CN115101222B - 一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，包括约束容器、包壳和燃料元件，所述燃料元件采用一个或多个拼接的弥散微封装燃料，所述弥散微封装燃料包括基体，所述基体采用石墨基，基体内弥散燃料颗粒，基体上还开设有多个冷却剂孔；所述包壳的轴向两端分别与约束容器的底部和顶部连接，包壳和约束容器连接作为堆芯结构的骨架；包壳内部用于插入热管或流通冷却剂；一个或多个拼接的弥散微封装燃料容纳在约束容器内，且包壳贯穿一个或几个拼接弥散微封装燃料的冷却剂孔。本发明利于简化堆芯结构，降低装配难度，降低燃料运行温度、提高燃料结构稳定性，且能够同时满足多种反应堆需求的多用途核燃料。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆燃料元件的设计技术领域，具体涉及一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构。
背景技术
为了满足深海电源、陆上多用途可移动电源、偏远寒冷地区供电供热、空间和星表电源等等特殊领域长期稳定可靠能源系统的应用需求，近年来国内发展了多种新型高温反应堆，例如热管反应堆、高温气冷堆等。为提高反应堆换热效率和运行时间，新型高温反应堆通常设计在高温、强辐照、长寿期甚至全寿期不换料等极端运行条件下，对核燃料提出了非常严苛的要求。不同新型反应堆的运行工况并非完全相同，对核燃料的要求也有差异。但核燃料研发的时间和经济成本极高，因此设计一种能够同时满足多种反应堆需求的多用途核燃料，将会极大节省研发成本，有利于推进新型反应堆研发及其在特殊领域的应用进度。
微封装燃料(Microencapsulated fuel)是一种典型的多重包覆结构弥散燃料，是将疏松热解碳、内层致密热解碳(IPyC)、SiC和外层致密热解碳(OPyC)等多层结构包覆在燃料核芯表面形成TRISO燃料颗粒，再弥散于外部金属或陶瓷基体内形成的颗粒增强复合材料。微封装燃料具有包容裂变产物能力强、宏观辐照肿胀量低、抗高温失效能力强等优势，更加符合高温固有安全性、长寿期等要求。传统微封装燃料采用锆合金或SiC作为基体材料，以满足压水堆长换料周期或不换料的应用需求，是目前国际上耐事故燃料(ATF)的重要候选方案之一；新型高温反应堆运行温度更高，锆合金将无法满足要求，单相的SiC又存在脆性大、易断裂等缺点，因此需要采用新的基体材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：传统的燃料及堆芯结构无法满足新型热管反应堆运行需求，本发明提供了解决上述问题的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构。本发明针对热管反应堆、高温气冷堆等新型反应堆的高温、强辐照、长寿期等极端运行工况，提出了一种具有长期高温固有安全性的弥散微封装燃料，设计了模块化燃料弥散微封装燃料，以降低燃料运行温度、减轻堆芯重量、提高慢化能力和燃料结构稳定性。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，包括约束容器、包壳和燃料元件，所述燃料元件采用一个或多个拼接的弥散微封装燃料，所述弥散微封装燃料包括基体，所述基体采用石墨基，基体内弥散燃料颗粒，基体上还开设有多个冷却剂孔；所述包壳的轴向两端分别与约束容器的底部和顶部连接，包壳和约束容器连接作为堆芯结构的骨架；所述包壳内部用于插入热管或流通冷却剂；所述一个或多个拼接的弥散微封装燃料容纳在约束容器内，且包壳贯穿一个或几个拼接弥散微封装燃料的冷却剂孔。
进一步可选地，所述弥散微封装燃料呈六棱柱型。
进一步可选地，所述包壳与冷却剂孔之间间隙配合。
进一步可选地，相邻冷却剂孔的孔间距是冷却剂孔到约束容器壁的最小距离的两倍。
进一步可选地，还包括固体慢化剂；所述基体上还设有多个慢化剂孔，所述固体慢化剂嵌入慢化剂孔内。
进一步可选地，所述冷却剂孔和慢化剂孔的轴线方向平行；所述冷却剂孔按六边形方式均匀排布，每相邻三个冷却剂孔中心布置一个慢化剂孔；对于最外面的一圈冷却剂孔，将内侧的慢化剂孔以相邻两个冷却剂孔的连线进行对称布置。
进一步可选地，所述约束容器包括筒体、盖板和底板；所述盖板和底板分别覆盖安装在筒体的顶部和底部端口处；盖板和底板上均设有穿孔，用于穿过和固定包壳。
进一步可选地，还包括反射层；在约束容器内，位于包壳的轴向两端方向处，在弥散微封装燃料的底面和顶面处覆盖反射层；所述反射层上设有通孔，用于包壳穿过。
进一步可选地，所述反射层采用氧化铍块。
进一步可选地，所述反射层与约束容器顶部之间存在大于零的间隙。
本发明具有如下的优点和有益效果：
1、本发明设计了模块化的多孔弥散微封装燃料，采用约束容器和包壳构成燃料骨架，提高了的整体结构稳定性。多孔弥散微封装燃料的一部分孔道作为热管或冷却剂通道，另一部分孔道用于容纳固体慢化剂(如氢化钇等)，燃料区域占比相比传统更大，提高了铀装量。燃料结构简单，降低加工装配难度。石墨密度低，减小了燃料元件重量。除石墨外，额外增加了慢化能力更强的固体慢化剂，提高了燃料元件慢化能力。弥散燃料的热导率由基体材料主导，石墨热导率高，燃料球的尺寸很小，温差不会很大，同时热管或冷却剂通道分布位置均匀，从而降低了燃料中心温度。
2、本发明采用了石墨基弥散微封装燃料，石墨的热导率高、密度小、热中子吸收截面小，有利于降低燃料运行温度，同时减小反应堆质量，非常适合特殊用途的新型高温或超高温反应堆，因此本发明创新的采用石墨作为弥散微封装燃料的基体材料。采用了固体慢化剂嵌入弥散燃料中的设计，提高了燃料的慢化能力，有效提高了反应堆中子经济性。
3、本发明设计了一种能够同时满足多种反应堆需求的多用途核燃料，可广泛适用于热管反应堆、高温气冷堆或其它对高温固有安全性和长寿期要求较高的新型反应堆，将会极大节省研发成本，有利于推进新型反应堆研发及其在特殊领域的应用进度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构示意图。
图2为图1的截面结构示意图；其中，(a)表示图1的A-A截面结构示意图，图(b) 表示图1的B-B截面结构示意图。
图3为本发明的石墨基弥散微封装燃料的结构示意图。
图4为图3的局部C的结构示意图。
图5为TRISO燃料颗粒的结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-弥散微封装燃料，2-固体慢化剂，3-反射层，4-包壳，5-筒体，6-冷却剂孔，7-盖板， 8-底板。
11-燃料颗粒，12-基体。
111-燃料核芯，112-疏松热解碳层，113-IPyC层，114-SiC层，115-OPyC层。
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白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
实施例1
本实施例提供了一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，如图1和图2所示，主要由约束容器、包壳4和燃料元件构成，燃料元件采用一个或多个拼接的弥散微封装燃料1。弥散微封装燃料1包括基体12，基体12采用石墨粉制成，基体12内弥散燃料颗粒11，基体1上还开设有多个冷却剂孔6，如图4所示。包壳4的轴向两端分别与约束容器的底部和顶部连接，包壳4和约束容器连接作为堆芯结构的骨架；包壳4内部用于插入热管或流通冷却剂；一个或多个拼接的弥散微封装燃料1容纳在约束容器内，且包壳4贯穿一个或几个拼接弥散微封装燃料1的冷却剂孔6。
燃料颗粒11可采用TRISO燃料颗粒，(其核心可以采用UO2、UN或其它适用的燃料材料)，结构如图5所示，由内向外依次为燃料核芯111、疏松热解碳层112、IPyC层113、SiC 层114和OPyC层115。燃料颗粒1也可以根据实际需求选择单层包覆、BISO等其它结构形式的燃料微球。
对于小尺寸的反应堆，可以直接采用一个弥散封装燃料1装入约束容器和包壳4构成的骨架内，构成堆芯结构；对于大尺寸的反应堆，可以采用两个或两个以上的弥散封装燃料1 沿轴向和/或径向拼装，装填入束容器和包壳4构成的骨架内；尤其是在沿轴向拼接时，所有弥散封装燃料1的冷却剂孔6相互对应，构成多个贯穿所有弥散封装燃料1的燃料孔道，包壳4贯穿该孔道、且置于该道内。然后，于热管反应堆，可直接将热管插入包壳4内；对于高温气冷反应堆，可以直接在包壳4内通入冷却剂，如氦气、氦氙混合气体。
实施例2
本实施例提供了一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，在实施例1的基础上进一步设计，在基体12上还设有慢化剂孔，该堆芯结构还包括固体慢化剂2。
弥散微封装燃料1呈六棱柱型，以配合现有反应堆堆芯形状使用。可以在TRISO燃料颗粒表面涂敷一层厚度均匀的基体石墨粉，然后与基体石墨粉均匀混合后，压制成多孔(即有多个冷却剂孔6六棱柱形。包壳4与冷却剂孔6之间间隙配合，为了避免包壳4热膨胀过大对燃料产生挤压导致燃料破碎，需要在燃料与包壳4之间留一定间隙；但为了避免间隙过大导致热阻过大，造成燃料温度过高，间隙也不宜过大，同时间隙内需要填充高热导率的气体介质，例如氦气等。
本实施例中，基体12上设有两类型孔道，第一类是冷却剂孔6，插入设有包壳4，包壳 4内用于插入热管或流通冷却剂；第二类是慢化剂孔，用于嵌入安装固体慢化剂2(如慢化芯块或慢化棒(慢化材料可以采用氢化钇、氢化锆等))。
如图3所示，冷却剂孔6和慢化剂孔的轴线方向平行；冷却剂孔6按六边形方式均匀排布，每相邻三个冷却剂孔6中心布置一个慢化剂孔；对于最外面的一圈冷却剂孔6，将内侧的慢化剂孔以相邻两个冷却剂孔6的连线进行对称布置。对于最外面的一圈冷冷却剂孔6，将内侧的冷却剂孔以相邻两个冷却剂孔6的连线进行对称布置。相邻冷却剂孔6的孔间距是冷却剂孔6到约束容器壁的最小距离的两倍，以确保燃料径向拼接在一起时，整体温度分布更加均匀。由堆芯总体设计要求确定冷却剂孔6和慢化剂孔的孔道数量。
实施例3
本实施例提供了一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，在实施例2的基础上进一步设计：
约束容器由筒体5、盖板7和底板8构成；盖板7和底板8分别覆盖安装在筒体5的顶部和底部端口处；盖板7和底板8上均设有穿孔，用于穿过和固定包壳4。筒体5采用六角筒体，即筒体5的径向截面呈正六边形。
还包括反射层3；在约束容器内，位于包壳4的轴向两端方向处，在弥散微封装燃料1 的底面和顶面处覆盖反射层3；反射层3上设有通孔，用于包壳4穿过。反射层3采用氧化铍块，以提高中子利用率，降低临界质量和富集度。反射层3与约束容器顶部之间存在大于零的间隙。
将筒体5、底板8、盖板7和多根包壳4连接在一起构成燃料骨架，用于支撑整个燃料结构，维持燃料结构稳定，同时进一步包容裂变产物。多孔棱柱形弥散封装燃料1多层堆叠装入筒体5内，每根包壳4都与一个冷却剂孔6对应，包壳4的外径略小于冷却剂孔6的内径，确保包壳4与燃料之间有一定的间隙，以免包壳4与燃料热膨胀差导致燃料被挤压破坏。燃料骨架内，在多层多孔棱柱形弥散封装燃料1上下端各布置一层氧化铍反射层，用以提高中子利用率，使堆芯更容易达到临界，降低铀装量和富集度。
安装时，在筒体5底部先放入一层带孔(用于穿过包壳4)的氧化铍反射层，再填入嵌有固体慢化剂2的多层多孔棱柱形弥散封装燃料1，然后放入一层带孔(用于穿过包壳4)的氧化铍反射层，最后通过盖板7密封，氧化铍反射层与盖板7之间需要留有一定的间隙，避免由于燃料和氧化铍热膨胀过大导致整体结构发生破坏。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，包括约束容器、包壳（4）和燃料元件，其特征在于，所述燃料元件采用一个或多个拼接的弥散微封装燃料（1），所述弥散微封装燃料（1）包括基体（12），所述基体（12）采用石墨基，基体（12）内弥散燃料颗粒（11），基体（12）上还开设有多个冷却剂孔（6）；
所述包壳（4）的轴向两端分别与约束容器的底部和顶部连接，包壳（4）和约束容器连接作为堆芯结构的骨架；所述包壳（4）内部用于插入热管或流通冷却剂；
所述一个或多个拼接的弥散微封装燃料（1）容纳在约束容器内，且包壳（4）贯穿一个或几个拼接弥散微封装燃料（1）的冷却剂孔（6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述弥散微封装燃料（1）呈六棱柱型。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述包壳（4）与冷却剂孔（6）之间间隙配合。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，相邻冷却剂孔（6）的孔间距是冷却剂孔（6）到约束容器壁的最小距离的两倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，还包括固体慢化剂（2）；所述基体（12）上还设有多个慢化剂孔，所述固体慢化剂（2）嵌入慢化剂孔内。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述冷却剂孔（6）和慢化剂孔的轴线方向平行；所述冷却剂孔（6）按六边形方式均匀排布，每相邻三个冷却剂孔（6）中心布置一个慢化剂孔。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述约束容器包括筒体（5）、盖板（7）和底板（8）；所述盖板（7）和底板（8）分别覆盖安装在筒体（5）的顶部和底部端口处；盖板（7）和底板（8）上均设有穿孔，用于穿过和固定包壳（4）。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，还包括反射层（3）；在约束容器内，位于包壳（4）的轴向两端方向处，在弥散微封装燃料（1）的底面和顶面处覆盖反射层（3）；所述反射层（3）上设有通孔，用于包壳（4）穿过。
9.根据权利要求8所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述反射层（3）采用氧化铍块。
10.根据权利要求9所述的一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构，其特征在于，所述反射层（3）与约束容器顶部之间存在大于零的间隙。
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| CN202210726035.8A Active CN115101222B (zh) | 2022-06-24 | 2022-06-24 | 一种基于石墨基弥散微封装燃料的堆芯结构 |
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|---|---|
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Citations (9)
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-
2022
- 2022-06-24 CN CN202210726035.8A patent/CN115101222B/zh active Active
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115101222A (zh) | 2022-09-23 |
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