动力堆用铀氢化锆核燃料棒

摘要

本发明公开一种动力堆用的铀氢化锆核燃料棒，它包括带弥散铒可燃毒物的燃料芯体、阻氢涂层、包壳、弹簧以及上、下端塞等。燃料棒直径为6mm～16mm，

说明书

技术领域

本发明属于一种核燃料，具体是一种动力堆用铀氢化锆核燃料棒。

背景技术

反应堆的发展越来越重视堆芯的安全性。由于铀氢化锆（U-ZrHx）燃料具有显著的固有安全性能，采用铀氢化锆燃料的反应堆的堆芯具有很大的瞬发负温度系数，提供了氧化物燃料不具有的反应堆固有安全性；其燃料芯块含有慢化剂，可使堆芯设计得具有更佳的慢化能力和更高的功率密度，因而堆芯尺寸小、重量轻；由于慢化剂与铀的比值增大，铀装量增加，能获得较高的卸料燃耗，延长堆芯寿期；由于铀氢化锆元件的热导率高，中心温度低，储能少，有利于事故工况下的余热导出，可进一步提高反应堆的安全性。

目前，铀氢化锆燃料均用于研究堆（如脉冲堆）中。如美国US4186050-A、 US3943210-A、US3809731-A专利中所述的铀氢化锆燃料棒均是针对铀氢化锆燃料研究堆所研制的。脉冲堆用铀氢化锆燃料棒棒径较粗（直径一般大于30mm），采用单棒形式排列，燃料中²³⁵U质量份额较低（一般低于2.4%），不含可燃毒物。《核动力工程》2009年第30卷第3期发表的《铀氢化锆元件小型动力堆应用可行性分析》介绍了铀氢化锆燃料元件的主要性能和特点以及对将铀氢化锆元件应用于小型动力堆的技术可行性进行了论证和分析，但只是对在动力堆使用铀氢化锆燃料棒进行了相关研究，并没有形成实际的产品。由于铀氢化锆动力堆的功率、堆芯平均温度要比研究堆高，所以动力堆燃料元件的线功率密度和表面热负荷也要比研究堆元件高，从而使元件中心温度高于所能承受的温度，所以不能直接使用一般脉冲堆燃料元件。为了增加发热面积和减少平均线功率密度，动力堆一般采用比铀氢化锆研究堆元件直径小的U-ZrHx细棒燃料元件。因此，由于研究堆用铀氢化锆燃料棒不能满足动力堆较高运行功率和较长燃耗寿期的要求，需要针对铀氢化锆元件小型动力堆，设计新的铀氢化锆燃料棒。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可在动力堆中使用的铀氢化锆燃料棒，该燃料棒既能保持燃料固有安全性能，又能满足动力堆较高运行功率和较长燃耗寿期的要求。

本发明的技术方案如下：

一种动力堆用铀氢化锆核燃料棒，包括芯体、包覆芯体的包壳、端塞，其特征在于：所述的铀氢化锆核燃料棒的芯体中弥散有铒可燃毒物；芯体在轴向上分为上部芯体和下部芯体；芯体外表面涂有氧化物外侧阻氢涂层，包覆芯体的包壳的内表面涂有氧化物内侧阻氢涂层；芯体与包壳之间留有气隙；燃料棒下端由下端塞密封，上端用弹簧压紧芯体，并由上端塞密封。

其附加特征在于：

所述的铀氢化锆核燃料棒的芯体中的²³⁵U质量份额为5%～40.5%；铒可燃毒物在燃料中的质量份额为0~3%。

所述的包壳为镍基合金包壳或锆包壳。

所述的包壳为锆包壳，芯体与包壳之间的气隙内填充有液态金属。

所述气隙内填充的液态金属为铅、锌和铋的液态合金。

所述气隙内填充的液态金属中，铅、锌和铋各占三分之一。

所述的铀氢化锆核燃料棒的直径为6mm～16mm，包壳厚度0.4mm～0.8mm。

所述的铀氢化锆核燃料棒可排列成正方形，组成正方形燃料组件或排列成六角形，组成六角形燃料组件。

本发明的效果在于：本发明的铀氢化锆细燃料棒的²³⁵U质量份额为5%～40.5%（最高质量份额对应于45%的最大铀质量份额和90%的²³⁵U富集度），增加了卸料燃耗深度，满足较长的堆芯燃耗寿期要求；燃料棒中可对²³⁵U富集度进行轴向分区布置，采用弥散铒作可燃毒物，有利于功率分布展平和反应性控制；燃料棒的直径范围为6mm～16mm，增加了发热面积和减少了平均线功率密度；采用镍基合金包壳或锆包壳(锆包壳与燃料芯块间隙内填充有液态金属)，在燃料芯体外表面和包壳的内表面采用氧化物涂层，以提供渗氢防护；本发明的铀氢化锆核燃料棒既能保持燃料固有安全性，又能满足较高运行功率和较长燃耗寿期动力堆的要求。

附图说明

图1是本发明的铀氢化锆燃料棒结构示意图。

图2是图1中铀氢化锆燃料棒芯体的俯视图。

图中1. 上端塞；2. 弹簧；3.包壳；4.外侧阻氢涂层；5.气隙；6.上部芯体；7. 内侧阻氢涂层；8.下部芯体；9.下端塞。

具体实施方式

本发明的铀氢化锆燃料棒采用高铀装量加铒铀氢化锆燃料作芯体，在燃料芯体外表面和包壳的内表面涂以氧化物阻氢层，用弥散铒作可燃毒物，以避免出现过高的寿期初剩余反应性，并同时兼顾对燃料瞬发负温度系数的影响；采用液态金属填充铀氢化锆燃料-锆包壳间隙或直接采用镍基合金作为包壳材料。 

如图1、图2所示，本发明的铀氢化锆燃料棒由芯体、阻氢涂层、包壳、弹簧以及上、下端塞等组成。燃料棒中心为铀氢化锆燃料芯体，铒可燃毒物弥散于芯体中；芯体中的²³⁵U质量份额为5%～40.5%；铒可燃毒物在燃料中的质量份额为0~3%。芯体在轴向上分为上部芯体6和下部芯体8，对²³⁵U富集度进行轴向分区布置；燃料芯体外表面涂有氧化物外侧阻氢涂层4，芯体由包壳3包覆，包壳3的内表面涂有氧化物内侧阻氢涂层7；包壳3可采用镍基合金包壳或锆包壳，芯体与包壳3之间留有气隙5，若采用锆包壳，则在间隙5内填充液态金属，以提供渗氢屏蔽和更好的热交换能力；液态金属为铅、锌和铋各占三分之一的液态合金。燃料棒下端由下端塞9密封，上端有弹簧2压紧芯体，并由上端塞1密封。燃料棒直径为6mm～16mm，包壳厚度0.4mm～0.8mm。

如上所述的铀氢化锆核燃料棒可排列成正方形，组成正方形燃料组件或排列成六角形，组成六角形燃料组件。