CN115132379A - 一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件及反应堆 - Google Patents
一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件及反应堆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件及反应堆，包括基体和多重包覆结构燃料颗粒，所述基体内部设置有多个用于容纳所述多重包覆结构燃料颗粒的燃料空腔，所述多重包覆结构燃料颗粒设置在所述燃料空腔内；所述多重包覆结构燃料颗粒包括燃料核心及包覆在所述燃料核心外侧的无燃料层；本发明通过将多个多重报复结构燃料颗粒设置在基体内的燃料空腔内，从而省去了燃料元件无包壳，避免了芯块‑包壳力学相互作用，结构简单，能够节省堆芯空间，减少传热间隙，有效降低燃料运行温度，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，安全性高，适用于高温反应堆对堆芯小型化、高温高固有安全性的要求。
Description
技术领域
本发明涉及核反应堆燃料元件设计领域，具体涉及一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件及反应堆。
背景技术
目前核能在国际的研究和应用正处在一个新的发展时期，高温反应堆因其高固有安全性、余热导出非能动安全特性、系统简单、发电效率高等优点，在能源市场、深空探测与空间电源、深空/低轨道推进动力、星球表面能源供应、陆上应急供电等领域具有良好的应用前景，在国际上受到广泛重视，是能够适应未来能源市场需要的第四代先进核反应堆堆型。
典型的高温反应堆主要有高温气冷反应堆(如氦氙混合气体冷却反应堆)与高温热管反应堆，为了满足高温反应堆应用需求，提高堆芯的传热效率和运行时间，反应堆堆芯设计要求长期处于高温、强辐照等极端条件，这对堆芯内部的燃料元件要求非常严苛。
传统的燃料芯+包壳的结构，在燃料燃烧的过程中，芯块与包壳间存在力学相互作用力，且堆芯之间存在传热间隙，传热效率较低，导致燃料运行温度较高，包容裂变产物能力差，宏观辐照肿胀量高、抗高温失效能力弱，不适用于高温反应堆对堆芯小型化、高温高固态反应堆的安全性的要求。
传统的M3燃料采用锆合金作为基体材料，以满足压水堆的应用需求，但由于高温反应堆运行温度更高，锆合金无法满足要求，需要选择高温下性能更好的基体材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是传统的包壳与燃料芯块的组合存在力学相互作用力，且传热性能较低，目的在于提供一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件及反应堆，解决了高温反应堆对堆芯小型化、高温高固态反应堆的安全性的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，包括：基体和多重包覆结构燃料颗粒，所述基体内部设置有多个用于容纳所述多重包覆结构燃料颗粒的燃料空腔，所述多重包覆结构燃料颗粒设置在所述燃料空腔内；
所述多重包覆结构燃料颗粒包括：
燃料核心；及
包覆在所述燃料核心外侧的无燃料层。
具体地，所述基体包括有燃料区和无燃料区；
所述无燃料区呈筒状结构；
所述有燃料区为设置在所述无燃料区内的柱状结构，所述燃料空腔均设置在所述有燃料区内。
具体地，所述有燃料区和所述无燃料区一体成型，且所述基体的材质为难熔金属。
可选地，所述无燃料区的上端设置有夹持端，所述无燃料区的下端设置有锥形端；
所述夹持端用于移动燃料元件，所述锥形端用于插入下堆芯板。
具体地，所述无燃料层包括：
包覆在所述燃料核心外侧的疏松热解碳层；
包覆在所述疏松热解碳层外侧的内致密热解碳层；
包覆在所述内致密热解碳层外侧的碳化硅层；及
包覆在所述碳化硅层外侧的外致密热解碳层。
可选地，所述燃料核心为球形结构，所述疏松热解碳层、所述内致密热解碳层、所述碳化硅层、所述外致密热解碳层均为球壳结构。
可选地，所述燃料核心的材质为UO2或UN；
所述疏松热解碳层为：孔隙率较高的热解碳层，通常为其理论密度(2.2g/cm3)的50％左右。
所述内致密热解碳层/所述外致密热解碳层为：：相对致密的热解碳，通常为其理论密度(2.2g/cm3)的90％左右，平均密度约为1.9g/cm3。
可选地，所述多重包覆结构燃料颗粒的直径与所述燃料空腔的内径相等。
具体地，所述无燃料层和所述燃料核心为三结构同向(TRISO)型或两结构同向(BISO)型包覆结构。
一种反应堆，燃烧如上述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过将多个多重报复结构燃料颗粒设置在基体内的燃料空腔内，从而省去了燃料元件无包壳，避免了芯块-包壳力学相互作用，结构简单，能够节省堆芯空间，减少传热间隙，有效降低燃料运行温度，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，安全性高，适用于高温反应堆对堆芯小型化、高温高固有安全性的要求；
采用难熔金属作为金属基体，相比于锆基导热性与耐热性能更好，利于堆芯导热，降低燃料元件运行温度，提高堆芯结构强度。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是根据本发明所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件的结构示意图。
图2是根据本发明所述的多重包覆结构燃料颗粒的结构示意图。
附图标记：1-基体，2-多重包覆结构燃料颗粒，3-夹持端，4-锥形端；
11-有燃料区，12-无燃料区，21-燃料核心，22-无燃料层，221-疏松热解碳层，222-内致密热解碳层，223-碳化硅层，224-外致密热解碳层。
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，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本实施例针对高温反应堆高温、高辐照、堆芯小型化的应用需求，提出一种采用难熔金属基弥散微封装棒状燃料元件设计方案，以节省堆芯空间、降低燃料运行温度、耐高温、提高堆芯运行安全、延长运行寿期。
一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，包括基体1和多重包覆结构燃料颗粒2，基体1内部设置有多个用于容纳多重包覆结构燃料颗粒2的燃料空腔，多重包覆结构燃料颗粒2设置在燃料空腔内。
在进行燃料元件的制作中，将将多重包覆结构燃料颗粒2尽量均匀弥散于难熔金属基体1中的棒状燃料元件，无包壳，避免了芯块-包壳力学相互作用，能够节省堆芯空间，减少传热间隙，有效降低燃料运行温度，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。
同时，本实施例中的多重包覆结构燃料颗粒2包括：燃料核心21及包覆在燃料核心21外侧的无燃料层22。
本发明中每个多重包覆结构燃料颗粒2的核芯尺寸、各层厚度，一根燃料元件中需要的用到的多重包覆结构燃料颗粒2数目均按实际需求确定。
且为了燃烧效果更好，在本实施例中多重包覆结构燃料颗粒2均匀弥散在难熔金属基体1中。
基体1包括有燃料区11和无燃料区12，且基体1的材质为难熔金属。难熔金属通常指钨、钼、铌、钽、钒、锆，也可以包括铼和铪。这类金属的特点为熔点高、硬度大、抗蚀性强，多数能同碳、氮、硅、硼等生成高熔点、高硬度并肯有良好化学稳定性的化合物。
采用难熔金属基作为基体1材料，相比传统锆基或锆合金包壳导热性、高温下力学性能更好，提高了堆芯高温下安全性，可以延长运行时间。
无燃料区12呈筒状结构，其可以看做是一个筒状的外壳壳体，有燃料区11为设置在无燃料区12内的柱状结构，燃料空腔均设置在有燃料区11内，但是为了避免出现有燃料区11和无燃料区12之间发生力学相对作用，设定有燃料区11和无燃料区12一体成型，即将其设定为一个整体来避免发生相对作用力。
无燃料区12的上端设置有夹持端3，无燃料区12的下端设置有锥形端4；夹持端3用于移动燃料元件，锥形端4用于插入下堆芯板。
多重包覆结构燃料颗粒2由内至外分别为燃料核芯、疏松热解碳层221Buffer、内致密热解碳层222IPyC、碳化硅层223SiC和外致密热解碳层224OPyC组成。各层的厚度根据实际需求进行确定。
无燃料层22包括：
包覆在燃料核心21外侧的疏松热解碳层221；
包覆在疏松热解碳层221外侧的内致密热解碳层222；
包覆在内致密热解碳层222外侧的碳化硅层223；及
包覆在碳化硅层223外侧的外致密热解碳层224。
多重包覆结构燃料颗粒2可以为多种形状，但是为了便于制作，本实施例中燃料核心21为球形结构，疏松热解碳层221、内致密热解碳层222、碳化硅层223、外致密热解碳层224均为球壳结构。
且使多重包覆结构燃料颗粒2的直径与燃料空腔的内径相等，将多重包覆结构燃料颗粒2稳定在燃烧空腔内，避免多重包覆结构燃料颗粒2与基体1之间发生相对力学作用。
同时，对多重包覆结构燃料颗粒2的材质进行简单说明。
燃料核心21的材质为UO2或UN；
疏松热解碳层221为：孔隙率较高的热解碳层，通常为其理论密度(2.2g/cm3)的50％左右。
内致密热解碳层222/外致密热解碳层224为：相对致密的热解碳，通常为其理论密度(2.2g/cm3)的90％左右，平均密度约为1.9g/cm3。
无燃料层22和燃料核心21为三结构同向型或两结构同向型包覆结构。
BISO型是指燃料核芯21的外周22相继沉积疏松热解碳与致密热解碳。
TRISO型指燃料核芯21的外周22相继沉积疏松热解碳、致密热解碳，又沉积碳化硅层和致密热解碳层，因此也称TRISO型中的致密热解碳为内致密热解碳层222与外致密热解碳层224。
另一方面，本实施例还包括一种反应堆，燃烧如上述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件。
通过夹持夹持端3，并将锥形端4插入至反应堆的下堆芯板内，实现燃烧。无需预留气腔、限位弹簧等，结构简单，节省堆芯空间，便于布置。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，包括：基体(1)和多重包覆结构燃料颗粒(2)，所述基体(1)内部设置有多个用于容纳所述多重包覆结构燃料颗粒(2)的燃料空腔，所述多重包覆结构燃料颗粒(2)设置在所述燃料空腔内；
所述多重包覆结构燃料颗粒(2)包括：
燃料核心(21)；及
包覆在所述燃料核心(21)外侧的无燃料层(22)。
2.根据权利要求1所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述基体(1)包括有燃料区(11)和无燃料区(12)；
所述无燃料区(12)呈筒状结构；
所述有燃料区(11)为设置在所述无燃料区(12)内的柱状结构，所述燃料空腔均设置在所述有燃料区(11)内。
3.根据权利要求2所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述有燃料区(11)和所述无燃料区(12)一体成型，且所述基体(1)的材质为难熔金属。
4.根据权利要求2所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述无燃料区(12)的上端设置有夹持端(3)，所述无燃料区(12)的下端设置有锥形端(4)；
所述夹持端(3)用于移动燃料元件，所述锥形端(4)用于插入下堆芯板。
5.根据权利要求1所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述无燃料层(22)包括：
包覆在所述燃料核心(21)外侧的疏松热解碳层(221)；
包覆在所述疏松热解碳层(221)外侧的内致密热解碳层(222)；
包覆在所述内致密热解碳层(222)外侧的碳化硅层(223)；及
包覆在所述碳化硅层(223)外侧的外致密热解碳层(224)。
6.根据权利要求5所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述燃料核心(21)为球形结构，所述疏松热解碳层(221)、所述内致密热解碳层(222)、所述碳化硅层(223)、所述外致密热解碳层(224)均为球壳结构。
7.根据权利要求5所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述燃料核心(21)的材质为UO2或UN；
所述疏松热解碳层(221)为：密度为理论密度的50％的热解碳层；
所述内致密热解碳层(222)/所述外致密热解碳层(224)为：密度为理论密度90％的热解碳层；
所述理论密度为2.2g/cm3。
8.根据权利要求5所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述多重包覆结构燃料颗粒(2)的直径与所述燃料空腔的内径相等。
9.根据权利要求1所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件，其特征在于，所述无燃料层(22)和所述燃料核心(21)为三结构同向型或两结构同向型包覆结构。
10.一种反应堆，其特征在于，燃烧如权利要求1-9中任一项所述的一种采用难熔金属基的弥散微封装棒状燃料元件。
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2022
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