基于TRISO包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法与流程

本发明属于反应堆燃料设计与制造，具体涉及一种基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法。

背景技术：

1、核事故过程中锆包壳在高温下与水反应产生大量氢气，最终导致安全壳内发生氢气爆炸使得安全壳严重损坏，堆芯熔化和安全壳破损最终导致了大规模的放射性释放。加大对耐事故燃料(atf)的研发，以提高燃料耐事故的能力，缓解事故的后果，提高核电厂的安全性。

2、其中碳化硅包壳和基于triso颗粒开发的全陶瓷微封装燃料(fcm)是耐事故燃料中较有潜力的候选技术，碳化硅包壳具有优秀的辐照稳定性，辐照肿胀率较低，能够有效抵御事故和偏离泡核沸腾的冲击，在高温蒸汽中抗氧化性远远优于锆合金，在事故温度条件下其产生的氢远低于锆合金，有效降低事故下产氢。全陶瓷微封装燃料是一种将triso包覆颗粒弥散到碳化硅基体中的燃料芯块技术，碳化硅基体提供了超常的辐照稳定性，高热导率，正常运行工况下的热力学稳定性，水中低腐蚀率以及高温蒸汽中更慢的反应速率，而triso包覆颗粒本身提供了裂变产物的有效屏障，碳化硅基体则在其基础上进一步加强了燃料的裂变产物阻挡能力，能有效降低事故下裂变产物的释放。

3、但是这两种候选技术目前均存在一定的缺陷，碳化硅包壳目前缺少合适的端塞及其连接结构，不能有效保证包壳内部的裂变产物不泄露，而全陶瓷微封装燃料中，单位体积的铀装量远小于二氧化铀芯块，为了保证采用该燃料的堆芯功率不变，则反应堆体积增大明显，相应建设成本增大。

技术实现思路

1、对于目前的碳化硅包壳及全陶瓷微封装燃料技术而言，其应用难点分别在于包壳与端塞的连接、芯块铀装量较低，而这些难点均与当前的燃料棒、燃料芯块设计有关：燃料棒内部自由空间的设计使得包壳与端塞的连接较为困难，如果燃料棒内部填充满碳化硅材料，则其自动实现了封口，无需端塞；燃料芯块的设计使得triso颗粒的弥散空间局限在芯块内，没有充分利用组件尺寸内的可用空间。本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，燃料块构件的结构便于相互串联到一起，基于triso包覆颗粒的压水堆燃料块构件，通过以碳化硅为基体的方形triso颗粒弥散燃料块的设计保留碳化硅包壳及全陶瓷微封装燃料在事故下的优异性能，同时实现在当前民用富集度允许的情况下，本燃料块构件具有与现有压水堆燃料块构件相当的铀235装载量。

2、解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件，包括导向管、至少两个燃料块构件，燃料块构件包括燃料块、格架，燃料块包括燃料块本体、设置于燃料块本体上的冷却剂孔道，格架包括格架篮、与格架篮连接的格架孔道，格架孔道内部为通孔，格架孔道插入冷却剂孔道内，格架篮设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块端部，导向管分别与不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

3、优选的是，燃料块本体包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括容纳件、第一碳化硅气相沉积层，容纳件上设有开口，容纳件用于盛放核燃料单元，第一碳化硅气相沉积层设置于容纳件、容纳件开口处的核燃料单元外，容纳件包括碳化硅纤维编织外壳、第二碳化硅气相沉积层，第二碳化硅气相沉积层设置于碳化硅纤维编织外壳外。

4、优选的是，核燃料单元包括：triso包覆燃料颗粒、碳化硅基体，triso包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中。

5、优选的是，triso包覆燃料颗粒为氮化铀核芯的triso包覆燃料颗粒或二氧化铀核芯的triso包覆燃料颗粒。

6、优选的是，格架孔道的高度高于格架篮的高度。

7、优选的是，格架包括第一格架、第二格架，第一格架、第二格架分别设置于沿着冷却剂孔道方向的燃料块两端。

8、优选的是，格架篮过盈配合包覆燃料块端部。

9、优选的是，格架孔道的外壁与冷却剂孔道的内壁相贴合。

10、优选的是，格架的材质为锆合金、铝材、不锈钢、碳化硅中的任意一种。

11、优选的是，所述的基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件，还包括上管座、下管座，导向管分别与上管座、所有燃料块构件及下管座连接，导向管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过导向管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，除燃料块中心冷却剂孔道外的冷却剂孔道内均布置有导向管。

12、优选的是，所述的基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件，还包括仪表管，仪表管用于对仪表组件提供容纳空间和导向，仪表管位于燃料组件的正中心，仪表管分别与上管座、所有燃料块构件以及下管座连接，仪表管通过格架孔道与燃料块构件的冷却剂孔道联通，上管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通，下管座通过仪表管与燃料块构件的冷却剂孔道联通。

13、本发明还提供一种上述的基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件的制备方法，包括以下步骤：

14、制备燃料块；

15、将格架的格架孔道插入燃料块的冷却剂孔道，得到燃料块构件；

16、通过导向管将不同的燃料块构件的格架连接，导向管通过格架孔道与冷却剂孔道联通，导向管用于对控制棒组件和其它堆芯相关组件提供容纳空间和导向。

17、优选的是，燃料块的制备方法包括以下步骤：

18、1)以碳化硅纤维为原料，通过编织的方式形成碳化硅纤维编织外壳，然后采用化学气相沉积工艺于碳化硅纤维编织外壳外层沉积碳化硅形成第二碳化硅气相沉积层，整体得到开口的容纳件；

19、2)向开口的容纳件内添加燃料单元；

20、3)对添加了燃料单元的容纳件外壳进行预压，然后利用化学气相渗透工艺，将燃料单元内部空隙、燃料单元与容纳件连接处、容纳件开口均渗透沉积碳化硅使之连成一片整体形成第一碳化硅气相沉积层并实现封口，得到燃料块。

21、优选的是，所述步骤3)预压的压力为1～15mpa。

22、优选的是，所述步骤2)中核燃料单元包括：triso包覆燃料颗粒、碳化硅基体，triso包覆燃料颗粒弥散于碳化硅基体中，triso包覆燃料颗粒在容纳件内部空间的体积占比达到42％～56％。

23、本发明提供一种基于triso包覆颗粒的压水堆燃料组件及其制备方法，其内部燃料块采用碳化硅纤维编织外壳，提升了燃料在事故下的耐腐蚀能力，增加了燃料块本身的韧性，燃料块内部采用triso包覆燃料颗粒弥散至碳化硅基体的设计，充分利用碳化硅材料优异的裂变产物阻挡能力，大幅降低裂变产物的释放，提升燃料安全。燃料块采用化学气相渗透工艺进行封口，避免了碳化硅包壳端塞焊接问题。燃料块内部均为triso包覆燃料颗粒弥散结构，相比于燃料棒设计，在组件总尺寸不变的情况下大幅扩展了triso包覆燃料颗粒的可弥散空间，叠加triso大核芯颗粒以及氮化铀核芯的设计弥补了由于triso包覆燃料颗粒弥散所带来的铀装量损失。本发明在保留了耐事故燃料中碳化硅包壳与全陶瓷微封装燃料的优势的基础上，进一步改善了二者的缺陷。