CN114188043A - 燃料模块及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃料模块及其应用，燃料模块包括柱体结构、分散设置在所述柱体结构上的多个中空闭孔和多个冷却通孔、设置在所述柱体结构内的燃料；所述中空闭孔位于所述柱体结构内，所述燃料填充在每一所述中空闭孔中；所述冷却通孔与所述中空闭孔相隔绝并贯穿所述柱体结构的相对两侧，用于冷却介质通过。本发明的燃料模块，以柱体结构作为支撑主体，通过中空闭孔装填燃料并配合冷却通孔形成一体化结构，区别于现有燃料组件的包壳‑芯块‑组件结构，整体结构强度高，能够耐高压、安全可靠，提高核反应堆的安全性。

Description

燃料模块及其应用
技术领域
本发明涉及核燃料技术领域，尤其涉及一种燃料模块及其应用。
背景技术
核能作为一种清洁能源备受各行各业的青睐，然而，核能带来的安全问题也不容忽视，尤其是堆芯燃料在极端事故环境下必须保证其不发生熔化或不泄漏。目前采用的Zr合金包壳在失水事故下(LOCA)容易造成Zr合金的破损，并且产氢率较高，增加了核反应堆的不安全因素。
针对以上问题，目前非常有潜力的替代方案是采用SiC包壳替代现有Zr合金包壳，并且内部燃料芯块采用全陶瓷包覆燃料(FCM)、惰性基体燃料(IMF)或者惰性基弥散燃料(IMDP)取代现有燃料，提高核反应堆的安全性。然而，以上方案仍然需要采用包壳来保证核燃料不泄漏，但包壳的薄壁、长管特性，使其仍存在破损的可能性。
基于以上应用背景，亟需开发一种新型核燃料元件，在满足新一代核能系统服役条件下，进一步提高核反应堆的安全性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种一体化设置、能够提高核反应堆的安全性的燃料模块及其应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种燃料模块，包括柱体结构、分散设置在所述柱体结构上的多个中空闭孔和多个冷却通孔、设置在所述柱体结构内的燃料；
所述中空闭孔位于所述柱体结构内，所述燃料填充在每一所述中空闭孔中；所述冷却通孔与所述中空闭孔相隔绝并贯穿所述柱体结构的相对两侧，用于冷却介质通过。
优选地，所述柱体结构采用金属、陶瓷、玻璃及复合材料中一种或多种制成。
优选地，所述柱体结构采用锆合金、不锈钢、钼合金、高熵合金、碳化硅、碳化锆、碳化硅纤维增强碳化硅复合材料、高熵陶瓷、金属陶瓷复合材料中至少一种制成。
优选地，所述柱体结构为圆柱体、椭圆形柱体或多边形柱体。
优选地，所述中空闭孔的孔径为5mm～15mm。
优选地，多个所述中空闭孔在所述柱体结构内竖向和/或水平延伸。
优选地，多个所述中空闭孔排布形成多行闭孔组，每一所述闭孔组包括一个或多个所述中空闭孔。
优选地，相邻的两行所述闭孔组之间的间距为10mm～30mm。
优选地，在所述闭孔组中，相邻的两个所述中空闭孔之间的间距为5mm～15mm。
优选地，所述冷却通孔的孔径为5mm～15mm。
优选地，多个所述冷却通孔排布形成多行通孔组，每一所述通孔组包括一个或多个所述冷却通孔。
优选地，相邻的两行所述通孔组之间的间距为10mm～30mm。
优选地，在所述通孔组中，相邻的两个所述冷却通孔之间的间距为5mm～15mm。
优选地，所述中空闭孔和所述冷却通孔交错排布。
优选地，所述中空闭孔的中心与所述柱体结构的外表面之间的最小间距为3mm～10mm。
优选地，所述冷却通孔的中心与所述柱体结构的外表面之间的最小间距为3mm～10mm。
优选地，在所述柱体结构内，所述中空闭孔的数量为30～300个。
优选地，所述燃料为块状燃料、颗粒燃料及液体燃料中至少一种。
优选地，所述块状燃料包括全陶瓷包覆核燃料、核燃料烧结块体中至少一种。
优选地，所述颗粒燃料包括包覆颗粒燃料。
优选地，所述液体燃料包括液态铀的化合物、液态钚的化合物中至少一种。
本发明还提供一种燃料模块的应用，所述燃料模块用于水堆、铅基堆、熔盐堆、钠冷堆或气冷堆。
本发明的燃料模块，以柱体结构作为支撑主体，通过中空闭孔装填燃料并配合冷却通孔形成一体化结构，区别于现有燃料组件的包壳-芯块-组件结构，整体结构强度高，能够耐高压、安全可靠，提高核反应堆的安全性。
本发明的燃料模块不仅适用于水堆，还适用于铅基堆、熔盐堆、钠冷堆、气冷堆等新型反应堆。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明一实施例的燃料模块的结构示意图；
图2是本发明一实施例的燃料模块的剖面结构示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1、2所示，本发明的燃料模块，包括柱体结构10、分散设置在柱体结构10上的多个中空闭孔20和多个冷却通孔30、设置在柱体结构10内的燃料40。燃料40填充在中空闭孔20内。
中空闭孔20设置在柱体结构10的内部，为封闭且中空的孔部，用于容置燃料40。燃料40填充在每一个中空闭孔20内，同时也密闭在柱体结构10内部；燃料40的热量传递至柱体结构10。冷却通孔30在柱体结构10上与中空闭孔20相隔绝，并且相比于中空闭孔20，冷却通孔30贯穿柱体结构10的相对两侧，处于开放状态，用于冷却介质通过，从而带走柱体结构10上的热量，为燃料40及柱体结构40降温，达到高效换热的目的。
具体地，柱体结构10作为燃料模块的支撑主体，其可以是圆柱体、椭圆形柱体或者矩形、六边形等多边形柱体。在材料上，柱体结构20可采用金属、陶瓷、玻璃及复合材料中一种或多种制成。进一步地，柱体结构20可采用锆合金、不锈钢、钼合金、高熵合金、碳化硅、碳化锆、碳化硅纤维增强碳化硅复合材料、高熵陶瓷、金属陶瓷复合材料中至少一种制成。
在尺寸设置方面，柱体结构10的高度为100mm～400mm，柱体结构10的外周尺寸根据具体形状(如圆形或多边形等)及所需大小进行设置。
柱体结构10制备时，中空闭孔20及冷却通孔30一体形成在其上。柱体结构10的成型方式可采用增材制造、铸造、注浆成型或坯体机械钻孔等。
当柱体结构10采用金属材料制备时，中空闭孔20及冷却通孔30可通过增材制造直接打印成型，也可以通过采用柱状凸模进行铸造脱模形式获得。当柱体结构10采用陶瓷、玻璃或复合材料制备时，中空闭孔20及冷却通孔30可通过增材制造预制带孔坯体后进行烧结制备，也可以通过注浆成型预制带孔坯体进行烧结，或者注浆成型过程中通过石墨填充物预留孔洞，烧结制备后通过氧化程序将填充物去除。
中空闭孔20在柱体结构10内的延伸方向不限，相对于柱体结构10可以是水平方向延伸和竖向延伸中的一种或多种。
设置中空闭孔20时，可先设置贯穿柱体结构20的通孔21，在填装燃料4后再将通孔21的端部密封形成闭孔。对该通孔21的端部进行密封的方法可选择以下方式中任一种或多种配合：辐射加热焊接、电子束焊接、电阻焊接、激光焊接、保护气体氩弧焊等。
中空闭孔20的孔径为5mm～15mm。在柱体结构10内，中空闭孔20的数量为30～300个。中空闭孔20的孔径设置及其在柱体结构10内的数量可根据燃料模块所需的燃料装量确定，因此，通过调控中空闭孔20的孔径和数量，能够提高燃料模块的燃料装量。
另外，相邻的中空闭孔20之间具有适当的间距，以保证柱体结构10的结构强度。作为选择，相邻的中空闭孔20之间的间距可为5mm～15mm。
相比于中空闭孔20埋设在柱体结构10内部，冷却通孔30贯穿柱体结构10的两侧设置，形成一个开放的冷却通道，冷却介质能够从一个方向进入冷却通孔20，再从另一个方向流出，同时带走柱体结构10和中空闭孔20内燃料40的热量。
冷却通孔30在柱体结构10上可以是沿着柱体结构10的高度方向竖向延伸，也可以是水平延伸。冷却通孔30的孔径可为5mm～15mm。
作为优选，在柱体结构10上，中空闭孔20和冷却通孔30交错排布，这样使得每一中空闭孔20的周围至少有一个冷却通孔30，中空闭孔20内的燃料40的热量传递至柱体结构10基体上，再传递至流经冷却通孔30的冷却介质，热量以此被带走。
相邻的冷却通孔30、冷却通孔30与中空闭孔20之间均具有适当的间距，以保证柱体结构10的结构强度。
结合中空闭孔20在柱体结构10内分散设置，部分中空闭孔20靠近或位于柱体结构10中心部内，部分中空闭孔20靠近柱体结构20的边缘部(外表面)，从而中空闭孔20与柱体结构10的外表面之间的间距存在多个。为确保柱体结构10的强度，避免出现薄壁现象，中空闭孔20的中心与柱体结构10的外表面之间的最小间距为3mm～10mm，即：在所有中空闭孔20中，位于最外侧的中空闭孔20的中心与柱体结构10的外表面之间的间距为3mm～10mm。
同理于中空闭孔20，冷却通孔30与柱体结构10的外表面之间的间距存在多个。为确保柱体结构10的强度，避免出现薄壁现象，冷却通孔30的中心与柱体结构10的外表面之间的最小间距为3mm～10mm，即：在所有冷却通孔30中，位于最外侧的冷却通孔30的中心与柱体结构10的外表面之间的间距为3mm～10mm。
在一些实施例中，参考图1、2，多个中空闭孔20排布形成多行闭孔组2，每一闭孔组2包括一个或多个中空闭孔20。多行闭孔组2沿着柱体结构10的径向间隔排布，并且每一中空闭孔20沿着柱体结构10的轴向延伸，在柱体结构10内呈竖向延伸。多行闭孔组2之间的中空闭孔20的数量，从靠近柱体结构10的中心到柱体结构10的外周侧面逐渐递减。
多个冷却通孔30排布形成多行通孔组3，每一通孔组3包括一个或多个冷却通孔30。在图1、2所示实施例中，通孔组3的每一冷却通孔30沿着柱体结构10的径向延伸，并与中空闭孔20呈90°交错。当然，每一冷却通孔30也可以沿着柱体结构10的轴向而呈竖向延伸，与中空闭孔20平行。
进一步地，在柱体结构10上，多行闭孔组2和多行通孔组3交错排布，使得相邻的两行闭孔组2之间具有一行通孔组3，相邻的两行通孔组3之间具有一行闭孔组2。
相邻的两行闭孔组2之间的间距为10mm～30mm，该间距为交错位于其间的通孔组3的设置提供足够空间，并且确保通孔组3和相邻的闭孔组2之间具有足够的壁厚，隔绝两者同时保证柱体结构10的结构强度。在闭孔组2中，相邻的两个中空闭孔20之间的间距为5mm～15mm。
结合以上对于中空闭孔20之间间距的限定、闭孔组2之间间距的限定以及最外侧中空闭孔20与柱体结构10外表面之间间距限定，主要目的包括保证柱体结构10强度的前提下，改善模块的传热特性，尽可能提高柱体结构10的燃料装量。
相邻的两行通孔组3之间的间距为10mm～30mm，该间距为交错位于其间的闭孔组2的设置提供足够空间，确保通孔组3和相邻的闭孔组2之间具有足够的壁厚，隔绝两者同时保证柱体结构10的结构强度。在通孔组3中，相邻的两个冷却通孔30之间的间距为5mm～15mm。
结合以上对于冷却通孔30之间间距的限定、通孔组3之间间距的限定以及最外侧冷却通孔30与柱体结构10外表面之间间距限定，主要目的包括保证柱体结构10强度并抵御冷却介质冲击的前提下，通过对燃料模块进行临界热流密度计算的优化，改善柱体结构10和燃料的传热性能，从而实现对燃料模块温度的调控。
在其他实施例中，多个中空闭孔20也可以排布形成多个孔圈，每一孔圈包括一个或多个中空闭孔20；多个孔圈沿着柱体结构10的径向自内向外分布；多个冷却通孔30也排布形成多个孔圈，多个孔圈沿着柱体结构10的径向自内向外分布并且与中空闭孔20形成的孔圈交错设置。
燃料40填充在每一中空闭孔20中，由于中空闭孔20为封闭的孔结构，因此其中的燃料40形式不限，即可为块状燃料、颗粒燃料及液体燃料中至少一种。其中，块状燃料包括全陶瓷包覆核燃料、核燃料烧结块体中至少一种；颗粒燃料包括包覆颗粒燃料(如TRISO颗粒)；液体燃料包括液态铀的化合物、液态钚的化合物中至少一种。
另外，在上述燃料40的形式选择中，具有的核燃料包括UO2、UC、UC2、UN、UCN、UCO、U3Si2、U合金、PuO2、PuC、PuN、Pu合金中至少一种。
本发明的燃料模块，整体大小尺寸可灵活定制，适用于不同规模的水堆、铅基堆、熔盐堆、钠冷堆或气冷堆等，尤其在小堆领域应用突出。
在应用中，燃料模块可以单个使用，也可以多个组装使用，达到模块放大的效果；燃料模块集成数量取决于所使用反应堆的规模大小。在组装方式上，多个燃料模块可以是轴向上的叠加，也可以是径向上的配合。燃料模块之间组装方式包括卡销定位、嵌入式、螺纹连接以及焊接等。
燃料模块使用时，根据所应用的堆型，流经燃料模块的冷却介质包括去离子水、含锂水、含硼水、铅铋熔体、钠熔体、熔盐、氩气或氦气等至少一种及以上。
相比于传统燃料组件中包壳之间流通的冷却水，本发明中冷却介质通过水以外的其他选择(如铅铋熔体、钠熔体、熔盐等)，热导率可以提高三个数量级。相比于传统水堆中冷却介质直接对包壳的换热，本发明的燃料模块在换热时可进一步改善偏离泡核沸腾，降低燃料模块中柱体结构10的临界热流密度，解决冷却介质的沸腾危机。
相比于水堆中传统的Zr合金包壳组件中，包壳直径9.5mm，包壳中心间距12.6mm，本发明的燃料模块中，中空闭孔20相邻间距5mm～15mm的设置范围，当中空闭孔20孔径取9.5mm时，中空闭孔20相邻间距可选范围为9.5mm～15mm，通过选择10mm可提高燃料装量，进一步通过选择高热率的铅铋熔体、钠熔体、熔盐等作为冷却介质，可在减少冷却介质总量的情况下实现高效换热。
综上可知，本发明的燃料模块中，柱体结构代替现有燃料组件的薄壁、长管结构的包壳，整体上结构强度高，避免了组装和换料等过程中核燃料泄露的风险。同时，该燃料模块在反应堆运行时具有更高的抵御事故工况的能力，发生LOCA等失水事故时该燃料模块不易发生破损，可为维护人员提供充足的时间进行反应堆的维护工作。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (22)

1.一种燃料模块，其特征在于，包括柱体结构、分散设置在所述柱体结构上的多个中空闭孔和多个冷却通孔、设置在所述柱体结构内的燃料；
所述中空闭孔位于所述柱体结构内，所述燃料填充在每一所述中空闭孔中；所述冷却通孔与所述中空闭孔相隔绝并贯穿所述柱体结构的相对两侧，用于冷却介质通过。
2.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述柱体结构采用金属、陶瓷、玻璃及复合材料中一种或多种制成。
3.根据权利要求2所述的燃料模块，其特征在于，所述柱体结构采用锆合金、不锈钢、钼合金、高熵合金、碳化硅、碳化锆、碳化硅纤维增强碳化硅复合材料、高熵陶瓷、金属陶瓷复合材料中至少一种制成。
4.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述柱体结构为圆柱体、椭圆形柱体或多边形柱体。
5.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述中空闭孔的孔径为5mm～15mm。
6.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，多个所述中空闭孔在所述柱体结构内竖向和/或水平延伸。
7.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，多个所述中空闭孔排布形成多行闭孔组，每一所述闭孔组包括一个或多个所述中空闭孔。
8.根据权利要求7所述的燃料模块，其特征在于，相邻的两行所述闭孔组之间的间距为10mm～30mm。
9.根据权利要求7所述的燃料模块，其特征在于，在所述闭孔组中，相邻的两个所述中空闭孔之间的间距为5mm～15mm。
10.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述冷却通孔的孔径为5mm～15mm。
11.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，多个所述冷却通孔排布形成多行通孔组，每一所述通孔组包括一个或多个所述冷却通孔。
12.根据权利要求11所述的燃料模块，其特征在于，相邻的两行所述通孔组之间的间距为10mm～30mm。
13.根据权利要求11所述的燃料模块，其特征在于，在所述通孔组中，相邻的两个所述冷却通孔之间的间距为5mm～15mm。
14.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述中空闭孔和所述冷却通孔交错排布。
15.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述中空闭孔的中心与所述柱体结构的外表面之间的最小间距为3mm～10mm。
16.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，所述冷却通孔的中心与所述柱体结构的外表面之间的最小间距为3mm～10mm。
17.根据权利要求1所述的燃料模块，其特征在于，在所述柱体结构内，所述中空闭孔的数量为30～300个。
18.根据权利要求1-17任一项所述的燃料模块，其特征在于，所述燃料为块状燃料、颗粒燃料及液体燃料中至少一种。
19.根据权利要求18所述的燃料模块，其特征在于，所述块状燃料包括全陶瓷包覆核燃料、核燃料烧结块体中至少一种。
20.根据权利要求18所述的燃料模块，其特征在于，所述颗粒燃料包括包覆颗粒燃料。
21.根据权利要求18所述的燃料模块，其特征在于，所述液体燃料包括液态铀的化合物、液态钚的化合物中至少一种。
22.一种权利要求1-21任一项所述的燃料模块的应用，其特征在于，所述燃料模块用于水堆、铅基堆、熔盐堆、钠冷堆或气冷堆。
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