包覆颗粒的弥散型燃料及燃料芯块制造技术

本发明专利技术公开了一种包覆颗粒的弥散型燃料及燃料芯块，燃料包括：燃料颗粒、基体，燃料颗粒按照大小分为大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒，大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒弥散在基体中，大尺寸燃料颗粒的尺寸大于小尺寸燃料颗粒的尺寸，燃料颗粒包括：燃料核、设置于燃料核外的包覆层组。本发明专利技术中的燃料采用双尺寸颗粒填充模型，提高了燃料颗粒在基体中的填充率。这样芯块中的燃料体积占比得到了很大程度上的提高，相应地包覆层组和基体的体积份额下降，对中子的慢化效果减弱；在大型压水堆和快堆，尤其是气冷快堆的堆芯设计中，本发明专利技术的燃料方案具有很好的适用性；与现有FCM燃料相比，本发明专利技术在保证燃料固有安全性基础上，增加了燃料装载量。料装载量。料装载量。

【技术实现步骤摘要】
包覆颗粒的弥散型燃料及燃料芯块


[0001]本专利技术属于核燃料
，具体涉及一种包覆颗粒的弥散型燃料及燃料芯块。

技术介绍

[0002]气冷快堆是第四代核电技术提出的6种可选堆型之一，安全性是制约其发展的关键因素。如何从燃料选型方面提升堆芯安全性是气冷快堆发展中的重要问题。包覆颗粒弥散型燃料由于其良好的高温性能和放射性包容能力，在气冷快堆中具有很好的应用前景。传统的包覆颗粒燃料采用石墨作为基体材料，由于石墨的致密度和稳定性较差，为了增强对裂变产物的包容能力，燃料颗粒的结构先后经历了单层包覆颗粒、BISO颗粒、TRISO颗粒三代。
[0003]目前国际上通用的包覆颗粒燃料方案为FCM燃料(Fully CeramicMicro
‑
encapsulated Fuel，全陶瓷微胶囊封装核燃料)，FCM燃料12包括TRISO燃料颗粒13、SiC基体14，TRISO燃料颗粒13分散于SiC基体14中，由TRISO结构中燃料从内到外依次设置有燃料核芯7、碳缓冲层8、内热解碳层9、碳化硅层10、外热解碳层11，其结构示意图如图1。
[0004]但是如图1所示的FCM燃料在应用中面临两个主要问题。第一，燃料装载量过低，无法提供足够的剩余反应性，难以在大型反应堆中应用。FCM燃料所装载的TRISO颗粒中，多层包覆层结构占据了主要的体积份额，而燃料核芯的体积占比不足20％；同时按照现有的工程技术，燃料颗粒在基体中的填充率不超过40％；填充率和包覆层的双重限制导致燃料芯块中燃料的体积占比低于10％。第二是能谱软化问题。基体材料和多层包覆层结构中所含的大量碳原子对堆芯能谱产生了不可忽略的中子慢化作用，导致堆芯能谱软化，堆芯增殖性能下降。
[0005]燃料装载量低这一问题的产生，是由于包覆颗粒燃料中多层包覆层结构和基体材料占据了燃料芯块的主要体积。然而，针对这一问题，已有的研究设计只是通过增大堆芯活性区体积、降低堆芯功率密度的方法来改善。而针对能谱软化的问题，目前还没有相关的设计方案，因而包覆颗粒燃料在大型压水堆和快堆中的应用目前还难以实现。

技术实现思路

[0006]本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种包覆颗粒的弥散型燃料及燃料芯块，解决了包覆颗粒燃料应用于大型压水堆和快堆，尤其是气冷快堆时所产生的燃料装载量低的问题。
[0007]解决本专利技术技术问题所采用的技术方案是提供一种包覆颗粒的弥散型燃料，包括：燃料颗粒、基体，燃料颗粒按照大小分为大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒，大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒弥散在基体中，大尺寸燃料颗粒的尺寸大于小尺寸燃料颗粒的尺寸，燃料颗粒包括：燃料核、设置于燃料核外的包覆层组。
[0008]大尺寸燃料颗粒为含易裂变材料的燃料颗粒，小尺寸燃料颗粒为含易裂变材料的燃料颗粒。
[0009]优选的是，基体材料为金属硅化物。
[0010]优选的是，包覆层组包括包覆于燃料核外的疏松碳化硅缓冲层、包覆于疏松碳化硅缓冲层外的致密碳化硅层，致密碳化硅层比疏松碳化硅缓冲层致密性高。
[0011]优选的是，小尺寸燃料颗粒填充于大尺寸燃料颗粒的空隙中。
[0012]优选的是，燃料核在燃料中的体积占比为60％以上。
[0013]优选的是，大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒在基体中的填充率和为50％以上。
[0014]优选的是，燃料核在燃料芯块中的体积占比为30％以上。
[0015]优选的是，大尺寸燃料颗粒与小尺寸燃料颗粒的粒径比为(2.5～3.5)：1。
[0016]优选的是，大尺寸燃料颗粒与小尺寸燃料颗粒的数量比为1：
[0017](5～15)。
[0018]本专利技术提供一种燃料芯块，包括上述的弥散型燃料、设置于弥散型燃料外的包壳。
[0019]本专利技术中的包覆颗粒的弥散型燃料采用双尺寸颗粒填充模型，提高了燃料颗粒在基体材料中的填充率。这样芯块中的燃料体积占比得到了很大程度上的提高，相应地包覆层组和基体结构的体积份额下降，对中子的慢化效果减弱；在大型压水堆和快堆，尤其是气冷快堆的堆芯设计中，本专利技术所提出的燃料方案具有很好的适用性；与现有FCM燃料相比，本专利技术在保证燃料固有安全性的基础上，增加了燃料装载量。
附图说明
[0020]图1为FCM燃料结构示意图；
[0021]图2为实施例2中的基于双尺寸包覆颗粒的弥散型燃料结构示意图；
[0022]图3为不同燃料型式对应的气冷快堆全堆芯中子能谱图。
[0023]图中：1
‑
大尺寸燃料颗粒；2
‑
小尺寸燃料颗粒；3
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基体；4
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燃料核；5
‑
疏松碳化硅缓冲层；6
‑
致密碳化硅层；7
‑
燃料核芯、8
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碳缓冲层、9
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内热解碳层、10
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碳化硅层、11
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外热解碳层；12
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FCM燃料；13
‑
TRISO燃料颗粒；14
‑
SiC基体。
具体实施方式
[0024]为使本领域技术人员更好地理解本专利技术的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。
[0025]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。
[0026]实施例1
[0027]本实施例提供一种包覆颗粒的弥散型燃料，包括：燃料颗粒、基体，燃料颗粒按照大小分为大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒，大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒弥散在基体中，大尺寸燃料颗粒的尺寸大于小尺寸燃料颗粒的尺寸，燃料颗粒包括：燃料核、设置于燃料核外的包覆层组。
[0028]大尺寸燃料颗粒为含易裂变材料的燃料颗粒，小尺寸燃料颗粒为含易裂变材料的燃料颗粒。
[0029]本实施例提供一种燃料芯块，包括上述的弥散型燃料、设置于弥散型燃料外的包
壳。
[0030]本实施例中的包覆颗粒的弥散型燃料采用双尺寸颗粒填充模型，提高了燃料颗粒在基体材料中的填充率。这样芯块中的燃料体积占比得到了很大程度上的提高，相应地包覆层组和基体结构的体积份额下降，对中子的慢化效果减弱；在大型压水堆和快堆，尤其是气冷快堆的堆芯设计中，本实施例所提出的燃料方案具有很好的适用性；与现有FCM燃料相比，本实施例在保证燃料固有安全性的基础上，增加了燃料装载量。
[0031]实施例2
[0032]如图2所示，本实施例提供一种包覆颗粒的弥散型燃料，包括：燃料颗粒、基体3，燃料颗粒按照大小分为大尺寸燃料颗粒1、小尺寸燃料颗粒2，大尺寸燃料颗粒1、小尺寸燃料颗粒2弥散在基体3中，大尺寸燃料颗粒1的尺寸大于小尺寸燃料颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种包覆颗粒的弥散型燃料，其特征在于，包括：燃料颗粒、基体，燃料颗粒按照大小分为大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒，大尺寸燃料颗粒、小尺寸燃料颗粒弥散在基体中，大尺寸燃料颗粒的尺寸大于小尺寸燃料颗粒的尺寸，燃料颗粒包括：燃料核、设置于燃料核外的包覆层组。2.根据权利要求1所述的包覆颗粒的弥散型燃料，基体材料为金属硅化物。3.根据权利要求1所述的包覆颗粒的弥散型燃料，包覆层组包括包覆于燃料核外的疏松碳化硅缓冲层、包覆于疏松碳化硅缓冲层外的致密碳化硅层，致密碳化硅层比疏松碳化硅缓冲层致密性高。4.根据权利要求1所述的包覆颗粒的弥散型燃料，小尺寸燃料颗粒填充于大尺寸燃料颗粒的空隙中。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：周梦飞，刘国明，霍小东，袁媛，
申请(专利权)人：中国核电工程有限公司，
类型：发明
国别省市：