采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)的目的在于提供一種采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，以用于提高燃料棒導(dǎo)熱性能，降低燃料芯塊中心溫度或有效提高燃料功率密度；大幅提高燃料棒包殼機械性能、抗腐蝕和抗輻照性能，降低燃料棒的破損率；顯著增加燃料棒的卸料燃耗，從而大大提高燃料利用率；同時使燃料棒具有良好的中子學(xué)性能，可以在快堆或熱堆中廣泛應(yīng)用。本發(fā)明專利技術(shù)的核燃料棒的包殼采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料包殼，金屬燃料芯塊采用U-Zr或U-Pu-Zr合金燃料芯塊；包殼和燃料芯塊的間隙填充低熔點金屬；燃料棒上部采用加長氣腔設(shè)計。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒
本專利技術(shù)涉及核反應(yīng)堆工程領(lǐng)域中的燃料棒，可作為快中子反應(yīng)堆或熱中子反應(yīng)堆堆芯燃料棒。
技術(shù)介紹
核燃料棒是核反應(yīng)堆中釋放能量的基本單元，一定數(shù)量的燃料棒通過底座和格架等結(jié)構(gòu)件組裝形成燃料組件，核反應(yīng)堆堆芯則由這些燃料組件組成。核燃料棒一般由燃料芯塊和包殼組成，芯塊和包殼之間一般留有一定的間隙。同時，在燃料棒的上部還留有空腔，用于容納燃料棒在長期的核反應(yīng)過程中產(chǎn)生的裂變氣體。燃料芯塊是真正發(fā)熱的核燃料元件。最常見的燃料芯塊是通過粉末冶金和高溫?zé)Y(jié)形成的UO2陶瓷芯塊，稱之為陶瓷型燃料。陶瓷型燃料還包括碳化物燃料、氮化物燃料等，但這些都還處于研發(fā)階段，沒有在實際反應(yīng)堆中應(yīng)用。除了陶瓷燃料，還有一種直接采用裂變核素金屬作為燃料芯塊，一般為U或Pu與其它金屬合金，稱之為金屬燃料。陶瓷燃料熔點高，輻照腫脹效應(yīng)較小，但其導(dǎo)熱性能差，并且重原子密度低，因此在快堆中增殖效率不高。目前陶瓷型燃料在壓水堆中廣泛應(yīng)用，快堆也大多采用陶瓷型燃料。金屬燃料相對陶瓷燃料導(dǎo)熱性能好，重核密度高，能獲得較硬的中子能譜。目前金屬燃料僅在少數(shù)實驗反應(yīng)堆中得到使用。包殼是燃料棒的重要組成部分，它用于封裝內(nèi)部燃料芯塊，防止燃料芯塊產(chǎn)生的裂變氣體釋放到反應(yīng)堆冷卻劑中，同時又需要將燃料芯塊的熱量傳導(dǎo)到冷卻劑。目前現(xiàn)有的燃料棒包殼基本都采是金屬包殼，如最常見的鋯合金和不銹鋼合金包殼。金屬燃料棒包殼的耐高溫、耐腐蝕和耐中子輻照性能一般，較容易出現(xiàn)包殼的破損。尤其在快中子反應(yīng)堆中，由于中子能量和通量水平較高，燃料棒包殼的抗輻照性能是非常關(guān)鍵的性能指標(biāo)，目前的不銹鋼包殼雖然已經(jīng)具備相對較好的輻照性能，但仍然難以滿足快堆燃料棒設(shè)計的要求。如圖1所示，現(xiàn)有燃料棒設(shè)計最常見的是采用金屬包殼加陶瓷芯塊的形式，如目前典型的壓水堆燃料棒為UO2芯塊、Zr-4合金包殼管設(shè)計。同時為了考慮芯塊輻照后的腫脹以及容納釋放出的放射性氣體，芯塊和包殼間留有一定的間隙，燃料棒上部還有一段氣腔，中間充以2-3MPa的氦氣。由于UO2芯塊以及中間氣隙的導(dǎo)熱性能較差，現(xiàn)有燃料棒的整體導(dǎo)熱性能不佳。另外由于Zr-4包殼相對UO2芯塊硬度較差，在芯塊腫脹后發(fā)生相互作用，容易造成包殼的破裂。鋯合金在高溫下會與水或者水蒸氣反應(yīng)，在400攝氏度以下鋯水反應(yīng)緩慢，鋯合金包殼耐腐蝕性能良好，大于400攝氏度時，鋯水反應(yīng)迅速加劇，鋯合金包殼腐蝕嚴重，而在大于約950攝氏度時，鋯與水蒸氣劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫氣。除了壓水堆中燃料棒，現(xiàn)有快堆也基本采用金屬包殼加陶瓷芯塊的設(shè)計。典型的快堆燃料棒是細長的密閉式結(jié)構(gòu)，主要是由不銹鋼包管殼和圓柱形混合氧化物燃料芯塊構(gòu)成。燃料芯塊通常是在棒內(nèi)沿軸向是均勻布置的，兩端有貧化的UO2軸向轉(zhuǎn)換區(qū)。燃料棒內(nèi)有貯存釋放的裂變氣體(主要貯存Xe和Kr)的氣腔，燃料和包殼之間也存在一定的氣隙。專利(申請?zhí)枺篊N201020244247.5，一種帶肋核燃料棒)公開了一種帶肋核燃料棒，它通過增加肋片，增大了釋熱面積，同時還可以相互插接。專利(申請?zhí)朇N200610153129.1，可控制內(nèi)管和外管的熱通量的核燃料棒)提供了一種環(huán)形核燃料棒。該環(huán)形核燃料棒可以除去內(nèi)管和外管之間不平衡的熱通量，以及控制內(nèi)管和外管之間的熱通量。雖然上述設(shè)計通過改變?nèi)剂习艚Y(jié)構(gòu)、增大換熱面積等措施來增加燃料棒換熱能力，但是沒有能夠從根本上提高其導(dǎo)熱能力，包殼和燃料的中子學(xué)、機械性能等并沒有得到提高。總體上，現(xiàn)有燃料棒導(dǎo)熱性能、機械性能較差，在高溫、輻照條件下容易出現(xiàn)包殼破損。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的一目的在于提供一種采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，以用于提高燃料棒導(dǎo)熱性能，降低燃料芯塊中心溫度或有效提高燃料功率密度。本專利技術(shù)的另一目的在于提供一種采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，以大幅提高燃料棒包殼機械性能、抗腐蝕和抗輻照性能，降低燃料棒的破損率。本專利技術(shù)的再一目的在于提供一種采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，以顯著增加燃料棒的卸料燃耗，從而大大提高燃料利用率。本專利技術(shù)的又一目的在于提供一種采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，以同時使燃料棒具有良好的中子學(xué)性能，可以在快堆或熱堆中廣泛應(yīng)用。本專利技術(shù)的采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，包括包殼和金屬燃料芯塊，其特點是，包殼采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料包殼，金屬燃料芯塊采用U-Zr或U-Pu-Zr合金燃料芯塊；間隙填充低熔點金屬。包殼和燃料芯塊的間隙填充低熔點金屬。在本專利技術(shù)的第1實施例中，核燃料棒為快堆燃料棒，其活性燃料區(qū)上方鄰接加長氣腔，該加長氣腔的長度為燃料棒活性區(qū)長度的1倍至1.5倍；活性燃料區(qū)的橫截面上由內(nèi)向外依次為低熔點金屬、環(huán)狀金屬燃料芯塊、低熔點金屬、環(huán)狀復(fù)合陶瓷包殼。在所述第1實施例中，進一步地，低熔點金屬采用金屬鈉。在本專利技術(shù)的第2實施例中，核燃料棒為壓水堆燃料棒，其活性燃料區(qū)的橫截面上由內(nèi)向外依次為固體慢化劑、低熔點金屬、環(huán)狀金屬燃料芯塊、低熔點金屬、環(huán)狀復(fù)合陶瓷包殼。在所述第2實施例中，所述慢化劑為氫化鋯。在所述第2實施例中，低熔點金屬為錫。本專利技術(shù)的有效果如下。(1)本專利技術(shù)采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料作為燃料包殼，使得包殼機械性能大為提高，減少了包殼因格架磨損、碎物磨損、芯塊包殼間相互作用等各種機械原因造成的包殼破損可能。SiCf/SiC包殼材料與U-Zr/U-Pu-Zr合金燃料芯塊的硬度分別約為2800kg/mm2和260kg/mm2，而不銹鋼和鋯合金包殼的硬度大約只有100kg/mm2和120kg/mm2，陶瓷燃料芯塊硬度約為2000kg/mm2。從數(shù)據(jù)可以看出，SiCf/SiC包殼硬度遠高于不銹鋼和鋯合金包殼硬度，而金屬芯塊硬度相對UO2又較小，因此無論是格架對包殼造成的磨損或者芯塊與包殼相互作用時，包殼都不容易出現(xiàn)破損。(2)本專利技術(shù)采用SiCf/SiC包殼材料具有很好的高溫穩(wěn)定性，大大提高了燃料棒的工作溫度。SiCf/SiC材料最大工作溫度大約為1600℃，在高溫下也具有化學(xué)惰性，不與水、鈉等各種冷卻劑反應(yīng)。而不銹鋼和鋯合金的工作溫度分別約為650℃和450℃，鋯合金在高溫下與水發(fā)生鋯-水反應(yīng)。當(dāng)堆芯內(nèi)發(fā)生偏離泡核沸騰時，燃料棒包殼表面溫度急劇上升，燃料棒存在燒毀的可能，而采用SiCf/SiC材料使包殼能承受很高的溫度，甚至允許發(fā)生偏離泡核沸騰。因此本專利技術(shù)設(shè)計使得燃料棒包殼耐高溫性能大大提高，燃料棒可以在更高的環(huán)境溫度中使用。(3)SiCf/SiC材料的抗輻照性能較鋯合金和不銹鋼更好，其輻照損傷的DPA截面較小，使得燃料棒可以承受更高的中子輻照，允許燃料達到更深的燃耗，因而有效提高燃料的使用率進而提高核電廠經(jīng)濟性。(4)采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷包殼、金屬燃料芯塊以及中間填充低熔點金屬的燃料棒設(shè)計，使得燃料棒整體導(dǎo)熱性能大為提高。傳統(tǒng)陶瓷燃料芯塊、氦氣和不銹鋼包殼的熱導(dǎo)率分別約為3-0.27-20，而金屬燃料芯塊、金屬鈉和SiCf/SiC包殼的熱導(dǎo)率分別約為25-63-40，本專利技術(shù)設(shè)計不僅在各個導(dǎo)熱環(huán)節(jié)上導(dǎo)熱性能都高于現(xiàn)有燃料棒設(shè)計，并且各環(huán)節(jié)之間導(dǎo)熱性能更加均衡，因此燃料棒的整體導(dǎo)熱性能得到了大幅提高，不會出現(xiàn)很高的燃料中心溫度以及溫度梯度。(5)SiCf/SiC材料、不銹鋼和鋯合金的熱中子吸收截面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，包括包殼和金屬燃料芯塊，其特征在于，包殼采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料包殼；金屬燃料芯塊采用U?Zr或U?Pu?Zr合金燃料芯塊；包殼和燃料芯塊的間隙填充低熔點金屬。

【技術(shù)特征摘要】
1.采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，包括包殼和金屬燃料芯塊，其特征在于，包殼采用SiCf/SiC復(fù)合陶瓷材料包殼；金屬燃料芯塊采用U-Zr或U-Pu-Zr合金燃料芯塊；包殼和燃料芯塊的間隙填充低熔點金屬，該核燃料棒為快堆燃料棒，活性燃料區(qū)上方鄰接加長氣腔，該加長氣腔的長度為燃料棒活性區(qū)長度的1倍至1.5倍；該核燃料棒的活性燃料區(qū)的橫截面上由內(nèi)向外依次為低熔點金屬、環(huán)狀金屬燃料芯塊、低熔點金屬、環(huán)狀復(fù)合陶瓷包殼。2.如權(quán)利要求1所述的采用陶瓷包殼金屬芯塊的核燃料棒，其特征在于，低熔點金屬采用金屬鈉。3.采...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：司勝義，陳其昌，趙金坤，卑華，
申請(專利權(quán))人：上海核工程研究設(shè)計院，
類型：發(fā)明
國別省市：