高安全性燃料棒及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及核電技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種高安全性燃料棒及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]核反應(yīng)堆包括一個(gè)由燃料組件組成的堆芯，而每組燃料組件本身是由多束燃料棒構(gòu)成的，多束燃料棒束保持軸向豎直排列在燃料組件的骨架之中，以使呈圓柱形的形狀的燃料棒的軸線相互平行。
[0003]非一體的燃料棒主要由包殼管、上端塞、下端塞以及容置在包殼管內(nèi)部堆芯的構(gòu)成，上端塞和下端塞設(shè)置于包殼管兩端。每根燃料棒的包殼管的軸向長度遠(yuǎn)大于其橫截面的直徑。一般說來，燃料棒具有大于4米的長度，而其直徑約為10毫米。
[0004]如圖5所示，核電相關(guān)技術(shù)中的一種一體化燃料棒，包括基體、上端塞、下端塞和彌散于基體中的覆層燃料顆粒，上端塞、下端塞設(shè)置于基體的兩端。基體為鋯合金基體，覆層燃料顆粒彌散于鋯合金基體中，覆層燃料顆粒結(jié)構(gòu)類似與本專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)技術(shù)人員熟知的用于高溫氣冷堆中的TRISO燃料顆粒。該一體化燃料棒無包殼，可直接制造成4米左右的長度，并用于壓水堆燃料組件中。
[0005]以上一體化燃料棒存在以下技術(shù)缺陷:
[0006]1、對于上述結(jié)構(gòu)方案，如果在反應(yīng)堆運(yùn)行狀態(tài)或其他非運(yùn)行狀態(tài)(如制造、運(yùn)輸?shù)?時(shí)，如果燃料棒所受外力較大，外力則很容易通過鋯合金基體傳遞到覆層燃料顆粒，如果該外力達(dá)到一定限值，即會(huì)造成燃料顆粒的破碎，從而影響反應(yīng)堆的安全運(yùn)行；
[0007]2、上述結(jié)構(gòu)方案的基體材料為鋯合金，在反應(yīng)堆發(fā)生嚴(yán)重事故的情況下，鋯合金基體會(huì)在高溫下與水發(fā)生鋯水反應(yīng)，并釋放大量氫氣，嚴(yán)重影響反應(yīng)堆的安全性；
[0008]3、在上述結(jié)構(gòu)方案的加工過程中，考慮到保持燃料顆粒的完成性，必然不能使用鍛造等大壓力加工方式，勢必會(huì)造成基體松軟，從而造成整個(gè)一體化燃料棒的剛度偏小，那么在反應(yīng)堆內(nèi)運(yùn)行時(shí)就很容易造成一體化燃料棒的彎曲，從而影響反應(yīng)堆運(yùn)行安全性；
[0009]4、考慮到上述結(jié)構(gòu)方案外圍也分布有燃料顆粒，造成其可加工性較差，不能精確控制一體化燃料棒尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，提供一種高安全性燃料棒及其制造方法。
[0011]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種高安全性燃料棒，包括棒體，所述棒體包括棒狀金屬基體和彌散于所述金屬基體中的燃料顆粒；
[0012]所述棒體還包括包覆在所述金屬基體外圈的無燃料層，且所述無燃料層的硬度高于所述金屬基體的硬度。
[0013]優(yōu)選地，所述金屬基體為由鋯合金形成的柱狀結(jié)構(gòu)。
[0014]優(yōu)選地，所述無燃料層為由FeCrAl合金或Mo合金或不銹鋼形成的包覆在所述金屬基體外圈的筒狀結(jié)構(gòu)；所述無燃料層的厚度為0.l-2mm。
[0015]優(yōu)選地，所述燃料棒還包括設(shè)置在所述棒體縱向兩端的兩個(gè)端塞，所述端塞與所述棒體固定連接。
[0016]優(yōu)選地，所述無燃料層的外表面形成有強(qiáng)化層。
[0017]本發(fā)明還構(gòu)造一種以上所述的含無燃料區(qū)的高安全性燃料棒的制造方法，包括以下步驟:
[0018]A、將燃料顆粒與形成金屬基體粉末混合，制成基體生坯；
[0019]B、在所述基體生坯外圍涂覆一定厚度硬質(zhì)粉末，與所述基體生坯共同形成棒體生坯；
[0020]C、對所述棒體生坯進(jìn)行燒結(jié)，形成所述棒體。
[0021 ] 優(yōu)選地，所述方法還包括步驟:
[0022]D、對燒結(jié)后的所述棒體外圍的所述無燃料層周圈進(jìn)行機(jī)加工，從而達(dá)到所述棒體要求的外形尺寸。
[0023]優(yōu)選地，還包括以下步驟:
[0024]E、在所述棒體的無燃料層的外圍做強(qiáng)化處理，使所述無燃料層的外表面形成所述強(qiáng)化層。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟E中的強(qiáng)化處理包括淬火處理。
[0026]優(yōu)選地，還包括以下步驟:
[0027]F、在所述棒體的兩端分別焊接端塞。
[0028]實(shí)施本發(fā)明的高安全性燃料棒及其制造方法，具有以下有益效果:本發(fā)明的高安全性燃料棒通過在外圍設(shè)置的硬度較高的無燃料區(qū)，有效緩減外部作用力傳遞到燃料顆粒，減小燃料顆粒破碎的可能性；另外，有效提高整個(gè)高安全性燃料棒的剛度，緩減燃料棒在運(yùn)行時(shí)發(fā)生彎曲；進(jìn)一步地，可對高安全性燃料棒外圍進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋C(jī)械加工，在保證不破碎燃料顆粒的情況，精確控制燃料棒尺寸。同時(shí)，無燃料區(qū)材料為高防腐蝕性材料，有效緩減腐蝕反應(yīng)，并有效減小氫氣的釋放，提高反應(yīng)堆安全性。
【附圖說明】
[0029]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0030]圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的高安全性燃料棒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是圖1中的棒體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是其他實(shí)施例中的棒體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中燃料顆粒的剖面示意圖；
[0034]圖5是【背景技術(shù)】中的棒體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]為了對本發(fā)明的技術(shù)特征、目的和效果有更加清楚的理解，現(xiàn)對照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0036]如圖1及圖2所示，本發(fā)明一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中的高安全性燃料棒包括棒體I和設(shè)置在棒體I縱向兩端的兩個(gè)端塞2，端塞2與棒體I固定連接，端蓋2將棒體I的端面包覆。端塞2可以方便燃料棒后期的組裝、維修等操作。端塞2也可換成其他部件供組裝等操作使用。
[0037]棒體I包括棒狀金屬基體11和彌散于金屬基體11中的燃料顆粒12。進(jìn)一步地，棒體I還包括包覆在金屬基體11外圈的無燃料層13，且無燃料層13的硬度高于金屬基體11的硬度。
[0038]在一些實(shí)施例中，金屬基體11為由鋯合金形成的柱狀結(jié)構(gòu)，燃料顆粒12均勻彌散于金屬基體11中。如圖4所示，燃料顆粒12通常包括位于中心的二氧化鈾121以及由內(nèi)向外依次包覆在二氧化鈾121外的熱解碳緩沖層122、熱解碳層123、碳化硅124及熱解碳層125。無燃料層13為由FeCrAl合金形成的包覆在金屬基體11外圈的筒狀結(jié)構(gòu)，無燃料層13的厚度為0.1-2_，既能提升強(qiáng)