一种用于核反应堆生产同位素的燃料组件的制作方法

1.本发明涉及核电厂生产同位素技术领域，具体为一种用于核反应堆生产同位素的燃料组件。


背景技术：

2.放射性同位素在生物医学、工业领域及农业生产等领域具有广泛的应用。在医学上，同位素主要用于显像、诊断和治疗，工业应用上主要包括过程控制与最优化、测量与自动化、质量控制及各种测试等，农业应用主要包括同位素辐射育种技术、同位素示踪技术等。目前，放射性同位素生产途径主要有：研究反应堆和回旋加速器两大类。研究堆生产放射性同位素在生产规模、稳定和生产效率方面具有很大的优势，成为放射性同位素最主要的生产手段。此外，由于研究堆可以提供不同能谱的中子和较大的辐照空间，特别是预留有辐照孔道，在研究堆内开展同位素生产具有对反应堆的影响小、安全性高、辐照样品种类多、靶件制备简单、辐照操作简便等优点，因此，一般采用研究堆开展放射性同位素的生产。例如，美国利用atr研究堆和hfir研究堆生产pu-238同位素，加拿大利用nru研究堆生产co-60、c-14和tc-99m等同位素，俄罗斯利用ruslan研究堆生产c-14、co-60和ir-192等同位素。
3.由于早期建成的研究堆、放射性同位素研发和生产设施均已服役多年，随着服役寿命到期，国内外很多研究堆逐渐开始关停，生产同位素的研究堆的辐照资源开始变成稀缺资源，因此，必须寻求一种新的同位素生产方式以代替研究堆生产同位素。利用核电厂(包括压水堆和重水堆)生产放射性同位素，成为同位素生产一种新的选择。但由于放射性同位素材料具有一定的中子吸收能力，将其直接制作成燃料棒放入核电厂会影响电厂的中子通量分布，导致电厂的安全性能及发电性能受到影响。
4.cn201711297364《一种利用商用压水堆辐照生产pu-238的装置》公开了一种利用商用压水堆生产pu-238的方法和装置，该装置为设置在商用压水堆堆芯的燃料组件，含np-237靶件棒、水腔替换燃料组件中的一个或多个燃料棒，得到np-237辐照靶件栅元，用于pu-238的生产。该方案的缺点在于靶件的母材(np-237)会强烈的吸收中子，会影响核电厂正常发电和经济性，为了减小这种影响就必须要提高燃料组件内其他燃料棒中的u-235的富集度，这将会导致局部燃料棒的功率峰因子进一步增大，影响核电厂的安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于核反应堆生产同位素的燃料组件，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于核反应堆生产同位素的燃料组件，包括外包壳、上密封件、下密封件、母材以及uo2芯块，所述外包壳为管状结构，上密封件、下密封件分别设置在外包壳的两端，所述母材、uo2芯块均设置在外包壳内部，所述母材、uo2芯块为嵌套式设置。
7.优选的，所述uo2芯块设置为中心开孔的环形结构，所述母材设置为细径芯块或芯
棒；所述uo2芯块在外包壳中堆叠成环形芯块摞或芯管，母材配合设置在uo2芯块环形内侧。
8.优选的，所述母材设置为环形芯块，所述uo2芯块为实心芯块；所述母材在外包壳中堆叠成环形芯块摞或芯管，uo2芯块配合设置在母材环形内侧。
9.优选的，所述母材、uo2芯块之间设置有内包壳。
10.优选的，所述母材设置为含有母材核素的热中子宏观吸收截面小于1靶恩的材料、高热导基弥散体。
11.优选的，所述热中子宏观吸收截面小于1靶恩的材料包括但不限于以下核级材料：铝合金、锆合金、镁合金、氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅、碳化锆、碳化硅。
12.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
13.1、本发明靶件通过调整uo2芯块富集度和尺寸，补偿由于母材吸收中子对燃料棒反应性的影响，实现了包含生产同位素靶件的燃料棒与原有位置的燃料棒具有等效的反应性，因而大大减小了靶件对核电厂堆芯的反应性和功率峰值因子的影响，也保障了热工性能不发生明显变化，确保了核电厂的安全性；此外，在核电厂运行过程中，仅通过替换燃料棒即可实现同位素的生产，燃料组件整体结构设计和尺寸没有变化，同位素靶件外围尺寸也与燃料棒包壳管完全一样，与核电厂现有燃料组件在结构和接口方面有非常好的兼容性，因而大大简化了燃料组件的安全分析；
14.2、还实现了uo2燃料棒和母材棒的相互独立，可直接在核电厂将辐照后的生产同位素的母材棒拆卸并将其转运至热室进行分离和提纯，大大降低了母材与uo2之间分离和提纯的难度；
15.3、将含有母材核素的低中子吸收截面、高热导基弥散体设计成母材，能够提升母材加工成形性能，还能提高热导率降低母材温度、提升放射性产物包容能力及便于后续分离提纯处理，在维持几何形状的同时还能使母材核素离散从而减小自屏效益，提升生产同位素的效率。
附图说明
16.图1为本发明的结构示意图；
17.图2为本发明的环形uo2芯块结构示意图；
18.图3为本发明的环形母材示意图；
19.图中标号：1、外包壳；2、上密封件；3、下密封件；4、内包壳；5、母材；6、uo2芯块。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。
22.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：一种用于核反应堆生产同位素的燃料组件，包括外包壳1、上密封件2、下密封件3、母材5以及uo2芯块6，所述外包壳1为管状结构，上密封件2、下密封件3分别设置在外包壳1的两端，所述母材5、uo2芯块6均设置在外包壳1内部，所述母材5、uo2芯块6为嵌套式设置。
24.进一步的，所述uo2芯块6设置为中心开孔的环形结构，所述母材5设置为细径芯块或芯棒；所述uo2芯块6在外包壳1中堆叠成环形芯块摞或芯管，母材5配合设置在uo2芯块6环形内侧。
25.进一步的，所述母材5设置为环形芯块，所述uo2芯块6为实心芯块；所述母材5在外包壳1中堆叠成环形芯块摞或芯管，uo2芯块6配合设置在母材5环形内侧。
26.进一步的，所述母材5、uo2芯块6之间设置有内包壳4。
27.进一步的，所述母材5设置为含有母材5核素的热中子宏观吸收截面小于1靶恩的材料、高热导基弥散体。
28.进一步的，所述热中子宏观吸收截面小于1靶恩的材料包括但不限于以下核级材料：铝合金、锆合金、镁合金、氧化铝、氧化锆、氧化镁、二氧化硅、碳化锆、碳化硅。
29.实施例一
30.将放射性同位素材料npo2制备成壁厚为3mm环形母材5芯块，母材5的外径为12mm，内径为5.7mm，装入锆合金的外包壳1中。母材5芯块由npo2和zr粉混合制备而成，zr粉体积分数不少于30％，压制成型后的致密度约为80％，烧结可以达到95％以上的致密度。
31.将uo2芯块6制备为直径为5.5mm的实心芯块，u-235的富集度提升至25.8％。将制备的实心uo2芯块6放置于放射性同位素材料npo2的环形母材5芯块中，具体形式如图3所示。
32.母材5和uo2芯块6相互独立，可直接在核电厂拆卸同位素母材npo2并将其转运至热室进行分离和提纯，分离难度大大减小，同时npo2利用率高，生产pu-238的效率高。
33.实施例二
34.采用环形uo2芯块6设计，选取壁厚为2.5mm的环形uo2芯块6，外径为12mm，内径为7mm，将u-235富集度提升至30％，装入外包壳1中。
35.npo2母材5由npo2和sic粉混合制备成直径为5.5mm母材5，sic粉体积分数不少于30％，压制成型后的致密度约为80％，烧结可以达到95％以上的致密度。将npo2母材5装入锆合金内包壳4中制备成细径棒，内包壳4管外径6.85mm，内径为5.7mm。
36.将制备成的npo2母材5放置于环形的uo2芯块6中，如图2所示。uo2和npo2相互独立，可直接分离。
37.实施例三
38.将放射性同位素材料teo2母材5制备成壁厚为2mm环形芯块，芯块的外径为11.2mm，内径为7.2mm，装入锆合金的外包壳1中。母材5芯块由teo2和氧化铝粉混合制备而成，氧化铝粉体积分数不少于40％，压制成型后的致密度约为85％，烧结可以达到95％以上
的致密度。
39.将uo2芯块6制备为直径为5.7mm的实心芯块，u-235的富集度提升至46.7％。将uo2芯块6装入锆合金内包壳4中制备成细径棒，锆合金内包壳46.8mm，内径为5.7mm。将制备的实心uo2芯块6放置于放射性同位素材料teo2的环形芯块中，具体形式如图3所示。
40.uo2芯块6和teo2母材5相互独立，可直接在核电厂拆卸同位素teo2母材5并将其转运至热室进行分离和提纯，分离难度大大减小。
41.实施例四
42.采用环形uo2芯块6设计，选取壁厚为1mm的环形uo2芯块6，外径为8.2mm，内径为6mm，将u-235富集度提升至82％，装入锆合金的外包壳1中。
43.将yb2o3与zrc粉末混合制备成直径为5.8mm的细径芯块或芯棒作为母材5，zrc粉体积分数不少于45％，压制成型后的致密度约为82％，烧结可以达到95％以上的致密度。
44.将制备成的yb2o3芯块或芯棒放置于环形的uo2芯块6中，如图2所示。uo2和yb2o3相互独立，辐照后可直接分离。
45.一个或多个靶件作为燃烧棒组成燃烧组件，实施例一至实施例四所述的靶件均可替换燃料组件中具有相同反应特性的燃料棒，包含母材5的燃料棒可分布在反应堆的多个燃料组件中。
46.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。