燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型涉及一種燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，包括含有核燃料成分的一體化燃料棒體；燃料棒體的中部設(shè)有軸向貫穿的通孔。本實(shí)用新型的燃料棒的通孔可顯著增加傳熱面積，在反應(yīng)堆功率一定的情況下減小燃料棒單位面積內(nèi)的熱通量，降低發(fā)生偏離泡核沸騰的概率；同時(shí)可大幅度減小燃料棒中心區(qū)溫度，從而顯著增加燃料棒在反應(yīng)堆正常工況及事故工況下的安全裕量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及核電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒。
【背景技術(shù)】
[0002]核反應(yīng)堆包括一個(gè)由燃料組件組成的堆芯，而每組燃料組件本身是由多束燃料棒構(gòu)成的，多束燃料棒束保持軸向豎直排列在燃料組件的骨架之中，以使呈圓柱形的形狀的燃料棒的軸線(xiàn)相互平行。
[0003]非一體的燃料棒主要由包殼管、上端塞、下端塞以及容置在包殼管內(nèi)部堆芯的構(gòu)成，上端塞和下端塞設(shè)置于包殼管兩端。每根燃料棒的包殼管的軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫截面的直徑。一般說(shuō)來(lái)，燃料棒具有大于4米的長(zhǎng)度，而其直徑約為10毫米。
[0004]常規(guī)的壓水堆燃料棒通常為鋯合金包殼管裝載圓柱形芯塊，冷卻劑沿著包殼外部流動(dòng)，并帶走燃料棒產(chǎn)生的熱量，由于芯塊具有相對(duì)較低的熱導(dǎo)率，以致通過(guò)核裂變產(chǎn)生的熱量未被迅速地傳遞給冷卻劑，導(dǎo)致芯塊溫度明顯高于冷卻劑溫度，冷卻劑溫度通常處于290°C?340°C范圍內(nèi)，而芯塊溫度會(huì)處于1000°C?1500°C的高溫，芯塊溫度過(guò)高，導(dǎo)致安全裕量減小，例如，在冷卻劑喪失事故(LOCA)中，當(dāng)發(fā)生事故前燃料具有較高溫度時(shí)，發(fā)生熔化的概率會(huì)顯著增加。此外，當(dāng)燃料棒具有較高的熱通量時(shí)，可能會(huì)發(fā)生偏離泡核沸騰(DNB)，嚴(yán)重的損壞從燃料棒至冷卻劑的熱交換，并最終導(dǎo)致燃料棒燒毀。
[0005]進(jìn)一步的，在日本福島核事故中，燃料熔化引起的放射性物質(zhì)釋放以及鋯水反應(yīng)引發(fā)的氫爆引起了全世界對(duì)于核能安全的強(qiáng)烈關(guān)注。
[0006]如圖8所示，核電相關(guān)技術(shù)中的一種一體化燃料棒，包括金屬基體111、上端塞、下端塞和彌散于基體中的覆層燃料顆粒112，上端塞、下端塞設(shè)置于基體的兩端。金屬基體111為鋯合金基體，覆層燃料顆粒112彌散于鋯合金基體中，覆層燃料顆粒112結(jié)構(gòu)類(lèi)似與本專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的用于高溫氣冷堆中的TRISO燃料顆粒。該一體化燃料棒無(wú)包殼，可直接制造成4米左右的長(zhǎng)度，并用于壓水堆燃料組件中。然而，該種燃料棒至少存在以下技術(shù)缺陷:
[0007]1.在一定反應(yīng)堆運(yùn)行功率下，燃料棒中心溫度會(huì)顯著高于外圍溫度，從而對(duì)燃料棒的線(xiàn)功率密度產(chǎn)生限制，從而影響反應(yīng)堆的經(jīng)濟(jì)性；
[0008]2.燃料棒的運(yùn)行時(shí)的最高溫度較高，從而造成核燃料在正常運(yùn)行時(shí)儲(chǔ)能較高，在出現(xiàn)如大破口失水事故情況下，包殼峰值溫度會(huì)顯著提高，縮短在嚴(yán)重事故下核燃料熔化的時(shí)間，安全性較差。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0009]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，提供一種改進(jìn)的燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒。
[0010]本實(shí)用新型解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，包括含有核燃料成分的一體化燃料棒體;所述燃料棒體的中部設(shè)有軸向貫穿的通孔。
[0011]優(yōu)選的，所述燃料棒體包括柱狀金屬基體、以及彌散于所述金屬基體中的燃料顆粒，所述通孔在所述金屬基體的中部軸向貫穿形成。
[0012]優(yōu)選的，所述燃料顆粒包括位于中心的核燃料核心以及由內(nèi)向外依次包覆在核燃料核心外圍的熱解碳緩沖層、第一熱解碳層、碳化硅及第二熱解碳層。
[0013]優(yōu)選地，所述核燃料核心包括氧化鈾、碳化鈾、氮化鈾、硅化鈾中的一種。
[0014]優(yōu)選的，所述燃料棒體還包括包覆在所述金屬基體外圈的第一無(wú)燃料層;和/或，
[0015]所述燃料棒體還包括設(shè)置在所述金屬基體的通孔內(nèi)壁上的第二無(wú)燃料層。
[0016]優(yōu)選的，所述第一無(wú)燃料層的硬度高于所述金屬基體的硬度;和/或，所述第二無(wú)燃料層的硬度高于所述金屬基體的硬度。
[0017]優(yōu)選的，所述第一無(wú)燃料層為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的包覆在所述金屬基體外圈的筒狀結(jié)構(gòu)，所述第二無(wú)燃料層為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的設(shè)置在所述金屬基體的通孔內(nèi)壁上的筒狀結(jié)構(gòu)。
[0018]優(yōu)選的，所述第一無(wú)燃料層、第二無(wú)燃料層的厚度分別為0.01-2mm。
[0019]優(yōu)選的，所述金屬基體材料為鋯合金。
[0020]優(yōu)選的，所述燃料棒還包括設(shè)置在所述燃料棒體縱向兩端的兩個(gè)端塞，所述端塞與所述燃料棒體固定連接。
[0021]優(yōu)選的，所述端塞為環(huán)形，且所述端塞的中心孔與所述金屬基體的通孔連通。
[0022]本發(fā)明還構(gòu)造一種燃料組件，包括上述任一項(xiàng)所述的燃料棒。
[0023]優(yōu)選的，該燃料組件還包括攪混格架、導(dǎo)向管、以及上管座、下管座；
[0024]所述燃料棒、導(dǎo)向管夾持固定在所述攪混格架上，所述導(dǎo)向管的兩端伸出所述燃料棒的兩端；
[0025]所述上管座包括設(shè)置在所述導(dǎo)向管上端的上匹配板，所述下管座包括設(shè)置在所述導(dǎo)向管下端的下匹配板；
[0026]所述上匹配板上設(shè)有用來(lái)固定所述導(dǎo)向管的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道；
[0027]所述下匹配板上設(shè)有用來(lái)固定所述導(dǎo)向管的下孔道和供冷卻水流通的流水孔。
[0028]優(yōu)選的，所述下匹配板的下側(cè)設(shè)有用于防止異物進(jìn)入所述下孔道和/或所述流水孔的防異物裝置；
[0029]所述攪混格架包括沿所述燃料棒的軸向間隔排布的若干個(gè)攪混柵元；
[0030]所述燃料組件還包括沿所述燃料棒的軸向間隔排布的若干定位格架。
[0031]實(shí)施本實(shí)用新型的燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，具有以下有益效果:本實(shí)用新型的燃料棒的通孔可顯著增加傳熱面積，在反應(yīng)堆功率一定的情況下減小燃料棒單位面積內(nèi)的熱通量，降低發(fā)生偏離泡核沸騰的概率；同時(shí)可大幅度減小燃料棒中心區(qū)溫度，從而顯著增加燃料棒在反應(yīng)堆正常工況及事故工況下的安全裕量。
【附圖說(shuō)明】
[0032]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說(shuō)明，附圖中:
[0033]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例中的燃料組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中的燃料棒的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3是本實(shí)用新型燃料棒的第一實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0036]圖4是圖3中的燃料顆粒的剖面示意圖；
[0037]圖5是本實(shí)用新型燃料棒的第二實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0038]圖6是本實(shí)用新型燃料棒的其他實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0039]圖7是本實(shí)用新型燃料棒的其他實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0040]圖8是【背景技術(shù)】中的燃料棒體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]為了對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對(duì)照附圖詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】。
[0042]如圖1所示，本實(shí)用新型一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中的燃料組件包括燃料棒1、攪混格架2、定位格架3、導(dǎo)向管4、以及上管座5、下管座6。攪混格架2包括沿燃料棒I的軸向間隔排布的若干個(gè)攪混柵元，定位格架3的數(shù)量通常也為多個(gè)，沿燃料棒I的軸向間隔排布。燃料棒1、導(dǎo)向管4夾持固定在攪混格架2和定位格架3上，導(dǎo)向管4的兩端伸出燃料棒I的兩端，分別和上管座5、下管座6配合。
[0043]上管座5包括設(shè)置在導(dǎo)向管4上端的上匹配板，下管座6包括設(shè)置在導(dǎo)向管4下端的下匹配板和用于對(duì)燃料組件進(jìn)行支撐的支撐腿。上匹配板上設(shè)有用來(lái)固定導(dǎo)向管4的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道;下匹配板上設(shè)有用來(lái)固定導(dǎo)向管4的下孔道和供冷卻水流通的流水孔。冷卻水從下端的流水孔向上流動(dòng)，對(duì)燃料棒I進(jìn)行冷卻。
[0044]下匹配板的下側(cè)設(shè)有用于防止異物進(jìn)入下孔道、流水孔的防異物裝置7，避免造成堵塞或?qū)θ剂习鬒造成影響。燃料組件上的燃料棒I的數(shù)量不做限定。
[0045]如圖2、圖3所示，在燃料棒I的第一實(shí)施例中，燃料棒I包括含有核燃料成分的一體化燃料棒體11，燃料棒體11的中部設(shè)有軸向貫穿的通孔。燃料棒體11包括柱狀金屬基體111和彌散于金屬基體111中的燃料顆粒112，進(jìn)一步地，通孔在金屬基體111的中部軸向貫穿形成。在其他實(shí)施例中，燃料顆粒112也可為燃料芯塊等結(jié)構(gòu)形式。
[0046]優(yōu)選地，金屬基體111為斷面呈環(huán)形的管狀，帶有通孔的金屬基體111在中心形成可供冷卻劑通過(guò)的冷卻通道113，可以在反應(yīng)堆正常運(yùn)行工況下，一體化環(huán)形燃料棒I的內(nèi)外表面均有冷卻劑通過(guò)，即通過(guò)一體化環(huán)形燃料棒I的內(nèi)部冷卻通道113，顯著降低燃料棒I中心溫度。在其他實(shí)施例中，金屬基體111的斷面的形狀也可為方形或其他形狀。在保持反應(yīng)堆安全性能的前提下，可提升堆芯功率密度，從而提高核電廠(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性；同時(shí)較低的燃料溫度使燃料在正常運(yùn)行工況下儲(chǔ)能較低，在出現(xiàn)如大破口失水事故情況下，包殼峰值溫度會(huì)大幅降低，在嚴(yán)重事故下會(huì)推遲燃料熔化的時(shí)間，安全性能更好。
[0047]在一些實(shí)施例中，金屬基體111材料為鋯合金，形成管狀結(jié)構(gòu)，燃料顆粒112均勻彌散于金屬基體111中。如圖4所示，燃料顆粒112通常包括位于中心的核燃料核心1121以及由內(nèi)向外依次包覆在二氧化鈾1121外的熱解碳緩沖層1122、第一熱解碳層(IPyC)1123、碳化硅(SiC)1124及第二熱解碳層(0PyC)1125，燃料顆粒中心的核燃料核心1121可以為二氧化鈾(UO2)、也可為其他的氧化鈾，或?yàn)樘蓟?、氮化鈾、硅化鈾。在其他?shí)施例中，金屬基體111中也可采用其他的方式填充燃料。
[0048]再如圖2所示，進(jìn)一步地，燃料棒I還包括設(shè)置在燃料棒體11縱向兩端的兩個(gè)環(huán)形端塞12，端塞12與燃料棒體11固定連接，且端塞12的中心孔與金屬基體111的冷卻通道113連通，讓冷卻劑能從中心上下流通。端塞12將燃料棒體11的端面包覆，端塞12可以方便燃料棒I后期的組裝、維修等操作，另外，端塞12也可換成其他部件供組裝等操作使用。端塞12可采用焊接的方式與燃料棒體11的兩端連接，焊接端塞12后即形成了一個(gè)完整的燃料棒I。在其他實(shí)施例中，端塞12也可為實(shí)體結(jié)構(gòu)，保證焊接到燃料棒體11上后能讓金屬基體111的冷卻通道保持與外界導(dǎo)通即可。
[0049]如圖5所示，在燃料棒I的第二實(shí)施例中，燃料棒體11還包括包覆在金屬基體111夕卜圈的第一無(wú)燃料層114，以及設(shè)置在金屬基體111的通孔內(nèi)壁上的第二無(wú)燃料層115。且第一無(wú)燃料層114的硬度高于金屬基體111的硬度;第二無(wú)燃料層115的硬度高于金屬基體111的硬度。通過(guò)設(shè)置第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115，在反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重事故的情況下，可有效防止發(fā)生鋯水反應(yīng)，減小氫氣產(chǎn)生量，提高反應(yīng)堆的安全性。
[0050]同時(shí)，考慮到在金屬基體111的加工過(guò)程中，要保持燃料顆粒112的完整性，必然不能使用鍛造等大壓力加工方式，勢(shì)必會(huì)造成金屬基體111松軟，從而造成整個(gè)一體化燃料棒I的剛度偏小，那么在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行時(shí)就很容易造成一體化燃料棒I的彎曲，從而影響反應(yīng)堆運(yùn)行安全性。通過(guò)在一體化環(huán)形燃料棒I內(nèi)外表面設(shè)置硬質(zhì)材料無(wú)燃料層，可增強(qiáng)燃料棒I的整體剛度，減小燃料棒I在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行時(shí)的彎曲幅度。最后，第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115的設(shè)置還可提高一體化環(huán)形燃料棒I的表面強(qiáng)度、抗腐蝕性、抗熱震性等性能。[0051 ]第一無(wú)燃料層114為由FeCrAl合金形成的包覆在金屬基體111外圈的筒狀結(jié)構(gòu)，第二無(wú)燃料層115為由FeCrAl合金形成的設(shè)置在金屬基體111的通孔內(nèi)壁上的筒狀結(jié)構(gòu)。第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115的厚度分別為0.01-2mm，既能提升強(qiáng)度，又不會(huì)對(duì)燃料棒I的原本尺寸造成大的影響。當(dāng)然，第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115也可為由Mo合金或不銹鋼形成。
[0052]硬度較高的第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115可以提升燃料棒I的整體強(qiáng)度，緩減燃料棒I在運(yùn)行時(shí)發(fā)生彎曲；同時(shí)，還有效緩減外部作用力傳遞到燃料顆粒112，減小燃料顆粒112破碎的可能性。由于無(wú)燃料層的硬度較高，從而可對(duì)高安全性燃料棒I外圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工，在保證不破碎燃料顆粒112的情況，精確控制燃料棒I尺寸。
[0053]由于第一無(wú)燃料層114、第二無(wú)燃料層115的材料還為高防腐蝕性材料，可有效緩減腐蝕反應(yīng)，并有效減小氫氣的釋放，提高反應(yīng)堆安全性。
[0054]如圖6、圖7所示，在其他實(shí)施例中，燃料棒I也可只在金屬基體111的外圈設(shè)置第一無(wú)燃料層114，或只在金屬基體111的通孔內(nèi)壁上設(shè)置第二無(wú)燃料層115，能對(duì)外圈或通孔起到防腐蝕的作用，由于其硬度高于金屬基體111，可增強(qiáng)燃料棒I的整體剛度，減小燃料棒I在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行時(shí)的彎曲幅度。
[0055]可以理解地，上述各技術(shù)特征可以任意組合使用而不受限制。
[0056]以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專(zhuān)利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專(zhuān)利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，包括含有核燃料成分的一體化燃料棒體(11);所述燃料棒體(11)的中部設(shè)有軸向貫穿的通孔。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于， 所述燃料棒體(11)包括柱狀金屬基體(111)、以及彌散于所述金屬基體(111)中的燃料顆粒(112)，所述通孔在所述金屬基體(111)的中部軸向貫穿形成。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述燃料顆粒(112 )包括位于中心的核燃料核心(1121)以及由內(nèi)向外依次包覆在核燃料核心(1121)外圍的熱解碳緩沖層(1122)、第一熱解碳層(1123)、碳化硅(1124)及第二熱解碳層(1125)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述核燃料核心(1121)包括氧化鈾、碳化鈾、氮化鈾、硅化鈾中的一種。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述燃料棒體(11)還包括包覆在所述金屬基體(111)外圈的第一無(wú)燃料層(114);和/或， 所述燃料棒體(11)還包括設(shè)置在所述金屬基體(111)的通孔內(nèi)壁上的第二無(wú)燃料層(115)06.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無(wú)燃料層(114)的硬度高于所述金屬基體(111)的硬度;和/或，所述第二無(wú)燃料層(115)的硬度高于所述金屬基體(111)的硬度。7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無(wú)燃料層(114)為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的包覆在所述金屬基體(111)外圈的筒狀結(jié)構(gòu)，所述第二無(wú)燃料層(I 15)為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的設(shè)置在所述金屬基體(111)的通孔內(nèi)壁上的筒狀結(jié)構(gòu)。8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無(wú)燃料層(114)、第二無(wú)燃料層(115)的厚度分別為0.01-2mm。9.根據(jù)權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述金屬基體(111)材料為鋯合金。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述燃料棒(I)還包括設(shè)置在所述燃料棒體(11)縱向兩端的兩個(gè)端塞(12)，所述端塞(12)與所述燃料棒體(11)固定連接。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述端塞(12)為環(huán)形，且所述端塞(12)的中心孔與所述金屬基體(111)的通孔連通。12.—種燃料組件，其特征在于，包括權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)所述的燃料棒(I)。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料組件，其特征在于，還包括攪混格架(2)、導(dǎo)向管(4)、以及上管座(5)、下管座(6); 所述燃料棒(I)、導(dǎo)向管(4)夾持固定在所述攪混格架(2)上，所述導(dǎo)向管(4)的兩端伸出所述燃料棒(I)的兩端； 所述上管座(5)包括設(shè)置在所述導(dǎo)向管(4)上端的上匹配板，所述下管座(6)包括設(shè)置在所述導(dǎo)向管(4)下端的下匹配板； 所述上匹配板上設(shè)有用來(lái)固定所述導(dǎo)向管(4)的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道； 所述下匹配板上設(shè)有用來(lái)固定所述導(dǎo)向管(4)的下孔道和供冷卻水流通的流水孔。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃料組件，其特征在于，所述下匹配板的下側(cè)設(shè)有用于防止異物進(jìn)入所述下孔道和/或所述流水孔的防異物裝置(7); 所述攪混格架(2 )包括沿所述燃料棒(I)的軸向間隔排布的若干個(gè)攪混柵元； 所述燃料組件還包括沿所述燃料棒(I)的軸向間隔排布的若干定位格架(3 )。
【文檔編號(hào)】G21C3/04GK205428498SQ201521086944
【公開(kāi)日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2015年12月23日
【發(fā)明人】劉彤, 盧志威, 李銳, 任啟森, 李雷, 孫茂州, 武海龍, 汪洋, 黃恒, 王占偉, 許多挺, 陳蒙騰
【申請(qǐng)人】中廣核研究院有限公司, 中國(guó)廣核集團(tuán)有限公司, 中國(guó)廣核電力股份有限公司