一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件的制作方法

1.本发明涉及核燃料技术领域，具体涉及一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件。


背景技术：

2.传统uo
2-zr燃料体系本身存在很多固有不足：一方面高温高辐照环境下芯块热导率较低，产生的热量不能有效导出将导致芯块温度较高，在升功率阶段或事故工况下将发生较大热变形与包壳结构接触发生芯块-包壳力相互作用(pcmi)；另一方面，裂变反应产生的裂变气体在高温下也将导致内压持续升高，极限条件下包壳结构易发生鼓包等失效过程，同时由于包壳采用锆合金制成，锆合金在高温下与水易发生锆水反应产生氢气，严重时导致氢爆，将造成大量放射性物质外泄。
3.耐事故燃料(atf)作为2011年福岛核电厂事故后发展起来的燃料构成形式备受关注。目前，atf燃料元件的设计主要分为两种：材料改进和结构改进。关于结构的改进主要有在现有包壳结构外增加抗腐蚀涂层等。增加涂层结构一般为在现有工艺结构上的改进，为过渡阶段的方案，目前尚无其他结构改进方法的发明出现。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，在芯块和包壳之间设置泡沫金属层，能解决现有燃料元件存在的下述问题：极限条件下包壳结构易发生鼓包等失效过程和在升功率阶段或事故工况下将芯块发生较大热变形与包壳结构接触发生芯块-包壳力相互作用的问题。
5.本发明提供一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，包括芯块，所述芯块外套设有包壳，所述包壳和所述芯块之间设置有泡沫金属层；
6.所述泡沫金属层的厚度为0.1mm-2mm，所述泡沫金属层的气孔平均直径为0.01mm-1mm；
7.所述包壳的材质为金属合金。
8.采用上述技术方案的情况下，
9.1.泡沫金属层可有效提高芯块与包壳之间的换热效率，在相同运行工况下，与普通无泡沫金属包覆层燃料棒元件(两者的包壳材质、芯块材质以及包壳的结构均相同)相比，芯块中心温度可降低约300℃，可有效提高燃料棒元件温度性能。
10.2.泡沫金属层具有较大的变形能吸收能力，可有效降低由于功率提升或事故工况引起的芯块周向变形后与包壳直接接触导致的pcmi现象，显著提高了燃料棒pcmi的性能。
11.3.泡沫金属层可在提高换热效率的基础上同时为燃料棒元件提供较大的裂变气体包容能力，降低由于内压导致的包壳应力增大现象，一定程度上提高燃料棒元件的安全性能。
12.4.本发明制备得到的棒状燃料元件在设置有泡沫金属层的情况下，包壳可以采用
本领域常规的金属合金制成，也具有良好的抵御事故的能力。
13.作为一种可能的设计，所述泡沫金属层的厚度为0.8mm-2mm。
14.作为一种可能的设计，所述泡沫金属层的孔洞平均直径为0.3mm-1mm。
15.作为一种可能的设计，所述泡沫金属层的材质为锆合金或不锈钢。
16.作为一种可能的设计，所述泡沫金属层由至少两条泡沫金属条组成，每一条所述泡沫金属条贴合于所述芯块外壁上。
17.作为一种可能的设计，任意相邻两条所述泡沫金属条相连接。
18.作为一种可能的设计，所述泡沫金属层为一体成型的圆筒状结构，且套设于所述芯块外。
19.作为一种可能的设计，所述芯块的材质为裂变元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物或碳氧化物。
20.本发明的有益效果：
21.泡沫金属层将在燃料元件使用的过程中吸收芯块变形能同时改善芯块和包壳之间的换热效率，并为芯块裂变产生的裂变气体提供更大的的包容空间，即在保证燃料元件不发生pcmi现象的基础上同时增加裂变气体的包容能力。同时包壳采用传统包壳金属合金制成，具有研发成本低，技术成熟度高等优势，与现行压水堆燃料棒设计、制造体系相容性好。
附图说明
22.图1为本发明实施例中基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件的结构示意图；
23.其中：1-包壳；2-芯块；3-泡沫金属层。
具体实施方式
24.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
26.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相
连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.在堆芯运行过程中，正常工况下功率提升过程中或事故工况下会导致芯块温度升高，由于传统uo
2-zr传统燃料体系的芯块与包壳之间采用氦气填充，因此在使用的过程中存在以下至少两个问题，直接影响燃料元件的性能：
30.1.极限条件下包壳结构易发生鼓包等失效过程；
31.2.在升功率阶段或事故工况下将芯块发生较大热变形与包壳结构接触发生芯块-包壳力相互作用。
32.为了解决上述问题，本发明发明人发现在现有的芯块和包壳之间设置泡沫金属层，来代替现有填充的氦气，利用泡沫金属的多孔结构来吸收芯块变形能同时改善芯块与包壳的换热效率(有利于热量的转移，即导热性能好)，并为裂变气体提供更大的包容空间(裂变气体容纳于多孔中)，即在保证燃料元件不发生pcmi现象的基础上同时增加裂变气体的包容能力。
33.如图1所示，本发明实施例提供一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件。如图1所示，前述基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件包括芯块2，所述芯块2外套设有包壳1，所述包壳1和所述芯块2之间设置有泡沫金属层3。泡沫金属层3完全或部分填充芯块2和包壳1之间的空隙区域，以代替原有填充的氦气。
34.前述泡沫金属层3的厚度和其气孔平均直径决定其对换热效率的改善效果和对裂变气体的容纳空间。一般情况下，所述泡沫金属层3的厚度为0.1mm-2mm，优选0.8mm-2mm，更优选1.5mm-2mm；一般情况下，所述泡沫金属层3的气孔平均直径为0.01mm-1mm，优选0.3mm-1mm，更优选0.7mm-1mm。其中：气孔的分布可以为任意分布的方式，即：均匀分布或非均匀分布。
35.前述包壳1的材质有本领域常用的金属或金属合金材料制成，例如：锆合金等。
36.前述泡沫金属层3的材质可以为现有能够应用于该核反应堆且能够制成泡沫状态的任意现有材质，例如：锆合金、不锈钢等。
37.在保证燃料元件不发生pcmi现象的基础上同时增加裂变气体的包容能力的前提下，前述泡沫金属层3可以以任意的方式设置于芯块2和包壳1之间。
38.在一种可能的实施方式中，所述泡沫金属层3由至少两条泡沫金属条组成，每一条所述泡沫金属条贴合于所述芯块2外壁上。
39.为了增加泡沫金属条在芯块2和包壳1之前固定的稳定性，任意相邻两条所述泡沫金属条相连接。
40.在一种可能的实施方式中，所述泡沫金属层3为一体成型的圆筒状结构，且套设于所述芯块2外。形成较大的传热面积，有利于热量及时转移，从而进一步降低芯块2的温度，避免芯块2变形后和包壳1之前产生pcmi现象，还有利于避免包壳1鼓包等不利现象的产生。一般情况下，在设置泡沫金属层3以后，前述芯块2中心的温度能够降低300℃。
41.采用一体化的结构还有利于泡沫金属层3的制作。
42.在实际制作基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件时，首先在包壳1中铺设
一层泡沫金属层3，形成整体结构后在整个结构中装入芯块2，最后进行封装工艺后完成整根棒状燃料元件的组装。
43.本实施例中，对前述芯块2的类型不作特别限定。前述芯块2可使用常规uo2芯块2或其他种类芯块2，芯块2可以为常规蝶形圆柱形实心芯块2或环形芯块2。
44.本实施例中，前述芯块2的直径一般为2mm-30mm，优选10-20mm，更优选15mm；前述芯块2的高度一般为2mm-30mm，优选10mm-30mm，更优选18-30mm。
45.前述芯块2主要是发生核裂变释放能量，因此芯块2的主要成分或全部成分应当为含有裂变元素的物质，例如：裂变元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物或碳氧化物。
46.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，包括芯块，所述芯块外套设有包壳，所述包壳和所述芯块之间设置有泡沫金属层；所述泡沫金属层的厚度为0.1mm-2mm，所述泡沫金属层的气孔平均直径为0.01mm-1mm；所述包壳的材质为金属合金。2.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述泡沫金属层的厚度为0.8mm-2mm。3.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述泡沫金属层的孔洞平均直径为0.3mm-1mm。4.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述泡沫金属层的材质为锆合金或不锈钢。5.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述泡沫金属层由至少两条泡沫金属条组成，每一条所述泡沫金属条贴合于所述芯块外壁上。6.根据权利要求5所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，任意相邻两条所述泡沫金属条相连接。7.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述泡沫金属层为一体成型的圆筒状结构，且套设于所述芯块外。8.根据权利要求1所述的基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，其特征在于，所述芯块的材质为裂变元素的氧化物、碳化物、氮化物、硅化物或碳氧化物。

技术总结
本发明公开了一种基于泡沫金属的金属合金包壳棒状燃料元件，包括芯块，所述芯块外套设有包壳，所述包壳和所述芯块之间设置有泡沫金属层；所述泡沫金属层的厚度为0.1mm-2mm，所述泡沫金属层的气孔平均直径为0.01mm-1mm；所述包壳的材质为金属合金。泡沫金属层将在燃料元件使用的过程中吸收芯块变形能同时改善芯块和包壳之间的换热效率，并为芯块裂变产生的裂变气体提供更大的的包容空间，即在保证燃料元件不发生PCMI现象的基础上同时增加裂变气体的包容能力。体的包容能力。体的包容能力。


技术研发人员：唐昌兵 王严培 李垣明 郭子萱 路怀玉 余红星 张坤 李权 李文杰 柴晓明 王鹏 高士鑫 青涛 余霖 惠永博
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/8/1