CN109801717A - 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，包括柱状壳体，柱状壳体内在轴向上依次布设有多个燃料芯块，芯块包括芯块底座，芯块底座上方设有柱状燃料主体部，芯块底座下方设有用来与相邻燃料芯块的柱状燃料主体部卡合的卡合部，相邻两个芯块底座与柱状燃料主体部以及柱状壳体之间的空间形成包容燃料芯块区释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体容纳部，芯块底座的外径与柱状壳体的内径相配合。通过设置卡合部，固定相邻芯块，通过与柱状壳体内径相匹配的芯块底座将芯块固定在柱状壳体内，通过气体容纳部，有效包容燃料芯块释放裂变气体和裂变产物，减小PCI效应，防止燃料包壳破裂，有利于延长燃料棒使用寿命。

Description

一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒

技术领域

本发明属于核反应堆技术领域，具体涉及一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒。

背景技术

福岛事故后随着对核电安全要求的提高，小型反应堆因其固有安全、设计简单、具有规模经济性等优势，重新引起人们的关注。由于不同国家的国情不同，对小型堆应用的领域和目标也有所不同。对发展中国家而言，由于其经济实力发展相对较弱、电网容量较小，大型核电建设较适合少数经济发达的大国。而小型堆由于其建设周期短、运行相对简单安全、一次性投入少的特点，适合发展中国家电力需求，成为国际研发的热点。

核反应堆堆芯材料需要在长时间在高温、高应力、高辐照通量和腐蚀环境等极端条件下长期稳定工作，因此安全性一直是核能开发与应用中的核心问题。随着燃耗的逐渐加深，一些潜在的危险将威胁到燃料元件的完整性，从而降低了燃料元件运行寿命。破坏燃料棒完整性的主要因素是芯块-包壳管之间的相互作用(Pellet-Cladding Interaction，PCI)，即在燃料棒的使用过程中，芯块与包壳之间可能发生的机械相互作用和燃料棒内的裂变产物与包壳的化学相互作用的总称。PCI是燃料棒包壳腐蚀开裂的成因之一，甚至可以导致燃料破损。解决这一影响因素的传统方式是将包壳管内壁衬纯锆层，二者通过冶金技术结合，从而达到缓和PCI效应中包壳管内壁产生的应力的目的。

裂变气体释放量增加是高燃耗燃料组件的基本特征之一。裂变气体堆积成气泡引发燃料肿胀，气泡的尺寸大小是影响辐照肿胀的重要因素，也是决定PCI效应的关键因素。因此，要求燃料组件在使用寿命结束之前能够容纳足够的气体。目前主要是对燃料芯块采用蝶形设计来控制PCI效应。本专利所提出的燃料芯块几何结构独特设计的一种液态铅铋冷却小型反应堆用减小PCI效应的燃料棒未见文献报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种具有中子经济性好且能减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒。

为解决该问题，本发明所采用的技术方案是：

一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，包括柱状壳体2，所述柱状壳体2内在轴向上依次布设有多个燃料芯块1，所述芯块1包括芯块底座11，所述芯块底座11上方设有柱状燃料主体部12，所述芯块底座11下方设有用来与相邻燃料芯块1的柱状燃料主体部12卡合的卡合部13，相邻两个芯块底座11与柱状燃料主体部12以及柱状壳体2之间的空间形成包容燃料芯块区1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体容纳部14，所述芯块底座11的外径与柱状壳体2的内径相配合。

进一步地，所述卡合部13为位于芯块底座11下方的环状凸起，所述环状的内周形状与柱状燃料主体部12的外周形状相匹配。

进一步地，所述柱状燃料主体部12为圆柱状，所述卡合部13为圆环。

进一步地，所述芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12半径r1比为r:r1＝1.06～4.75。

进一步地，所述芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12的高度H比为r:H＝0.648～1。

与现有技术相比，本发明所取得的有益效果是：

本发明一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，通过设置在芯块底座下方的用来与相邻燃料芯块的柱状燃料主体部卡合的卡合部，固定住相邻燃料芯块，通过与柱状壳体内径相匹配的芯块底座将燃料芯块固定在柱状壳体内，通过相邻两个芯块底座与柱状燃料主体部以及柱状壳体之间的空间形成包容燃料芯块区释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体容纳部，可以有效包容燃料芯块1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物，减小PCI效应，防止燃料包壳破裂，有利于延长燃料棒使用寿命且对安全有利。

附图说明

图1为本发明燃料芯块的结构示意图。

图2为本发明相邻燃料芯块之间的装配结构示意图。

图3为燃料芯块的俯视图。

图4为燃料棒示意图。

具体实施方式

图1至图4示出了本发明一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒的一种实施例，该燃料棒包括柱状壳体2，所述柱状壳体2内在轴向上依次布设有多个燃料芯块1，所述芯块1包括芯块底座11，所述芯块底座11上方设有柱状燃料主体部12，所述芯块底座11下方设有用来与相邻燃料芯块1的柱状燃料主体部12卡合的卡合部13，相邻两个芯块底座11与柱状燃料主体部12以及柱状壳体2之间的空间形成包容燃料芯块区1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体部14，所述芯块底座11的外径与柱状壳体2的内径相配合。本实施例通过通过设置在芯块底座11下方的用来与相邻燃料芯块1的柱状燃料主体部12卡合的卡合部13，固定住相邻燃料芯块1，通过与柱状壳体2内径相匹配的芯块底座11将燃料芯块1固定在柱状壳体2内，避免了燃料芯块1与柱状壳体2之间可能发生的机械相互作用，通过相邻两个芯块底座11与柱状燃料主体部12以及柱状壳体2之间的空间形成包容燃料芯块区1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体容纳部14，可以有效包容燃料芯块1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物，减小PCI效应，防止燃料包壳破裂，有利于延长燃料棒使用寿命且对安全有利。

本实施例中，卡合部13为位于芯块底座11下方的环状凸起，环状的内周形状与柱状燃料主体部12的外周形状相匹配。将柱状燃料主体部12卡合在环状凸起所形成的凹槽中，对相邻燃料芯块1起到固定作用。本实施例中柱状燃料主体部12为圆柱状，卡合部13为圆环状凸起。

本实施例中，燃料芯块1的各部分采用金属燃料，燃料核心为MA+Pu，基体为Zr，也可采用氧化物燃料，发生裂变产生能量。在柱状壳体2的首尾两端，当布设完燃料芯块1后，将柱状壳体2的两端封闭。柱状壳体2材料为T91钢，质量密度7.8g/cm³，作用为防止裂变气体与裂变产物逸散、避免燃料受液态铅铋冷却剂腐蚀和有效导出热能。

前述已说明，可通过缓和包壳管内壁产生的应力减少PCI效应。根据理想气体状态方程PV＝nRT，P是指理想气体的压强，V为理想气体的体积，n表示气体物质的量，T则表示理想气体的热力学温度，R为理想气体常数。包壳管内壁裂变气体产生的应力可看作理想气体的压强P，其与V成反比，与n成正比。本实施例中，芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12半径r1比为r:r1＝1.06～4.75，芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12的高度H比为r:H＝0.648～1，所预留容纳裂变气体的空间占比为68％～84％，远大于蝶形设计所预留容纳裂变气体的空间。相较蝶形设计，本发明控制PCI效应的效果更优。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，包括柱状壳体2，所述柱状壳体2内在轴向上依次布设有多个燃料芯块1，其特征在于：所述燃料芯块1包括芯块底座11，所述芯块底座11上方设有柱状燃料主体部12，所述芯块底座11下方设有用来与相邻燃料芯块1的卡合的卡合部13，相邻两个芯块底座11与柱状燃料主体部12以及柱状壳体2之间的空间形成包容燃料芯块区1释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物的气体容纳部14，所述芯块底座11的外径与柱状壳体2的内径相配合。

2.根据权利要求1所述的一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，其特征在于：所述卡合部13为位于芯块底座11下方的环状凸起，所述环状的内周形状与柱状燃料主体部12的外周形状相匹配。

3.根据权利要求2所述的一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，其特征在于：所述柱状燃料主体部12为圆柱状，所述卡合部13为圆环。

4.根据权利要求3所述的一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，其特征在于：所述芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12半径r1比为r:r1＝1.06～4.75。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种减小PCI效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒，其特征在于：所述芯块底座11半径r与柱状燃料主体部12的高度H比为r:H＝0.648～1。