[發(fā)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

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• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN110957051A
• 公開（公告）日: 2020-04-03
• 發(fā)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(chǎn)權代理有限公司 43225
• 代理人: 邱軼

本發(fā)明提供了一種球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件，該元件由外至內(nèi)包括石墨包殼、石墨基體，所述石墨基體內(nèi)部按球坐標均勻布設有多個包覆燃料顆粒，所述包覆燃料顆粒沿徑向由內(nèi)至外包括二氧化鈾芯粒、包覆層，所述包覆層由內(nèi)至外依次為疏松熱解碳層、內(nèi)致密熱解碳層、碳化硅層、外致密熱解碳層，所述包覆層的各層厚度在二氧化鈾芯粒直徑及富集度固定情況下進行多目標優(yōu)化后得到。本發(fā)明從優(yōu)化包覆層各層厚度的角度來提高中子倍增性能，避免了以往單純以增加芯粒直徑或富集度來提高中子性能的目的，實驗證明，本發(fā)明既提高了中子性能，又具有很強的經(jīng)濟優(yōu)勢。

技術領域

本發(fā)明屬于核反應堆技術領域，具體涉及一種球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件。

背景技術

近年來，隨著我國經(jīng)濟的快速增長和環(huán)保要求，核能需求急劇增加。相較其他反應堆，高溫氣冷堆具有發(fā)電效率高、安全性能好、小容量模塊化建造等優(yōu)特點,可用于核能制氫和高效發(fā)電等應用領域，是國際上大力發(fā)展的新一代先進堆型之一。英國、美國和德國從20世紀60年代初就開始了高溫氣冷堆的研發(fā)工作，并先后建造了三座實驗堆。英國與歐共體合作在1962年建造了20MW實驗堆“龍堆”，美國在1967年建成40MWe桃花谷實驗堆，德國在1967年建成15MWe的球床高溫氣冷堆(AVR)，并開發(fā)出特色球形燃料元件—燃料球，建成球床高溫堆。這三座高溫氣冷實驗堆的先后成功建造運行，證明了高溫氣冷堆的可行性。隨后美國在1958年建造了330MWe的高溫氣冷堆原型堆圣·符倫堡(Fort Stvrain)電站，并于1976年成功并網(wǎng)運行；德國在1971年建造了300MWe的釷高溫球床原型堆THTR-300，并于1985年成功并網(wǎng)運行。隨著這兩座高溫氣冷堆原型堆的成功建造運行，標志著高溫氣冷堆進入了發(fā)電和工業(yè)應用的商業(yè)化階段。

上世紀七十年代中期我國開始進行高溫氣冷堆的研究和發(fā)展工作,清華大學核能技術設計研究院作為我國從事高溫氣冷堆技術研究的主要單位對高溫球床堆的關鍵技術開展了一系列的設計和實驗研究工作。1986年,我國高溫氣冷堆研究發(fā)展工作被列入國家高技術計劃,清華大學核能技術設計研究院為高溫氣冷堆專題的依托單位，以10MW熱功率球床式高溫氣冷實驗堆為平臺，多方面分析論證了我國發(fā)展高溫氣冷堆的可行性,2005年開始建造我國第一個工程實踐小型堆項目山東石島灣高溫氣冷堆核電站示范工程。

燃料元件是反應堆的核心部件。對于球床式高溫氣冷堆而言，燃料元件為內(nèi)部彌散數(shù)以千計的包覆燃料顆粒的石墨球。包覆燃料顆粒由氧化鈾(釷)或碳化鈾(釷)芯粒外面，包覆2～4層熱解碳和碳化硅。而中子倍增性能是反應堆設計的核心，其關系到反應堆的經(jīng)濟性和安全性這兩個核心目標。現(xiàn)有技術中，就反應堆而言，一般是以增加燃料裝料量這一方式來提高中子倍增性能，即增加氧化鈾(釷)或碳化鈾(釷)芯粒直徑或者提高燃料富集度來進行，但是燃料核芯材料價格昂貴，急需從其他角度考慮怎樣在燃料裝料量固定的情況下，提高中子倍增性能以及經(jīng)濟性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術問題是提供了一種根據(jù)反應堆物理原理設計和工藝制造限制約束指標，在燃料裝料量固定的情況下，提高中子倍增性能的球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件。

為解決該問題，本發(fā)明所采用的技術方案是：

一種球床式高溫氣冷堆高中子倍增性能的燃料元件，由外至內(nèi)包括石墨包殼1、石墨基體2，所述石墨基體2內(nèi)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(nèi)至外包括二氧化鈾芯粒4、包覆層5，所述包覆層5由內(nèi)至外依次為疏松熱解碳層6、內(nèi)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(yōu)化后得到。

進一步地，所述多目標優(yōu)化的方法是：

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

50≤d₁≤140 (2)