燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒，包括含有核燃料成分的一體化燃料棒體；燃料棒體的中部設有軸向貫穿的通孔。本實用新型的燃料棒的通孔可顯著增加傳熱面積，在反應堆功率一定的情況下減小燃料棒單位面積內的熱通量，降低發(fā)生偏離泡核沸騰的概率；同時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堆正常工況及事故工況下的安全裕量。
【專利說明】
燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒
技術領域
[0001]本實用新型涉及核電技術領域，更具體地說，涉及一種燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒。
【背景技術】
[0002]核反應堆包括一個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部堆芯的構成，上端塞和下端塞設置于包殼管兩端。每根燃料棒的包殼管的軸向長度遠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，并帶走燃料棒產生的熱量，由于芯塊具有相對較低的熱導率，以致通過核裂變產生的熱量未被迅速地傳遞給冷卻劑，導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，而芯塊溫度會處于1000°C?1500°C的高溫，芯塊溫度過高，導致安全裕量減小，例如，在冷卻劑喪失事故(LOCA)中，當發(fā)生事故前燃料具有較高溫度時，發(fā)生熔化的概率會顯著增加。此外，當燃料棒具有較高的熱通量時，可能會發(fā)生偏離泡核沸騰(DNB)，嚴重的損壞從燃料棒至冷卻劑的熱交換，并最終導致燃料棒燒毀。
[0005]進一步的，在日本福島核事故中，燃料熔化引起的放射性物質釋放以及鋯水反應引發(fā)的氫爆引起了全世界對于核能安全的強烈關注。
[0006]如圖8所示，核電相關技術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結構類似與本專業(yè)領域內技術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缺陷:
[0007]1.在一定反應堆運行功率下，燃料棒中心溫度會顯著高于外圍溫度，從而對燃料棒的線功率密度產生限制，從而影響反應堆的經濟性；
[0008]2.燃料棒的運行時的最高溫度較高，從而造成核燃料在正常運行時儲能較高，在出現如大破口失水事故情況下，包殼峰值溫度會顯著提高，縮短在嚴重事故下核燃料熔化的時間，安全性較差。
【實用新型內容】
[0009]本實用新型要解決的技術問題在于，提供一種改進的燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒。
[0010]本實用新型解決其技術問題所采用的技術方案是:構造一種提高反應堆安全性的燃料棒，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置在所述金屬基體的通孔內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構，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置在所述金屬基體的通孔內壁上的筒狀結構。
[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置在所述燃料棒體縱向兩端的兩個端塞，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)明還構造一種燃料組件，包括上述任一項所述的燃料棒。
[0023]優(yōu)選的，該燃料組件還包括攪混格架、導向管、以及上管座、下管座；
[0024]所述燃料棒、導向管夾持固定在所述攪混格架上，所述導向管的兩端伸出所述燃料棒的兩端；
[0025]所述上管座包括設置在所述導向管上端的上匹配板，所述下管座包括設置在所述導向管下端的下匹配板；
[0026]所述上匹配板上設有用來固定所述導向管的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道；
[0027]所述下匹配板上設有用來固定所述導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設有用于防止異物進入所述下孔道和/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]實施本實用新型的燃料組件及其提高反應堆安全性的燃料棒，具有以下有益效果:本實用新型的燃料棒的通孔可顯著增加傳熱面積，在反應堆功率一定的情況下減小燃料棒單位面積內的熱通量，降低發(fā)生偏離泡核沸騰的概率；同時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]下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中:
[0033]圖1是本實用新型實施例中的燃料組件的結構示意圖；
[0034]圖2是本實用新型實施例中的燃料棒的剖面結構示意圖；
[0035]圖3是本實用新型燃料棒的第一實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是本實用新型燃料棒的第二實施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0038]圖6是本實用新型燃料棒的其他實施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0039]圖7是本實用新型燃料棒的其他實施例中的燃料棒體的剖面示意圖；
[0040]圖8是【背景技術】中的燃料棒體的剖面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0041]為了對本實用新型的技術特征、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的【具體實施方式】。
[0042]如圖1所示，本實用新型一個優(yōu)選實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攪混柵元，定位格架3的數量通常也為多個，沿燃料棒I的軸向間隔排布。燃料棒1、導向管4夾持固定在攪混格架2和定位格架3上，導向管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包括設置在導向管4上端的上匹配板，下管座6包括設置在導向管4下端的下匹配板和用于對燃料組件進行支撐的支撐腿。上匹配板上設有用來固定導向管4的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道;下匹配板上設有用來固定導向管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，對燃料棒I進行冷卻。
[0044]下匹配板的下側設有用于防止異物進入下孔道、流水孔的防異物裝置7，避免造成堵塞或對燃料棒I造成影響。燃料組件上的燃料棒I的數量不做限定。
[0045]如圖2、圖3所示，在燃料棒I的第一實施例中，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，進一步地，通孔在金屬基體111的中部軸向貫穿形成。在其他實施例中，燃料顆粒112也可為燃料芯塊等結構形式。
[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，可以在反應堆正常運行工況下，一體化環(huán)形燃料棒I的內外表面均有冷卻劑通過，即通過一體化環(huán)形燃料棒I的內部冷卻通道113，顯著降低燃料棒I中心溫度。在其他實施例中，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濟性；同時較低的燃料溫度使燃料在正常運行工況下儲能較低，在出現如大破口失水事故情況下，包殼峰值溫度會大幅降低，在嚴重事故下會推遲燃料熔化的時間，安全性能更好。
[0047]在一些實施例中，金屬基體111材料為鋯合金，形成管狀結構，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，或為碳化鈾、氮化鈾、硅化鈾。在其他實施例中，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，進一步地，燃料棒I還包括設置在燃料棒體11縱向兩端的兩個環(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后即形成了一個完整的燃料棒I。在其他實施例中，端塞12也可為實體結構，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通即可。
[0049]如圖5所示，在燃料棒I的第二實施例中，燃料棒體11還包括包覆在金屬基體111夕卜圈的第一無燃料層114，以及設置在金屬基體111的通孔內壁上的第二無燃料層115。且第一無燃料層114的硬度高于金屬基體111的硬度;第二無燃料層115的硬度高于金屬基體111的硬度。通過設置第一無燃料層114、第二無燃料層115，在反應堆發(fā)生嚴重事故的情況下，可有效防止發(fā)生鋯水反應，減小氫氣產生量，提高反應堆的安全性。
[0050]同時，考慮到在金屬基體111的加工過程中，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，勢必會造成金屬基體111松軟，從而造成整個一體化燃料棒I的剛度偏小，那么在反應堆內運行時就很容易造成一體化燃料棒I的彎曲，從而影響反應堆運行安全性。通過在一體化環(huán)形燃料棒I內外表面設置硬質材料無燃料層，可增強燃料棒I的整體剛度，減小燃料棒I在反應堆內運行時的彎曲幅度。最后，第一無燃料層114、第二無燃料層115的設置還可提高一體化環(huán)形燃料棒I的表面強度、抗腐蝕性、抗熱震性等性能。[0051 ]第一無燃料層114為由FeCrAl合金形成的包覆在金屬基體111外圈的筒狀結構，第二無燃料層115為由FeCrAl合金形成的設置在金屬基體111的通孔內壁上的筒狀結構。第一無燃料層114、第二無燃料層115的厚度分別為0.01-2mm，既能提升強度，又不會對燃料棒I的原本尺寸造成大的影響。當然，第一無燃料層114、第二無燃料層115也可為由Mo合金或不銹鋼形成。
[0052]硬度較高的第一無燃料層114、第二無燃料層115可以提升燃料棒I的整體強度，緩減燃料棒I在運行時發(fā)生彎曲；同時，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。由于無燃料層的硬度較高，從而可對高安全性燃料棒I外圍進行適當的機械加工，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]由于第一無燃料層114、第二無燃料層115的材料還為高防腐蝕性材料，可有效緩減腐蝕反應，并有效減小氫氣的釋放，提高反應堆安全性。
[0054]如圖6、圖7所示，在其他實施例中，燃料棒I也可只在金屬基體111的外圈設置第一無燃料層114，或只在金屬基體111的通孔內壁上設置第二無燃料層115，能對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，可增強燃料棒I的整體剛度，減小燃料棒I在反應堆內運行時的彎曲幅度。
[0055]可以理解地，上述各技術特征可以任意組合使用而不受限制。
[0056]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種提高反應堆安全性的燃料棒，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)的中部設有軸向貫穿的通孔。2.根據權利要求1所述的提高反應堆安全性的燃料棒，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.根據權利要求2所述的提高反應堆安全性的燃料棒，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.根據權利要求3所述的提高反應堆安全性的燃料棒，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.根據權利要求1所述的提高反應堆安全性的燃料棒，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)外圈的第一無燃料層(114);和/或， 所述燃料棒體(11)還包括設置在所述金屬基體(111)的通孔內壁上的第二無燃料層(115)06.根據權利要求5所述的提高反應堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無燃料層(114)的硬度高于所述金屬基體(111)的硬度;和/或，所述第二無燃料層(115)的硬度高于所述金屬基體(111)的硬度。7.根據權利要求5所述的提高反應堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無燃料層(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)外圈的筒狀結構，所述第二無燃料層(I 15)為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的設置在所述金屬基體(111)的通孔內壁上的筒狀結構。8.根據權利要求5所述的提高反應堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一無燃料層(114)、第二無燃料層(115)的厚度分別為0.01-2mm。9.根據權利要求1至8任一項所述的提高反應堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述金屬基體(111)材料為鋯合金。10.根據權利要求9所述的提高反應堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述燃料棒(I)還包括設置在所述燃料棒體(11)縱向兩端的兩個端塞(12)，所述端塞(12)與所述燃料棒體(11)固定連接。11.根據權利要求10所述的提高反應堆安全性的燃料棒，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，包括權利要求1至11任一項所述的燃料棒(I)。13.根據權利要求12所述的燃料組件，其特征在于，還包括攪混格架(2)、導向管(4)、以及上管座(5)、下管座(6); 所述燃料棒(I)、導向管(4)夾持固定在所述攪混格架(2)上，所述導向管(4)的兩端伸出所述燃料棒(I)的兩端； 所述上管座(5)包括設置在所述導向管(4)上端的上匹配板，所述下管座(6)包括設置在所述導向管(4)下端的下匹配板； 所述上匹配板上設有用來固定所述導向管(4)的上孔道和供冷卻劑流通的冷卻流道； 所述下匹配板上設有用來固定所述導向管(4)的下孔道和供冷卻水流通的流水孔。14.根據權利要求13所述的燃料組件，其特征在于，所述下匹配板的下側設有用于防止異物進入所述下孔道和/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】G21C3/04GK205428498SQ201521086944
【公開日】2016年8月3日
【申請日】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
【申請人】中廣核研究院有限公司, 中國廣核集團有限公司, 中國廣核電力股份有限公司