[發(fā)明專利]一種高燃耗的快中子堆金屬燃料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110463323.4
• 申請日: 2021-04-23
• 公開（公告）號: CN113270209B
• 公開（公告）日: 2023-06-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 惲迪;文春陽;馮琳娜;王召浩;柳文波;單建強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: G21C3/60
• 分類號: G21C3/60
• 代理公司: 西安銘澤知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61223
• 代理人: 薛俊波

本發(fā)明公開一種高燃耗的快中子堆金屬燃料，所述堆芯內(nèi)裝載有金屬燃料，所述金屬燃料采用天然鈾U?50Zr合金。通過人為控制溫度實(shí)現(xiàn)相變，提高燃耗，延長燃料使用的期限；通過提高燃料的燃耗，提高鈾的利用率，減小處理核廢料的壓力；延長燃料的使用周期，降低核電的成本，提高核能的經(jīng)濟(jì)性；有效進(jìn)行了裂變氣體的及時釋放和燃料缺陷的周期性消除，減少由腫脹引起的芯包力學(xué)相互作用，提高安全性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及核反應(yīng)堆燃料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高燃耗的快中子堆金屬燃料。

背景技術(shù)

高燃耗金屬燃料裝載快中子反應(yīng)堆作為一種反應(yīng)堆設(shè)計理念主要是針對提升反應(yīng)堆固有安全性和經(jīng)濟(jì)性而提出的，屬于快中子反應(yīng)堆范疇，滿足第四代核能技術(shù)要求和安全標(biāo)準(zhǔn)。該反應(yīng)堆設(shè)計的基本運(yùn)行原理是中子將可裂變核素轉(zhuǎn)變?yōu)橐琢炎兒怂兀琢炎兒怂卦谥凶拥淖矒粝麻_始燃燒。該反應(yīng)堆概念包括行波堆，它在首次被濃縮鈾燃料點(diǎn)燃之后，會不斷地將可裂變?nèi)剂显?U-238)轉(zhuǎn)化為新的易裂變?nèi)剂显?Pu-239)，從而使增殖燃燒波得以擴(kuò)散。堆芯自增殖大大降低了對鈾的濃縮和后處理的需求。

以行波堆為例，其燃料主要來自于乏燃料和貧鈾或天然鈾，換料周期長，鈾資源的利用率可以達(dá)到70％，具有高效利用鈾資源、減少乏燃料卸出量等優(yōu)勢。快中子增殖堆(典型的例子如行波堆)的廣泛使用將會把乏燃料變?yōu)閷氋F的可利用資源，同時降低對濃縮鈾的依賴性。高燃耗的快中子增殖堆卸載的乏燃料，幾乎不需要再經(jīng)過后處理，大量長壽命的放射性核素在快中子堆燃燒過程中嬗變?yōu)檩p核、短壽命放射性核素，從而有效減少了乏燃料長期的放射性危險。這種快中子堆可以實(shí)現(xiàn)幾十年不換料，一次裝料就可以滿足幾十年的發(fā)電需求，也體現(xiàn)了高燃耗金屬燃料裝載快中子堆的核心優(yōu)勢。雖然高燃耗金屬燃料裝載快中子堆具有很好的發(fā)展前景，但它仍然面臨著很多需要被解決的問題。其中之一則是燃料的服役性能問題。

目前高燃耗金屬燃料裝載的快中子反應(yīng)堆堆芯燃料設(shè)計的是鈾鋯合金燃料，而目前金屬燃料在堆內(nèi)運(yùn)行中出現(xiàn)的諸多問題還沒有被解決，如裂變產(chǎn)物導(dǎo)致的燃料腫脹、芯包力學(xué)相互作用(FCMI)、甚至芯塊開裂等等。它們往往是燃料體系失效的直接原因。這些負(fù)面影響不僅會降低反應(yīng)堆運(yùn)行的效率，也增大了反應(yīng)堆的安全隱患。如何從根本上消除芯塊在服役條件下的腫脹開裂以及其引起的FCMI，一直以來是研發(fā)人員的研究重點(diǎn)。而引起燃料腫脹的最主要因素之一是裂變氣體的存在。由于裂變氣體原子不溶于金屬燃料基體，使得它們在基體內(nèi)可以自由移動，包括遷移、形核、長大形成氣泡等一系列行為。裂變氣體原子和氣泡在晶內(nèi)的無阻礙遷移常常會使得它們在晶界處被釘扎而停留，使越來越多的氣泡停留在晶界上，使得氣泡之間發(fā)生相互連通，并最終通過連通通道將裂變氣體釋放到燃料氣腔內(nèi)。然而，氣泡以及裂變氣體原子也會和晶內(nèi)的各種缺陷相互作用，被位錯、團(tuán)簇、核嬗變雜質(zhì)等缺陷釘扎，從而使氣泡喪失遷移的能力，滯留在晶體內(nèi)，從而使燃料發(fā)生幾乎不可逆轉(zhuǎn)的腫脹。

為了應(yīng)對裂變氣體帶來的腫脹問題，在制造燃料的階段會保留一定的孔隙用來容納裂變氣體，同時在燃料中間留下中孔，用以排放裂變氣體。但是隨著燃耗的增加，孔隙被裂變產(chǎn)物所填充，而芯塊會逐漸腫脹，導(dǎo)致中心孔逐漸縮小并最終消失，裂變氣體就重新被滯留在燃料內(nèi)部導(dǎo)致燃料的繼續(xù)腫脹，使得FCMI變得十分顯著。因此高燃耗(25％-30％)金屬燃料設(shè)計把有效密度降低到55％，是為了使燃料有更長的燃耗段承受開放孔隙向封閉孔隙的轉(zhuǎn)化。但是這些措施也只能緩解裂變氣體帶來的腫脹而延長燃耗，并不能從根本上解決問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種高燃耗的快中子堆金屬燃料，可用于高燃耗行波堆或其他快中子堆中，以望實(shí)現(xiàn)提高鈾的利用率的同時，幾乎從根本上避免由燃料腫脹導(dǎo)致的FCMI，降低燃料的失效速率，延長燃料的服役時間。

為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種高燃耗的快中子堆金屬燃料，反應(yīng)堆具有典型的池式快中子堆堆芯，其內(nèi)裝載有金屬燃料，所述金屬燃料采用天然軸U-50Zr合金。