CN101243521B - 大结构板式燃料元件 - Google Patents

Abstract

提出一种大结构板式燃料元件，主要应用在用快速中子流工作的第四代气体载热反应堆中。根据本发明的具有复合板式结构的元件(1)包含一个小室(8)的网(6)，最好是蜂窝形，在每个小室中放置一个核燃料芯块(10)。在每个小室中设置一个径向间隙(14)和一个轴向间隙(12)，以抵消板元件(1)工作过程中固有的可裂变物质和结构材料之间的差异膨胀。

Description

大结构板式燃料元件

技术领域

本发明涉及用于核反应堆的燃料元件领域，尤其是为新设计的被称为第四代反应堆而研发的燃料板。

更具体而言，根据本发明的装置是为在高温环境中运转的设备而设计，也就是为高温反应堆(HTR)而设计，其中反应堆出口处的冷却流体的温度高于800℃；优选地，它们是用被气体冷却的快速中子流工作的气体载热剂反应堆，或者GFR(气体冷却快中予反应堆，或气冷快堆)。

因此，本发明提出一种元件的设计，该元件适合强加的操作条件并提供改善的性能；更具体地，本发明提出一种大结构复合燃料“板元件”的新设计，它符合GFR的技术规范。

背景技术

用于从核裂变反应产生能量的(核电)站使用燃料元件，燃料元件内部发生裂变释放热能，热能通过用提供其冷却的导热流体的热交换而从燃料元件中提取出来。

为了达到这个目的，在支持燃料性能及其操作条件所强加的应力的同时，基本燃料元件设计的一般原则在于满足下面的功能：

-具有一个裂变原子密度，其与中子操作条件和反应物体积的单位体积能量密度兼容，

-确保可燃物质和载热体之间的热传递，

-封闭燃料释放出的固体和气体裂变产物。

当然，在燃料内部的裂变反应产生固体和气体裂变产物，这些产物导致材料结构扩张，这种现象是由热引起的，这同样导致裂变气体释放到燃料物质外面的机机制(mécanismes de relchement)。给燃料物质提供包壳可以适应这些变形而不丧失元件的完整性。

燃料内部的裂变强度与通过包壳排向载热体的能量密度(单位体积能量)直接相关。热源和载热体之间的热阻应该达到最小以控制燃料的最高温度和由该热流所引起的效应，即材料内部的梯度(gradient)以及燃料和包壳之间的差异膨胀。

反应物体积自身中的可裂变物质的密度主要取决于燃料元件的形状：该形状决定了要放到给定体积中并达到最大填充率的可裂变物质的容量，但也为载热体提供必要的渗透性以确保产生的能量通过元件排放出去并伴随可以接受的负载损失。

在核设备中，按照通常方式，可以使用三类基本燃料元件：板式元件(任何形状)，沿其轴延伸的圆柱体元件(通常具有圆形或半圆形截面)，球形元件，通常成小直径(近似毫米)的微粒状。另外，球形微粒可以被裹在一个惰性基体(matrice inerte)中以生成复合燃料元件，复合燃料元件同样可以表现出前面所述的三种形状：球形，板式和压块式(compacte)。每种燃料元件针对所提出的问题而结合不同的解决方法，并根据其工作领域(环境)提供一种折衷。

例如，在板中，包壳为具有高纵横比(壳的自由长度和厚度的比)的较大的壳。包壳材料借助其韧性使其几何形状与燃料中间部分的几何形状相匹配，这样可以横向地并以非常小的应力适应与燃料物质相关的差异变形(膨胀和扩张)。然而该板式结构几乎不能适应(调节)沿厚度方向的变形，原因是包壳在与其平面垂直方向的刚度非常低，这个自由度使燃料发生各向异性的变形，更优先地在该方向。另外，当被整体或局部地挤压在其平面上时(例如在过热点上)，尤其在燃烧的堆芯不与包壳连接或略微与包壳连接的情况下，该结构在压弯时是不稳定的。

鉴于这些缺陷，板式元件事实上只用于低温燃料(combustiblefroid)，即在燃料不释放其气体产物的温度范围，并且在中等的能量密度水平。对于一个预期的能量密度水平，最优化的参量一般应用于板的厚度和燃料/包壳的接触质量，应用于控制包壳的腐蚀及其工作中的韧性不受损坏。事实上，板的主要损坏形式或者与包壳变形(因腐蚀或在辐射中硬化而被损坏)时产生的韧性缺乏有关，或者与燃料和载热体之间热阻的增大有关(包壳上被腐蚀的有阻区域，例如由包壳局部弯曲造成的燃料/包壳脱离产生一个间隙开口)，它导致燃料发热并释放裂变气体以及包壳的内部加压，通过包壳形变的不稳定而发生破裂。

圆柱体元件包含石墨/气体反应堆燃料管(吸收体)，例如，增压水反应堆(REP)窄束或快中子反应堆(RNR)的针。在这种情况下，在小球形状的燃料和装该燃料的包壳之间存在径向间隙，该间隙可以调和燃料物质和包壳之间的差异变形：该间隙至少能够补偿在元件增大能量(première montée en puissance)时的差异膨胀，以及燃料不能通过蠕变和对其内腔的重新加密(redensification)而自行吸收的燃料膨胀的部分。事实上，燃料物质发挥作用的温度应该能够使它激活调节其变形的自身机制；作为补偿，它释放一部分裂变气体。在包壳中，在燃料芯块堆的末端设置另一个扩张空间(expansion volume)，以便限制元件的内部压力。于是，燃料芯块和载热体之间的热传递通过热阻径向地进行，其中该热阻由存在于芯块和装有气体的包壳之间的径向间隙和包壳的厚度构成。在元件整个寿命过程中控制热阻能够保证遵守燃料内可以接受的温度范围。在该元件设计中，因此存在热传递，该热传递通过一个定好尺寸的气封(joint gazeux)进行，还存在一个膨胀室，它被设置在横断热传递的方向上。

圆柱体元件的主要优选参量是燃料和包壳之间的初始径向间隙，保证燃料和包壳之间热连接的流体的种类(气封或熔融金属封)，包壳截面内的燃料的实际填充密度(径向间隙，多孔结构，如中央孔和/或芯块端部透镜状空穴的不连续体的存在)，包壳的硬度(厚度)，包壳材料和燃料材料的特性规律(1oi de comportement)(膨胀，蠕变)，以及它们的机械性能(强度和韧性)。

然而，燃料和包壳之间存在间隙会造成工作过程中可变的热阻(由裂变气体的出现而引起的间隙变化和传导性减弱)，该热阻会使燃料的最高温度难以控制，以至于不能达到在所有工作状态下燃料物质的熔点。另一方面，作为该类型元件的“高压室”(enceinte enpression)来工作需要使用能够保证元件机械强度的材料以防止其在压力下意外破裂(瞬时的和/或延迟的)的风险；为达到这个目的，最经常采用具有最好的承压能力的圆形截面：在燃料和包壳出现相互机械作用的情况下，该圆形截面通过其圆周牵引力对抗很大的夹紧硬度(raideur de frettage)，由包壳施加在燃料上的圆周压力激活了它的自我调节机制。

因此，包壳材料的选择显得至关重要，它应该具有与目标工作温度兼容的折断强度，塑性(ductilitéen plasticité)和热蠕变方面的韧性，以及足够的强度(典型地大于20Mpa·Vm)；该选择(瞬时的及在蠕变中的屈服点)和燃料物质的选择(熔化温度)决定了燃料元件的工作条件限制(温度和能量密度)。与该类型元件相关的其余损坏的主要形式实际上是燃料和包壳间的瞬时相互机械作用，该相互机械作用超过了包壳的变形能力(能量升至大于之前工作状态的水平，或上升至其中燃料的温度不会激活其自动调节其变形的机制的工作状态)。

对于球形元件而言，不同的涂层被沉积到一个裂变堆芯上并在该裂变堆芯的中心开孔；因此在裂变堆芯内部并在居间的缓冲层(其确保裂变堆芯和包壳层之间的初始连续性)中以多孔的形式高孔隙率地形成空间。通过填充这些间隙来调节燃料和包壳(即包层)之间的差异变形：在工作中，缓冲层密度的逐渐增高释放出径向间隙，它能够阻止裂变堆芯和包壳层之间的强的相互机械作用。另外，裂变材料所释放的裂变气体被保留在包壳内的自由空间之中：包壳的球体形状非常适合抵抗集聚的内部压力。基本颗粒的优选参量主要包括材料的选择(种类，结构，性能，在中子流和温度下的特性规律)以及不同层的厚度的选择。

这些燃料元件只用于在高温环境下工作的被气体冷却的热流反应堆中。它们的其它损坏的主要形式与裂变堆芯和包壳层之间强烈的相互作用有关(受到由包壳产生的变形的拉力)，这种相互作用导致封闭包壳发生破裂：从这一点来看，包壳的球体形状虽然在涉及相互机械作用上是最佳选择，但它是最不利的选择因为它不给燃料物质留出任何变形方向(超出其密度增加的最大范围)以缓解相互作用力(处于包壳内部体积施加的静水压力下)。

实际上，这种球体燃料元件主要被用作部分的多种形状的复合元件，它将颗粒稀释在基体中，确保向载热体的热传递，且裂变材料在反应堆体积中占很小的体积分数(百分之几)。

研制这些复合元件主要是为了减少在燃料元件破裂的情况下污染主要载热体流路的危险，从而最大程度地减少在发生破裂之后可能被释放的裂变产物的数量。尤其是可以将大结构板形式的元件作为一种解决方案，将燃料颗粒有序地摆放，以及/或者寻求与目标用途的体积分数相容的颗粒密度。在所有情况中，为了获得通过板的、良好的、均一的传导性，可以为目标用途使用由金属材料制成的燃料稀释基体和包壳板。

看起来，GFR(包括载热气体，例如He)能够在反应堆的输出中达到足够高的、与设计的高产量电生产用途(例如以直接循环形式)或氢生产兼容的温度，而且GFR应该以一个快的流速工作，以提供达到大于1的转化率(增殖)和/或使废料(裂变产物和少量锕系元素)蜕变的能力的可能性：因此，针对前几代系统已经达到的要求，在工作中对于这些要求在安全性和可靠性水平方面加以调整是合乎需要的。

为得到与GFR的技术要求兼容的燃料元件，需要解决的问题有如下四个方面：

1)确保燃料在基体中占较大的体积分数，

2)保证每个单元对抗由燃料释放的裂变气体的内压(cellule)的机械性能，

3)避免燃料(由于其膨胀)和单元的结构之间的强烈相互作用，

4)借助板的良好的横向传导性向载热体排放产生的能量，从而控制板中心的温度和在这些结构中引发的应力。

尤其是，为了达到GFR堆芯的中子特性，在板元件的复合堆芯(

me)中的燃料体积分数应该高于50％，余量由惰性基体构成。复合堆芯中的能量密度可以达到几百MW/m³时，向载热体的热传递引起包壳(板式元件和载热体热交换的表面)和板的复合堆芯之间较大的温度差；在高温下工作(载热体温度高于850℃)还要求包壳材料和板元件材料基体具有相容的热传导性能、对中子的可透性以及机械强度，特别是金属和耐高温合金或陶瓷。

另一方面，所达到的高燃烧率将引起燃料的显著膨胀(几个百分点)和气体裂变产物的大量释放，燃料的温度加剧了这种现象。如果可能的话，燃料板的每一个基本单元都应该能够在不发生破裂、不引起板的过度变形的条件下承受这些应力，板的变形会影响板元件之间载热体的通道截面：应该在每个单元中提供位于燃料和基体之间的扩张体积(空间)，从而避免大的相互机械作用(产生对基体/包壳结构不可接受的应力)，并且保持裂变气体的内部压力水平与包壳的机械性能在燃料元件的各种工作情况下(正常情况，出故障甚至是出事故的情况)都能适应。

这个问题特别难以解决，因为对于板元件结构的工作温度水平必须要求采用弱韧性和强度的材料，这使得它们对被强加的变形类的负荷(如热膨胀梯度和在材料内部的膨胀，以及燃料和结构间的相互作用(差异膨胀和热膨胀))尤其敏感。

现有的任何结构都不能以最佳方式满足这些标准。

具体而言，文献US3 097 152提出一种包含燃料颗粒的小室结构，它不能覆盖(cover)用于GFR中的工作温度范围：板的结构材料不能与预计的温度兼容(尤其是在基体和燃料相接触时)，并伴随基体中较大的燃料密度和较高的能量密度。再者，燃料颗粒周围没有自由空间，这使得不能同时以该结构可接受的压力承受由燃料释放的裂变气体的存储，以及因此全部作用在板的厚度中的燃料/基体的差异变形。

在文献US3 070 527中所描述的板的设计也不适合GFR的工作条件：这种情况的板由一个被分隔的中央堆芯(

me centrale)构成，每个隔间接纳一个金属或陶瓷燃料，包壳彼此包覆确保密闭。当设计目标为水反应堆时，用薄的、相同等级(grade)的、且不与燃料连接的金属结构的板(铝，不锈钢，锆，锆的合金)将燃料限定至更冷。

文献US3855061描述了一个板的设计方案，该方案建立在球形燃料颗粒的整齐网状结构的基础上，其应用范围涉及沸水反应堆(BWR)和增压反应堆(PWR或REP)：对燃料在复合体中的分散和体积分数的控制，和它达到更高燃烧率的能力是该方案的研究对象。因此，燃料球(sphère de combustible)被排列在被穿以圆柱形的孔(每块板的厚度和孔的直径与球体的直径相等)的金属板中，每个球体周围留有一定扩展空间，用于接纳裂变气体并允许燃料有一定的几何膨胀。在两侧的金属包壳板相互保证元件的密封性。燃料在板的中央基体的填充密度可以接近20％到25％；但没有提及其能够实现大体积分数并具有较高的能量密度和工作温度。

发明内容

研制一种新型的第四代核反应堆应该首先设计新的燃料元件以弥补现有结构的缺陷。

因此本发明针对能够用GFR反应堆工作的核燃料提出一种设计，虽然这种使用是非限定的。

总的来说，本发明是关于一种燃料元件，它包括一个带有网状壁的包壳板，该壁形成多个小室，优选以蜂房形式，最好与该板成为一体，以及至少一个放置在小室中并带有径向间隙的核燃料芯块(pellet)。元件的每个燃料芯块在两个相对侧面之间沿轴线延伸，例如呈转动圆柱体形；有利地，相对侧面中至少一个面是凸起的，最好是该面的中部，即向外形成一个凸出部，使得芯块和小室之间也留出一个初始的轴向空间。

为了其使用，根据本发明的元件包含第二包壳板，它配有和第一板相同的网状壁或者呈平面状，它可以与第一板相配以封闭小室。有利地，钎焊，粘合或熔焊可以获得密封的小室，每个小室内优选充以惰性气体，如氦气，和燃料芯块。

根据本发明的元件的板和小室的壁可以用耐火金属或陶瓷(单片或用纤维加固的，如含有同样或不同材质纤维的碳化硅)制作。特别是陶瓷板的情况，可以将一个金属层放入小室中，在内壁和芯块之间，使裂变产物的密封性更完善。

板和芯块的最佳尺寸要根据反应堆来选择和配备。优选地，芯块提供的裂变相占反应环境(堆芯)体积的20％以上，即板式元件的复合芯体积的50％以上，小室的芯块和内壁之间的自由空间达到芯块体积的40％以上。

附图说明

在读了下面的说明并参考附图之后将会更好地理解本发明的其它特征和优点，但是这仅仅作为例举而不以任何方式局限本发明，其中：

附图1展示了根据本发明的元件的一个实施方式。

附图2A和2B，2C和2D分别示意了根据本发明的元件的实施方式。

具体实施方式

为了更好地理解所提出元件的革新特点，对在GFR型反应堆(根据本发明的燃料元件主要是为其设计的，虽然也有其它可能的应用)中产生的现象进行预先分析有助于推导出所要考虑的重点。

用快(速)中子流(fast flow)工作的核反应堆需要那些燃料物质在堆芯中占有高体积分数的燃料元件。用该燃料在高温下工作还要求燃料元件中有一个扩张空间(体积)，它可以接纳被释放出的裂变气体。由于为载热流体的通过所必需的空间(用于将负载损失限制在适当的数值范围)和堆芯的其它结构所占据的体积，为燃料元件的结构和膨胀体积而留出的空间就很小了。因此本发明涉及最大程度地减小燃料元件中的结构体积(包壳和基体)以便获得足够多的燃料，并且在燃料与容纳燃料的封闭小室之间具有扩张空间。

特别是，为了GFR能达到令人满意的中子工作条件，根据燃料的裂变物质的密度和富含量，燃料物质在反应堆环境(堆芯)中的体积分数至少约占20-25％。堆芯中的体积能量密度约为100MW/m³的数量级，冷却过程(会产生可接受的能量损失，载热体温度达到＞850℃的目标)所需要的载热气体占据的体积分数应该至少约为40％。裂变材料中的能量密度平均达到400至500MW/m³，即按照堆芯中的流量特点(profils de flux)最大值为600至750MW/m³。因为其它参与构成这些结构的材料占据了剩余30-50％的体积分数(不包括任何间隙gap)，应该具有中子穿透性以免使流动受损(在强度和谱方面)。

最后，为了降低破裂情况下对载热体主要流路的污染，借助燃料元件的复合几何形状来降低可能被释放出的裂变产物的量。

因此，该用于GFR的新型板式燃料元件的设计原则如下：

-将燃料分散在单元小室中，每个小室都有良好的可靠性(在破裂前的密封和安全系数)，能够封闭在燃料的工作温度下释放的气体裂变产物，这需要小室具有耐压性并能承受燃料与小室结构之间的差异膨胀和热扩张，而不引起小室的过度变形，

-布置单元小室使之符合堆芯中裂变产物的体积分数，

-通过载热体将小室均匀冷却，从而缩小辐射过程中从一个小室到另一个小室的燃料工作温度变化范围，

-使用能与工作温度水平和要排放的热流量兼容的材料，并且该材料能让中子穿透但并不减速，

-纵横比值(元件的厚度或直径与其最大尺寸的比值)要与元件的整体良好的机械强度兼容，保证元件在堆芯架构中作为一个结构保持位置不动(在震动方面的强度及燃料的非移动)，

-元件的形状能够承受其所处的工作条件(温度，中子流)梯度所强加的变形，产生的应力水平要与其机械强度兼容。

已经研究出一个合适的结构，它包含一种具有大结构的板式复合元件，该元件为每个芯块限定一个单独的小室，图1展示了其优选的形状。大结构的复合板元件1是基于一个夹心板构建，该夹心板具有两个包壳板2，4，其中堆芯是一个呈蜂窝状整齐摆放的小室8的网6，并布置得几乎与板2，4的表面垂直。

蜂窝结构6是这样一个网，它能够同时实现：

●小室8在平面上的最大排布密度，以及由此的用以把燃料10装入网6中的最大自由空间，

●元件1在其平面上具有良好的机械性能各向同性，

●元件1的抗弯强度好，以及

●在其平面的压缩方面具有较高的压曲抗性。

然而，根据情况可以采用其它规则(如正方形块)或不规则的小室(如，八角形和方形的复合结构)的网。

此外，形成网6的壁在每个小室8中的厚度最好是相同的，并且与结构1的平面垂直；然而可以考虑不同的变形，尤其是出于构造原因。

由壁6限定且端部被板式元件1的侧面2，4封闭的每个小室8构成一个单元小室，该单元小室是根据前面所述的设计原则而构建的，为的是保证将被放在里面的燃料10和包壳板面2，4(被载热体冷却)之间的热传递，以便顾及到裂变气体的膨胀体积，以及有助于燃料10和包壳2，4之间在小室结构中低应力水平的相互机械作用。

每个截面为六边形的小室8可以且有利地接纳圆柱形燃料芯块10(见图2)，并设置：

●位于芯块10和包壳2，4之间的(如几十微米)轴向间隙12，该间隙被定好尺寸以便在元件1的整个使用过程中调节燃料堆芯的温度，其目的是确保芯块10的所有能量通过这个间隙传递出去，

●位于芯块10和小室8的壁6之间的径向间隙14，该间隙被定好尺寸以便在小室中形成必要的扩张空间，并且阻止芯块10和小室8之间的周向相互机械作用。

实际上，扩张空间由环形间隙14和在小室8的内六边形与内切该六边形的圆柱体10之间的体积差构成。该径向间隙14最好是较大的(如几百微米)以保证芯块10和小室8的壁6之间的热去耦(découplage thermique)。这样就使经过小室壁的径向热交换得到避免或至少降到最低，使得网6保持与包壳2，4相等的平均温度，并且因此避免了包壳2，4和复合体中间结构之间的差异扩张。

另外，还可以通过调节初始间隙并通过使用特别是具有弧形端部剖面的芯块10，形成芯块10和包壳2，4之间受控的轴向相互机械作用，芯块的弧形端部剖面确立小室8的中部向周边的逐渐接触。其它的凸起形状也可以考虑，但是弧形形状除制造简单外，还可以实现对称以及逐渐接触，这样能将力分散在大的区域。由芯块强加给包壳2，4的弯曲变形一方面被芯块10本身(径向变形：见下文)所适应(调节)，另一方面在弯曲时被刚度合适(包壳2，4的厚度和小室8的尺寸)的包壳所适应，以将单元8的结构中产生的应力降到最小。

燃料10本身对某些变形(因机械接触而被轴向阻挡)的适应优先地表现为在径向间隙14中发生周向扩张。燃料芯块10的变形发生在这样一个系统中，即在一个方向受压力(芯块10的轴线AA方向)，另外两个方向是自由的(周向扩张)。在该系统中，燃料芯块10在其与包壳2，4相互作用的AA方向具有最小刚度。

因此，如图2所示，蜂窝结构网6优选地具有六边形小室8，每个小室中有一个圆形截面的燃料芯块10。在芯块10和壁6之间布置一个自由空间14，它保证芯块10和小室8之间没有径向相互作用；包壳2，4封闭小室8的端部，留有轴向间隙12，该轴向间隙提供芯块10和包壳2，4之间的热传递。燃料芯块10沿轴线AA的每个相对侧面都具有凸面16，用来将芯块10/包壳2，4之间的逐渐接触定位在小室的中间。

优选地，元件1的整体结构，即网6和每个包壳板2，4，用相同的耐火材料制造，可以是金属或陶瓷，陶瓷可以是单片的或含有本身是陶瓷的纤维。

特别是当壁是陶瓷时，如图2C所示，可以加入一个金属层18或“薄片”，包覆在每个单元8的壁上。优选地，金属薄片将芯块10及其扩张空间12，14全部封装，这样能在反应堆工作时提高生成物的密封性。

关于该组件，如图1所示，板式元件1可以由两个在一半厚度的平面上(即壁6高度的一半)接合的半元件组成。其实这两个半元件2，6’和4，6可以是相同的，并且每个半元件在包壳板2，4的一个面上结合有六边形小室的网6，6’作为“型腔”(enimpression)。在另一个实施方式中，其可以是这样的组件，板4以压印方式结合在小室8的完整网6的一个面上，以一个平的包壳板从另一个面封闭小室8。也可以独立制作蜂窝状的中间栅格(grille)6，然后与两个分开制作的平面板2，4组装在一起。

当燃料元件1的结构(包壳2，4和栅格6)允许使用金属材料时，上述三个实施方式都是可行的：结构2，4，6之间的连接平面的定位要考虑实施是否简单。然而，在全陶瓷质元件的实施方式中，优选在两个子结构(sous structure)之间只使用一个连接平面，并且选择在元件1的中间平面(如图1所示)，也就是说在这个位置上工作时的应力最小；这个选择拓宽了对可使用的陶瓷-陶瓷之间连接方法(钎焊、扩散焊、用陶瓷前体的粘接等)的选择。

根据一个对满足快速中子流工作条件、高载热体温度以及在GFR中的高能量密度非常有利的实施方式，燃料芯块10呈直径11.18mm、高4.9mm、端部(至少30μm的中间拱高)具有弧形16的圆柱体；这些芯块用(U，Pu)C并按照孔隙率为15％的标准工艺制成。

当然，给定的数值只作为示例，应该考虑其通常的误差范围。

由此，燃料元件1是用制备自单片陶瓷(如SiC)或含纤维复合物(如SiC-SiCf)的包壳2，4，6设计而成，其总厚度为7mm。它由两个相同的半元件组装而成，每个半元件包含一个厚1mm的平面基板2，4和一个高2.5mm的网6，6’，该网用小室8以14mm的间距形成蜂窝结构栅格、壁的平均厚度为1.3mm。这两个半元件通过钎焊(适合陶瓷和该温度范围的方法)、扩散焊或粘接组装起来。

这些小室被装入大气压的氦气。芯块10和包壳2，4之间的轴向间隙12为100μm，径向间隙14(在六边形的平底之间)为760μm：芯块10和包壳2，4，6(不算燃料孔隙的体积)之间的初始自由空间占燃料芯块体积的47％。

在使用金属薄片18的情况下，其厚度(25至100μm之间)被包含在小室8的壁6和包壳2，4的厚度之中：例如，当金属薄片的厚度为100μm时，壁的厚度要从1.3mm调整至1.1mm。薄片可以由半耐火金属合金构成，如钨，钼，铌等。

另外，钛或锆的碳化物可以替代碳化硅；也可以考虑三元碳化物，或钛或锆的氮化物，尤其是对于氮化燃料，如UPuN。

在这种结构中，燃料在板的中央复合堆芯中所占的体积分数为56％。

板2，4是尺寸约为120×250mm的矩形。这些元件1在反应堆堆芯中的布置提供了裂变相在反应堆环境中22.4％的体积分数，此为GFR堆芯的工作所必需。

在2400MW GFR的工作条件下分析了元件1的性能，在堆芯中的平均能量密度为100MW/m³，输出的载热体的温度为850℃，以及燃料燃烧率至少为10％原子。用CAST3 M有限元软件(le codeaux éléments finis)分析了单元小室在能够确定尺寸的所有工作情况下的热机械性能：正常工作和停止运转状态下(没有载热体压力而回到等温冷却状态)，出现能量快速变化的情况(10％能量的增长)，以及载热气体慢速或快速漏出的意外情况。

这项研究如下进行：

1)基于这样的小室，它具有在堆芯中(在堆芯中心的最大流量的平面中)的最大能量密度值，即670MW/m³，且板表面的外部温度达872℃，

2)针对这样的小室，它们在沿着堆芯中部的轴向剖面上有不同的工作条件(在经过最大流量平面过程中从进入堆芯到离开堆芯变化的条件)。

结果显示，对于达到10％原子的正常工作，同时假设裂变气体释放率是燃料(U-Pu)C的10％：

i.使用寿命结束时在最大装载的小室8中的内压(6.2MPa)只是接近载热体的外压值(7MPa)。因此单元8的元件1在整个使用寿命期间以低于外压的内压工作，这有利于板和芯块之间的半(准)接触(其有利效果将在后文中阐述)。

ii.整个寿命期间的轴向间隙12被芯块10和包壳2，4间的相互作用所修正，该相互作用引起:

○在辐射过程中燃料10的温度的调节(如果假设能量密度是恒定的，则燃料最高温度在50℃范围内变化并保持低于1300℃)；轴向间隙12的逐渐闭合抵消了在裂变气体释放过程时气体传导性的逐渐损失，

○燃料10直径的扩张(通过膨胀的各向异性和蠕变)，伴随小室8一定程度的很弱的轴向变形(在板厚44μm的小室环境中的最大变形)，

○结构中产生的较小的应力，不论是包壳2，4上的弯曲应力还是连接面6，6’中的拉伸(张)应力，都保持小于10MPa。

iii.没有径向间隙14的修正、使用寿命结束时的剩余间隙、及其由能够使小室8的隔壁6与燃料芯块10热隔离的裂变气体所导致的传导性的逐渐降低。由于该隔壁6的平均温度与包壳2，4相同，所以蜂窝结构6和两个板2，4之间没有差异变形(扩张或膨胀)。

在芯块10和包壳2，4之间存在相互作用的情况下，能量密度快速增长10％的模拟显示出：包壳较小的抗弯刚度能够适应芯块10瞬间强加在小室8上的变形而没有显著的额外应力。

同样，在所考虑的停止运行状态和减压事故中，外压的损失(其使元件1的小室8出于内部过压)引起小室的结构2，4，6被施加可接受的应力：在快速减压的情况下，包壳适当弯曲并且连接平面被施加最大值为24MPa的张力。

该研究显示出，工作中的单元8的结构2，4，6中相当一部分应力是由热扩张和膨胀局部地施加在厚度、纵向(长度)或者在子(亚)结构之间的变形负荷引起的。这些应力可以在辐射过程中通过蠕变(辐射蠕变和热蠕变)得到缓解。应力的大小也直接取决于所使用材料的物理和机械性能。

使用模数 $M=\frac{E\×\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}\×(1-v)}$ 来选择那些借助低M数值将这些负荷最小化的材料，其中E是杨氏模数，α是热膨胀系数，λ是热传导率，υ是Poisson比率。作为实施例，下面的表格给出了1000℃时对于Nb-1Zr-C金属包壳和SiC-SiCf复合陶瓷包壳的M值。

1000℃时的性能	Nb-1Zr-C	SiC-SiCf
			E(GPa)	84	192
α(10-6/K)	7.185	4
			λ(W/m·K)	61.16	10
υ	0.4	0.18
			M	16.645	93.66

这样，根据本发明的燃料元件在满足GFR的技术要求的同时，还表现出它相比现有的元件能够覆盖更广范围的工作条件和性能，对于任何堆型：

●由于复合板式结构的缘故，可以实现复合体1中高于50％燃料填充密度(US3855061只能达到25％)，

●能够提供与现有的RNR元件和HTR球体同样好的对裂变气体的密封，并且，由于以较小的刚度阻止一个方向AA上的变形(优于RNR元件阻止燃料两个方向上的变形以及HTR球体阻止三个方向)，可以在不产生破裂的前提下适应芯块10/包壳2，4，6间的相互作用，

●通过调节燃料堆芯的最高温度可以提供向载热体的热交换，

●使用陶瓷结构(单片或带纤维的复合体)材料或耐火金属材料能够高性能地工作(高的温度，燃烧率好能量密度)，同时用较小的应力来适应所产生的变形负荷。

这种板式元件能够应用在其它堆型中(实验反应堆，热中子反应堆，快中子反应堆，尤其是高温热中子反应堆)。通常使用在这些应用中的包壳/燃料材料对事实上可以直接改换成根据本发明的大结构板式元件的设计：因为蜂窝结构所要求的热力、化学、机械等工作条件与常用包壳相同，所以暗示同样的材料是可以使用的。

因此本发明所设计的复合板式燃料元件能够：

-获得和快速中子流兼容的大的堆芯密度，复合体的六边形网格蜂窝结构可以使燃料填充的体积分数达到50％以上，

-使用在标准工艺中制成的燃料芯块(如UO2，UO-PuO2，UC，(U，Pu)C，UN，(U，Pu)N等)填充小室，

-借助芯块和基体之间的间隙所形成的扩张空间来限制小室中燃料释放的裂变气体的内压，该扩张空间约占燃料芯块体积的1/2，这提供高质量的核燃烧(燃耗)，

-减少在小室失去密封性的情况下，可能盐析在载热体中的裂变气体的量，每个小室在其端部被包壳封闭，形成一个密封的小室，

-调节燃料和小室结构之间的差异变形(热扩张和膨胀)，板式元件很小的变形不再损害元件之间冷却流的分布，

-用厘米级大小的小室和毫米级包壳和壁(voile)的厚度来优化小室的尺寸(不是六边形网络)，这是为了：

○确保向载热体进行的热传递，更优选通过芯块端部

○获得结构材料中平均温度的均一性，

○调节封闭这些小室的包壳的抗弯刚度，

○将小室结构中产生的应力最小化(为此对材料的选择也起作用，使热扩张和膨胀产生的变形负荷最小化，作为选择标准，要寻求最小的模量 $M=\frac{E\×\mathrm{\α}}{\mathrm{\λ}\×(1-v)}$ 使小室性能达到最佳状态)，

-通过设置用以提供热传递的芯块/包壳之间的逐渐接触来调节燃料在整个寿命期的最高温度，

-能够在所有类型的反应堆(快中子反应堆或热中子反应堆)中工作，其中燃料的能量密度能达到几百MW/m³，板的结构材料(金属的)适合工作温度及载热体和燃料的性能，

-能够通过全陶瓷质(单片或用纤维加固)元件在高温快速或热反应堆中工作，

-增加一个薄片形式或沉积层形式的耐火金属部件，以保证高温反应堆中燃料的密封性，从而预防陶瓷的密封质量不佳。

Claims (17)

1.核燃料元件(1)，包括：

-第一板(4)，与所述第一板(4)连为一体并具有多个壁以形成分开的小室(8)的网(6)，以及至少一个包括两个相对侧面并且在它的两个相对侧面之间沿着轴线(AA)延伸的核燃料芯块(10)，其中所述芯块(10)被放置在小室(8)中，在所述小室的壁和所述芯块(10)之间有径向间隙(14)，芯块(10)的所述轴线(AA)与小室(8)的所述壁大致平行，

-与所述网(6)连接的第二平板(2)，与所述第一板(4)平行相对以封闭所述小室(8)。

2.核燃料元件(1)，包括：

-第一板(4)，与所述第一板(4)连为一体并具有多个壁以形成分开的小室(8)的网(6)，以及至少一个包括两个相对侧面并且在它的两个相对侧面之间沿着轴线(AA)延伸的核燃料芯块(10)，其中所述芯块(10)被放置在小室(8)中，在所述小室的壁和所述芯块(10)之间有径向间隙(14)，芯块(10)的所述轴线(AA)与小室(8)的所述壁大致平行，

-第二板，所述第二板包含一个与所述第一板(4)的网(6)互补的外凸的网(6’)，与所述第一板(4)的网(6)连为一体，以封闭所述小室(8)。

3.根据权利要求1或2所述的元件，其中所述网(6)的所述壁在与所述第一板(4)平行的方向上具有相同厚度。

4.根据权利要求1或2所述的元件，其中所述网(6)用与所述第一板(4)成一体的方式制造。

5.根据权利要求1所述的元件，在每个封闭的小室(8)中具有一个核燃料芯块(10)，该芯块(10)沿一轴线(AA)延伸在它的两个相对侧面之间，并留有径向间隙(14)。

6.根据权利要求5所述的元件，其中每个封闭的小室(8)都被填充氦气。

7.根据权利要求1所述的元件，其中所述核燃料芯块(10)的裂变相占所述元件(1)体积的20％以上。

8.根据权利要求1所述的元件，其中在每个小室(8)中由所述间隙(12，14)所产生的剩余空间占放置在其中的芯块(10)体积的至少40％。

9.根据权利要求1或2所述的元件，其中每个芯块(10)被置于所述小室(8)中，并另外留有轴向间隙(12)。

10.根据权利要求9所述的元件，其中所述芯块(10)的相对侧面中的至少一个呈向外凸起的形状，以便在调节所述轴向间隙(12)之后将面对所述芯块的所述相对侧面的板(2，4)上的相对应力水平最小化。

11.根据权利要求1或2所述的元件，其中所述网(6)是一个六边形小室(8)的蜂窝结构。

12.根据权利要求1或2所述的元件，其中所述板(2，4)和所述网(6)由相同的耐火材料，金属或陶瓷构成。

13.根据权利要求12所述的元件，其中所述板(2，4)和所述网(6)由陶瓷构成。

14.根据权利要求13所述的元件，其中所述陶瓷是SiC。

15.根据权利要求14所述的元件，其中所述陶瓷是含纤维的。

16.根据权利要求13所述的元件，另外包含一个包覆在每个小室(8)的壁上的金属层(18)。

17.根据权利要求1或2所述的元件，其中每个芯块(10)都具有围绕其轴线(AA)旋转的相同圆柱体的形状。

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