[发明专利]一种核燃料棒

说明书

技术领域

本发明涉及核电站反应堆，更具体地说，涉及一种可用于核电站压水堆中的核燃料棒。

背景技术

在核电站反应堆的运行中，核燃料棒的破损使核燃料棒中的放射性裂变产物释放到反应堆的冷却剂系统中，从而危及核电站的正常运行。PCI是核燃料棒的潜在破坏因素之一。PCI或PCMI就是英文Pellet-Cladding Mechanical Interaction的缩写，指燃料芯块与包壳在核电站运行过程中的机械相互作用。

通常，核燃料棒包括燃料芯块、以及设置在燃料芯块外围的燃料棒包壳等。燃料棒包壳与燃料芯块间存在一定的初始间隙，在间隙内充满氦气（He气）作为散热介质并且提供内压以平衡燃料棒包壳所受的外压。

随着运行燃耗的加深，燃料芯块中的固体裂变产物和气态裂变产物大量容留在燃料芯块中，使燃料芯块发生辐照肿胀，燃料芯块直径增大。同时燃料芯块在高温差的作用下，发生开裂，造成燃料芯块的重定位，部分碎块位于燃料芯块与燃料棒包壳之间。

另一方面，燃料棒包壳通常是由锆合金制作的，在中子的辐照与反应堆内冷却剂液压的作用下，径向产生蠕变收缩，使燃料棒包壳的内径减小。

而且，燃料芯块与燃料棒包壳是不同的材料，燃料芯块的热膨胀大于燃料棒包壳。在堆内运行过程中，燃料芯块的温度远远高于包壳的平均温度，这样燃料芯块的热膨胀量大大高于燃料棒包壳的热膨胀量。

因此，在辐照肿胀、热膨胀与燃料棒包壳向内蠕变的联合作用下，随着燃料组件燃耗的加深，燃料棒包壳与燃料芯块的直径间隙减小直至闭合，发生PCI。

由于存在PCI破坏的风险，在核电站的运行中，核电站就不能超出运行规程快速升降反应堆功率，也不能长期低功率运行。在快速提升反应堆功率的过程中燃料芯块温度迅速升高并快速膨胀，使燃料棒包壳的热膨胀和向外蠕变来不及抵消燃料芯块的热膨胀，从而使包壳承受的应力超过包壳的屈服强度，造成燃料棒包壳因PCI破坏。

在快速降低反应堆功率的过程中，由于控制棒的运动，反应堆的轴向功率分布变得奇异，使核燃料棒的局部功率大大高于平均功率，产生与快速提升功率相同的现象，造成燃料棒包壳因PCI破坏。

核电站反应堆长期在低功率下运行，核燃料棒内的压力远远低于反应堆一回路的运行压力，这加剧了燃料棒包壳由于外压的作用向内的蠕变，使包壳与芯块的间隙减小，造成燃料芯块与燃料棒包壳提前接触，一旦反应堆功率发生变化，增加了包壳的受力负荷，增大了PCI破坏的风险，造成燃料棒包壳因PCI破坏从而发生核泄漏。

现有的核燃料棒无法适应上述PCI破坏的风险，对核电站安全运行带来了不确定性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种可有效缓解PCI破坏的核燃料棒。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种核燃料棒，包括燃料芯块、以及设置在所述燃料芯块外围的燃料棒包壳；所述核燃料棒还包括支撑在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的支撑内衬。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬为弹性内衬。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬设置在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的部分空间内，并且在所述燃料芯块和燃料棒包壳之间的空间内填充有氦气。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬由一块或多块金属材料制成，设置在所述燃料芯块的外围。

在本发明的核燃料棒中，所述金属材料为纯锆、锆合金或因科镍合金。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬与所述燃料芯块和燃料棒包壳同时直接接触；所述支撑内衬的截面形状为波浪状、锯齿状或方波状。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬由多块金属材料制成，每一块金属材料的截面形状为弧形。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬还包括与所述燃料芯块直接接触连接的内衬支撑板；

所述金属材料的一端与所述燃料棒包壳直接接触连接，另一端与所述内衬支撑板固定连接。

在本发明的核燃料棒中，所述核燃料棒还包括上端头、下端头、设置在所述下端头上的支承管、设置在所述上端头上的压紧弹簧；

所述燃料芯块安装在所述压紧弹簧和支承管之间，所述燃料棒包壳安装在所述上端头和下端头之间。

在本发明的核燃料棒中，所述支撑内衬为环状，设置在所述燃料棒包壳内侧，为整体式或多段分体式。