一種新型事故容錯燃料組件制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種事故容錯燃料組件，由多根燃料元件和操作頭、下管腳組裝形成整體結(jié)構(gòu)；燃料元件由包殼管、上端塞、下端塞、上反射層、下反射層、壓緊彈簧、燃料芯塊、氣室等組成；燃料組件內(nèi)的燃料元件包括兩種及以上不同類型，其中至少一種燃料元件內(nèi)的氣室由形狀記憶材料制備。反應(yīng)堆正常運行工況下，燃料組件內(nèi)所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸；反應(yīng)堆事故工況下，當(dāng)燃料元件溫度上升至一定溫度時，由形狀記憶材料制備的氣室發(fā)生軸向變形，并將壓力傳遞至燃料元件內(nèi)的壓緊彈簧，形成彈簧伸縮和燃料元件內(nèi)燃料芯塊移動，進(jìn)而改變?nèi)剂辖M件內(nèi)活性區(qū)形狀，降低反應(yīng)堆反應(yīng)性，提高反應(yīng)堆事故工況下的安全性。

A new type of fault tolerant fuel assembly

The invention discloses an accident tolerant fuel assembly is composed of a plurality of fuel elements and operating head and a lower pin assembly to form an integral structure; the fuel element cladding tube, upper and lower end plug, plug on the reflective layer, a reflection layer, a pressure spring, fuel, gas room; and includes two kinds of fuel these different types of components in the fuel assembly, wherein at least one fuel element within the gas chamber by shape memory material preparation. The reactor under normal operating conditions, the gas chamber of all fuel in the fuel assembly to keep the geometric structure and the same size of the reactor; accident conditions, when the temperature of the fuel element rises to a certain temperature, the gas chamber materials prepared by shape memory spring axial deformation, and the pressure transmitted to the fuel element within. The formation of spring extension and fuel elements of fuel in the core block move, and then change the shape of the active region of fuel assembly, reduce the reactivity of the reactor, improve the safety of the reactor under accident condition.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種新型事故容錯燃料組件
本專利技術(shù)涉及事故容錯燃料組件，適用于核反應(yīng)堆，屬于核工程領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
事故容錯燃料(AccidentTolerantFuel，簡稱ATF)是福島核事故后，為提高燃料元件抵御嚴(yán)重事故能力而開發(fā)的新一代燃料概念，與現(xiàn)有核燃料相比，ATF燃料是能夠在較長時間內(nèi)抵抗嚴(yán)重事故工況，同時保持或提高其在正常運行工況下性能的新型燃料系統(tǒng)。ATF燃料技術(shù)是近50年以來核燃料領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革命。為了探索在核燃料中加入額外非能動安全特性的方式，國際上倡導(dǎo)和發(fā)起了增強型事故容錯燃料項目(EnhancedAccidentTolerantFuel，EATF)，中國也設(shè)立了ATF重大科研專項，致力于突破ATF技術(shù)重重難關(guān)。目前在新型事故容錯燃料研究方面，國際上開展了大量研究，主要研究包括：(1)西屋公司發(fā)展了UN和U3Si2燃料、SiC包殼，以及鋯合金涂層材料；(2)阿海琺公司發(fā)展了摻雜氧化鉻和SiC纖維的二氧化鈾芯塊和鋯合金涂層材料；(3)通用電氣公司發(fā)展了鐵素體/馬氏體包殼。除了上述國際上主要的核燃料制造廠外，美國、韓國、法國、日本、中國的研究機構(gòu)和大學(xué)也進(jìn)行了大量事故容錯燃料基礎(chǔ)研究，研究范圍包括鋯包殼表面涂層、MAX相材料、陶瓷基體復(fù)合材料、不銹鋼包殼、難熔金屬包殼、高密度燃料、含添加物的氧化物燃料、全陶瓷微型密封燃料等。上述研究均集中在通過提高燃料元件內(nèi)燃料芯塊和包殼材料的性能，提高燃料的非能動安全特性。由于目前燃料芯塊和包殼技術(shù)已經(jīng)較為成熟，進(jìn)一步提高其性能難度很大。因此需要尋求提高燃料組件事故工況下安全特性的新方向。
技術(shù)實現(xiàn)思路
有鑒于此，本專利技術(shù)提供一種事故容錯燃料組件，通過計形狀記憶材料的氣室，使燃料組件具有的非能動安全特性，從而提高了反應(yīng)堆安全性。本專利技術(shù)的技術(shù)方案是：一種事故容錯燃料組件，包括：兩根以上燃料元件、操作頭、下管腳，燃料元件之間相互平行，燃料元件位于操作頭和下管腳之間，兩端分別與操作頭和下管腳相連；燃料元件包括：包殼管、位于包殼管兩端的上端塞和下端塞、同軸位于包殼管內(nèi)部并在上端塞和下端塞之間依次設(shè)置的氣室、上反射層、燃料芯塊、下反射層和壓緊彈簧；壓緊彈簧的一端與下反射層抵觸，另一端與下端塞抵觸；燃料元件包括兩種以上不同類型，其中至少一種燃料元件內(nèi)的氣室由形狀記憶材料制備；在反應(yīng)堆正常運行工況下，所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸。該事故容錯燃料組件能夠提高反應(yīng)堆安全性的原理為：在反應(yīng)堆事故工況下，當(dāng)燃料元件溫度上升至一定溫度時，由形狀記憶材料制備的氣室發(fā)生軸向變形，并將壓力傳遞至燃料元件內(nèi)的壓緊彈簧，形成彈簧伸縮和燃料元件內(nèi)燃料芯塊移動。然而，對于組件內(nèi)部另一部分未采用形狀記憶材料制備氣室的燃料元件，燃料元件內(nèi)燃料芯塊不移動，因此，燃料組件內(nèi)活性區(qū)形狀被改變，可降低反應(yīng)堆反應(yīng)性，提高反應(yīng)堆安全性。有益效果：本專利技術(shù)通過設(shè)計燃料組件內(nèi)一部分燃料元件的裂變氣室為形狀記憶材料(如Ti-Zr合金材料或Ti-Nb-Zr合金材料)，使燃料組件在事故工況下具備改變組件內(nèi)部活性區(qū)形狀的能力，提高反應(yīng)堆安全性。本專利技術(shù)的燃料組件具有固有安全性好、事故容錯能力強等優(yōu)點。附圖說明圖1為本專利技術(shù)的燃料組件結(jié)構(gòu)示意。圖2為本專利技術(shù)的燃料元件結(jié)構(gòu)示意。具體實施方式下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本專利技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)描述。本實施例提供一種事故容錯燃料組件，通過改變事故容錯燃料的結(jié)構(gòu)設(shè)計和燃料摻雜來提高燃料組件事故工況下的安全特性。所述事故容錯燃料組件包括兩根以上燃料元件1、操作頭2、下管腳3，如圖1所示，所述兩根以上燃料元件1之間相互平行，燃料元件1位于所述操作頭2和下管腳3之間，兩端分別與操作頭2和下管腳3相連。所述燃料元件1為管狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示，包括包殼管4、位于上端塞5、下端塞6、上反射層7、下反射層8、壓緊彈簧9和燃料芯塊10。所述包殼管4兩端的開口分別通過上端塞5和下端塞6封閉，在包殼管4內(nèi)部上端塞5與下端塞6之間依次同軸設(shè)置有氣室11、上反射層7、燃料芯塊10、下反射層8和壓緊彈簧9；所述壓緊彈簧9的一端與下反射層8抵觸，另一端與下端塞6抵觸。所述燃料元件包括兩種以上不同類型，其中至少一種燃料元件內(nèi)的氣室11由形狀記憶材料制備；反應(yīng)堆正常運行工況下，燃料組件內(nèi)所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸。本實施所提供的事故容錯燃料組件共包括121根燃料元件1，其中55根燃料元件1內(nèi)的氣室11由形狀記憶材料Ti-22Nb-4Zr合金或Ti-20Zr合金制備。氣室11設(shè)計在燃料元件1上端靠近燃料組件的冷卻劑出口。在反應(yīng)堆正常運行工況下燃料組件冷卻劑出口溫度為300℃時，所有燃料元件1的氣室11高度均為150mm；事故工況下，當(dāng)氣室11溫度升高時，由形狀記憶材料制備的氣室11發(fā)生變形并壓縮壓緊彈簧9，形成彈簧收縮和燃料元件內(nèi)燃料芯塊移動；當(dāng)氣室11溫度升至400℃時，氣室11高度變?yōu)?00mm，然而，對于組件內(nèi)部另一部分未采用形狀記憶材料制備氣室的燃料元件，燃料元件內(nèi)燃料芯塊不移動，此時組件內(nèi)活性區(qū)形狀分布較正常運行工況發(fā)生較大改變，降低了反應(yīng)堆反應(yīng)性，從而提高反應(yīng)堆安全性。綜上所述，以上僅為本專利技術(shù)的較佳實施例而已，并非用于限定本專利技術(shù)的保護(hù)范圍。凡在本專利技術(shù)的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本專利技術(shù)的保護(hù)范圍之內(nèi)。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點】
一種事故容錯燃料組件，其特征在于，包括：兩根以上燃料元件(1)、操作頭(2)、下管腳(3)，所述兩根以上燃料元件(1)相互平行，燃料元件(1)位于操作頭(2)和下管腳(3)之間，兩端分別與操作頭(2)和下管腳(3)相連；所述燃料元件(1)包括：包殼管(4)、位于所述包殼管(4)兩端的上端塞(5)和下端塞(6)、同軸位于所述包殼管(4)內(nèi)部并在所述上端塞(5)和下端塞(6)之間依次設(shè)置的氣室(11)、上反射層(7)、燃料芯塊(10)、下反射層(8)和壓緊彈簧(9)；所述壓緊彈簧(9)的一端與下反射層(8)抵觸，另一端與下端塞(6)抵觸；所述燃料元件(1)包括兩種以上不同類型，其中至少一種燃料元件內(nèi)的氣室(11)由形狀記憶材料制備；在反應(yīng)堆正常運行工況下，所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種事故容錯燃料組件，其特征在于，包括：兩根以上燃料元件(1)、操作頭(2)、下管腳(3)，所述兩根以上燃料元件(1)相互平行，燃料元件(1)位于操作頭(2)和下管腳(3)之間，兩端分別與操作頭(2)和下管腳(3)相連；所述燃料元件(1)包括：包殼管(4)、位于所述包殼管(4)兩端的上端塞(5)和下端塞(6)、同軸位于所述包殼管(4)內(nèi)部并在所述上端塞(5)和下端塞(6)之間依次設(shè)置的氣室(11)、上反射層(7)、...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳宜燦，吳慶生，梅華平，李春京，陳建偉，
申請(專利權(quán))人：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，
類型：發(fā)明
國別省市：安徽,34