[发明专利]一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒

说明书

本发明公开了一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒，包括燃料芯块，设置在燃料芯块周围的复合碳化硅包壳，以及用于填充部分芯块‑包壳间隙空间的液态金属。该燃料棒设计通过使用液态金属代替氦气以加强间隙导热能力，明显降低由于碳化硅包壳受辐照后热导率降低导致的较高燃料温度；通过增大间隙尺寸，在保证燃料温度处于较低水平的同时，避免反应堆运行期间燃料芯块与包壳发生机械相互作用，维持外层包壳始终为受压状态，显著降低碳化硅包壳失效概率，提高碳化硅包壳燃料棒运行的安全性。

技术领域

本发明属于核反应堆燃料元件设计领域，具体涉及一种液态金属填充间隙的复合碳化硅包壳核燃料棒。

背景技术

碳化硅(SiC)材料由于其极高的高温强度、极强的抗腐蚀和耐磨性能、良好的中子经济性等优势，是当前事故容错燃料包壳材料的热门选型之一。目前核级SiC材料主要有两种：单质SiC，由化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)技术制造的高纯度β相SiC，简称CVD；另一种是纤维增强的SiC_f/SiC陶瓷基复合材料(Ceramic MatrixComposite，CMC)，简称为CMC。

CVD材料中孔隙率很低，密度较大，属于典型的陶瓷材料，不具备塑性变形能力。由于存在天然的脆性，CVD单独作为包壳材料在承受拉应力时可能发生灾难性的结构破碎。CMC的材料中的纤维和基体的主要成分均为高纯度β相SiC，但是具有一定的孔隙率，故单独的CMC材料不能保证包壳的气密性，且CMC耐腐蚀能力相对CVD较差，一般不应与冷却剂直接接触。两种材料均不能单独作为包壳材料使用。CMC材料的特殊微观构造，使其拥有类塑性变形能力，和CVD材料一起作为包壳能够一定程度上弥补CVD材料的脆性造成的破损风险，故当前大部分设计采用多层结构，如内层CMC，外层CVD包壳的设计以保证包壳性能。

在未受辐照时，CVD具有优于传统锆合金的导热性能，而CMC因存在一定的孔隙率，热导率与锆合金相当。然而在辐照损伤的作用下，CVD和CMC的热导率均会急剧下降，在反应堆运行一段时间后其热导率明显小于传统锆合金包壳，导致燃料温度显著高于锆合金包壳燃料。

在反应堆运行过程中，燃料芯块在热膨胀、辐照肿胀、重定位等效应作用下，其与包壳之间的间隙会逐渐闭合，直至发生接触，即芯块-包壳机械相互作用(Pellet-CladdingMechanical Interaction，PCMI)，PCMI作用会导致芯块对包壳施加压应力，而SiC材料无法通过蠕变变形缓解应力，故包壳将承受较大的环向拉应力，且由于陶瓷材料的概率失效特性，其失效行为难以预测，对反应堆内运行安全性不利。

目前关于缓解PCMI作用和SiC包壳燃料棒设计已有一些相关研究。

例如中国专利CN 102789820B提供了一种核燃料棒，包括燃料芯块、包壳和在燃料芯块与包壳之间的支撑内衬。该燃料棒通过由金属材料制成的支撑内衬以强化散热，缓解PCMI现象。但该燃料棒是针对传统金属包壳进行设计，对于SiC包壳，由于该金属内衬始终与芯块和包壳接触，会对SiC包壳产生较大的局部应力且无法通过蠕变变形缓解，无法避免其失效。

又如专利US 2013/0163711 A1提供了一种多孔固体材料填充芯块-包壳间隙的设计，缓解PCMI应力，保证包壳应力处于要求范围内，并增强间隙导热。但随着间隙逐渐闭合，该间隙材料对包壳施加的应力会逐渐增大，导致包壳所受拉应力逐渐增大。对于CVD材料，只要存在正的拉应力即有概率发生失效，应尽量保证其不发生PCMI作用，即保证其应力始终为负。