所謂輕水堆燃料元件是指在輕水反應堆內以核燃料作為主要成分的結構上獨立的最小燃料單元，它一般是指壓水堆燃料元件和沸水堆燃料元件的總稱。
主要特點,輕水堆燃料元件類型,輕水堆燃料元件發展過程,輕水堆燃料元件主要設計參數,
主要特點
輕水堆燃料元件是燃料元件的一種，因此也具有燃料元件的如下主要特點：
（1）具有放射性 目前燃料元件中的核燃料主要採用235U，其次是239Pu。而233U還沒有作為燃料元件的核燃料投入實際套用。235U和239Pu本身就是放射性物質，而俘獲中子後的核裂變將產生放射性活度更強的裂變產物。剩餘釋熱則是燃料元件在使用後具有強放射性這一特點的派生特點。
（2）能量高度集中 235U每次裂變，大約放出200MeV的能量。一克235U全部裂變發出的熱，比一克標準煤燃燒時放出的熱大280萬倍，相當於2.8t標準煤燃燒時放出的熱。
（3）運行環境條件十分苛刻 燃料元件所處的運行環境條件為輻照場、溫度場、速度場、以及一定外壓等。作為燃料元件主體的芯體，即核燃料，存在裂變產生的中子和裂變產物，同時又伴隨輻照損傷，改變了材料原來的性能，還產生諸如腫脹、密實化、生長、蠕變等幾何尺寸的變化；再加上溫度應力的作用等，使工作條件更加惡化。對燃料元件包殼、端塞等結構材料來說，除輻照造成的損傷以外，還要承受芯體材料的尺寸變化而產生的應力、應變、冷卻劑沖刷造成的腐蝕和振動磨蝕、疲勞。如果再考慮反應堆開停堆和堆運行時的功率波動或劇增等大小不一的冷熱衝擊交變載荷的作用，又使燃料元件的工作條件更為苛刻。
（4）輻射防護的安全要求 從製備物料、燃料元件設計、加工製造、存放、運輸、堆內運行、輻照後熱室檢驗、一直到後處理，都要考慮放射性物質的特殊性。為了防止放射性物質污染環境和防止傷害人體，要求在整個過程中妥善採取防護措施和嚴格的安全監督。為了確保燃料元件在堆內整個工作壽期內不破損，顯然要對燃料元件適應性、相容性、安全可靠性和經濟性等提出一系列特殊要求。
輕水堆燃料元件類型
（1） 壓水堆燃料元件類型
壓水堆燃料元件為無元件盒型燃料元件，按其燃料棒排列可分為14×14～20×20方形和六角形等類型，其中以17×17占絕大多數。另外，為了提高核燃料的利用率，還採用了MOX（混合氧化物）燃料。
（1） 沸水堆燃料元件類型
沸水堆燃料元件為有元件盒型燃料元件，按其燃料棒排列可分為6×6～10×10等類型，其中以8×8類型為主，而9×9和10×10，未來會逐步有所增加。此外，上述類型的沸水堆燃料元件，又以燃料棒包殼內壁有無鋯襯裡，分為兩大類；為充分利用核燃料，還套用了MOX燃料。
壓水堆和沸水堆的燃料棒類似，均採用含或不含釓的低富集度二氧化鈾燃料芯塊和MOX燃料，以鋯合金作為燃料棒的包殼。但沸水堆燃料棒較複雜，除棒徑較粗外，同一根燃料棒富集度和含釓量軸向分區，Zr-2合金包殼有鋯襯裡的居多等。
輕水堆燃料元件發展過程
（1）輕水堆燃料元件是當今世界上發展最為成熟、套用最為廣泛的燃料元件。
（2）輕水堆燃料元件的發展過程，實際上是新技術逐步引入的過程，性能（安全性、可靠性和經濟性）逐步提高的過程；並將進一步發展成為名副其實的高科技產品。
（3）輕水堆燃料元件中的控制棒組件屬相關元件。壓水堆通用的控制棒組件為束棒型，從堆芯上方插入堆芯燃料組件的導向管中或從導向管中向堆芯上方抽出；而沸水堆通用的控制棒元件為十字型，從堆芯下方向上插入4盒燃料元件形成的十字形通道中或從通道中向堆芯下方抽出。
輕水堆燃料元件主要設計參數
設計參數是描述或評價燃料元件行為所必需的材料性能、幾何尺寸特徵或物理回響現象。以下將當今世界上已投入商業運行的、較為先進的和有代表性的輕水堆燃料元件的主要設計參數，按堆型分列於表1和表2。
表1 壓水堆先進燃料元件主要設計參數
供 貨 商 | 法傑瑪公司 （法國） | ABB—CE （美國） | 西屋公司 （美國） | 西門子公司 （德國） | 俄羅斯 |
燃料組件類型 | 17×17-25 (AFA 3G) | 16×16-5 (System 80) | 17×17-25 (Performanc+) | 17×17-25 (HTP) | 六角形 (VVER1000) |
燃料棒數/根/元件 | 264 | 236 | 264 | 264 | 312 |
燃料元件高度/mm | 4060.2 | 4528 | 4058 | 4057 | 4570 |
燃料元件寬度/mm | 214.0 | 207 | 214 | 214 | 234.5 |
燃料棒長度/mm | 3863.4 | 4112 | 3878 | 3853 | 3837 |
燃料棒外徑/mm | 9.5 | 9.70 | 9.5(9.14) | 9.5 | 9.1 |
燃料芯塊高度/mm | 13.46 | 9.91 | 9.40 | 9.37 | 9~11 |
燃料芯塊直徑/mm | 8.19 | 8.27 | 8.19(7.84) | 8.17 | 7.57 |
平均線功率密度/kW/m | 20.0 | 17.72 | 17.0 | 18.6 | 16.7 |
最高線功率密度kW/m | 42 | 44.29 | 43 | 46 | 44.8 |
最高包殼溫度/℃ | 400 | — | — | — | — |
最高燃料溫度/℃ | 2590 | — | 2600 | — | 1667 |
包殼材料 | M5 | Zr-4 | ZIRLO | 改進Zr-4 | Zr-1%Nb Zr-1%Nb-1.3%Sn-0.3%Fe |
包殼厚度/mm | 0.57 | 0.635 | 0.57 | 0.61 | 0.63 |
定位格架材料 | 雙金屬 | Zr-4 | ZIRLO | 改進Zr-4 | Zr-1%Nb |
定位格架數/個/組件 | 8+3 | 10+1 | 2+6+3+1 | 8+3 | 15 |
最高燃耗/MWd/tU | 60000 | 60000 | 平均55000 | 70000 | 49000 |
①System 80和System 80+的燃料元件是一樣的；
②VVER即是WWER；
③“—”表示根據核電廠運行條件而定；
④AFA 3G、Performance+和HTP各有3層小格架；System 80和Performance+分別有1和2層端部因科鎳格架；Performance+有1層因科鎳保護格架。
表2 沸水堆先進燃料元件主要設計參數
供貨商 | 西門子（Siemens）公司 | 西屋（Westinghouse）Atom | ||||
燃料組件型號 | ATRIUM 9B | ATRIUM 10A或B | ATRIUM 10P | SVEA 100 | SVEA 965 | SVEA 96+ |
燃料組件類型 | 9×9 | 10×10 | 10×10 | 4×(5×5) | 4×(5×5-1) | 4×(5×5-1) |
燃料棒數/根/元件 | 72 | 91 | 91 | 100 | 96 | 96 |
燃料元件高度/mm | 4470 | 4470 | 4470 | 4398 | 4422 | 4481 |
燃料元件寬度/mm | 134 | 134 | 134 | 139.6 | 139.6 | 138.6 |
燃料棒長度/mm | 4074.5 | 4081.4 | 4081.4 | 3991.6 | 3991.6 | 4152.6 |
燃料棒外徑/mm | 11.0 | 10.05 | 10.05 | 9.62 | 9.62 | 9.62 |
燃料芯塊高度/mm | 11.5 | 105 | 10.5 | 8.7 | 8.7 | 8.7 |
燃料芯塊外徑/mm | 9.5 | 8.67 | 8.67 | 8.19 | 8.19 | 8.19 |
燃料芯塊密度/g/cm | 10.55(有襯裡) | 10.55(有襯裡) | 10.55(有襯裡) | 10.50 | 10.50 | |
10.45(無襯裡) | 10.45(無襯裡) | 10.45(無襯裡) | ||||
平均線功率密度/kW/m | 15.8 | 14.4 | 14.4 | 12 | 12 | 12 |
最高線功率密度/kW/m | 47.0 | 47.0 | 47.0 | — | — | — |
包殼材料 | Zr-2(鋯襯裡) | Zr-2(鋯襯裡) | Zr-2(鋯襯裡) | Zr-2 | Zr-2 | Zr-2 |
包殼厚度/mm | 0.665 | 0.605 | 0.605 | 0.63 | 0.63 | 0.63 |
定位格架材料 | 鋯合金 | 鋯合金 | 因科鎳 | 因科鎳 | 因科鎳 | 因科鎳 |
平均卸料燃耗/GWd/tU或HM | 43 | 65 | 65 | 40~50 | 40~50 | 40~50 |
組件最高燃耗/GWd/tU或HM | 55 | 70 | 70 | 53 | 53 | 53 |
①、②分別含8根和12根短燃料棒，水棒占3×3個棒位；
③指元件盒內寬度；
④提高鐵含量的鋯襯裡為選項；
⑤Zr-Sn襯裡為選項。
