一種新型事故容錯燃料組件的製作方法

2023-10-11 07:27:44

本發明涉及事故容錯燃料組件，適用於核反應堆，屬於核工程領域。

背景技術：

事故容錯燃料(Accident Tolerant Fuel，簡稱ATF)是福島核事故後，為提高燃料元件抵禦嚴重事故能力而開發的新一代燃料概念，與現有核燃料相比，ATF燃料是能夠在較長時間內抵抗嚴重事故工況，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。ATF燃料技術是近50年以來核燃料領域的一次重大技術革命。為了探索在核燃料中加入額外非能動安全特性的方式，國際上倡導和發起了增強型事故容錯燃料項目(Enhanced Accident Tolerant Fuel，EATF)，中國也設立了ATF重大科研專項，致力於突破ATF技術重重難關。

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)西屋公司發展了UN和U3Si2燃料、SiC包殼，以及鋯合金塗層材料；(2)阿海琺公司發展了摻雜氧化鉻和SiC纖維的二氧化鈾芯塊和鋯合金塗層材料；(3)通用電氣公司發展了鐵素體/馬氏體包殼。除了上述國際上主要的核燃料製造廠外，美國、韓國、法國、日本、中國的研究機構和大學也進行了大量事故容錯燃料基礎研究，研究範圍包括鋯包殼表面塗層、MAX相材料、陶瓷基體複合材料、不鏽鋼包殼、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。由於目前燃料芯塊和包殼技術已經較為成熟，進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。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明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，從而提高了反應堆安全性。

本發明的技術方案是：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，燃料元件位於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、位於包殼管兩端的上端塞和下端塞、同軸位於包殼管內部並在上端塞和下端塞之間依次設置的氣室、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牴觸，另一端與下端塞牴觸；

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的氣室由形狀記憶材料製備；在反應堆正常運行工況下，所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結構和尺寸。

該事故容錯燃料組件能夠提高反應堆安全性的原理為：

在反應堆事故工況下，當燃料元件溫度上升至一定溫度時，由形狀記憶材料製備的氣室發生軸向變形，並將壓力傳遞至燃料元件內的壓緊彈簧，形成彈簧伸縮和燃料元件內燃料芯塊移動。然而，對於組件內部另一部分未採用形狀記憶材料製備氣室的燃料元件，燃料元件內燃料芯塊不移動，因此，燃料組件內活性區形狀被改變，可降低反應堆反應性，提高反應堆安全性。

有益效果：

本發明通過設計燃料組件內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部活性區形狀的能力，提高反應堆安全性。本發明的燃料組件具有固有安全性好、事故容錯能力強等優點。

附圖說明

圖1為本發明的燃料組件結構示意。

圖2為本發明的燃料元件結構示意。

具體實施方式

下面結合附圖並舉實施例，對本發明進行詳細描述。

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構設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位於所述操作頭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為管狀結構，如圖2所示，包括包殼管4、位於上端塞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內部上端塞5與下端塞6之間依次同軸設置有氣室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牴觸，另一端與下端塞6牴觸。

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的氣室11由形狀記憶材料製備；反應堆正常運行工況下，燃料組件內所有燃料元件的氣室保持同樣的幾何結構和尺寸。

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內的氣室11由形狀記憶材料Ti-22Nb-4Zr合金或Ti-20Zr合金製備。氣室11設計在燃料元件1上端靠近燃料組件的冷卻劑出口。在反應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，當氣室11溫度升高時，由形狀記憶材料製備的氣室11發生變形並壓縮壓緊彈簧9，形成彈簧收縮和燃料元件內燃料芯塊移動；當氣室11溫度升至400℃時，氣室11高度變為200mm，然而，對於組件內部另一部分未採用形狀記憶材料製備氣室的燃料元件，燃料元件內燃料芯塊不移動，此時組件內活性區形狀分布較正常運行工況發生較大改變，降低了反應堆反應性，從而提高反應堆安全性。

綜上所述，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並非用於限定本發明的保護範圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。