CN102789820A - 一种核燃料棒 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种核燃料棒，包括燃料芯块、以及设置在所述燃料芯块***的燃料棒包壳；所述核燃料棒还包括支撑在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的支撑内衬。通过在燃料芯块和燃料棒包壳之间设置支撑内衬，可以减少核燃料棒的内压，容纳更多的裂变气体，可以强化对燃料芯块的散热，缓解因热膨胀导致的PCI现象，还可以降低作用于燃料棒包壳的应变能量，降低发生PCI破坏的风险，大大提高了核电站反应堆运行的安全性。

Description

一种核燃料棒

技术领域

本发明涉及核电站反应堆，更具体地说，涉及一种可用于核电站压水堆中的核燃料棒。

背景技术

在核电站反应堆的运行中，核燃料棒的破损使核燃料棒中的放射性裂变产物释放到反应堆的冷却剂***中，从而危及核电站的正常运行。PCI是核燃料棒的潜在破坏因素之一。PCI或PCMI就是英文Pellet-Cladding Mechanical Interaction的缩写，指燃料芯块与包壳在核电站运行过程中的机械相互作用。

通常，核燃料棒包括燃料芯块、以及设置在燃料芯块***的燃料棒包壳等。燃料棒包壳与燃料芯块间存在一定的初始间隙，在间隙内充满氦气（He气）作为散热介质并且提供内压以平衡燃料棒包壳所受的外压。

随着运行燃耗的加深，燃料芯块中的固体裂变产物和气态裂变产物大量容留在燃料芯块中，使燃料芯块发生辐照肿胀，燃料芯块直径增大。同时燃料芯块在高温差的作用下，发生开裂，造成燃料芯块的重定位，部分碎块位于燃料芯块与燃料棒包壳之间。

另一方面，燃料棒包壳通常是由锆合金制作的，在中子的辐照与反应堆内冷却剂液压的作用下，径向产生蠕变收缩，使燃料棒包壳的内径减小。

而且，燃料芯块与燃料棒包壳是不同的材料，燃料芯块的热膨胀大于燃料棒包壳。在堆内运行过程中，燃料芯块的温度远远高于包壳的平均温度，这样燃料芯块的热膨胀量大大高于燃料棒包壳的热膨胀量。

因此，在辐照肿胀、热膨胀与燃料棒包壳向内蠕变的联合作用下，随着燃料组件燃耗的加深，燃料棒包壳与燃料芯块的直径间隙减小直至闭合，发生PCI。

由于存在PCI破坏的风险，在核电站的运行中，核电站就不能超出运行规程快速升降反应堆功率，也不能长期低功率运行。在快速提升反应堆功率的过程中燃料芯块温度迅速升高并快速膨胀，使燃料棒包壳的热膨胀和向外蠕变来不及抵消燃料芯块的热膨胀，从而使包壳承受的应力超过包壳的屈服强度，造成燃料棒包壳因PCI破坏。

在快速降低反应堆功率的过程中，由于控制棒的运动，反应堆的轴向功率分布变得奇异，使核燃料棒的局部功率大大高于平均功率，产生与快速提升功率相同的现象，造成燃料棒包壳因PCI破坏。

核电站反应堆长期在低功率下运行，核燃料棒内的压力远远低于反应堆一回路的运行压力，这加剧了燃料棒包壳由于外压的作用向内的蠕变，使包壳与芯块的间隙减小，造成燃料芯块与燃料棒包壳提前接触，一旦反应堆功率发生变化，增加了包壳的受力负荷，增大了PCI破坏的风险，造成燃料棒包壳因PCI破坏从而发生核泄漏。

现有的核燃料棒无法适应上述PCI破坏的风险，对核电站安全运行带来了不确定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种可有效缓解PCI破坏的核燃料棒。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核燃料棒，包括燃料芯块、以及设置在所述燃料芯块***的燃料棒包壳；所述核燃料棒还包括支撑在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的支撑内衬。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬为弹性内衬。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬设置在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的部分空间内，并且在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的空间内填充有氦气。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬由一块或多块金属材料制成，设置在所述燃料芯块的***。

在本发明的核燃料棒中，所述金属材料为纯锆、锆合金或因科镍合金。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬与所述燃料芯块和燃料棒包壳同时直接接触；所述支撑内衬的截面形状为波浪状、锯齿状或方波状。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬由多块金属材料制成，每一块金属材料的截面形状为弧形。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬还包括与所述燃料芯块直接接触连接的内衬支撑板；

所述金属材料的一端与所述燃料棒包壳直接接触连接，另一端与所述内衬支撑板固定连接。

在本发明的核燃料棒中，所述核燃料棒还包括上端头、下端头、设置在所述下端头上的支承管、设置在所述上端头上的压紧弹簧；

所述燃料芯块安装在所述压紧弹簧和支承管之间，所述燃料棒包壳安装在所述上端头和下端头之间。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬为环状，设置在所述燃料棒包壳内侧，为整体式或多段分体式。

实施本发明具有以下有益效果：通过在燃料芯块和燃料棒包壳之间设置支撑内衬，可以减少核燃料棒的内压，容纳更多的裂变气体，可以强化对燃料芯块的散热，缓解PCI现象，还可以降低作用于燃料棒包壳的应变能量，降低发生PCI破坏的风险，大大提高了核电站反应堆运行的安全性。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明核燃料棒一个实施例的结构示意图；

图2是本发明核燃料棒一个实施例的截面示意图；

图3是本发明核燃料棒采用波浪形支撑内衬的示意图；

图4是本发明核燃料棒采用弧形支撑内衬的示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，是本发明的核燃料棒的一个实施例，可用于核电站的反应堆中。该核燃料棒包括燃料芯块11、燃料棒包壳12、支撑内衬13等。该核燃料棒还可以包括上端头14、下端头15、设置在下端头15上的支承管16、设置在上端头14上的压紧弹簧17等安装机构，用于固定安装燃料芯块11和燃料棒包壳12；当然，安装机构也可以采用其他形式的安装结构。

如图所示，该燃料芯块11安装在压紧弹簧17和支承管16之间，而燃料棒包壳12安装在上端头14和下端头15之间，在燃料棒包壳12与燃料芯片之间形成间隙，支撑内衬13设置在间隙中，并与燃料芯块11和燃料棒包壳12接触，起到支撑作用。由于支撑内衬13可以选用固体材料制成，可以设置在燃料芯块11和燃料棒包壳12之间的部分空间内，由于其热导率远高于燃料棒中的氦气，可以强化对燃料芯块11的散热，抑制燃料芯块11过度膨胀。另外，还可以进一步的在燃料芯块11和燃料棒包壳12之间的空间内填充有氦气。

该支撑内衬13可以选用弹性内衬，可以将直接作用于燃料棒包壳12内壁的应变能量转换成弹性内衬的弹性势能贮存起来，对燃料棒包壳12实施缓冲，使其不易遭受破坏。

该支撑内衬13可以由热中子吸收截面很小的固体材料制成，选用此类材料是为了保证反应堆内的中子经济性。在本实施例中，该支撑内衬13选用纯锆为弹性内衬材料，纯锆的热中子吸收截面很小，约为0.185b（1b=1×10^-28m²），可以确保反堆内足够的中子经济性。另外，纯锆相变温度862℃。在核电站运行时最恶劣的二类瞬态下，燃料的线功率密度不超过400KW/cm，与此对应的燃料芯块11表面温度约为450℃，远低于纯锆的相变温度。因此在最恶劣二类瞬态下，由纯锆制成的支撑内衬13仍然具有相当的弹性和强度，此时，支撑内衬13依然能对燃料棒包壳12提供支承防止其坍塌，而且可以通过弹性形变贮存芯块膨胀的机械能，对燃料棒包壳12实施缓冲，大大缓冲了芯块对包壳的作用能。

当然，支撑内衬13还可以选用其他的材质做成，例如锆合金、因科镍合金等在核电领域常用的材质。

支撑内衬13为固体，其热导率远大于He气。例如，纯锆热导率为0.227W/cm·K，约为He（0.00152W/cm·K）的150倍，可以有效强化燃料芯块11的表面散热，降低燃料芯块11表面温度并抑制其整体过度膨胀，可显著降低燃料芯块11因热膨胀而对支撑内衬13和燃料棒包壳12施加的应力。进一步的，该支撑内衬13的长度需超过燃料芯块11的活性段的长度，从而可以更好的将热量导出。

另外，核燃料棒内不必充入过多的He气以维持导热性与内压（用于平衡燃料棒包壳12所受外压，该外压来自轻水冷却剂），这样核燃料棒内便可以容纳更多的裂变气体，使核燃料棒可以达到更高的燃耗。

该支撑内衬13可以做成环状，与燃料芯块11和燃料棒包壳12均有接触，因此可以将燃料棒包壳12所受的外部压力传递至燃料芯块11，坚硬的燃料芯块11可成为燃料棒包壳12的支撑，防止燃料棒包壳12因为在高温下受外力发生蠕变而往燃料芯块11方向坍塌，造成燃料棒包壳12和燃料芯块11的接触；支撑内衬13作为燃料棒包壳12的屏障，阻隔裂变产物的污染。

另外，支撑内衬13成为燃料芯块11的约束物，使燃料芯块11在辐照肿胀或者发生破碎后重新定位的几率下降。燃料芯块11与支撑内衬13直接接触，即使由于应变能过大或者裂变产物污染引发应力腐蚀导致支撑内衬13发生断裂破坏，该破坏效应也不会传递到燃料棒包壳12，支撑内衬13对燃料棒包壳12来说是可牺牲的屏障。

如图3所示，该支撑内衬13包围设置在燃料芯块11的***，分别与燃料芯块11、燃料棒包壳12直接接触，其截面形状为波浪状；当然，也可以为其他形状，如锯齿状、方波状等。在本实施例中，该支撑内衬13由一块金属材料制成整体式的支撑内衬13，例如由波纹板直接弯折围成圆环状，设置在燃料芯块11的***。当然，该支撑内衬13也可以由多块金属材料拼接组成，或者，做成多段的支撑内衬13，分别安装在燃料芯块11和燃料棒包壳12之间的不同位置处。

如图4所示，是另一种形式的支撑内衬13的示意图，如图所示，该支撑内衬13由多块金属材料支撑，每一块金属材料的截面形状为弧形，该形状设计能更好的防止燃料芯块11辐照肿胀或者发生破碎后重新定位。该支撑内衬13还设有与燃料芯块11直接接触连接的内衬支撑板18，弧形支撑内衬13的一端与燃料棒包壳12直接接触连接，另一端与内衬支撑板18固定连接，从而将整个支撑内衬13连接在燃料芯块11和燃料棒包壳12之间。可以理解的，支撑内衬13的两端可以分别直接与燃料棒包壳12和燃料芯块11相接。

本发明通过支撑内衬13的设置，可以减少燃料棒内压，容纳更多的裂变气体；可以强化对燃料芯块11的散热，缓解PCI现象；还可以降低作用于燃料棒包壳12的应变能量，降低发生PCI破坏的风险。

可以理解的，以上实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以对上述技术特点进行自由组合，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，凡跟本发明权利要求范围所做的等同变换与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种核燃料棒，包括燃料芯块、以及设置在所述燃料芯块***的燃料棒包壳；其特征在于，所述核燃料棒还包括支撑在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的支撑内衬。

2.根据权利要求1所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬为弹性内衬。

3.根据权利要求2所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬设置在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的部分空间内，并且在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的空间内填充有氦气。

4.根据权利要求1至3任一项所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬由一块或多块金属材料制成，设置在所述燃料芯块的***。

5.根据权利要求4所述的核燃料棒，其特征在于，所述金属材料为纯锆、锆合金或因科镍合金。

6.根据权利要求4所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬与所述燃料芯块和燃料棒包壳同时直接接触；所述支撑内衬的截面形状为波浪状、锯齿状或方波状。

7.根据权利要求4所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬由多块金属材料制成，每一块金属材料的截面形状为弧形。

8.根据权利要求7所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬还包括与所述燃料芯块直接接触连接的内衬支撑板；

所述金属材料的一端与所述燃料棒包壳直接接触连接，另一端与所述内衬支撑板固定连接。

9.根据权利要求4所述的核燃料棒，其特征在于，所述核燃料棒还包括上端头、下端头、设置在所述下端头上的支承管、设置在所述上端头上的压紧弹簧；

所述燃料芯块安装在所述压紧弹簧和支承管之间，所述燃料棒包壳安装在所述上端头和下端头之间。

10.根据权利要求9所述的核燃料棒，其特征在于，所述支撑内衬为环状，设置在所述燃料棒包壳内侧，为整体式或多段分体式。

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