一种全陶瓷包覆燃料元件及小型直接循环反应堆堆芯的制作方法

1.本发明属于核反应堆设计技术领域，具体涉及一种全陶瓷包覆燃料元件及小型直接循环反应堆堆芯。


背景技术：

2.现有的“uo2芯块-zr包壳”传统燃料体系随着反应堆堆芯核设计的发展以及全球反应堆运行时间运行经验的积累，逐渐暴露出了一些不足，耐事故燃料(atf)概念应运而生，它旨在提高燃料的可靠性与安全特性，减少事故工况下燃料失效概率及产氢量，同时在正常运行工况下保持其良好的运行特性。在目前已有的atf燃料形式中，一种借鉴于高温气冷堆的燃料形式：全陶瓷包覆燃料(fcm)以其卓越的放射性产物容纳能力及安全性进入了大众的视野。它由triso颗粒弥散在sic基体构成，其中triso颗粒由燃料核芯、缓冲层、内热解碳层、sic层以及外热解碳层构成。fcm燃料安全性较好，极难熔化，可有效防止放射性产物释放，在辐照过程中性能退化少，可有效适配直接循环水冷堆，为直接循环堆超安全性打下基础。
3.同时，为了满足目前电力需求市场日益多元化的用电需求，核工业界提出了一种新型反应堆概念——小型模块化反应堆(smr)，它的最大特点是一体化、模块化、安全性能高及多用途。这种反应堆功率较低，体积较小，可预先在生产工厂内加工制造为功能模块，在现场快速安装，并根据需求调整发电模块数量以适配目标功率输出，因此具有高度的灵活性与适应性。
4.因此在目前核能应用对安全性和灵活性的迫切需求下，亟需研究一种适用于小型直接循环反应堆的fcm元件。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种适用于高安全小型直接循环反应堆堆芯的全陶瓷包覆燃料元件。该燃料元件使得小型直接循环反应堆具有长运行寿期、超安全性、高灵活性，同时直接循环简化了回路及系统设备，提高了反应堆的经济性。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种全陶瓷包覆燃料元件，所述燃料元件为单根棒结构，包括fcm燃料芯块和包壳；
8.所述fcm燃料芯块中燃料核芯采用高密度燃料。本发明的燃料元件采用单根棒为一个燃料元件单位，取消燃料组件相关结构设计，简化燃料元件及堆芯结构，降低了成本。本发明的燃料元件芯块采用fcm燃料，以确保堆芯超安全性。fcm燃料中燃料核芯采用高密度燃料，同时可掺入其他元素改善燃料性能。
9.作为优选实施方式，本发明的燃料元件根据小型直接循环反应堆堆芯冷却剂轴向相变进行轴向分段布置，在不同轴向高度具有不同燃料富集度、颗粒相基体、毒物材料及毒物含量。
10.作为优选实施方式，本发明的包壳材料采用fecral、sic或zr基体cr涂层。
11.作为优选实施方式，本发明的高密度燃料为un或uc。
12.作为优选实施方式，本发明的fcm燃料芯块中燃料核芯还可掺入pu或th。
13.作为优选实施方式，本发明的燃料元件沿堆芯冷却剂轴向相变分为液段、两相段及汽段。
14.另一方面，本发明提出了一种小型直接循环反应堆堆芯，所述堆芯搭载本发明所述的全陶瓷包覆燃料元件。
15.作为优选实施方式，本发明的堆芯中部分燃料元件采用部分长燃料元件；
16.所述部分长燃料元件为将所述全陶瓷包覆燃料元件汽段轴向长度内的燃料芯块替换为额外慢化材料芯块。
17.作为优选实施方式，本发明的堆芯呈六角形布置，边角六个位置不布置燃料元件，并在活性区轴向高度全长包裹慢化层。
18.作为优选实施方式，本发明的堆芯采用直接循环，冷却剂和慢化剂均为轻水，可长期满功率运行不换料。
19.本发明具有如下的优点和有益效果：
20.本发明提供的fcm燃料元件取消燃料组件相关结构设计，采用高密度燃料核芯材料，并根据冷却剂相变进行轴向分段，有效提高了堆芯中子经济性，保证堆芯安全性，并减少放射性产物释放。
21.本发明提供的小型直接循环反应堆，将fcm燃料元件与小型直接循环反应堆相结合，确保了堆芯具有超安全特性，能够保证发生超基准事故的情况下，依靠堆芯和燃料元件的设计特点非能动热量排出，确保堆芯不熔化。
22.本发明提供的小型直接循环反应堆，采用六角形布置，活性区外围包裹额外慢化层，部分燃料元件采用“部分长燃料元件”布置形式，减少回路，在保证堆芯超安全性的同时，有效提升了堆芯经济性，且堆芯较小，保证了堆芯的灵活性。
附图说明
23.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，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
24.图1为本发明实施例的fcm燃料元件轴向示意图。
25.图2为本发明实施例的fcm燃料元件径向示意图。
26.图3为本发明实施例的fcm燃料元件轴向分段示意图。
27.图4为本发明实施例的部分长燃料元件轴向分布示意图。
28.图5为本发明实施例的小型直接循环反应堆堆芯径向布置示意图。
29.图6为本发明实施例的小型直接循环反应堆堆芯轴向布置示意图。
30.附图中标记及对应的零部件名称：
31.1-芯块，2-包壳，3-液段，4-两相段，5-汽段，6-额外慢化材料芯块，7-慢化层，8-冷却剂或慢化剂，9-fcm燃料元件，10-部分长燃料元件。
具体实施方式
32.在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
33.在本发明的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。
34.在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
35.应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。
36.在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
37.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。
38.实施例1
39.本实施例提供了一种适用于小型直接循环反应堆的全陶瓷包覆燃料元件(以下简称fcm燃料元件)，该fcm燃料元件可提高堆芯的安全性和经济性。本发明实施例的燃料元件如图1-2所示，其在具体方案中根据冷却剂相变进行轴向分段。
40.本实施例的燃料元件包括芯块和包壳。其中，芯块采用fcm燃料，以确保堆芯超安全性，并降低直接循环一回路辐射源项；包壳采用但不限于fecral、sic或zr基体cr涂层，以保证燃料元件的高安全性，适配小型直接循环反应堆。
41.本实施例的燃料芯块核芯材料采用高密度燃料，例如un、uc等，以提高铀装量，从而提高中子经济性。同时还可掺入pu，th等特殊元素，在初期控制反应性并在后期达到燃料
增殖的效果，进一步优化堆芯性能。
42.本实施例的燃料元件根据直接循环反应堆堆芯冷却剂轴向相变进行分段布置，在不同轴向高度可具有不同燃料富集度、颗粒相基体、毒物材料及毒物含量等，以获得更好的功率分布及反应性控制效果。具体的，如图3所示，本实施例的燃料元件可分为液段、两相段及汽段三段，具体燃料元件参数如表1所示。
43.表1燃料元件参数
[0044][0045]
实施例2
[0046]
本实施例提出了一种搭载上述实施例1提出的fcm燃料元件的小型直接循环反应堆堆芯。本实施例的堆芯采用上述实施例1提出的fcm燃料元件，在本实施例的堆芯中，部分燃料元件采用“部分长燃料元件”，所谓“部分长燃料元件”，即将fcm燃料元件汽段轴向长度内的燃料芯块替换为额外慢化材料芯块(例如，beo慢化材料芯块)，以增加汽段额外慢化，提高中子经济性。
[0047]
如图5-6所示，本实施例的堆芯共布置2971根燃料元件，堆芯呈六角形布置，边角六个位置不布置燃料元件，以增加高径比，有利于辐射换热。堆芯活性区轴向高度全长包裹beo层，以减少中子泄漏，增加中子经济性。本实施例的堆芯采用直接循环，冷却剂及慢化剂为轻水，可长期满功率运行不换料。本实施例的堆芯物理设计相关关键参数如表2所示。
[0048]
表2小型直接循环堆芯物理设计相关关键参数
[0049][0050]
本实施例提出的小型直接循环反应堆堆芯寿期达到4000efpd，在燃料平均富集度不超过9％情况下，堆芯
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u利用率达到53.84％，堆芯平均卸料燃耗达到44800mwd/tu，中子经济性相关参数均优于大部分纯棒控动力堆，加之直接循环带来的回路减少，故方案的经济性较佳。最后超安全性验证表明在发生超基准事故的情况下，堆芯最热燃料温度低于1400℃，低于sic发生热分解温度2500℃，即可以保证堆芯不熔化，fcm燃料多重屏障可包容放射性不外泄。同时本实施例的小型直接循环反应堆具有超安全能力，发生超基准事故的情况下，不需要能动设备投入和操纵员干预，依靠堆芯和燃料元件的设计特点，以及非能动热量排出系统，可以保证堆芯不熔化。
[0051]
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。