CN106448749B - 燃料芯块及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料芯块及其制备方法。燃料芯块包括第一可裂变部和填充在第一可裂变部内侧的第二可裂变部；第二可裂变部的原料包括可裂变材料及添加剂，从而所述第二可裂变部形成高热导区域。在不明显影响核燃料寿期的情况下，本发明通过添加剂使得第二可裂变部形成高热导区域，在发热功率相同的情况下可降低芯块中心温度；添加剂的存在可适当降低芯块内区的可裂变材料装量，进而降低裂变密度，最终可降低芯块中心温度，提高反应堆热工裕量。第二可裂变部在第一可裂变部内的设置，使得燃料芯块整体为实心结构，强度较于中空结构的燃料芯块高，防止芯块在承受高应力后发生碎裂；不存在具有较小MDNBR的内部通道，更容易防止DNB的发生。

Description

燃料芯块及其制备方法
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，尤其涉及一种燃料芯块及其制备方法。
背景技术
目前，核电厂中使用的燃料芯块包括有中空结构的芯块，结构上包括内外设置的内包壳管和外包壳管，内包壳管和外包壳管均为中空筒状。然而，现有的该种中空的燃料芯块带来以下问题：
1、因燃料芯块中心存在中空区，会导致堆芯铀装量显著降低，从而使堆芯反应性降低，缩短循环长度，最终导致反应堆经济性下降。
2、中空的燃料芯块，强度较低，当承受较高应力时容易发生芯块碎裂，影响反应堆安全性。
3、因内部流量有限，其内部包壳的MDNBR(最小偏离泡核沸腾比)往往较小，容易发生DNB(偏离泡核沸腾)，影响堆芯热工裕量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种提高反应堆安全性和经济性的核反应堆燃料组件的燃料芯块。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料芯块，包括第一可裂变部和填充在所述第一可裂变部内侧的第二可裂变部；所述第二可裂变部的原料包括可裂变材料及添加剂，从而所述第二可裂变部形成高热导区域。
优选地，所述添加剂在所述第二可裂变部中所占的体积百分比为5-25％。
优选地，所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种。
优选地，所述第二可裂变部的可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。
优选地，所述第一可裂变部的原料为可裂变材料，其为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。
优选地，所述第二可裂变部的可裂变材料密度小于所述第一可裂变部的可裂变材料密度。
优选地，所述燃料芯块为柱体；其中，所述第一可裂变部为筒状结构，所述第二可裂变部为填充在所述筒状结构内部的柱状体。
优选地，所述第二可裂变部的直径最大值不超过所述燃料芯块直径的4/5；
所述第二可裂变部的直径最小值不小于所述燃料芯块直径的1/5。
本发明还提供一种燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料与添加剂作为原料进行混料后，压制成第二可裂变部；所述添加剂在所述第二可裂变部中所占的体积百分比为5-25％；
S2、采用可裂变材料作为原料压制成粒状粉末；
S3、将所述粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在所述第二可裂变部的外侧，以形成第一可裂变部；
S4、高温烧结，所述第一可裂变部紧密结合在所述第二可裂变部外形成致密的燃料芯块。
优选地，步骤S1包括以下步骤：
S1.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S1.2、将所述片体制成粒状粉末，再与造孔剂滚混后压制成第二可裂变部；
所述步骤S2中，将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末。
优选地，所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种；
所述可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀，或为MOX燃料。
本发明还提供另一种燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料作为原料压制成内部中空的第一可裂变部；
S2、采用可裂变材料与添加剂作为原料制得混合粒状粉末；
S3、将所述混合粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在所述第一可裂变部的内部，以形成第二可裂变部；所述添加剂在所述第二可裂变部中所占的体积百分比为5-25％；
S4、高温烧结，所述第一可裂变部紧密结合在所述第二可裂变部外形成致密的燃料芯块。
优选地，所述步骤S1包括以下步骤：
S1.1、将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末；
S1.2、将所述粒状粉末与造孔剂滚混后压制成中空的第一可裂变部；
所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S2.2、通过制粒机将所述片体制成混合粒状粉末。
优选地，所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种；
所述可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。
本发明还提供一种燃料棒，包括以上任一项所述的燃料芯块，或者包括以上任一项所述的制备方法制得的燃料芯块。
本发明的有益效果：通过添加剂的设置使得燃料芯块内部的第二可裂变部形成高热导区域，在发热功率相同的情况下可降低芯块中心温度；同时芯块内区添加剂的存在可适当降低芯块内区的可裂变材料装量，从而进一步降低芯块中心温度，提高反应堆热工裕量；同时，添加剂的存在不会明显影响反应堆循环长度，提高反应堆的安全性和经济性。
此外，第二可裂变部在第一可裂变部内的设置，使得燃料芯块整体为实心结构，强度较于中空结构的燃料芯块高，防止芯块在承受高应力后发生碎裂；不存在具有较小MDNBR的内部通道，更容易防止DNB的发生。
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是本发明一实施例的燃料芯块的结构示意图。
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，本发明一实施例的燃料芯块，用于核反应堆燃料组件。该燃料芯块包括第一可裂变部10和填充在第一可裂变部10内侧的第二可裂变部20。燃料芯块整体为实心结构，内部不存在中空区，因此整体强度较于中空的芯块高，不易发生碎裂；不存在具有较小MDNBR的内部通道，更容易防止DNB的发生。
本实施例中，燃料芯块为柱体；其中，第一可裂变部10为筒状结构，第二可裂变部20为填充在筒状结构内部的柱状体。
优选地，第二可裂变部的直径最大值不超过燃料芯块直径的4/5；第二可裂变部的直径最小值不小于燃料芯块直径的1/5。
第二可裂变部20的原料包括可裂变材料及添加剂，第一可裂变部10的原料包括可裂变材料，从而第二可裂变部20在原料上较于第一可裂变部10增加了添加剂，使得第二可裂变部20的可裂变材料密度小于第一可裂变部10的可裂变材料密度，第二可裂变部20形成高热导区域，适当降低了芯块内区的可裂变材料装量，从而减小芯块内区的裂变密度(裂变密度定义为一个中子引发单位体积的裂变材料的裂变次数)；高热导区域的形成还可以降低芯块中心温度，提高反应堆热工裕量的同时，添加剂的存在不会明显影响反应堆循环长度。
其中，添加剂在第二可裂变部20中所占的体积百分比为5-25％，使得第二可裂变部20仍以可裂变材料为主，不会对燃料组件的可裂变材料装量产生较大影响。添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种。
第一可裂变部10和第二可裂变部20的可裂变材料均可为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。第一可裂变部10和第二可裂变部20选用的可裂变材料可以相同或不同。
作为选择，可裂变材料包括含铀裂变材料，进一步可为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀(如UO2)。
参考图1，本发明一实施例的燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料与添加剂作为原料进行混料后，压制成第二可裂变部20。
其中，添加剂在第二可裂变部20中所占的体积百分比为5-25％。添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种。
可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。作为选择，可裂变材料包括含铀裂变材料，进一步可为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀(如UO2粉末)。
步骤S1进一步可包括以下步骤：
S1.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S1.2、将片体制成粒状粉末，再与造孔剂滚混后压制成第二可裂变部20。
S2、采用可裂变材料作为原料压制成粒状粉末。
可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。作为选择，可裂变材料包括含铀裂变材料，进一步可为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀(如UO2粉末)。
该步骤S2中，将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末。
S3、将粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在第二可裂变部20的外侧，以形成第一可裂变部10。
如对于柱状的第二可裂变部20，将粒状粉末与造孔剂滚混后将其沿第二可裂变部20的外周均匀压制在第二可裂变部20上，形成环状的第一可裂变部10。
S4、高温烧结，第一可裂变部10紧密结合在第二可裂变部20外形成致密的燃料芯块。通过控制烧结的温度和时间，使燃料芯块达到规定的密度。
参考图1，本发明另一实施例的燃料芯块的制备方法，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料作为原料压制成内部中空的第一可裂变部10。
可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。作为选择，可裂变材料包括含铀裂变材料，进一步可为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀(如UO2粉末)。
步骤S1进一步可包括以下步骤：
S1.1、将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末；
S1.2、将粒状粉末与造孔剂滚混后压制成中空的第一可裂变部10。
S2、采用可裂变材料与添加剂作为原料制得混合粒状粉末。可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料；添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种。作为选择，可裂变材料包括含铀裂变材料，进一步可为氧化物、碳化物或氮化物形式的富集铀(如UO2粉末)。
步骤S2进一步可包括以下步骤：
S2.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S2.2、通过制粒机将所述片体制成混合粒状粉末。
S3、将混合粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在第一可裂变部10的内部，以形成第二可裂变部20；添加剂在第二可裂变部20中所占的体积百分比为5-25％。
对于筒状的第一可裂变部10，将将混合粒状粉末与造孔剂滚混后压制在第一可裂变部10的中空区域内，形成柱状的第二可裂变部20。
S4、高温烧结，第一可裂变部10紧密结合在第二可裂变部20外形成致密的燃料芯块。通过控制烧结的温度和时间，使燃料芯块达到规定的密度。本发明一实施例的燃料棒，包括上述的燃料芯块。
以下以一优选实施例对本发明的燃料芯块作进一步说明。
通过本发明的制备方法制备燃料芯块，燃料芯块的第二可裂变部20的添加剂为占体积百分比10％的SiC颗粒。将该制得的燃料芯块作为实施例与未加添加剂的燃料芯块作为比较例进行比较，经计算，在首期初，本发明的燃料芯块与未加添加剂的燃料芯块的内外区裂变密度(每立方厘米几何体内每一个中子发生裂变的次数)如下表1所示。
表1.燃料芯块的内外区裂变密度
实施例 比较例
内区裂变密度 2.457 E-05 2.600 E-05
外区裂变密度 2.784 E-05 2.745 E-05
从表1中数据可以看出，本发明的燃料芯块的内区裂变密度小于比较例的内区裂变密度，该种具有较低密度的特性可以降低芯块内区的发热功率，从而进一步减小芯块中心温度，提高反应堆热工裕量。
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 (11)

1.一种燃料芯块，其特征在于，包括第一可裂变部和填充在所述第一可裂变部内侧的第二可裂变部；所述第二可裂变部的原料包括可裂变材料及添加剂，从而所述第二可裂变部形成高热导区域；所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的燃料芯块，其特征在于，所述添加剂在所述第二可裂变部中所占的体积百分比为5-25％。
3.根据权利要求1所述的燃料芯块，其特征在于，所述第二可裂变部的可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料；
所述第一可裂变部的原料为可裂变材料，其为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。
4.根据权利要求3所述的燃料芯块，其特征在于，所述第二可裂变部的可裂变材料密度小于所述第一可裂变部的可裂变材料密度。
5.根据权利要求1-4任一项所述的燃料芯块，其特征在于，所述燃料芯块为柱体；其中，所述第一可裂变部为筒状结构，所述第二可裂变部为填充在所述筒状结构内部的柱状体。
6.根据权利要求5所述的燃料芯块，其特征在于，所述第二可裂变部的直径最大值不超过所述燃料芯块直径的4/5；
所述第二可裂变部的直径最小值不小于所述燃料芯块直径的1/5。
7.一种燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料与添加剂作为原料进行混料后，压制成第二可裂变部；
S2、采用可裂变材料作为原料压制成粒状粉末；
S3、将所述粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在所述第二可裂变部的外侧，以形成第一可裂变部；
S4、高温烧结，所述第一可裂变部紧密结合在所述第二可裂变部外形成致密的燃料芯块。
8.根据权利要求7所述的燃料芯块的制备方法，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：
S1.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S1.2、将所述片体制成粒状粉末，再与造孔剂滚混后压制成第二可裂变部；
所述步骤S2中，将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末；
所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种；
所述可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的裂变材料，或为MOX燃料。
9.一种燃料芯块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用可裂变材料作为原料压制成内部中空的第一可裂变部；
S2、采用可裂变材料与添加剂作为原料制得混合粒状粉末；
S3、将所述混合粒状粉末与造孔剂滚混后将其压制在所述第一可裂变部的内部，以形成第二可裂变部；
S4、高温烧结，所述第一可裂变部紧密结合在所述第二可裂变部外形成致密的燃料芯块。
10.根据权利要求9所述的燃料芯块的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S1.1、将可裂变材料粉末通过轧辊压机压制成片体，再通过制粒机将该片体制成粒状粉末；
S1.2、将所述粒状粉末与造孔剂滚混后压制成中空的第一可裂变部；
所述步骤S2包括以下步骤：
S2.1、先将可裂变材料粉末与添加剂进行宏观混料，再在锤磨机中进行共磨或微混料，然后使用轧辊压机压制成片体；
S2.2、通过制粒机将所述片体制成混合粒状粉末；
所述添加剂包括SiC颗粒、BeO、纳米金刚石、碳纳米管中的一种或多种；
所述可裂变材料为氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂变材料，或为MOX燃料。
11.一种燃料棒，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的燃料芯块，或者包括权利要求7或9所述的制备方法制得的燃料芯块。
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