CN110752043B - 一种环形全陶瓷容错事故燃料元件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂、第一层包壳、内气隙、第二层包壳、芯块、第三层包壳、外气隙和第四层包壳；所述芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳、第二层包壳、第三层包壳和第四层包壳为陶瓷材料，内气隙和外气隙由惰性气体组成。在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这种配置可以提升单位体积内总的颗粒燃料，从而避免过慢化的情况以及提升功率密度，进一步提升装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的经济性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及核工程领域，具体涉及一种环形全陶瓷容错事故燃料元件。
背景技术
现有的三代核电例如美国研发的AP1000核电站、欧盟研发的EPR核电站、我国研发的华龙一号核电站等，都采用传统的实心燃料元件。这些实心燃料元件的优点是制作工艺成熟，利于加快生产速度，缺点则是传热性能有待提升。与实心燃料元件不同的是，采用环形燃料元件的反应堆不仅能够提高整个堆芯的功率密度，还能够提升燃料元件本身的传热性能。因此，环形燃料元件正在被大量研究，然而现有的环形燃料元件相对于现有的实心燃料元件而言，仅仅在燃料元件的中心位置开砸了水洞利于换热，却并未解决锆包壳与高温水反应释放出易爆气体氢的问题。因此，现有的环形燃料元件仍存在安全隐患，为解决这现有环形燃料元件释氢这一难题，本发明提出一种采用环形全陶瓷容错事故燃料元件。本发明提出的环形全陶瓷容错事故燃料元件即能通过减少释氢来提升核电站安全性，又能通过提升堆芯功率密度来提升核电站经济性。
发明内容
为了提升核电站的安全性和经济性，本发明提供了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件。
本发明的目的可以通过如下技术方案之一实现。
本发明提供了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂、第一层包壳、内气隙、第二层包壳、芯块、第三层包壳、外气隙和第四层包壳；所述芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳、第二层包壳、第三层包壳和第四层包壳为陶瓷材料，内气隙和外气隙由惰性气体组成。
优选地，所述芯块为颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料。
优选地，所述惰性气体为氦气。
优选地，所述陶瓷材料为SiC。
优选地，所述内部冷却剂为高温高压水。
优选地，颗粒型全陶瓷微胶囊封装燃料的直径为323至957微米。
优选地，颗粒型全陶瓷微胶囊封装燃料包括体积大的颗粒燃料和体积小的颗粒燃料，体积大的颗粒燃料直径为657至957微米；体积小的颗粒燃料直径为323至523微米。
优选地，所述体积小的颗粒燃料位于体积大的颗粒燃料之间的间隙中。
为了保证放射性物质在芯块中的密封效果，环形全陶瓷容错事故燃料元件的芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，将颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料弥散至碳化硅基体材料中。这样使得全陶瓷微胶囊封装燃料本身作为一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，而碳化硅基体材料又可以作为另外一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，这样的双重防护大大地提升了严重事故下放射性物质从核燃料中释放出来，从而降低了发生严重事故的后果。由于环形燃料元件具备内部冷却剂，而这些冷却剂同样起到了中子慢化作用，为了避免过慢化，需要提升总的颗粒燃料的数目，在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这样体积较小的颗粒燃料可以在较大的颗粒燃料之间的间隙中，从而使得单位基质体积内弥散的颗粒燃料的数目增加。
为了获得装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的高保真全堆共振参数，本发明采用基于插值策略的超细群共振方法进行共振计算，计算过程如式(1)所示。由于碰撞概率随宏观总截面的变化较为平缓，没有非常急剧的上下波动，因此可以采用如下插值策略：
上式中：g′+1<g，k表示共振区任何一个区域的编号，Σk,g为k区域第g群总截面，Σk,g′为k区第g′群总截面，Σk,g′+1为g′+1群总截面，Pji(g)为第g群中子从j区域到i区域的碰撞概率，Pji(g′)为第g′群中子从j区域到i区域的碰撞概率，Pji(g′+1)为第g′+1群中子从j区域到i区域的碰撞概率。
结果分析：在插值碰撞概率方法中，由于超细群慢化方程的求解是从高能到低能依次求解的，在求解第g个超细群慢化方程所需要的碰撞概率前先判断这一个超细群的区域k的宏观总截面是否在前面已经求解完的两个超细群的k区域的宏观总截面之间。如果处于前面已经求解完的两个超细群的k区域的宏观总截面(例如g′、g′+1)之间，则通过式(1)插值得到碰撞概率，而不需要再求解碰撞概率，这样可以大幅地减少计算时间，否则需要求解g群的碰撞概率。总的结果是超细群共振计算速度时间减少20％以上。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，和现有的采用烧结二氧化铀燃料作为芯块的环形燃料元件相比，本发明采用全陶瓷容错事故燃料能够有效减少氢的产生，从而减小了严重事故的后果，提升了装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的安全性。此外，本发明提出在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这种配置可以提升单位体积内总的颗粒燃料，从而避免过慢化的情况以及提升功率密度，进一步提升装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的经济性和安全性。
附图说明
图1为本发明实施例环形全陶瓷容错事故燃料元件截面图；
1-内部冷却剂、2-第一层包壳、3-内气隙、4-第二层包壳、5-芯块、6-第三层包壳、7-外气隙、8-第四层包壳。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，如图1所示，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂1、第一层包壳2、内气隙3、第二层包壳4、芯块5、第三层包壳6、外气隙7和第四层包壳8；所述芯块5采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳2、第二层包壳4、第三层包壳6和第四层包壳8为陶瓷材料，内气隙3和外气隙7由惰性气体组成。
所述芯块5为颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料。
所述惰性气体为氦气。
所述陶瓷材料为SiC。所述内部冷却剂1为高温高压水。
为了保证放射性物质在芯块中的密封效果，环形全陶瓷容错事故燃料元件的芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，将颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料弥散至碳化硅基体材料中。这样使得全陶瓷微胶囊封装燃料本身作为一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，而碳化硅基体材料又可以作为另外一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，这样的双重防护大大地提升了严重事故下放射性物质从核燃料中释放出来，从而降低了发生严重事故的后果。由于环形燃料元件具备内部冷却剂，而这些冷却剂同样起到了中子慢化作用，为了避免过慢化，需要提升总的颗粒燃料的数目，在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这样体积较小的颗粒燃料可以在较大的颗粒燃料之间的间隙中，从而使得单位基质体积内弥散的颗粒燃料的数目增加。本实施例中，体积较大的颗粒燃料直径为657微米至957微米，体积较小的燃料颗粒直径为323微米至523微米。
为了获得装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的高保真全堆共振参数，本发明采用以下具体方法：由于在超细群共振计算中，需要划分的超细群数目很多，计算量本身就很大。如果再考虑碰撞概率的计算需要进行积分，需要对区域进行细分并使用高斯积分进行求解，导致计算量进一步增加。不仅如此，由于碰撞概率的计算是与区域总截面与区域几何划分相关的，于是需要对每一个超细群求解对应的碰撞概率。而且，为了精细计算高保真共振自屏截面，需要对环形全陶瓷容错事故燃料进行更进一步细分，随着燃料内区域数目增加，导致求解的区域与区域间碰撞概率的个数会有明显的增加，这也将导致计算量的进一步增加。因此，需要采用合适的加速策略。本发明采用在线插值碰撞概率方法对超细群共振计算开展加速。
由于碰撞概率随宏观总截面的变化较为平缓，没有非常急剧的上下波动，因此可以采用如下插值策略：
上式中：g′+1<g，k表示共振区任何一个区域的编号，Σk,g为k区域第g群总截面，Σk,g′为k区第g′群总截面，Σk,g′+1为g′+1群总截面，Pji(g)为第g群中子从j区域到i区域的碰撞概率，Pji(g′)为第g′群中子从j区域到i区域的碰撞概率，Pji(g′+1)为第g′+1群中子从j区域到i区域的碰撞概率。
考虑到在超细群共振计算当中碰撞概率的计算花费时间最多，因此在针对碰撞概率的计算进行加速是有明显价值的。当在确定几何划分的情况下，碰撞概率只与每个区域的宏观总截面有关。因此，当只存在一种共振材料且共振材料内温度为一定值时，无论将共振材料划分为多少个子区域，区域与区域之间的碰撞概率只有共振材料内任何一个区域的宏观总截面有关。而且由于在共振区宏观总截面随能量的变化是上下起伏的，因此并不需要对每个超细群都计算一次碰撞概率，而是可以通过先计算部分宏观总截面下的碰撞概率，然后通过在线插值的方法获得其他宏观总截面下的碰撞概率。由于碰撞概率随宏观总截面的变化较为平缓，没有非常急剧的上下波动，因此可以针对碰撞概率采用插值策略对超细群共振计算进行加速。
以上所述，仅为本发明较佳的实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，其特征在于，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂、第一层包壳、内气隙、第二层包壳、芯块、第三层包壳、外气隙和第四层包壳；所述芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳、第二层包壳、第三层包壳和第四层包壳为陶瓷材料，内气隙和外气隙由惰性气体组成；所述芯块为颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料；颗粒型全陶瓷微胶囊封装燃料包括体积大的颗粒燃料和体积小的颗粒燃料，体积大的颗粒燃料直径为657至957微米；体积小的颗粒燃料直径为323至523微米，所述体积小的颗粒燃料位于体积大的颗粒燃料之间的间隙中；所述陶瓷材料为SiC。
2.根据权利要求1所述的环形全陶瓷容错事故燃料元件，其特征在于，所述惰性气体为氦气。
3.根据权利要求1所述的环形全陶瓷容错事故燃料元件，其特征在于，所述内部冷却剂为高温高压水。
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