CN118299080A - 基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，燃料组件包括上下管座、导向管、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块、格架，燃料块包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道，格架包括格架篮、与格架篮连接的格架孔道，格架孔道内部为通孔，格架孔道插入冷却剂孔道内，格架篮设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块端部，导向管分别与不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通。燃料块构件便于相互串联到一起，内部燃料块采用碳化硅纤维编织外壳，提升了燃料在事故下的耐腐蚀能力，增加了韧性，燃料块利用碳化硅材料优异的裂变产物阻挡，降低裂变产物的释放，提升燃料安全。

Description

基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法

技术领域

本发明属于反应堆燃料设计与制造技术领域，具体涉及一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法。

背景技术

核事故过程中锆包壳在高温下与水反应产生大量氢气，最终导致安全壳内发生氢气爆炸使得安全壳严重损坏，堆芯熔化和安全壳破损最终导致了大规模的放射性释放。加大对耐事故燃料(ATF)的研发，以提高燃料耐事故的能力，缓解事故的后果，提高核电厂的安全性。

其中碳化硅包壳和基于TRISO颗粒开发的全陶瓷微封装燃料(FCM)是耐事故燃料中较有潜力的候选技术，碳化硅包壳具有优秀的辐照稳定性，辐照肿胀率较低，能够有效抵御事故和偏离泡核沸腾的冲击，在高温蒸汽中抗氧化性远远优于锆合金，在事故温度条件下其产生的氢远低于锆合金，有效降低事故下产氢。全陶瓷微封装燃料是一种将TRISO包覆颗粒弥散到碳化硅基体中的燃料芯块技术，碳化硅基体提供了超常的辐照稳定性，高热导率，正常运行工况下的热力学稳定性，水中低腐蚀率以及高温蒸汽中更慢的反应速率，而TRISO包覆颗粒本身提供了裂变产物的有效屏障，碳化硅基体则在其基础上进一步加强了燃料的裂变产物阻挡能力，能有效降低事故下裂变产物的释放。

但是这两种候选技术目前均存在一定的缺陷，碳化硅包壳目前缺少合适的端塞及其连接结构，不能有效保证包壳内部的裂变产物不泄露，而全陶瓷微封装燃料中，单位体积的铀装量远小于二氧化铀芯块，为了保证采用该燃料的堆芯功率不变，则反应堆体积增大明显，相应建设成本增大。

发明内容

对于目前的碳化硅包壳及全陶瓷微封装燃料技术而言，其应用难点分别在于包壳与端塞的连接、芯块铀装量较低，而这些难点均与当前的燃料棒、燃料芯块设计有关：燃料棒内部自由空间的设计使得包壳与端塞的连接较为困难，如果燃料棒内部填充满碳化硅材料，则其自动实现了封口，无需端塞；燃料芯块的设计使得TRISO颗粒的弥散空间局限在芯块内，没有充分利用组件尺寸内的可用空间。本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，燃料块构件的结构便于相互串联到一起，基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料块构件，通过以碳化硅为基体的方形TRISO颗粒弥散燃料块的设计保留碳化硅包壳及全陶瓷微封装燃料在事故下的优异性能，同时实现在当前民用富集度允许的情况下，本燃料块构件具有与现有压水堆燃料块构件相当的铀235装载量。

解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，包括导向管、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块、格架，燃料块包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道，格架包括格架篮、与格架篮连接的格架孔道，格架孔道内部为通孔，格架孔道插入冷却剂孔道内，格架篮设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块端部，导向管分别与不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

优选的是，燃料块本体包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括容纳件、第一碳化硅气相沉积层，容纳件上设有开口，容纳件用于盛放核燃料单元，第一碳化硅气相沉积层设置于容纳件、容纳件开口处的核燃料单元外，容纳件包括碳化硅纤维编织外壳、第二碳化硅气相沉积层，第二碳化硅气相沉积层设置于碳化硅纤维编织外壳外。

优选的是，核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中。

优选的是，TRISO包覆燃料颗粒为氮化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒或二氧化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒。

优选的是，格架孔道的高度高于格架篮的高度。

优选的是，格架包括第一格架、第二格架，第一格架、第二格架分别设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块两端。

优选的是，格架篮过盈配合包覆燃料块端部。

优选的是，格架孔道的外壁与冷却剂孔道的内壁相贴合。

优选的是，格架的材质为锆合金、铝材、不锈钢、碳化硅中的任意一种。

优选的是，所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，还包括上管座、下管座，导向管分别与上管座、所有燃料块构件及下管座连接，导向管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，除燃料块中心冷却剂孔道外的冷却剂孔道内均布置有导向管。

优选的是，所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，还包括仪表管，仪表管用于对仪表组件提供容纳空间和导向，仪表管位于燃料组件的正中心，仪表管分别与上管座、所有燃料块构件以及下管座连接，仪表管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通。

本发明还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，包括以下步骤：

制备燃料块；

将格架的格架孔道插入燃料块的冷却剂孔道，得到燃料块构件；

通过导向管将不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

优选的是，燃料块的制备方法包括以下步骤：

1)以碳化硅纤维为原料，通过编织的方式形成碳化硅纤维编织外壳，然后采用化学气相沉积工艺于碳化硅纤维编织外壳外层沉积碳化硅形成第二碳化硅气相沉积层，整体得到开口的容纳件；

2)向开口的容纳件内添加燃料单元；

3)对添加了燃料单元的容纳件外壳进行预压，然后利用化学气相渗透工艺，将燃料单元内部空隙、燃料单元与容纳件连接处、容纳件开口均渗透沉积碳化硅使之连成一片整体形成第一碳化硅气相沉积层并实现封口，得到燃料块。

优选的是，所述步骤3)预压的压力为1～15MPa。

优选的是，所述步骤2)中核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中，TRISO包覆燃料颗粒在容纳件内部空间的体积占比达到42％～56％。

本发明提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，其内部燃料块采用碳化硅纤维编织外壳，提升了燃料在事故下的耐腐蚀能力，增加了燃料块本身的韧性，燃料块内部采用TRISO包覆燃料颗粒弥散至碳化硅基体的设计，充分利用碳化硅材料优异的裂变产物阻挡能力，大幅降低裂变产物的释放，提升燃料安全。燃料块采用化学气相渗透工艺进行封口，避免了碳化硅包壳端塞焊接问题。燃料块内部均为TRISO包覆燃料颗粒弥散结构，相比于燃料棒设计，在组件总尺寸不变的情况下大幅扩展了TRISO包覆燃料颗粒的可弥散空间，叠加TRISO大核芯颗粒以及氮化铀核芯的设计弥补了由于TRISO包覆燃料颗粒弥散所带来的铀装量损失。本发明在保留了耐事故燃料中碳化硅包壳与全陶瓷微封装燃料的优势的基础上，进一步改善了二者的缺陷。

附图说明

图1为方形燃料块编织外壳示意图。

图2为方形容纳件内添加TRISO燃料颗粒示意图。

图3为方形燃料块示意图。

图4为方形格架示意图。

图5为格架安装示意图。

图6为基于TRISO包覆燃料颗粒的燃料组件示意图。

其中：1、编织外壳；2、TRISO包覆燃料颗粒；3、燃料块；

4、冷却剂孔道；5、格架；6、导向管；7、仪表管；8、上管座；

9、下管座；10-格架篮；11-格架孔道。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。

实施例1

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，包括导向管、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块、格架，燃料块包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道，格架包括格架篮、与格架篮连接的格架孔道，格架孔道内部为通孔，格架孔道插入冷却剂孔道内，格架篮设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块端部，导向管分别与不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

本实施例还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，包括以下步骤：

制备燃料块；

将格架的格架孔道插入燃料块的冷却剂孔道，得到燃料块构件；

通过导向管将不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，燃料块构件的结构便于相互串联到一起，燃料块采用化学气相渗透工艺进行封口，避免了碳化硅包壳端塞焊接问题。燃料块内部均为TRISO包覆燃料颗粒弥散结构，相比于燃料棒设计，在组件总尺寸不变的情况下大幅扩展了TRISO包覆燃料颗粒的可弥散空间，叠加TRISO大核芯颗粒以及氮化铀核芯的设计弥补了由于TRISO包覆燃料颗粒弥散所带来的铀装量损失。。

实施例2

如图1～6所示，本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，包括导向管6、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块3、格架5，燃料块3包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道4，格架5包括格架篮10、与格架篮10连接的格架孔道11，格架孔道11内部为通孔，格架孔道11插入冷却剂孔道4内，格架篮10设置于沿着冷却剂孔道4方向的燃料块3端部，导向管6分别与不同的燃料块构件的格架5连接，导向管6通过格架孔道11与冷却剂孔道4联通，导向管6用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

优选的是，燃料块本体包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括容纳件、第一碳化硅气相沉积层，容纳件上设有开口，容纳件用于盛放核燃料单元，第一碳化硅气相沉积层设置于容纳件、容纳件开口处的核燃料单元外，容纳件包括碳化硅纤维编织外壳1、第二碳化硅气相沉积层，第二碳化硅气相沉积层设置于碳化硅纤维编织外壳1外。

优选的是，核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒2、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒2弥散于碳化硅基体中。

优选的是，TRISO包覆燃料颗粒2为氮化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒2或二氧化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒2。

优选的是，格架孔道11的高度高于格架篮10的高度。

优选的是，格架5包括第一格架、第二格架，第一格架、第二格架分别设置于沿着冷却剂孔道4方向的燃料块3两端。

优选的是，格架篮10过盈配合包覆燃料块3端部。

优选的是，格架孔道11的外壁与冷却剂孔道4的内壁相贴合。

优选的是，格架5的材质为锆合金、铝材、不锈钢、碳化硅中的任意一种。

具体的，本实施例中的格架5的材质为锆合金。

如图6所示，所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，还包括上管座8、下管座9，导向管6包括多根导向管，导向管6分别与上管座8、所有燃料块构件以及下管座9连接，导向管通过格架孔道11与燃料块构件的冷却剂孔道4联通，上管座8通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道4联通，下管座9通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道4联通，除燃料块中心冷却剂孔道外的冷却剂孔道内均布置有导向管。

优选的是，所述的燃料组件，还包括仪表管7，仪表管7用于对仪表组件提供容纳空间和导向，仪表管7位于燃料组件的正中心，仪表管与上管座8、所有燃料块构件以及下管座9连接，，仪表管通过格架孔道11与燃料块构件的冷却剂孔道4联通，上管座8通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道4联通，下管座9通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道4联通。

本实施例还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，包括以下步骤：

制备燃料块3；

将格架5的格架孔道11插入燃料块3的冷却剂孔道4，得到燃料块构件；

通过导向管6将不同的燃料块构件的格架5连接，导向管6通过格架孔道11与冷却剂孔道4联通，导向管6用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

优选的是，燃料块3的制备方法包括以下步骤：

1)以碳化硅纤维为原料，通过编织的方式形成碳化硅纤维编织外壳1，然后采用化学气相沉积工艺于碳化硅纤维编织外壳1外层沉积碳化硅形成第二碳化硅气相沉积层，整体得到开口的容纳件；

2)向开口的容纳件内添加燃料单元；

3)对添加了燃料单元的容纳件外壳进行预压，然后利用化学气相渗透工艺，将燃料单元内部空隙、燃料单元与容纳件连接处、容纳件开口均渗透沉积碳化硅使之连成一片整体形成第一碳化硅气相沉积层并实现封口，得到燃料块3。

优选的是，步骤1)中化学气相沉积工艺的温度为1400～1700℃，压力为常压或者略低于常压。

优选的是，所述步骤3)预压的压力为1～15MPa。

具体的，本实施例中的预压的压力为6MPa。

优选的是，步骤3)中化学气相渗透工艺的温度为1000～1400℃，压力为略低于常压。

优选的是，所述步骤2)中核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒2、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒2弥散于碳化硅基体中，TRISO包覆燃料颗粒2在容纳件内部空间的体积占比达到42％～56％。

具体的，本实施例中TRISO包覆燃料颗粒2在容纳件内部空间的体积占比达到56％。

具体的，本实施例中基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，上管座8位于顶部、下管座9位于底部。

其中上管座8是一个盒式结构件，其作用是为燃料块构件上部提供结构支撑和冷却剂出口通道，并对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供保护；导向管6与仪表管7为金属管道，为仪表、控制棒组件及其它堆芯相关组件提供容纳空间与导向，与格架5相连接为方形燃料块3提供支撑；下管座9是燃料块构件的底部结构件，引导冷却剂流入燃料块构件，并将燃料块构件受到的横向载荷及轴向载荷传递到下堆芯板上。上述部件的主体设计与主要功能可采用当前压水堆燃料块构件的成熟方案，也可采用后续自主设计方案，其几何尺寸设计与方形燃料块3的尺寸设计相匹配即可。

方形燃料块3为燃料主体，承载着燃料组件内的所有燃料，整体为长方体，其上布置若干通孔，作为冷却剂孔道4以及导向管6、仪表管7连接孔道。方形燃料块方形外壳及冷却剂孔道外壳均采用采用碳化硅纤维编织后碳化硅气相沉积结构，其外壳内部为TRISO包覆燃料颗粒2弥散至碳化硅基体的结构。

燃料块格架5整体为方形金属格架篮10，其内部分布若干与燃料块冷却剂孔道4相匹配的格架孔道11，燃料块格架5安装在方形燃料块3上，方形金属格架篮10通过过盈配合包裹方形燃料块3顶部与底部，格架5中的格架孔道11与燃料块3内部冷却剂孔道4相配合，导向管6、仪表管7穿过格架5中的格架孔道11，三者经过尺寸设计，互相配合，最终格架5底面与导向管6、仪表管7接触的位置进行焊接。导向管6、仪表管7对燃料块格架5提供支撑，而燃料块格架5则对方形燃料块3提供支撑。

方形燃料块3制造时将包覆燃料颗粒与碳化硅粉末倾倒入碳化硅纤维编织外壳1外层通过化学气相沉积工艺沉积碳化硅形成第二碳化硅气相沉积层形成的容纳件的内部空间中，形成燃料区，后续利用化学气相渗透工艺，将燃料区内部空隙、燃料区与容纳件外壳连接处、燃料块3顶部均渗透沉积碳化硅材料使之连成一片整体，最终形成方形燃料块3。该制造工艺方式燃料区不需要高温加压烧结，不用考虑高温加压环境下TRSIO包覆燃料颗粒2互相之间的碰撞破损，因此燃料区内的TRSIO包覆燃料颗粒2的体积占比可提升至50％以上，进一步结合大核芯颗粒设计(核芯在TRISO中的体积占比大于20％)与氮化铀核芯设计，可大幅提升燃料组件单位体积的燃料装载。

以当前小堆燃料组件设计为例，本发明包覆燃料颗粒的体积占比50％，核芯体积占比20％，氮化铀核芯，在方形燃料块3具有与当前小堆燃料组件相同的冷却剂流道面积的情况下，本发明在19％富集度的情况下具有与4.45％富集度的小堆燃料组件相同的U235装载，也就是说本发明实现了在当前民用富集度允许的情况下具有与现有压水堆燃料组件相当的铀235装载量，且同时拥有很强耐腐蚀氧化能力与裂变产物包容能力，大幅提升燃料组件事故下性能，兼顾了燃料组件的安全性与经济性，具备了替换当前压水堆燃料组件的可能。

本实施例基于TRISO包覆燃料颗粒2的压水堆燃料组件针对压水堆开发，其外形结构可为多种规则结构形式，但需要匹配压水堆堆芯设计，当前成熟的压水堆燃料组件设计主要有方形及六棱柱形，后续如果有新的发展，本实施例可适配该外形。下面以方形燃料组件为例结合说明书附图对本实施例做进一步详细说明。当然，燃料组件也可以为六棱柱形。

该燃料组件具体如下：

1、如图1所示的是方形燃料块3碳化硅纤维编织外壳1示意图，以碳化硅纤维为原料，依托相同形状的模具，通过编织的方式形成燃料块3碳化硅纤维编织外壳1，然后采用化学气相沉积工艺于碳化硅纤维编织外壳1外层沉积一层第二碳化硅气相沉积层(碳化硅材料)固化外壳外观与尺寸，整体得到开口的容纳件，此时方形容纳件尺寸略大于最终的方形燃料块3外观尺寸；

2、向方形容纳件内添加TRISO包覆燃料颗粒2及碳化硅粉，获得如图2所示的容纳件内添加TRISO包覆燃料颗粒2及碳化硅粉部件，其中TRISO包覆燃料颗粒2可使用大核芯尺寸(核芯体积占比大于20％)、氮化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒2，也可使用常用的二氧化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒2，TRISO包覆燃料颗粒2在方形容纳件内部空间的体积占比达到50％以上；

3、对添加了TRISO包覆燃料颗粒2及碳化硅粉的方形容纳件外壳进行预压，预压压力较低，对比现有技术中的部分其他芯块预压压力最高可达30～50MPa，然后利用化学气相渗透(CVI)工艺，将燃料区内部空隙、燃料区与容纳件连接处、燃料块3顶部均渗透沉积碳化硅材料使之连成一片整体形成第一碳化硅气相沉积层并实现封口，最终形成方形燃料块3，如图3所示，燃料块3整体为长方体，其上存在若干截面为圆形的冷却剂孔道4，利用机加工的方式对化学气相渗透得到的方形燃料块3进行精加工，使之尺寸与表面粗糙度满足要求；

4、如图4所示的是方形格架5示意图，不同于燃料块3的主材碳化硅，方形格架5采用锆合金制造，格架5整体为方形金属格架篮10，其内部分布若干与燃料块冷却剂孔道4相匹配的格架孔道11，其中方形金属格架篮10内壁边长略小于方形燃料块3的外形边长，格架孔道11的外径基本与方形燃料块冷却剂孔道4的内径贴合，格架孔道11的高度高于方形金属格架篮10的高度，便于后续的安装；

5、如图5所示的是格架5安装示意图，首先方形格架5通过自身冷却剂格架孔道11与方形燃料块的冷却剂孔道4相配合，然后对格架5内方形金属格架篮10外框进行加热，使之热膨胀后内壁边长略微超过方形燃料块3外形边长，此时进行装配后降温，实现格架5与燃料块3的过盈配合，方形燃料块3两端均装配方形格架5；

6、通过若干导向管6与仪表管7(燃料块3中心为仪表管7，其余为导向管6)将若干两端装配格架5的方形燃料块3串联起来，导向管6、仪表管7与格架5底部的接触位置进行焊接连接，导向管6、仪表管7两端连接上管座与下管座最终形成了基于TRISO包覆燃料颗粒的压水堆燃料组件，如图6所示。导向管6、仪表管7尺寸与方形燃料块冷却剂孔道4尺寸相匹配，上管座8与下管座9可采用当前压水堆的设计，也可采用后续的改进设计。

本实施例提供一种基于TRISO包覆燃料颗粒2的压水堆燃料块构件，所述燃料块构件整体外形与目前的压水堆燃料块构件基本一致，其内部不采用传统的燃料棒的形式，而是通过导向管6、仪表管7将若干带有冷却剂孔道4的方形燃料块3串联到一起，最终形成燃料块构件。所述方形燃料块3整体为长方体，其上布置若干通孔，作为冷却剂孔道4以及导向管6、仪表管7连接孔道，方形燃料块3外壳采用碳化硅纤维编织后碳化硅气相沉积结构，内部为TRISO包覆燃料颗粒2弥散结构，弥散基体材料仍为碳化硅。所述方形燃料块3通过锆合金格架5与导向管6、仪表管7焊接在一起，锆合金格架5对燃料块3起到定位与支撑的作用。

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，其内部燃料块3采用碳化硅纤维编织外壳1，提升了燃料在事故下的耐腐蚀能力，增加了燃料块3本身的韧性，燃料块3内部采用TRISO包覆燃料颗粒2弥散至碳化硅基体的设计，充分利用碳化硅材料优异的裂变产物阻挡能力，大幅降低裂变产物的释放，提升燃料安全。该燃料形式在保留了上述碳化硅包壳与全陶瓷微封装燃料优势的基础上，燃料块3采用化学气相渗透工艺进行封口，避免了碳化硅包壳端塞焊接问题。燃料块3内部均为TRISO包覆燃料颗粒2弥散结构，相比于燃料棒设计，在燃料块构件总尺寸不变的情况下大幅扩展了TRISO包覆燃料颗粒2的可弥散空间，叠加TRISO大核芯颗粒以及氮化铀核芯的设计弥补了由于TRISO包覆燃料颗粒2弥散所带来的铀装量损失，大幅提升了相同体积下燃料块构件的铀装量。本实施例在保留了耐事故燃料中碳化硅包壳与全陶瓷微封装燃料的优势的基础上，进一步改善了二者的缺陷。

实施例3

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，与实施例2中的区别为：

格架5的材质为铝材。

本实施例还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，与实施例2中的区别为：

步骤3)预压的压力为1MPa。

步骤2)中TRISO包覆燃料颗粒2在容纳件内部空间的体积占比达到42％。

实施例4

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，与实施例2中的区别为：

格架5的材质为不锈钢。

本实施例还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，与实施例2中的区别为：

步骤3)预压的压力为15MPa。

步骤2)中TRISO包覆燃料颗粒2在容纳件内部空间的体积占比达到48％。

实施例5

本实施例提供一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，与实施例2中的区别为：

格架5的材质为碳化硅。

本实施例还提供一种上述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，与实施例2中的区别为：

步骤3)预压的压力为10MPa。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，包括导向管、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块、格架，燃料块包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道，格架包括格架篮、与格架篮连接的格架孔道，格架孔道内部为通孔，格架孔道插入冷却剂孔道内，格架篮设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块端部，导向管分别与不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

2.根据权利要求1所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，燃料块本体包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括容纳件、第一碳化硅气相沉积层，容纳件上设有开口，容纳件用于盛放核燃料单元，第一碳化硅气相沉积层设置于容纳件、容纳件开口处的核燃料单元外，容纳件包括碳化硅纤维编织外壳、第二碳化硅气相沉积层，第二碳化硅气相沉积层设置于碳化硅纤维编织外壳外。

3.根据权利要求2所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中。

4.根据权利要求3所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，TRISO包覆燃料颗粒为氮化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒或二氧化铀核芯的TRISO包覆燃料颗粒。

5.根据权利要求1所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，格架孔道的高度高于格架篮的高度。

6.根据权利要求1所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，格架包括第一格架、第二格架，第一格架、第二格架分别设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块两端。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，格架篮过盈配合包覆燃料块端部。

8.根据权利要求1～6任意一项所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，格架孔道的外壁与冷却剂孔道的内壁相贴合。

9.根据权利要求1～6任意一项所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，格架的材质为锆合金、铝材、不锈钢、碳化硅中的任意一种。

10.根据权利要求1～6任意一项所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，还包括上管座、下管座，导向管分别与上管座、所有燃料块构件及下管座连接，导向管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，除燃料块中心冷却剂孔道外的冷却剂孔道内均布置有导向管。

11.根据权利要求10所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件，其特征在于，还包括仪表管，仪表管用于对仪表组件提供容纳空间和导向，仪表管位于燃料组件的正中心，仪表管分别与上管座、所有燃料块构件以及下管座连接，仪表管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通。

12.一种权利要求1～11任意一项所述的基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

制备燃料块；

将格架的格架孔道插入燃料块的冷却剂孔道，得到燃料块构件；

通过导向管将不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

13.根据权利要求12所述的基于TRISO包覆颗粒的燃料组件的制备方法，其特征在于，燃料块的制备方法包括以下步骤：

1)以碳化硅纤维为原料，通过编织的方式形成碳化硅纤维编织外壳，然后采用化学气相沉积工艺于碳化硅纤维编织外壳外层沉积碳化硅形成第二碳化硅气相沉积层，整体得到开口的容纳件；

2)向开口的容纳件内添加燃料单元；

3)对添加了燃料单元的容纳件外壳进行预压，然后利用化学气相渗透工艺，将燃料单元内部空隙、燃料单元与容纳件连接处、容纳件开口均渗透沉积碳化硅使之连成一片整体形成第一碳化硅气相沉积层并实现封口，得到燃料块。

14.根据权利要求13所述的基于TRISO包覆颗粒的燃料组件的制备方法，其特征在于，所述步骤3)预压的压力为1～15MPa。

15.根据权利要求13所述的基于TRISO包覆颗粒的燃料组件燃料块构件的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中核燃料单元包括：TRISO包覆燃料颗粒、碳化硅基体，TRISO包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中，TRISO包覆燃料颗粒在容纳件内部空间的体积占比达到42％～56％。