燃料棒性能分析程序START－3简介 燃料棒性能研究
摘?要 START-3程序用于在燃料棒可用性以及商用热中子反应堆燃料许可证的研究、证明时稳态以及瞬态热中子反应堆全方位燃料棒的机械强度、热工物理计算，程序计算后可得到燃料（含钆或者不含钆）及包壳应力-应变情况；燃料温度分布；内部气体压力及组成等数据。根据计算结果分析人员可以判断燃料棒的工作能力是否能够保持，预测出可能的燃料包壳破损程度，以便反馈给电站运行人员必要的信息，保证反应堆安全和稳定的运行。
关键词 核电站；燃料棒；START-3程序；性能分析
中图分类号 T32 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)072-0166-01
1 概述
目前世界上压水堆核电站的反应堆堆芯按组件的几何形状可以分为两类，一类是正方形组件堆芯，另一类是六角形组件堆芯。对于前者国内外有很多燃料管理计算程序。由于后者在世界动力堆中占少数，故对其研究较少。田湾核电站所采用的俄罗斯WWER-1000反应堆为六角形组件压水堆，因而田湾六角形组件燃料计算程序具有重要的意义。
田湾核电站燃料性能分析人员目前正在对俄罗斯开发研制的燃料棒性能分析程序START-3进行深入学习和研究。START-3程序用于在燃料棒可用性以及商用热中子反应堆燃料许可证的研究、证明时，对稳态以及瞬态热中子反应堆全方位燃料棒的机械强度、热工物理进行计算，程序计算后可得到燃料（含钆或者不含钆）及包壳应力-应变情况；燃料温度分布；内部气体压力及组成等数据。包壳应力-应变情况包括长期力、短期力和腐蚀裂变产物根据SCC（应力腐蚀裂纹）机制下损伤积累过程。根据计算结果分析人员可以判断燃料棒的工作能力是否能够保持，预测出可能的燃料包壳破损程度，由此反馈给运行人员必要的信息，保证反应堆安全和稳定的运行。
新型的一体化可燃毒物含钆燃料组件（FAs UGF）从1994年开始已成功运行在俄罗斯设计的WWER-1000机组上。燃料棒以及含钆燃料棒的设计就是在START-3程序的帮助下进行设计的。START-3程序由全俄罗斯无机材料研究院（燃料棒设计工程单位，英文缩写为SSC RF ARRIIM）研制开发，并广泛用于WWER、RBMK和快中子反应堆燃料棒研究、设计和取证方面。
2 START-3模块介绍
在该程序模块中，燃料棒在长度方向上以及沿径向同心圆方向上均分为几个部分。辐照历史通过指定点的参数来描述，指定点之间的参数值采取线性近似的方法得到。每个燃料棒的空间部分均在有限差分解的情况下采取这种方法。将每个辐照时间段分为离散的时间间隔，这种方法是建立在参数增量计算的情况下的。燃料棒的分区示意图见图1。
图1 燃料元件分区示意图
在数学上，基于状态方程、应变兼容性条件、轴向和径向平衡方程、边界条件和初始条件的互相利用将给出程序计算的唯一解。
由非稳态下带内热源的燃料围筒的传热解决方法决定了燃料温度场的分布，同时假设在轴向和圆周向上无热传递。这种假设在一般情况下适用，因为此时径向的温度梯度比轴向和圆周向上的温度梯度大得多。
燃料包壳传热系数利用Ross-Stout经典气体传导模型计算。
对于WWER燃料在堆芯的密实化作用，START-3程序采取了基于堆芯研究分析基础上的半经验公式。
START-3程序采取的模型包括温度热量独立释放机制，热感应（thermal induced， diffusive mechanisms）扩散机制等。释热率和燃耗在径向上的分布是基于对GETERA程序计算的大量中子计算结果采取插值处理得到的。该程序模块允许根据燃料设计而引起的燃料棒材料特性的改变。此外START-3程序所用模型考虑了过程边缘效应有关的对燃料元件工作性能的影响因素。
程序提供了灵活的输出系统，可显示计算过程中的文本信息和图表信息。所有应力、变形、热能特性、燃料结构径向性质变化等等均可在辐照任一时期给出。
3 程序计算及结果验证
3.1 数据准备
START-3程序进行稳态下燃料棒性能计算时的原始数据为热工－物理室所提供的稳态循环的数据，内容为堆芯内（或者1/6堆芯）所有燃料组件的所有燃料棒不同运行时刻下的线功率方面的信息。
3.2 数据分析并建立堆芯燃料组件换料图表
根据稳态循环的数据所提供的信息，利用专门的软件进行数据文件的相关信息分析。经过分析可得知每个组件在循环末期沿组件高度方向上产生最大平均线功率QL值的截面，以及在该截面处这个组件内产生最大线功率QL值的燃料棒。通过以上分析，可基本确定出每个组件内的极值棒位。利用START-3程序对这些极值棒位进行计算，同设计准则进行对比即可计算验证燃料棒稳态运行时是否满足设计要求。
3.3 接收准则的分析以及保守参数选取
在用STAT-3程序进行计算时，计算结果应满足下列设计准则，并保持一定的裕度系数：
1）燃料极限温度不超过芯块的熔点；
2）燃料棒包壳内气体压力限值为15.7 MPa；
3）燃料棒极限线功率为448 W/cm；
4）在腐蚀性裂变产物气氛中应力腐蚀断裂限值为230 MPa；
5）燃料棒包壳直径变化限值为-0.12 mm～ +0.03 mm；
6）燃料棒的伸长限值为56 mm（不得消除燃料棒顶端同组件上管座截锥体底板之间的间隙）。
在进行程序计算时，要考虑到参数选取的保守性原则。用于热工-物理计算的燃料棒最大温度估计值的保守选择是：公差允许范围内最大的芯块同包壳的间隙值，燃料最小密度，最大量的燃料烧结，公差范围内最小晶粒度；用于燃料棒机械性能计算时燃料芯块与包壳的保守参数选择：公差允许范围内最小的芯块同包壳的间隙值，燃料最大密度，最小量的燃料烧结，公差范围内最大晶粒度。
在完成相应的数据准备和分析后便可进行程序的计算。
3.4 程序验证
START-3程序热工计算方法的验证是根据非稳定温度场的计算，以WWER-440燃料元件行为研究的试验计划的数据结果比较数值解和已有分析的基础上进行的。燃料中心温度和计算结果测量值对比表明在热工计算部分START-3程序有良好的预测能力。
辐照密实化的模型验证是用WWER-1000在役芯块的堆内研究结果来检验的。计算结果同试验结果的比较证明了计算的高度符合性。
为了校验和验证START-3的气体释放计算模型用了几组堆后研究的试验数据，它们的结构原则上与在役的WWER-1000燃料元件结构无异。通过气体释放的计算值同测量值的比较，比较结果令人满意。
4 结论
START-3程序计算精度高，具有良好的预测能力，可以应用于燃料棒性能分析方面，起到判定燃料棒工作能力的作用。
参考文献
[1]YU.K.Bibilasvili.DESCRIPTION AND VERIFICATION OF THE START-3 CODE INTENDED FOR THE MECHANICAL AND THERMAL PHYSICAL PERFORMANCE OF MUCLEAR POWER PLANT FUEL RODS,(report)Sep 1999.
作者简介
王志超（1980—），男，工程师，2002年7月毕业于哈尔滨工业大学金属材料工程专业，现在江苏核电有限公司技术支持处从事核燃料性能分析
工作。