CN110379525B - 一种耐事故的棒状核燃料元件及其制备方法 - Google Patents

一种耐事故的棒状核燃料元件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐事故的棒状核燃料元件的制备方法，涉及核电技术领域，包括以下步骤：包括以下步骤：S1、制备U3Si2基铸锭；S2、采用粉末冶金方法制备有中孔的U3Si2芯体；S3、制备不锈钢管坯；S4、制备端塞坯料；S5、清洁；S6、制备元件棒坯；S7、热轧；本发明取消了现役元件的贮气腔、压紧弹簧、芯块与包壳之间的间隙，U3Si2芯体中心预留的中孔可储存裂变气体并吸收部分辐照肿胀，元件内部是真空状态而不是填充惰性气体,元件包壳采用不锈钢材料,适用于现役轻水反应堆核电站，比现役棒状核燃料元件具有较强的抗LOCA事故能力和较高的安全性。

Description

一种耐事故的棒状核燃料元件及其制备方法
技术领域
本发明涉及核电技术领域，尤其涉及一种耐事故的棒状核燃料元件及其制备方法。
背景技术
轻水反应堆是核电站的主要堆型，采用棒状核燃料元件。现役棒状核燃料元件由短圆柱状的UO2燃料芯块、锆合金包壳、端塞、贮气腔压紧弹簧等构成，燃料芯块与锆合金包壳之间留有一定的间隙，燃料元件充填了惰性气体，如图1所示。
UO2具有高熔点、高化学及辐照稳定等优点而成为了应用最广泛的轻水堆核燃料。然而，UO2的热导率较低，在800℃时仅为约3.5W·m-1·K-1，因此，在反应堆运行时芯块的中心温度很高，在燃料芯块中会储存大量的热量。在事故工况下，在燃料芯块中储存的热量及裂变产物的衰变热会使锆合金包壳的温度迅速升高，继而使锆合金迅速与水蒸气发生氧化放热反应而产生大量热量和氢气，会导致堆芯的熔毁并引发氢气爆炸。因此，提高燃料芯块的热导率，加强其热量导出能力是提升核燃料安全性的重要手段之一。
U3Si2燃料中的铀金属密度达11.3gU/cm3，高于UO2的9.7gU/cm3，热导率也高达15-30W·m-1·K-1，而被认为是最有希望在轻水堆中替代UO2的候选燃料。
因UO2燃料芯块与锆合金包壳二者的热膨胀不匹配，且UO2燃料芯块刚度大，在芯块与包壳接触时，芯块不易变形，造成包壳承受较大应力，在腐蚀性裂变产物如碘的作用下，导致UO2燃料芯块与锆合金包壳的相互作用（PCI）。PCI是轻水反应堆棒状核燃料元件破损的主要原因之一。另，由于燃料芯块与包壳之间留有一定的间隙，这层间隙阻碍了UO2燃料芯块中热量的导出。
2011年日本福岛事故后，对核燃料元件的抗冷却剂丧失事故(LOCA)的能力提出了更高的要求，目前国内外正在开展研究，试图获得一种抗LOCA事故的核燃料元件。
鉴于不锈钢的耐水腐蚀性能及热强性均优于锆合金，本发明采用不锈钢作为燃料元件的包壳材料，将U3Si2芯体（包括U3Si2）与不锈钢包壳通过热挤压形成冶金结合，消除了燃料芯块与包壳之间的间隙。这不仅降低燃料芯体的运行温度和堆芯储能，同时可减缓棒状核燃料元件的PCI问题，尤其是提高了核燃料元件包壳的耐水侧腐蚀性能和热强性，从而提高了棒状核燃料元件的安全性和抗LOCA事故的能力。
发明内容
本发明的目的在于为轻水反应堆提供一种棒状核燃料元件及其制备方法，该燃料元件具有更为优异的耐水侧腐蚀性能和较好的热强性，具有较好的安全性和抗LOCA事故的能力。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种耐事故的棒状核燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备U3Si2基铸锭：选择电弧熔融金属粉末（U或添加其它合金元素）和Si粉的方法制备U3Si2基材料的铸锭；
S2、制备U3Si2芯体（3）：将铸锭作为原料，采用机械破碎方法获得U3Si2基材料的粉末，用压制成型方法，由U3Si2基材料的粉末获得55-70%T.D.的素坯，素坯中心预留中孔，素坯经1100-1500℃烧结，获得U3Si2芯体（3）；
S3、制备不锈钢管坯；用核级纯金属原料配料，通过熔炼、挤压和轧制，制备成不锈钢管坯；
S4、清洁：将U3Si2芯体（3）、不锈钢管坯分别进行表面清洗，使接触面保持清洁；
S5、制备元件管坯：U3Si2芯体（3）装配入不锈钢管坯，放入电子束焊箱内抽真空至10-4mmHg，然后对上、下端面进行电子束焊接，使两者接触面之间的间隙保持真空，得到元件管坯；
S6、热轧：将元件管坯在挤压机上进行热轧，轧制形变量不超过5%，得到不锈钢包壳（2）厚度0.3mm—1.0mm、不锈钢包壳（2）外径5.0mm—12mm、长度0.5m—5.0m的棒状核燃料元件；
在上述的耐事故的棒状核燃料元件的制备方法中，所述步骤S6中，热轧的温度温度为700℃-1300℃，轧制形变量不超过5%；
一种耐事故的棒状核燃料元件，包括设置的两个端塞（1），其特征在于：两个所述端塞（1）之间安装有不锈钢包壳（2），所述不锈钢包壳（2）内设有U3Si2芯体（3），且U3Si2芯体（3）位于两个端塞（1）之间，所述U3Si2芯体（3）与不锈钢包壳（2）之间设有冶金结合层（4），所述U3Si2芯体（3）内部开设有中孔（5）；
在上述的耐事故的棒状核燃料元件中，所述冶金结合层（4）的厚度不大于0.2mm。
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明是基于现役棒状核燃料元件的新设计，取消了现役棒状核燃料元件的贮气腔及压紧弹簧，包壳采用不锈钢材料，燃料芯体采用中间带孔的U3Si2基材料（包括U3Si2），提高了燃料元件的铀装载量，通过热挤压在U3Si2芯体与不锈钢包壳之间形成冶金结合，消除了燃料芯块与包壳之间的间隙，元件内部处于真空状态而不是填充惰性气体，芯块中心预留的中孔可储存裂变气体，并吸收部分辐照肿胀。
由于包壳采用不锈钢材料，本发明具有更为优异的耐水侧腐蚀性能和较好的热强性，具有一定的抗LOCA事故的能力。由于燃料芯体与包壳因冶金结合而形成一个整体，本发明不仅降低燃料芯体的运行温度和堆芯储能，同时减缓了棒状核燃料元件的PCI问题，从而提高了棒状核燃料元件的安全性。
附图说明
图1为现役核电站的棒状核燃料元件的结构示意图；
图2为本发明提出的一种耐事故的棒状核燃料元件的结构示意图；
图3为本发明提出的一种耐事故的棒状核燃料元件的截面图；
图4为本发明提出的一种耐事故的棒状核燃料元件的局部剖面图；
图5为本发明提出的一种耐事故的棒状核燃料元件中U3Si2基芯块的制备流程图。
图中：1端塞、2不锈钢包壳、3 U3Si2芯体、4冶金结合层、5中孔。
具体实施方式
以下实施例仅处于说明性目的，而不是想要限制本发明的范围。
实施例
参照图1-4，一种耐事故的棒状核燃料元件，包括设置的两个端塞1，两个所述端塞1之间安装有不锈钢包壳2，所述不锈钢包壳2内设有U3Si2芯体3，且U3Si2芯体3位于两个端塞1之间，所述U3Si2芯体3内部开设有中孔5，所述U3Si2芯体3与不锈钢包壳2之间是冶金结合层4，所述冶金结合层4的厚度不大于0.2mm。
参照图5，一种耐事故的棒状核燃料元件的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备U3Si2基铸锭：用核级富集U235金属粉末和核级纯Si粉为原料混合均匀并压制成块，通过电弧炉熔炼，800℃退火后制备成U3Si2铸锭；
S2、制备U3Si2芯体3：用U3Si2铸锭作为原料，通过粉碎、球磨制成粉末，再通过加入粘结剂压制成素坯后烧结，制成外径8.4mm、高10mm、含内径1mm中孔5的U3Si2芯体3；
S3、制备不锈钢管坯；用核级纯金属原料（Fe、Cr、Al、Mo等）配料，70 wt% Fe、22wt% Cr、 5wt% Al、3wt% Mo，通过熔炼、挤压和轧制，制备成内径8.55mm、外径9.67mm、长4m的不锈钢管坯；
S4、清洁：U3Si2芯体3和不锈钢管坯进行机加工和表面清晰，使接触面保持清洁；
S5、制备元件管坯：将U3Si2芯块装入不锈钢管坯，放入电子束焊箱内抽真空至10- 4mmHg，然后对上、下端面进行电子束焊接，使两者接触面之间间隙保持真空，得到元件管坯；
S6、热轧：将元件管坯在挤压机上进行热轧，加热温度1000℃，轧制形变量控制在1%，得到外径为9.5mm的燃料元件，不锈钢包壳2的厚度0.57mm。
本发明实施例中的特点是：1、在设计方面，取消了现役棒状核燃料元件的贮气腔、压紧弹簧、芯块与包壳之间的间隙；2、在包壳材料方面，包壳采用不锈钢材料；3、在燃料芯块方面，燃料芯体采用中间带孔的U3Si2材料，U3Si2芯体3中心预留的中孔5可储存裂变气体并吸收部分辐照肿胀；4、元件内部是真空状态而不是填充惰性气体。这不仅提高了燃料元件的耐水侧腐蚀性能和热强性，还降低了燃料芯体的运行温度和堆芯储能，同时减缓了现役棒状核燃料元件的PCI问题。
因此，本发明的燃料元件具有优良的导热性能、更为优异的耐水侧腐蚀性能和较好的热强性，该燃料元件与现役的棒状燃料元件相比，在运行时具有更低的燃料中心温度，且减缓PCI问题，能有效提高反应堆的燃料安全性，并且具有一定的抗LOCA事故能力。
尽管本文较多地使用了端塞1、不锈钢包壳2、U3Si2芯体3、冶金结合层4、中孔5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (4)

1.一种耐事故的棒状核燃料元件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、制备U3Si2基铸锭：选择电弧熔融金属粉末和Si粉的方法制备U3Si2基材料的铸锭；
S2、制备U3Si2芯体（3）：将铸锭作为原料，采用机械破碎方法获得U3Si2基材料的粉末，用压制成型方法，由U3Si2基材料的粉末获得55-70%T.D.的素坯，素坯中心预留中孔，素坯经1100-1500℃烧结，获得U3Si2芯体（3）；
S3、制备不锈钢管坯；用核级纯金属原料配料，通过熔炼、挤压和轧制，制备成不锈钢管坯；
S4、清洁：将U3Si2芯体（3）、不锈钢管坯分别进行表面清洗，使接触面保持清洁；
S5、制备元件管坯：U3Si2芯体（3）装配入不锈钢管坯，放入电子束焊箱内抽真空至10- 4mmHg，然后对上、下端面进行电子束焊接，使两者接触面之间的间隙保持真空，得到元件管坯；
S6、热轧：将元件管坯在挤压机上进行热轧，轧制形变量不超过5%，得到不锈钢包壳（2）厚度0.3mm—1.0mm、不锈钢包壳（2）外径5.0mm—12mm、长度0.5m—5.0m的棒状核燃料元件。
2.根据权利要求1所述的一种耐事故的棒状核燃料元件的制备方法，其特征在于：所述步骤S6中，热轧的温度为700℃-1300℃，轧制形变量不超过5%。
3.根据权利要求1所述制备方法得到的一种耐事故的棒状核燃料元件，其特征在于，包括设置的两个端塞（1），两个所述端塞（1）之间安装有不锈钢包壳（2），所述不锈钢包壳（2）内设有U3Si2芯体（3），且U3Si2芯体（3）位于两个端塞（1）之间，所述U3Si2芯体（3）与不锈钢包壳（2）之间设有冶金结合层（4），所述U3Si2芯体（3）内部开设有中孔（5）。
4.根据权利要求3所述的一种耐事故的棒状核燃料元件，其特征在于：所述冶金结合层（4）的厚度不大于0.2mm。
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