CN117976253A - 空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯，燃料组件包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳与冷却剂管道连接形成闭合的外壳单元，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，冷却剂管道用于通过冷却剂。本发明将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
Description
技术领域
本发明属于反应堆设计技术领域，具体涉及一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯。
背景技术
深空探测是指脱离地球引力场进入太阳系空间和宇宙空间的探测，可帮助人类开发利用外太空资源，推动科学技术的发展，对各个国家均具有重要战略意义。而能源供给则是深空探测中的重要环节，深空探测远离地球补给困难，需要能长期持续的能源供给；同时宇宙空间环境恶劣，经常面临无光照或者弱光照、外星沙尘等环境的影响，需要在极端环境下也能稳定供能的能源系统。因此空间核反应堆凭借其使用寿命长、能源输出稳定、功率水平较高、不依赖太阳、能适应多种恶劣环境的优势，从多种候选能源形式中脱颖而出，成为任务周期较长且功率水平要求高的探测任务(比如月球基地、火星基地等)能源供给系统的上上之选。
当前有多种空间核反应堆堆型，从冷却方式一般可分为液态金属冷却、热管冷却与气体冷却。其中气体冷却式空间核反应堆采用耐高温的陶瓷包覆颗粒燃料元件固有安全性高，同时采用热工性能良好的气体工质，循环温度高、热效率高，且单一气体工质使得设备简化具有了较低的比质量，成为兆瓦级大功率空间堆中候选堆型之一。
传统气体冷却式核反应堆采用耐高温的陶瓷包覆颗粒燃料元件本身裂变材料体积占比较低，其弥散形成的燃料与堆芯结构进一步降低了燃料的体积占比，同时气体冷却式核反应堆多采用石墨作为慢化剂，而石墨材料本身的慢化能力较低，这一系列因素均导致反应堆体积较大，极大提升了发射难度，发射成本高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种空间堆用燃料组件，包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳与冷却剂管道连接形成闭合的外壳单元，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，冷却剂管道用于通过冷却剂。燃料组件外壳单元为蜂窝状结构，其中外壳内部的通孔构成了冷却剂管道，冷却剂管道与燃料组件外部空间联通。
优选的是，冷却剂管道至少为一个，核燃料单元填充于燃料组件外壳内部。
优选的是，冷却剂管道在外壳内均匀分布。
优选的是，核燃料单元包括核燃料颗粒、慢化剂基体、陶瓷基体，核燃料颗粒弥散在慢化剂基体与陶瓷基体中。
优选的是，慢化剂基体的材料为氢化钇或氢化锆，陶瓷基体的材料为碳化硅。
优选的是，核燃料颗粒包括燃料核芯、包覆于燃料核芯外的包覆层，燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，0.6＜c＜0.9。
优选的是，燃料核芯的材料为二氧化铀、氮化铀、碳化铀中的任意一种。
优选的是，冷却剂管道为螺旋形或直筒形。
优选的是，外壳侧壁在燃料组件底面的正投影视图为圆形、四边形、六边形中的任意一种。
优选的是，外壳单元的材质为陶瓷材料。
优选的是，外壳单元陶瓷材料为碳化硅。
优选的是，冷却剂管道与外壳为一体化结构。
本发明还提供一种上述的空间堆用燃料组件的制造方法，包括以下步骤：
1)制造无顶盖的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，外壳与冷却剂管道连接形成底端闭合、顶端开口的无顶盖的外壳单元，外壳中的通孔形成冷却剂管道；
2)将核燃料单元填充于无顶盖的外壳单元内；
3)制造外壳单元的顶盖；
4)得到空间堆用燃料组件。
优选的是，所述步骤1)具体为：
1)采用增材制造工艺制造一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道，该工艺中的第一粘结剂喷射中，使用第一碳化硅粉体为原料，通过喷头将第一粘结剂与第一碳化硅粉体喷射至设计区域，实现第一碳化硅粉体的粘结成型，然后经烧结工艺致密化，获得一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道。
优选的是，所述步骤2)之前还包括以下步骤：
将核燃料颗粒与慢化剂基体颗粒或粉末按照预设的比例混合。
优选的是，所述步骤2)具体为：
将核燃料颗粒、慢化剂基体的混合物倾倒入外壳单元内部的空间中，压实。
优选的是，所述步骤3)具体为：
向冷却剂管道与外壳之间的空间上方预留的顶部空间内填充第二碳化硅粉体与第二粘结剂并压实，形成顶盖。
优选的是，所述步骤3)与步骤4)之间还包括以下步骤：
利用化学气相渗透(CVI)工艺，采用甲基三氯硅烷为原料，在核燃料单元内部的空隙、外壳单元与核燃料单元之间的空隙、顶盖内部的空隙、无顶盖外壳单元与顶盖之间的空隙中渗透沉积碳化硅，使之成为一个整体。
优选的是，所述步骤4)具体为：
对获得的燃料组件进行机械加工，去除生产加工过程中多余的部分，最终获得空间堆用燃料组件成品。
本发明还提供一种堆芯，包括：至少一个堆砌的燃料组件，燃料组件为上述的燃料组件。
本发明提出一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
附图说明
图1为本发明实施例2中的空间堆用燃料组件的结构示意图；
图2为本发明实施例2中的空间堆用燃料组件的剖面图；
图3为本发明实施例3中的螺旋形的冷却剂孔管道的结构示意图；
图4为本发明实施例2中的直筒形冷却剂管道的外壳单元结构示意图；
图5为本发明实施例3中的螺旋形冷却剂管道的外壳单元结构示意图；
图6为本发明实施例2中的无顶盖的燃料组件的结构示意图。
图中：1、外壳；2、冷却剂管道；3、核燃料单元。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。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专利中的具体含义。
实施例1
本实施例提供一种空间堆用燃料组件，包括：核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳与冷却剂管道连接形成闭合的外壳单元，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，冷却剂管道用于通过冷却剂。燃料组件外壳单元为蜂窝状结构，其中外壳内部的通孔构成了冷却剂管道，冷却剂管道与燃料组件外部空间联通。
本实施例还提供一种上述的空间堆用燃料组件的制造方法，包括以下步骤：
1)制造无顶盖的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，外壳与冷却剂管道连接形成底端闭合、顶端开口的无顶盖的外壳单元，外壳中的通孔形成冷却剂管道；
2)将核燃料单元填充于无顶盖的外壳单元内部；
3)制造外壳单元的顶盖；
4)得到空间堆用燃料组件。
本实施例还提供一种堆芯，包括：至少一个堆砌的燃料组件，燃料组件为上述的燃料组件。
本实施例提出一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
实施例2
如图1、2、4、6所示，本实施例提供一种空间堆用燃料组件，包括：核燃料单元3、包覆于核燃料单元3外的外壳单元，外壳单元包括外壳1、冷却剂管道2，外壳1与冷却剂管道2连接形成闭合的外壳单元，外壳1位于燃料组件的最外层，冷却剂管道2贯穿燃料组件，冷却剂管道2用于通过冷却剂。燃料组件外壳单元为蜂窝状结构，其中外壳1内部的通孔构成了冷却剂管道2，冷却剂管道2与燃料组件外部空间联通。
优选的是，冷却剂管道2至少为一个，核燃料单元3填充于外壳1内部。
优选的是，冷却剂管道2在外壳1内均匀分布。
优选的是，核燃料单元3包括核燃料颗粒、慢化剂基体、陶瓷基体，核燃料颗粒弥散在慢化剂基体与陶瓷基体中。
优选的是，慢化剂基体的材料为氢化钇或氢化锆，陶瓷基体材料为碳化硅。
具体的，本实施例中的慢化剂基体材料为氢化钇。
优选的是，核燃料颗粒包括燃料核芯、包覆于燃料核芯外的包覆层，燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，0.6＜c＜0.9。
具体的，本实施例中燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，c＝0.62。
具体的，本实施例中的核燃料颗粒为大核芯的包覆颗粒，所谓大核芯是指包覆颗粒的燃料核芯的体积占比大于传统的高温堆用包覆颗粒，本实施例采用的包覆颗粒燃料核芯直径与颗粒整体直径的比例大于0.6。
本实施例中的核燃料颗粒为TRISO包覆颗粒，TRISO包覆颗粒为大核芯的TRISO包覆颗粒。
优选的是，燃料核芯的材料为氮化铀。
具体的，本实施例中燃料核芯的材料为二氧化铀、氮化铀、碳化铀中的任意一种。
氮化铀、碳化铀的铀占比高于二氧化铀的铀占比。
优选的是，冷却剂管道2为螺旋形或直筒形。
具体的，本实施例中冷却剂管道2为直筒形。
沿着燃料组件整体的轴向方向分布若干冷却剂管道2，根据热工水力设计需求，该冷却剂管道2可采用任意经过设计的流道类型，包括直筒式冷却剂管道2或螺旋式冷却剂管道2。
优选的是，外壳1侧壁在燃料组件底面的正投影视图为圆形、四边形、六边形中的任意一种。
具体的，本实施例中外壳1在燃料组件底面的正投影视图为圆形。
燃料组件整体为规则形状，其为圆柱体、立方体、六棱柱中的任意一种。
具体的，本实施例的燃料组件整体形状为圆柱体。
优选的是，外壳1单元的材质为陶瓷材料。
优选的是，外壳1单元陶瓷材料为碳化硅。
外壳1位于燃料组件的最外层，采用碳化硅材料，起到阻挡裂变产物释放以及充当结构支撑材料的作用，提升燃料运行的安全性。
优选的是，冷却剂管道2与外壳1为一体化结构。
本实施例还提供一种上述的空间堆用燃料组件的制造方法，包括以下步骤：
1)制造无顶盖的外壳单元，外壳单元包括外壳1、冷却剂管道2，外壳1位于燃料组件的最外层，冷却剂管道2贯穿燃料组件，外壳1与冷却剂管道2连接形成底端闭合、顶端开口的无顶盖的外壳单元，外壳1内部空间形成冷却剂管道2；
2)将核燃料单元3填充于无顶盖的外壳单元内部；
3)制造外壳单元的顶盖；
4)得到空间堆用燃料组件。
优选的是，所述步骤1)具体为：
1)采用增材制造工艺制造一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道2，以3DP(Three-dimensional Print)工艺中的第一粘结剂喷射中，使用第一碳化硅陶瓷粉体为原料，通过喷头将第一粘结剂喷射与第一碳化硅陶瓷粉体至设计区域，实现第一碳化硅陶瓷粉体的粘结成型，然后经烧结工艺致密化，获得一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道2。增材制造工艺具体采用3DP(Three-dimensional Print)工艺。
优选的是，所述步骤2)之前还包括以下步骤：
将核燃料颗粒与慢化剂基体颗粒或粉末按照预设的比例混合，比例由设计人员根据反应堆需要设定。
优选的是，所述步骤2)具体为：
将核燃料颗粒、慢化剂基体的混合物倾倒入外壳单元内部空间中，并适当压实，多次操作后，压实后的混合物最顶端与外壳单元最顶端的距离等于或略大于外壳单元的壁的厚度。
优选的是，所述步骤3)具体为：
向冷却剂管道2与外壳1之间的空间上方预留的顶部空间内填充第二碳化硅粉体与第二粘结剂并压实，形成顶盖。
优选的是，所述步骤3)与步骤4)之间还包括以下步骤：
利用化学气相渗透(CVI)工艺，采用甲基三氯硅烷为原料，在核燃料单元3内部的空隙、外壳单元与核燃料单元3之间的空隙、顶盖内部的空隙、无顶盖外壳单元与顶盖之间的空隙中均渗透沉积碳化硅，使之成为一个整体。
优选的是，所述步骤4)具体为：
对获得的燃料组件进行机械加工，去除生产加工过程中多余的部分，最终获得空间堆用燃料组件成品。
本实施例还提供一种堆芯，包括：至少一个堆砌的燃料组件，燃料组件为上述的燃料组件。
具体的本实施例中的燃料组件为蜂窝状，燃料组件整体为圆柱形，燃料组件上存在若干截面为圆形的冷却剂管道2。
燃料组件的外壳1、冷却剂管道2的材质为碳化硅，外壳1与冷却剂管道2之间、冷却剂管道2之间的区域为燃料区，燃料区内填充有燃料单元，包覆颗粒弥散燃料和高效慢化剂材料弥散在燃料区内。
本实施例中的包覆颗粒为大核芯颗粒，相比于高温气冷堆使用的包覆颗粒，本实施例采用的包覆颗粒核芯直径与颗粒整体直径的比例大于0.6。
本实施例中的燃料组件的外壳单元内分布有核燃料单元3，核燃料单元3包括核燃料颗粒、慢化剂基体、陶瓷基体，核燃料颗粒为大核芯包覆颗粒，大核芯包覆颗粒为TRSIO颗粒，慢化剂基体为高效慢化剂，采用将大核芯包覆颗粒及高效慢化剂(氢化钇或氢化锆)弥散在碳化硅中的形式，核燃料单元3的体积占比远超棱柱式气冷堆燃料孔道的体积占比，大幅提升了包覆颗粒弥散燃料的可弥散空间，提升了燃料装载量，同时采用高性能固体慢化剂提升慢化能力，进一步降低了堆芯尺寸。
本实施例中的空间堆用燃料组件的制造工艺主要采用增材制造技术制造无顶盖碳化硅壳体及冷却剂管道2，后续将大核芯包覆颗粒与慢化剂粉末或颗粒倾倒入壳体的内部空间中，形成核燃料单元，并在外壳单元顶盖位置铺设碳化硅粉，形成外壳单元的顶盖。后续利用化学气相渗透工艺，将核燃料单元内部、其与外壳单元内部空隙、外壳单元链接薄弱处均渗透沉积碳化硅材料使之连成一片整体，最终通过机械加工获得燃料组件成品。本制造工艺方式燃料区不需要高温加压烧结，不用考虑高温加压环境下TRSIO颗粒互相之间的碰撞破损，因此燃料区内的包覆颗粒的体积占比可提升至50％以上，提升了堆芯单位体积的燃料装载。
根据采用燃料组件为堆芯的空间堆设计，在空间堆热功率200kW，换料周期15年以上的要求下，其堆芯高度及直径能降低至30cm以下，重量降低至160kg以下，一体化包覆颗粒弥散燃料本身具有较强的固有安全性，满足空间核反应堆可运输性与安全性的要求。
对于空间核反应堆而言，有以下两个原则性问题需要解决：一是反应堆系统的可运输性，由于反应堆整体通过火箭运输至指定位置，这就要求反应堆本身在同等功率输出下重量尽量轻，体积尽量小；二是反应堆系统的固有安全性，空间反应堆使用时距离航天员、其它空间探测设备较近，其安全性不仅关系到系统能否持续运行，更关系到航天员及探测器的辐射安全。本实施例提供一种空间堆用燃料组件，适用于空间堆的一体化包覆颗粒弥散燃料，通过应用一体化的弥散结构、大核芯包覆颗粒、高性能的慢化剂材料与裂变产物包容材料，实现在保证燃料安全性的基础上提升单位体积内的燃料装载量，同时满足空间核反应堆可运输性与安全性的要求。
本实施例提出一种空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将大核芯的TRISO包覆颗粒和高慢化能力的慢化剂材料弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料氢化钇(或氢化锆)。内部基体及外壳单元采用慢化剂材料，慢化剂材料为碳化硅，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。燃料组件上布置有冷却剂管道2，冷却剂管道2可以为任意经过设计的形状。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。燃料组件采用增材制造工艺以及化学气相渗透工艺进行制造。
本实施例公开的空间堆用燃料组件采用大核芯的包覆颗粒，提升了裂变材料在TRISO包覆颗粒中的体积占比，并将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，使得TRISO包覆颗粒的可弥散空间扩展到除冷却剂管道2外的整个堆芯，大幅提升了燃料装载量。燃料组件采用强慢化能力材料(氢化钇、氢化锆等)，进一步降低了堆芯尺寸。燃料组件采用碳化硅材料作为堆芯的内部基体及外壳单元的材料，起到阻挡燃料组件内部裂变产物释放以及充当结构支撑材料的作用，提升了反应堆的安全性。燃料组件实现了在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，实现空间堆装置的紧凑布置，缩小其体积和质量，降低空间核反应堆发射成本的效果。
实施例3
如图3、5所示，本实施例提供一种空间堆用燃料组件，与实施例2中的区别为：
本实施例中的慢化剂基体的材料为氢化锆。
本实施例中燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，c＝0.80。
本实施例中燃料核芯的材料为碳化铀。
本实施例中冷却剂管道2为螺旋形。在冷却剂管道2截面积不变的情况下螺旋形冷却剂管道体积与圆柱形冷却剂管道一致，不会挤压燃料空间，但是拉长了螺旋形冷却剂管道2内流体流过的路径，具有更好的冷却效果。
本实施例提出一种空间堆用燃料组件，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
实施例4
本实施例提供一种空间堆用燃料组件，与实施例2中的区别为：
本实施例中燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，c＝0.85。
本实施例中燃料核芯的材料为二氧化铀。
本实施例中外壳侧壁在燃料组件底面的正投影视图为六边形。
本实施例的燃料组件整体形状为棱柱体。
本实施例提出一种空间堆用燃料组件，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
实施例5
本实施例提供一种空间堆用燃料组件，与实施例2中的区别为：
本实施例中外壳侧壁在燃料组件底面的正投影视图为四边形。
本实施例的燃料组件整体形状为立方体。
本实施例提出一种空间堆用燃料组件，摈弃了传统的燃料放入堆芯结构件内的形式，将燃料与堆芯结构做成一体化的燃料形式，即将核燃料单元弥散到一整块蜂窝状堆芯结构内，蜂窝内部同时填充高效慢化剂材料，内部基体及外壳单元采用陶瓷材料，该蜂窝状结构的燃料组件既作为燃料也作为堆芯结构件使用。相比于传统的堆芯结构，该空间堆用燃料组件大幅提升了燃料装载量，降低了堆芯体积，在兼顾安全的基础上提高燃料体积装载量，降低气体冷却式空间核反应堆发射成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (18)
1.一种空间堆用燃料组件，其特征在于，包括核燃料单元、包覆于核燃料单元外的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳与冷却剂管道连接形成闭合的外壳单元，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，冷却剂管道用于通过冷却剂。
2.根据权利要求1所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，冷却剂管道至少为一个，核燃料单元填充于燃料组件外壳内部。
3.根据权利要求1所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，核燃料单元包括核燃料颗粒、慢化剂基体、陶瓷基体，核燃料颗粒弥散在慢化剂基体与陶瓷基体中。
4.根据权利要求3所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，慢化剂基体的材料为氢化钇或氢化锆，陶瓷基体材料为碳化硅。
5.根据权利要求3所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，核燃料颗粒包括燃料核芯、包覆于燃料核芯外的包覆层，燃料核芯的直径与核燃料颗粒的直径比为c，0.6＜c＜0.9。
6.根据权利要求5所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，燃料核芯的材料为二氧化铀、氮化铀、碳化铀中的任意一种。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，冷却剂管道为螺旋形或直筒形。
8.根据权利要求1～6任意一项所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，外壳侧壁在燃料组件底面的正投影视图为圆形、四边形、六边形中的任意一种。
9.根据权利要求1～6任意一项所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，外壳单元的材质为陶瓷材料。
10.根据权利要求1～6任意一项所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，外壳单元陶瓷材料为碳化硅。
11.根据权利要求1～6任意一项所述的空间堆用燃料组件，其特征在于，冷却剂管道与外壳为一体化结构。
12.一种权利要求1～11任意一项所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制造无顶盖的外壳单元，外壳单元包括外壳、冷却剂管道，外壳位于燃料组件的最外层，冷却剂管道贯穿燃料组件，外壳与冷却剂管道连接形成底端闭合、顶端开口的无顶盖的外壳单元；
2)将核燃料单元填充于无顶盖的外壳单元内；
3)制造外壳单元的顶盖；
4)得到空间堆用燃料组件。
13.根据权利要求12所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
1)采用增材制造工艺制造一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道，该工艺中的第一粘结剂喷射中，使用第一碳化硅粉体为原料，通过喷头将第一粘结剂与第一碳化硅粉体喷射至设计区域，实现第一碳化硅粉体的粘结成型，然后经烧结工艺致密化，获得一体化的无顶盖的外壳单元并形成冷却剂管道。
14.根据权利要求12所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，所述步骤2)之前还包括以下步骤：
将核燃料颗粒与慢化剂基体颗粒或粉末按照预设的比例混合。
15.根据权利要求12所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
将核燃料颗粒、慢化剂基体的混合物倾倒入外壳单元内部的空间中，压实。
16.根据权利要求12所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
向冷却剂管道与外壳之间的空间上方预留的顶部空间内填充第二碳化硅粉体与第二粘结剂并压实，形成顶盖。
17.根据权利要求12所述的空间堆用燃料组件的制造方法，其特征在于，所述步骤3)与步骤4)之间还包括以下步骤：
利用化学气相渗透工艺，采用甲基三氯硅烷为原料，在核燃料单元内部的空隙、外壳单元与核燃料单元之间的空隙、顶盖内部的空隙、无顶盖外壳单元与顶盖之间的空隙中渗透沉积碳化硅，使之成为一个整体。
18.一种堆芯，其特征在于，包括：至少一个堆砌的燃料组件，燃料组件为权利要求1～11任意一项所述的燃料组件。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202410095698.3A CN117976253A (zh) | 2024-01-23 | 2024-01-23 | 空间堆用燃料组件及其制造方法、堆芯 |
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2024
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