漏事故下能够长期维持安全状态的双冷核燃料棒。

虽然以上说明了优选实施方式，但本说明书不限于上述特定实施方式。 本领域技术人员可以在不脱离权利要求的精神和范围的情况下做出各种变 型。而且，这些变型不应被理解成独立于本发明构思的精神和范围。