CN114038583B - 一种全陶瓷燃料棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全陶瓷燃料棒，包括包壳，包壳内下段设FCM芯块、上段设气腔，气腔内设气腔弹簧；包壳内径为13.5mm～15mm；FCM芯块中装载TRISO颗粒，TRISO颗粒核芯为UN或UO2颗粒，由内向外依次包裹厚度为100±10μm的疏松热解碳层、厚度为35±5μm的内层致密热解碳层、厚度为35±5μm的SiC层和厚度为20±5μm的外层密热解碳层；核芯直径为800±50μm；气腔长度为45mm～55mm；气腔弹簧自由高度为67.5mm～72.5mm、外径为8.8mm～9.2mm、丝径为1.875mm～1.925mm。本发明提供的燃料棒，提高了铀装量，可适用于应轻水堆运行环境。

Description

一种全陶瓷燃料棒
技术领域
本发明涉及核燃料元件设计领域，具体是应用于核反应堆的全陶瓷燃料棒的设计方案。
背景技术
日本福岛事故后，核反应堆的安全成为各国关注的焦点，耐事故燃料也成为各国核燃料的研究热点。全陶瓷微封装材料和陶瓷材料包壳，由于其突出的力学性能、裂变气体包容能力、高温耐腐蚀性能等受到广泛关注。
现役轻水堆燃料芯块为UO2陶瓷，相比于全陶瓷微封装燃料(FCM)，它的热导率较低、裂变气体包容能力差、温度梯度大，易于开裂等。但是FCM芯块与UO2芯块相比，其铀装量相对较低，为适应轻水堆运行要求，需变更现有燃料棒设计尺寸。现役轻水堆所用的包壳为Zr合金包壳，Zr合金包壳具有较低的中子吸收截面、较好的强度和韧性、成熟的运行经验等优点，但是相比于SiC复合包壳而言，其耐腐蚀性能较差、高温强度低、高温下与水发生剧烈反应导致H爆炸，这也是福岛核事故的主要原因。
鉴于FCM燃料和SiC复合包壳优良特性，国内外对其研究较多，包括SiC复合包壳和FCM芯块的制备方法、SiC/FCM燃料组件的设计等。例如文献“effects of neutronirradiation on mechanical properties of silicon carbide composites fabricatedby nano-infiltration and transient eutectic-phase process.Takaaki Koyanagi,Kazumi Ozawa.Journal of Nuclear Materials.2014,48,478-486”NITE工艺制备SiC复合材料的方法，包括烧结温度、环境等，研究了复合材料的强度及辐照性能。文献“Fabrication and characterization of fully ceramic microencapsulatedfuels.K.A.Terrani,J.O.Kiggans.Journal of Nuclear Materials 426(2012)268–276”采用热压烧结制备FCM芯块，文献介绍了烧结工艺参数及工艺流程，研究了FCM芯块的微观结构等。美国申请专利“FCM replacement fuel assemblies for LWR”中对TRISO颗粒作了重新设计，增大FCM芯块中TRISO颗粒直径和装载量，并对轻水堆燃料组件设计作了相应修改，增大了棒径，减少棒数。并公布了相应的上下管座截面图。但是其包壳依然采用的是Zr合金，且对燃料棒的设计尺寸并不明确，包括气腔长度、弹簧等，均没有明确设计。美国申请专利“SiC matrix fuel cladding tube with spark plasma sintering plugs”中对SiC包壳应与用CANDU堆和轻水堆作了相应的燃料棒尺寸设计，并且设计了SiC包壳的端塞，拟采用放电等离子烧结(SPS)工艺制备SiC端塞。专利中燃料棒尺寸基本保持不变，芯块采用的是UO2或UN等单质陶瓷芯块。专利主要针对SiC包壳和端塞制备工艺作了保护。
全陶瓷燃料棒，相比现有燃料棒，具有裂变气体包容能力强、耐腐蚀性能好、安全性能优良、芯块中心温度较低等优点，但是由于FCM燃料芯块的铀装量较低，为满足链式反应的持续性，需对燃料棒尺寸作重新设计。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现役全陶瓷燃料棒，由于FCM燃料芯块的铀装量较低，不满足适应轻水堆运行要求，本发明提供了解决上述问题的一种全陶瓷燃料棒，是一种具有耐事故特性的燃料棒，本发明通过优化设计燃料棒尺寸，增大了燃料棒内径，提高了铀装量，满足链式反应的持续性，可适用于应轻水堆运行环境。
本发明通过下述技术方案实现：
一种全陶瓷燃料棒，包括包壳，包壳内下段设置FCM芯块，包壳内上段设置气腔，气腔内设有气腔弹簧；所述包壳的内径为13.5mm～15mm；所述FCM芯块中装载TRISO颗粒，TRISO颗粒的核芯为UN或UO2颗粒，由内向外依次包裹疏松热解碳层、内层致密热解碳层、SiC层和外层密热解碳层；核芯的直径为800±50μm，疏松热解碳层的厚度为100±10μm，内层致密热解碳层的厚度为35±5μm，SiC层的厚度为35±5μm，外层密热解碳层的厚度为20±5μm；所述气腔的长度为45mm～55mm；气腔弹簧的自由高度为67.5mm～72.5mm，气腔弹簧的外径为8.8mm～9.2mm，气腔弹簧的丝径为1.875mm～1.925mm。
现有全陶瓷微封装燃料(FCM)的铀装量低，功率密度小，主要用于气冷堆或者小型堆，不能维持轻水堆的高功率密度和高燃耗所需的高铀装量。如果按照现有的燃料棒结构和尺寸，FCM燃料不能应用于轻水堆。本发明通过设计TRISO颗粒结构尺寸，在满足高燃耗下TRISO颗粒安全性能的同时，保证了单个TRISO颗粒U装量的最大化，同时，通过调整燃料棒尺寸，增大燃料棒内径，提高芯块直径，从而增大芯块的U装量；由于FCM芯块具有优良的裂变气体包容能力，减小燃料棒气腔尺寸，也不会导致燃料棒内压过大，从而保证了燃料棒不发生鼓胀等问题，减小燃料棒气腔长度，可以进一步有效提升燃料棒的有效长度，总体上提升了燃料棒的铀装量。
进一步优选，所述包壳的总壁厚为0.8mm～1.2mm，包壳的外径为15.9mm～16.8mm。
进一步优选，所述燃料棒总长为3867.1mm。
进一步优选，所述包壳采用SiC复合包壳，SiC复合包壳为三层结构，由内向外依次为：内层单质SiC层、SiC复合材料层和外层单质SiC层。
进一步优选，所述外层单质SiC层的厚度为0.1mm～0.2mm，内层单质SiC层的厚度为0.35mm～0.5mm，SiC复合材料层的厚度为0.35mm～0.5mm。
进一步优选，所述FCM芯块中TRISO颗粒的装载量为40vol％～64.2vol％。
进一步优选，所述FCM芯块的无燃料区厚度为150μm～250μm，FCM芯块的直径13.3mm～14.8mm，FCM芯块的高度为13.5mm。
进一步优选，所述FCM芯块的倒角尺寸：沿径向抛0.72mm，沿轴向抛0.27mm。
进一步优选，所述气腔弹簧的有效圈数为22圈。
进一步优选，所述气腔弹簧采用302不锈钢。
本发明具有如下的优点和有益效果：
本发明提供了一种应用于轻水堆的全陶瓷燃料棒，本发明完成燃料棒尺寸设计，增大燃料棒内径，提高全陶瓷燃料棒的铀装量；同时，本发明采用FCM芯块替代传统UO2芯块，提高芯块对裂变产物的包容能力，用SiC复合包壳替代Zr合金包壳，提高包壳高温强度及耐腐蚀性能，提高了燃料棒的总体安全特性，提高了现有燃料棒的安全性和经济性。
本发明设计的新型全陶瓷燃料棒，SiC复合包壳采用三层结构，内层和外层单质SiC层提高了燃料棒气密性和抗腐蚀性能，中间SiC复合材料层为主要承载层，有利于提高复合包壳整体韧性和抗热冲击性能，防止SiC包壳在运行和再淹没时发生脆断。FCM芯块包括燃料核芯、疏松热解碳层、内层致密热解碳层、SiC层、外层致密热解碳层以及SiC基体。FCM芯块具有优良的裂变产物包容能力，可以有效提高燃料棒安全特性，通过设计FCM芯块无燃料区尺寸可以有效减小FCM芯块应力，降低开裂风险，同时设计TRISO颗粒结构尺寸，提高了FCM芯块的铀含量。设计的燃料棒气腔弹簧，可以有效固定芯块位置，防止运输过程中芯块与包壳相互作用。全陶瓷燃料棒在满足铀装量的同时，提高了燃料棒对裂变产物的包容能力、包壳的耐腐蚀能力以及高温强度，进而提升了燃料棒耐事故性能，提升了反应堆的安全特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明燃料棒总体结构示意图；
图2为本发明TRISO颗粒设计结构示意图；
图3为SiC复合包壳外径随燃耗变化曲线。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-下端塞，2-FCM芯块，3-包壳，4-气腔弹簧，5-上端塞，6-核芯，7-疏松热解碳层，8-内层致密热解碳层，9-SiC层；
H-芯块高度，D1-燃料棒直径，D2-燃料棒内径，D3-芯块直径；L1-燃料棒长度，L2-有效段长度，L3-气腔长度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供了一种全陶瓷燃料棒，结构如图1所示，包括包壳3，包壳3的上下两端口分别设有上端塞5和下端塞1；在包壳3内的下段由下至上依次堆叠安装多个FCM芯块2；包壳2内上段设置气腔，气腔内设有气腔弹簧4，气腔弹簧4的轴向顶端与上端塞5接触、轴向底端与FCM芯块2接触，气腔弹簧4应具有足够压紧力，以防止FCM芯块2错位或者运输过程中FCM芯块2与包壳3相互碰撞。
本实施例从三个方面对燃料棒进行优化设计：包壳结构及参数设计、气腔弹簧的结构及参数设计、FCM芯块结构及参数设计，下面做详细介绍：
一、包壳结构及参数设计
包壳采用三层结构的SiC复合包壳，为了保护SiC复合材料层，维持SiC复合包壳韧性，需设计三层结构SiC复合包壳，同时三层结构SiC复合包壳相比两层结构具有更低的运行温度。三层结构SiC复合包壳具体结构形式，从内层向外层依次为：内层单质SiC层、SiC复合材料层、外层单质SiC层。SiC复合包壳的总壁厚为1mm，外层单质SiC层的厚度为0.1mm，内层单质SiC层的厚度为0.45mm，SiC复合材料层的厚度为0.45mm。为增大铀装量，SiC复合包壳的内径相比于现有燃料棒增大，SiC复合包壳的内径为14mm、外径为16mm，由于FCM芯块优良的裂变气体包容能力，燃料棒气腔的长度为50mm，燃料棒的总长为3867.1mm。
二、气腔弹簧的结构及参数设计
气腔弹簧采用302不锈钢丝绕制而成，气腔弹簧的自由高度为70mm，气腔弹簧的外径为9.0mm，气腔弹簧的丝径1.9mm，气腔弹簧的有效圈数为22圈。气腔弹簧的具体尺寸参数见表1。
表1气腔弹簧的设计尺寸
三、FCM芯块结构及参数设计、
FCM芯块中TRISO颗粒的装载量为45vol％。核芯为UN颗粒，核芯的直径为800μm，疏松热解碳层的厚度为100μm，内层致密热解碳层的厚度为35μm，SiC层的厚度为35μm，外层密热解碳层的厚度为20μm。FCM无燃料区的厚度为200μm，芯块的直径14mm，芯块的高度为13.5mm。FCM芯块倒角尺寸：沿径向抛0.72mm，沿轴向抛0.27mm。
本发明具体设计原理如下所示：
为提高全陶瓷燃料棒的铀装量，以满足轻水堆高燃耗长换料周期要求，本发明针对TRISO颗粒、FCM芯块、燃料棒棒径以及气腔长度等进行设计优化，针对SiC复合包壳各层性质，设计了三层结构SiC复合包壳，并针对燃料棒抗震需求，设计了燃料棒气腔弹簧。
1)TRISO颗粒的燃料球核芯为UO2或者UN，其直径为800±50μm，同时调整疏松热解碳层的厚度为100±10μm，整个寿期内，TRISO颗粒中疏松热解碳层与内致密热解碳层的间隙尺寸最大为23μm，间隙在整个寿期内不发生闭合，从而保证了TRISO颗粒在整个寿期内不发生压力壳式失效，同时增大燃料核芯直径有效的提高了TRISO颗粒的铀装量；
2)设计燃料棒直径为15.9mm～16.8mm，包壳的总壁厚为0.8mm～1.2mm，从而可以针对FCM芯块开展设计。FCM芯块的直径为13.3mm～14.8mm，芯块的高度为13.6mm，这种尺寸的的芯块中TRISO颗粒的最大理论装载量可达64.2vol％，相比于8.31mm芯块直径，TRISO颗粒的理论装载量可以提高30％以上。FCM芯块的无燃料区尺寸设计为150μm～250μm，在辐照环境下，该厚度的无燃料区最大应力小于300MPa，低于SiC陶瓷的断裂强度，保证了芯块的完整性和安全性；
3)由于FCM芯块优良的裂变气体包容能力，裂变气体在燃料棒中的释放量较低，并且SiC复合包壳在高温下具有更加优异的爆破和鼓胀强度，因此可以减小气腔长度。在保证燃料棒安全特性的同时，可以提高燃料棒的有效长度。本发明将燃料棒的气腔长度最低降低至50mm，相比于传统燃料棒而言，燃料棒有效段长度提升了10％；
4)SiC复合包壳中单质SiC层具有优良的抗水腐蚀能力、热导率和气密性，因此可以作为复合包壳的内层和外层。SiC复合包壳中复合材料层具有优良的力学性能和断裂韧性，作为中间层可以承担拉应力。三层结构设计保证了单质SiC层受压应力，而SiC复合材料层受拉应力，这保证了复合包壳合理的应力状态，从而保证了SiC复合包壳的结构完整性；
5)本发明中芯块直径增大、芯块密度降低，芯块摞的整体质量下降。为了保证燃料棒抗震性能，通过设计气腔弹簧有效高度、丝径、内圈尺寸等参数，设计出气腔弹簧的最小压紧力约为105.6N，相比于现役水堆的最小压紧力提高了约42.6％。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全陶瓷燃料棒，包括包壳，包壳内下段设置FCM芯块，包壳内上段设置气腔，气腔内设有气腔弹簧，其特征在于，
所述包壳的内径为13.5mm～15mm；
所述FCM芯块中装载TRISO颗粒，TRISO颗粒的核芯为UN或UO2颗粒，由内向外依次包裹疏松热解碳层、内层致密热解碳层、SiC层和外层密热解碳层；核芯的直径为800±50μm，疏松热解碳层的厚度为100±10μm，内层致密热解碳层的厚度为35±5μm，SiC层的厚度为35±5μm，外层密热解碳层的厚度为20±5μm；
所述气腔的长度为45mm～55mm；气腔弹簧的自由高度为67.5mm～72.5mm，气腔弹簧的外径为8.8mm～9.2mm，气腔弹簧的丝径为1.875mm～1.925mm。
2.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述包壳的总壁厚为0.8mm～1.2mm，包壳的外径为15.9mm～16.8mm。
3.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述燃料棒总长为3867.1mm。
4.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述包壳采用SiC复合包壳，SiC复合包壳为三层结构，由内向外依次为：内层单质SiC层、SiC复合材料层和外层单质SiC层。
5.根据权利要求4所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述外层单质SiC层的厚度为0.1mm～0.2mm，内层单质SiC层的厚度为0.35mm～0.5mm，SiC复合材料层的厚度为0.35mm～0.5mm。
6.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述FCM芯块中TRISO颗粒的装载量为40vol％～64.2vol％。
7.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述FCM芯块的无燃料区厚度为150μm～250μm，FCM芯块的直径13.3mm～14.8mm，FCM芯块的高度为13.5mm。
8.根据权利要求7所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述FCM芯块的倒角尺寸：沿径向抛0.72mm，沿轴向抛0.27mm。
9.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述气腔弹簧的有效圈数为22圈。
10.根据权利要求1所述的一种全陶瓷燃料棒，其特征在于，所述气腔弹簧采用302不锈钢。
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