CN116434983A - 一种耐高温高氢含量的环形慢化元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及中子慢化元件技术领域，具体涉及一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，包括：慢化芯块、外包壳、内包壳、上端塞、下端塞、惰性气体填充层，所述内包壳的外表环形设置有慢化芯块，慢化芯块外表面覆盖有处于惰性气体填充层，惰性气体填充层的外表面环形设置有外包壳；所述外包壳和内包壳的顶端共同焊接有上端塞，所述外包壳和内包壳的底端共同焊接有下端塞；所述慢化芯块、外包壳、内包壳和惰性气体填充层构成环形慢化元件的环形结构。本发明实现对核反应堆内中子的有效慢化，以维持核裂变反应在持续可控的进行。
Description
技术领域
本发明涉及中子慢化元件技术领域，具体涉及一种耐高温高氢含量的环形慢化元件。
背景技术
通过有效地控制核裂变，并将核裂变产生的能量用于发电、提供动力。其关键在于人为地控制核裂变速率使其保持在设计工况下进行。为了使反应堆中核裂变反应得以有效地进行，需将裂变产生的快中子(能量从0.1到10MeV)迅速慢化成热中子(能量小于0.1eV)以维持裂变反应的可持续性。慢化材料是可以把快中子迅速慢化成热中子的核材料。慢化元件即是通过合理地结构设计，实现慢化材料在反应堆内的定位，并有效地发挥慢化材料作用的结构，且使慢化材料免于冷却剂等的氧化腐蚀作用。
日本以石墨为慢化材料设计并制造了中间带冷却剂流道、燃料棒孔道的六棱柱慢化结构，并应用于其以氦气为冷却剂的高温气冷堆，并成功应用于HTTR堆。美国亦采用了类似的六棱柱石墨慢化结构应用于其高温气冷堆。德国的THTR-300反应堆、中国的HTR-10、南非的PBMR等球床堆则采用球形燃料，其以石墨为慢化基体。俄罗斯TOPAZ热离子核反应堆氢化锆慢化材料部件包含了安全鼓、氢化锆慢化材料、热离子燃料元件、调节鼓、硼酸盐合金、铍反射层，其氢化锆慢化结构为含许多燃料元件孔的圆柱形结构。上述慢化材料及结构有自身优势，但由于其材料物理性能(高温稳定性、化学稳定性)和结构(与燃料元件的匹配性)限制，在应对高温、高中子辐照环境时存在不足，在高功率密度的高温、超高温反应堆设计中难以应用。
因此，需要设计一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，以解决现有技术的不足。
发明内容
本发明设计的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，用于解决现有慢化元件无法应对高温、高中子辐照或在高功率密度的高温、超高温反应堆中难以应用的技术问题。
本发明的技术方案：
一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，包括：慢化芯块、外包壳、内包壳、上端塞、下端塞、惰性气体填充层，所述内包壳的外表环形设置有慢化芯块，慢化芯块外表面覆盖有处于惰性气体填充层，惰性气体填充层的外表面环形设置有外包壳；所述外包壳和内包壳的顶端共同焊接有上端塞，所述外包壳和内包壳的底端共同焊接有下端塞；所述慢化芯块、外包壳、内包壳和惰性气体填充层构成环形慢化元件的环形结构。
所述环形慢化元件的环形结构包括为圆形环形结构、正方形环形结构、正六边形环形结构或其他环形结构，所述环形慢化元件的环形结构与相应结构的燃料组件相匹配。
所述慢化芯块为高氢含量的金属氢化物；所述高氢含量的金属氢化物材料为环形慢化元件在合适工作温度区间内失氢率低的材料。
所述外包壳的内表面和内包壳的外表面涂覆阻氢涂层，防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂；
所述阻氢涂层材料包括：氧化物涂层、硅化物涂层、钛化物涂层以及铝化物涂层；所述外包壳和内包壳材料为不锈钢。
所述的惰性气体填充层内预填充气体包括：氦气、氖气；所述预填充气体压力与全寿期裂变气体释放相匹配，并保证寿期末惰性气体填充层填充气体压力不大于外界冷却剂压力，以防止慢化元件产生较大的肿胀等变形行为。
所述外包壳和内包壳的顶端与上端塞之间设置有焊缝；所述外包壳和内包壳的底端与下端塞之间同样设置有焊缝。
所述下端塞为带倒角的环形结构；下端塞的上端面和下端面均带有环形凸台，下端塞的下端面环形凸台的外表面上设置有外螺纹或焊接连接部，下端塞的上端面环形凸台设置在外包壳和内包壳之间，下端塞的下端面环形凸台实现下端塞与燃料组件的定位；所述倒角包括倒斜角、倒圆角，有效保证了装配时的便捷性；细长棒状结构保证了慢化元件的横向定位；锥形结构减少局部截面突变引起的流动阻力损失。
所述上端塞为环形结构，上端塞的上端面和下端面均带有环形凸台，上端塞的下端面环形凸台设置在外包壳和内包壳之间，上端塞的上端面环形凸台的外表面上设置有环形凹槽，所述上端塞上端面环形凸台通过环形凹槽保证慢化元件的轴向定位，通过环形凹槽可允许慢化原件在轴向上自由伸长，以适应中子辐照效应下慢化元件的生长现象，并通过锥形结构减少局部流动阻力损失。
本发明的有益效果：
本发明设计的环形慢化元件结构，通过采用氢含量高的氢化物材料作为慢化元件芯块并将芯块做成环形，实现对核反应堆内中子的有效慢化，以维持核裂变反应在持续可控的进行；通过环形结构，使其在同等慢化效果下降低慢化元件中心温度；通过不锈钢材料作慢化元件包壳，增加慢化元件的高温耐氧化腐蚀性及结构稳定性。
本发明采用高氢含量金属氢化物作慢化芯块，具有良好的中子慢化效果。其中YHx(氢化钇，1.6≤x≤2.8)材料作慢化芯块，在超高温条件(>700℃)下氢含量依然维持在较大值。相比于氢化锆等材料，YHx在高温(>500℃)环境下能保证材料摩尔比值的稳定性，保证氢含量处于较高水平进而保证高中子慢化性能；相比于石墨等慢化材料，氢原子比石墨具有更好的慢化效果。因此，更适用于高温气冷堆、超临界二氧化碳冷却堆、氦氙气冷堆等堆芯的高温环境。
环形慢化元件可以为圆形的环形、正方形的环形、正六边形的环形或其他环形，多种形式的环形可以为不同需求设计的燃料组件相匹配，如圆柱形燃料组件、正方形燃料组件、六棱柱形燃料组件。
采用带阻氢涂层的包壳可以防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂，保证长时期服役条件下慢化元件的慢化效果；并防止冷却剂被污染。
下端塞结构可通过螺旋、焊接等方式与对内结构件的定位或固定；锥形结构可防止局部截面突变引起的流动阻力损失。
上端塞结构实现慢化元件的横向定位，在轴向上可自由伸长，以适应中子辐照效应下慢化元件的生长现象。
包壳采用不锈钢圆管，其直径为20mm-200mm，可实现冷却剂与慢化芯块的隔离，以防止冷却剂对慢化芯块的氧化腐蚀。
附图说明
图1为本发明设计的耐高温高氢含量的环形慢化元件结构纵截面图；
图2为本发明实施例中所述的圆形环形慢化元件结构横截面图
图3为本发明实施例中所述的六边形环形慢化元件结构横截面图
图4为本发明实施例中所述的正方形环形慢化元件结构横截面图
其中，1-慢化芯块、2-外包壳、3-内包壳、4-上端塞、5-下端塞、6-惰性气体填充层、7-焊缝
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件进行详细说明。
一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，包括：慢化芯块1、外包壳2、内包壳3、上端塞4、下端塞5、惰性气体填充层6，所述内包壳3的外表环形设置有慢化芯块1，慢化芯块1外表面覆盖有处于惰性气体填充层6，惰性气体填充层6的外表面环形设置有外包壳2；所述外包壳2和内包壳3的顶端共同焊接有上端塞4，所述外包壳2和内包壳3的底端共同焊接有下端塞5；所述慢化芯块1、外包壳2、内包壳3和惰性气体填充层6构成环形慢化元件的环形结构。
所述环形慢化元件的环形结构包括为圆形环形结构、正方形环形结构、正六边形环形结构或其他环形结构，所述环形慢化元件的环形结构与相应结构的燃料组件相匹配。
所述慢化芯块1为高氢含量的金属氢化物；所述高氢含量的金属氢化物材料为环形慢化元件在合适工作温度区间内失氢率低的材料。
所述外包壳2的内表面和内包壳3的外表面涂覆阻氢涂层，防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂；
所述阻氢涂层材料包括：氧化物涂层、硅化物涂层、钛化物涂层以及铝化物涂层；所述外包壳2和内包壳3材料为不锈钢。
所述的惰性气体填充层6内预填充气体包括：氦气、氖气；所述预填充气体压力与全寿期裂变气体释放相匹配，并保证寿期末惰性气体填充层填充气体压力不大于外界冷却剂压力，以防止慢化元件产生较大的肿胀等变形行为。
所述外包壳2和内包壳3的顶端与上端塞4之间设置有焊缝7；所述外包壳2和内包壳3的底端与下端塞5之间同样设置有焊缝7。
所述下端塞5为带倒角的环形结构；下端塞5的上端面和下端面均带有环形凸台，下端塞5的下端面环形凸台的外表面上设置有外螺纹或焊接连接部，下端塞5的上端面环形凸台设置在外包壳2和内包壳3之间，下端塞5的下端面环形凸台实现下端塞5与燃料组件的定位；所述倒角包括倒斜角、倒圆角，有效保证了装配时的便捷性；细长棒状结构保证了慢化元件的横向定位；锥形结构减少局部截面突变引起的流动阻力损失。
所述上端塞4为环形结构，上端塞4的上端面和下端面均带有环形凸台，上端塞4的下端面环形凸台设置在外包壳2和内包壳3之间，上端塞4的上端面环形凸台的外表面上设置有环形凹槽，所述上端塞4上端面环形凸台通过环形凹槽保证慢化元件的轴向定位，通过环形凹槽可允许慢化原件在轴向上自由伸长，以适应中子辐照效应下慢化元件的生长现象，并通过锥形结构减少局部流动阻力损失。
实施例1
如附图2所示，一种圆形环形结构截面的慢化元件由慢化芯块1、外包壳2、内包壳3、上端塞4、下端塞5、惰性气体填充层6组成，慢化芯块1处于惰性气体填充层6中，上端塞4、外包壳2、外包壳3、下端塞4共同构成了慢化芯块与外界冷却剂的隔离保护层。
上述慢化芯块1采用高氢含量的YHx(氢化钇，1.8≤x≤2.8)金属氢化物作慢化芯块1，其中YHx芯块在高温下具有更好的结构稳定性且氢损失率更低；中子慢化效果与氢含量呈正相关，因此具有更好的慢化效果。YHx(氢化钇，1.8≤x≤2.8)芯块在650℃下氢损失份额小于10％，而ZrHx(氢化锆，1.5≤x≤2.8)氢损失率超过35％。
上述环形慢化元件的环形结构为圆形环形结构更有利于与圆形燃料棒或燃料组件的配合。
慢化元件外包壳2内表面与内包壳3外表面涂覆阻氢涂层，防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂；阻氢涂层材料可以为氧化物涂层(Cr2O3、Al2O3、Y2O3、Er2O3等)、硅化物涂层(SiC等)、钛化物涂层(TiC和TiN等)以及Al化物涂层(AlN等)；包壳材料为不锈钢，可以根据工质温度选择不同的包壳材料，如316(L)、304(L)等。
所述圆形环形结构惰性气体填充层6内预填充氦气，以防止其对慢化芯块1与外包壳2、内包壳3等的化学反应及腐蚀作用；预填充气体的压力需考虑全寿期的裂变气体释放，并保证寿期末惰性气体填充层6不大于外界冷却剂压力，以防止慢化元件产生较大的肿胀等变形行为。
本实施例中下端塞5通过带倒角的细长棒状结构实现下端与燃料组件的定位；倒角可以为倒斜角、倒圆角，有效保证了装配时的便捷性；细长棒状结构保证了慢化元件的横向定位；锥形结构可减少局部截面突变引起的流动阻力损失。
本实施例中上端塞4通过螺纹保证慢化元件的轴向定位，并通过锥形结构减少局部流动阻力损失。
本实施例中慢化棒外包壳2、内包壳3与上端塞4、下端塞5通过焊接保证结构的稳定性与强度，焊缝7应有足够的强度与密封性，保证惰性气体填充层中的惰性气体不通过焊缝泄露。
本实施例可达到以下效果：
采用高氢含量金属氢化物作慢化芯块，具有良好的中子慢化效果。其中YHx(氢化钇，1.6≤x≤2.8)材料作慢化芯块，在超高温条件(>700℃)下氢含量依然维持在较大值。保证氢含量处于较高水平进而保证高中子慢化性能；相比于石墨等慢化材料，氢原子比石墨具有更好的慢化效果。因此，更适用于高温气冷堆、超临界二氧化碳冷却堆、氦氙气冷堆等堆芯的高温环境。
环形慢化元件的环形结构为圆形环形结构，更适用于圆柱形燃料棒与燃料组件。
采用带阻氢涂层的包壳可以防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂，保证长时期服役条件下慢化元件的慢化效果；并防止冷却剂被污染。
下端塞采用带棒状的锥形结构，棒状结构可通过螺旋、焊接等方式与对内结构件的定位或固定；锥形结构可防止局部截面突变引起的流动阻力损失。
上端塞亦采用带棒状的锥形结构，该棒状结构实现慢化元件的横向定位，在轴向上可自由伸长，以适应中子辐照效应下慢化元件的生长现象。
包壳采用不锈钢圆管，可实现冷却剂与慢化芯块的隔离，以防止冷却剂对慢化芯块的氧化腐蚀；不锈钢材料的耐辐照性能优良，可减少辐照变形。
惰性气体层为包壳与燃料芯块之间的空隙，预填充一定压力的氦气或其他惰性气体，该压力须为合适值并小于冷却剂压力，使得其具有良好的导热性能并具备一定的裂变产物容纳能力。
上端塞、下端塞通过焊接的方式与包壳管连接，焊缝应有足够的强度与密封性，保证惰性气体填充层中的惰性气体不通过焊缝泄露。
实施例2
如附图3所示，实施例2除环形慢化元件的环形结构截面形式与实施例1不同外，环形慢化元件的其他结构与实施例1相同。实施例2的六边形环形结构的环形慢化元件更适用于六棱柱形的燃料组件或燃料棒。
实施例3
如附图4所示，实施例3除环形慢化元件的环形结构截面采用正方形环形截面外，其他结构与实施例1相同。本实施例3可达到实施例1所述所有效果。但实施例3的正方形环形结构的环形慢化元件更适用于正方形的燃料组件或燃料棒。
上面对本发明的实施例作了详细说明，本发明并不限于上述实例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (8)
1.一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于，包括：慢化芯块(1)、外包壳(2)、内包壳(3)、上端塞(4)、下端塞(5)、惰性气体填充层(6)，所述内包壳(3)的外表环形设置有慢化芯块(1)，慢化芯块(1)外表面覆盖有处于惰性气体填充层(6)，惰性气体填充层(6)的外表面环形设置有外包壳(2)；所述外包壳(2)和内包壳(3)的顶端共同焊接有上端塞(4)，所述外包壳(2)和内包壳(3)的底端共同焊接有下端塞(5)；所述慢化芯块(1)、外包壳(2)、内包壳(3)和惰性气体填充层(6)构成环形慢化元件的环形结构。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述环形慢化元件的环形结构包括为圆形环形结构、正方形环形结构、正六边形环形结构或其他环形结构，所述环形慢化元件的环形结构与相应结构的燃料组件相匹配。
3.根据权利要求21所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述慢化芯块(1)为高氢含量的金属氢化物；所述高氢含量的金属氢化物材料为环形慢化元件在合适工作温度区间内失氢率低的材料。
4.根据权利要求31所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述外包壳(2)的内表面和内包壳(3)的外表面涂覆阻氢涂层，防止氢原子从慢化元件内逃逸出来进入冷却剂；
所述阻氢涂层材料包括：氧化物涂层、硅化物涂层、钛化物涂层以及铝化物涂层；所述外包壳(2)和内包壳(3)材料为不锈钢。
5.根据权利要求4所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述的惰性气体填充层(6)内预填充气体包括：氦气、氖气；所述预填充气体压力与全寿期裂变气体释放相匹配，并保证寿期末惰性气体填充层填充气体压力不大于外界冷却剂压力，以防止慢化元件产生较大的肿胀等变形行为。
6.根据权利要求5所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述外包壳(2)和内包壳(3)的顶端与上端塞(4)之间设置有焊缝(7)；所述外包壳(2)和内包壳(3)的底端与下端塞(5)之间同样设置有焊缝(7)。
7.根据权利要求6所述的一种耐高温高氢含量的环形慢化元件，其特征在于：所述下端塞(5)为带倒角的环形结构；下端塞(5)的上端面和下端面均带有环形凸台，下端塞(5)的下端面环形凸台的外表面上设置有外螺纹或焊接连接部，下端塞(5)的上端面环形凸台设置在外包壳(2)和内包壳(3)之间，下端塞(5)的下端面环形凸台实现下端塞(5)与燃料组件的定位；所述倒角包括倒斜角、倒圆角，有效保证了装配时的便捷性；细长棒状结构保证了慢化元件的横向定位；锥形结构减少局部截面突变引起的流动阻力损失。
8.根据权利要求1所述的棱柱形慢化元件及结构，其特征在于：所述上端塞(4)为环形结构，上端塞(4)的上端面和下端面均带有环形凸台，上端塞(4)的下端面环形凸台设置在外包壳(2)和内包壳(3)之间，上端塞(4)的上端面环形凸台的外表面上设置有环形凹槽，所述上端塞(4)上端面环形凸台通过环形凹槽保证慢化元件的轴向定位，通过环形凹槽可允许慢化原件在轴向上自由伸长，以适应中子辐照效应下慢化元件的生长现象，并通过锥形结构减少局部流动阻力损失。
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| CN202310092695.XA CN116434983A (zh) | 2023-02-10 | 2023-02-10 | 一种耐高温高氢含量的环形慢化元件 |
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2023
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