[發明專利]一種球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件

在審

• 申請號: 201911405845.8
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN110957051A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發明（設計）人: 陳忠;呂中良;趙子甲;袁寶新;潘冬梅;馬燕云
• 申請（專利權）人: 西南科技大學
• 主分類號: G21C3/62
• 分類號: G21C3/62
• 代理公司: 長沙國科天河知識產權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

1.一種球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件，其特征在于：由外至內包括石墨包殼(1)、石墨基體(2)，所述石墨基體(2)內部按球坐標均勻布設有多個包覆燃料顆粒(3)，所述包覆燃料顆粒(3)沿徑向由內至外包括二氧化鈾芯粒(4)、包覆層(5)，所述包覆層(5)由內至外依次為疏松熱解碳層(6)、內致密熱解碳層(7)、碳化硅層(8)、外致密熱解碳層(9)，所述包覆層(5)的各層厚度在二氧化鈾芯粒(4)直徑及富集度固定情況下進行多目標優化后得到。

2.根據權利要求1所述的燃料元件，其特征在于：所述多目標優化的方法是：

目標函數：Max₁(k_eff)＝F(d_i)(i＝1,2,3,4) (1)

約束條件：

其中，d₁為疏松熱解碳層(6)厚度、d₂為內致密熱解碳層(7)厚度、d₃為碳化硅層(8)厚度、d₄為外致密熱解碳層(9)厚度，厚度單位為μm，F(d_i)為包覆層各層厚度d_i的函數，Max₁(k_eff)為中子性能指標k_eff最優值。

3.根據權利要求2所述的燃料元件，其特征在于：對所述多目標優化方法進行求解的方法是分層排序法。

4.根據權利要求3所述的燃料元件，其特征在于：所述分層排序法具體為：

步驟1：先選取包覆層各層厚度作為優化初始值；

步驟2：按照燃料顆粒包覆層由內至外的順序，求解某一層厚度，使該層厚度以一定步長s進行變化，同時保持其他各層厚度不變，計算該變化厚度下的中子性能值，取該層各變化厚度中中子性能值最大值所對應的變化厚度為該層厚度；

步驟3：輸出各層厚度優化值。

5.根據權利要求4所述的燃料元件，其特征在于：所述所述包覆層(5)的各層厚度具體為疏松熱解碳層(6)為48-52μm、內致密熱解碳層(7)為18-22μm、碳化硅層(8)為23-27μm、外致密熱解碳層(9)為18-22μm。

6.根據權利要求5所述的燃料元件，其特征在于：所述包覆層(5)的各層厚度具體為疏松熱解碳層(6)為50μm、內致密熱解碳層(7)為20μm、碳化硅層(8)為25μm、外致密熱解碳層(9)為20μm。

7.根據權利要求1所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件中包覆燃料顆粒的數目確定方法為：在工程設計允許的顆粒數目范圍內，依次計算每增加一定數量的顆粒數目后，其中子倍增性能指標值，選取中子倍增性能指標值最高值所對應的顆粒數目為最優顆粒數。

8.根據權利要求7所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件內徑為5厘米時，所述燃料元件中包含的包覆燃料顆粒(3)的數量為3800-4200顆。

9.根據權利要求8所述的燃料元件，其特征在于：在所述燃料元件內徑為5厘米時，所述燃料元件中包含的包覆燃料顆粒(3)的數量為4000顆。

10.根據權利要求5所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件中石墨基體(2)內部包覆燃料顆粒(3)按照球坐標、采用正方形柵格排布方式彌散分布。