[发明专利]反应堆燃料元件

说明书

技术领域

本发明涉及核工业领域，具体涉及一种反应堆燃料元件。

背景技术

反应堆燃料元件的功能是利用核能产生热能并将其传递给反应堆冷却剂。在通过裂变产生热量的过程中，芯体中产生多种有放射性的和稳定的裂变产物。其中，气体裂变产物有Xe¹³³、Xe¹³⁵、Xe¹⁴⁰、Kr⁸⁵、Kr⁸⁹等。这些惰性气体在芯体材料中不完全溶解，这意味着，只要动力学可能，这些惰性气体将从芯体中释放出来，使燃料元件的内压增大，造成燃料元件肿胀。这种情况下，要么提高燃料元件包壳的机械强度，要么增大气腔体积，要么把裂变气体释放掉，如此才能保证包壳的完整性。

在芯体温度超过1800℃时，产生的裂变气体几乎全部释放；在1400℃和1800℃时，直接释放率为50%；而温度低于1400℃释放率为30%。随燃耗增加，气体释放率也会增加。气体释放率的增加势必导致燃料元件的内压增大，增加包壳所受的机械应力，降低其力学稳定性，同时进一步导致芯体与包壳的相互作用，增加燃料元件的破损概率，降低燃料元件内介质的热性能。裂变气体对燃料元件产生的这些物理效应，极大地影响了燃料元件的运行特性。

已有的典型的燃料元件结构上采用细长的密闭式结构。它主要是由一根无缝的不锈钢包壳管和圆柱形燃料芯体构成。燃料芯体位于棒内的中央段，它是由许多短的芯块堆砌而成。在包壳的两端是上下端塞，构成了封闭式的燃料元件，燃料元件中设置有较长的裂变气体贮存气腔，用于容纳在辐照期间产生的气态裂变产物，避免燃料元件内的气体压力超过允许值。气腔的容积取决于燃耗和温度，其长度与芯块高度和燃耗有关，一般气腔体积与燃料芯块的体积相当。由于快堆燃耗深，芯块裂变产生的气体大部分被释放，气腔内的压力较高（大于5MPa）。美国早期设计的FFTF和CRBRP气腔设置在芯块上方，而法国的PHENIX和SUPER-PHENIX设计的是堆芯上方有个小气腔，下方有个大气腔，英国的PFR和CCFR设计是在堆芯下方。

增长气腔虽有利于降低燃料元件的内压，但是气腔过长会增加结构材料用量。另外燃料元件高度变大，堆芯体积随之变大^[2]，会带来热工方面、结构方面和设备方面等诸多不利影响。

具有高燃耗、长寿期等特点的燃料元件才能适应未来核反应堆的要求。高燃耗对燃料元件产生许多效应，如燃料元件肿胀大、裂变气体释放量大等，可能引起芯块与包壳发生较为严重的相互作用（化学作用和机械作用）。大量裂变气体释放带来的内压和温度上升，对燃料元件寿命和安全性提出了巨大的挑战。

发明内容

本发明的目的即在于克服现有燃料元件由大量裂变气体导致的内压增大的问题，提供一种可以排出裂变气体的反应堆燃料元件。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

反应堆燃料元件，包括上端塞、芯块、包壳和下端塞，芯块设置于包壳中，上端塞和下端塞分别设置于包壳两端，还包括排气管和上端开放的缓冲杯，缓冲杯设置于包壳内且位于上端塞和芯块之间，缓冲杯与包壳之间存在间隙，缓冲杯与上端塞的底部不接触，排气管贯穿上端塞，排气管的下端位于缓冲杯中。

一味增大气腔体积，并无法从根本上解决由裂变气体带来的燃料元件内压增大的问题。为此，发明人提供了一种能够将裂变气体及时导出的燃料元件。通过排气管，从燃料元件的上部将产生的裂变气体导出燃料组件外部，从而避免了裂变气体汇集导致的燃料元件内压增大的问题。

需要说明的是，导出的裂变气体需要进入冷却剂回路中，从而对放射线物质进行处理，由此带来了一个新的问题，冷却剂可能通过排气管回流入燃料元件内，影响燃料元件的正常工作。为了解决冷却剂回流的问题，发明人增设了缓冲杯。裂变气体通过缓冲杯与包壳之间的间隙进入缓冲杯，然后通过缓冲杯中的排气管下端进入排气管，完成裂变气体的排出。当冷却剂通过排气管回流时，冷却剂会汇集于缓冲杯中，此时，不断产生的裂变气体无法排出，在燃料元件内产生压力，从而将缓冲杯中的冷却剂通过排气管压出燃料元件，避免了冷却剂与芯块接触的问题。