EJ T 629-2001 压水堆燃料组件机械设计和评价.pdf

1、ICS 27. 120.01 F 40 J 中华人民共和国核行业标准EJ/T 629一2001代替EJ厅629-1992压水堆燃料组件机械设计和评价Presurized water react。rsfuel assembly mechanical design and evaluat i。n2001一11-15发布国防科学技术工业委员会发布EJ/T 629一2001刚吕EJ厅629-92压水堆燃料组件机械设计和评价在我国压水堆核电厂燃料组件设计和支全审评中发挥了重要作用。根据EJ厅629-92的实施经验和参考ANSI/ANS-57 .5-1996轻水堆燃料组件机械设计和评价，对EJ/T629-

2、92作了修订，以使本标准更加先进、合理和完善。与EJ/T629-92相比，本标准包括的主要修订内容：补充了4.4.1.5和4.4.1.6两条机械设计限值：增补了4.5.15-4.5.18四条特殊设计要求：删除了“文件编制要求”中的“格式”要求：并按照核、航空、航天、船舶、兵器行业标准编写规则的规定作了格式和文字修改。本标准自生效之日起，同时代替EJ厅629-92。本标准的附录A是规范性附录。本标准由全国核能标准化技术委员会提出。本标准由核工业标准化研究所归口。本标准起草单位：核工业第二研究设计院、核工业标准化研究所。本标准主要起草人：刘承新、!0培庆、张成忠。EJ/T 629-2001 压水堆

3、燃料组件机械设计和评价1 范围本标准规定了压水堆燃料组件（简称“燃料组件”）机械设计和评价应满足的要求。本标准适用于燃料组件机械设计和评价2 规范性引用文件下列规范性文件中的有关条文通过本标准的引用而成为本标准的条文。下列注明臼期或版次的引用文件，其后的任何修改单或修订版本都不适用于本标准，但提倡使用本标准的各方探讨使用其最新版本的可能性下列未注明日期或版次的引用文件，其最新版本适用于本标准。EJ 312 压水堆核电厂运行及事故工况分类HAF0410 核燃料组件采购、设计和制造中的质量保证3 术语本标准采用下列术语。3. 1 设计者designer 负有燃料组件设计责任的单位或个人。3.2 事

4、件event 设计中必须考虑的可描述的事例3. 3 功能要求funct i ona I requirement 表述燃料组件满足设计功能必须具备的能力。3.4 限值I imit 变量或参数在设计中的界限值。确定限值将保证某项功能要求的一个或几个方面得到满足。3.5 裕量margin对给定事件的设计评价结果与关于某一功能要求的限值之间的定量关系。3. 6 设计参数design parameters 描述或评价燃料组件行为所必需的材料性能、几何尺寸特征或物理响应现象。4 设计和评价4. 1 设计工况本标准所涉及的设计工况按EJ312的规定。4.2 功能要求4. 2. 1 提供并保持燃料组件合适的几

5、何形状和轴向、径向位置，目的是为了燃料棒在燃料组件中和燃料组件在堆芯中的准确定位。EJ/T 629一20014. 2.2提供合适的冷却剂流道和传热条件。4.2.3 提供一道屏障（包壳）将燃料和裂变产物同冷却剂隔开。4.2.4 考虑所有尺寸变化因素，允许燃料棒、燃料组件及其相邻的堆内构件有必要的轴向和径向膨胀。4. 2.5提供自身支撑，即当要求时是自立的，并具有足够的抗由横向和轴向载荷引起的变形的能力。4.2.6 应能承受振动、磨蚀、升力、气蚀、压力波动和流动不稳定性等各种水力的作用。4. 2. 7 为控制反应堆裂变过程提供条件。即设置导向管为控制棒运动提供通道和必要的缓冲，保证控制棒的落棒时间

6、（其限值由事故分析确定）和行程末端可接受的末速度以及能承受控制棒运动产生的磨损与冲击：可以使用可燃毒物棒或化学补偿剂：能承受中子注量率、温度、压力梯度和各种瞬态的作用。4.2.8 能容纳堆芯测量装置和各种燃料相关组件。4.2.9 能适应化学、热、机械和辐照对所用材料的影响，即在堆内服役期间的腐蚀、氢化、辐照脆化、预期的相互作用、燃料密实、蠕变和松弛，以及辐照后在堆现场乏燃料水池或其它乏燃料贮存设施中的贮存4.2. 10 为燃料组件装卸、运输和堆芯装卸料提供抓取和接触部位、压紧弹簧I&其它必要的附件，包括装料设备及与堆内接口设备的相容性。4. 2. 11 保证堆芯内所有燃料组件（包括换料的新组件

7、和部分燃耗的或重新组装的燃料组件）相互之间的相容性、燃料组件与相关组件以及与堆内构件的相容性（包括结构和i横向流，但不包括核相容性）。4. 2. 12 可拆式燃料组件，应适于组件检查、修理和重新组装。4. 2. 13 燃料纽件应具有防止异物引起燃料棒破损的能力。4.2. 14燃料组件应设置必要的标识。4. 3 设计参数设计者应规定表示燃料组件特征的设计参数，并证明其在实际应剧中的正确性。设计参数通常以材料性能、尺寸特征或评价燃料组件行为所必需的物理现象来表示。这些参数通过试验和实验数据、运行经验、分析测算以及利用参考资料和关系式等普遍可行的工程方法取得和改进。设计中，不必对所有的设计参数、模型

8、等都进行显式处理。设计中，凡是以隐含处理的参数，设计者只要指出这一点就足够了。设计者应考虑的设计参数符合附录AC规洁性附录）所列的参数要求。4.4 限值和裕量4.4. 1 限值为了验证是否满足给定设计工况（见4.1）下的各项功能要求（见4.2），井保证有足够高的概率满足这些功能要求，设计者应规定一些限值。对结构部件，应规定适用于每种设计工况的下列限值。4. 4. 1. 1对与时间无关的效应，应验证一次加二次应力CS）小于0.7Su，即S0.7Su.(l) 式中：Su材料的强度极限，Pa。4.4. 1.2 对承受循环载荷的部件，其疲劳累积损伤因子必须小于1.0，即(Nr); 式中：N;在给定的有

9、效应力或应变范围下的循环次数：2 EJ/T 629一2001(Nr)i一在给定有效应力或应变范围下达到结构失效的循环次数。4. 4. 1. 3 对与时间有关的效应，将在每一给定应力水平上的实际工作时间(ti）除以在该应力水平上的结构失效时间（吭，再累加求和，其和必须小于1.0：而且相应的蠕变应变（除以结构失效蠕变应变（；），的累加之和，也必须小于1.0，即L_Ll.0 Ctr); 和L-5_1.0阶(&j ); 4. 4. 1. 4应验证可能引起结构不稳定性的任一载荷（p）小于引起结构失稳破坏的临界值（pc），即PP0. (5) da 4. 4. 1.5 应验证部件的循环裂纹生长速率（一一的积

10、分，得到的最终的裂纹尺寸小于突然破坏的dN 裂纹尺寸的临界值（ac），即。(d创ac币）式中：ao一一为生长最大可接受缺陷的初始长度：凡一一对缺陷初始生长所必须的载荷循环次数：（豆豆）一一裂纹生长速率，每次载荷循环的延伸：dN 几一一设计的载荷循环次数：ac 一突然破坏的临界裂纹长度，4. 4. 1. 6部件受单一拉伸载荷时，计算的最大应力强度因子K1），应小于同样条件F计算的临界应力强度因子Kie），即K1K,c(7) 4.4.2裕量设计者必须论证，试验或分析预测中的固有不确定性不会导致个别功能要求得不到满足，从而保证设计具有足够的裕量。设计者可从下述方法中选择一种或几种来证实设计具有合适的

11、裕量：a）概率分析法。在该方法中，自变量的偏差是按统计规律组合的：b）敏感性分析法。在该方法中，因变量的变化是作为自变量公差带的函数推算的：，c）最坏情况分析法。在该方法中，每个自变量都故意偏向于产生最不利后果，以此来推算因变量：d）组合分析法。在该方法中，某些自变量按最坏情况确定，而另一些自变量按统计方法确定或选取名义值并按其敏感性加权确定：的引用试验数据或运行性能证明设计满足给定设计工况下具体功能要求的程度。4. 5 特殊设计要求4.24.4规定了燃料组件综合性的功能要求和设计考虑，没有具体规定如何应用不同的设计考虑以避免对设计施加不必要的限制。然而，某些设计考虑对所有的燃料组件设计是最基

12、本的，并作为强制性要求规定如下。3 EJ/T 629一20014. 5. 1 材料性能为了进行具体的评价，在材料性能选择方面应该满足下列通用准则za）设计者在评价燃料组件各零部件的性能时，既要考虑未辐照材料的性能，又要考虑辐照后材料的性能：b）应通过对燃料微观组织再分布、功率峰和贮能的评价，来确定辐照引起的燃料密实：c）应采用与部件预计温度相应的材料性能数据来考虑温度对各种材料性能的影响：d）选用与中子注量率或注量有关的材料性能数据时，应说明中子注量率能谱的影响。4.5.2 腐蚀用下述准则评价燃料组件各零部件的腐蚀对其性能的影响：a）应在代表反应堆运行的条件下取得燃料组件材料的腐蚀数据：b）计

13、算燃料芯块和包亮温度时，必须考虑传热表面上积累的腐蚀膜和结垢对传热的影响；c）必须考虑制造工艺（如冷加工、热处理、应力消除、焊接和表面处理）对腐蚀行为的影响。4.5.3 结合金氢化控制为了将一次氢化造成的错合金包壳穿孔减少到最低限度，必须确定燃料棒和可燃毒物棒内最大可接受的当量氢含量4.5.4 磨蚀定位格架应尽量抑制棒和支承表面之间的相对运动，以防止燃料棒包壳因过度磨损而破损或明显降低其承受运行载荷的能力。定位格架设计及其在燃料组件内定位的合理性，需通过在有代表性的冷却剂温度、压力、流量和化学条件下的试验或分析来确认。初始设计应遵循下列准则：a）确定燃料棒定位格架的轴向跨距时，必须考虑己知的或

14、预测的激振频率：b）用试验或分析法验证定位格架设计的合理性时，必须考虑那些造成定位格架栅元对燃料棒的夹持力减少的因素，如支承弹簧应力松弛、包壳向内蠕变、不同热膨胀和格架条带横向辐照生长等对于新燃料组件的定位格架，必须规定初始夹持力的范围：c) 必须考虑燃料组件内和燃料组件相互之间的流量重新分配（如上下管座及格架处）以及堆芯围板结合处流体喷射可能引起的横向流：d）设计者必须对包壳磨蚀及其对有关分析的影响进行分析或试验。4.5.5燃料组件压紧力对于采用压紧结构（如弹簧）的设计，为了适应水力载荷的作用，设计者必须证明考虑了如F因素后，压紧结构仍具有足够的压紧力：a）压紧弹簧的应力松弛：的工况I预计的

15、最大流速：c）燃料组件压降，包括由于燃料组件内结垢沉积可能引起的压降增加：d）燃料组件和支承结构尺寸公差的组合：e）燃料组件和堆内构件之间的热膨胀差：0燃料组件辐照生长。4.5. 6 燃料棒轴向生长允许量燃料棒和燃料组件管座之间必须留有足够的轴向间隙，以补偿燃料细件设计寿期内预计的零部件尺寸变化。验证这一要求是否满足时，需考虑：4 a）燃料棒和燃料组件骨架之间的轴向热膨胀差和辐照生长差（包括燃料和包壳之间相互作用引起的包亮轴向伸长）：EJ/T 629-2001 b）尺寸公差：c）燃料组件骨架轴向压缩和蠕变变形。4. 5. 7 燃料棒内压由包壳蠕变、鼓胀和拥塌引起的燃料棒内压变化，对燃料棒的性能

16、有显著的影响。因此，必须考虑整个寿期内燃料棒内压发生的变化。燃料棒内压计算需要考虑如下效应：a）燃料芯块和包壳之间不同的热膨胀（轴向和径向）：b）燃料芯块的辐照肿胀：c）不挥发裂变产物的积累1d）填充气体在燃料内的溶解度：e）燃料芯块的端部碟形、开裂和开口孔内的气体温度高于芯块和包壳之间环形间隙内的气体温度：0燃料的气态裂变产物释放：g）燃料的辐照密实：h）包壳的辐照生长和辐照蠕变以及包壳的热蠕变：i）初始填充气体压力和零部件尺寸的预计变化：j) 燃料材料吸附气体的释放。4. 5. 8 包壳拥塌燃料棒必须设计成使包壳不会因长期蠕变效应而现塌。包壳拥塌指包壳陷入燃料柱内短而无支撑的间隙。设计者应

17、当规定包壳拥塌准则。验证是否满足这一要求时，需要考虑下列效应：a）燃料棒比燃耗和功率水平对燃料棒内压的影响，包括保守地低估裂变气体释放的影响：b）燃料芯块辐照密实和填充气体在燃料内的溶解度：c）燃料棒功率史：d) 部件尺寸公差和填充气体压力公差的最不利组合。4. 5. 9 燃料棒弯曲应确定燃料棒可接受的弯曲量。评价中，设计者需考虑下列弯曲效应：a）燃料和慢化剂体积比的局部变化对燃料棒局部峰值功率水平的影响：b）子通道冷却剂流动的变化对偏离泡核沸腾（0阳裕量或临界热流的影响：c) 预计的燃料棒弯曲量对控制棒运动的影响。4.5. 10 燃料组件弯曲和扭转设计中应该按以下要求来考虑燃料组件可接受的弯

18、曲和扭转量：a）应证明燃料装卸设备和贮存装置，能接纳预计的燃料组件弯曲和扭转的最大值；b）评价燃料组件弯曲和扭转对控制棒运动的影响（如通过抽插摩擦阻力）：c）评价燃料组件弯曲和扭转对局部功率和冷却剂流量分配的影响。4. 5. 11 部件冷却剂流量设计必须考虑为燃料组件内的部件（如控制棒、毒物棒、中子源和测量装置）提供足够的冷却剂流量。在确定足够的冷却剂流量时，需考虑设计的最小压头和对最大流动阻力有贡献的因素，如部件的尺寸公差、表面粗糙度、腐蚀、结垢、发热率、不同热膨胀和辐照引起的尺寸变化。4. 5. 12 燃料组件装卸燃料组件设计应按照下列要求为所有预计到的燃料组件装卸活动提供保证：a）燃料组

19、件可按HAF0410附录凹的规定进行标识，并应便于识别组件在堆内的方位：b）燃料组件能承受正常操作载荷，包括使用前和使用之间的运输载荷：c）燃料组件应便于堆芯装卸料而不损伤：5 fal/T 629-2001 d）燃料组件能承受可能的拆装操作载荷，即为检查、维修、更换燃料棒或其他目的而进行的己辐照燃料组件的部分拆卸和重新组装而产生的载荷。4.5. 13 芯块包壳相互作用和包壳的应力腐蚀开裂经验表明，在设计寿期末之前的反应堆正常运行模式下，燃抖棒的包壳可能破损。在一些情况F,这些破损起因于包壳内表面起始的应力腐蚀裂纹，而应力腐蚀裂纹往往是由于燃料芯块与包壳之间机械相互作用产生的局部包壳应力，以及存

20、在某些裂变产物的联合作用而产生的。设计中应阐明用于评定破损机理的方法，以及保证达到评价可接受低破损概率的设计特征、反应堆负荷和功率机动动作的限制和燃料负荷。4.5. 14 应力应变分析验证燃料组件完整性时，应对某些部件需进行应力分析，井应按下列要求进行评价：a）对承受多轴应力的部件，分析应采用公认的组合这样应力的各种方法（如最大应变能或求解最大剪应力）之一，并且应确定用于确定可接受结果的准则（见4.4);b）对承受循环载荷的部件，应确定累积效应，并应确定所使用的方法（见4.4);c）对承受运行载荷引起显著蠕变应变的结构部件，应不因蠕变应变量过大而造成结构部仲破坏（见4.4);d）对同时承受循环

21、载荷和蠕变应变的部件，应确定既考虑恒定载荷又考虑循环载荷的验收准则（见4.4）。4.5. 15 冷却剂中的异物燃料组件的设计应考虑在反应堆冷却剂中金属异物的容限。经验表明：冷却剂中小的金属异物可能是造成燃料棒破损的主要原因。4. 5. 16 垢引起的局部腐蚀应说明垢沉积对可能导致包壳表面腐蚀率增加的潜在影响。这样的垢沉积可能同包壳产生化学相互作用，或可能使周部传热特征改变。尽管可以通过适当选择反应堆冷却剂系统的材料和电厂水化学使垢沉积减少到最小程度，但是燃料组件设计应尽可能地抗垢沉积的有害作用。4. 5. 17 中间贮存应考虑辐照后燃料组件装卸的影响，即考虑在反应堆堆芯和在堆现场乏燃料贮存水池

22、中的贮存，或插入单独乏燃料贮存设施（温式或干式）之间的装卸影响。4.5. 18 地震和LOCA载荷确保因地震和LOCA联合作用引起的机械载荷，不致使燃料组件损伤到障碍控制棒完全插入或不能保持可冷却性的程度，应作出评价。5 文件编制要求5. 1 目的提供设计文件，说明燃料组件机械设计和评价是如何满足本标准各项规定的。设计者应在设计文件中说明燃料组件的设计在如下几个方面满足本核准要求：a）在规定工况下，对于燃料组件作为整体和单个部件（若条件许可）所规定的功能和性能要求。b）规定或编制成文件的一套准则，为燃料组件设计达到规定的功能和性能要求提供了保证。c）证明设计确实满足各条准则要求。5.2 内容5

23、. 2. 1 设计工况燃料组件设计所考虑的具体工况按EJ312的规定。对每种工况的具体事件或事件的组合按其发生的原因进行描述。6 EJ/T 629一20015. 2.2 功能要求必须确定适于每类设计工况的燃料组件功能要求，井各有证明文件。这些功能要求应包括4.2所列适于具体燃料组件设计的要求。5. 2. 3 设计说明应有燃料组件设计说明，给出与功能和性能有关的燃料组件的重要部件及其尺寸、物理特性、化学性能和材料性能。附录A（规范性附录）所列出的物理特性、化学成分、材料性能和棋型等参数，应作为提出重要参数的依据。5.2.4燃料组件载荷应定量地确定具体设计工况的载荷组分或响应。对每种要评价的载荷组

24、合，应该确定恰当的环境参数（见附录A中A.I)。应确定所选设计工况的影响，并在确定载荷时计入这种影响。5.2. 5 设计限值应确定具体的设计限值，以保证满足各种设计工况下燃料组件的功能要求，并恰当地记录在设计文件中。5. 2. 6 设计评价设计文件中应该有详细的设计评价和设计裕量的说明。按4.4.2的规定确定裕茧，以保证满足功能要求。设计评价方法应考虑合适的参数、分析技术、试验检验结束手II运行经验。设计文件中应列山评价中用到的所有参考资料。7 EJ/T 629-2001 附录A规范性附录）燃料组件机械设计和评价应考虑的设计参数A. 1 总的环境参数a）冷却剂温度、压力、流量及其变化：b）水化

25、学；c）中子注量率：d）堆内构件移位：e）乏燃料贮存条件：。由运输、装卸、地震、瞬态和事故工况产生的加速度。A.2 燃料和控制材料A.2. 1 物理特性a）尺寸和几何形状：b）密度：c）表面粗糙度。A. 2. 2 化学成分A.2.3 材料性能a）热工参数：导热率、热膨胀系数、比热、熔点和相结构转变：b）力学参数：杨氏模量、泊松比、拉伸和压缩强度：c) 陶瓷和冶金参数：晶粒尺寸及其分布、气孔尺寸及其分布、气孔类型（开口子LI闭口孔）。A. 2.4 模型和相关参数a）燃料芯块开裂：b）裂变和吸附气体释放：c）蠕变：d）辐照肿胀：e）密实化：。导热率（含孔隙率的影响）：g）热膨胀：h）熔化。A. 2

26、.5 性能和机械设计限值燃料和控制材料的性能和机械设计限值按4.4的规定。人3燃料棒（其中燃料和控制材料见A.2) A. 3. 1 物理特性8 a）尺寸：长度、直径、包壳壁厚及其变化、直线度、圆度、燃料柱高度、芯块与包壳间隙、气腔长度和燃料棒内自由冷空间体积：b）填充气体成分和初始内压：c）表面粗糙度，包括划痕：d）表面状态，包括结垢：e）密封性：EJ/T 629-2001 。内装其他非燃料零件（隔热块和弹簧）：g) 标识符号。A. 3.2 化学成分组成燃料棒所有零件材料的化学成分。A. 3. 3 包壳和其他零件的材料性能a）热工参数：导热率、热膨胀系数、比热和相结构转变：b）力学参数：屈服强

27、度、极限强度、杨氏模量、泊松比、延性和密度：c）冶金参数t晶粒尺寸、各向异性因子、织构系数和氢化物取向：d）化学参数z腐蚀速率、吸氢速率和辐照前的表面处理。A. 3.4 模型和相关参数a）容纳气体的空间体积：b）蠕变、蠕变明塌和蠕变破裂：c）热工性能：d）水一包壳传热系数：e）径向、轴向和周向热膨胀：。燃料芯块和包壳之间的间隙热导，包括气体成分、气体导热率和不挥发裂变产物的影响：g）弯曲：h) 辐照生长，包括各向异性相关参数：i) 应力松弛：j）水渗：k）燃料和包壳相互作用：I) 应力腐蚀开裂：m）腐蚀：n）氢化：。）燃料性中轴向间隙：p）塑性变形：q）贮能：r）磨蚀：s）应力破坏：t）垢引起

28、的局部腐蚀。A.3.5 性能和机械设计限值燃料棒的性能和机械设计限值按4.4的规定。A.4 燃料组件A.4. 1 物理特性a）燃料组件外形尺寸：b）径向和轴向支承方法：c）定位格架尺寸：d）定位方法：e）装卸方法：9 EJ/T 629-2001 。一体化控制棒和仪表：g）燃料组件与燃料组件、堆内构件、贮存架以及其它部件之间的配合尺寸。A.4.2化学成分燃料组件所有结构部件的合金化学成分。A.4.3材料性能a）热工参数：导热率、热膨胀系数、比热和微观结构变化：的力学参数t屈服强度、极限强度、疲劳强度、冲击强度、杨氏模量、泊松比、延性和！密度：c）冶金参数：晶粒尺寸、各向异性因子和织构系数：d) 化学参数：腐蚀速率、吸氢和氢脆。A. 4. 4 模型和相关参数a）磨损：b）振动（频率和振幅）：c）应力松弛：d）永久变形：e）辐照和温度引起的材料生长和性能变化：0包壳与格架支撑部位之间的压力：g）组件压紧力：h）蠕变：i）结垢：j）裂纹蔓延：k）弯曲。A.4.5性能和机械设计限值燃料组件的性能和机械设计限值按4.4的规定。10 CONAVN喝阳气同