[发明专利]一种新型事故容错燃料组件

说明书

技术领域

本发明涉及事故容错燃料组件，适用于核反应堆，属于核工程领域。

背景技术

事故容错燃料(Accident Tolerant Fuel，简称ATF)是福岛核事故后，为提高燃料元件抵御严重事故能力而开发的新一代燃料概念，与现有核燃料相比，ATF燃料是能够在较长时间内抵抗严重事故工况，同时保持或提高其在正常运行工况下性能的新型燃料系统。ATF燃料技术是近50年以来核燃料领域的一次重大技术革命。为了探索在核燃料中加入额外非能动安全特性的方式，国际上倡导和发起了增强型事故容错燃料项目(Enhanced Accident Tolerant Fuel，EATF)，中国也设立了ATF重大科研专项，致力于突破ATF技术重重难关。

目前在新型事故容错燃料研究方面，国际上开展了大量研究，主要研究包括：(1)西屋公司发展了UN和U₃Si₂燃料、SiC包壳，以及锆合金涂层材料；(2)阿海珐公司发展了掺杂氧化铬和SiC纤维的二氧化铀芯块和锆合金涂层材料；(3)通用电气公司发展了铁素体/马氏体包壳。除了上述国际上主要的核燃料制造厂外，美国、韩国、法国、日本、中国的研究机构和大学也进行了大量事故容错燃料基础研究，研究范围包括锆包壳表面涂层、MAX相材料、陶瓷基体复合材料、不锈钢包壳、难熔金属包壳、高密度燃料、含添加物的氧化物燃料、全陶瓷微型密封燃料等。上述研究均集中在通过提高燃料元件内燃料芯块和包壳材料的性能，提高燃料的非能动安全特性。由于目前燃料芯块和包壳技术已经较为成熟，进一步提高其性能难度很大。因此需要寻求提高燃料组件事故工况下安全特性的新方向。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种事故容错燃料组件，通过计形状记忆材料的气室，使燃料组件具有的非能动安全特性，从而提高了反应堆安全性。

本发明的技术方案是：一种事故容错燃料组件，包括：两根以上燃料元件、操作头、下管脚，燃料元件之间相互平行，燃料元件位于操作头和下管脚之间，两端分别与操作头和下管脚相连；

燃料元件包括：包壳管、位于包壳管两端的上端塞和下端塞、同轴位于包壳管内部并在上端塞和下端塞之间依次设置的气室、上反射层、燃料芯块、下反射层和压紧弹簧；压紧弹簧的一端与下反射层抵触，另一端与下端塞抵触；

燃料元件包括两种以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室由形状记忆材料制备；在反应堆正常运行工况下，所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸。

该事故容错燃料组件能够提高反应堆安全性的原理为：

在反应堆事故工况下，当燃料元件温度上升至一定温度时，由形状记忆材料制备的气室发生轴向变形，并将压力传递至燃料元件内的压紧弹簧，形成弹簧伸缩和燃料元件内燃料芯块移动。然而，对于组件内部另一部分未采用形状记忆材料制备气室的燃料元件，燃料元件内燃料芯块不移动，因此，燃料组件内活性区形状被改变，可降低反应堆反应性，提高反应堆安全性。

有益效果：

本发明通过设计燃料组件内一部分燃料元件的裂变气室为形状记忆材料(如Ti-Zr合金材料或Ti-Nb-Zr合金材料)，使燃料组件在事故工况下具备改变组件内部活性区形状的能力，提高反应堆安全性。本发明的燃料组件具有固有安全性好、事故容错能力强等优点。

附图说明

图1为本发明的燃料组件结构示意。

图2为本发明的燃料元件结构示意。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供一种事故容错燃料组件，通过改变事故容错燃料的结构设计和燃料掺杂来提高燃料组件事故工况下的安全特性。

所述事故容错燃料组件包括两根以上燃料元件1、操作头2、下管脚3，如图1所示，所述两根以上燃料元件1之间相互平行，燃料元件1位于所述操作头2和下管脚3之间，两端分别与操作头2和下管脚3相连。

所述燃料元件1为管状结构，如图2所示，包括包壳管4、位于上端塞5、下端塞6、上反射层7、下反射层8、压紧弹簧9和燃料芯块10。所述包壳管4两端的开口分别通过上端塞5和下端塞6封闭，在包壳管4内部上端塞5与下端塞6之间依次同轴设置有气室11、上反射层7、燃料芯块10、下反射层8和压紧弹簧9；所述压紧弹簧9的一端与下反射层8抵触，另一端与下端塞6抵触。

所述燃料元件包括两种以上不同类型，其中至少一种燃料元件内的气室11由形状记忆材料制备；反应堆正常运行工况下，燃料组件内所有燃料元件的气室保持同样的几何结构和尺寸。