燃料芯塊及其製備方法與流程
2023-12-11 01:30:12 2
本發明涉及核反應堆
技術領域：
，尤其涉及一種燃料芯塊及其製備方法。
背景技術：
：目前，核電廠中使用的燃料芯塊包括有中空結構的芯塊，結構上包括內外設置的內包殼管和外包殼管，內包殼管和外包殼管均為中空筒狀。然而，現有的該種中空的燃料芯塊帶來以下問題：1、因燃料芯塊中心存在中空區，會導致堆芯鈾裝量顯著降低，從而使堆芯反應性降低，縮短循環長度，最終導致反應堆經濟性下降。2、中空的燃料芯塊，強度較低，當承受較高應力時容易發生芯塊碎裂，影響反應堆安全性。3、因內部流量有限，其內部包殼的MDNBR(最小偏離泡核沸騰比)往往較小，容易發生DNB(偏離泡核沸騰)，影響堆芯熱工裕量。技術實現要素：本發明要解決的技術問題在於，提供一種提高反應堆安全性和經濟性的核反應堆燃料組件的燃料芯塊。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：提供一種燃料芯塊，包括第一可裂變部和填充在所述第一可裂變部內側的第二可裂變部；所述第二可裂變部的原料包括可裂變材料及添加劑，從而所述第二可裂變部形成高熱導區域。優選地，所述添加劑在所述第二可裂變部中所佔的體積百分比為5-25％。優選地，所述添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種。優選地，所述第二可裂變部的可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。優選地，所述第一可裂變部的原料為可裂變材料，其為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。優選地，所述第二可裂變部的可裂變材料密度小於所述第一可裂變部的可裂變材料密度。優選地，所述燃料芯塊為柱體；其中，所述第一可裂變部為筒狀結構，所述第二可裂變部為填充在所述筒狀結構內部的柱狀體。優選地，所述第二可裂變部的直徑最大值不超過所述燃料芯塊直徑的4/5；所述第二可裂變部的直徑最小值不小於所述燃料芯塊直徑的1/5。本發明還提供一種燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：S1、採用可裂變材料與添加劑作為原料進行混料後，壓製成第二可裂變部；所述添加劑在所述第二可裂變部中所佔的體積百分比為5-25％；S2、採用可裂變材料作為原料壓製成粒狀粉末；S3、將所述粒狀粉末與造孔劑滾混後將其壓制在所述第二可裂變部的外側，以形成第一可裂變部；S4、高溫燒結，所述第一可裂變部緊密結合在所述第二可裂變部外形成緻密的燃料芯塊。優選地，步驟S1包括以下步驟：S1.1、先將可裂變材料粉末與添加劑進行宏觀混料，再在錘磨機中進行共磨或微混料，然後使用軋輥壓機壓製成片體；S1.2、將所述片體製成粒狀粉末，再與造孔劑滾混後壓製成第二可裂變部；所述步驟S2中，將可裂變材料粉末通過軋輥壓機壓製成片體，再通過制粒機將該片體製成粒狀粉末。優選地，所述添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種；所述可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾，或為MOX燃料。本發明還提供另一種燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：S1、採用可裂變材料作為原料壓製成內部中空的第一可裂變部；S2、採用可裂變材料與添加劑作為原料製得混合粒狀粉末；S3、將所述混合粒狀粉末與造孔劑滾混後將其壓制在所述第一可裂變部的內部，以形成第二可裂變部；所述添加劑在所述第二可裂變部中所佔的體積百分比為5-25％；S4、高溫燒結，所述第一可裂變部緊密結合在所述第二可裂變部外形成緻密的燃料芯塊。優選地，所述步驟S1包括以下步驟：S1.1、將可裂變材料粉末通過軋輥壓機壓製成片體，再通過制粒機將該片體製成粒狀粉末；S1.2、將所述粒狀粉末與造孔劑滾混後壓製成中空的第一可裂變部；所述步驟S2包括以下步驟：S2.1、先將可裂變材料粉末與添加劑進行宏觀混料，再在錘磨機中進行共磨或微混料，然後使用軋輥壓機壓製成片體；S2.2、通過制粒機將所述片體製成混合粒狀粉末。優選地，所述添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種；所述可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。本發明還提供一種燃料棒，包括以上任一項所述的燃料芯塊，或者包括以上任一項所述的製備方法製得的燃料芯塊。本發明的有益效果：通過添加劑的設置使得燃料芯塊內部的第二可裂變部形成高熱導區域，在發熱功率相同的情況下可降低芯塊中心溫度；同時芯塊內區添加劑的存在可適當降低芯塊內區的可裂變材料裝量，從而進一步降低芯塊中心溫度，提高反應堆熱工裕量；同時，添加劑的存在不會明顯影響反應堆循環長度，提高反應堆的安全性和經濟性。此外，第二可裂變部在第一可裂變部內的設置，使得燃料芯塊整體為實心結構，強度較於中空結構的燃料芯塊高，防止芯塊在承受高應力後發生碎裂；不存在具有較小MDNBR的內部通道，更容易防止DNB的發生。附圖說明下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：圖1是本發明一實施例的燃料芯塊的結構示意圖。具體實施方式為了對本發明的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本發明的具體實施方式。如圖1所示，本發明一實施例的燃料芯塊，用於核反應堆燃料組件。該燃料芯塊包括第一可裂變部10和填充在第一可裂變部10內側的第二可裂變部20。燃料芯塊整體為實心結構，內部不存在中空區，因此整體強度較於中空的芯塊高，不易發生碎裂；不存在具有較小MDNBR的內部通道，更容易防止DNB的發生。本實施例中，燃料芯塊為柱體；其中，第一可裂變部10為筒狀結構，第二可裂變部20為填充在筒狀結構內部的柱狀體。優選地，第二可裂變部的直徑最大值不超過燃料芯塊直徑的4/5；第二可裂變部的直徑最小值不小於燃料芯塊直徑的1/5。第二可裂變部20的原料包括可裂變材料及添加劑，第一可裂變部10的原料包括可裂變材料，從而第二可裂變部20在原料上較於第一可裂變部10增加了添加劑，使得第二可裂變部20的可裂變材料密度小於第一可裂變部10的可裂變材料密度，第二可裂變部20形成高熱導區域，適當降低了芯塊內區的可裂變材料裝量，從而減小芯塊內區的裂變密度(裂變密度定義為一個中子引發單位體積的裂變材料的裂變次數)；高熱導區域的形成還可以降低芯塊中心溫度，提高反應堆熱工裕量的同時，添加劑的存在不會明顯影響反應堆循環長度。其中，添加劑在第二可裂變部20中所佔的體積百分比為5-25％，使得第二可裂變部20仍以可裂變材料為主，不會對燃料組件的可裂變材料裝量產生較大影響。添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種。第一可裂變部10和第二可裂變部20的可裂變材料均可為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。第一可裂變部10和第二可裂變部20選用的可裂變材料可以相同或不同。作為選擇，可裂變材料包括含鈾裂變材料，進一步可為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾(如UO2)。參考圖1，本發明一實施例的燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：S1、採用可裂變材料與添加劑作為原料進行混料後，壓製成第二可裂變部20。其中，添加劑在第二可裂變部20中所佔的體積百分比為5-25％。添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種。可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。作為選擇，可裂變材料包括含鈾裂變材料，進一步可為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾(如UO2粉末)。步驟S1進一步可包括以下步驟：S1.1、先將可裂變材料粉末與添加劑進行宏觀混料，再在錘磨機中進行共磨或微混料，然後使用軋輥壓機壓製成片體；S1.2、將片體製成粒狀粉末，再與造孔劑滾混後壓製成第二可裂變部20。S2、採用可裂變材料作為原料壓製成粒狀粉末。可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。作為選擇，可裂變材料包括含鈾裂變材料，進一步可為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾(如UO2粉末)。該步驟S2中，將可裂變材料粉末通過軋輥壓機壓製成片體，再通過制粒機將該片體製成粒狀粉末。S3、將粒狀粉末與造孔劑滾混後將其壓制在第二可裂變部20的外側，以形成第一可裂變部10。如對於柱狀的第二可裂變部20，將粒狀粉末與造孔劑滾混後將其沿第二可裂變部20的外周均勻壓制在第二可裂變部20上，形成環狀的第一可裂變部10。S4、高溫燒結，第一可裂變部10緊密結合在第二可裂變部20外形成緻密的燃料芯塊。通過控制燒結的溫度和時間，使燃料芯塊達到規定的密度。參考圖1，本發明另一實施例的燃料芯塊的製備方法，包括以下步驟：S1、採用可裂變材料作為原料壓製成內部中空的第一可裂變部10。可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料。作為選擇，可裂變材料包括含鈾裂變材料，進一步可為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾(如UO2粉末)。步驟S1進一步可包括以下步驟：S1.1、將可裂變材料粉末通過軋輥壓機壓製成片體，再通過制粒機將該片體製成粒狀粉末；S1.2、將粒狀粉末與造孔劑滾混後壓製成中空的第一可裂變部10。S2、採用可裂變材料與添加劑作為原料製得混合粒狀粉末。可裂變材料為氧化物、碳化物或氮化物形式的可裂變材料，或為MOX燃料；添加劑包括SiC顆粒、BeO、納米金剛石、碳納米管中的一種或多種。作為選擇，可裂變材料包括含鈾裂變材料，進一步可為氧化物、碳化物或氮化物形式的富集鈾(如UO2粉末)。步驟S2進一步可包括以下步驟：S2.1、先將可裂變材料粉末與添加劑進行宏觀混料，再在錘磨機中進行共磨或微混料，然後使用軋輥壓機壓製成片體；S2.2、通過制粒機將所述片體製成混合粒狀粉末。S3、將混合粒狀粉末與造孔劑滾混後將其壓制在第一可裂變部10的內部，以形成第二可裂變部20；添加劑在第二可裂變部20中所佔的體積百分比為5-25％。對於筒狀的第一可裂變部10，將將混合粒狀粉末與造孔劑滾混後壓制在第一可裂變部10的中空區域內，形成柱狀的第二可裂變部20。S4、高溫燒結，第一可裂變部10緊密結合在第二可裂變部20外形成緻密的燃料芯塊。通過控制燒結的溫度和時間，使燃料芯塊達到規定的密度。本發明一實施例的燃料棒，包括上述的燃料芯塊。以下以一優選實施例對本發明的燃料芯塊作進一步說明。通過本發明的製備方法製備燃料芯塊，燃料芯塊的第二可裂變部20的添加劑為佔體積百分比10％的SiC顆粒。將該製得的燃料芯塊作為實施例與未加添加劑的燃料芯塊作為比較例進行比較，經計算，在首期初，本發明的燃料芯塊與未加添加劑的燃料芯塊的內外區裂變密度(每立方釐米幾何體內每一個中子發生裂變的次數)如下表1所示。表1.燃料芯塊的內外區裂變密度實施例比較例內區裂變密度2.457E-052.600E-05外區裂變密度2.784E-052.745E-05從表1中數據可以看出，本發明的燃料芯塊的內區裂變密度小於比較例的內區裂變密度，該種具有較低密度的特性可以降低芯塊內區的發熱功率，從而進一步減小芯塊中心溫度，提高反應堆熱工裕量。以上所述僅為本發明的實施例，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的
技術領域：
，均同理包括在本發明的專利保護範圍內。當前第1頁1 2 3