CN102298977A - 核燃料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及核燃料，具体地，一种核燃料组合物包括核裂变材料和中子吸收材料，所述中子吸收材料毗连所述核裂变材料。所述核燃料组合物可用于例如热反应堆的核反应堆中。

Description

核燃料
技术领域
本公开涉及核燃料组合物，用于使得该燃料固有地处于亚临界。
背景技术
紧凑性核反应堆可用在诸如航空航天飞行器之类的交通工具中，作为动力装置来推进该交通工具和/或使交通工具的操作系统运转。如果交通工具发生事故，反应堆可能失去冷却并且变得暴露于外来材料，例如水、沙或其他物质。在这种情况下，当前的用于热反应堆和超热反应堆的核裂变燃料将预期会达到核临界状态。因此，在交通工具中使用热反应堆和超热反应堆受到限制。
发明内容
一种示例性核燃料组合物包括核裂变材料和中子吸收材料，所述中子吸收材料毗连所述核裂变材料。所述核燃料组合物可用于例如热反应堆的核反应堆中。
一种使得核燃料固有地处于亚临界的示例性方法包括：由核裂变材料和中子吸收材料形成核燃料，所述中子吸收材料毗连所述核裂变材料。所述中子吸收材料的中子吸收能量范围与来自所述核裂变材料的中子的热能量范围重叠，以使得所述核燃料固有地处于亚临界。
附图说明
通过以下具体实施方式，本领域技术人员将会明白所公开示例的各种特征和优点。具体实施方式的附图可简要介绍如下。
图1A示出了一种示例性核燃料，其包括与中子吸收材料混合的核裂变材料。
图1B示出了对于几种示例性中子吸收材料而言的每中子能量分布的吸收截面与中子能量的关系。
图2示出了另一种示例性核燃料，其包括具有中子吸收材料的核裂变材料，该中子吸收材料作为涂覆层。
图3示出了另一种示例性核燃料，其包括具有中子吸收材料的核裂变材料，该中子吸收材料作为包层上的涂覆层。
图4示出了一种示例性核反应堆。
具体实施方式
图1A示意性地示出了一种示例性核燃料20，其可用于诸如超热反应堆或热反应堆之类的核反应堆中，用于交通工具、航空航天应用或其他用途。如将要描述的，核燃料20的组合物使得该燃料固有地处于亚临界，使得如果发生事故将反应堆的芯部暴露于外部物质（例如水和沙），该燃料仍然保持亚临界。作为一个示例，当前的美国航空航天核安全态度要求反应堆在事故中保持亚临界，这已在快反应堆中实现，但是在热反应堆或超热反应堆中未实现。
核燃料20的组合物包括核裂变材料22和中子吸收材料24，中子吸收材料24毗连核裂变材料22以使得该燃料固有地处于亚临界。也就是说，中子吸收材料24与核裂变材料22接触或者直接邻接，这有助于从核裂变材料22吸收中子。
核裂变材料22可以是多种不同类型裂变材料中的任一种。例如，核裂变材料22可以是铀基材料，例如氢化铀或氧化铀。在一个示例中，核裂变材料22是氢化铀锆（UZrHx）并且其与纳钾冷却剂（例如NaK-78）组合地使用。在这种情况中，中子吸收材料24可以是氢化物。
核燃料20的组合物可仅仅包括小量和有效量的中子吸收材料24，以避免对核裂变材料22的反应性产生抑制。例如，基于中子吸收材料24和核裂变材料22的总的组合重量，核燃料20可包括小于等于0.5 wt％的中子吸收材料24。在一些示例中，小于等于0.1 wt％的中子吸收材料24对于实现固有的亚临界性是有效的，在进一步的示例中，需要小于等于0.05 wt％的中子吸收材料24来实现固有的亚临界性。对于氢化铀类型的核裂变材料，小于等于0.05 wt％的量可能是有效的。
中子吸收材料24可以是几种元素的组合。例如，中子吸收材料24可包括钐和稀土元素，例如钆。钐和钆充当中子吸收剂。然而，在量很大时，钆破坏了核裂变材料22的反应性的负温度系数。因此，钐充当一部分钆的替代物。也就是说，钐的中子吸收能量峰（截面）与来自核裂变材料22的中子的热能量范围（例如约0.025 eV的范围中）至少部分地重叠（见图1B）。因此，钐充当钆之外的有效的中子吸收剂，而避免了破坏核裂变材料22的反应性的负温度系数。
中子吸收材料24的组合物可包括25 wt％-75 wt％的钐以及其余的稀土元素。虽然所公开的是钆，但所构想的是，其他稀土元素也可能是有用的。在进一步的示例中，中子吸收材料24的组合物可包括30 wt％-40 wt％的钐以及其余的钆，或者甚至35 wt％-38 wt％的钐以及其余的钆。钐的35 wt％-38 wt％的量提供了钐的中子吸收性质的期望平衡，而没有可能破坏裂变反应性的高水平的钆。
在所示的示例中，中子吸收材料24与核裂变材料22混合，以形成作为核燃料20的组合物。在这种情况中，中子吸收材料24相对均匀地分散在核裂变材料22中。使用用于将其他添加剂（例如减速剂）与裂变材料混合的相同技术来将中子吸收材料24与核裂变材料22混合。然后，核燃料20可以以已知方式设置成丸料（pellet）形式，以用于核反应堆中。
图2示出了核燃料20的一种修改的示例。在该公开中，如果适当的话，类似地附图标记表示类似的元件，并且，加上一百或几百的附图标记表示修改的元件，其被理解为包含了与对应原始元件相同的特征和益处。在这种情况中，中子吸收材料124被设置为核裂变材料122上的涂覆层。例如，核裂变材料122可以是丸料，其在外围表面的一部分或全部上涂覆有中子吸收材料124。
中子吸收材料124可通过气相沉积或其他合适方法来沉积。另外，中子吸收材料124的涂覆层的厚度可被控制成使得根据重量百分比，核燃料120所包括的中子吸收材料124的量如上面参照图1描述的。
图3示出了核燃料220的另一示例，其有些类似于图2的示例。在这种情况中，核裂变材料222被容纳在空心包层226中。中子吸收材料224被设置在空心包层226的内表面228上，使得中子吸收材料224毗连核裂变材料222的外周围表面，核裂变材料222可被设置为空心包层226中的丸料。作为一个示例，中子吸收材料224可通过气相沉积而沉积到空心包层226的内表面228上，或者以与载体溶剂的混合物的形式“喷涂”在内表面228上，该载体溶剂蒸发以留下中子吸收材料224。
图4示出了一种示例性核反应堆340，其可采用核燃料20、120或220。核反应堆340被示出具有核燃料20。然而，应当理解的是，也可替代地使用核燃料120或220。核反应堆340是例如航空航天飞行器中使用的热反应堆。核燃料20位于减速剂342中。核燃料20和减速剂342被容纳在容器344中，容器344可防止辐射泄漏。冷却剂系统346使冷却剂（例如水或NaK-78）循环通过容器344的芯部，以加热冷却剂，以便下游使用，例如用于发电。控制棒348可用于以已知方式调节功率输出。另外，取决于具体的实施方式，也可使用其他部件，例如反射器。
虽然在所说明的示例中示出了特征的组合，但并不是所有这些特征需要组合在一起以实现本公开的各种实施例的益处。换句话说，根据本公开一个实施例设计的系统将不必包括任一附图中示出的所有特征或者附图中所示意性示出的所有部分。而且，一个示例性实施例的选定特征可与其他示例性实施例的选定特征相组合。
前面的描述在本质上是示例性的而非限制性的。在不必偏离本公开实质的情况下，本领域技术人员可明白对于所公开示例的变化和修改。给予本公开的法律保护范围仅可通过研究所附权利要求而确定。

Claims (20)

1.一种核燃料组合物，包括：
核裂变材料；和
中子吸收材料，其毗连所述核裂变材料。
2.如权利要求1所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括钐。
3.如权利要求2所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括25 wt％-75 wt％的钐以及其余的稀土元素。
4.如权利要求3所述的核燃料组合物，其中，所述稀土元素是钆。
5.如权利要求3所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括30 wt％-40 wt％的钐。
6.如权利要求3所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括35 wt％-38 wt％的钐。
7.如权利要求1所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括所述核裂变材料和所述中子吸收材料的组合重量的小于等于0.5 wt％。
8.如权利要求7所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括所述组合重量的小于等于0.1 wt％。
9.如权利要求7所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料包括所述组合重量的小于等于0.05 wt％。
10.如权利要求1所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料分散在所述核裂变材料中。
11.如权利要求1所述的核燃料组合物，其中，所述中子吸收材料是设置在所述核裂变材料的丸料上的涂覆层。
12.如权利要求1所述的核燃料组合物，其中，所述核裂变材料包括氢化铀锆（UZrHx）并且所述中子吸收材料包括钐。
13.一种核反应堆，包括：
核裂变材料；和
中子吸收材料，其毗连所述核裂变材料。
14.如权利要求13所述的核反应堆，其中，所述中子吸收材料分散在所述核裂变材料中。
15.如权利要求13所述的核反应堆，其中，所述中子吸收材料是设置在所述核裂变材料的丸料上的涂覆层。
16.如权利要求13所述的核反应堆，进一步包括空心包层，所述空心包层容纳所述核裂变材料，并且所述中子吸收材料是设置在所述空心包层的内表面上的涂覆层。
17.一种使得核燃料固有地处于亚临界的方法，包括：
由核裂变材料和中子吸收材料形成核燃料，所述中子吸收材料毗连所述核裂变材料，并且所述中子吸收材料的中子吸收能量范围与来自所述核裂变材料的中子的热能量范围重叠，由此使得所述核燃料固有地处于亚临界。
18.如权利要求17所述的方法，包括将所述中子吸收材料分散在所述核裂变材料中。
19.如权利要求17所述的方法，包括：相对于所述核裂变材料和所述中子吸收材料的组合重量，将小于等于0.5 wt％的中子吸收材料分散在所述核裂变材料中。
20.如权利要求17所述的方法，包括将所述中子吸收材料沉积为涂覆层。
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