压水堆PCI风险控制策略研究

Pellet-Cladding Interaction (PCI) can cause the fuel rod clad failure in Pressurized Water Reactor (PWR). So, PCI is related to the reactor safety and the economy of nuclear power plant. Firstly, taking PWR fuel rod as the research object, this study analyzes the mechanism and influence factor of PCI, builds the multi-physical model of PCI, covering nuclear physics, thermal analysis, and structure mechanics, by finite element method (FEM). Secondly, the multi-physical transfer function model of PCI is constructed for analyzing the dynamic characteristic of PCI response during the power ramp. Last, after simplifying the evaluation online model from micro to macro level, a PCI risk control strategy is designed based on this online model. This strategy can avoid the PCI risk and make sure the reactor safe and economical. Analyzing PCI by multi-physical transfer function model and avoiding the clad failure by PCI risk control strategy based on evaluation online model have not been proposed before, in other words, they are the innovations. This study not only can clarify the generation and development mechanism of PCI, but also can extend the fuel life and improve the economical efficiency of the nuclear power plant based on the adequate safety. So, it has important scientific significance and practical value.

压水堆燃料芯块与包壳间的相互作用(PCI, Pellet-Cladding Interaction)可以引起燃料包壳破损，直接关系到反应堆的安全和核电站的经济性。本项目以压水堆燃料棒为研究对象，分析PCI的形成机理和影响因素，用有限元方法建立燃料棒的物理-热工-结构多物理PCI模型并求解；进而建立多物理PCI传递函数模型，分析PCI的动态特性；分别从微观和宏观两个方面简化得到PCI在线评估模型，在此基础上设计基于在线评估的PCI风险控制策略，通过调整控制策略来规避PCI风险，保障反应堆安全经济运行。用多物理PCI传递函数模型来分析PCI问题和用基于在线评估的PCI风险控制策略来规避PCI风险是以往研究中没有涉及到的，具有明显的创新性。本项目的实施，不但有助于阐明压水堆中PCI产生和动态发展的机理，而且可在保证安全的前提下延长换料周期，提高电厂经济性，具有重要的科学意义和应用价值。

燃料包壳是核电厂防止放射性物质外逸的一道实体屏障，压水堆燃料芯块与包壳间的相互作用(Pellet-Cladding Interaction, PCI)可以引起燃料包壳破损，直接关系到反应堆的安全性和核电站的经济性。目前对于包壳完整性的监测主要是基于冷却剂放射性的监测，是一种事后监测，而本研究的成果可以预测包壳的完整性，是一种事前预测，可以为运行限值和运行对策提供新的参考，从而以运行控制的角度避免包壳破损的发生。本项目以压水堆燃料棒为研究对象，采用多物理耦合的方法建立燃料芯块与包壳模型，从控制策略的角度来解决PCI导致的包壳破损问题，具体的研究成果为：分析在高温和中子辐照环境中芯块与包壳相互作用的形成机理和影响因素，建立了芯块与包壳相互作用的物理-热工-结构多物理耦合模型并用有限元方法求解；采用径向基函数（Radical Basis Function, RBF）神经网络的方法设计了PCI风险在线评估模型，通过数据的训练，该模型可以用较快的计算速度实现PCI的在线评估；在此基础上结合大型压水堆的运行设计基于在线评估的PCI风险控制策略，通过控制运行模式来规避PCI引起的包壳破损风险。本项目不但阐明了压水堆中芯块与包壳相互作用产生和发展的机理，而且为设计安全经济的核电站运行控制系统提供了技术基础。研究成果为轻水堆核燃料的PCI风险控制研究开辟了新的思路，提出了通过控制运行模式规避包壳破损风险的新方法。随着核电在电网中所占比重的增加，核电机组的调峰调频任务会大幅增加，这给核燃料的性能带来很大压力，那么在目前材料性能局限性的前提下，本研究的成果对提高压水堆核电站的经济性和安全性具有重要的参考意义，在压水堆运行方案和控制系统的设计方面有一定的应用潜力。研究工作进行顺利，圆满地完成了本项目既定的各项研究任务，已取得的研究结果与预期相符，项目执行期间在国际高水平期刊发表SCI论文6篇，参加高水平国际学术会议3人次，国内学术会议1次，申请专利1项，毕业博士研究生2名，硕转博1名，派出联合培养博士研究生2名。