燃料組件及其提高反應(yīng)堆安全性的燃料棒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，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度遠(yuǎn)大于其橫截面的直徑。一般說來，燃料棒具有大于4米的長度，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，芯塊溫度過高，導(dǎo)致安全裕量減小，例如，在冷卻劑喪失事故(L0CA)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)類似與本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的用于高溫氣冷堆中的TRIS0燃料顆粒。該一體化燃料棒無包殼，可直接制造成4米左右的長度，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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，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]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(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)壁上的第二無燃料層。
[0016]優(yōu)選的，所述第一無燃料層的硬度高于所述金屬基體的硬度;和/或，所述第二無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，所述第一無燃料層、第二無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)施本發(fā)明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:本發(fā)明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。
【附圖說明】
[0032]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0033]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的燃料組件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的燃料棒的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3是本發(fā)明燃料棒的第一實(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是本發(fā)明燃料棒的第二實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0038]圖6是本發(fā)明燃料棒的其他實(shí)施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0039]圖7是本發(fā)明燃料棒的其他實(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)本發(fā)明的技術(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)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0042]如圖1所示，本發(fā)明一個(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1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1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1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1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?造成影響。燃料組件上的燃料棒1的數(shù)量不做限定。
[0045]如圖2、圖3所示，在燃料棒1的第一實(shí)施例中，燃料棒1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1的內(nèi)外表面均有冷卻劑通過，即通過一體化環(huán)形燃料棒1的內(nèi)部冷卻通道113，顯著降低燃料棒1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