CN115101223A - 一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件及堆芯结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件及堆芯结构，燃料元件包括燃料基体，所述燃料基体内弥散有燃料颗粒，所述基体上开设有热管孔，所述热管孔用于插入热管；燃料基体单个作为堆芯基体，或者多个所述燃料基体沿轴向和/或径向拼接作为堆芯基体。一种堆芯结构，包括上述的燃料元件，以及约束该燃料元件的容器。本发明通过改进燃料元件及堆芯结构，采用难熔金属基材料，设计出了模块化的多孔燃料元件及新的堆芯结构，利于降低燃料运行温度、减小制造难度、提高堆芯安全性和运行寿期。

Description

一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件及堆芯结构

技术领域

本发明涉及核反应堆燃料元件的设计技术领域，具体涉及一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件及堆芯结构。

背景技术

热管反应堆是指直接采用热管将反应堆堆芯产生的热量传导至二回路系统或热电转换装置的反应堆，具有系统设备简单可靠、长寿期甚至全寿期不换料、低噪音、高功率体积比等特点，是深海电源、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重要选项。为了满足特殊领域应用需求，提高反应堆换热效率和运行时间，热管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。

金属基弥散微封装燃料(Metal Matrix Microencapsulated fuel，简称M3燃料)是针对传统压水堆的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燃料颗粒，再弥散于外部金属基体内形成的颗粒增强复合材料。M3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M3燃料采用锆合金作为基体材料，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；新型的热管反应堆运行温度更高，并且热管为固定的圆管结构，M3燃料的结构形式以及所采用的锆合金材料将无法满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统的M3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金属基弥散微封装燃料的燃料元件及堆芯结构，针对热管反应堆高温、强辐照、长寿期等极端运行工况，通过改进燃料元件及堆芯结构，采用难熔金属基材料，设计出了模块化的多孔燃料元件及新的堆芯结构，利于降低燃料运行温度、减小制造难度、提高堆芯安全性和运行寿期。

本发明通过下述技术方案实现：

一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，包括燃料基体，所述燃料基体内弥散有燃料颗粒，所述基体上开设有热管孔，所述热管孔用于插入热管；所述燃料基体单个作为堆芯基体，或者多个所述燃料基体沿轴向和/或径向拼接作为堆芯基体。

传统的金属基弥散微封装燃料采用锆合金作为基体材料，作为燃料芯块与燃料包壳一起构成燃料棒，难以与同为圆柱形结构的热管之间紧密接触传热，需要额外增加三尖瓣结构填充圆管之间的三角间隙区域；同时，锆合金熔点低、高温力学强度低，无法满足热管堆运行温度要求。

本发明提供的燃料元件直接充当反应堆堆芯结构，或者燃料元件作为独立模块，多个独立模块拼接构成堆芯结构。便于微型反应堆进行一体化设计，对于小型堆芯可直接将一个燃料元件加工成一体化基体；如果堆芯活性区较长，也可以将多个燃料元件进行轴向分段后堆叠在一起构成堆芯基体；对于尺寸更大的反应堆堆芯，可以采用多个燃料元件沿径向进行拼接，拓展进行连接，在堆芯边缘使用其它形状进行填补。可基于实际TRISO颗粒尺寸、制备工艺难度等考虑因素，设计燃料元件的大小。

本发明提供的金属基微封装燃料采用高熔点、高热导率的金属作为基体材料，弥散结构的热导率以基体热导率为主，燃料球尺寸小因而温差小，从而提高燃料元件耐受温度的同时降低燃料元件最高运行温度。采用多层包覆的球形燃料颗粒，承压能力更强，能够更好地容纳裂变产物，并且单个燃料颗粒失效影响较小，从而延长运行时间的同时提升了固有安全性。燃料元件整体直接作为堆芯基体，留有热管孔用于直接插入热管，减少了热管与燃料之间的传热间隙数目，避免额外填充其它材料作为传热结构，极大的简化了堆芯结构，减少堆芯零部件数量，同时增强堆芯整体结构强度。

综上，本发明结构简单、传热性能优异、耐长期高温辐照、易于加工制造，适用于热管反应堆或其它对高温固有安全性和长寿期要求较高的反应堆。

进一步可选地，所述热管孔内壁设有涂层。

进一步可选地，所述燃料基体采用难熔金属，所述难熔金属包括钼、钨、钽、铌、锆、不锈钢、铼中的一种或多种。

进一步可选地，所述燃料基体的外形为六棱柱型。

一种堆芯结构，包括上述的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，以及约束该燃料元件的容器。

本发明采用基于金属基弥散微封装燃料的多孔燃料元件作为堆芯基体，将热管直接插入热管孔洞中，通过容器约束燃料元件的径向热膨胀。

进一步可选地，所述约束该燃料元件的容器包括围筒和盖板，所述围筒的底端封闭、顶端敞口，围筒的敞口端可拆卸安装盖板；围筒和盖板围成的腔室内容纳燃料元件，以及用于容纳插入热管孔内的热管的热管蒸发段。

进一步可选地，所述盖板上设有若干螺纹定位通孔，所述围筒的顶端端面设有若干与螺纹定位通孔对应的螺纹孔，通过螺钉穿过螺纹定位通孔旋入螺纹孔内固定，实现盖板与围筒可拆卸连接。

进一步可选地，所述围筒的材料的线膨胀系数与燃料基体的材料的线膨胀系数相同。

进一步可选地，还包括热管，所述热管沿轴向包括螺纹段、热管发热段和热管绝热段；所述围筒的底端端面设有台阶定位孔，所述盖板上设有热管通孔；所述螺纹段穿入台阶定位孔内，通过螺母锁紧固定；热管发热段伸入热管孔内，热管绝热段由热管通孔向外延伸。

进一步可选地，所述热管的材料与燃料基体的材料相同。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明通过结构设计，提供了一种新的基于金属基弥散燃料的燃料元件和堆芯结构，采用模块化多孔燃料元件直接作为堆芯，简化了燃料元件结构和堆芯结构，减少了传热间隙，解决了温度不均匀导致热膨胀变形产生间隙过大的问题，有效降低燃料运行温度；同时，降低了加工装配难度，避免了制造装配困难等问题。

2、本发明采用难熔金属作为弥散基体，高温难熔合金(如钼、钨、钽、铌等)的热导率高，有利于降低燃料运行温度，同时耐超高温和强辐照，非常适合特殊用途的新型高温或超高温反应堆；提高了燃料元件的热导率、高温力学性能、裂变产物包容能力、抗辐照肿胀和抗高温失效性能。本发明中包覆燃料颗粒弥散在难熔金属基体中，燃料区域同时作为承载结构，因而相比于直接采用结构材料时热管孔之间的厚度显著增大，制造难度更低，堆芯结构强度更高。

综上，本发明结构简单、传热性能优异、耐长期高温辐照、易于加工制造，适用于热管反应堆或其它对高温固有安全性和长寿期要求较高的反应堆。

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为本发明的堆芯结构示意图。

图2为图1的局部I结构示意图。

图3为图1的径向截面结构示意图。

图4为图3的局部结构示意图。

图5为本发明的热管结构示意图。

图6为本发明的围筒结构示意图。

图7为图6的局部A的结构示意图。

图8为图6的局部B的结构示意图。

图9为本发明的盖板结构示意图。

图10为TRISO燃料颗粒结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-燃料元件，2-热管，3-围筒，4-盖板，5-螺母，6-螺钉。

11-燃料颗粒，12-燃料基体，13-涂层。

111-燃料核芯，112-疏松热解碳层，113-IPyC层，114-SiC层，115-OPyC层。

21-热管蒸发段，22-热管绝热段，23-热管冷凝段，24-螺纹段。

31-筒体，32-台阶定位孔，33-螺纹定位孔。

41-多孔板，42-热管通孔，43-螺纹定位通孔。

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金属基弥散微封装燃料的燃料元件，参考图1-图4所示，燃料元件主要为燃料基体12，对于燃料基体12的设计为：燃料基体12内弥散有燃料颗粒11，基体12上开设有热管孔，热管孔用于插入热管2；燃料基体12单个作为堆芯基体，或者多个所述燃料基体12沿轴向和/或径向拼接作为堆芯基体。

热管孔内壁设有涂层13。燃料基体12采用难熔金属，难熔金属包括钼、钨、钽、铌、锆、不锈钢、铼中的一种或多种。基于现有反应堆堆芯结构，优选将燃料基体12的外形为六棱柱型。

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10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。

将多层包覆的TRISO燃料颗粒弥散在燃料基体12中，直接加工成多孔六棱柱形，为确保两个燃料颗粒11间距以及燃料颗粒11与外部容器的壁面的间距足够大，可以在TRISO颗粒表面先涂一层与燃料基体12的材料相同的涂层后再进行弥散处理。燃料元件外形为六棱柱形，可以根据实际需要调整热管孔的数量和燃料规模大小，燃料元件直接充当反应堆堆芯结构，或者燃料元件作为独立模块，多个独立模块拼接构成堆芯结构。便于微型反应堆进行一体化设计，对于小型堆芯可直接将一个燃料元件加工成一体化基体；如果堆芯活性区较长，也可以将多个燃料元件进行轴向分段后堆叠在一起构成堆芯基体；对于尺寸更大的反应堆堆芯，可以采用多个燃料元件沿径向进行拼接，拓展进行棉结，在堆芯边缘使用其它形状进行填补。

热管孔的内壁可以根据实际需求(防止碱金属或其它介质腐蚀等)增加涂层，热管孔的直径略微大于热管蒸发段21的外径，便于插入热管2的热管蒸发段21。

实施例2

本实施例提供了一种堆芯结构，有燃料元件1、约束该燃料元件1的容器和热管2的组成，燃料元件1为实施例1提供的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件。

如图6-8所示，约束该燃料元件的容器主要采用围筒3和盖板4构成密闭腔室，围筒3的底端封闭、顶端敞口。围筒3的底端端面设有多个台阶定位孔32，台阶定位孔32与热管孔的位置对应，台阶定位孔32靠近围筒3内部的孔段孔径大于靠近围筒3外部的孔段孔径。围筒3的敞口端端面设有多个螺纹孔。盖板4包括多孔板41，多孔板41上设置热管通孔42和螺纹定位通孔43，围筒3的顶端端面的螺纹定位通孔3与螺纹孔对应，通过螺钉6穿过螺纹定位通孔3旋入螺纹孔内固定，实现盖板4与围筒3可拆卸连接。围筒3和盖板4围成的腔室内容纳燃料元件，以及用于容纳插入热管孔内的热管2的热管蒸发段21。围筒3的材料的线膨胀系数与燃料基体12的材料的线膨胀系数相同，或者围筒3采用与燃料基体12相同的材料，以避免热膨胀差导致围筒3与燃料元件1之间产生过大的热应力(或者间隙)造成围筒3以及燃料元件1结构失效(或者间隙热阻增大)。

如图5所示，热管2沿轴向依次为螺纹段24、热管发热段21、热管绝热段22和热管冷凝段23，为一体化结构。热管2下端的螺纹段24插入台阶定位孔32内进行定位，通过螺母5锁紧固定，燃料元件1无包壳结构，热管2的蒸发段直接插入热管孔洞中，下端由螺纹棒穿过定位孔后通过螺母固定连接，堆芯结构简单，容易加工。热管发热段21伸入热管孔内，热管绝热段22穿过热管通孔42向外延伸。热管2的材料与燃料基体12的材料相同，或者热管2采用与燃料基体12相同的材料，以避免热膨胀差导致热管2与燃料元件1之间产生过大的热应力(或者间隙)造成热管2或燃料元件1结构失效(或者间隙热阻增大)。

围筒3用于容纳约束整个堆芯的燃料元件1和热管蒸发段21。围筒3的形状根据实际需要可以做成六边形或圆形，燃料围筒材料选择与燃料元件1的燃料基体12相同(或线膨胀系数相同)的金属材料，避免热膨胀不同导致出现间隙或者严重挤压的情况。围筒3底部充当下堆芯板，对应每个热管2的位置开有一个台阶定位孔32，用于连接固定热管2。螺纹定位孔33用于与盖板4进行连接，可以根据实际情况设置更多的螺纹定位孔33。盖板4用于对燃料元件进行密封，同时留出热管通孔42便于热管2伸出反应堆堆芯。

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)

1.一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，包括燃料基体(12)，所述燃料基体(12)内弥散有燃料颗粒(11)，其特征在于，所述基体(12)上开设有热管孔，所述热管孔用于插入热管(2)；所述燃料基体(12)单个作为堆芯基体，或者多个所述燃料基体(12)沿轴向和/或径向拼接作为堆芯基体。

2.根据权利要求1所述的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，其特征在于，所述热管孔内壁设有涂层(13)。

3.根据权利要求1所述的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，其特征在于，所述燃料基体(12)采用难熔金属，所述难熔金属包括钼、钨、钽、铌、锆、不锈钢、铼中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，其特征在于，所述燃料基体(12)的外形为六棱柱型。

5.一种堆芯结构，其特征在于，包括权利要求1至4任一项所述的一种基于金属基弥散微封装燃料的燃料元件，以及约束该燃料元件的容器。

6.根据权利要求5所述的一种堆芯结构，其特征在于，所述约束该燃料元件的容器包括围筒(3)和盖板(4)，所述围筒(3)的底端封闭、顶端敞口，围筒(3)的敞口端可拆卸安装盖板(4)；围筒(3)和盖板(4)围成的腔室内容纳燃料元件，以及用于容纳插入热管孔内的热管(2)的热管蒸发段(21)。

7.根据权利要求5所述的一种堆芯结构，其特征在于，所述盖板(4)上设有若干螺纹定位通孔(43)，所述围筒(3)的顶端端面设有若干与螺纹定位通孔(3)对应的螺纹孔，通过螺钉(6)穿过螺纹定位通孔(3)旋入螺纹孔内固定，实现盖板(4)与围筒(3)可拆卸连接。

8.根据权利要求6所述的一种堆芯结构，其特征在于，所述围筒(3)的材料的线膨胀系数与燃料基体(12)的材料的线膨胀系数相同。

9.根据权利要求6至8任一项所述的一种堆芯结构，其特征在于，还包括热管(2)，所述热管(2)沿轴向包括螺纹段(24)、热管发热段(21)和热管绝热段(22)；所述围筒(3)的底端端面设有台阶定位孔(32)，所述盖板(4)上设有热管通孔(42)；

所述螺纹段(24)穿入台阶定位孔(32)内，通过螺母(5)锁紧固定；热管发热段(21)伸入热管孔内，热管绝热段(22)由热管通孔(42)向外延伸。

10.根据权利要求9所述的一种堆芯结构，其特征在于，所述热管(2)的材料与燃料基体(12)的材料相同。

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