阅读说明：本技术 一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆 (Pellet fuel core, fuel rod and small-size reactor of metal cooling ) 是由 夏榜样 孙伟 严明宇 余红星 柴晓明 李松蔚 李文杰 于 2019-11-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆,所述颗粒燃料芯体包括若干颗粒燃料,若干颗粒燃料均匀弥散到氧化铍基体中,形成高热导率的燃料芯体,所述颗粒燃料由燃料微球和包覆层构成,所述包覆层包覆在燃料微球外侧,所述包覆层采用耐高温、高热导率的碳化硅制成,所述燃料微球在燃料芯体中的体积份额为30％～60％；所述燃料微球释放的裂变气体通过包覆层、氧化铍基体进行包容,所述燃料微球二氧化铀或铀钚混合氧化物。本发明显著增大了燃料芯体的热导率以及燃料芯体与燃料棒外表面之间的导热系数,可以大幅降低燃料芯体温度,提高金属冷却小型反应堆的设计性能及运行安全性。(The invention discloses a particle fuel core, a fuel rod and a metal cooling small reactor, wherein the particle fuel core comprises a plurality of particle fuels, the particle fuels are uniformly dispersed into a beryllium oxide matrix to form a fuel core with high heat conductivity, the particle fuels comprise fuel microspheres and a coating layer, the coating layer is coated on the outer side of the fuel microspheres, the coating layer is made of high-temperature-resistant and high-heat-conductivity silicon carbide, and the volume fraction of the fuel microspheres in the fuel core is 30-60%; fission gas released by the fuel microspheres is contained through a coating layer and a beryllium oxide substrate, and the fuel microspheres are uranium dioxide or uranium plutonium mixed oxide. The invention obviously increases the heat conductivity of the fuel core and the heat conductivity coefficient between the fuel core and the outer surface of the fuel rod, can greatly reduce the temperature of the fuel core, and improves the design performance and the operation safety of the metal cooling small reactor.)

一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆

技术领域

本发明涉及核反应堆技术领域，具体涉及一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆。

背景技术

液态金属冷却剂反应堆是第IV代先进核能系统的主力堆型，如钠冷快堆(SFR)、铅冷快堆(LFR)等，不仅在核燃料嬗变及增殖方面具有良好的发展潜力，而且还具有独特的高功率密度及长寿命优势。因此，针对不同用途及应用场景，世界各国发展出了多种类型的小型金属冷却反应堆概念方案，如俄罗斯小型铅铋冷却SVBR-75/100、美国小型自然循环SSTAR纯铅冷却快堆等。由于金属冷却反应堆的冷却剂温度高，反应堆堆芯入口温度通常在300℃以上，出口温度在500℃以上，体平均功率密度也在100MW/m³以上，导致燃料棒的燃料芯体温度较高，影响了反应堆的运行安全。目前，液体金属冷却反应堆主要采用高富集度二氧化铀燃料或铀钚混合氧化物燃料、陶瓷芯块、燃料棒，主要通过降低堆芯性能指标等方式来控制燃料芯体温度，如降低功率密度、堆芯冷却剂平均温度等，严重影响了小型金属冷却反应堆的性能。因此，非常需要探索应用于小型金属冷却反应堆的新型燃料，用以降低高功率密度小型金属冷却快堆燃料芯体温度，提高反应堆运行安全性，充分发挥小型金属冷快堆在长寿命、高功率密度方面的优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆，解决现有液态金属冷却小型反应堆燃料芯体温度高、影响运行安全问题。在保证堆芯平均功率密度及线功率密度等不变的条件下，降低燃料棒芯体温度，提高反应堆运行安全性。

本发明通过下述技术方案实现：

一种颗粒燃料芯体，包括若干颗粒燃料，若干颗粒燃料均匀弥散到氧化铍基体中形成高热导率的燃料芯体，所述颗粒燃料由燃料微球和包覆层构成，所述包覆层包覆在燃料微球外侧，所述包覆层采用耐高温、高热导率的碳化硅制成，所述燃料微球在燃料芯体中的体积份额为30％～60％；所述燃料微球释放的裂变气体通过包覆层、氧化铍基体进行包容，所述燃料微球为二氧化铀或铀钚混合氧化物。

本发明采用若干芯体为颗粒燃料的燃料棒，所述颗粒燃料采用二氧化铀或铀钚混合氧化物作为燃料微球，再利用耐高温、高导热性碳化硅(SiC)作为包覆层对燃料微球进行包覆，提高燃料颗粒的导热能力；所述燃料棒，采用具有热导率的氧化铍材料作为基体，将所述燃料颗粒均匀弥散到氧化铍基体中，构成燃料棒的燃料芯体。核燃料的裂变气体通过颗粒燃料包覆层及燃料芯块基体进行包容。如此，本发明可以显著提高燃料棒燃料芯体的导热率、燃料芯体与棒元件外表面之间的导热系数，从而有效降低了燃料芯体温度，获得更大的反应堆运行安全性。

进一步地，颗粒燃料的直径为1.0mm，所述包覆层的厚度为0.2mm。

进一步地，燃料棒包括包壳管，所述燃料芯体设置在包壳管内且与包壳管紧密接触，所述包壳管的两端设置有端塞。

所述燃料棒上端、下端均无气腔，燃料芯体与包壳紧密结合，利用端塞进行上下两端密封。

一种金属冷却小型反应堆，所述反应堆的堆芯包括103盒燃料组件和18盒控制棒组件，所述燃料组件与控制棒组件在堆芯内部均匀交错布置，所述燃料组件与控制棒组件均包括燃料棒。

进一步地，燃料棒的外径为5.0mm～7.0mm。

进一步地，燃料组件包含若干燃料棒、组件盒，若干燃料棒按照正三角形栅格排列在组件盒内。

进一步地，控制棒组件包括若干燃料棒、导向管及组件盒，导向管位于控制棒组件的中心点位置，燃料棒按照正三角形栅格围绕导向管均匀排列在组件盒内，所述导向管内布置控制棒。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明将二氧化铀或铀钚混合氧化物等核燃料作为燃料微球，利用高热导率碳化硅对其进行包覆，形成导热性能优异的燃料颗粒，并将其弥散到导热性能较好的氧化铍基体中，形成了耐高温、高导热率的燃料芯体。此外，燃料棒内无气腔及气隙，燃料芯体与包壳紧密接触。如此，本发明显著增大了燃料芯体的热导率以及燃料芯体与燃料棒外表面之间的导热系数，从而大幅度降低了燃料芯体的平均温度，可以有效提高金属冷却小型反应堆的设计性能及运行安全性。

附图说明

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，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为燃料棒的轴向示意图；

图2为燃料棒的件径向示意图；

图3为颗粒燃料的示意图；

图4为控制棒组件的示意图；

图5为燃料组件的示意图；

图6为堆芯布置示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-颗粒燃料，2-氧化铍基体，3-包壳管，4-端塞，5-燃料微球，6-包覆层，7-燃料棒，8-组件盒，9-导向管，10-控制棒，11-燃料组件，12-控制棒组件。

具体实施方式

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。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4、图5及图6所示，颗粒燃料液态金属冷却小型反应堆，所述颗粒燃料1是通过将富集度为40％的二氧化铀(UO₂)核燃料作为燃料微球5(平均直径约为1.0mm)，再利用耐高温、高热导率的碳化硅(SiC)作为包覆层6对其进行包覆(平均厚度约为0.2mm)形成的导热性能优异的小球；再将颗粒燃料1均匀弥散到氧化铍基体2中，形成燃料棒7的燃料芯体；所述燃料棒7的上端和下端无气腔，径向无气隙，燃料芯体与包壳管3紧密接触，再利用端塞4对燃料棒7进行密封；所述燃料棒7的燃料芯体中，核燃料的体积份额约为30％～60％；所述燃料棒7的核燃料释放的裂变气体通过包覆层6、氧化铍基体2进行包容；所述燃料棒7的外径为6.5mm，包壳厚度为0.5mm，燃料芯体直径为6.0mm。

所述颗粒燃料金属冷却小型反应堆的燃料组件11，由127根燃料棒元件7、组件盒8构成，燃料棒7按照正三角形栅格均匀排列，形成正六边形燃料组件；所述组件盒8的厚度为2.0mm，材料为不锈钢，外对边距为90.0mm。

所述颗粒燃料金属冷却小型反应堆的控制棒组件12，由108根燃料棒7、导向管9及组件盒8构成；导向管9布置在组件中心点处，占用19根燃料棒7的栅格位置，外径为33mm，厚度为2.0mm，燃料棒7围绕导向管9按照正三角形栅格均匀排列，形成外对边距为90.0mm的正六边形控制棒组件。

所述颗粒燃料金属冷却小型反应堆的堆芯，由103盒所述燃料组件11、18盒所述控制棒组件12构成，热功率为100MW，活性区高度为0.8m，径向最大外接圆直径仅为1.12m，冷却剂出入口温度为360℃/500℃，体功率密度为141MW/m³，线功率密度为8.3kW/m，燃耗寿期为1000等效满功率天，燃料芯体最高温度600℃。堆芯主要设计参数见表1。

表1反应堆主要设计参数

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。