[发明专利]采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒

说明书

技术领域

本发明涉及核反应堆工程领域中的燃料棒，可作为快中子反应堆或热中子反应堆堆芯燃料棒。

背景技术

核燃料棒是核反应堆中释放能量的基本单元，一定数量的燃料棒通过底座和格架等结构件组装形成燃料组件，核反应堆堆芯则由这些燃料组件组成。核燃料棒一般由燃料芯块和包壳组成，芯块和包壳之间一般留有一定的间隙。同时，在燃料棒的上部还留有空腔，用于容纳燃料棒在长期的核反应过程中产生的裂变气体。

燃料芯块是真正发热的核燃料元件。最常见的燃料芯块是通过粉末冶金和高温烧结形成的UO₂陶瓷芯块，称之为陶瓷型燃料。陶瓷型燃料还包括碳化物燃料、氮化物燃料等，但这些都还处于研发阶段，没有在实际反应堆中应用。除了陶瓷燃料，还有一种直接采用裂变核素金属作为燃料芯块，一般为U或Pu与其它金属合金，称之为金属燃料。陶瓷燃料熔点高，辐照肿胀效应较小，但其导热性能差，并且重原子密度低，因此在快堆中增殖效率不高。目前陶瓷型燃料在压水堆中广泛应用，快堆也大多采用陶瓷型燃料。金属燃料相对陶瓷燃料导热性能好，重核密度高，能获得较硬的中子能谱。目前金属燃料仅在少数实验反应堆中得到使用。

包壳是燃料棒的重要组成部分，它用于封装内部燃料芯块，防止燃料芯块产生的裂变气体释放到反应堆冷却剂中，同时又需要将燃料芯块的热量传导到冷却剂。目前现有的燃料棒包壳基本都采是金属包壳，如最常见的锆合金和不锈钢合金包壳。金属燃料棒包壳的耐高温、耐腐蚀和耐中子辐照性能一般，较容易出现包壳的破损。尤其在快中子反应堆中，由于中子能量和通量水平较高，燃料棒包壳的抗辐照性能是非常关键的性能指标，目前的不锈钢包壳虽然已经具备相对较好的辐照性能，但仍然难以满足快堆燃料棒设计的要求。

如图1所示，现有燃料棒设计最常见的是采用金属包壳加陶瓷芯块的形式，如目前典型的压水堆燃料棒为UO₂芯块、Zr-4合金包壳管设计。同时为了考虑芯块辐照后的肿胀以及容纳释放出的放射性气体，芯块和包壳间留有一定的间隙，燃料棒上部还有一段气腔，中间充以2-3MPa的氦气。由于UO₂芯块以及中间气隙的导热性能较差，现有燃料棒的整体导热性能不佳。另外由于Zr-4包壳相对UO₂芯块硬度较差，在芯块肿胀后发生相互作用，容易造成包壳的破裂。锆合金在高温下会与水或者水蒸气反应，在400摄氏度以下锆水反应缓慢，锆合金包壳耐腐蚀性能良好，大于400摄氏度时，锆水反应迅速加剧，锆合金包壳腐蚀严重，而在大于约950摄氏度时，锆与水蒸气剧烈反应，产生大量的氢气。

除了压水堆中燃料棒，现有快堆也基本采用金属包壳加陶瓷芯块的设计。典型的快堆燃料棒是细长的密闭式结构，主要是由不锈钢包管壳和圆柱形混合氧化物燃料芯块构成。燃料芯块通常是在棒内沿轴向是均匀布置的，两端有贫化的UO₂轴向转换区。燃料棒内有贮存释放的裂变气体(主要贮存Xe和Kr)的气腔，燃料和包壳之间也存在一定的气隙。

专利(申请号：CN201020244247.5，一种带肋核燃料棒)公开了一种带肋核燃料棒，它通过增加肋片，增大了释热面积，同时还可以相互插接。专利(申请号CN200610153129.1，可控制内管和外管的热通量的核燃料棒)提供了一种环形核燃料棒。该环形核燃料棒可以除去内管和外管之间不平衡的热通量，以及控制内管和外管之间的热通量。虽然上述设计通过改变燃料棒结构、增大换热面积等措施来增加燃料棒换热能力，但是没有能够从根本上提高其导热能力，包壳和燃料的中子学、机械性能等并没有得到提高。总体上，现有燃料棒导热性能、机械性能较差，在高温、辐照条件下容易出现包壳破损。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒，以用于提高燃料棒导热性能，降低燃料芯块中心温度或有效提高燃料功率密度。

本发明的另一目的在于提供一种采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒，以大幅提高燃料棒包壳机械性能、抗腐蚀和抗辐照性能，降低燃料棒的破损率。

本发明的再一目的在于提供一种采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒，以显著增加燃料棒的卸料燃耗，从而大大提高燃料利用率。

本发明的又一目的在于提供一种采用陶瓷包壳金属芯块的核燃料棒，以同时使燃料棒具有良好的中子学性能，可以在快堆或热堆中广泛应用。