CN110867259A - 一种弱pci效应的液态铅铋冷却ads反应堆用燃料棒 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，包括柱状壳体、对称包覆于柱状壳体两端的包壳区、沿轴向设置在柱状壳体内的多个燃料芯块；所述燃料芯块包括燃料棒主体以及柱形空隙，燃料棒主体的外缘与柱状壳体之间预留有间隙；所述柱形空隙与间隙共同形成气体容纳部。本发明通过沿燃料棒主体的中心轴开设贯穿的柱形空隙，实现燃料芯块的易装配效果，可远程机械操作，有利于防止人员受到高放射性辐照；装配完成后，柱形空隙、间隙共同形成气体容纳部可以有效包容燃料芯块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，防止柱状壳体破裂，有利于延长本发明的使用寿命且对安全有利。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆技术领域，具体是一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒。
背景技术
高放核废料不到核反应堆乏燃料总量的3％，却集中了乏燃料99％以上的放射性，对地球上的生命具有很大的危险性。因此，对高放核废料的处理是放射性废料管理的重点，也是世界性的难题。为解决核废料问题，国际上提出了先进闭式燃料循环即分离-嬗变(PT)战略。加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是嬗变核废料、产出能量的理想装置，具有良好资源、环境效益，美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国以及我国都对之开展了中长期路线规划和前期基础研究。由于采用液态铅铋LBE作为冷却剂在中子学、热工、物理化学性质以及低辐照损伤等方面的优点，国际ADS嬗变堆方案设计均选用LBE作为冷却剂。
核反应堆堆芯材料需要长时间在高温、高湿、高应力、高放射性、高辐照通量和强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反应堆的核心目标。对于核反应堆而言，燃料元件是反应堆的核心部件。随着燃耗加深，一些潜在的危险将威胁到燃料元件的完整性，从而降低其运行寿命。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)，即在燃料棒的辐照过程中，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效应可以导致燃料棒包壳腐蚀开裂甚至燃料破损。解决这一影响因素的传统方式是将包壳管内壁衬纯锆(Zr)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。
对于高燃耗燃料组件，其基本特征之一即裂变气体释放量增加。裂变气体堆积成气泡引发燃料肿胀，而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容纳足够的气体。目前燃料芯块主要采用蝶形设计来控制PCI效应。
嬗变核废料的ADS以高放次锕系核素MA(Minor Actinides)作为燃料核心。因此，燃料制造过程中必须考虑防护其放射性。就高放核燃料而言，采用目前的蝶形燃料芯块装配到燃料包壳内过程困难。
在专利CN 201310011086.3中公开了一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法，具体就液态重金属冷却反应堆用开展了燃料组件的结构和固定方法设计，通过采用圆形套管和管脚定位架的方法克服液态重金属冷却剂的浮力。在专利CN201310195644.3中公开了一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，具体针对燃料系统和用于固定燃料组件的配重系统开展了结构设计。在专利CN 201510067562.2中公开了一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，具体针对组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒进行了结构设计。但这些已公开的专利并不以高放射性次锕系核素MA作为燃料核心设计燃料组件，而国际上ADS反应堆的相关燃料组件在结构上没有考虑到高放燃料组件的装配和PCI效应弱化问题。
因此，有必要设计一种易装配高燃耗弱PCI效应的液态铅铋冷却反应堆用燃料棒。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种易装配高燃耗弱PCI效应的液态铅铋冷却反应堆用燃料棒。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，包括内部为中空结构的柱状壳体、对称密封包覆于所述柱状壳体两端的包壳区、沿轴向设置在所述柱状壳体内的多个燃料芯块；
所述燃料芯块包括燃料棒主体以及沿所述燃料棒主体中心轴贯穿开设的柱形空隙，所述燃料棒主体的外缘与所述柱状壳体之间预留有间隙；
所述柱形空隙与间隙共同形成所述燃料芯块释放能量过程中所产生裂变气体和裂变产物的气体容纳部。
进一步的，所述燃料芯块为圆柱状棒体结构，采用Zr材料作为基体、高放射性的MA和Pu混合金属燃料作为核心燃料。
进一步的，所述核心燃料中MA与Pu的配比为1:1，Zr、MA与Pu在ADS反应堆中共同作用发生裂变产生能量。
进一步的，多个所述燃料芯块在所述柱状壳体内呈栅格排列。
进一步的，所述燃料芯块与所述柱状壳体平行设置。
进一步的，所述间隙的外径与柱状壳体的内径相配合。
进一步的，所述间隙沿径向的截面呈圆环状。
进一步的，所述柱形空隙沿径向的截面为正多边形、圆形、椭圆形中的任意一种。
进一步的，所述柱状壳体采用T91钢材料制作而成。
本发明还提供一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆，包括容纳有加压流体的管以及如前面所述的弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒。
与现有技术相比，本发明的有益之处是：
本发明提供的弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，通过沿燃料棒主体的中心轴开设贯穿的柱形空隙，实现燃料芯块的易装配效果，可远程机械操作，有利于防止人员受到高放射性辐照；装配完成后，柱形空隙、燃料棒主体外缘与柱状壳体之间预留的间隙共同形成气体容纳部，可以有效包容燃料芯块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，防止柱状壳体破裂，有利于延长本发明的使用寿命且对安全有利。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
下面结合附图对本发明进一步说明：
图1是本发明所述弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒的结构示意图；
图2是图1的俯视图；
11、燃料棒主体；12、柱形空隙；13、间隙；2、柱状壳体；3、包壳区。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施例一
如附图1-图2所示的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，包括内部为中空结构的柱状壳体2、对称密封包覆于所述柱状壳体2两端的包壳区3、沿轴向设置在所述柱状壳体2内的多个且呈栅格排列的燃料芯块，在本实施例中，所述燃料芯块为圆柱状棒体结构，采用Zr材料作为基体、高放射性的MA和Pu混合金属燃料作为核心燃料。
所述燃料芯块包括燃料棒主体11以及沿所述燃料棒主体11中心轴贯穿开设的柱形空隙12，所述燃料棒主体11的外缘与所述柱状壳体2之间预留有间隙13，所述间隙13沿径向的截面呈圆环状，其外径与柱状壳体2的内径相配合，在本实施例中，所述柱形空隙12为长方体空隙、且沿径向的截面为正方形，该正方形的边长为0.15cm，通过该设计可实现所述燃料芯块易装配效果,通过该长方体空隙实现现代工业技术易制作装配工作，进一步实现远程机械高放燃料芯块的装配操作。
所述柱形空隙12与间隙13共同形成所述燃料芯块释放能量过程中所产生裂变气体和裂变产物的气体容纳部，可以有效包容反应堆内辐照时燃料芯块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，防止柱状壳体2破裂，有利于延长本发明所述燃料棒的使用寿命且对安全有利。
作为优选，所述核心燃料中的MA与Pu的配比为1:1，Zr、MA与Pu在ADS反应堆中共同作用发生裂变产生能量。
作为优选，所述柱状壳体2采用T91钢材料制作而成，T91钢材料的质量密度为7.8g/cm3，可以防止裂变气体与裂变产物逸散，从而避免燃料受液态铅铋冷却剂腐蚀并有效导出热能。
作为优选，每个所述燃料芯块的燃料棒主体11的轴向长度为1cm，外径为0.576cm，其内部的长方体空隙轴向长度与所述燃料棒主体11长度相等，实现高放燃料芯块的易装配效果和反应堆辐照过程中有效包容燃料芯块释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物，减小PCI效应效果。
本发明的具体使用过程是：沿每个燃料棒主体的中心轴开设贯穿的柱形空隙，实现燃料芯块的易装配效果，可远程机械操作；将若干个燃料芯块配置到所述柱状壳体2的腔体内，当装配完燃料芯块后，对柱状壳体2的首尾两端分别通过包壳区3进行密封封口；在燃料芯块释放能量过程中，柱形空隙、燃料棒主体外缘与柱状壳体之间预留的间隙共同形成气体容纳部，可以有效包容燃料芯块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，防止柱状壳体破裂。
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。柱状壳体2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，考虑到现有反应堆的燃耗深度并适度外推至10％，由此燃料棒主体11内长方体空隙在径向的正方形面积可容纳至少10％燃耗深度的裂变气体，与原蝶形设计所预留容纳裂变气体的空间相比较，本发明所预留容纳裂变气体的空间占比为47％，效果更优。
实施例二
如附图1-图2所示的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，包括内部为中空结构的柱状壳体2、对称密封包覆于所述柱状壳体2两端的包壳区3、沿轴向设置在所述柱状壳体2内的多个燃料芯块；
所述燃料芯块包括燃料棒主体11以及沿所述燃料棒主体11中心轴贯穿开设的柱形空隙12，所述燃料棒主体11的外缘与所述柱状壳体2之间预留有间隙13；
所述柱形空隙12与间隙13共同形成所述燃料芯块释放能量过程中所产生裂变气体和裂变产物的气体容纳部。
与实施例一的区别在于，在本实施例中，所述柱形空隙12为圆柱体空隙、且沿径向的截面为圆形或椭圆形；在本发明的另一些实施例中，所述柱形空隙12为棱柱体空隙、且沿径向的截面为正多边形，使用过程与工作原理与实施例一相同。
实施例三
在实施例一或实施例二的基础上，本发明还提供一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆，包括容纳有加压流体的管以及如实施例一或实施例二所述的弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：包括内部为中空结构的柱状壳体(2)、对称密封包覆于所述柱状壳体(2)两端的包壳区(3)、沿轴向设置在所述柱状壳体(2)内的多个燃料芯块；
所述燃料芯块包括燃料棒主体(11)以及沿所述燃料棒主体(11)中心轴贯穿开设的柱形空隙(12)，所述燃料棒主体(11)的外缘与所述柱状壳体(2)之间预留有间隙(13)；
所述柱形空隙(12)与间隙(13)共同形成所述燃料芯块释放能量过程中所产生裂变气体和裂变产物的气体容纳部。
2.根据权利要求1所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述燃料芯块为圆柱状棒体结构，采用Zr材料作为基体、MA和Pu混合金属燃料作为核心燃料。
3.根据权利要求2所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述核心燃料中MA与Pu的配比为1:1，Zr、MA与Pu在ADS反应堆中共同作用发生裂变产生能量。
4.根据权利要求2所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：多个所述燃料芯块在所述柱状壳体(2)内呈栅格排列。
5.根据权利要求4所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述燃料芯块与所述柱状壳体(2)平行设置。
6.根据权利要求5所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述间隙(13)的外径与柱状壳体(2)的内径相配合。
7.根据权利要求6所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述间隙(13)沿径向的截面呈圆环状。
8.根据权利要求1所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述柱形空隙(12)沿径向的截面为正多边形、圆形、椭圆形中的任意一种。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，其特征在于：所述柱状壳体(2)采用T91钢材料制作而成。
10.一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆，其特征在于：包括容纳有加压流体的管以及如权利要求1-9任一项所述的弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒。
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- 2019-12-23 CN CN201911336368.4A patent/CN110867259A/zh active Pending
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