[發(fā)明專利]一種液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件

在審

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• 申請日: 2022-10-11
• 公開（公告）號: CN115938615A
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭子萱;呂亮亮;周毅;余紅星;嚴明宇;張坤;惠永博;李垣明;邱璽;王鵬;劉松濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國核動力研究設(shè)計院
• 主分類號: G21C3/322
• 分類號: G21C3/322;G21C3/324;G21C15/247
• 代理公司: 成都行之專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51220
• 代理人: 馬碧娜

本發(fā)明實施例提供一種液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件，包括：金屬燃料芯體、包殼管、上端塞和下端塞；所述包殼管的兩端分別與上端塞和下端塞連接；還包括：隔離層，設(shè)于金屬燃料芯體與包殼管之間；空腔，設(shè)于金屬燃料芯體一端或兩端的包殼管內(nèi)；螺旋件，設(shè)于包殼管外側(cè)；以及保護層，設(shè)于包殼管和螺旋件外表面；所述金屬燃料芯體為環(huán)形金屬燃料芯體；所述隔離層和包殼管內(nèi)表面緊密貼合；金屬燃料芯體與隔離層之間形成間隙配合或者冶金結(jié)合；包殼管內(nèi)充有氦氣。本發(fā)明實施例解決了液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆中燃料與填充金屬的相容性匹配較差導(dǎo)致輻照腫脹時產(chǎn)生FCMI引起包殼失效的問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件。

背景技術(shù)

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆具有功率密度高、固有安全性好、系統(tǒng)緊湊簡潔等特點，是第四代先進核能系統(tǒng)之一。在全球范圍內(nèi)，數(shù)十座鈉冷快堆實現(xiàn)了安全穩(wěn)定運行，鉛基堆研發(fā)活動也如火如荼。金屬燃料是最早用于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的燃料類型，實現(xiàn)工程應(yīng)用的主要有鈾鋯合金、鈾钚鋯合金和鈾鉬合金等。金屬燃料不含寄生吸收原子，其堆芯增殖性能好；鈾密度高，為延長換料周期、縮小堆芯體積提供了靈活選項；導(dǎo)熱性能好，能顯著降低燃料溫度及溫度梯度；其干法后處理工藝具有更高的經(jīng)濟性和分離效果，極具競爭力。金屬燃料應(yīng)用的主要問題是輻照穩(wěn)定性較差，由于各向異性變形和裂變氣體積累，低燃耗下就會出現(xiàn)非常顯著的輻照腫脹，與包殼管形成持續(xù)的相互作用(即燃料-包殼力學(xué)相互作用，F(xiàn)CMI)，易導(dǎo)致包殼管失效，該問題已通過燃料元件設(shè)計改進得以解決。

液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件通常由實心正圓柱體的金屬燃料芯體、包殼管和上下端塞組成。為了容納金屬燃料的輻照腫脹，燃料芯體和包殼管之間留有較大的徑向間隙，使大部分裂變氣體釋放后仍不與包殼管接觸，避免強烈的FCMI引起包殼失效。由于液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆的線功率很高，大間隙需要填充液態(tài)金屬提高導(dǎo)熱能力。填充金屬一般選擇反應(yīng)堆主冷卻劑，燃料芯體浸沒在填充金屬液面以下。包殼管兩端和上下端塞焊接密封，外表面焊接繞絲，為燃料元件提供徑向定位。

這種燃料元件設(shè)計要求在輻照和高溫條件下，金屬燃料和填充金屬應(yīng)具有良好的材料相容性。試驗結(jié)果表明，鈾鋯合金和鈉的相容性很好，與鉛、鉛鉍合金在高溫下的化學(xué)相容性不好。從而，液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件通過填充液態(tài)金屬提高導(dǎo)熱能力時，仍然存在金屬燃料和填充金屬的相容性匹配較差的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為解決現(xiàn)有的液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件的金屬燃料和填充金屬的相容性匹配較差導(dǎo)致輻照腫脹時產(chǎn)生FCMI引起包殼失效的問題，本發(fā)明實施例提供一種液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件。

本發(fā)明實施例通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

本發(fā)明實施例提供一種液態(tài)金屬冷卻反應(yīng)堆金屬燃料元件，包括：金屬燃料芯體、包殼管、上端塞和下端塞；所述包殼管的兩端分別與上端塞和下端塞連接；還包括：

隔離層，設(shè)于金屬燃料芯體與包殼管之間；

空腔，設(shè)于金屬燃料芯體一端或兩端的包殼管內(nèi)；

螺旋件，設(shè)于包殼管外側(cè)；以及

保護層，設(shè)于包殼管和螺旋件外表面；

所述金屬燃料芯體為環(huán)形金屬燃料芯體；

所述隔離層和包殼管內(nèi)表面緊密貼合；金屬燃料芯體與隔離層之間形成間隙配合或者冶金結(jié)合；

包殼管內(nèi)充有氦氣。

可選地，環(huán)形金屬燃料芯體為一體式環(huán)形燃料芯體。

可選地，環(huán)形金屬燃料芯體為環(huán)形芯塊摞；金屬燃料元件還包括：

空腔彈簧，設(shè)于所述空腔內(nèi)，兩端分別用于與環(huán)形芯塊摞的端部和上端塞或下端塞接觸。

可選地，環(huán)形金屬燃料芯體為環(huán)形芯塊摞；金屬燃料元件還包括：