CN112992390A - 一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核燃料芯块技术领域，具体地说是一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，包括耐腐蚀金属体、分散在耐腐蚀金属体内部的硅化铀颗粒。本发明与现有技术相比：1、通过金属层将易与高温水、水蒸气发生反应的硅化铀燃料分隔开，提高了芯块暴露于高温冷却水或水蒸气时维持完整性的能力；2、芯块尺寸与现有燃料芯块一致，可装入现有反应堆燃料棒中，易于使用；3、适用于现役轻水反应堆，相比现役UO2燃料芯块或单相硅化铀燃料芯块具有较高的安全性，有利于消除PCI问题。
Description
技术领域
本发明涉及核燃料芯块技术领域，具体地说是一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块。
背景技术
轻水反应堆是核电站的主要堆型，目前所有的商业轻水堆都使用了UO2芯块或添加了Pu的U、Pu混合氧化物芯块作为燃料。
轻水反应堆的核燃料元件容易出现PCI问题，PCI是指水冷反应堆中使用的燃料芯块与包壳的相互作用。PCI是燃料棒破损的潜在因素之一，任其发展可导致包壳破损，因此PCI问题直接涉及到燃料元件在堆内使用的安全性。
UO2具有高熔点、高化学及辐照稳定性等优点。然而，UO2的热导率较低，在800℃时仅为约3.5W·m-1·K-1。因此，UO2燃料芯块的热量导出能力差，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，加速堆芯的熔毁并可能引发氢气爆炸。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。
而硅化铀燃料，以U3Si2为例，其中的铀金属密度达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的燃料之一。然而，硅化铀燃料相比UO2燃料也还有化学活性高、不耐高温水腐蚀的缺点。因此，解决硅化铀燃料在轻水堆中的腐蚀氧化是将其商用化前所必须解决的最重要问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，为轻水反应堆提供一种具有高热导率、高铀密度、且具有较强抗水腐蚀、抗蒸汽氧化性能的硅化铀燃料，降低现有硅化铀燃料在轻水堆中应用时的安全风险，替代现有的UO2燃料。
为实现上述目的，设计一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，包括耐腐蚀金属体、分散在耐腐蚀金属体内部的硅化铀颗粒。
进一步的，任意硅化铀颗粒均被耐腐蚀金属体包覆隔离。
进一步的，所述耐腐蚀金属体占芯块体积的10～30％，所述硅化铀颗粒占芯块体积的70～90％。
进一步的，所述硅化铀颗粒为U3Si、U3Si2、USi、U3Si5中的一种或多种的混合物。
进一步的，所述硅化铀颗粒的粒径为50μm～1000μm。
进一步的，所述耐腐蚀金属体采用Be、Cr、Zr、Nb金属或上述金属的合金。
本发明与现有技术相比具有如下优势：
1、通过金属层将易与高温水、水蒸气发生反应的硅化铀燃料分隔开，提高了芯块暴露于高温冷却水或水蒸气时维持完整性的能力；
2、芯块尺寸与现有燃料芯块一致，可装入现有反应堆燃料棒中，易于使用；
3、适用于现役轻水反应堆，相比现役UO2燃料芯块或单相硅化铀燃料芯块具有较高的安全性，有利于消除PCI问题。
附图说明
图1为本发明在一个实施例中的横截面示意图。图中硅化铀颗粒与耐腐蚀金属体的比例不代表实际的成分配比。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步地说明。
实施例1
本例中，硅化铀复合燃料芯块为外径8.192mm、高9.83mm的短圆柱，具体为采用Zr合金制作短圆柱形的耐腐蚀金属体2，其内分散共占芯块体积的90％的平均粒径为900μm和200μm的两种硅化铀颗粒1。
实施例2
本例中，硅化铀复合燃料芯块为外径8.192mm、高9.83mm的短圆柱，具体为采用AlCr合金制作短圆柱形的耐腐蚀金属体2，其内分散共占芯块体积的80％的平均粒径为300μm的硅化铀颗粒1。
实施例3
本例中，硅化铀复合燃料芯块为外径8.192mm、高9.83mm的短圆柱，具体为采用Nb合金制作短圆柱形的耐腐蚀金属体2，其内分散共占芯块体积70％的平均粒径为200μm的硅化铀颗粒1。
实施例4
本例中，硅化铀复合燃料芯块为外径8.192mm、高9.83mm的短圆柱，具体为采用Be-Al合金制作短圆柱形的耐腐蚀金属体2，其内分散共占芯块体积80％的平均粒径分别为1000μm、300μm、90μm的三种硅化铀颗粒1。参见图1，可见耐腐蚀金属体2呈类似蜂窝状的结构。
本发明与现有轻水堆使用的UO2燃料芯块相比，热导率大幅提升，可以用于解决现有UO2燃料芯块由于热导率低而导致的中心温度高、温度梯度大、储能大的缺点；而与直接由粉末烧结的单相硅化铀燃料芯块相比，本发明中易被高温冷却水腐蚀氧化的硅化铀被耐腐蚀的金属层分隔成了小块颗粒，即使金属层由部分缺陷或破损受冷却水腐蚀的区域也不易扩散至整个芯块，因此在燃料包壳破损后，本发明中的硅化铀复合芯块具有很强的维持完整性的能力，可大幅减少放射性裂变产物转移至一回路冷却水。
通过选用具有不同力学性能的金属材料作为金属层及调整金属层含量，实现在较大范围内调节本发明芯块的强度、蠕变等力学性质，有利于消除核燃料元件的PCI问题，提高燃料元件整体的安全性。
Claims (7)
1.一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，包括耐腐蚀金属体(2)、分散在耐腐蚀金属体(2)内部的硅化铀颗粒(1)。
2.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，任意硅化铀颗粒(1)均被耐腐蚀金属体(2)包覆隔离。
3.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，所述耐腐蚀金属体占芯块体积的10～30％，所述硅化铀颗粒占芯块体积的70～90％。
4.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，所述硅化铀颗粒为U3Si、U3Si2、USi、U3Si5中的一种或多种的混合物。
5.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，所述硅化铀颗粒(1)的粒径为50μm～1000μm。
6.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，所述耐腐蚀金属体(2)采用Be、Cr、Zr、Nb金属或上述金属的合金。
7.如权利要求1所述的一种高安全性的硅化铀复合燃料芯块，其特征在于，所述耐腐蚀金属体(2)为圆柱体。
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