[發明專利]一種弱PCI效應的液態鉛鉍冷卻ADS反應堆用燃料棒

在審

• 申請號: 201911336368.4
• 申請日: 2019-12-23
• 公開（公告）號: CN110867259A
• 公開（公告）日: 2020-03-06
• 發明（設計）人: 陳忠;呂中良;趙子甲;袁寶新;潘冬梅;馬燕云
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G21C3/06
• 分類號: G21C3/06;G21C3/10
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發明公開一種弱PCI效應的液態鉛鉍冷卻ADS反應堆用燃料棒，包括柱狀殼體、對稱包覆于柱狀殼體兩端的包殼區、沿軸向設置在柱狀殼體內的多個燃料芯塊；所述燃料芯塊包括燃料棒主體以及柱形空隙，燃料棒主體的外緣與柱狀殼體之間預留有間隙；所述柱形空隙與間隙共同形成氣體容納部。本發明通過沿燃料棒主體的中心軸開設貫穿的柱形空隙，實現燃料芯塊的易裝配效果，可遠程機械操作，有利于防止人員受到高放射性輻照；裝配完成后，柱形空隙、間隙共同形成氣體容納部可以有效包容燃料芯塊釋放能量過程中所產生的裂變氣體和裂變產物，減小PCI效應，防止柱狀殼體破裂，有利于延長本發明的使用壽命且對安全有利。

技術領域

本發明涉及核反應堆技術領域，具體是一種弱PCI效應的液態鉛鉍冷卻ADS反應堆用燃料棒。

背景技術

高放核廢料不到核反應堆乏燃料總量的3％，卻集中了乏燃料99％以上的放射性，對地球上的生命具有很大的危險性。因此，對高放核廢料的處理是放射性廢料管理的重點，也是世界性的難題。為解決核廢料問題，國際上提出了先進閉式燃料循環即分離-嬗變(PT)戰略。加速器驅動次臨界系統(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是嬗變核廢料、產出能量的理想裝置，具有良好資源、環境效益，美國、歐盟、日本、俄羅斯、韓國以及我國都對之開展了中長期路線規劃和前期基礎研究。由于采用液態鉛鉍LBE作為冷卻劑在中子學、熱工、物理化學性質以及低輻照損傷等方面的優點，國際ADS嬗變堆方案設計均選用LBE作為冷卻劑。

核反應堆堆芯材料需要長時間在高溫、高濕、高應力、高放射性、高輻照通量和強腐蝕環境等極端條件下長期穩定工作，因此安全性一直是核反應堆的核心目標。對于核反應堆而言，燃料元件是反應堆的核心部件。隨著燃耗加深，一些潛在的危險將威脅到燃料元件的完整性，從而降低其運行壽命。破壞燃料棒完整性的主要因素是芯塊-包殼管之間的相互作用(Pellet-Cladding Interaction，PCI)，即在燃料棒的輻照過程中，芯塊與包殼之間可能發生的機械相互作用和燃料棒內的裂變產物與包殼的化學相互作用的總稱。PCI效應可以導致燃料棒包殼腐蝕開裂甚至燃料破損。解決這一影響因素的傳統方式是將包殼管內壁襯純鋯(Zr)層，二者通過冶金技術結合，從而達到緩和PCI效應中包殼管內壁產生的應力的目的。

對于高燃耗燃料組件，其基本特征之一即裂變氣體釋放量增加。裂變氣體堆積成氣泡引發燃料腫脹，而氣泡的尺寸大小是影響輻照腫脹的重要因素，也是決定PCI效應的關鍵因素。因此，要求燃料組件在使用壽命結束之前能容納足夠的氣體。目前燃料芯塊主要采用蝶形設計來控制PCI效應。

嬗變核廢料的ADS以高放次錒系核素MA(Minor Actinides)作為燃料核心。因此，燃料制造過程中必須考慮防護其放射性。就高放核燃料而言，采用目前的蝶形燃料芯塊裝配到燃料包殼內過程困難。

在專利CN 201310011086.3中公開了一種液態重金屬冷卻反應堆用燃料組件及固定方法，具體就液態重金屬冷卻反應堆用開展了燃料組件的結構和固定方法設計，通過采用圓形套管和管腳定位架的方法克服液態重金屬冷卻劑的浮力。在專利CN201310195644.3中公開了一種液態重金屬冷卻反應堆燃料組件，具體針對燃料系統和用于固定燃料組件的配重系統開展了結構設計。在專利CN 201510067562.2中公開了一種鉛合金冷卻劑零功率反應堆燃料組件，具體針對組件外殼、固態鉛合金片和燃料元件棒進行了結構設計。但這些已公開的專利并不以高放射性次錒系核素MA作為燃料核心設計燃料組件，而國際上ADS反應堆的相關燃料組件在結構上沒有考慮到高放燃料組件的裝配和PCI效應弱化問題。

因此，有必要設計一種易裝配高燃耗弱PCI效應的液態鉛鉍冷卻反應堆用燃料棒。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供一種易裝配高燃耗弱PCI效應的液態鉛鉍冷卻反應堆用燃料棒。