CN112233820A - 一种反应堆燃料组件及堆芯结构 - Google Patents

一种反应堆燃料组件及堆芯结构 Download PDF

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Abstract

一种反应堆燃料组件及堆芯结构，该堆芯为蜂窝型结构，从径向上分为三区，从内到外分别是两个燃料区，燃料区之外是径向反射层；堆芯轴向布置从下向上分别为下反射层、燃料层以及上反射层；燃料组件的构成为TRISO燃料颗粒弥散在基体中制成，冷却剂从燃料组件中布置的冷却剂通道流出。该结构能够适用于冲压式飞行器，减少流致振动、减少对堆芯的冲击、提高能量密度，代替常规冲压发动机的燃烧室部分。

Description

一种反应堆燃料组件及堆芯结构
技术领域
本发明属于核反应堆工程技术领域，涉及一种反应堆燃料组件及堆芯结构。
背景技术
冲压发动机由进气道、燃烧室和喷管三大部分组成，工作原理是当飞机运动时，高速来流空气在进气道中增压减速，进入燃烧室被加热成高温高压气体，以更大的速度从发动机喷管中喷射出来。喷气流的速度比进口的空气速度大得多，因此产生推力，使飞机运动。相比于火箭发动机，冲压发动机不需要携带氧化剂，大大降低了系统重量，具有更高的比冲、工作效率、更长的航程，可长时可靠稳定运行。
现有的冲压发动机，对于临近空间的高度，持续、机动的高声速飞行任务而言，都是不理想的动力。基于核能能量密度高的优点，使用反应堆堆芯代替冲压发动机的燃烧室部分，有望应用于长续航的航空飞行器。而稳定性和安全性也是此类反应堆最重要的考虑因素之一，在堆芯设计中应当提高堆芯的固有安全性。但由于飞行器高速飞行，空气作为冷却剂流经堆芯，也是以很高速度进行流动，对堆芯结构产生较大冲击；同时，空气流经堆芯后经过喷管直接排入大气，其产生的辐射问题也带来了安全方面的显著挑战。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种反应堆燃料组件及堆芯结构，通过合理的组件设计和燃料设计，减少流致振动、减少对堆芯的冲击、提高能量密度、增强堆芯结构的稳定性与可靠性，并降低空气流过堆芯所产生的辐射，最大程度的减少对周围环境、电子仪器设备的损失。
本发明的目的是这样实现的：
一种反应堆燃料组件及堆芯结构，该堆芯为蜂窝型结构，径向上从内向外分为三区，依次为内燃料区、外燃料区和反射层。
所述反射层采用的材料为BeO。
所述内燃料区添加Gd2O3材料。
所述燃料组件采用TRISO燃料颗粒弥散在基体中的型式。
所述TRISO燃料颗粒从内向外分为燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、SiC层、外致密热解碳层。
所述TRISO燃料的燃料核芯为UO2或UN或UC燃料，优选UO2燃料。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
与传统堆芯发燃料组件相比，采用蜂窝型结构与TRISO颗粒弥散相结合的型式，蜂窝型结构设计使堆内结构紧凑，既能在高速气流的冲击下保持稳定性，又能有利于传热，提高堆芯的换热能力；TRISO燃料颗粒的形式，多层包覆层的设计可以很好地容纳裂变物质，减少放射性物质的泄露，进而有效减少冷却剂流过堆芯所带走的辐射量。
与传统堆芯燃料组件相比，采用SiC基体，一方面可以减少对中子的慢化效果，另一方面SiC在高温条件下具有很好的稳定性，并且在该基体中，裂变产物的迁移速率非常低，可以减少对空气冷却剂的辐射效应。
与传统堆芯相比，TRISO燃料颗粒采用大小球交错排布的方式，可以提高燃料颗粒的填充率，增大燃料装载量，减小堆芯体积。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1是本发明适用于冲压式发动机的堆芯结构径向布置示意图
图2是燃料组件径向横截面示意图
图3是本发明适用于冲压式发动机的TRISO燃料颗粒剖面示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合实施例并参照附图说明对本发明进一步详细说明。需要说明的是，本申请的示意性实施例、附图及其说明用于解释本申请，构成本申请实施例的一部分，但并不构成对本申请的限定，在不冲突的情况下，本申请中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
如图1所示，一种反应堆燃料组件及堆芯结构，堆芯活性区近似呈六边形，从内向外分为三区，依次为内燃料区、外燃料区和反射层区。
内燃料区的燃料添加有毒物Gd2O3。
优选反射层区材料为BeO。
如图2所示，所述燃料组件为蜂窝煤式，中间布置有冷却剂通道。
优选TRISO燃料颗粒弥散的基体材料为SiC。
优选燃料为UO2燃料。
如图3所示，所述TRISO燃料颗粒由5部分组成，由内向外依次是燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、SiC层、外致密热解碳层。

Claims (6)

1.一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：该堆芯为一体化紧凑式的蜂窝型结构，燃料使用TRISO燃料颗粒均匀或非均匀弥散在基体中的型式。
2.根据权利要求1所述的一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：堆芯径向上从内向外分为三区，依次为内燃料区、外燃料区和反射层。
3.根据权利要求2所述的一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：轴向和径向反射层采用的材料为氧化铍BeO。
4.根据权利要求2所述的一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：TRISO燃料颗粒弥散采用大小球或均匀球交错排布的方式。
5.根据权利要求1所述的一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：所述TRISO燃料颗粒从内向外分为燃料核芯、疏松热解碳层、内致密热解碳层、SiC层、外致密热解碳层。
6.根据权利要求3所述的一种反应堆燃料组件及堆芯结构，其特征在于：所述TRISO燃料的燃料核芯为二氧化铀UO2或氮化铀UN或碳化铀UC燃料。
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