一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件

技术领域

本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种快中子反应堆中空氮 化铀燃料元件。

背景技术

氮化铀(UN)燃料相比传统氧化物燃料，在多方面体现出它的 优越性：有着更高的重金属密度；有着更好的导热性；随着温度的升 高，导热率而增加的特性；相比混合氧化物燃料(MOX)增殖比增 加了大约10％等。由于这些优点，导致UN燃料在很早就已经被考虑 用于钠冷快堆、铅冷快堆和空间反应堆中，甚至可以满足在一些特殊 环境下实现几十年不换料的要求，是未来最受青睐的燃料之一。

但与此同时UN燃料仍然面临着一些需要被解决的问题，其中最 为主要的就是其高温下易裂解和肿胀严重的问题。根据文献调研结果， 虽然UN燃料有很高的熔点，但它常常在大约1970K时就开始分解， 按照目前发展很成熟的快堆MOX燃料的设计和运行条件，燃料中心 温度会超过2300K，这将极大的限制UN燃料在快堆中的使用。而肿 胀严重是UN燃料的另一致命问题，研究人员对氮化物燃料在 1573～1673K做的辐照肿胀实验研究，在此情况下UN燃料的肿胀将 接近氧化物燃料肿胀的二倍，严重的肿胀问题将进一步影响芯-包力学相互作用(FCMI)，甚至导致芯块开裂，包壳失效等问题。这些问 题也往往是堆芯失效的直接原因，这些负面影响不仅仅会降低反应堆 运行的效率，也增大了反应堆的安全隐患。

如何很好的解决这些问题，一直是研发人员研究的重点。燃料裂 解主要是发生在高温情况下，采用内外侧双包壳环形燃料设计可以最 大限度的降低燃料温度，但与此同时也减少了容纳裂变产物的空间， 使肿胀问题更加明显，特别是在高燃耗下这个问题显得更加突出。如 果只考虑容纳裂变产物，增加芯块制备时的孔隙率，但芯块热导率受 孔隙率的影响极大，根据Rogozki(B.D.Rogozkin,N.M.Stepennova, Atomic Energy 95(3)(2003)624–636.)给出的关系式计算，在1500K 下，孔隙率由15％增加到25％，热导率将会下降20％，这一影响将 会严重影响到芯块的温度。这些显然都不是解决问题的最好方法。

Matzke(Matzke,Hj.Science of Advanced LMFBR Fuels； North-Holland:Amsterdam,1986)发现，在UN燃料在反应堆中不同 温度区域会有不同的燃料结构，见图1所示，区域I是出现在燃料芯 块中央区域的多孔结构，温度一般会高于1673K，在增加1％燃耗下 会出现高达4％的肿胀；区域II是一种类似于柱状晶的结构，一般在 UN燃料中很难观察到；区域III会出现晶粒长大，晶界出现大量气 泡，裂变气体释放量高，同时也是肿胀发生的主要区域；区域IV相 比制备时的芯块只有细微变化，有着裂变气体释放量小，肿胀小的特 点，一般只存在1423K以下时。

为此，开发一款在保证更多容纳裂变产物的同时，要将温度控制 在1423K以下对燃料具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种快 中子反应堆中空氮化铀燃料元件，该元件适用于快堆的中空UN燃料， 在实现提高铀的利用率的同时，避免由高运行温度导致的燃料裂解和 由于燃料肿胀导致产生的FCMI，增加燃料的燃耗，延长燃料的服役 时间，提高核反应堆的经济性和安全性。

本发明的目的是提供一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件，包 括；

圆柱形的芯块；及所述芯块侧壁外设有的包壳；

所述芯块中央开设有通孔；

所述芯块与所述包壳之间设有间隙；

所述通孔与所述间隙内填充有氦气。

优选的，所述通孔的半径≥所述芯块外半径的1/3。

更优选的，所述芯块外半径为7.2～8.0mm。

优选的，所述间隙尺寸≤0.2mm。

优选的，所述芯块孔隙度为15％～25％。

优选的，所述芯块为UN燃料。

优选的，所述包壳厚度为1mm

更优选的，所述包壳的材质为高硅铁马钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件，该元件适 用于快堆的中空UN燃料，在实现提高铀的利用率的同时，避免由高 运行温度导致的燃料裂解和由于燃料肿胀导致产生的FCMI，减小处 理核废料的压力，增加燃料的燃耗，延长燃料的服役时间，可以降低 核电的成本，提高核反应堆的经济性和安全性。

本发明通过对芯块中空设计，热源外移，降低了燃料芯块的运行 温度，有效避免了UN燃料高温裂解的缺点；

本发明通过降低温度，减小裂变气体导致的肿胀，增加燃料孔隙 率和中孔设计来容纳裂变产物，从而有效的减小了FCMI，提高反应 堆安全性。

附图说明

图1为不同温度下氮化物燃料结构示意图。

图2为实施例提供的快中子反应堆中空氮化铀燃料元件结构示 意图。

图3为实施例提供的快中子反应堆中空氮化铀燃料元件的截面 结构示意图。

图4为实施例1和2提供的燃料元件的热导率曲线图。

图5为实施例1和2提供的燃料元件的燃料温度分布图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实 施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作 为对本发明的限定。

下述实施例采用的一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件结构 示意图，参见图2～3所示，包括；

圆柱形的芯块1；及所述芯块1侧壁外设有的包壳3；

所述芯块1中央开设有通孔2；

所述芯块1与所述包壳3之间设有间隙4；

所述通孔2与所述间隙4内填充有氦气。

本发明以铅基快堆中空UN燃料设计为例，说明中空UN燃料元 件在设计时参数取值，见表1。

表1.铅基快堆中空UN燃料设计参数

实施例1

一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件，参见图2～3所示，包括 圆柱形的芯块1；及芯块1侧壁外设有的包壳3；

芯块1中央开设有通孔2；

芯块1与包壳3之间设有间隙4；

通孔2与间隙4内填充有氦气。

芯块外半径7.8mm，通孔的半径2.6mm

芯块为UN燃料，孔隙度为15％；

包壳的材质为高硅铁马钢，其厚度为1.0mm；

间隙尺寸为0.04mm。

实施例2

一种快中子反应堆中空氮化铀燃料元件，参见图2～3所示，包括 圆柱形的芯块1；及芯块1侧壁外设有的包壳3；

芯块1中央开设有通孔2；

芯块1与包壳3之间设有间隙4；

通孔2与间隙4内填充有氦气。

芯块外半径7.8mm，通孔的半径2.6mm

芯块为UN燃料，孔隙度为25％；

包壳的材质为高硅铁马钢，其厚度为1.0mm；

间隙尺寸为0.04mm。

实施例3

与实施例1相同，不同之处在于，

芯块外半径为8.0mm；通孔的半径4mm；

间隙尺寸为0.02mm。

实施例4

与实施例1相同，不同之处在于，

芯块外半径为7.2mm；通孔的半径2.4mm；

间隙尺寸为0.1mm。

为了说明本发明提供的快中子反应堆中空氮化铀燃料元件的各 项性能，对实施例1和实施例2提供的燃料元件进行测试，见图4～5 所示。

图4为实施例1和2提供的燃料元件的热导率曲线图。

图5为实施例1和2提供的燃料元件的燃料温度分布图。

从图4和图5可知，25％孔隙度的UN燃料相比15％的热导率有 明显的下降，但对最终芯块温度分布的影响，最大处也只有不到30K 的影响，这一优点可以让我们通过合理的增大孔隙度来容纳裂变产物。 中孔结构的设计从另一方面也可以增大容纳裂变产物的空间，以解决 UN燃料肿胀问题，减小FCMI，提高反应堆安全性。

从结构设计的方面来说，该中空燃料设计可以保证燃料在20％燃 耗以下依然安全运行，基本可以满足达到20年不换料的要求，很大 程度上提高核反应堆的经济性。同时也极大的降低了反应堆的运行温 度，减小FCMI，提高了反应堆的安全性。

本发明对于高燃耗UN燃料装载快中子堆的燃料设计，可以从根 本上去控制其芯块温度的最高值，减少燃料肿胀以及减小燃料肿胀所 引起的FCMI，可以显著提高燃料的燃耗，进一步扩大高燃耗UN燃 料在快堆应用中的优势。

综上，本发明通过中空燃料的设计使热源外移，减小芯-包间隙 来增加热传导的效果，从而使芯块的温度在低于1423K的范围内。在 此效果下燃料的孔隙率虽然对导热率影响很明显，但对温度分布的结 果影响很小，从而可以通过增加孔隙率来增加容纳裂变产物的空间； 另外，在燃料肿胀到一定程度的时候，由于是中孔结构，芯块会向内 位移，缓解了因肿胀导致的芯-包间应力过大，提高堆芯的安全性。 因此，通过中空燃料的设计可以很好的解决UN燃料在快堆中出现的 问题。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦 得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。 所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围 的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不 脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于 本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些 改动和变型在内。