一种用于功率瞬态试验的核燃料元件、试验装置及方法与流程

1.本发明涉及核燃料元件试验技术领域，尤其涉及一种用于功率瞬态试验的核燃料元件、试验装置及方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.核燃料元件是核电厂最核心的部件，直接决定了核电厂的安全性和经济性。燃料元件的pci(pellet-cladding interaction)是指水冷反应堆中使用的燃料芯块与包壳管的相互作用。pci是核燃料元件破损的潜在因素之一，任其发展可导致包壳管破损，因此pci问题直接涉及到燃料元件在堆内使用的安全性。功率变化过程中的芯块-包壳管相互作用(pci)会引起燃料包壳管的失效，是核电厂安全运行的限制因素之一。
4.在燃料研发以及提高燃料可靠性水平研究过程中，核燃料元件功率瞬态试验是其中的重要环节。通过堆内核燃料元件瞬态功率试验，可以评价正常运行及i/ii类瞬态工况下包壳管抵抗pci的能力。
5.通过对国际上已开展的功率瞬态试验的调研发现，目前的功率瞬态试验均是采用辐照后的核燃料元件，而采用辐照后核燃料元件开展功率瞬态试验对试验各方面能力要求较高，例如需具备辐照后燃料元件的再加工及运输能力，辐照后燃料的再加工必须在能够屏蔽高放射性的热室中开展，国内尚无可对压水堆辐照后燃料棒进行再加工能力的热室，辐照后燃料的运输需要配备特制的运输容器。国际上具备辐照后燃料功率瞬态试验条件的试验堆不断减少且试验费用高昂。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的是提供一种用于功率瞬态试验的核燃料元件，以解决现有功率瞬态试验对试验各方面能力要求高的问题。
7.为了实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
8.一种用于功率瞬态试验的核燃料元件，包括：包壳管，所述包壳管第一端设置上端塞，第二端设置下端塞，所述包壳管内靠近下端塞的一侧设置芯块，所述包壳管内靠近上端塞的一侧设置气腔弹簧，所述气腔弹簧抵在所述芯块上；其中，所述包壳管和芯块未经过辐照，所述包壳管和芯块之间的间隙根据寿期末状态下芯块和包壳管的尺寸变化情况。
9.本发明另一优选的实施方式中，所述包壳管和芯块之间的间隙为24-26微米。
10.本发明另一优选的实施方式中，所述包壳管和芯块之间的间隙为25微米。
11.本发明另一优选的实施方式中，所述核燃料元件的预充气体压力为0.2mpa。
12.本发明另一优选的实施方式中，所述芯块密度为95.5～97％、芯块烧结温度为1700～1780℃。
13.本发明另一优选的实施方式中，所述芯块具有多个，将全部芯块按外径大小排序并根据所述包壳管的内径测量数据进行配组。
14.本发明实施例还提供了一种用于功率瞬态试验的试验装置，包括如上所述的用于功率瞬态试验的核燃料元件。
15.本发明另一优选的实施方式中，所述核燃料元件外侧包覆辐照胶囊。
16.本发明另一优选的实施方式中，所述辐照胶囊两侧设置铝棒。
17.本发明实施例还提供了上述用于功率瞬态试验的试验装置的试验方法，包括：将试验装置置入试验堆辐照孔道，核燃料元件功率稳定在调整功率，令模拟核燃料元件的芯块、包壳管状态调整到初始状态；核燃料元件功率从调整功率开始，以固定的升功率速率快速提升至最终功率，并维持预定时间；反应堆停堆，卸出试验装置，对模拟核燃料元件进行辐照后检测。
18.本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
19.1、本发明通过计算分析确定寿期末状态下燃料元件芯块和包壳管的尺寸变化情况，采用未经辐照的包壳管和芯块模拟实际反应堆内二者间隙情况，在功率瞬态试验中模拟包壳管和芯块的相互作用情况并检测结构性能。由于采用未经辐照的包壳管和芯块制造核燃料元件，因此可直接依托压水堆核燃料元件制造厂进行生产，无需具备辐照后燃料元件的再加工能力，显著降低模拟核燃料元件的制造成本和加工难度，缩短了功率瞬态试验所需的时长。
20.2、本发明使得在国内目前的试验堆条件和试验能力情况下，能够顺利开展功率瞬态试验，满足对自主研发的新型锆合金进行性能考验或验证的需求。
21.本发明附加方面的优点将在下面的描述中给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1是本发明实施例的用于功率瞬态试验的核燃料元件示意图；
25.图2是本发明实施例的用于功率瞬态试验的试验装置示意图；
26.图中：1、上端塞；2、气腔弹簧；3、包壳管；4、芯块；5、下端塞；6、辐照胶囊；7、铝棒；8、燃料组件；
27.为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。
具体实施方式
28.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身
的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备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。
30.名词解释：芯块密度的表示，二氧化铀的理论密度为10.96g/cm3，二氧化铀芯块的密度通常以二氧化铀理论密度为单位表示。例如，96％理论密度即为96％*10.96g/cm3。
31.正如背景技术所介绍的，现有的功率瞬态试验均是采用辐照后的核燃料元件进行试验，对试验各方面都提出了较高的要求，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种用于功率瞬态试验的核燃料元件，通过计算分析确定寿期末状态下燃料元件芯块和包壳管的尺寸变化，并通过芯块精密制造使用未经辐照的包壳管和芯块模拟实际反应堆内二者间隙情况，模拟并检测二者相互作用情况。
32.如图1所示，本发明一实施例中记载了一种用于功率瞬态试验的核燃料元件，包括：包壳管3，所述包壳管3第一端设置上端塞1，第二端设置下端塞5，所述包壳管3内靠近下端塞5的一侧设置芯块4，所述包壳管3内靠近上端塞1的一侧设置气腔弹簧2，所述气腔弹簧2抵在所述芯块4上；其中，所述包壳管3和芯块4未经过辐照，所述包壳管3和芯块4之间的间隙根据寿期末状态下芯块4和包壳管的尺寸变化情况确定。
33.所述核燃料元件基本结构与常规压水堆燃料元件一致，上端塞和下端塞均采用压水堆燃料元件制造的成品零部件，包壳管根据功率瞬态试验需要确定元件全长尺寸并通过截短锆合金管材得到，气腔弹簧根据功率瞬态试验需要确定气腔尺寸并通过截短成品弹簧得到，根据包壳管内径测量数据及分析得到的寿期末状态下燃料元件芯块和包壳管的间隙情况确定芯块的外径尺寸并通过磨削获得指定外径尺寸的芯块。
34.常规的未经辐照的核燃料元件芯块与包壳管之间的间隙较大，ap1000型核燃料元件的间隙尺寸一般为83微米，无法用于核燃料元件功率瞬态试验，无法达到考验包壳管性能的试验目的。
35.本发明通过计算分析确定寿期末状态下燃料元件芯块和包壳管的尺寸变化情况，采用未经辐照的包壳管和芯块模拟实际反应堆内二者间隙情况，在功率瞬态试验中模拟包壳管和芯块的相互作用情况并检测结构性能。由于采用未经辐照的包壳管和芯块制造核燃料元件，因此可直接依托压水堆核燃料元件制造厂进行生产，无需具备辐照后燃料元件的再加工能力，显著降低模拟核燃料元件的制造成本和加工难度，缩短了功率瞬态试验所需的时长。
36.芯块和包壳管的制造间隙尺寸、预充气体压力、芯块密度、芯块重烧结温度等关键核燃料元件设计参数，通过核燃料元件性能分析程序模拟瞬态功率变化过程得到。
37.预充气体压力是指核燃料元件完成密封焊接后其内部的气体压强。以ap1000型燃料元件为例，常规燃料元件的预充气体压力约为2mpa。本发明的模拟核燃料元件的预充气体压力可降至0.2mpa，减少了试验过程中由于燃料棒内外气体压差导致的包壳应变，提高了试验准确性。
38.在核燃料元件功率瞬态试验过程中，芯块的热稳定性(芯块密实化效应)会影响芯块外径，而芯块的热稳定性主要受芯块密度和烧结温度影响。因此芯块和包壳管的最小制造间隙尺寸一定程度上受芯块密度和芯块重烧结温度的影响。本发明中确定芯块密度为95.5～97％理论密度、芯块烧结温度为1700～1780℃、芯块和包壳管的制造间隙名义值为
25微米，且实际制造过程中需根据实测的包壳管内径数据选配相应外径尺寸的芯块，确保活性区全长范围内的芯块和包壳管的制造间隙满足设计要求。
39.相对于常规燃料元件的较高芯块密度，本发明95.5～97％理论密度可以增加芯块的热稳定性，减少试验过程中芯块的密实化效应，即减小芯块密实化导致芯块尺寸缩小对试验的影响。本发明提出的模拟核燃料元件技术方案，在常规核燃料元件的基础上，对活性区长度、芯块包壳管间隙、芯块烧结温度、芯块密度等参数进行了修改，实现采用未经辐照的核燃料元件模拟辐照后核燃料元件开展功率瞬态试验，降低了瞬态试验的难度，使得在国内目前的试验堆条件和试验能力情况下，能够顺利开展功率瞬态试验。
40.所述核燃料元件的制造过程为：包壳管先与下端塞进行焊接，然后将全部芯块按外径大小排序并根据包壳管的内径测量数据进行配组(例如内径测量数据为8.352-8.356mm的包壳管，配组外径为8.304mm的芯块，则芯块和包壳管的制造间隙为24-26微米)，再采用人工装管方式将选配好外径尺寸的芯块装入包壳管，随后装入气腔弹簧，最后完成预充压和上端塞焊接。
41.如果制造间隙偏大，则在核燃料元件功率瞬态试验过程中，包壳管经历的应力应变状态将偏低，即获得的试验数据偏保守；如果制造间隙偏小，受试验过程中包壳管蠕变机制的影响，对试验数据影响较小。本发明根据包壳管内径测量数据选配指定外径尺寸芯块的装管方案，可以有效控制该核燃料元件中芯块和包壳管的初始间隙满足设计要求，实现功率瞬态变化下芯块包壳管接触及相互作用状态的模拟和包壳管结构性能的测量，从而实现采用未经辐照的燃料开展功率瞬态试验的目的。
42.如图2所示，本发明提供了一种用于功率瞬态试验的试验装置，每个试验装置内放入1个辐照胶囊，每个辐照胶囊内密封1根模拟核燃料元件，在功率瞬态试验过程中辐照胶囊作为第二道屏障阻止裂变产物污染试验堆冷却剂回路，胶囊两端用铝棒填充，将模拟核燃料元件的活性段(芯块摞对应的轴向段)定位于反应堆活性区设计高度内。
43.本发明的核燃料元件与辐照胶囊等堆内构件一同组成功率瞬态试验的试验装置，在试验堆中开展功率瞬态试验。试验装置外形与试验堆的标准燃料组件外观结构一致，占据一个标准燃料组件栅格，试验装置保护壳外表面直接与堆芯冷却水接触，利用堆芯的强迫循环进行冷却，不需设置单独的冷却回路。
44.由于功率瞬态试验是有核燃料元件破损风险的试验，即有放射性物质泄漏风险。对于核燃料元件与冷却剂直接接触的试验堆，单独的冷却回路有利于核燃料元件破损后的放射性物性处理。而本发明的核燃料元件密封于辐照胶囊内，不与冷却剂直接接触，因此无需设置单独的冷却剂回路。
45.核燃料元件功率瞬态试验的基本流程如下：
46.根据试验矩阵，将试验装置置入试验堆辐照孔道，核燃料元件功率稳定在相对较低的调整功率(平均线功率密度18kw/m)，令模拟核燃料元件的芯块包壳管状态调整到合适的初始状态；初始状态指芯块和包壳之间的力学和接触状态，具体指较小的热态间隙(0间隙最佳)和没有过大的接触应力；
47.核燃料元件功率从调整功率开始，以固定的升功率速率快速提升至最终功率，并维持一段时间；在实际功率瞬态试验中，以上参数均可能根据试验目的、需求以及实际试验进程进行调整，试验矩阵中一般包含多个以上参数的不同排列组合。各参数的参考值：升功
率速率10kw/m/min，最终功率40kw/m，时间1小时。
48.反应堆停堆，卸出试验装置，对模拟核燃料元件进行辐照后检测。
49.如上所述，便能采用本发明开展功率瞬态试验，测量瞬态功率变化下的核燃料元件包壳管结构性能。
50.上述实施例仅为根据试验堆实际条件设计的实现本发明的一种结构，但并非对本发明保护范围的限制。所属领域技术人员应该明白，在实施过程中，可根据不同试验堆的实际情况，如系统压力、冷却剂温度、回路清洁能力等条件，对功率瞬态试验装置结构进行调整。试验主要原理均为利用模拟核燃料元件精密制造的芯块包壳管间隙，在功率瞬态试验中模拟寿期末的包壳管和芯块的相互作用情况并检测结构性能。本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。