CN114267460B - 一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可以抑制起泡现象的板状燃料元件，本发明提出在传统的板状核燃料元件表面添加涂层，所述涂层在反应堆正常工况下，热导率高于50W/m/K、弹性模量高于200GPa、蠕变率低于1×10‑15s‑1以及失效应力高于200MPa，所述涂层能够抵御冷却剂的冲刷以及板状燃料元件由于辐照效应机械作用引起的变形。本发明既适用于弥散型燃料元件也适用于单片式燃料元件。

Description

一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件
技术领域
本发明属于板状燃料元件技术领域，具体涉及一种可以抑制起泡现象的板状燃料元件。
背景技术
根据运行条件以及性能的不同，核反应堆的燃料元件具有不同的形式。板状燃料元件由于其较高的功率密度、较低的温度以及较强的机械结构，在研究堆等特殊领域的反应堆中广泛应用。板状燃料元件通常有两种形式。一种将薄片形式的燃料与包壳通过轧制的形式制成单片式燃料元件；另一种将燃料颗粒小球弥散在惰性金属基体中，再与包壳组合成弥散式燃料元件。无论何种形式的板状燃料元件，其芯体与包壳压合的结构导致其没有容纳运行过程中产生的裂变气体的空间，不断积累的裂变气体便会导致燃料元件局部发生起泡现象，使包壳产生较大的塑性变形并缩小冷却剂的流动通道，使燃料的机械结构与传热性能恶化，并最终引起失效。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种可以抑制起泡现象的板状燃料元件，能够防止板状燃料元件的鼓泡失效，既适用于弥散型燃料元件也适用于单片式燃料元件。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种可以抑制起泡现象的板状燃料元件，包括核燃料芯体1，包裹核燃料芯体1的燃料包壳2，在燃料包壳2与冷却剂接触的两侧喷涂的涂层3，所述涂层3在反应堆正常工况下，热导率高于50 W/m/K、弹性模量高于200 GPa、蠕变率低于1×10-15 s-1以及失效应力高于200 MPa，所述涂层3能够抵御冷却剂的冲刷以及板状燃料元件由于辐照效应机械作用引起的变形。
所述涂层3的高度d=5μm~40μm，所述涂层3为金属涂层、陶瓷涂层或复合涂层。
所述金属涂层为Cr涂层、FeCrAl涂层或AlTiCr涂层。
所述陶瓷涂层为SiC涂层、ZrC涂层、Al2O3涂层、Be2O3涂层、Ti2AlC涂层、Ti3AlC2涂层、Cr2AlC涂层、TiN涂层、TiAlN涂层或ZrN涂层。
所述复合涂层为Cr3C2-NiCr涂层、Cr-Zr/Cr/Cr-N涂层。
所述涂层3根据材料的不同采用冷喷涂、扩散浸渗喷涂、超音速火焰喷涂、物理气相沉积法、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束混合沉积、电弧离子镀、激光镀膜、磁控溅射或射频溅射镀膜。
本发明在板状燃料元件的两个表面分别覆盖一层涂层，该涂层具有较高的热导率，较高的弹性模量、较低的蠕变率以及较高的机械强度，能够抵御冷却剂的冲刷以及燃料元件由于辐照效应等机械作用引起的变形。
其中，涂层较高的热导率可以防止由于涂层的添加而导致传热的恶化，目标是通过涂层的添加导致燃料中心温度上升不超过10 K；较高的弹性模量能够保证燃料元件在辐照效应等机械作用下，能够产生较小的变形；较低的蠕变率可以保证包壳在开始发生起泡现象、温度升高时，发生较小的蠕变变形，从而抑制起泡的高度；较强的机械强度可以使燃料元件在发生起泡后，能够在较长的时间内保证包壳的完整性，降低由起泡引起的风险。
除此之外，根据涂层材料的特性，其还有以下作用：由于涂层与冷却剂较低的化学反应速率，可以减缓燃料元件表面的氧化与腐蚀，进一步增强燃料元件的安全性能；在反应堆发生瞬态事故时，涂层可以抑制燃料元件由于温度升高导致的热膨胀，也可以抑制由于局部温度升高导致的起泡，从而提高燃料元件在事故工况下的安全裕量。
附图说明
图1为带有涂层的板状燃料元件的纵截面示意图。
图中，1-核燃料芯体；2-燃料包壳；3-涂层。
图2为采用数值模拟方法的得到了以Zr合金为燃料包壳，以不同厚度的Cr作为涂层的燃料元件在一定温度（反应堆事故工况时的温度范围）下保持一定之间后的起泡高度变化。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种可以抑制起泡现象的板状燃料元件，它由内至外包括核燃料芯体1、包裹核燃料芯体1的燃料包壳2、以及在燃料包壳2与冷却剂接触的两侧，采用冷喷涂、物理气相沉积或扩散浸渗等方法，涂有的具有较高的热导率，较高的弹性模量、较低的蠕变率以及较高的机械强度的涂层3。涂层3的厚度d=5μm~40μm，如10μm、20μm、30μm。根据对涂层性能的要求，涂层3可以包括多种材料，如Cr涂层、FeCrAl涂层等金属涂层；SiC涂层、ZrC涂层、Al2O3涂层、Ti2AlC涂层、TiN涂层、TiAlN涂层、ZrN涂层等陶瓷涂层；Cr3C2-NiCr涂层、Cr-Zr/Cr/Cr-N涂层等复合涂层。
如图2所示，为采用数值模拟方法得到的以Zr合金为燃料包壳，以不同厚度的Cr作为涂层的燃料元件在一定温度（反应堆事故工况时的温度范围）下保持一定之间后的起泡高度变化，从图中可以看出：在相同的时刻，添加有Cr涂层的燃料包壳起泡的高度低于未添加涂层的包壳；在保证包壳与涂层的整体厚度不变的前提下，涂层越厚，起泡的高度越低；在保证原有包壳厚度的情况下，额外添加涂层时，抑制起泡的效果最为明显。数值模拟的结果显示，在板状燃料元件包壳表面添加涂层，能够在一定程度上抑制起泡的生长。
本发明所提供的可以抑制起泡现象的板状燃料元件可用于研究堆、舰船反应堆等采用板状燃料元件的反应堆中。
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 (6)

1.一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，包括核燃料芯体（1），包裹核燃料芯体（1）的燃料包壳（2），其特征在于：在燃料包壳（2）与冷却剂接触的两侧喷涂的涂层（3），所述涂层（3）在反应堆正常工况下，热导率高于50 W/m/K、弹性模量高于200 GPa、蠕变率低于1×10-15 s-1以及失效应力高于200 MPa，所述涂层3能够抵御冷却剂的冲刷以及板状燃料元件由于辐照效应机械作用引起的变形。
2.根据权利要求1所述的一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，其特征在于：所述涂层（3）的高度d=5μm~40μm，所述涂层（ 3） 为金属涂层、陶瓷涂层或复合涂层。
3.根据权利要求2所述的一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，其特征在于：所述金属涂层为Cr涂层、FeCrAl涂层或AlTiCr涂层。
4.根据权利要求2所述的一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，其特征在于：所述陶瓷涂层为SiC涂层、ZrC涂层、Al2O3涂层、Be2O3涂层、Ti2AlC涂层、Ti3AlC2涂层、Cr2AlC涂层、TiN涂层、TiAlN涂层或ZrN涂层。
5.根据权利要求2所述的一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，其特征在于：所述复合涂层为Cr3C2-NiCr涂层或Cr-Zr/Cr/Cr-N涂层。
6.根据权利要求1所述的一种用于抑制起泡现象的板状燃料元件，其特征在于：所述涂层（3）根据材料的不同采用冷喷涂、扩散浸渗喷涂、超音速火焰喷涂、物理气相沉积法、化学气相沉积、脉冲激光沉积、离子束混合沉积、电弧离子镀、激光镀膜、磁控溅射或射频溅射镀膜。
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