一种固态堆芯高温燃料元件

技术领域

本发明属于核动力装置用燃料元件的相关技术领域，尤其涉及一种固态堆芯高温燃料元件。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

压水核反应堆燃料组件通常由若干燃料棒、导向管部件、仪表管部件、格架、上下管座等构成，根据燃料棒排列可分为14x14～20x20方形和六角形等类型。燃料棒外形为圆柱状，由二氧化铀芯块、包壳、上下端塞及气腔弹簧组成。燃料组件通过冷却水完成热量传递的目的。固态堆芯核动力装置采用了不同于压水堆的传热介质，燃料释放的热量通过固体热传导、间隙接触导热、热辐射、气隙导热等方式进行传递。高运行温度是固态堆芯的优点也是设计难点。理论上，固态堆芯的运行温度不受工质沸点和流动状态的限制，因而可以承受更高的运行温度。但是在工程上，固态堆芯部件之间的间隙对传热影响很大，裂变产物的释放会进一步加剧部件的变形，影响传热。固态堆芯需要为热量移除装置(如热管等)提供空间，进一步增加了结构设计的复杂性和难度。

常见的固态堆芯采用不带可裂变核素的基体，通过基体中加工出圆形孔，孔中插入棒形燃料元件的形式，另一部分孔洞中装入热管。这种形式的固态堆芯中，从热源到冷源经历了芯块，芯块-包壳间隙，包壳-基体间隙，基体材料，基体-热管间隙共5个传热环节，导热路径复杂，温差大，限制了固态堆芯的运行温度；基体加工难度大，尤其难以实现大长度的堆芯，难以扩大堆芯功率，也限制了燃料元件轴向气腔长度、反射层长度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种固态堆芯高温燃料元件，通过双包壳的元件设计，解决了固态堆芯热管插入式换热与燃料元件结构匹配的问题，配合选用具备高热导率的芯块材料，不再需要额外设置基体材料，缩小了传热路径。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：一种固态堆芯高温燃料元件，包括：外包壳和内包壳，所述外包壳和所述内包壳之间所形成的空间内用以填充环形芯块，在所述内包壳与所述外包壳所连接的一端面上开设有通气孔；所述内包壳内部形成中空孔道，所述中空孔道内插入热量移出装置。

另外，根据本发明实施例的一种固态堆芯高温燃料元件还可以具有以下附加技术特征：

优选的，所述内包壳与所述外包壳的一端通过上端塞密封连接，所述内包壳与所述外包壳的另外一端通过下支撑隔板连接，在所述下支撑隔板与所述外包壳和所述内包壳之间所形成的空间相对的位置开设有多个通气孔。

优选的，所述外包壳的末端与下端塞密封连接，所述下端塞、外包壳和所述下支撑隔板形成气腔。

优选的，所述外包壳可为六角形、三角形、正方形中的一种。

优选的，所述上端塞为中空结构。

优选的，位于通气孔的一端在所述外包壳的轴向延伸方向上连接有气腔室。

优选的，在所述外包壳和内包壳之间所形成的空间内设置反射层芯块，所述反射层芯块设置在所述环形芯块的两端。

优选的，在所述外包壳和内包壳之间所形成的空间内设置有定位弹簧，所述定位弹簧的一端反射层芯块接触，所述定位弹簧的外径大于所述外包壳的内径。

优选的，所述热量移出装置为热管。

优选的，所述定位弹簧的另外一端与上端塞不接触。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

在本发明中，通过双包壳的元件设计，解决了固态堆芯热管插入式换热与燃料元件结构匹配的问题。固态堆芯采用基体直接导热的方式传递燃料元件释放的热量，燃料元件之间不存在热管。热管的布置只能通过在元件中间设置安装通道实现。双包壳燃料元件结构通过环形燃料的设计，配合内包壳形成一个热管插入的通道。环形燃料选用具备高热导率的芯块材料，不再需要额外设置基体材料，缩小了传热路径。

在本发明中，通过双包壳的设计，使得芯块肿胀变形朝两个方向进行，减轻单个包壳受力，安全裕量更高，解决了燃料元件包壳由于PC I机理导致破损，放射性物质外泄的问题。传统燃料元件由实心芯块和外包壳配合端塞，完成对实心芯块的包覆。芯块服役期间的肿胀变形只能朝外发展，外包壳承受芯块施加的所有力。双包壳配合环形芯块的设计，使得芯块的单边膨胀量减小，进而减小对单边包壳施加的力，缓解PC I作用，增大了安全裕量。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例一中燃烧元件整体示意图；

图2是本发明实施例一中下支撑板结构示意图。

图中，1、上端塞，2、定位弹簧，3、反射层芯块，4、环形芯块，5、内包壳，6、下支撑隔板，7、外包壳，8、下端塞，9、通气孔

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-图2所示，本实施例公开了一种固态堆芯高温燃料元件，其特征在于，包括：外包壳7和内包壳5，所述外包壳7和所述内包壳5之间所形成的空间内用以填充环形芯块4，在所述内包壳5与所述外包壳7所连接的一端面上开设有通气孔9；所述内包壳5内部形成中空孔道，所述中空孔道内插入热量移出装置。

在本实施例中，通过双包壳的设计，燃料元件呈中空柱状结构，将热量移出装置插入到内包壳的中空孔道内，环形芯块4设置在外包壳7和内包壳5之间，解决了固态堆芯热管插入式换热与燃料元件结构匹配的问题，配合选用具备高热导率的芯块材料，不再需要额外设置基体材料，缩小了传热路径。

在本实施例中，环形芯块4材料采用氮化铀、硅化铀、碳化铀、金属铀、铀的合金等或其中一种或多种的混合物。

具体的，内包壳5的一端与上端塞1通过焊接方式连接，内包壳5的另外一端通过焊接等方式与下支撑隔板6连接，外包壳7的一端通过焊接等方式与上端塞1连接，外包壳7的另外一端通过焊接等方式与下端塞8连接。外包壳7、下支撑隔板6与下端塞8形成气腔。

在外包壳7与内包壳5之间通过上端塞1和下支撑隔板6形成对环形芯块4的封装，在环形芯块4轴向方向上下支撑隔板6上开设有多个通气孔9，以便于环形芯块裂变气体通过通气孔9进入气腔内。

下支撑隔板6与内包壳5的焊接结构实现了热量移出装置与芯块的物理隔离。

可选的，热量移出装置采用热管，将热管插入燃烧元件内的中空孔道内吸收热量并传递给另外一端的热交换器，其中热交换器布置在热管伸出燃料元件的一端即上端塞端。

在本实施例中，燃料元件的内外包壳可以通过挤压、轧制、拉拔等管材生产工艺制备，没有长度限制，解决了基体材料加工细长通孔的困难。常见的固态堆芯采用不带可裂变核素的基体，通过基体中加工出圆形孔，孔中插入棒形燃料元件的形式，另一部分孔洞中装入热管，深孔加工存在孔径比大、孔的尺寸和形位公差难以保证，继而影响燃料棒和热管的插入，影响堆芯性能与安全。双层包壳的结构直接通过内包壳的内壁为热管提供安装通道，不再需要在基体材料上加工深孔，解决了基体材料加工细长通孔的困难；而由于管材加工没有长度限制，可以方便的设置轴向反射层、气腔，为堆芯设计提供灵活的轴向空间，为更大尺寸、更大功率的固态堆芯提供基础。

在本实施例中，为了防止活性区在运输和操作的过程中发生窜动，在外包壳7和内包壳5之间所形成的空间内设置有定位弹簧2，定位弹簧2一端与反射层芯块端部接触，另外一端不与上端塞接触，定位弹簧外径比外包壳内径稍大，通过过盈配合实现定位弹簧的压在外包壳内壁上以及对芯块的限位。定位弹簧2一方面固定活性区位置，一方面为芯块的辐照生长提供空间，定位弹簧2长度比反射层芯块顶部到上端塞的轴向长度小，且芯块辐照生长时造成的推力可使定位弹簧2沿管壁移动。

可以理解的是，内包壳5位于定位弹簧2的内部中空区域内。

在本实施例中，在外包壳7和内包壳5之间所形成的空间内设置有反射层芯块3，在活性区即环形芯块4两端设置轴向反射层，轴向反射层由若干反射层芯块3组成，轴向反射层与活性区上下端芯块紧贴布置，反射层长度根据不同堆芯的要求进行针对性设计。轴向反射层可以提高中子经济性，减少堆芯元件数量，实现紧凑型堆芯的目的。

在本实施例中，外包壳7根据功能需要设计成异变形截面，如六角形、三角形、正方向等，根据不同使用环境，可以修改调整外表面结构，增强对环境适用性。

在本实施例中，以独立的燃料元件为基本传热单元，燃料元件外形可以设计为具备满布空间能力的形状如六角形、、三角形、正方形等，利用多边形边与边的对齐排布及固有的稳定结构即多边形的边作为支撑面，比棒状结构的横向布置更稳定，可实现燃料元件紧密的拓扑布置，继而实现燃料元件的自铺满、自定位、自限位。

作为可选的方式，下支撑隔板6上的通气孔的形状可根据需要进行设计。

作为可选的方式，对于气腔可采用独立设计的方式，采用焊接等方式与外包壳连接，便与设计不同的气腔结构，增大结构适用范围，实现燃料元件高燃耗和核反应堆寿期内不换料的目的。

在本实施例中，上端塞1设计成中空结构，为热管提供插入通道。

本实施例提供的采用新型燃料元件结构形式，有效的解决了固态堆芯换热和燃料元件布置的问题。通过内外包壳的设计，实现了燃料元件安全、可靠传热以及在堆芯中紧凑安装的目的。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。