CN105469838B - 燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒，包括含有核燃料成分的一体化燃料棒体；燃料棒体的中部设有轴向贯穿的通孔。本发明的燃料棒的通孔可显著增加传热面积，在反应堆功率一定的情况下减小燃料棒单位面积内的热通量，降低发生偏离泡核沸腾的概率；同时可大幅度减小燃料棒中心区温度，从而显著增加燃料棒在反应堆正常工况及事故工况下的安全裕量。

Description

燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒
技术领域
本发明涉及核电技术领域，更具体地说，涉及一种燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒。
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。
常规的压水堆燃料棒通常为锆合金包壳管装载圆柱形芯块，冷却剂沿着包壳外部流动，并带走燃料棒产生的热量，由于芯块具有相对较低的热导率，以致通过核裂变产生的热量未被迅速地传递给冷却剂，导致芯块温度明显高于冷却剂温度，冷却剂温度通常处于290℃～340℃范围内，而芯块温度会处于1000℃～1500℃的高温，芯块温度过高，导致安全裕量减小，例如，在冷却剂丧失事故(LOCA)中，当发生事故前燃料具有较高温度时，发生熔化的概率会显著增加。此外，当燃料棒具有较高的热通量时，可能会发生偏离泡核沸腾(DNB)，严重的损坏从燃料棒至冷却剂的热交换，并最终导致燃料棒烧毁。
进一步的，在日本福岛核事故中，燃料熔化引起的放射性物质释放以及锆水反应引发的氢爆引起了全世界对于核能安全的强烈关注。
如图8所示，核电相关技术中的一种一体化燃料棒，包括金属基体111、上端塞、下端塞和弥散于基体中的覆层燃料颗粒112，上端塞、下端塞设置于基体的两端。金属基体111为锆合金基体，覆层燃料颗粒112弥散于锆合金基体中，覆层燃料颗粒112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。然而，该种燃料棒至少存在以下技术缺陷：
1.在一定反应堆运行功率下，燃料棒中心温度会显著高于外围温度，从而对燃料棒的线功率密度产生限制，从而影响反应堆的经济性；
2.燃料棒的运行时的最高温度较高，从而造成核燃料在正常运行时储能较高，在出现如大破口失水事故情况下，包壳峰值温度会显著提高，缩短在严重事故下核燃料熔化的时间，安全性较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种改进的燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种提高反应堆安全性的燃料棒，包括含有核燃料成分的一体化燃料棒体；所述燃料棒体的中部设有轴向贯穿的通孔。
优选的，所述燃料棒体包括柱状金属基体、以及弥散于所述金属基体中的燃料颗粒，所述通孔在所述金属基体的中部轴向贯穿形成。
优选的，所述燃料颗粒包括位于中心的核燃料核心以及由内向外依次包覆在核燃料核心外围的热解碳缓冲层、第一热解碳层、碳化硅及第二热解碳层。
优选地，所述核燃料核心包括氧化铀、碳化铀、氮化铀、硅化铀中的一种。
优选的，所述燃料棒体还包括包覆在所述金属基体外圈的第一无燃料层；和/或，
所述燃料棒体还包括设置在所述金属基体的通孔内壁上的第二无燃料层。
优选的，所述第一无燃料层的硬度高于所述金属基体的硬度；和/或，所述第二无燃料层的硬度高于所述金属基体的硬度。
优选的，所述第一无燃料层为由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，所述第二无燃料层为由FeCrAl合金或Mo合金或不锈钢形成的设置在所述金属基体的通孔内壁上的筒状结构。
优选的，所述第一无燃料层、第二无燃料层的厚度分别为0.01-2mm。
优选的，所述金属基体材料为锆合金。
优选的，所述燃料棒还包括设置在所述燃料棒体纵向两端的两个端塞，所述端塞与所述燃料棒体固定连接。
优选的，所述端塞为环形，且所述端塞的中心孔与所述金属基体的通孔连通。
本发明还构造一种燃料组件，包括上述任一项所述的燃料棒。
优选的，该燃料组件还包括搅混格架、导向管、以及上管座、下管座；
所述燃料棒、导向管夹持固定在所述搅混格架上，所述导向管的两端伸出所述燃料棒的两端；
所述上管座包括设置在所述导向管上端的上匹配板，所述下管座包括设置在所述导向管下端的下匹配板；
所述上匹配板上设有用来固定所述导向管的上孔道和供冷却剂流通的冷却流道；
所述下匹配板上设有用来固定所述导向管的下孔道和供冷却水流通的流水孔。
优选的，所述下匹配板的下侧设有用于防止异物进入所述下孔道和/或所述流水孔的防异物装置；
所述搅混格架包括沿所述燃料棒的轴向间隔排布的若干个搅混栅元；
所述燃料组件还包括沿所述燃料棒的轴向间隔排布的若干定位格架。
实施本发明的燃料组件及其提高反应堆安全性的燃料棒，具有以下有益效果：本发明的燃料棒的通孔可显著增加传热面积，在反应堆功率一定的情况下减小燃料棒单位面积内的热通量，降低发生偏离泡核沸腾的概率；同时可大幅度减小燃料棒中心区温度，从而显著增加燃料棒在反应堆正常工况及事故工况下的安全裕量。
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燃料组件的结构示意图；
图2是本发明实施例中的燃料棒的剖面结构示意图；
图3是本发明燃料棒的第一实施例中的燃料棒体的剖面示意图；
图4是图3中的燃料颗粒的剖面示意图；
图5是本发明燃料棒的第二实施例中的燃料棒体的剖面示意图；
图6是本发明燃料棒的其他实施例中的燃料棒体的剖面示意图；
图7是本发明燃料棒的其他实施例中的燃料棒体的剖面示意图；
图8是背景技术中的燃料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所示，本发明一个优选实施例中的燃料组件包括燃料棒1、搅混格架2、定位格架3、导向管4、以及上管座5、下管座6。搅混格架2包括沿燃料棒1的轴向间隔排布的若干个搅混栅元，定位格架3的数量通常也为多个，沿燃料棒1的轴向间隔排布。燃料棒1、导向管4夹持固定在搅混格架2和定位格架3上，导向管4的两端伸出燃料棒1的两端，分别和上管座5、下管座6配合。
上管座5包括设置在导向管4上端的上匹配板，下管座6包括设置在导向管4下端的下匹配板和用于对燃料组件进行支撑的支撑腿。上匹配板上设有用来固定导向管4的上孔道和供冷却剂流通的冷却流道；下匹配板上设有用来固定导向管4的下孔道和供冷却水流通的流水孔。冷却水从下端的流水孔向上流动，对燃料棒1进行冷却。
下匹配板的下侧设有用于防止异物进入下孔道、流水孔的防异物装置7，避免造成堵塞或对燃料棒1造成影响。燃料组件上的燃料棒1的数量不做限定。
如图2、图3所示，在燃料棒1的第一实施例中，燃料棒1包括含有核燃料成分的一体化燃料棒体11，燃料棒体11的中部设有轴向贯穿的通孔。燃料棒体11包括柱状金属基体111和弥散于金属基体111中的燃料颗粒112，进一步地，通孔在金属基体111的中部轴向贯穿形成。在其他实施例中，燃料颗粒112也可为燃料芯块等结构形式。
优选地，金属基体111为断面呈环形的管状，带有通孔的金属基体111在中心形成可供冷却剂通过的冷却通道113，可以在反应堆正常运行工况下，一体化环形燃料棒1的内外表面均有冷却剂通过，即通过一体化环形燃料棒1的内部冷却通道113，显著降低燃料棒1中心温度。在其他实施例中，金属基体111的断面的形状也可为方形或其他形状。在保持反应堆安全性能的前提下，可提升堆芯功率密度，从而提高核电厂的经济性；同时较低的燃料温度使燃料在正常运行工况下储能较低，在出现如大破口失水事故情况下，包壳峰值温度会大幅降低，在严重事故下会推迟燃料熔化的时间，安全性能更好。
在一些实施例中，金属基体111材料为锆合金，形成管状结构，燃料颗粒112均匀弥散于金属基体111中。如图4所示，燃料颗粒112通常包括位于中心的核燃料核心1121以及由内向外依次包覆在二氧化铀1121外的热解碳缓冲层1122、第一热解碳层(IPyC)1123、碳化硅(SiC)1124及第二热解碳层(OPyC)1125，燃料颗粒中心的核燃料核心1121可以为二氧化铀(UO2)、也可为其他的氧化铀，或为碳化铀、氮化铀、硅化铀。在其他实施例中，金属基体111中也可采用其他的方式填充燃料。
再如图2所示，进一步地，燃料棒1还包括设置在燃料棒体11纵向两端的两个环形端塞12，端塞12与燃料棒体11固定连接，且端塞12的中心孔与金属基体111的冷却通道113连通，让冷却剂能从中心上下流通。端塞12将燃料棒体11的端面包覆，端塞12可以方便燃料棒1后期的组装、维修等操作，另外，端塞12也可换成其他部件供组装等操作使用。端塞12可采用焊接的方式与燃料棒体11的两端连接，焊接端塞12后即形成了一个完整的燃料棒1。在其他实施例中，端塞12也可为实体结构，保证焊接到燃料棒体11上后能让金属基体111的冷却通道保持与外界导通即可。
如图5所示，在燃料棒1的第二实施例中，燃料棒体11还包括包覆在金属基体111外圈的第一无燃料层114，以及设置在金属基体111的通孔内壁上的第二无燃料层115。且第一无燃料层114的硬度高于金属基体111的硬度；第二无燃料层115的硬度高于金属基体111的硬度。通过设置第一无燃料层114、第二无燃料层115，在反应堆发生严重事故的情况下，可有效防止发生锆水反应，减小氢气产生量，提高反应堆的安全性。
同时，考虑到在金属基体111的加工过程中，要保持燃料颗粒112的完整性，必然不能使用锻造等大压力加工方式，势必会造成金属基体111松软，从而造成整个一体化燃料棒1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1的弯曲，从而影响反应堆运行安全性。通过在一体化环形燃料棒1内外表面设置硬质材料无燃料层，可增强燃料棒1的整体刚度，减小燃料棒1在反应堆内运行时的弯曲幅度。最后，第一无燃料层114、第二无燃料层115的设置还可提高一体化环形燃料棒1的表面强度、抗腐蚀性、抗热震性等性能。
第一无燃料层114为由FeCrAl合金形成的包覆在金属基体111外圈的筒状结构，第二无燃料层115为由FeCrAl合金形成的设置在金属基体111的通孔内壁上的筒状结构。第一无燃料层114、第二无燃料层115的厚度分别为0.01-2mm，既能提升强度，又不会对燃料棒1的原本尺寸造成大的影响。当然，第一无燃料层114、第二无燃料层115也可为由Mo合金或不锈钢形成。
硬度较高的第一无燃料层114、第二无燃料层115可以提升燃料棒1的整体强度，缓减燃料棒1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112，减小燃料颗粒112破碎的可能性。由于无燃料层的硬度较高，从而可对高安全性燃料棒1外围进行适当的机械加工，在保证不破碎燃料颗粒112的情况，精确控制燃料棒1尺寸。
由于第一无燃料层114、第二无燃料层115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。
如图6、图7所示，在其他实施例中，燃料棒1也可只在金属基体111的外圈设置第一无燃料层114，或只在金属基体111的通孔内壁上设置第二无燃料层115，能对外圈或通孔起到防腐蚀的作用，由于其硬度高于金属基体111，可增强燃料棒1的整体刚度，减小燃料棒1在反应堆内运行时的弯曲幅度。
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)

1.一种提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，包括含有核燃料成分的一体化燃料棒体（11）；所述燃料棒体（11）的中部设有轴向贯穿的通孔；
所述燃料棒体（11）包括柱状金属基体（111）、以及弥散于所述金属基体（111）中的燃料颗粒（112），所述通孔在所述金属基体（111）的中部轴向贯穿形成；
所述燃料棒体（11）还包括包覆在所述金属基体（111）外圈的第一无燃料层（114），所述第一无燃料层（114）与所述金属基体（111）为一体化结构，所述第一无燃料层（114）的硬度高于所述金属基体（111）的硬度；和/或，
所述燃料棒体（11）还包括设置在所述金属基体（111）的通孔内壁上的第二无燃料层（115），所述第二无燃料层（115）与所述金属基体（111）为一体化结构，所述第二无燃料层（115）的硬度高于所述金属基体（111）的硬度；
所述燃料颗粒（112）包括位于中心的核燃料核心（1121）以及由内向外依次包覆在核燃料核心（1121）外围的热解碳缓冲层（1122）、第一热解碳层（1123）、碳化硅（1124）及第二热解碳层（1125）。
2.根据权利要求1所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述核燃料核心（1121）包括氧化铀、碳化铀、氮化铀、硅化铀中的一种。
3.根据权利要求1所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一无燃料层（114）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（111）外圈的筒状结构，所述第二无燃料层（115）为由FeCrAl合金或Mo合金或不锈钢形成的设置在所述金属基体（111）的通孔内壁上的筒状结构。
4.根据权利要求1所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述第一无燃料层（114）、第二无燃料层（115）的厚度分别为0.01-2mm。
5.根据权利要求1至4任一项所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述金属基体（111）材料为锆合金。
6.根据权利要求5所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述燃料棒（1）还包括设置在所述燃料棒体（11）纵向两端的两个端塞（12），所述端塞（12）与所述燃料棒体（11）固定连接。
7.根据权利要求6所述的提高反应堆安全性的燃料棒，其特征在于，所述端塞（12）为环形，且所述端塞（12）的中心孔与所述金属基体（111）的通孔连通。
8.一种燃料组件，其特征在于，包括权利要求1至7任一项所述的燃料棒（1）。
9.根据权利要求8所述的燃料组件，其特征在于，还包括搅混格架（2）、导向管（4）、以及上管座（5）、下管座（6）；
所述燃料棒（1）、导向管（4）夹持固定在所述搅混格架（2）上，所述导向管（4）的两端伸出所述燃料棒（1）的两端；
所述上管座（5）包括设置在所述导向管（4）上端的上匹配板，所述下管座（6）包括设置在所述导向管（4）下端的下匹配板；
所述上匹配板上设有用来固定所述导向管（4）的上孔道和供冷却剂流通的冷却流道；
所述下匹配板上设有用来固定所述导向管（4）的下孔道和供冷却水流通的流水孔。
10.根据权利要求9所述的燃料组件，其特征在于，所述下匹配板的下侧设有用于防止异物进入所述下孔道和/或所述流水孔的防异物装置（7）；
所述搅混格架（2）包括沿所述燃料棒（1）的轴向间隔排布的若干个搅混栅元；
所述燃料组件还包括沿所述燃料棒（1）的轴向间隔排布的若干定位格架（3）。
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