CN106158053A - 一种燃料元件、其制备方法及其用途 - Google Patents

一种燃料元件、其制备方法及其用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃料元件、其制备方法及其用途。本发明的燃料元件，所述的燃料元件为球体，由内而外依次为同心的无燃料层、燃料层和外壳层；所述的无燃料层为体密度为0.5～1.2g/cm3、抗压强度为40～90MPa的球形的酚醛树脂基泡沫炭；所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面具有槽。该燃料元件体密度可调，在设计参数相同时、体密度更低，在体密度相同时、重金属装载量更高，无燃料层与燃料层间的界面结合紧密，且具有外壳层结构致密，能够防止熔盐浸渗等优点，可用于反应堆；该制备方法简单，成本较低。

Description

一种燃料元件、其制备方法及其用途
技术领域
本发明涉及一种燃料元件、其制备方法及其用途。
背景技术
燃料元件是反应堆的核心部件。燃料元件的质量是反应堆安全、高效运行的基础。燃料元件设计的直接目标是最有效地生产和导出裂变能，在整个寿命期限内保持包覆材料的完整性，最大限度地约束燃料和放射性裂变产物，保证工作人员和周围环境的安全。根据反应堆对燃料元件的要求和设计准则，以及燃料元件制造的可行性和经济性，合理选材、确定燃料元件的结构和设计参数是燃料元件设计的主要任务。
熔盐堆是第四代反应堆的候选堆型之一。近年来从传统的熔盐堆中衍生出了以熔融盐为冷却剂的反应堆。在这种反应堆中，裂变材料不直接与冷却剂共融，而是包容在燃料元件或燃料组件中。根据堆芯设计的不同，熔盐冷却反应堆的堆芯可以分为球床式和组件式两种。其中，球床型熔盐冷却反应堆采用球形燃料元件，燃料元件在堆芯以规则或随机方式堆积。通过对燃料元件的循环使用，可以使其中的核燃料达到很深的燃耗，具有良好的经济性。
固态熔盐堆的燃料元件工作于高温、强辐照的熔盐环境中，因此，燃料元件所采用的材料必须具有优异的熔盐相容性和机械性能，能承受来自熔盐冲刷和浸渗、循环输送中的摩擦碰撞和堆积自重等方面的载荷。另外，燃料元件中的热应力和辐照产生的应力在反应堆运行过程中是交变的，因此其必须具有较好的耐辐照性和抗热震性。
《高温气冷堆燃料元件》(唐春和，北京：化学工业出版社，2007年)记载了三层结构的燃料元件，其核心不含燃料，为天然石墨粉。其制备方法为：首先采用机加工方式制备石墨空心球，球壳直径60mm，壁厚10mm。球壳加工时在球壳上预留一个螺纹孔，通过螺纹孔向石墨壳内注入一定量的包覆燃料颗粒、石墨粉和粘结剂的混合浆料。将其放在专用机器上转动，待干燥后装入足够量的天然石墨粉，压实后堵上带粘结剂的螺纹塞，然后经表面修整后进行热处理，即得。但该燃料元件密度大、装载量低，且制备方法繁琐。
因此，研发密度可控(装燃料后体密度接近熔盐密度)、层次功能化、功率密度大、熔盐相容性好和机械性能优异的燃料元件，是固态熔盐堆领域中亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服现有的燃料元件体密度大、熔盐相容性较差、制备方法繁琐等缺陷，而提供了一种燃料元件、其制备方法及其用途，该燃料元件体密度可调，在设计参数相同时、体密度更低，在体密度相同时、重金属装载量更高，无燃料层与燃料层间的界面结合紧密，且具有外壳层结构致密，能够防止熔盐浸渗等优点；该制备方法简单，成本较低。
本发明提供了一种燃料元件，所述的燃料元件为球体，由内而外依次为同心的无燃料层、燃料层和外壳层；
所述的无燃料层为体密度为0.5～1.2g/cm3、抗压强度为40～90MPa的球形的酚醛树脂基泡沫炭；所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面具有槽；
所述的燃料层包括包覆燃料颗粒和基体材料，所述的基体材料为基体石墨粉和/或中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料；以质量百分比计，所述的基体石墨粉包括55～65％天然鳞片石墨、15～20％人造石墨和15～25％粘结剂。
本发明中，所述的酚醛树脂基泡沫炭为本领域常规的符合体密度0.5～1.2g/cm3、抗压强度40～90MPa参数的酚醛树脂基泡沫炭。
其中，所述的酚醛树脂基泡沫炭的制备方法可为本领域常规的制备方法，例如，根据体密度要求，合理选择热固性或热塑性酚醛树脂原料(纯度为核纯)，控制固化温度和发泡压力，在球形模具内一次性成球，并将得到的酚醛树脂基泡沫碳前驱体进行炭化；较佳地如Preparation of phenolic-basedcarbon foam with controllable pore structure and high compressive strength，S.Lei et al.，Carbon 48(2010)2644-2646记载的酚醛树脂基泡沫炭的制备方法所述；更佳地包括下述步骤：
(a)在惰性气体氛围中，将酚醛树脂和六次甲基四胺的乙醇溶液发泡；
(b)在惰性气体氛围中，将步骤(a)所得的物质固化，得到酚醛树脂基泡沫碳前驱体；
(c)将所述的酚醛树脂基泡沫碳前驱体炭化，得到酚醛树脂基泡沫炭即可。
在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂和所述的六次甲基四胺的质量比较佳地为9∶1。
在所述的步骤(a)中，所述的乙醇较佳地为无水乙醇。
在所述的步骤(a)中，所述的惰性气体较佳地为氮气。
在所述的步骤(a)中，所述的发泡的压力较佳地为1MPa。
在所述的步骤(a)中，所述的发泡的温度较佳地为180℃。
在所述的步骤(a)中，所述的发泡的时间较佳地为1小时。
在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂较佳地为上海华夏化工材料有限公司生产的酚醛树脂；所述的酚醛树脂的型号较佳地为PF211；所述的酚醛树脂较佳地为粉末状酚醛树脂；所述的酚醛树脂较佳地为热塑性酚醛树脂；所述的酚醛树脂的参数较佳地为分子量690，软化点101℃，熔点97℃，pH值为6，残炭量50wt％，灰度(ppm)为1)。
在所述的步骤(b)中，所述的惰性气体较佳地为氮气。
在所述的步骤(b)中，所述的固化的压力较佳地为常压(例如0.1MPa)。
在所述的步骤(b)中，所述的固化的温度较佳地为300℃。
在所述的步骤(b)中，所述的固化的时间较佳地为2小时。
在所述的步骤(c)中，所述的炭化的温度较佳地为900℃。
其中，所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面的槽较佳地设于所述的酚醛树脂基泡沫炭的经线和/或纬线上。经线方向上，所述的槽的数量可为5-10条，例如8条；纬线方向上，所述的槽的数量可为5-10条，例如8条。
其中，所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面的槽的宽度应适应燃料元件的大小，可为0.5～2.0mm、0.8～1.2mm或1mm。
其中，所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面的槽的深度应适应燃料元件的大小，可为0.5～2.0mm、0.8～1.2mm或1mm。
所述的槽的加工方法可为本领域常规的加工方法，例如机加工。
本发明中，所述的燃料层由包覆燃料颗粒和基体材料组成。
本发明中，所述的包覆燃料颗粒可为本领域常规的包覆燃料颗粒，例如TRISO燃料颗粒(一般而言，其为球体，由内而外分别是同心的燃料核心、热解炭缓冲层、高密度热解炭层、碳化硅层、高密度热解炭层)。所述的包覆燃料颗粒按本领域常规均包含裂变材料。所述的裂变材料可为本领域常规的裂变材料，例如铀、钍、钚的化合物及它们的混合物。所述的“铀、钍、钚的化合物”中的化合物可以是氧化物、碳化物、氮化物等。所述的裂变材料中可掺杂少量中子毒物或可燃毒物，以控制其反应性。
其中，较佳地，所述的包覆燃料颗粒均匀分布于所述的燃料层。
其中，较佳地，所述的包覆燃料颗粒与所述的燃料层的体积百分比(即填充因子)为0％-40％、但不为0％，例如7％-30％。
本发明中，所述的中间相炭微球可为本领域常规的中间相炭微球，较佳地为购自日本Osaka gas company的中间相炭微球。所述的中间相炭微球的参数较佳地为：平均粒径为3.2μm、密度为1.4～1.5g/cm3(例如1.47g/cm3)，近似的碳含量为93wt％-95wt％，氢含量为4wt％-5wt％，热处理期间保持球形不熔融，随热处理温度升高，氢量下降，600℃以下呈中间相结构，600℃以上发生碳质中间相性质和结构的变化，700℃以上变成固体，在500-1000℃期间，密度逐渐由1.5g/cm3增大至1.9g/cm3。
本发明中，所述的基体石墨粉较佳地可包括64％所述的天然鳞片石墨、16％所述的人造石墨和20％所述的粘结剂。所述的基体石墨粉较佳地可由所述的天然鳞片石墨、所述的人造石墨和所述的粘结剂组成。
本发明中，所述的基体石墨粉还可包括中间相炭微球(其含义如前所述)。例如，以质量百分比计，所述的基体石墨粉包括55～65％天然鳞片石墨、5～15％人造石墨、15～25％粘结剂和5～10％中间相炭微球。所述的基体石墨粉较佳地包括64％所述的天然鳞片石墨、10％所述的人造石墨、20％所述的粘结剂和6％所述的中间相炭微球。所述的基体石墨粉较佳地可由所述的天然鳞片石墨、所述的人造石墨、所述的粘结剂和所述的中间相炭微球组成。
其中，所述的天然鳞片石墨可为本领域常规的天然鳞片石墨，较佳地为购于中钢集团新型材料(浙江)有限公司的天然鳞片石墨。所述的天然鳞片石墨的参数较佳地为：松装密度为0.52～0.53g/cm3，粒度D50为19～23μm，水份为0.02％，真密度为2.258～2.275g/cm3。
其中，所述的人造石墨可为本领域常规的人造石墨，较佳地为购于中钢集团新型材料(浙江)有限公司的人造石墨。所述的人造石墨的参数较佳地为：松装密度为0.55g/cm3，粒度D50为18～22μm，水份为0.02％，真密度为2.235～2.258g/cm3。
其中，所述的粘结剂可为本领域常规的粘结剂(即为了提高压坯的强度或防止粉末偏析而添加到粉末中的可在烧结前或烧结过程中除掉的物质)，例如煤焦油、煤沥青、酚醛树脂、环氧树脂、蒽油、中间相沥青和酚醛树脂中的一种或多种，较佳地为中间相沥青和/或酚醛树脂。
所述的中间相沥青可为本领域常规的中间相沥青，较佳地为购自Mitsubishi Gas Chemical Co.的萘基中间相沥青。所述的中间相沥青的参数较佳地为：软化点260℃。
所述的酚醛树脂可为本领域常规的酚醛树脂，较佳地为购自上海华夏化工材料有限公司的酚醛树脂。所述的酚醛树脂的型号较佳地为PF211。所述的酚醛树脂较佳地为粉末状酚醛树脂。所述的酚醛树脂较佳地为热塑性酚醛树脂。所述的酚醛树脂的参数较佳地为：分子量690，软化点101℃，熔点97℃，pH值为6，残炭量50wt％，灰度(ppm)为1。
本发明中，所述的炭化可为本领域常规的炭化，其温度较佳地为600℃～1000℃，例如800℃。
本发明中，所述的纯化可为本领域常规的纯化，其温度较佳地为1850℃～1950℃。
本发明中，所述的外壳层的材料可为本领域常规的外壳层的材料(其一般结构致密、与熔盐冷却剂不浸润、能有效抵抗冷却剂向基体材料中浸渗、热导率较高、具有较好的机械性能，主要作为中子慢化、导热和结构材料)，较佳地为基体材料、金属材料(例如锆合金)或陶瓷材料(例如碳化硅)，更佳地为中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料，和/或，以酚醛树脂为粘结剂的基体石墨粉经炭化、纯化制得的材料。所述的基体材料如前所述。
本发明中，所述的燃料元件的直径可为本领域常规的直径，例如3cm、4cm或6cm。
本发明中，所述的无燃料层、所述的燃料层和所述的外壳层的半径可根据反应堆的物理、工程和热工水力设计要求调整，本领域技术人员可根据经验确定；所述的燃料层的半径是指其最大半径，所述的外壳层的半径是指其最大半径；较佳地其为表A中任一方案：
表A
本发明中，所述的燃料元件的体密度可为本领域常规的体密度，其较佳地小于等于熔盐的密度(例如小于等于1.70g/cm3)。需要说明的是，现有的燃料元件的无燃料层由天然石墨粉经炭化、纯化制得，其密度较大，这使得在设计参数相同时，使用该材料的燃料元件体密度较大；因此，为使燃料元件的体密度适于熔盐反应堆，其燃料层较薄、重金属装载量较低。
本发明还提供了一种上述的燃料元件的制备方法，其包括下述步骤：
(1)在所述的酚醛树脂基泡沫炭外，依次包覆所述的燃料层的原料、所述的外壳层的原料，得到燃料元件坯体；
(2)将所述的步骤(1)制得的燃料元件坯体进行炭化、纯化，得到燃料元件即可。
在所述的步骤(1)中，所述的燃料层的原料可根据经验和相应的燃料层的包覆燃料颗粒和基体材料确定。例如，当所述的燃料层由所述的包覆燃料颗粒和所述的中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料组成时，所述的燃料层的原料为包覆燃料颗粒和中间相炭微球。
在所述的步骤(1)中，所述的外壳层的原料可根据经验和相应的外壳层的材料确定。例如，当所述的外壳层的材料为所述的基体石墨粉经炭化、纯化制得的材料时，所述的外壳层的原料为基体石墨粉。
在所述的步骤(1)中，所述的燃料层的原料的包覆方法和所述的外壳层的原料的包覆方法可独立地为本领域常规的包覆方法，例如准等静压法、化学气相沉积法、化学液相浸渗法等，根据燃料层或外壳层的原料和目标材料，本领域技术人员可根据经验确定适当的包覆方法。
其中，所述的燃料层的原料的包覆方法可为准等静压法。
其中，当所述的外壳层的原料为中间相炭微球和/或基体石墨粉时，所述的外壳层的原料的包覆方法可为准等静压法。
其中，所述的准等静压法可为本领域常规的准等静压法，较佳地为SH(Semihydrostatiche pressverfahren)准等静压法。所述的SH准等静压法的压力可为本领域SH准等静压法常规的压力，可根据燃料层和/或外壳层所需的密度和厚度进行调节，例如100～250MPa。
在所述的步骤(2)中，所述的炭化可为本领域常规的炭化，其温度较佳地为600℃～1000℃，例如800℃。
在所述的步骤(2)中，所述的纯化可为本领域常规的纯化，其温度较佳地为1850℃～1950℃。
本发明还提供了一种上述的燃料元件在反应堆中的应用。所述的“反应堆”可为固态熔盐堆或气冷堆；所述的固态熔盐堆中的熔盐为本领域常规的熔盐，包括但不限于LiF-BeF2，也可以其它类型的氟盐，如KF-ZrF4等。
在不违背本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明中，如无特别说明，术语“中间相炭微球”是指粒径分布在1～100μm，呈球形或椭球型，通过溶剂分离得到的炭微球。
本发明中，如无特别说明，术语“酚醛树脂”是指由苯酚或取代苯酚，与甲醛反应生成的高分子材料。
本发明中，如无特别说明，术语“中间相沥青”是指由重质芳烃类物质在热处理过程中生成的一种由圆盘状或者棒状分子构成的向列型的液晶物质，其原料可以是煤焦油沥青、石油沥青和纯芳烃类物质以及它们的共混体。
本发明中，如无特别说明，术语“人造石墨”是指以粉状的优质煅烧石油焦为主要原料，以沥青作为粘结剂，经混合后将其压制成形，再经2500-3000℃热处理，石墨化后得到的材料。
本发明中，如无特别说明，术语“天然鳞片石墨”是指层状结构的天然石墨。
本发明所用试剂和原料均市售可得。
本发明的积极进步效果在于：该燃料元件体密度可调，在设计参数相同时、体密度更低，在体密度相同时、重金属装载量更高，无燃料层与燃料层间的界面结合紧密，且具有外壳层结构致密，能够防止熔盐浸渗等优点；该制备方法简单，成本较低。
附图说明
图1为燃料元件结构截面示意图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。
本发明实施例中，中间相炭微球购于日本Osaka gas company，其参数为：平均粒径为3.2μm、密度为1.4-1.5g/cm3(例如1.47g/cm3)，近似的碳含量为93wt％-95wt％，氢含量为4wt％-5wt％，热处理期间保持球形不熔融，随热处理温度升高，氢量下降，600℃以下呈中间相结构，600℃以上发生碳质中间相性质和结构的变化，700℃以上变成固体，在500-1000℃期间，密度逐渐由1.5g/cm3增大至1.9g/cm3。
本发明实施例中，天然鳞片石墨购于中钢集团新型材料(浙江)有限公司，其参数为：松装密度为0.52-0.53g/cm3，粒度D50为19-23μm，水份为0.02％，真密度为2.258-2.275g/cm3。
本发明实施例中，人造石墨购于中钢集团新型材料(浙江)有限公司，其参数为：松装密度为0.55g/cm3，粒度D50为18-22μm，水份为0.02％，真密度为2.235-2.258g/cm3。
本发明实施例中，中间相沥青购于Mitsubishi Gas Chemical Co.(三菱瓦斯化学株式会社)，其参数为：软化点260℃。
本发明实施例中，酚醛树脂购于上海华夏化工材料有限公司，其型号为PF211，其参数为：分子量690，软化点101℃，熔点97℃，pH值为6，残炭量50wt％，灰度(ppm)为1。
本发明实施例中，力学性能(抗压强度和抗拉强度)测试采用国标：GB/T13465.2-2002不透性石墨材料试验方法；热导率测试采用激光热导仪(耐驰)；孔径分布测试采用压汞法，国标：GB/T 21650.1-2008压汞法和气体吸附法测定固体材料孔径分布和孔隙率第一部分：压汞法。
本发明实施例中，准等静压法的压力为250MPa。
制备例1球状酚醛树脂基泡沫炭的制备
取酚醛树脂和六次甲基四胺，按质量比9∶1混合，充分溶解于无水乙醇中，制得树脂溶液。将树脂溶液放入高压釜中，通氮气加压至1MPa，然后加热至180℃发泡。恒温1小时后，在180℃温度下，缓慢将反应釜内压力降至常压。进一步加热至300℃，恒温2小时后冷却至室温。将得到的酚醛树脂基泡沫碳前驱体经900℃炭化，得到酚醛树脂基泡沫炭。
通过机加工在所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面开宽度为1mm、深度为1mm的槽，经线方向上有8条槽，纬线方向上有8条槽。
实施例1无燃料层在最内层的燃料元件的制备
(1)采用制备例1制得的密度为0.5-1.2g/cm3、抗压强度为40-90MPa的带槽的酚醛树脂基泡沫炭，并以之为无燃料层(1)；
(2)采用准等静压工艺或涂覆工艺，在无燃料层(1)外均匀包覆燃料层(2)原料；燃料层(2)原料由TRISO颗粒和基体石墨粉混合而成，所述的基体石墨粉为64％的天然鳞片石墨、16％的人造石墨和20％的酚醛树脂，通过混捏、挤条、破碎和筛分等工艺制得的基体石墨粉，得到样品(12)；
(3)采用准等静压工艺，在样品(12)外包压外壳层(3)原料；外壳层(3)原料为64％的天然鳞片石墨、16％的人造石墨和20％的酚醛树脂，通过混捏、挤条、破碎和筛分等工艺制得的基体石墨粉，得到样品(123)；
(4)将步骤(3)得到的样品(123)进行炭化、纯化处理，炭化温度为800℃，纯化温度为1850℃。得到燃料元件即可。如图1所示，1代表无燃料层，2代表燃料层，3代表外壳层。
实施例2制得的直径3cm的燃料元件
参照实施例1的制备方法制得直径3cm的燃料元件，其主要参数见表1：
表1
本实施例单球体密度为1.70g/cm3，体密度比对比例2中的单球体密度小，但每个球的含铀量是对比例2的1.4倍。同时，该酚醛树脂基泡沫炭具有较好耐辐照性和较好的机械性能，其内部具有纳米级(20nm)的孔，具有非常低的热导率，是优异的绝热材料，有利于燃料层的热量向外输运。其外壳层平均孔径为1μm，抗压强度为40MPa。
实施例3制得的直径6cm的燃料元件
参照实施例1的制备方法制得直径6cm的燃料元件，其主要参数见表2。
表2
本实施例单球体密度为1.70g/cm3，体密度比对比例2中的单球体密度小，但每个球的含铀量是对比例2的15倍。
实施例4外壳层掺杂6％中间相碳微球的元件
参照实施例1，本实施例的不同之处在于，在步骤(3)基体粉制备中掺杂6％的中间相碳微球，即外壳层原料为64％的天然鳞片石墨、10％的人造石墨、20％的酚醛树脂和6％的中间相炭微球。
本实施例制得的外壳层平均孔径为500nm，满足熔盐浸渗对孔径的要求，即孔径1μm以下，同时，该外壳层的抗压强度为60MPa。
实施例5外壳层和燃料层均为中间相碳微球的元件
参照实施例1，本实施例的不同之处在于，步骤(2)燃料层的原料采用燃料颗粒与中间相碳微球混合；外壳层原料仅为中间相炭微球一种原料。
本制备方法得到的燃料层基体材料和外壳层，制备过程中无需添加粘结剂，避免了通常制备基体石墨粉的“混捏、挤条、破碎和筛分”等步骤，工艺简单。参照上述制备方法制得的直径3cm的燃料元件，其主要参数见下表3：
表3
本实施例制得的外壳层平均孔径为200nm(压汞法测试)(满足熔盐浸渗对孔径的要求，即孔径1μm以下)，抗压强度为100MPa。
实施例6外壳层为碳化硅的燃料元件
除步骤(3)中采用化学气相沉积或化学液相浸渗的方法制备材质为碳化硅的外壳层(3)外，其余均同实施例1。
实施例7制得的直径3cm的燃料元件
参照实施例6的制备方法制得外壳层为碳化硅的直径3cm燃料元件，其主要参数见表4。
表4
本实施例单球体密度为1.67g/cm3，其体密度比对比例2中的单球体密度小，但每个球的含铀量是对比例2的0.5倍。
实施例8制得的直径6cm的燃料元件
参照实施例6的制备方法制得的外壳层为碳化硅直径6cm燃料元件，其主要参数见表5。
表5
本实施例单球体密度为1.67g/cm3，体密度比对比例2中的单球体密度小，但每个球的含铀量是对比例2的11倍。
对比例1
(1)以体密度为1.59g/cm3的石墨作为无燃料层(1)；
(2)采用准等静压工艺或涂覆工艺，在无燃料层(1)外均匀包覆燃料层(2)原料。燃料层(2)原料由TRISO颗粒和基体石墨粉混合而成，所述的基体石墨粉为64％的天然鳞片石墨、16％的人造石墨和20％的酚醛树脂，通过混捏、挤条、破碎和筛分等工艺制得的基体石墨粉，得到样品(12)；
(3)采用准等静压工艺，在样品(12)外包压外壳层(3)原料；外壳层(3)原料为64％的天然鳞片石墨、16％的人造石墨和20％的酚醛树脂，通过混捏、挤条、破碎和筛分等工艺制得基体石墨粉，获得样品(123)；
(4)将步骤(3)得到的样品(123)进行炭化、纯化处理，炭化温度为800℃，纯化温度为1850℃。得到燃料元件即可。
对比例2制得的直径3cm的燃料元件
参照对比例1的制备方法制得直径3cm的燃料元件，其主要参数见表6。
表6
以上实施例和对比例仅仅是对本发明的具体实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可以做多种修改和变化，在不脱离本发明设计的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种燃料元件，所述的燃料元件为球体，由内而外依次为同心的无燃料层、燃料层和外壳层；
所述的无燃料层为体密度为0.5～1.2g/cm3、抗压强度为40～90MPa的球形的酚醛树脂基泡沫炭；所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面具有槽；
所述的燃料层包括包覆燃料颗粒和基体材料，所述的基体材料为基体石墨粉和/或中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料；以质量百分比计，所述的基体石墨粉包括55～65％天然鳞片石墨、15～20％人造石墨和15～25％粘结剂。
2.如权利要求1所述的燃料元件，其特征在于，所述的酚醛树脂基泡沫炭的制备方法包括下述步骤：
(a)在惰性气体氛围中，将酚醛树脂和六次甲基四胺的乙醇溶液发泡；
(b)在惰性气体氛围中，将步骤(a)所得的物质固化，得到酚醛树脂基泡沫碳前驱体；
(c)将所述的酚醛树脂基泡沫碳前驱体炭化，得到所述的酚醛树脂基泡沫炭即可。
3.如权利要求2所述的燃料元件，其特征在于，在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂和所述的六次甲基四胺的质量比为9∶1；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的乙醇为无水乙醇；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的惰性气体为氮气；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的发泡的压力为1MPa；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的发泡的温度为180℃；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的发泡的时间为1小时；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂的型号为PF211；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂为粉末状酚醛树脂；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；
和/或，在所述的步骤(a)中，所述的酚醛树脂的参数为：分子量690，软化点101℃，熔点97℃，pH值为6，残炭量50wt％，灰度为1ppm；
和/或，在所述的步骤(b)中，所述的惰性气体为氮气；
和/或，在所述的步骤(b)中，所述的固化的压力为0.1MPa；
和/或，在所述的步骤(b)中，所述的固化的温度为300℃；
和/或，在所述的步骤(b)中，所述的固化的时间为2小时；
和/或，在所述的步骤(c)中，所述的炭化的温度为900℃。
4.如权利要求1所述的燃料元件，其特征在于，所述的槽设于所述的酚醛树脂基泡沫炭的经线和/或纬线上；
和/或，所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面的槽的宽度为0.5～2.0mm；
和/或，所述的酚醛树脂基泡沫炭的表面的槽的深度为0.5～2.0mm；
和/或，所述的燃料层由所述的包覆燃料颗粒和所述的基体材料组成；
和/或，所述的包覆燃料颗粒为TRISO燃料颗粒；
和/或，所述的包覆燃料颗粒均匀分布于所述的燃料层；
和/或，所述的包覆燃料颗粒与所述的燃料层的体积百分比为0％-40％、但不为0％；
和/或，所述的中间相炭微球的参数为：平均粒径为3.2μm、密度为1.4～1.5g/cm3，碳含量为93wt％-95wt％，氢含量为4wt％-5wt％；
和/或，所述的中间相炭微球的参数为：热处理期间保持球形不熔融，随热处理温度升高，氢量下降，600℃以下呈中间相结构，700℃以上为固体，在500-1000℃期间，密度由1.5g/cm3增大至1.9g/cm3；
和/或，所述的天然鳞片石墨的参数为：松装密度为0.52～0.53g/cm3，粒度D50为19～23μm，水份为0.02％，真密度为2.258～2.275g/cm3；
和/或，所述的人造石墨的参数为：松装密度为0.55g/cm3，粒度D50为18～22μm，水份为0.02％，真密度为2.235～2.258g/cm3；
和/或，所述的粘结剂为煤焦油、煤沥青、酚醛树脂、环氧树脂、蒽油、中间相沥青和酚醛树脂中的一种或多种；
和/或，所述的基体石墨粉包括64％所述的天然鳞片石墨、16％所述的人造石墨和20％所述的粘结剂；
和/或，所述的基体石墨粉由所述的天然鳞片石墨、所述的人造石墨和所述的粘结剂组成；
和/或，所述的基体石墨粉还包括中间相炭微球；
和/或，所述的炭化的温度为600℃～1000℃；
和/或，所述的纯化的温度为1850℃～1950℃；
和/或，所述的燃料元件的直径为3cm、4cm或6cm；
和/或，所述的无燃料层、所述的燃料层和所述的外壳层的半径为表A中任一方案；
表A
和/或，所述的燃料元件的体密度小于等于1.70g/cm3。
5.如权利要求4所述的燃料元件，其特征在于，经线方向上，所述的槽的数量为5-10条；
和/或，纬线方向上，所述的槽的数量为5-10条；
和/或，所述的包覆燃料颗粒与所述的燃料层的体积百分比为7％-30％；
和/或，所述的中间相沥青为购自三菱瓦斯化学株式会社的萘基中间相沥青；
和/或，所述的中间相沥青的参数为：软化点260℃；
和/或，所述的酚醛树脂的型号为PF211；
和/或，所述的酚醛树脂为粉末状酚醛树脂；
和/或，所述的酚醛树脂为热塑性酚醛树脂；
和/或，所述的酚醛树脂的参数为：分子量690，软化点101℃，熔点97℃，pH值为6，残炭量50wt％，灰度为1ppm；
和/或，以质量百分比计，所述的基体石墨粉包括55～65％所述的天然鳞片石墨、5～15％所述的人造石墨、15～25％所述的粘结剂和5～10％所述的中间相炭微球；较佳地为，所述的基体石墨粉包括64％所述的天然鳞片石墨、10％所述的人造石墨、20％所述的粘结剂和6％所述的中间相炭微球；
和/或，所述的基体石墨粉由所述的天然鳞片石墨、所述的人造石墨、所述的粘结剂和所述的中间相炭微球组成；
和/或，所述的炭化的温度为800℃。
6.如权利要求1所述的燃料元件，其特征在于，所述的外壳层的材料为权利要求1、4和5中任一项所述的基体材料、金属材料或陶瓷材料；较佳地为，为权利要求1、4和5中任一项所述的中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料，或，所述的以酚醛树脂为粘结剂的基体石墨粉经炭化、纯化制得的材料。
7.一种如权利要求1～6中任一项所述的燃料元件的制备方法，其包括下述步骤：
(1)在所述的酚醛树脂基泡沫炭外，依次包覆所述的燃料层的原料、所述的外壳层的原料，得到燃料元件坯体；
(2)将所述的步骤(1)制得的燃料元件坯体进行炭化、纯化，得到燃料元件即可。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，当所述的燃料层由所述的包覆燃料颗粒和所述的中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料组成时，所述的燃料层的原料为包覆燃料颗粒和中间相炭微球；
和/或，当所述的燃料层由所述的包覆燃料颗粒和所述的基体石墨粉经炭化、纯化制得的材料组成时，所述的燃料层的原料为包覆燃料颗粒和基体石墨粉；
和/或，当所述的外壳层的材料为所述的中间相炭微球经炭化、纯化制得的材料时，所述的外壳层的原料为中间相炭微球；
和/或，当所述的外壳层的材料为所述的基体石墨粉经炭化、纯化制得的材料时，所述的外壳层的原料为基体石墨粉；
和/或，在所述的步骤(1)中，所述的燃料层的原料的包覆方法和所述的外壳层的原料的包覆方法独立地为准等静压法、化学气相沉积法或化学液相浸渗法；
和/或，在所述的步骤(2)中，所述的炭化的温度为600℃～1000℃；
和/或，在所述的步骤(2)中，所述的纯化的温度为1850℃～1950℃。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述的准等静压法为SH准等静压法；
和/或，所述的准等静压法的压力为100～250MPa；
和/或，在所述的步骤(2)中，所述的炭化的温度为800℃。
10.一种如权利要求1～6中任一项所述的燃料元件在反应堆中的应用。
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