CN105225702B - 高安全性燃料棒及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高安全性燃料棒，包括棒体，棒体包括棒状金属基体和弥散于金属基体中的燃料颗粒，还包括包覆在金属基体外圈的无燃料层，且无燃料层的硬度高于金属基体的硬度。棒体可通过以下步骤制成：A、将燃料颗粒与金属基体粉末混合，制成基体生坯；B、在基体生坯外围涂覆一定厚度硬质粉末，与基体生坯共同形成棒体生坯；C、对棒体生坯进行烧结，形成棒体。本发明的燃料棒通过在外围设置的硬度较高的无燃料区，提升了燃料棒的强度，便于加工控制尺寸，缓解了腐蚀反应，减小氢气的释放，提高了安全性。
Description
技术领域
本发明涉及核电技术领域，更具体地说，涉及一种高安全性燃料棒及其制造方法。
背景技术
核反应堆包括一个由燃料组件组成的堆芯，而每组燃料组件本身是由多束燃料棒构成的，多束燃料棒束保持轴向竖直排列在燃料组件的骨架之中，以使呈圆柱形的形状的燃料棒的轴线相互平行。
非一体的燃料棒主要由包壳管、上端塞、下端塞以及容置在包壳管内部堆芯的构成，上端塞和下端塞设置于包壳管两端。每根燃料棒的包壳管的轴向长度远大于其横截面的直径。一般说来，燃料棒具有大于4米的长度，而其直径约为10毫米。
如图5所示，核电相关技术中的一种一体化燃料棒，包括基体、上端塞、下端塞和弥散于基体中的覆层燃料颗粒，上端塞、下端塞设置于基体的两端。基体为锆合金基体，覆层燃料颗粒弥散于锆合金基体中，覆层燃料颗粒结构类似与本专业领域内技术人员熟知的用于高温气冷堆中的TRISO燃料颗粒。该一体化燃料棒无包壳，可直接制造成4米左右的长度，并用于压水堆燃料组件中。
以上一体化燃料棒存在以下技术缺陷：
1、对于上述结构方案，如果在反应堆运行状态或其他非运行状态(如制造、运输等)时，如果燃料棒所受外力较大，外力则很容易通过锆合金基体传递到覆层燃料颗粒，如果该外力达到一定限值，即会造成燃料颗粒的破碎，从而影响反应堆的安全运行；
2、上述结构方案的基体材料为锆合金，在反应堆发生严重事故的情况下，锆合金基体会在高温下与水发生锆水反应，并释放大量氢气，严重影响反应堆的安全性；
3、在上述结构方案的加工过程中，考虑到保持燃料颗粒的完成性，必然不能使用锻造等大压力加工方式，势必会造成基体松软，从而造成整个一体化燃料棒的刚度偏小，那么在反应堆内运行时就很容易造成一体化燃料棒的弯曲，从而影响反应堆运行安全性；
4、考虑到上述结构方案外围也分布有燃料颗粒，造成其可加工性较差，不能精确控制一体化燃料棒尺寸。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种高安全性燃料棒及其制造方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种高安全性燃料棒，包括棒体，所述棒体包括棒状金属基体和弥散于所述金属基体中的燃料颗粒；
所述棒体还包括包覆在所述金属基体外圈的无燃料层，且所述无燃料层的硬度高于所述金属基体的硬度。
优选地，所述金属基体为由锆合金形成的柱状结构。
优选地，所述无燃料层为由FeCrAl合金或Mo合金或不锈钢形成的包覆在所述金属基体外圈的筒状结构；所述无燃料层的厚度为0.1-2mm。
优选地，所述燃料棒还包括设置在所述棒体纵向两端的两个端塞，所述端塞与所述棒体固定连接。
优选地，所述无燃料层的外表面形成有强化层。
本发明还构造一种以上所述的含无燃料区的高安全性燃料棒的制造方法，包括以下步骤：
A、将燃料颗粒与形成金属基体粉末混合，制成基体生坯；
B、在所述基体生坯外围涂覆一定厚度硬质粉末，与所述基体生坯共同形成棒体生坯；
C、对所述棒体生坯进行烧结，形成所述棒体。
优选地，所述方法还包括步骤：
D、对烧结后的所述棒体外围的所述无燃料层周圈进行机加工，从而达到所述棒体要求的外形尺寸。
优选地，还包括以下步骤：
E、在所述棒体的无燃料层的外围做强化处理，使所述无燃料层的外表面形成所述强化层。
优选地，所述步骤E中的强化处理包括淬火处理。
优选地，还包括以下步骤：
F、在所述棒体的两端分别焊接端塞。
实施本发明的高安全性燃料棒及其制造方法，具有以下有益效果：本发明的高安全性燃料棒通过在外围设置的硬度较高的无燃料区，有效缓减外部作用力传递到燃料颗粒，减小燃料颗粒破碎的可能性；另外，有效提高整个高安全性燃料棒的刚度，缓减燃料棒在运行时发生弯曲；进一步地，可对高安全性燃料棒外围进行适当的机械加工，在保证不破碎燃料颗粒的情况，精确控制燃料棒尺寸。同时，无燃料区材料为高防腐蚀性材料，有效缓减腐蚀反应，并有效减小氢气的释放，提高反应堆安全性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中的高安全性燃料棒的结构示意图；
图2是图1中的棒体的剖面结构示意图；
图3是其他实施例中的棒体的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例中燃料颗粒的剖面示意图；
图5是背景技术中的棒体的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1及图2所示，本发明一个优选实施例中的高安全性燃料棒包括棒体1和设置在棒体1纵向两端的两个端塞2，端塞2与棒体1固定连接，端盖2将棒体1的端面包覆。端塞2可以方便燃料棒后期的组装、维修等操作。端塞2也可换成其他部件供组装等操作使用。
棒体1包括棒状金属基体11和弥散于金属基体11中的燃料颗粒12。进一步地，棒体1还包括包覆在金属基体11外圈的无燃料层13，且无燃料层13的硬度高于金属基体11的硬度。
在一些实施例中，金属基体11为由锆合金形成的柱状结构，燃料颗粒12均匀弥散于金属基体11中。如图4所示，燃料颗粒12通常包括位于中心的二氧化铀121以及由内向外依次包覆在二氧化铀121外的热解碳缓冲层122、热解碳层123、碳化硅124及热解碳层125。无燃料层13为由FeCrAl合金形成的包覆在金属基体11外圈的筒状结构，无燃料层13的厚度为0.1-2mm，既能提升强度，又不会对燃料棒的原本尺寸造成大的影响。当然，无燃料层13也可为由Mo合金或不锈钢形成。
硬度较高的无燃料层13可以提升燃料棒的整体强度，缓减燃料棒在运行时发生弯曲；同时，还有效缓减外部作用力传递到燃料颗粒12，减小燃料颗粒12破碎的可能性。由于无燃料层13的硬度较高，从而可对高安全性燃料棒外围进行适当的机械加工，在保证不破碎燃料颗粒12的情况，精确控制燃料棒尺寸。
由于无燃料区的材料还为高防腐蚀性材料，可有效缓减腐蚀反应，并有效减小氢气的释放，提高反应堆安全性。
进一步地，如图3所示，在其他实施例中，在无燃料层13的外表面经强化处理形成有强化层131，可进一步提高高安全性燃料棒性能，如表面强度、棒整体硬度、耐腐蚀性、抗热震性等等。
在一些实施例中，本发明中一个优选实施例中的高安全性燃料棒的制造方法包括以下步骤：
A、将燃料颗粒12与金属基体11粉末混合，制成基体生坯。优选地，燃料颗粒12与金属基体11的粉末均匀混合，让燃料棒的性能稳定。
B、在基体生坯外围涂覆一定厚度硬质粉末，与基体生坯共同形成棒体1生坯。
C、对棒体1生坯进行烧结，使粉末之间相互固化连接，形成一体的棒体1结构。
优选地，高安全性燃料棒的制造方法还包括以下步骤：
D、对烧结后的棒体1生坯外围的无燃料层13周圈进行机加工，从而达到棒体1要求的外形尺寸。烧结后的棒体1外形尺寸一般不准确，误差较大，带有无燃料层13的棒体1由于强度较高，则能进行加工，满足尺寸要求，还不会对燃料颗粒12造成破坏。
进一步地，步骤D中通常采用磨削或车削的方式对无燃料层13的外围进行加工，达到精确控制尺寸的效果。
优选地，高安全性燃料棒的制造方法还包括以下步骤：
E、在棒体1的无燃料层13的外围做强化处理，使无燃料层13的外表面形成强化层131。
进一步地，步骤E中的强化处理包括淬火处理，当然，强化处理也可包括其他处理方式，如气相渗碳、通过激光使表面熔融硬化、在表面喷涂高强度的硬质材料等，来提升燃料棒的整体强度和其他性能。
优选地，高安全性燃料棒的制造方法还包括以下步骤：
F、在棒体1的两端分别焊接端塞2。
焊接端塞2后即形成了一个完整的燃料棒。
可以理解地，上述各技术特征可以任意组合使用而不受限制。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种高安全性燃料棒，其特征在于，包括棒体（1），所述棒体（1）包括棒状金属基体（11）和弥散于所述金属基体（11）中的燃料颗粒（12）；
所述棒体（1）还包括包覆在所述金属基体（11）外圈的无燃料层（13），且所述无燃料层（13）的硬度高于所述金属基体（11）的硬度，所述金属基体（11）和所述无燃料层（13）形成一体的棒体（1）结构。
2.根据权利要求1所述的高安全性燃料棒，其特征在于，所述金属基体（11）为由锆合金形成的柱状结构。
3.根据权利要求1所述的含高安全性燃料棒，其特征在于，所述无燃料层（13）为由FeCrAl合金或Mo合金或不锈钢形成的包覆在所述金属基体（11）外圈的筒状结构；所述无燃料层（13）的厚度为0.1-2mm。
4.根据权利要求1所述的高安全性燃料棒，其特征在于，所述燃料棒还包括设置在所述棒体（1）纵向两端的两个端塞（2），所述端塞（2）与所述棒体（1）固定连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的高安全性燃料棒，其特征在于，所述无燃料层（13）的外表面还形成有强化层（131）。
6.一种权利要求1至5任一项所述的高安全性燃料棒的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将燃料颗粒（12）与金属基体（11）粉末进行混合，制成基体生坯；
B、在所述基体生坯外围涂覆一定厚度硬质粉末，与所述基体生坯共同形成棒体（1）生坯；
C、对所述棒体（1）生坯进行烧结，形成所述棒体（1），所述硬质粉末在所述基体生坯的外围形成所述无燃料层（13）。
7.根据权利要求6所述的高安全性燃料棒的制造方法，其特征在于，所述方法还包括步骤D、对烧结后的所述棒体（1）外围的无燃料层（13）周圈进行机加工，从而达到所述棒体（1）要求的外形尺寸。
8.根据权利要求6所述的高安全性燃料棒的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
E、在所述棒体（1）的无燃料层（13）的外围做强化处理，使所述无燃料层（13）的外表面形成强化层（131）。
9.根据权利要求8所述的高安全性燃料棒的制造方法，其特征在于，
所述步骤E中的强化处理包括淬火处理；或，气相渗碳；或，在表面喷涂高强度硬质材料；或，通过激光使表面熔融硬化。
10.根据权利要求6至9任一项所述的高安全性燃料棒的制造方法，其特征在于，还包括以下步骤：
F、在所述棒体（1）的两端分别焊接端塞（2）。
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