CN114203314A - 一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，包括燃料芯块，设置在燃料芯块周围的复合碳化硅包壳，以及用于填充部分芯块‑包壳间隙空间的液态金属。该燃料棒设计通过使用液态金属代替氦气以加强间隙导热能力，明显降低由于碳化硅包壳受辐照后热导率降低导致的较高燃料温度；通过增大间隙尺寸，在保证燃料温度处于较低水平的同时，避免反应堆运行期间燃料芯块与包壳发生机械相互作用，维持外层包壳始终为受压状态，显著降低碳化硅包壳失效概率，提高碳化硅包壳燃料棒运行的安全性。

Description

一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒
技术领域
本发明属于核反应堆燃料元件设计领域，具体涉及一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒。
背景技术
碳化硅(SiC)材料由于其极高的高温强度、极强的抗腐蚀和耐磨性能、良好的中子经济性等优势，是当前事故容错燃料包壳材料的热门选型之一。目前核级SiC材料主要有两种：单质SiC，由化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术制造的高纯度β相SiC，简称CVD；另一种是纤维增强的SiCf/SiC陶瓷基复合材料(Ceramic MatrixComposite，CMC)，简称为CMC。
CVD材料中孔隙率很低，密度较大，属于典型的陶瓷材料，不具备塑性变形能力。由于存在天然的脆性，CVD单独作为包壳材料在承受拉应力时可能发生灾难性的结构破碎。CMC的材料中的纤维和基体的主要成分均为高纯度β相SiC，但是具有一定的孔隙率，故单独的CMC材料不能保证包壳的气密性，且CMC耐腐蚀能力相对CVD较差，一般不应与冷却剂直接接触。两种材料均不能单独作为包壳材料使用。CMC材料的特殊微观构造，使其拥有类塑性变形能力，和CVD材料一起作为包壳能够一定程度上弥补CVD材料的脆性造成的破损风险，故当前大部分设计采用多层结构，如内层CMC，外层CVD包壳的设计以保证包壳性能。
在未受辐照时，CVD具有优于传统锆合金的导热性能，而CMC因存在一定的孔隙率，热导率与锆合金相当。然而在辐照损伤的作用下，CVD和CMC的热导率均会急剧下降，在反应堆运行一段时间后其热导率明显小于传统锆合金包壳，导致燃料温度显著高于锆合金包壳燃料。
在反应堆运行过程中，燃料芯块在热膨胀、辐照肿胀、重定位等效应作用下，其与包壳之间的间隙会逐渐闭合，直至发生接触，即芯块-包壳机械相互作用(Pellet-CladdingMechanical Interaction，PCMI)，PCMI作用会导致芯块对包壳施加压应力，而SiC材料无法通过蠕变变形缓解应力，故包壳将承受较大的环向拉应力，且由于陶瓷材料的概率失效特性，其失效行为难以预测，对反应堆内运行安全性不利。
目前关于缓解PCMI作用和SiC包壳燃料棒设计已有一些相关研究。
例如中国专利CN 102789820B提供了一种核燃料棒，包括燃料芯块、包壳和在燃料芯块与包壳之间的支撑内衬。该燃料棒通过由金属材料制成的支撑内衬以强化散热，缓解PCMI现象。但该燃料棒是针对传统金属包壳进行设计，对于SiC包壳，由于该金属内衬始终与芯块和包壳接触，会对SiC包壳产生较大的局部应力且无法通过蠕变变形缓解，无法避免其失效。
又如专利US 2013/0163711 A1提供了一种多孔固体材料填充芯块-包壳间隙的设计，缓解PCMI应力，保证包壳应力处于要求范围内，并增强间隙导热。但随着间隙逐渐闭合，该间隙材料对包壳施加的应力会逐渐增大，导致包壳所受拉应力逐渐增大。对于CVD材料，只要存在正的拉应力即有概率发生失效，应尽量保证其不发生PCMI作用，即保证其应力始终为负。
再如文献《Fuel performance optimization of U3Si2-SiC design duringnormal,power ramp and RIA conditions[J].Nuclear Engineering and Design,2019,353:110276》使用U3Si2芯块代替UO2芯块与SiC包壳结合，显著降低燃料温度及包壳失效概率。但当前高铀密度芯块尚未投入工程应用，且由于其熔点较低，燃料温度裕量较小。目前针对传统UO2燃料芯块的SiC包壳燃料棒尚无成熟的设计。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，解决SiC包壳辐照后热导率下降导致燃料温度偏高，以及发生PCMI后包壳存在破损风险的问题。本发明核燃料棒包壳为内层CVD SiC、外层CMC SiC组成的双层SiC包壳，使用液态金属代替传统的氦气(He)填充燃料芯块与包壳之间的部分间隙，大大提升间隙换热能力，明显降低燃料温度。由于液态金属良好的导热能力，适当增大燃料棒初始间隙尺寸，在保证燃料温度几乎不增大的情况下，避免运行过程中PCMI作用的发生，即避免CVD层SiC包壳承受大的拉应力导致失效，显著降低SiC包壳失效概率，保证燃料棒在反应堆运行期间的完整性。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，包括燃料芯块G、复合碳化硅包壳以及用于填充芯块-包壳间隙的液态金属材料F；所述液态金属材料熔点低于300℃，在反应堆正常运行温度条件下处于液态，热导率高于10W·m-1·K-1，化学性质稳定，热中子吸收截面与锆合金相当或更低；所述液态金属材料F不完全填充芯块-包壳间隙的全部空间，燃料棒内存在自由空间以容许燃料棒运行期间的热膨胀、辐照肿胀效应导致的间隙体积减小，并容纳运行过程中释放的裂变气体，保证燃料棒内压处于正常水平。
所述复合碳化硅包壳包括CVD型碳化硅外层包壳D和CMC型碳化硅内层包壳E。
所述液态金属材料处于燃料芯块G与复合碳化硅包壳之间间隙的环形空间；燃料芯块G顶部为空腔，通过压紧弹簧B与上端塞A连接，空腔内为填充气体C。
在燃料棒制造加工完成时，即冷态下，液态金属材料F填充高度低于燃料芯块G总高度。
所述填充气体C采用氦气，氦气填充燃料棒除液态金属材料F填充后的剩余空间，填充氦气压力为常压或低于常压。
所述液态金属材料F采用铅铋合金。
所述燃料芯块G和复合碳化硅包壳底部为下端塞H。
初始加工完成的液态金属(冷态下为固体)填充燃料棒活性区一定高度的芯块-包壳间隙空间，在反应堆启动后，该间隙材料熔化为液态。在反应堆运行工况下，燃料芯块发生热膨胀、辐照肿胀、重定位等效应，间隙尺寸减小，同时由于液态金属材料热膨胀，导致液位上升，液态金属浸没大部分燃料芯块，大幅提高间隙导热性能，降低燃料温度。
由于间隙材料为液态，其对包壳施加的压力与燃料棒内部气体压力基本一致，不会导致包壳受到额外压力。在本发明燃料棒中，初始制造间隙尺寸略大于传统燃料棒，由于液态金属相比于氦气极强的导热性能，在增大的间隙尺寸下芯块外壁面与包壳内壁面温差仍保持在极小的水平，即燃料温度几乎不会因间隙的略微增大而上升。
该增大的间隙尺寸由燃料棒运行功率决定，保证在反应堆运行期间燃料芯块外径的增大不会导致间隙完全闭合而与包壳发生直接接触，即避免PCMI作用的发生，保证CVD型碳化硅外层包壳始终处于受压状态，避免其发生失效。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.压水堆正常运行工况下，燃料芯块峰值温度低于2000K，保证燃料芯块温度具有足够的安全裕量。
2.液态金属间隙填充材料不会对包壳施加额外的压力。
3.在反应堆正常运行工况下，不会发生PCMI作用，CVD层SiC应力始终为负，显著降低其失效概率，保证包壳完整性。
4.避免CMC层SiC在PCMI作用下因机械损伤发生热导率下降从而导致燃料温度进一步升高的现象。
附图说明
图1为本发明核燃料棒结构示意图。
图2为本发明核燃料棒横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示为本发明的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒的一个实例，包括CVD型碳化硅外层包壳D、CMC型碳化硅内层包壳E、液态金属材料F、燃料芯块G。该燃料棒还可包括上端塞A、压紧弹簧B、填充气体C、下端塞H等一般核燃料棒的结构部件。
燃料包壳采用双层复合碳化硅包壳，包括CVD型碳化硅外层包壳D和CMC型碳化硅内层包壳E，其中CVD型碳化硅外层包壳具有极强的耐腐蚀能力，与冷却剂直接接触，并保证包壳的气密性。CMC型碳化硅内层CMC包壳能够发生类塑性变形，主要承受拉应力，保证包壳不会发生破碎。
液态金属材料F应选用熔点较低、热导率高、中子经济性好、化学性质稳定的材料，在本实例中选用铅铋合金，也可选用铅等类似材料。
液态金属材料F在燃料棒制造加工时进行填充，填充高度在冷态下应小于燃料棒活性区高度，即燃料芯块总高度。一方面，燃料棒中间高度功率较高从而导致燃料温度较高，故燃料棒上部区域不需要加强换热即可保持较低的温度；另一方面，由于反应堆运行工况下间隙闭合和液态金属热膨胀作用，其液位相比冷态会有明显上升，浸没大部分或全部燃料芯块。若初始填充高度过高，会导致运行期间燃料棒内容纳裂变气体空间过小，导致内压过高，对燃料棒安全性不利。
燃料芯块G为反应堆常用燃料芯块，本实例中采用传统二氧化铀芯块，本发明也可采用掺杂燃料芯块、高密度芯块等新型燃料芯块。
填充气体C采用氦气。在传统核燃料棒中，一般初始填充氦气具有较大的压力，目的是提高间隙换热能力，并与外界冷却剂压力相平衡以降低锆合金包壳蠕变速率。对于本发明的核燃料棒，高功率区域的间隙导热依靠液态金属，其导热性能远高于氦气；另外碳化硅包壳的蠕变速率极低，并且能够承受大的压应力，故填充的氦气可以具有较低的压力，以容纳更多反应堆运行期间产生的裂变气体。本实例中填充压力采用常压，也可采用更低的压力。
由于液态金属占据了燃料棒内部大部分自由空间，剩余容纳裂变气体的空间相比传统燃料棒较小，在相同燃耗下可能导致较大的燃料棒内压。故本发明的核燃料棒采用了更大的上空腔设计(及压紧弹簧B所处区域)，以保证燃耗后期燃料棒内压处于正常水平。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (7)

1.一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，其特征在于：包括燃料芯块(G)、复合碳化硅包壳以及用于填充芯块-包壳间隙的液态金属材料(F)；所述液态金属材料熔点低于300℃，在反应堆正常运行温度条件下处于液态，热导率高于10W·m-1·K-1，化学性质稳定，热中子吸收截面与锆合金相当或更低；所述液态金属材料(F)不完全填充芯块-包壳间隙的全部空间，燃料棒内存在自由空间以容许燃料棒运行期间的热膨胀、辐照肿胀效应导致的间隙体积减小，并容纳运行过程中释放的裂变气体，保证燃料棒内压处于正常水平。
2.如权利要求1所述的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，其特征在于：所述复合碳化硅包壳包括CVD型碳化硅外层包壳(D)和CMC型碳化硅内层包壳(E)。
3.如权利要求1所述的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，其特征在于：所述液态金属材料处于燃料芯块(G)与复合碳化硅包壳之间间隙的环形空间；燃料芯块(G)顶部为空腔，通过压紧弹簧(B)与上端塞(A)连接，空腔内为填充气体(C)。
4.如权利要求3所述液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳的核燃料棒，其特征在于：在燃料棒制造加工完成时，即冷态下，液态金属材料(F)填充高度低于燃料芯块(G)总高度。
5.如权利要求3所述的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，其特征在于：所述填充气体(C)采用氦气，氦气填充燃料棒除液态金属材料(F)填充后的剩余空间，填充氦气压力为常压或低于常压。
6.如权利要求1所述的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳燃料棒，其特征在于：所述液态金属材料(F)采用铅铋合金。
7.如权利要求1所述的液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳燃料棒，其特征在于：所述燃料芯块(G)和复合碳化硅包壳底部为下端塞(H)。
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