[实用新型]一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒

说明书

本实用新型公开一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒，包括柱状壳体、对称包覆于柱状壳体两端的包壳区、沿轴向设置在柱状壳体内的多个燃料芯块；所述燃料芯块包括燃料棒主体以及柱形空隙，燃料棒主体的外缘与柱状壳体之间预留有间隙；所述柱形空隙与间隙共同形成气体容纳部。本实用新型通过沿燃料棒主体的中心轴开设贯穿的柱形空隙，实现燃料芯块的易装配效果，可远程机械操作，有利于防止人员受到高放射性辐照；装配完成后，柱形空隙、间隙共同形成气体容纳部可以有效包容燃料芯块释放能量过程中所产生的裂变气体和裂变产物，减小PCI效应，防止柱状壳体破裂，有利于延长本实用新型的使用寿命且对安全有利。

技术领域

本实用新型涉及核反应堆技术领域，具体是一种弱PCI效应的液态铅铋冷却ADS反应堆用燃料棒。

背景技术

高放核废料不到核反应堆乏燃料总量的3％，却集中了乏燃料99％以上的放射性，对地球上的生命具有很大的危险性。因此，对高放核废料的处理是放射性废料管理的重点，也是世界性的难题。为解决核废料问题，国际上提出了先进闭式燃料循环即分离-嬗变(PT)战略。加速器驱动次临界系统(Accelerator Driven Sub-critical System，ADS)是嬗变核废料、产出能量的理想装置，具有良好资源、环境效益，美国、欧盟、日本、俄罗斯、韩国以及我国都对之开展了中长期路线规划和前期基础研究。由于采用液态铅铋LBE作为冷却剂在中子学、热工、物理化学性质以及低辐照损伤等方面的优点，国际ADS嬗变堆方案设计均选用LBE作为冷却剂。

核反应堆堆芯材料需要长时间在高温、高湿、高应力、高放射性、高辐照通量和强腐蚀环境等极端条件下长期稳定工作，因此安全性一直是核反应堆的核心目标。对于核反应堆而言，燃料元件是反应堆的核心部件。随着燃耗加深，一些潜在的危险将威胁到燃料元件的完整性，从而降低其运行寿命。破坏燃料棒完整性的主要因素是芯块-包壳管之间的相互作用(Pellet-Cladding Interaction，PCI)，即在燃料棒的辐照过程中，芯块与包壳之间可能发生的机械相互作用和燃料棒内的裂变产物与包壳的化学相互作用的总称。PCI效应可以导致燃料棒包壳腐蚀开裂甚至燃料破损。解决这一影响因素的传统方式是将包壳管内壁衬纯锆(Zr)层，二者通过冶金技术结合，从而达到缓和PCI效应中包壳管内壁产生的应力的目的。

对于高燃耗燃料组件，其基本特征之一即裂变气体释放量增加。裂变气体堆积成气泡引发燃料肿胀，而气泡的尺寸大小是影响辐照肿胀的重要因素，也是决定PCI效应的关键因素。因此，要求燃料组件在使用寿命结束之前能容纳足够的气体。目前燃料芯块主要采用蝶形设计来控制PCI效应。

嬗变核废料的ADS以高放次锕系核素MA(Minor Actinides)作为燃料核心。因此，燃料制造过程中必须考虑防护其放射性。就高放核燃料而言，采用目前的蝶形燃料芯块装配到燃料包壳内过程困难。

在专利CN 201310011086.3中公开了一种液态重金属冷却反应堆用燃料组件及固定方法，具体就液态重金属冷却反应堆用开展了燃料组件的结构和固定方法设计，通过采用圆形套管和管脚定位架的方法克服液态重金属冷却剂的浮力。在专利CN201310195644.3中公开了一种液态重金属冷却反应堆燃料组件，具体针对燃料系统和用于固定燃料组件的配重系统开展了结构设计。在专利CN 201510067562.2中公开了一种铅合金冷却剂零功率反应堆燃料组件，具体针对组件外壳、固态铅合金片和燃料元件棒进行了结构设计。但这些已公开的专利并不以高放射性次锕系核素MA作为燃料核心设计燃料组件，而国际上ADS反应堆的相关燃料组件在结构上没有考虑到高放燃料组件的装配和PCI效应弱化问题。

因此，有必要设计一种易装配高燃耗弱PCI效应的液态铅铋冷却反应堆用燃料棒。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种易装配高燃耗弱PCI效应的液态铅铋冷却反应堆用燃料棒。