核燃料元件

反应堆内以核燃料作为主要成分的结构上独立的构件

核燃料元件，反应堆内以核燃料作为主要成分的结构上独立的最小构件。泛指核反应堆内具有独立结构的燃料使用单元。包括从单一的圆柱状短棒到结构复杂的大组件。通常指由燃料芯体和包壳组成的燃料单元，如燃料棒、燃料板和燃料球。核燃料元件是核燃料产业的最终产品，是核电站的能量源泉，也是核反应堆的核心部件。

核燃料元件分类

按核燃料类型，可分为金属型燃料元件、弥散性燃料元件和陶瓷型燃料元件三种，这是最常见的分类方法。

按燃料元件几何形状，可分为棒状、板状、管状和球状等燃料元件形式。其命名法一般是：几何形状+燃料元件。如几何形状是板状，则叫做板状燃料元件。

按反应堆类型分，燃料元件可按照反应堆类型+燃料元件的方法命名。如轻水堆和重水堆用的燃料元件，就分别叫做轻水堆燃料元件和重水堆燃料元件。

其他还有按包壳材料和包壳几何形状以及几种分类法放在一起的分类方法。如用铝合金和锆合金作包壳的燃料元件，就分别叫做铝合金包壳燃料元件和锆合金包壳燃料元件；包壳带肋的燃料元件就称为带肋燃料元件；用天然铀作芯体的生产堆用棒状燃料元件，就称为天然铀生产堆棒状燃料元件。

核燃料元件主要特点

具有放射性。目前燃料元件中的核燃料主要采用U，其次是Pu。U和Pu本身就是放射性物质，而俘获中子后的核裂变将产生放射性活度更高的裂变产物。剩余释热则是燃料元件在使用后具有强放射性这一特点的派生特点。

能量高度集中。U每次裂变，大约放出200MeV的能量。1克U全部裂变放出的热，约为1克标准煤燃烧时放出的热的280万倍，相当于2.8吨标准煤燃烧时放出的热。

环境条件十分苛刻。燃料元件在反应堆内所处的环境条件为辐照场、温度场、速度场以及一定外压等。作为燃料元件主体的芯体——核燃料，存在裂变产生的中子和裂变产物，同时又伴随辐照损伤，改变了材料原来的性能，还产生诸如肿胀、密实化、生长、蠕变等几何尺寸的变化；再加上温度应力的作用等，使工作条件更加恶化。对燃料元件包壳、端塞等结构材料来说，除辐照造成的损伤以外，还要承受芯体材料的尺寸变化而产生的应力、应变、冷却剂冲刷造成的腐蚀和振动磨蚀、疲劳。如果再考虑反应堆开停堆和堆运行时的功率波动或剧增等大小不一的冷热冲击交变载荷的作用，又使燃料元件的工作条件更为苛刻。

具有一系列特殊要求。从制备物料、燃料元件设计、加工制造、存放、运输、堆内运行、辐照后热室检验，一直到后处理，都要考虑放射性物质的特殊性。为了防止放射性物质污染环境和防止损害人体，要求在整个过程中妥善采取防护措施和严格的安全监督。为了确保燃料元件在堆内整个工作寿期内不破损，显然要对燃料元件适应性、相存性、安全可靠性和经济性等提出一系列特殊要求。

涉及学科较多、综合性较强。燃料元件需要的原材料供应，涉及地质勘探、采矿、冶金、化工、电力和精密仪器仪表等工业部门；支撑核级要求的材料，涉及化学、物理学、金属学；燃料元件制造，涉及金属工艺学、电化学、检测技术、核安全技术；燃料元件试验研究和设计，涉及核物理、传热学、水力学、固体力学、计算技术、材料科学、辐射防护学等学科。可见燃料元件涉及学科较多，综合性较强。

费用大、研发周期长。一种新型燃料元件从提出概念到商品供应，一般都要经过一个漫长的研制阶段和花费很多的人力和物力，其周期一般为5～10年的时间。

3 核燃料元件在燃料循环中的作用

核反应堆是通过受控的链式裂变反应，将核能缓慢地释放出来的装置，而这个裂变反应就是发生在包含有可裂变材料的核燃料元件之中的。因此，核燃料元件是核反应堆中的核心部件和最主要的组成部分，是反应堆能量的来源。我们可以把核燃料元件比作核电站里面的“煤球”，核电站就是通过“燃烧”这种“煤球”产生能量，进而发电的。

核燃料元件在核反应堆中有非常重要的作用，它除了提供反应堆发电所需能量之外，也是核反应堆安全的第一道屏障。这个屏障由两部分构成：一是核燃料元件中的芯体材料，即一块块叠起来的二氧化铀陶瓷芯块（直径约为8 mm，高度约为13 mm），核裂变产生的放射性物质98%以上滞留于燃料芯块中，不会释放出来。二是将燃料芯块密封于其中的锆合金包壳，可以有效防止裂变产物及放射性物质进入一回路水中。所以核燃料元件厂的要求是零泄漏，就是说出厂的核燃料元件都不允许存在泄漏。

核燃料元件与反应堆密切相关，与核电站的安全性、可靠性、经济性直接相关。所以从这个意义上说，周永茂院士说核燃料元件是贯穿整个核事业产业链的“脊梁”，是一个很确切的、形象的比喻。

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