一种新型事故容错燃料组件制造技术

本发明专利技术公开一种事故容错燃料组件，由多根燃料元件和操作头、下管脚组装形成整体结构；燃料元件由包壳管、上端塞、下端塞、上反射层、下反射层、压紧弹簧、燃料芯块、气室等组成；燃料组件内的燃料元件包括两种及以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室由形状记忆材料制备。反应堆正常运行工况下，燃料组件内所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸；反应堆事故工况下，当燃料元件温度上升至一定温度时，由形状记忆材料制备的气室发生轴向变形，并将压力传递至燃料元件内的压紧弹簧，形成弹簧伸缩和燃料元件内燃料芯块移动，进而改变燃料组件内活性区形状，降低反应堆反应性，提高反应堆事故工况下的安全性。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种新型事故容错燃料组件
本专利技术涉及事故容错燃料组件，适用于核反应堆，属于核工程领域。
技术介绍
事故容错燃料(AccidentTolerantFuel，简称ATF)是福岛核事故后，为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料概念，与现有核燃料相比，ATF燃料是能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下性能的新型燃料系统。ATF燃料技术是近50年以来核燃料领域的一次重大技术革命。为了探索在核燃料中加入额外非能动安全特性的方式，国际上倡导和发起了增强型事故容错燃料项目(EnhancedAccidentTolerantFuel，EATF)，中国也设立了ATF重大科研专项，致力于突破ATF技术重重难关。目前在新型事故容错燃料研究方面，国际上开展了大量研究，主要研究包括：(1)西屋公司发展了UN和U3Si2燃料、SiC包壳，以及锆合金涂层材料；(2)阿海珐公司发展了掺杂氧化铬和SiC纤维的二氧化铀芯块和锆合金涂层材料；(3)通用电气公司发展了铁素体/马氏体包壳。除了上述国际上主要的核燃料制造厂外，美国、韩国、法国、日本、中国的研究机构和大学也进行了大量事故容错燃料基础研究，研究范围包括锆包壳表面涂层、MAX相材料、陶瓷基体复合材料、不锈钢包壳、难熔金属包壳、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过提高燃料元件内燃料芯块和包壳材料的性能，提高燃料的非能动安全特性。由于目前燃料芯块和包壳技术已经较为成熟，进一步提高其性能难度很大。因此需要寻求提高燃料组件事故工况下安全特性的新方向。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种事故容错燃料组件，通过计形状记忆材料的气室，使燃料组件具有的非能动安全特性，从而提高了反应堆安全性。本专利技术的技术方案是：一种事故容错燃料组件，包括：两根以上燃料元件、操作头、下管脚，燃料元件之间相互平行，燃料元件位于操作头和下管脚之间，两端分别与操作头和下管脚相连；燃料元件包括：包壳管、位于包壳管两端的上端塞和下端塞、同轴位于包壳管内部并在上端塞和下端塞之间依次设置的气室、上反射层、燃料芯块、下反射层和压紧弹簧；压紧弹簧的一端与下反射层抵触，另一端与下端塞抵触；燃料元件包括两种以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室由形状记忆材料制备；在反应堆正常运行工况下，所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸。该事故容错燃料组件能够提高反应堆安全性的原理为：在反应堆事故工况下，当燃料元件温度上升至一定温度时，由形状记忆材料制备的气室发生轴向变形，并将压力传递至燃料元件内的压紧弹簧，形成弹簧伸缩和燃料元件内燃料芯块移动。然而，对于组件内部另一部分未采用形状记忆材料制备气室的燃料元件，燃料元件内燃料芯块不移动，因此，燃料组件内活性区形状被改变，可降低反应堆反应性，提高反应堆安全性。有益效果：本专利技术通过设计燃料组件内一部分燃料元件的裂变气室为形状记忆材料(如Ti-Zr合金材料或Ti-Nb-Zr合金材料)，使燃料组件在事故工况下具备改变组件内部活性区形状的能力，提高反应堆安全性。本专利技术的燃料组件具有固有安全性好、事故容错能力强等优点。附图说明图1为本专利技术的燃料组件结构示意。图2为本专利技术的燃料元件结构示意。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本实施例提供一种事故容错燃料组件，通过改变事故容错燃料的结构设计和燃料掺杂来提高燃料组件事故工况下的安全特性。所述事故容错燃料组件包括两根以上燃料元件1、操作头2、下管脚3，如图1所示，所述两根以上燃料元件1之间相互平行，燃料元件1位于所述操作头2和下管脚3之间，两端分别与操作头2和下管脚3相连。所述燃料元件1为管状结构，如图2所示，包括包壳管4、位于上端塞5、下端塞6、上反射层7、下反射层8、压紧弹簧9和燃料芯块10。所述包壳管4两端的开口分别通过上端塞5和下端塞6封闭，在包壳管4内部上端塞5与下端塞6之间依次同轴设置有气室11、上反射层7、燃料芯块10、下反射层8和压紧弹簧9；所述压紧弹簧9的一端与下反射层8抵触，另一端与下端塞6抵触。所述燃料元件包括两种以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室11由形状记忆材料制备；反应堆正常运行工况下，燃料组件内所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸。本实施所提供的事故容错燃料组件共包括121根燃料元件1，其中55根燃料元件1内的气室11由形状记忆材料Ti-22Nb-4Zr合金或Ti-20Zr合金制备。气室11设计在燃料元件1上端靠近燃料组件的冷却剂出口。在反应堆正常运行工况下燃料组件冷却剂出口温度为300℃时，所有燃料元件1的气室11高度均为150mm；事故工况下，当气室11温度升高时，由形状记忆材料制备的气室11发生变形并压缩压紧弹簧9，形成弹簧收缩和燃料元件内燃料芯块移动；当气室11温度升至400℃时，气室11高度变为200mm，然而，对于组件内部另一部分未采用形状记忆材料制备气室的燃料元件，燃料元件内燃料芯块不移动，此时组件内活性区形状分布较正常运行工况发生较大改变，降低了反应堆反应性，从而提高反应堆安全性。综上所述，以上仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种事故容错燃料组件，其特征在于，包括：两根以上燃料元件(1)、操作头(2)、下管脚(3)，所述两根以上燃料元件(1)相互平行，燃料元件(1)位于操作头(2)和下管脚(3)之间，两端分别与操作头(2)和下管脚(3)相连；所述燃料元件(1)包括：包壳管(4)、位于所述包壳管(4)两端的上端塞(5)和下端塞(6)、同轴位于所述包壳管(4)内部并在所述上端塞(5)和下端塞(6)之间依次设置的气室(11)、上反射层(7)、燃料芯块(10)、下反射层(8)和压紧弹簧(9)；所述压紧弹簧(9)的一端与下反射层(8)抵触，另一端与下端塞(6)抵触；所述燃料元件(1)包括两种以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室(11)由形状记忆材料制备；在反应堆正常运行工况下，所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸。

【技术特征摘要】
1.一种事故容错燃料组件，其特征在于，包括：两根以上燃料元件(1)、操作头(2)、下管脚(3)，所述两根以上燃料元件(1)相互平行，燃料元件(1)位于操作头(2)和下管脚(3)之间，两端分别与操作头(2)和下管脚(3)相连；所述燃料元件(1)包括：包壳管(4)、位于所述包壳管(4)两端的上端塞(5)和下端塞(6)、同轴位于所述包壳管(4)内部并在所述上端塞(5)和下端塞(6)之间依次设置的气室(11)、上反射层(7)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴宜灿，吴庆生，梅华平，李春京，陈建伟，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽,34