CN111081390A - 一种增强慢化能力的双包壳燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，包括：上端塞、气腔弹簧A、内包壳、气腔弹簧B、外包壳、若干个芯块A、若干个芯块B和下端塞；内包壳内部下端堆叠若干个芯块A，芯块A上部设置内包壳裂变气体气腔；内包壳裂变气体气腔一端通过气腔弹簧A与芯块A阻隔，内包壳裂变气体气腔的另一端也设置有气腔弹簧A；内包壳的外壁套有外包壳；内包壳外壁与外包壳内壁之间由下至上堆叠放置若干个芯块B；芯块B上部设置气腔弹簧B；上端塞与内包壳和外包壳的顶部定位连接；下端塞与内包壳和外包壳的底部焊接连接；芯块A和芯块B的材料按裂变材料‑慢化材料或慢化材料‑裂变材料形式组合。

Description

一种增强慢化能力的双包壳燃料元件
技术领域
本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种增强慢化能力的双包壳燃料元件。
背景技术
为了提高换热效率，很多新型核反应堆设计选择了适用温度更高、传热能力更强的冷却剂，例如超临界二氧化碳，碱金属钠、钾，铅铋等等，冷却剂不具有慢化作用，物理上将反应堆设计为快中子反应堆。为满足临界和堆芯小型化的设计要求，反应堆铀装量很大，并且铀的富集度要求高(超过40％)。为了减少铀装量，降低燃料富集度需求，提高新型反应堆的经济性，可以在堆芯中加入慢化材料，将反应堆设计为热中子堆或中能中子反应堆。但高温下无法采用传统的水作为慢化剂，而石墨、铍和氧化铍、金属氢化物等固体材料具有良好的慢化能力，可以考虑作为慢化剂布置在反应堆中。
为了使堆芯中子均匀慢化，需要使慢化材料与裂变材料对应均匀分布，因此需要设计一种包含慢化材料的燃料元件，在堆芯布置时能够使慢化材料完全对应裂变材料均匀分布，同时不需要单独针对慢化材料增加冗余的堆芯结构，能够有效慢化中子，并且保持小型化堆芯设计，还能够广泛用于需要增强慢化作用的新型核反应堆。
发明内容
本发明目的是针对现有技术不足，设计一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，用于解决现有技术中高温下水无法作为慢化剂，且反应堆堆芯铀装量大燃料富集度高导致堆芯体积大的技术问题。
本发明技术方案：
一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，包括：上端塞1、气腔弹簧A2、内包壳3、气腔弹簧B4、外包壳5、若干个芯块A6、若干个芯块B7和下端塞8；所述内包壳3内部下端由下至上依次堆叠若干个芯块A6，所述芯块A6上部设置内包壳裂变气体气腔；所述内包壳裂变气体气腔一端通过气腔弹簧A2与芯块A6阻隔，所述内包壳裂变气体气腔的另一端也设置有气腔弹簧A2；所述内包壳3的外壁套有外包壳5；内包壳3外壁与外包壳5内壁之间由下至上堆叠放置放置若干个芯块B7；所述芯块B7上部设置有气腔弹簧B4；所述上端塞1与内包壳3和外包壳5的顶部定位连接；所述下端塞8与内包壳3和外包壳5的底部焊接连接。
所述芯块A6整体为实心圆柱体，所述芯块B7整体外中空结构，芯块B7结构可为圆环形或中空六棱柱形；所述芯块B7的内径尺寸与内包壳3的外壁尺寸相匹配。
所述芯块A6和芯块B7的材料按照裂变材料-慢化材料或慢化材料-裂变材料的形式进行组合；
所述裂变材料包括：UO2、UN、UC、UZr、UMo、全陶瓷微封装燃料FCM燃料、UZrH或UYH燃料；
所述慢化材料包括：石墨、铍、氧化铍、氢化锆、氢化钇、氢化铈、氢化钙、氢化钛、氢化钪、氢化钍、氢化钒、氢化铌、氢化钽。
所述上端塞1的下部开有与内包壳3和外包壳5的顶部相配合的凹槽，用于与内外包壳定位连接。
所述上端塞1的上部整体呈台阶状，上端塞1中部径向位置处开有环形凹台，用于抓取使用，同时可用于插入上堆芯板孔中对燃料棒进行定位；
所述上端塞1内部中间开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，空腔用于充入惰性气体后进行堵孔焊。
所述内包壳3的整体结构为圆管结构，所述外包壳5的整体结构包括圆管结构或正六边形管状结构；所述外包壳5的内径尺寸与芯块B7的尺寸相匹配。
所述下端塞8整体结构为实心圆柱形结构，下端塞8下部开有若干个定位孔，用于与下堆芯板定位销插配对燃料棒进行定位。
所述气腔弹簧A2的直径与内包壳3内径相匹配；所述气腔弹簧B4直径大于与内包壳3外径尺寸；
气腔弹簧B4与内包壳3的外壁和外包壳5的内部均留有一定间隙；气腔弹簧A2和气腔弹簧B4整体结构相同，所述气腔弹簧A2和气腔弹簧B4分别用于压紧芯块A6和芯块B7，并对芯块进行轴向限位。
本发明的有益效果：
本发明设计的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，采用内外芯块双层包壳的结构形式，将燃料和慢化剂材料以内外双层芯块的方式同时放置在包壳内，形成一体化的燃料元件，从而增强了燃料元件的慢化能力，并提高了慢化的均匀性。
本发明设计的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件通过降低中子能谱，可将堆芯设计为热中子或中能中子反应堆；本发明设计的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件燃料与固体慢化材料均匀布置，中子能够得到均匀慢化，可以明显减小堆芯铀装量和铀富集度；
本发明设计的燃料元件能够紧密排布，不需要额外布置慢化剂，有利于简化堆芯结构，减小堆芯体积。
附图说明
图1为本发明设计的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件结构示意图
图2为本发明燃料元件结构的外包壳实施例一的俯视图；
图3为本发明燃料元件结构的外包壳实施例二的俯视图。
图中：1-上端塞、2-气腔弹簧A、3-内包壳、4-气腔弹簧B、5-外包壳、6-芯块A、7-芯块B、8-下端塞；
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，包括：上端塞1、气腔弹簧A2、内包壳3、气腔弹簧B4、外包壳5、若干个芯块A6、若干个芯块B7和下端塞8；所述内包壳3内部下端由下至上依次堆叠若干个芯块A6，所述芯块A6上部设置内包壳裂变气体气腔；所述内包壳裂变气体气腔一端通过气腔弹簧A2与芯块A6阻隔，所述内包壳裂变气体气腔的另一端也设置有气腔弹簧A2；所述内包壳3的外壁套有外包壳5；内包壳3外壁与外包壳5内壁之间由下至上堆叠放置放置若干个芯块B7；所述芯块B7上部设置有气腔弹簧B4；所述上端塞1与内包壳3和外包壳5的顶部定位连接；所述下端塞8与内包壳3和外包壳5的底部焊接连接。
所述芯块A6整体为实心圆柱体，所述芯块B7整体外中空结构，芯块B7结构可为圆环形或中空六棱柱形；所述芯块B7的内径尺寸与内包壳3的外壁尺寸相匹配。
所述芯块A6和芯块B7的材料按照裂变材料-慢化材料或慢化材料-裂变材料的形式进行组合；
所述裂变材料包括：UO2、UN、UC、UZr、UMo、全陶瓷微封装燃料FCM燃料、UZrH或UYH燃料；
所述慢化材料包括：石墨、铍、氧化铍、氢化锆、氢化钇、氢化铈、氢化钙、氢化钛、氢化钪、氢化钍、氢化钒、氢化铌、氢化钽。
上端塞为燃料元件上封头零件和连接件，所述上端塞1的下部开有与与内包壳3和外包壳5的顶部相配合的凹槽，用于与内外包壳定位连接。
所述上端塞1的上部整体呈台阶状，上端塞1中部径向位置处开有环形凹台，用于抓取使用，同时可用于插入上堆芯板孔中对燃料棒进行定位；
所述上端塞1内部中间开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，上端塞1内部中间圆柱形空腔下部直径大，可以增大气腔体积；空腔上部直径小，以便充入惰性气体后进行堵孔焊。
所述内包壳3的整体结构为圆管结构，所述外包壳5的整体结构包括圆管结构或正六边形管状结构；
所述外包壳5的内径尺寸与芯块B7的尺寸相匹配。
本发明设计的外包壳5若采用圆管状结构作为实施例，便于加工制造，根据堆芯定位系统进行布置。
本发明设计的外包壳5若采用正六边形结构作为实施例可以使燃料元件之间紧密排布，不必考虑间隙问题。
所述下端塞8整体结构为实心圆柱形结构，下端塞8下部开有若干个定位孔，用于与下堆芯板定位销插配对燃料棒进行定位。
所述气腔弹簧A2的直径与内包壳3内径相匹配；所述气腔弹簧B4直径大于与内包壳3外径尺寸；
气腔弹簧B4与内包壳3的外壁和外包壳5的内部均留有一定间隙；气腔弹簧A2和气腔弹簧B4整体结构相同，所述气腔弹簧A2和气腔弹簧B4分别用于压紧芯块A6和芯块B7，并对芯块进行轴向限位。

Claims (8)

1.一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在，包括：上端塞(1)、气腔弹簧A(2)、内包壳(3)、气腔弹簧B(4)、外包壳(5)、若干个芯块A(6)、若干个芯块B(7)和下端塞(8)；所述内包壳(3)内部下端由下至上依次堆叠若干个芯块A(6)，所述芯块A(6)上部设置内包壳裂变气体气腔；所述内包壳裂变气体气腔一端通过气腔弹簧A(2)与芯块A(6)阻隔，所述内包壳裂变气体气腔的另一端也设置有气腔弹簧A(2)；所述内包壳(3)的外壁套有外包壳(5)；内包壳(3)外壁与外包壳(5)内壁之间由下至上堆叠放置放置若干个芯块B(7)；所述芯块B(7)上部设置有气腔弹簧B(4)；所述上端塞(1)与内包壳(3)和外包壳(5)的顶部定位连接；所述下端塞(8)与内包壳(3)和外包壳(5)的底部焊接连接。
2.如权利要求1所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述芯块A(6)整体为实心圆柱体，所述芯块B(7)整体外中空结构，芯块B(7)结构可为圆环形或中空六棱柱形；所述芯块B(7)的内径尺寸与内包壳(3)的外壁尺寸相匹配。
3.如权利要求2所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述芯块A(6)和芯块B(7)的材料按照裂变材料-慢化材料或慢化材料-裂变材料的形式进行组合；
所述裂变材料包括：UO2、UN、UC、UZr、UMo、全陶瓷微封装燃料(FCM燃料)、UZrH或UYH燃料；
所述慢化材料包括：石墨、铍、氧化铍、氢化锆、氢化钇、氢化铈、氢化钙、氢化钛、氢化钪、氢化钍、氢化钒、氢化铌、氢化钽。
4.如权利要求3所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述上端塞(1)的下部开有与内包壳(3)和外包壳(5)的顶部相配合的凹槽，用于与内外包壳定位连接。
5.如权利要求4所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述上端塞(1)的上部整体呈台阶状，上端塞(1)中部径向位置处开有环形凹台，用于抓取使用，同时可用于插入上堆芯板孔中对燃料棒进行定位；
所述上端塞(1)内部中间开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，空腔用于充入惰性气体后进行堵孔焊。
6.如权利要求5所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述内包壳(3)的整体结构为圆管结构，所述外包壳(5)的整体结构包括圆管结构或正六边形管状结构；所述外包壳(5)的内径尺寸与芯块B(7)的尺寸相匹配。
7.如权利要求6所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述下端塞(8)整体结构为实心圆柱形结构，下端塞(8)下部开有若干个定位孔，用于与下堆芯板定位销插配对燃料棒进行定位。
8.如权利要求7所述的一种增强慢化能力的双包壳燃料元件，其特征在于：所述气腔弹簧A(2)的直径与内包壳(3)内径相匹配；所述气腔弹簧B(4)直径大于与内包壳(3)外径尺寸；
气腔弹簧B(4)与内包壳(3)的外壁和外包壳(5)的内部均留有一定间隙；气腔弹簧A(2)和气腔弹簧B(4)整体结构相同，所述气腔弹簧A(2)和气腔弹簧B(4)分别用于压紧芯块A(6)和芯块B(7)，并对芯块进行轴向限位。
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