基本介紹
- 中文名：核燃料元件
- 外文名：nuclear fuel element
核燃料元件分類,核燃料元件主要特點,
核燃料元件分類
按核燃料類型，可分為金屬型燃料元件、彌散性燃料元件和陶瓷型燃料元件三種，這是最常見的分類方法。
按燃料元件幾何形狀，可分為棒狀、板狀、管狀和球狀等燃料元件形式。其命名法一般是：幾何形狀+燃料元件。如幾何形狀是板狀，則叫做板狀燃料元件。
按反應堆類型分，燃料元件可按照反應堆類型+燃料元件的方法命名。如輕水堆和重水堆用的燃料元件，就分別叫做輕水堆燃料元件和重水堆燃料元件。
其他還有按包殼材料和包殼幾何形狀以及幾種分類法放在一起的分類方法。如用鋁合金和鋯合金作包殼的燃料元件，就分別叫做鋁合金包殼燃料元件和鋯合金包殼燃料元件；包殼帶肋的燃料元件就稱為帶肋燃料元件；用天然鈾作芯體的生產堆用棒狀燃料元件，就稱為天然鈾生產堆棒狀燃料元件。
核燃料元件主要特點
具有放射性。目前燃料元件中的核燃料主要採用U，其次是Pu。U和Pu本身就是放射性物質，而俘獲中子後的核裂變將產生放射性活度更高的裂變產物。剩餘釋熱則是燃料元件在使用後具有強放射性這一特點的派生特點。
能量高度集中。U每次裂變，大約放出200MeV的能量。1克U全部裂變放出的熱，約為1克標準煤燃燒時放出的熱的280萬倍，相當於2.8噸標準煤燃燒時放出的熱。
環境條件十分苛刻。燃料元件在反應堆內所處的環境條件為輻照場、溫度場、速度場以及一定外壓等。作為燃料元件主體的芯體——核燃料，存在裂變產生的中子和裂變產物，同時又伴隨輻照損傷，改變了材料原來的性能，還產生諸如腫脹、密實化、生長、蠕變等幾何尺寸的變化；再加上溫度應力的作用等，使工作條件更加惡化。對燃料元件包殼、端塞等結構材料來說，除輻照造成的損傷以外，還要承受芯體材料的尺寸變化而產生的應力、應變、冷卻劑沖刷造成的腐蝕和振動磨蝕、疲勞。如果再考慮反應堆開停堆和堆運行時的功率波動或劇增等大小不一的冷熱衝擊交變載荷的作用，又使燃料元件的工作條件更為苛刻。
具有一系列特殊要求。從製備物料、燃料元件設計、加工製造、存放、運輸、堆內運行、輻照後熱室檢驗，一直到後處理，都要考慮放射性物質的特殊性。為了防止放射性物質污染環境和防止損害人體，要求在整個過程中妥善採取防護措施和嚴格的安全監督。為了確保燃料元件在堆內整個工作壽期內不破損，顯然要對燃料元件適應性、相存性、安全可靠性和經濟性等提出一系列特殊要求。
涉及學科較多、綜合性較強。燃料元件需要的原材料供應，涉及地質勘探、採礦、冶金、化工、電力和精密儀器儀表等工業部門；支撐核級要求的材料，涉及化學、物理學、金屬學；燃料元件製造，涉及金屬工藝學、電化學、檢測技術、核安全技術；燃料元件試驗研究和設計，涉及核物理、傳熱學、水力學、固體力學、計算技術、材料科學、輻射防護學等學科。可見燃料元件涉及學科較多，綜合性較強。
費用大、研發周期長。一種新型燃料元件從提出概念到商品供應，一般都要經過一個漫長的研製階段和花費很多的人力和物力，其周期一般為5～10年的時間。
3 核燃料元件在燃料循環中的作用
核反應堆是通過受控的鏈式裂變反應，將核能緩慢地釋放出來的裝置，而這個裂變反應就是發生在包含有可裂變材料的核燃料元件之中的。因此，核燃料元件是核反應堆中的核心部件和最主要的組成部分，是反應堆能量的來源。我們可以把核燃料元件比作核電站裡面的“煤球”，核電站就是通過“燃燒”這種“煤球”產生能量，進而發電的。
核燃料元件在核反應堆中有非常重要的作用，它除了提供反應堆發電所需能量之外，也是核反應堆安全的第一道屏障。這個屏障由兩部分構成：一是核燃料元件中的芯體材料，即一塊塊疊起來的二氧化鈾陶瓷芯塊（直徑約為8 mm，高度約為13 mm），核裂變產生的放射性物質98%以上滯留於燃料芯塊中，不會釋放出來。二是將燃料芯塊密封於其中的鋯合金包殼，可以有效防止裂變產物及放射性物質進入一迴路水中。所以核燃料元件廠的要求是零泄漏，就是說出廠的核燃料元件都不允許存在泄漏。
核燃料元件與反應堆密切相關，與核電站的安全性、可靠性、經濟性直接相關。所以從這個意義上說，周永茂院士說核燃料元件是貫穿整個核事業產業鏈的“脊樑”，是一個很確切的、形象的比喻。
