一种核燃料元件及其制造方法技术

本发明专利技术属于核能技术领域，公开了一种核燃料元件及其制造方法；所述制造方法包括：采用激光粉末床熔化技术，逐层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳；其中，每层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳时均是通过激光熔化、凝固核燃料区、第一区域和第二区域的材料，使各个区域的材料冶金结合；第一区域、第二区域的材料成形为包壳；第二区域的材料成形的包壳包覆核燃料区；第一区域的数量为一个或多个，第一区域的材料成形的包壳形成冷却流道，且分布于核燃料区。本发明专利技术可一次对燃料芯块和包壳一体化成形，芯块与包壳之间不存在间隙，致密化结合可提高传热效率，提高反应堆的功率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
一种核燃料元件及其制造方法


[0001]本专利技术属于核能
，特别涉及一种核燃料元件及其制造方法。

技术介绍

[0002]发展清洁能源是应对能源短缺、保障能源供给的重要发展方向；核能作为一种高效、安全、可靠的清洁能源，已成为各国发展的重要方向。核燃料元件是核反应堆运行组件中最重要的元件之一，其包括核燃料和包壳，包壳是用于支撑核燃料元件中的可裂变核燃料。
[0003]目前，制备燃料元件的技术主要采用锻造、粉末冶金等方式制备包壳，再通过充填核燃料构成燃料元件，其制备周期长，工艺复杂，精度差等不足；另外，现有技术制造获得的核燃料元件多采用散热管与燃料棒相间布置。综上，上述布置方式及填充方式使得燃料元件芯壳之间存在间隙，导热性能较差，会导致反应堆的功率较低。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种核燃料元件及其制造方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术提供了一种基于激光增材制造技术的制造方法，可一次对燃料芯块和包壳一体化成形，芯块与包壳之间不存在间隙，致密化结合可提高传热效率，提高反应堆的功率。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]本专利技术提供的一种核燃料元件的制造方法，包括以下步骤：
[0007]采用激光粉末床熔化技术，逐层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳，制造获得核燃料元件；其中，所述逐层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳的过程中，每层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳时均是通过激光熔化、凝固核燃料区、第一区域和第二区域的材料，使各个区域的材料冶金结合；所述第一区域、所述第二区域的材料成形为包壳；所述第二区域的材料成形的包壳包覆所述核燃料区；所述第一区域的数量为一个或多个，所述第一区域的材料成形的包壳形成冷却流道，且分布于所述核燃料区。
[0008]本专利技术方法的进一步改进在于，所述核燃料区的材料为金属基复合燃料；
[0009]所述金属基复合燃料中，核燃料颗粒弥散分布于金属基体；其中，所述核燃料颗粒为UO2颗粒和U3Si2颗粒中的一种；所述金属基体为FeCrAl不锈钢、锆合金和镍基高温合金中的一种或多种。
[0010]本专利技术方法的进一步改进在于，所述第一区域和第二区域的材料为FeCrAl不锈钢、锆合金和镍基高温合金中的一种或多种。
[0011]本专利技术方法的进一步改进在于，所述第一区域为圆管形。
[0012]本专利技术方法的进一步改进在于，所述第二区域为六边形柱形。
[0013]本专利技术方法的进一步改进在于，所述每层一体化成形核燃料元件的核燃料区和包壳时均是通过激光熔化、凝固核燃料区、第一区域和第二区域的材料，使各个区域的材料冶
金结合的步骤包括：
[0014]铺一层包壳粉末，使用第二激光器成形包壳的第一区域和第二区域，之后去除多余的包壳粉末；再铺一层核燃料粉末，使用第一激光器成形核燃料区，去除多余的核燃料粉末。
[0015]本专利技术方法的进一步改进在于，所述第一激光器的光斑直径为100～200um；所述第二激光器的光斑直径50～100um。
[0016]本专利技术方法的进一步改进在于，使用第一激光器成形核燃料区的工艺参数为，激光功率300～800W，扫描速度为300～600mm/s，打印层厚为30～60μm，扫描间距为40～60μm，采用的扫描策略为分区扫描策略。
[0017]本专利技术方法的进一步改进在于，使用第二激光器成形包壳的第一区域和第二区域的工艺参数为，激光功率150～400W，扫描速度为400～900mm/s，打印层厚为30～80μm，扫描间距为40～60μm；第一区域采用环形扫描策略，第二区域采用线性扫描策略。
[0018]本专利技术提供的一种上述任一种制造方法制造获得的核燃料元件。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]本专利技术提供的制造方法，是一种基于激光增材制造的快速制造方法，其利用激光粉末床熔化技术，逐层制造预设结构的核燃料元件。与现有的和燃料元件制造方法相比，本专利技术采用激光粉末床熔化技术的技术方案不受金属模具的限制，不用装配和焊接等其余后处理步骤，通过一次对燃料芯块和包壳一体化成形方式制造，芯块与包壳之间不存在间隙，致密化结合可提高传热效率，提高反应堆的功率。本专利技术中，制备的包壳完全包覆的核燃料，分布有冷却流道，可通入流动的冷却液，以加快热量的传递效率，实现高效散热。
[0021]本专利技术中，使用两种不同的激光器，控制扫描路径，可提高包壳的制造精度和整体的制造效率。
[0022]本专利技术方法制备的产品为一体化核燃料元件，可消除现有的燃料元件芯壳之间存在的间隙，导热性能较好，可提高反应堆的功率。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1是本专利技术实施例的一种核燃料元件的整体结构示意图；
[0025]图2是图1中实施例的剖面结构示意图；
[0026]图中，1、核燃料区；2、冷却流道；3、第一区域；4、第二区域。
具体实施方式
[0027]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范
围。
[0028]需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0029]下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：
[0030]本专利技术实施例提供的一种核燃料元件的制造方法，包括以下步骤：
[0031]采用激光粉末床熔化技术，将燃料芯块和包壳一体化成形，制造获得核燃料元件；
[0032]其中，所述将燃料芯块和包壳一体化成形时，通过激光熔化凝固核燃料区1、第一区域3、第二区域4，实现各区域间的冶金结合；所述核燃料区1加工成形为燃料芯块，所述第一区域3、所述第二区域4加工成形为包壳；
[0033]所述第二区域4包覆所述核燃料区1；
[0034]所述第一区域3的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核燃料元件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：采用激光粉末床熔化技术，逐层一体化成形核燃料元件的核燃料区(1)和包壳，制造获得核燃料元件；其中，所述逐层一体化成形核燃料元件的核燃料区(1)和包壳的过程中，每层一体化成形核燃料元件的核燃料区(1)和包壳时均是通过激光熔化、凝固核燃料区(1)、第一区域(3)和第二区域(4)的材料，使各个区域的材料冶金结合；所述第一区域(3)、所述第二区域(4)的材料成形为包壳；所述第二区域(4)的材料成形的包壳包覆所述核燃料区(1)；所述第一区域(3)的数量为一个或多个，所述第一区域(3)的材料成形的包壳形成冷却流道(2)，且分布于所述核燃料区(1)。2.根据权利要求1所述的一种核燃料元件的制造方法，其特征在于，所述核燃料区(1)的材料为金属基复合燃料；所述金属基复合燃料中，核燃料颗粒弥散分布于金属基体；其中，所述核燃料颗粒为UO2颗粒和U3Si2颗粒中的一种；所述金属基体为FeCrAl不锈钢、锆合金和镍基高温合金中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的一种核燃料元件的制造方法，其特征在于，所述第一区域(3)和第二区域(4)的材料为FeCrAl不锈钢、锆合金和镍基高温合金中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的一种核燃料元件的制造方法，其特征在于，所述第一区域(3)为圆管形。5.根据权利要求1所述的一种核燃料元件的制造方法，其特征在于，所述第二区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，曹福升，张瑞谦，陈寰，苗恺，陈平，邱绍宇，李涤尘，陈勇，杜沛南，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：