CN103943154B - 反应堆燃料元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反应堆燃料元件，包括上端塞、芯块、包壳和下端塞，芯块设置于包壳中，上端塞和下端塞分别设置于包壳两端，还包括排气管和上端开放的缓冲杯，缓冲杯设置于包壳内且位于上端塞和芯块之间，缓冲杯与包壳之间存在间隙，缓冲杯与上端塞的底部不接触，排气管贯穿上端塞，排气管的下端位于缓冲杯中。本发明的优点在于，克服现有燃料元件由大量裂变气体导致的内压增大的问题，并可防止冷却剂回流。

Description

反应堆燃料元件

技术领域

本发明涉及核工业领域，具体涉及一种反应堆燃料元件。

背景技术

反应堆燃料元件的功能是利用核能产生热能并将其传递给反应堆冷却剂。在通过裂变产生热量的过程中，芯体中产生多种有放射性的和稳定的裂变产物。其中，气体裂变产物有Xe¹³³、Xe¹³⁵、Xe¹⁴⁰、Kr⁸⁵、Kr⁸⁹等。这些惰性气体在芯体材料中不完全溶解，这意味着，只要动力学可能，这些惰性气体将从芯体中释放出来，使燃料元件的内压增大，造成燃料元件肿胀。这种情况下，要么提高燃料元件包壳的机械强度，要么增大气腔体积，要么把裂变气体释放掉，如此才能保证包壳的完整性。

在芯体温度超过1800℃时，产生的裂变气体几乎全部释放；在1400℃和1800℃时，直接释放率为50%；而温度低于1400℃释放率为30%。随燃耗增加，气体释放率也会增加。气体释放率的增加势必导致燃料元件的内压增大，增加包壳所受的机械应力，降低其力学稳定性，同时进一步导致芯体与包壳的相互作用，增加燃料元件的破损概率，降低燃料元件内介质的热性能。裂变气体对燃料元件产生的这些物理效应，极大地影响了燃料元件的运行特性。

已有的典型的燃料元件结构上采用细长的密闭式结构。它主要是由一根无缝的不锈钢包壳管和圆柱形燃料芯体构成。燃料芯体位于棒内的中央段，它是由许多短的芯块堆砌而成。在包壳的两端是上下端塞，构成了封闭式的燃料元件，燃料元件中设置有较长的裂变气体贮存气腔，用于容纳在辐照期间产生的气态裂变产物，避免燃料元件内的气体压力超过允许值。气腔的容积取决于燃耗和温度，其长度与芯块高度和燃耗有关，一般气腔体积与燃料芯块的体积相当。由于快堆燃耗深，芯块裂变产生的气体大部分被释放，气腔内的压力较高（大于5MPa）。美国早期设计的FFTF和CRBRP气腔设置在芯块上方，而法国的PHENIX和SUPER-PHENIX设计的是堆芯上方有个小气腔，下方有个大气腔，英国的PFR和CCFR设计是在堆芯下方。

增长气腔虽有利于降低燃料元件的内压，但是气腔过长会增加结构材料用量。另外燃料元件高度变大，堆芯体积随之变大^[2]，会带来热工方面、结构方面和设备方面等诸多不利影响。

具有高燃耗、长寿期等特点的燃料元件才能适应未来核反应堆的要求。高燃耗对燃料元件产生许多效应，如燃料元件肿胀大、裂变气体释放量大等，可能引起芯块与包壳发生较为严重的相互作用（化学作用和机械作用）。大量裂变气体释放带来的内压和温度上升，对燃料元件寿命和安全性提出了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有燃料元件由大量裂变气体导致的内压增大的问题，提供一种可以排出裂变气体的反应堆燃料元件。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

反应堆燃料元件，包括上端塞、芯块、包壳和下端塞，芯块设置于包壳中，上端塞和下端塞分别设置于包壳两端，还包括排气管和上端开放的缓冲杯，缓冲杯设置于包壳内且位于上端塞和芯块之间，缓冲杯与包壳之间存在间隙，缓冲杯与上端塞的底部不接触，排气管贯穿上端塞，排气管的下端位于缓冲杯中。

一味增大气腔体积，并无法从根本上解决由裂变气体带来的燃料元件内压增大的问题。为此，发明人提供了一种能够将裂变气体及时导出的燃料元件。通过排气管，从燃料元件的上部将产生的裂变气体导出燃料组件外部，从而避免了裂变气体汇集导致的燃料元件内压增大的问题。

需要说明的是，导出的裂变气体需要进入冷却剂回路中，从而对放射线物质进行处理，由此带来了一个新的问题，冷却剂可能通过排气管回流入燃料元件内，影响燃料元件的正常工作。为了解决冷却剂回流的问题，发明人增设了缓冲杯。裂变气体通过缓冲杯与包壳之间的间隙进入缓冲杯，然后通过缓冲杯中的排气管下端进入排气管，完成裂变气体的排出。当冷却剂通过排气管回流时，冷却剂会汇集于缓冲杯中，此时，不断产生的裂变气体无法排出，在燃料元件内产生压力，从而将缓冲杯中的冷却剂通过排气管压出燃料元件，避免了冷却剂与芯块接触的问题。

进一步的，所述排气管呈蛇形。蛇形的排气管一方面具备一定的防冷却剂回流的能力，另一方面，增大了排气管的长度，可以延长裂变产物的排放时间，从而减少某些半衰期很短的裂变产物（如Br⁸⁷）进入冷却剂的量。蛇形的排气管保证了只可能有极少量的半衰期很短的裂变产物可能会进入冷却剂，它们将很快衰变，产生的后续产物将被反应堆覆盖气体循环净化系统和冷却剂循环净化系统收集净化，使堆容器内的放射性水平处于安全水平。

进一步的，还包括陶瓷垫块，陶瓷垫块设置于所述芯块与所述缓冲杯之间，陶瓷垫块内设置有碳吸附体。芯块在工作时除了产生裂变气体外，还会产生固体裂变颗粒。陶瓷垫块中的碳吸附体一方面允许裂变气体通过，另一方面可有效过滤固体裂变颗粒，从而防止固体裂变颗粒随裂变气体进入排气管导致排气管堵塞。另外，陶瓷垫块还可以阻止固体裂变颗粒进入冷却剂回路，降低了冷却剂循环净化系统的负担。

进一步的，所述陶瓷垫块的顶部设置有多个圆形凹槽，可进一步增加透气性。

进一步的，所述排气管的上端通过可熔材料密封。在燃料元件的制造、存储、运输和安装过程中，密封的排气管可以避免空气进入燃料元件内部与燃料元件内部物质发生反应，同时还可以防止燃料元件内部物质的泄漏和逸出。可熔材料是指熔点较低，物理化学特性均表现为惰性的，在燃料元件开始工作后即可融化的金属，比如铅。

进一步的，所述燃料元件内部充满惰性气体。惰性气体起防冷却剂逆流的作用。当燃料元件第一次开始工作时，产生的裂变气体量不足以维持燃料元件的内部气压，此时，冷却剂会通过排气管回流入燃料元件中，在燃料元件的内部气压小于外部压力时，冷却剂会从缓冲杯中溢出。惰性气体的作用是在燃料元件开始工作时维持燃料元件的内部气压，使燃料元件的内部压力大于外部压力，防止冷却剂回流。

进一步的，所述包壳的上端为内台阶孔，所述上端塞嵌入内台阶孔中。

进一步的，所述芯块与所述包壳之间填充有液态金属填充层。液态金属填充层可以改善芯块与包壳之间间隙处的导热性能，使芯块可以设置成大直径芯块，优化芯块的物理性能。导热良好的填充物可允许芯块与包壳之间的间隙进一步增大，以提供芯块高辐照肿胀所需的空间，强化燃料元件的稳定性和安全性。

综上所述，本发明的优点和有益效果在于：

1．通过排气管可以及时导出裂变气体，防止燃料元件的内压增大；

2．缓冲杯可以解决冷却剂回流影响燃料元件正常工作的问题；

3．蛇形的排气管一方面具备一定的防冷却剂回流的能力，另一方面，增大了排气管的长度，可以延长裂变产物的排放时间，从而减少某些半衰期很短的裂变产物进入主冷却剂的量；

4．陶瓷垫块和内置的碳吸附体可以过滤固体裂变产物，防止排气管堵塞，还可以阻止固体裂变颗粒进入冷却剂回路；

5．密封的排气管可以避免制造、存储、运输和安装过程中空气进入燃料元件内部与燃料元件内部物质发生反应，同时还可以防止燃料元件内部物质的泄漏和逸出；

6．惰性气体的可以燃料元件开始工作时维持燃料元件的内部气压，使燃料元件的内部压力大于外部压力，防止冷却剂回流；

7．液态金属填充层可以改善芯块与包壳之间间隙处的导热性能，使芯块可以设置成大直径芯块，优化芯块的物理性能，导热良好的填充物可允许芯块与包壳之间的间隙进一步增大，以提供芯块高辐照肿胀所需的空间，强化燃料元件的稳定性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施例，下面将对描述本发明实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为本发明的轴向结构示意图；

图2为本发明的上部结构示意图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-上端塞，2-陶瓷垫块，3-芯块，4-包壳，5-下端塞，6-焊缝，7-排气管，8-台阶孔，9-缓冲杯，10-间隙，11-圆形凹槽，12-排气孔，13-碳吸附体。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本发明保护的范围内。

实施例1：

如图1和图2所示，反应堆燃料元件，包括上端塞1、芯块3、包壳4和下端塞5，多个芯块3层叠设置于包壳4中，上端塞1和下端塞5分别焊接固定于包壳4两端。包壳4的上端由上端塞1密封，包壳4的下端由下端塞5密封。

还包括排气管7和上端开放的缓冲杯9，缓冲杯9设置于包壳4内且位于上端塞1和芯块3之间，缓冲杯9与包壳4之间存在间隙10，缓冲杯9与上端塞1的底部不接触，排气管7贯穿上端塞1，排气管7与上端塞1之间密封，排气管7的下端位于缓冲杯9中。排气管7的下端位于缓冲杯9底部但不与缓冲杯9的底面接触。

由芯块3产生的裂变气体通过间隙10，然后由缓冲杯9的顶部开口进入缓冲杯9中，最后通过排气管7的下端进入排气管7被排出。

当冷却剂回流时，冷却剂通过排气管7进入缓冲杯9中，当冷却剂的液位高于排气管7的下端时，裂变气体无法排出。裂变气体在燃料元件内汇集并产生压力，当压力足够时即可将缓冲杯9中的冷却剂通过排气管7压出。

实施例2：

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，排气管7优选为蛇形。蛇形的排气管7增大了排气管7的长度，能够进一步抑制冷却剂回流，同时，增加了裂变气体的排放时间。半衰期很短的裂变产物（如Br⁸⁷）可以在排气管7中充分衰变，从而防止其进入冷却剂。

实施例3：

如图2所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，增设陶瓷垫块2，陶瓷垫块2设置于所述芯块3与所述缓冲杯9之间，陶瓷垫块2内设置碳吸附体13。芯块3在工作时除了产生裂变气体外，还会产生固体裂变颗粒。陶瓷垫块2以及内置的碳吸附体13可有效过滤固体裂变颗粒，从而防止固体裂变颗粒随裂变气体进入排气管7导致排气管7堵塞。另外，陶瓷垫块2还可以阻止固体裂变颗粒进入冷却剂回路。

实施例4：

如图2所示，本实施例在实施例3的基础上，所述陶瓷垫块2的顶部设置有多个圆形凹槽11，从而进一步增加陶瓷垫块2的透气性。

实施例5：

如图2所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上进行了优化。排气管7的上端为排气孔12，排气孔12通过铅密封。由于排气管7是与燃料元件外部空间连通的，在燃料元件的制造、存储、运输和安装过程中，外部的空气会通过排气管7进入燃料元件内部，并与燃料元件的内部物质发生可能有害的化学反应。同时，燃料元件的内部物质也有通过排气管7泄露和逸出的可能。密封排气管7可以有效解决上述问题。铅的熔点较低，为622K。当燃料元件安装完成，反应堆启动，堆内温度上升至622K后，铅即可熔化，排气管7与冷却剂回路连通。

需要说明的是，其它熔点较低，物理化学特性均表现为惰性的金属也能用于本实施例，

实施例6：

本实施例在实施例5的基础上，燃料元件内部充满氦气。如果没有充氦气，当堆内温度达到622K时，铅熔化，此时，并没有明显的裂变气体产生，燃料元件的内部气压不足，势必导致冷却剂回流，冷却剂量大时还会从缓冲杯9中溢出。燃料元件内部的氦气即是在燃料元件第一次开始工作时，维持燃料元件内部气压，使燃料元件的内部压力大于外部压力，防止冷却剂回流。

需要说明的是，其它惰性气体也能用于本实施例。

实施例7：

如图2所示，本实施例在上述任意一种实施例的基础上，包壳4的上端设置为内台阶孔8，所述上端塞1嵌入内台阶孔8中，并与内台阶孔8焊接成一体，以提供更好的密封性能。

实施例8：

本实施例在上述任意一种实施例的基础上，所述芯块3与所述包壳4之间填充有液态钠。钠可以改善芯块3与包壳4之间间隙处的导热性能，使芯块3可以设置成大直径芯块，优化芯块3的物理性能。导热良好的填充物钠，可促使芯块3与包壳4之间的间隙增大，以提供芯块3高辐照肿胀所需的空间，强化燃料元件的稳定性和安全性。

需要说明的是，上述实施例仅为实现本发明的示例性描述，并采用引用在前实施例的方式进行说明，其中省略了对重复的技术特征的描述。

实施例9：

反应堆燃料元件，包括上端塞1、芯块3、包壳4和下端塞5，芯块3设置于包壳4中，芯块3与包壳4之间的环形间隙中填充有钠，包壳4的上端为内台阶孔8，所述上端塞1嵌入内台阶孔8中并与包壳4焊接成一体，下端塞5与包壳4的下端焊接成一体，实现包壳4的密封。还包括蛇形的排气管7和上端开放的缓冲杯9，缓冲杯9设置于包壳4内且位于上端塞1和芯块3之间，缓冲杯9与包壳4之间存在间隙10，缓冲杯9与上端塞1的底部不接触，排气管7贯穿上端塞1，排气管7的下端位于缓冲杯9中，排气管7的上端与上端塞1焊接连接，焊接处为焊缝6。在芯块3与缓冲杯9之间设置陶瓷垫块2，陶瓷垫块2内设置有碳吸附体13，陶瓷垫块2的顶部设置有圆形凹槽11。排气管7的上端为排气孔12，排气孔12通过铅密封。燃料元件的内部充满氦气。

如上所述，便可较好的实现本发明。

本领域技术人员能够意识到的是，可进一步有选择的应用上文多个示例性实施例描述的许多变化和构造来形成本发明的其它可能的实施例。考虑到本领域技术人员的能力，本文未详细提供或描述所有可能重复的内容，但以其它方式所包含的所有组合和可能实施例为本申请的一部分。

Claims (7)

1.反应堆燃料元件，包括上端塞（1）、芯块（3）、包壳（4）和下端塞（5），芯块（3）设置于包壳（4）中，上端塞（1）和下端塞（5）分别设置于包壳（4）两端，其特征在于：还包括排气管（7）和上端开放的缓冲杯（9），缓冲杯（9）设置于包壳（4）内且位于上端塞（1）和芯块（3）之间，缓冲杯（9）与包壳（4）之间存在间隙（10），缓冲杯（9）与上端塞（1）的底部不接触，排气管（7）贯穿上端塞（1），排气管（7）的下端位于缓冲杯（9）中；所述排气管（7）呈蛇形。

2.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件，其特征在于：还包括陶瓷垫块（2），陶瓷垫块（2）设置于所述芯块（3）与所述缓冲杯（9）之间，陶瓷垫块（2）内设置有碳吸附体（13）。

3.根据权利要求2所述的反应堆燃料元件，其特征在于：所述陶瓷垫块（2）的顶部设置有多个圆形凹槽（11）。

4.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件，其特征在于：所述排气管（7）的上端通过可熔材料密封。

5.根据权利要求4所述的反应堆燃料元件，其特征在于：所述燃料元件内部充满惰性气体。

6.根据权利要求1所述的反应堆燃料元件，其特征在于：所述包壳（4）的上端为内台阶孔（8），所述上端塞（1）嵌入内台阶孔（8）中。

7.根据权利要求1~6中任意一项所述的反应堆燃料元件，其特征在于：所述芯块（3）与所述包壳（4）之间填充有液态金属填充层。