CN111276265B - 一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种采用铀‑氢化钇燃料的棒型燃料元件，包括：包括：上端塞、包壳管、包壳管内涂层、气腔弹簧、垫块、若干块燃料芯块、燃料芯块涂层和下端塞；所述包壳管顶部与上端塞定位固定连接；所述包壳管下端内部由下至上依次堆叠若干块燃料芯块，并形成芯块摞，所述芯块摞的上、下两端均设置有垫块，所述芯块摞上端的垫块上部设置包壳裂变气体气腔；所述包壳裂变气体气腔的上下两端设置有气腔弹簧；所述包壳裂变气体气腔下端的气腔弹簧与芯块摞上端的垫块接触；所述包壳裂变气体气腔上端的气腔弹簧与上端塞接触；所述包壳管底部与下端塞焊接连接；所述燃料芯块材料为铀‑氢化钇U‑YHx。

Description

一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件
技术领域
本发明属于核反应堆燃料元件技术领域，具体涉及一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件。
背景技术
新型反应堆设计要求更高的体积功率密度，因此要求提高运行温度以达到更高的传热效率。高温下，冷却剂无法继续使用具有慢化能力的水或者重水，而采用了适用温度更高、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。此时由于冷却剂无法当做慢化剂，物理上将反应堆设计为快中子反应堆。快中子裂变截面小，导致铀装量很大，并且铀235的富集度要求高。
为了减少堆芯铀装量，降低铀235富集度要求，提高新型反应堆的经济性，可以在反应堆内布置慢化剂对快中子进行慢化，将反应堆设计为热中子或中能中子反应堆。高温下无法采用传统的水或者重水作为慢化剂，石墨、铍和氧化铍、金属氢化物等固体材料具有一定的慢化能力，可以作为慢化剂布置在反应堆中，但单独采用慢化材料的布置，需要增加堆芯结构，增大堆芯体积，且很难保证中子慢化的均匀性。
为了使快中子得到均匀慢化，需要使慢化材料与裂变材料尽可能对应均匀分布。铀-氢化锆燃料元件，将燃料材料与慢化剂均匀混合，具有良好的慢化性能。但铀-氢化锆燃料在高温下释氢率很高，分解温度较低，不宜用于更高温度的反应堆。而氢化钇在高温下的释氢速率低，覆盖了新型反应堆的运行温度范围，可以在高温下保持慢化能力。
因此需要设计一种采用铀-氢化钇燃料的棒状燃料元件，可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，在高温下还能保持良好的慢化性能。
发明内容
本发明目的是针对现有技术不足，设计一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，用于解决现有技术中铀-氢化锆燃料在高温下释氢率高，分解温度较低，不宜用于更高温度的反应堆的技术问题。
本发明技术方案：
一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，包括：上端塞1、包壳管2、包壳管内涂层3、气腔弹簧4、垫块5、若干块燃料芯块6、燃料芯块涂层7和下端塞8；所述包壳管2顶部与上端塞1定位固定连接；所述包壳管2下端内部由下至上依次堆叠若干块燃料芯块6，并形成芯块摞，所述芯块摞的上、下两端均设置有垫块5，所述芯块摞上端的垫块5上部设置包壳裂变气体气腔；所述包壳裂变气体气腔的上下两端设置有气腔弹簧4；所述包壳裂变气体气腔下端的气腔弹簧4与芯块摞上端的垫块5接触；所述包壳裂变气体气腔上端的气腔弹簧4与上端塞1接触；所述包壳管2底部与下端塞8焊接连接；所述燃料芯块6材料为铀-氢化钇U-YHx。
所述包壳管2为中空圆柱体结构，包壳管2内表面采用铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆材质进行涂覆处理，涂层区域不覆盖上、下端塞连接的焊接区域。
所述上端塞1的上部呈台阶结构，上端塞1的中段径向位置处开有环形凹台，用于插入上堆芯板对应孔内进行固定、定位以及抓取使用；上端塞1内部中段开有圆柱形空腔，空腔下部直径大与空腔上部直径，所述圆柱形空腔内充入惰性气体；所述上端塞1用于密封燃料元件上端。
所述下端塞8为燃料元件下封头构件；下端塞8整体结构形式与上端塞1相近，下端塞8下部开有竖槽，竖槽尺寸与下堆芯板对应孔洞尺寸相匹配，用于插配下堆芯板对应孔洞中；下端塞8的下部外表面还开有环形凹台，用于防止燃料棒轴向窜动。
所述垫块5为圆柱形结构，垫块5材质为石墨或氧化铍，均耐高温，用于增强慢化作用同时起一定的反射作用。
所述包壳管2内充氦气；所述燃料芯块6材料铀-氢化钇U-YHx的铀235富集度为0.1％～99％，氢钇比x为0.1～3，铀235的质量分数为1％～99％。
所述燃料芯块6的外表面和包壳管2内表面均涂有隔氢涂层，所述涂层材料包括：钼及钼合金、铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆等，所述垫块5材料包括：石墨、氧化铍；
所述包壳管2、上端塞1和下端塞5的材料包括：镍基合金、不锈钢、锆合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、SiC/SiC复合材料。
所述燃料芯块6与包壳管2内表面之间留有间隙。
本发明的有益效果：
本发明设计的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，燃料芯块为铀-氢化钇(U-YHx)芯块，燃料元件具有均匀慢化能力，包壳内表面及芯块表面均采用涂层，其中芯块涂层可以降低高温释氢率以保持高温下的慢化能力，包壳涂层可以减少释氢，同时可以保护包壳材料不受氢气腐蚀。
同时本发明设计的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件可减少新型核反应堆堆芯铀装量和铀235富集度，裂变材料铀与固体慢化材料氢化钇完全均匀分布，中子能够得到均匀慢化；提高中子慢化的均匀性，保持堆芯小型化，提高新型反应堆经济性和安全性；
本发明设计的燃料元件无需额外布置慢化剂以及相应堆芯结构，有利于简化堆芯，保持堆芯小型化，采用本发明设计的具有慢化能力的铀-氢化钇燃料元件可以慢化快中子，将堆芯设计为热中子或中能中子反应堆。
附图说明
图1为本发明设计的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件结构示意图
图2为本发明一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件的俯视图；
图3为本发明一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件的上端塞剖面图。
图4为本发明一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件的下端塞剖面图
图中：1-上端塞；2-包壳管；3-包壳管内涂层；4-气腔弹簧；5-垫块；
6-燃料芯块；7-燃料芯块涂层；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：
一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，包括：上端塞1、包壳管2、包壳管内涂层3、气腔弹簧4、垫块5、若干块燃料芯块6、燃料芯块涂层7和下端塞8；所述包壳管2顶部与上端塞1定位固定连接；所述包壳管2下端内部由下至上依次堆叠若干块燃料芯块6，并形成芯块摞，所述芯块摞的上、下两端均设置有垫块5，所述芯块摞上端的垫块5上部设置包壳裂变气体气腔；所述包壳裂变气体气腔的上下两端设置有气腔弹簧4；所述包壳裂变气体气腔下端的气腔弹簧4与芯块摞上端的垫块5接触；所述包壳裂变气体气腔上端的气腔弹簧4与上端塞1接触；所述包壳管2底部与下端塞8焊接连接；所述燃料芯块6材料为铀-氢化钇U-YHx。
所述包壳管2为中空圆柱体结构，包壳管2内表面采用铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆材质进行涂覆处理，涂层区域不覆盖上、下端塞连接的焊接区域。
所述上端塞1的上部呈台阶结构，上端塞1的中段径向位置处开有环形凹台，用于插入上堆芯板对应孔内进行固定、定位以及抓取使用；上端塞1内部中段开有圆柱形空腔，空腔下部直径大与空腔上部直径，所述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。
所述上端塞1用于密封燃料元件上端。
所述下端塞8为燃料元件下封头构件；下端塞8整体结构形式与上端塞1相近，下端塞8下部开有竖槽，竖槽尺寸与下堆芯板对应孔洞尺寸相匹配，用于插配下堆芯板对应孔洞中；下端塞8的下部外表面还开有环形凹台，用于防止燃料棒轴向窜动。
所述垫块5为圆柱形结构，垫块5材质为石墨或氧化铍，均耐高温，用于增强慢化作用同时起一定的反射作用。
所述包壳管2内充氦气；所述燃料芯块6材料铀-氢化钇U-YHx的铀235富集度为0.1％～99％，氢钇比x为0.1～3，铀235的质量分数为1％～99％。
所述燃料芯块6的外表面和包壳管2内表面均涂有隔氢涂层，所述涂层材料包括：钼及钼合金、铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆等，所述垫块5材料包括：石墨、氧化铍；
所述包壳管2、上端塞1和下端塞5的材料包括：镍基合金、不锈钢、锆合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、SiC/SiC复合材料。
所述燃料芯块6与包壳管2内表面之间留有间隙。
本发明设计的燃料元件可按照堆芯设计需求进行排布，也可以排列成正多边形的组件形式。
对铀-氢化钇燃料芯块6外表面进行涂覆处理，防止高温下氢气释放到包壳管内，涂层材料可采用铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆等。
对包壳管2内表面进行涂覆处理，防止芯块释放的氢气渗透到包壳管材料中，涂层材料可采用铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆等，涂覆区域不包括与端塞焊接的区域。
包壳及端塞可采用镍基合金、不锈钢、锆合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、SiC/SiC复合材料等。垫块可以采用石墨或氧化铍等。

Claims (7)

1.一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在，包括：上端塞(1)、包壳管(2)、包壳管内涂层(3)、气腔弹簧(4)、垫块(5)、若干块燃料芯块(6)、燃料芯块涂层(7)和下端塞(8)；所述包壳管(2)顶部与上端塞(1)定位固定连接；所述包壳管(2)下端内部由下至上依次堆叠若干块燃料芯块(6)，并形成芯块摞，所述芯块摞的上、下两端均设置有垫块(5)，所述芯块摞上端的垫块(5)上部设置包壳裂变气体气腔；所述包壳裂变气体气腔的上下两端设置有气腔弹簧(4)；所述包壳裂变气体气腔下端的气腔弹簧(4)与芯块摞上端的垫块(5)接触；所述包壳裂变气体气腔上端的气腔弹簧(4)与上端塞(1)接触；所述包壳管(2)底部与下端塞(8)焊接连接；所述燃料芯块(6)材料为铀-氢化钇U-YHx；所述包壳管(2)为中空圆柱体结构，包壳管(2)内表面采用钼及钼合金、铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆材质进行涂覆处理，涂层区域不覆盖上、下端塞连接的焊接区域。
2.如权利要求1所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述上端塞(1)的上部呈台阶结构，上端塞(1)的中段径向位置处开有环形凹台，用于插入上堆芯板对应孔内进行固定、定位以及抓取使用；上端塞(1)内部中段开有圆柱形空腔，空腔下部直径大于空腔上部直径，所述圆柱形空腔内充入惰性气体；所述上端塞(1)用于密封燃料元件上端。
3.如权利要求2所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述下端塞(8)为燃料元件下封头构件；下端塞(8)整体结构形式与上端塞(1)相近，下端塞(8)下部开有竖槽，竖槽尺寸与下堆芯板对应孔洞尺寸相匹配，用于插配下堆芯板对应孔洞中；下端塞(8)的下部外表面还开有环形凹台，用于防止燃料棒轴向窜动。
4.如权利要求3所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述垫块(5)为圆柱形结构，垫块(5)材质为石墨或氧化铍，均耐高温，用于增强慢化作用同时起一定的反射作用。
5.如权利要求4所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述包壳管(2)内充氦气；所述燃料芯块(6)材料铀-氢化钇U-YHx的铀235富集度为0.1％～99％，氢钇比x为0.1～3，铀235的质量分数为1％～99％。
6.如权利要求5所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述燃料芯块(6)的外表面和包壳管(2)内表面均涂有隔氢涂层，所述涂层材料包括：钼及钼合金、铁铬铝、镍或氧化钇稳定氧化锆，所述垫块(5)材料包括：石墨、氧化铍；
所述包壳管(2)、上端塞(1)和下端塞(8)的材料包括：镍基合金、不锈钢、锆合金、铌合金、钼合金、钽合金、钨合金、SiC/SiC复合材料。
7.如权利要求6所述的一种采用铀-氢化钇燃料的棒型燃料元件，其特征在于：所述燃料芯块(6)与包壳管(2)内表面之间留有间隙。
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