CN105723465B - 一种燃料元件包壳、燃料元件及燃料组件 - Google Patents

一种燃料元件包壳、燃料元件及燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及核能领域并可用于含液态重金属冷却剂(ТЖМТ)反应堆的燃料元件(твэлов)和燃料组件(TBC)的制造，还可用于制造在研究真正燃料元件性能的辐照装置中使用的燃料元件模拟装置。含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件包壳为一种整轧的管状元件，所述管状元件具有螺旋环绕的翅片，所述翅片设置在所述元件的外表面上，所述元件由按照标准ГОСТ5639的铁素体晶粒度不小于7级的铁素体－马氏体铬硅钢制成，每个翅片都具有22‑40°(优选30‑40°)的张角，所述翅片截面的形状的横截面为顶边的角为内圆角及底边上角为外圆角的梯形。还公开了一种包含该包壳的燃料元件和燃料组件。本发明的技术成果为通过确保包壳在像铅或铅铋共晶合金这样的液态重金属冷却剂介质中的长期耐久性提高了燃料元件和组件的性能。

Description

一种燃料元件包壳、燃料元件及燃料组件
技术领域
本发明涉及核能领域并可用于含液态重金属冷却剂(ТЖМТ)的反应堆的燃料元件(твэлов)和燃料组件(TBC)的制造，还可用于制造在研究真正燃料元件性能的辐照装置中使用的燃料元件模拟装置。
背景技术
在现有技术水平中广泛使用的燃料元件包壳是一种金属管状元件，所述金属管状元件由耐液态重金属冷却剂的金属或者合金制成，在所述金属管状元件上螺旋设置至少一个凸出所述管状元件表面的翅片(参见JPH02163694出版物的摘要)。根据本专利的燃料元件自身包含一个包壳，在包壳内装载有氧化铀或钚的颗粒，在包壳的两端安装有塞子。包壳的螺旋翅片与管状元件为一个整体，所述管状元件具有规定的高度及在外表面上环绕管的整个长度的螺旋圈数。所述翅片有助于保持运行过程中燃料元件之间的距离，还能提高散热性。
遗憾的是，在摘要中没有公开燃料元件包壳的制作材料的成分以及翅片的结构，所以无法判断燃料元件本身的性能特点，尤其是其对液态重金属冷却剂耐久性的性能。
在专利RU2267175公开了一种燃料元件的翅片包壳，所述包壳由铝制成且可在标准研究用反应堆中使用。每个这样的包壳都装有四个间隔用的螺旋翅片，每个翅片的截面都为矩形。
在专利中还公开了一种燃料元件，所述燃料元件包括上面提到的由铝制成的并在外表面装有间隔用的螺旋翅片的包壳，所述包壳的端部用塞子密封，在所述包壳内设置有燃料芯核。
在本专利中还公开了一种燃料组件，其包括外壳，在所述外壳内部设置有所述燃料元件及放置所述燃料元件用的间隔格栅。
已知这种技术方案的缺点为燃料元件和组件在液态重金属冷却剂熔体中耐久性较弱，这个缺点首先是与铝的低熔点约等于660℃有关。
除此之外，根据已知专利的翅片矩形截面会导致翅片与包壳结合处的应力集中较高，从而会导致在液态重金属冷却剂介质中耐久性的丧失。
在专利GB1459562中公开的技术方案与所申请的技术方案最为接近。
根据该专利的包壳为一种由不锈钢制成的管状元件，在所述管状元件的外侧设置有至少一个螺旋设置的翅片。该翅片为一根扭成螺旋状的金属丝(或两根金属丝)，所述金属丝螺旋缠绕在管状元件周围。
相应地，在本专利中还公开了一种燃料元件，其包括上述那种包壳以及碳化铀形式的核燃料，还包括由这种燃料元件组合而成的燃料组件。
从该方法的说明书中得出，将翅片制成卷成弹簧的金属丝形式能使扭成螺旋状的金属丝形式的翅片只固定在几个固定点上，而不是以实线的形式固定。这样可以避免在翅片与管状元件结合处的冷却剂的停滞，从而使得冷却剂更有效地沿着所述燃料元件移动。同时，该发明人还指出，所述翅片的结构还要具有可接受的硬度，以使得翅片能实现自己的间隔功能。
遗憾地是，在已知的专利中没有指出如何固定这些翅片，但能通过点焊进行固定。
然而，不锈钢的焊接性有限。当进行电阻点焊时在焊点的金属上会形成能在包壳材料上蔓延的缩孔和热裂纹。利用电阻焊将金属丝固定在包壳上会导致在包壳上形成缺陷。
除此之外，固定在一些点上的卷成弹簧的金属丝会在沿燃料元件垂线的冷却剂流中改变位置并从焊接处的包壳上脱落。
发明内容
本发明的目的为通过确保包壳在像铅或铅铋共晶合金这样的液态重金属冷却剂介质中的长期耐久性来提高燃料元件和组件的性能。
本发明的技术成果为通过确保包壳在像铅或铅铋共晶合金这样的液态重金属冷却剂介质中的长期耐久性提高了燃料元件和组件的性能。本发明的技术成果还包括保证了燃料元件包壳制造的工艺性，减少了堆芯的水力阻力并因液态重金属冷却剂沿着散热片的流动更容易而强化了热交换过程。除此之外，减少应力集中，降低基本散热片出现因制造方法和燃料元件后续运行造成的故障的风险，从而，避免燃料元件出现腐蚀损坏也是本发明的技术成果。
通过下面基本特征能实现上述的技术成果。
含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件包壳为一种整轧的管状元件，所述管状元件具有螺旋卷曲的翅片，所述翅片设置在所述元件的外表面上，所述元件由按照标准ГОСТ5639的铁素体晶粒度不小于7级的铁素体－马氏体铬硅钢制成，所述翅片截面的形状的横截面为具有22-40°张角的梯形，所述翅片截面的形状的横截面为顶边的角为内圆角及底边上角为外圆角(倒圆)的梯形。
在部分的发明实施方案中，所述包壳由含10-12重量％的铬和1.0-1.3重量％硅的钢材制成。
在优选的发明实施方案中，所述包壳应有四个等距设置的螺旋的翅片。
在这种情况下，每个翅片的高度不小于0.75mm，壁的厚度不超过0.6mm，翅片的张角为30-40°。
在其他的发明实施方案中，所述翅片截面的形状的横截面为顶边的角为内圆角的梯形，所述圆角的半径为0.2-0.35mm。
所述翅片截面的形状的横截面为底边的角为外圆角的梯形，所述圆角的半径为0.55-0.9mm。
解决所提出的问题还需要一种含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件，所述燃料元件包括上述包壳，所述包壳的端部用塞子密封并在所述包壳内部放置有核燃料。
解决所提出的问题还需要一种液态重金属冷却反应堆的燃料组件，所述燃料组件包括一个承重架和按照上面所述基本特征制成的燃料元件，在所述称重架上安装至少一个固定格栅，所述燃料元件固定在所述固定格栅中。
同时按照“翅片对翅片”的原则进行所述燃料元件之间的间隔。
同时燃料组件可包含两个固定格栅，分别设置在所述承重架的上面和下面。
同时所述称重架可制成管的形式。
附图说明
通过附图进一步解释所申请发明的本质，其中图1为包壳的外观，图2为包壳的横截面，图3为一个翅片的横截面。
具体实施方式
位置的含义如下：
1.燃料元件的包壳
2.间隔用的螺旋翅片
3.翅片顶边的内圆角
4.翅片底边的外圆角
包壳1(参见图1-图2)为一种整轧的管状元件，所述管状元件具有间隔用的螺旋翅片2，所述翅片设置在包壳1的外表面上。
包壳1由按照标准ГОСТ5639的铁素体晶粒度不小于7级的铁素体－马氏体铬硅钢制成，其中沿翅片的外径为9.8-13.5mm，包壳的厚度为0.38-0.55mm，包壳的内径为7.2-11.2mm，外表面与内表面的粗糙度按标准ГОСТ2789的Ra参数不超过1.2微米。
使用16×12МВСФБР-Ш(ЭП823-Ш)型钢作为最优发明实施例中所述的铁素体－马氏体铬硅钢。这种钢材具有以下成分，重量％：碳：0.14-0.18，硅：1.0-1.3，锰：0.5-0.8，铬：10.0-12.0，镍：0.5-0.8，钒：0.2-0.4，钼：0.6-0.9，钨：0.5-0.8，铌：0.2-0.4，硼≤0.006(通过计算)，铈<0.1，其余为铁。
根据综合的使用性能(很高的抗空穴膨胀性，较低的辐照蠕变速度，在铅铋中的高耐蚀性)ЭП823-Ш钢是含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件最适合的材料。
翅片的数量是可以变化的。
在最合适的发明实施例中包壳包括4个翅片。
每个翅片2(参见图3)都会突出在包壳外面，其截面为一个梯形，所述梯形具有内圆角的顶边且在底边上的角是外圆角(倒圆)。翅片的张角为22-40°，在最合适的发明实施例中的角度为30-40°。
这种翅片设计保证了燃料元件包壳制造的工艺性，能够减小堆芯的水力阻力，并且由于能使液态重金属冷却剂沿着翅片的流动更容易而强化了热交换过程。除此之外，制成具有圆角顶边且在与包壳结合的地方具有倒圆的翅片能够减少应力集中，降低在翅片底边出现因制造方法和燃料元件后续运行造成的故障的风险，从而，避免燃料元件出现腐蚀损坏。
包壳的最合适的参数如下：
-包壳的壁厚不超过0.6mm，优选0.4mm；
-翅片的高度为0.55mm-0.85mm，优选0.75mm；
-张角为22-40°，优选30°；
-顶边圆角3的半径为0.2mm-0.35mm，优选0.2mm，且
-底边倒圆角4的半径为0.55mm-0.9mm，优选0.7mm。
每个翅片2与其他翅片之间的距离相等并扭成螺旋状，翅片之间的间距为450mm-1000mm，优选750mm。优选地，包壳1设置有顺时针缠绕的翅片。
具体实施例
通过冷轧ЭП823-Ш钢坯管制成用于制造燃料元件包壳的具有4个螺旋翅片的管。
沿翅片的包壳直径为13.5mm，包壳的壁厚为0.4mm，包壳的内径为11.2mm。翅片的高度为0.75mm，翅片高度的一半处宽度为0.75mm，翅片高度与壁厚度的比为1.85。翅片的横截面为具有内圆顶角的梯形，所述内圆的半径为0.2mm，所述梯形倒圆部分的半径为0.7mm。翅片的张角为30°。翅片被缠绕成螺旋状(顺时针缠绕)，翅片之间的间隔为750mm。
在制成的包壳内填满以二氧化铀为基础的核燃料并用上方和下方的尾端(塞子)密封制成燃料元件。
为了制作燃料组件，将装配好的燃料元件安装在承重架上并固定在安装在承重架上的上方、中间和下方的格栅上，所述燃料元件之间按照“翅片对翅片”原则进行间隔。将制成的燃料组件安装到反应堆中。
本发明可以将包壳和翅片制成一个整体，还可以减少在应力集中的区域发生缺陷的概率，从而保证在运行温度条件下同液态重金属冷却剂接触的耐热性和耐腐蚀性的稳定。
本发明能实现燃料元件与位于燃料组件上下支撑(燃料元件)的间隔用的格栅之间的相邻的燃料元件(翅片连翅片)的间隔，以及与反射层和燃料组件支撑元件结构的间隔(这简化了燃料组件的结构)，并确保了在遵循相应的液态重金属冷却剂(铅或铅铋共晶合金)的工艺规程(约75000小时)，燃料元件包壳的温度和吸收剂量的限制条件下在液态重金属冷却剂介质中的长期耐久性。

Claims (11)

1.一种含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件包壳，其特征在于，所述燃料元件包壳为一种整轧的管状元件，所述管状元件具有螺旋环绕的翅片，所述翅片设置在所述元件的外表面上，所述元件由按照标准ГОСТ5639的铁素体晶粒度不小于7级的铁素体－马氏体铬硅钢制成，所述翅片截面的形状的横截面为具有22-40°的张角的梯形，所述翅片截面的形状的横截面为顶边的角为内圆角及底边上角为外圆角的梯形。
2.根据权利要求1所述的包壳，其特征在于，所述包壳由含10-12重量％的铬和1.0-1.3重量％硅的钢材制成。
3.根据权利要求1所述的包壳，其特征在于，所述包壳包含四个等距设置的螺旋卷曲的翅片。
4.根据权利要求3所述的包壳，其特征在于，每个翅片的高度不小于0.75mm，壁的厚度不超过0.6mm，张角为30-40°。
5.根据权利要求1所述的包壳，其特征在于，所述翅片截面的形状为横截面顶边的角为内圆角的梯形，所述内圆角的半径为0.2-0.35mm。
6.根据权利要求1所述的包壳，其特征在于，所述翅片截面的形状为横截面底边的角为外圆角的梯形，所述外圆角的半径为0.55-0.9mm。
7.一种含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料元件，其特征在于，所述燃料元件包括根据权利要求1-6任意一项制成的包壳，所述包壳的端部用塞子密封并在所述包壳内部放置有核燃料。
8.一种含液态重金属冷却剂的反应堆的燃料组件，其特征在于，所述燃料组件包括一个承重架和根据权利要求7制成的燃料元件，在所述承重架上安装至少一个固定格栅，所述燃料元件固定在所述固定格栅中。
9.根据权利要求8所述的燃料组件，其特征在于，按照“翅片对翅片”的原则进行所述燃料元件之间的间隔。
10.根据权利要求8所述的燃料组件，其特征在于，所述燃料组件包含两个固定格栅，分别设置在所述承重架的上面和下面。
11.根据权利要求8所述的燃料组件，其特征在于，所述承重架被制成管的形式。
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