CN104575627A - 一种用于燃料元件的气体吸收装置 - Google Patents

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李继威
付亚茹
丁阳
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李怀斌
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Abstract

本发明涉及燃料元件技术领域，具体公开了一种用于燃料元件的气体吸收装置。本发明所述的一种燃料元件气体吸收装置，该装置包括壳体筒状结构的燃料元件包覆材料，以及固定在燃料元件包覆材料中，能够吸收氢和氢的同位素的气体吸收结构，其中，气体吸收结构位于整个燃料元件燃料芯块区域的上部或下部。本发明所述的一种燃料元件的气体吸收装置，可以降低燃料元件内氢和氢的同位素等气体的含量，降低燃料元件包壳氢化和破损的风险，减少氢的同位素的排放和污染，同时不会对燃料元件性能产生不利影响。

Description

一种用于燃料元件的气体吸收装置
技术领域
本发明属于燃料元件技术领域，具体涉及一种用于燃料元件的气体吸收装置。
背景技术
典型的压水堆燃料组件在堆芯中长期处于高温、高压、高硼水、强中子辐照、腐蚀、冲刷和水力振动等恶劣条件下工作，因此燃料组件性能的好坏直接关系到反应堆的安全可靠性、经济性和先进性。压水反应堆普遍采用低浓铀燃料、弹簧格架、无盒的束棒燃料组件。燃料组件由燃料元件、定位格架、组件骨架等部件组成，其中用来产生核裂变并释放热量的部件为燃料元件。典型的燃料元件长度约为3～4米，外径为9～11毫米，由锆合金包覆材料包覆二氧化铀陶瓷型燃料芯块组成，并按设计要求将燃料芯块装到一定高度上，通常在燃料元件下端设计有柱状支撑结构，将燃料芯块支撑在一定高度。燃料元件上端设有压紧结构，压紧结构通常为螺旋形压紧弹簧，以防止燃料芯块在燃料元件内的窜动。
燃料元件不仅产生热量还需将热量传递给反应堆冷却剂，同时包容裂变产物、防止放射性物质进入冷却剂，并防止核燃料与冷却剂接触。燃料元件中裂变材料用来产生热量，包覆材料用来将热量传递给反应堆冷却剂和包容裂变产物。包覆材料一旦发生破裂，冷却剂与核燃料接触，会造成核燃料损坏、裂变产生的放射性废物会进入冷却剂，造成冷却剂污染。被污染后带有放射性的冷却剂在反应堆内运行不仅会造成反应堆内系统的放射性污染与损坏、还会破坏反应堆周围环境，对反应堆周围环境造成放射性污染，因此必须保证包覆材料在反应堆运行过程中高温、高压、强中子辐照、腐蚀、冲刷等恶劣件下的完整性。因为锆合金不仅有较高的高温机械强度和耐高温水腐蚀性能，而且具有较低的中子吸收截面，可以采用较低浓缩度的燃料，增加反应堆的燃耗深度，所以在压水反应堆中被大量应用于包覆材料。但是燃料元件内裂变材料发生裂变会产生气体，在燃料元件生产和制造过程中燃料元件内也可能引入气体，这两个过程产生的气体中的氢及氢的同位素进入包覆材料形成氢化物会造成包覆材料的吸氢致脆，严重情况下会导致包覆材料破损。且氢及氢的放射性同位素可能渗透包覆材料，存在造成氢的放射性同位素的排放的风险。氢的放射性同位素氚半衰期较长，如果滞留在电厂内，会导致放射性水平提高。若排放到环境中，可因吸入、食入或通过皮肤而进入人体，并构成危害。氢的放射性同位素氚通过包覆材料进入冷却剂中造成冷却剂污染，氚一旦进入冷却剂，因为其在物理和化学上均与普通氢几乎相同，很难去除，因此必须采用特殊方法进行处理，造成核电站运行成本、放射性污染的风险增加。
现有的燃料元件内的氢、氚吸纳体结构，该吸纳体结构为管状结构，位于燃料元件内活性区下部作为燃料芯块支撑结构，内、外表面中至少一个面或内外表面均涂覆有催化剂。该结构作为燃料元件支撑结构需承受燃料芯块的所有重量和燃料元件燃料芯块区域上方螺旋形压紧弹簧的压紧力。为保证燃料元件燃料芯块区域处于设计高度，以及避免由于支撑结构损坏对燃料元件包壳产生不利影响，燃料元件支撑结构应具有足够的强度，确保其不发生失稳。通过分析计算、以及大量运行经验表明，现在普遍使用的管状支撑结构能够满足强度的要求，但是当在其表面涂覆催化剂，使其具有吸收氢、氚的能力后，由于大量吸氢，生成结构疏松的氢化物，会导致支撑结构强度下降，因此可能造成支撑结构失稳。且该结构为管状结构，若只在其内表面涂覆催化剂，则由于管状结构内壁空间较小，催化剂涂覆困难，不易加工，且结构用于吸收氢氚的表面积较小。若在该结构外表面涂覆催化剂则可避免前述问题，但是由于该结构外表面与燃料元件包覆材料内表面间隙较小，且未设置有效的隔离装置，因此该结构外表面可能与燃料元件包覆材料内表面接触，则其外表面上涂覆的催化剂可能扩散到燃料元件包覆材料内表面，造成燃料元件包覆材料吸氢破损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料元件的气体吸收装置，该吸收装置可以吸收燃料元件内的氢、以及氢的同位素等气体，将氢气及其同位素保留在气体吸收装置内，从而减少燃料元件内氢和氢的同位素的含量，降低燃料元件包壳的氢化和破损风险，减少氢的同位素的排放和污染，同时该气体吸收装置不应对燃料元件支撑结构、压紧结构、燃料元件包覆材料的强度性能产生不利影响。
本发明的技术方案如下：一种燃料元件气体吸收装置，该装置包括壳体筒状结构的燃料元件包覆材料，以及固定在燃料元件包覆材料中，能够吸收氢和氢的同位素的气体吸收结构，其中，气体吸收结构位于整个燃料元件燃料芯块区域的上部或下部。
该装置还包括支撑结构，气体吸收结构通过支撑结构固定在燃料元件包覆材料壳体内部，位于整个燃料元件燃料芯块区域的上部或下部。
所述的气体吸收结构为平板结构的片状气体吸收结构。
所述的气体吸收结构为两个垂直平板所形成的十字形气体吸收结构。
所述的气体吸收结构为螺旋形气体吸收结构。
所述的气体吸收结构为丝状、网状或絮状结构形式。
所述的气体吸收结构材料为锆合金，或陶瓷，或锆铝合金。
所述的气体吸收结构表面涂覆有吸收氢、氢的同位素的催化剂。
所述的气体吸收结构表面涂覆的吸收氢、氢的同位素的催化剂为Ni或Pd。
本发明的显著效果在于：本发明所述的一种燃料元件的气体吸收装置，可以降低燃料元件内氢和氢的同位素等气体的含量，降低燃料元件包壳氢化和破损的风险，减少氢的同位素的排放和污染，同时不会对燃料元件性能产生不利影响；该气体吸收装置中，气体吸收结构通过支撑结构固定在燃料元件包覆材料壳体内部，避免了由于气体吸收对燃料元件内支撑结构强度产生的不利影响，且支撑结构同时起到隔离作用，避免了气体吸收结构表面涂覆催化剂对燃料元件包覆材料的不利影响；片状结构和十字结构的气体吸收结构，所有表面均易于涂覆催化剂，因此具有较大的气体吸收表面；螺旋形结构的气体吸收结构，加工制造较简单、易于涂覆催化剂，同时能对燃料芯块提供额外支撑，增加支撑结构稳固性；丝状结构或网状结构的气体吸收结构，气体吸收体积与表面积得到很大增加。
附图说明
图1为本发明所述的一种燃料元件的气体吸收装置结构示意图；
图2为图1中不起支撑作用的片状气体吸收结构示意图；
图3为本发明所述的另一种燃料元件的气体吸收装置结构示意图；
图4为图3中不起支撑作用的十字形气体吸收结构示意图；
图5为本发明所述的第三种燃料元件的气体吸收装置结构示意图；
图6为图5中起支撑作用的螺旋形气体吸收结构示意图；
图中：1、燃料元件包覆材料；2、支撑结构；3、片状气体吸收结构；4、十字形气体吸收结构；5、螺旋形气体吸收结构。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1、图2所示，一种燃料元件气体吸收装置，包括圆柱筒体结构的燃料元件包覆材料1和能够吸收氢和氢同位素的片状气体吸收结构3，其中，片状气体吸收结构3为平板型结构，其通过圆柱筒形或螺旋形的支撑结构2固定在燃料元件包覆材料1内部，且片状气体吸收结构3固定在燃料元件燃料芯块区域的上部或下部；片状气体吸收结构3由氢、氢的同位素吸收材料如锆合金、陶瓷或锆铝合金构成，在其表面涂覆有催化剂，如Ni、Pd。
实施例2：
如图3、图4所示，一种燃料元件气体吸收装置，包括圆柱筒体结构的燃料元件包覆材料1和能够吸收氢和氢的同位素的十字形气体吸收结构4，其中，十字形气体吸收结构4为两个垂直平板所形成的十字形平板型结构，其通过圆柱筒形或螺旋形的支撑结构2固定在燃料元件包覆材料1内部，且十字形气体吸收结构4固定在燃料元件燃料芯块区域的上部或下部；十字形气体吸收结构4由氢、氢的同位素吸收材料如锆合金、陶瓷或锆铝合金构成，在其表面涂覆有催化剂，如Ni、Pd。
实施例3：
如图5、图6所示，一种燃料元件气体吸收装置，包括圆柱筒体结构的燃料元件包覆材料1和能够吸收氢和氢的同位素的螺旋形气体吸收结构5，其中，螺旋形气体吸收结构5直接固定在燃料元件包覆材料1内部，且螺旋形气体吸收结构5固定在燃料元件燃料芯块区域的上部或下部；十字形气体吸收结构A4由氢、氚吸收材料如锆合金、陶瓷或锆铝合金构成，在其表面涂覆有催化剂，如Ni、Pd。
实施例4：
一种燃料元件气体吸收装置，包括圆柱筒体结构的燃料元件包覆材料1和能够吸收氢和氢的同位素的气体吸收结构，其中，气体吸收结构为丝状、网状或絮状结构形式，气体吸收结构通过支撑结构支撑固定在燃料元件燃料芯块区域的上部或下部，或者气体吸收结构直接固定在燃料元件燃料芯块区域的上部或下部；气体吸收结构由氢、氢的同位素的吸收材料如锆合金、陶瓷或锆铝合金构成，在其表面涂覆有催化剂，如Ni、Pd。

Claims (9)

1.一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：该装置包括壳体筒状结构的燃料元件包覆材料（1），以及固定在燃料元件包覆材料（1）中，能够吸收氢和氢的同位素的气体吸收结构，其中，气体吸收结构位于整个燃料元件燃料芯块区域的上部或下部。
2.根据权利要求1所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：该装置还包括支撑结构（2），气体吸收结构通过支撑结构（2）固定在燃料元件包覆材料（1）壳体内部，位于整个燃料元件燃料芯块区域的上部或下部。
3.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构为平板结构的片状气体吸收结构（3）。
4.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构为两个垂直平板所形成的十字形气体吸收结构（4）。
5.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构为螺旋形气体吸收结构（5）。
6.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构为丝状、网状或絮状结构形式。
7.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构材料为锆合金，或陶瓷，或锆铝合金。
8.根据权利要求1或2所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构表面涂覆有吸收氢、氢的同位素的催化剂。
9.根据权利要求8所述的一种燃料元件气体吸收装置，其特征在于：所述的气体吸收结构表面涂覆的吸收氢、氢的同位素的催化剂为Ni或Pd。
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