石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件
阅读说明：本技术 石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件 (Fast neutron reactor high-burnup metal fuel element using graphite foam as heat-conducting medium ) 是由 刘翔 恽迪 张少泓 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件,涉及核工程技术领域。包括：燃料芯体及所述芯体侧壁外设有的包壳,所述芯体与所述包壳间填充有多孔导热介质。本发明在燃料-包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质,规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题,并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。(The invention provides a high-burnup metal fuel element of a fast neutron reactor using graphite foam as a heat-conducting medium, and relates to the technical field of nuclear engineering. The method comprises the following steps: the fuel core and the cladding arranged outside the side wall of the core are filled with porous heat-conducting media. According to the invention, the high-porosity porous heat-conducting medium with good heat conductivity is selected in the fuel-cladding gap to replace liquid sodium in the traditional fuel as the heat-conducting medium, so that a plurality of problems caused by the liquid sodium in fuel preparation and spent fuel aftertreatment are avoided, and the fuel consumption life of the uranium zirconium alloy is expected to be remarkably prolonged.)
技术领域
本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件。
背景技术
快中子反应堆(简称快堆)是大大提高铀资源利用率和实现燃料闭式循环的关键。铀锆/铀钚锆(U-Zr/U-Pu-Zr)合金具有良好的传热性能和与包壳材料的较好兼容性，因此被认为是钠冷快堆等先进堆的主要候选燃料之一。
根据现有数据，铀锆/铀钚锆合金在反应堆内辐照后呈现各向异性的快速肿胀，并在燃耗到仅1-2％菲马(FIMA)左右开始有显著的裂变气体释放。最初，燃料的肿胀、裂变气体释放、燃料包壳力学相互作用(FCMI)等因素极大地限制了铀锆/铀钚锆合金的燃耗寿命。通过减小包壳内燃料的体积和增加容纳裂变气体的气腔体积，燃料裂变气体释放导致的内压增高和肿胀导致的燃料-包壳力学相互作用(FCMI)等问题得到极大缓解，优化后的铀锆合金最高可达到10-20％的燃耗。目前，在较高燃耗下燃料-包壳化学相互作用(FCCI)成为限制铀锆/铀钚锆合金达到更高燃耗的关键因素。
为了容纳燃料的肿胀，传统的铀锆金属燃料中燃料和包壳之间预留了较大的间隙。而为了降低燃料的温度，燃料-包壳间隙里填充了液态钠作为导热介质。液态钠的主要优点是与中子反应截面小且同时热导率较高，在550℃下热导率约为65W/(m·K)。然而，液态钠的加入一方面给燃料的后处理带来诸多不便，另一方面近期研究表明液态钠可能大大加速了镧系裂变产物向包壳的扩散。镧系裂变产物(主要为钕和铈)向包壳快速扩散后会显著降低包壳的有效壁厚和局部力学性能，是包壳在较高燃耗下破损的主要诱因。因此，为了达到更高燃耗，我们需要设计一款不含液态钠导热介质的新型铀锆合金燃料，以避免燃料元件内液态钠对燃料-包壳化学相互作用和后处理的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，该元件在燃料-包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质，规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题，并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。
本发明的目的是提供一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，包括：
燃料芯体及所述芯体侧壁外设有的包壳，所述芯体与所述包壳间填充有多孔导热介质。
优选的，所述多孔导热介质空隙率为65～75％，其孔隙大小为50～100μm。
优选的，所述多孔导热介质的导热率为≥100W/(m·K)。
优选的，所述多孔导热介质为石墨泡沫。
优选的，所述芯体与所述包壳之间的间隙尺寸为1.2±0.1mm。
优选的，所述芯体与所述包壳之间的间隙中还填充有氦气。
优选的，所述芯体中央还开设有通孔，所述通孔内填充有氦气。
优选的，所述芯体材质为铀锆合金。
优选的，所述包壳壁厚为0.6±0.1mm。
更优选的，所述包壳的材质为铁素体-马氏体钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在燃料-包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质，规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题，并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。
本发明提供的一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，该元件在燃料-包壳间隙里选用了孔隙率为65～75％的多孔导热介质，具体采用石墨泡沫作导热介质，导热率可达100～180W/(m·K)，压缩强度为约10MPa，且在700℃下结构和性能均较为稳定。
本发明提供的燃料元件，采用石墨泡沫作导热介质，其燃料在燃耗约1％菲马后开始与包壳直接接触，并释放裂变气体。在随后的服役过程中，燃料的肿胀主要表现为纵向的伸长。在燃耗低于1％的时候，根据经验数据，燃料元件内部压力将小于5MPa，因此不会对导热介质石墨泡沫的结构产生显著影响。在更高燃耗下，燃料肿胀后将逐步挤占石墨泡沫中原来的空隙位置，并开始与包壳直接接触以热传导方式传热，多孔介质石墨泡沫的对传热的重要性将逐渐降低。
本发明提供的元件极大缓解燃料包壳化学相互作用，显著提升快堆燃料的燃耗寿命和对铀的利用效率；通过新型燃料设计提升快堆的整体经济性和安全性；去除了传统铀锆/铀钚锆合金燃料中的液态钠导热介质，更加有利于燃料的后处理。
附图说明
图1为实施例1提供的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件结构示意图。
图2为实施例1提供的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件的截面结构示意图。
图3为实施例2和3提供的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件的结构示意图。
图4为实施例1和对比例1的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件的中子能谱对比图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例以钠冷快堆中铀锆合金燃料设计为例对本发明提供的元件进行说明。
实施例1
一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，见图1～2所示，包括：
燃料芯体1及所述芯体1侧壁外设有的包壳3，所述芯体1与所述包壳3间填充有多孔导热介质2。
燃料芯体1为圆柱体燃料棒，直径为4.8mm，材质为铀锆合金；
包壳3材料为铁素体-马氏体钢，
包壳3壁厚为0.6mm，
包壳3内径为6.0mm；
多孔导热介质2为石墨泡沫，孔隙率为70％(等效密度0.68g/cm3)，孔隙大小平均为70μm，导热率为150W/(m·K)，其内部填充有氦气。
本实施例提供的燃料芯体，在燃料芯体的上方或下方需要预留一部分空间作为容纳裂变气体的气腔，此结构与传统铀锆金属燃料元件一样。因此，在图1～2中未画出气腔。
实施例2
一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，见图3所示，包括：
燃料芯体1及所述芯体1侧壁外设有的包壳3，所述芯体1与所述包壳3间填充有多孔导热介质2。
芯体材质仍为铀锆合金；
为了降低燃料中心温度，燃料芯体1中央还开设有通孔11，其通孔11的半径为芯体外半径的1/3，通孔内填充有氦气；
包壳3材料为铁素体-马氏体钢，
包壳3壁厚为0.6mm，
包壳3内径为6.0mm；
多孔导热介质2为石墨泡沫，孔隙率为70％(等效密度0.68g/cm3)，孔隙大小平均为70μm，导热率为150W/(m·K)，其内部填充有氦气。
本实施例提供的燃料芯体，在燃料芯体的上方或下方需要预留一部分空间作为容纳裂变气体的气腔，此结构与传统铀锆金属燃料元件一样。
实施例3
一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，见图3所示，包括：
燃料芯体1及所述芯体1侧壁外设有的包壳3，所述芯体1与所述包壳3间填充有多孔导热介质2。
芯体材质仍为铀锆合金；
为了降低燃料中心温度，燃料芯体1中央还开设有通孔11，其通孔11的半径为芯体外半径的1/2，通孔内填充有氦气；
包壳3材料为铁素体-马氏体钢，
包壳3壁厚为0.6mm，
包壳3内径为6.0mm；
多孔导热介质2为石墨泡沫，孔隙率为70％(等效密度0.68g/cm3)，孔隙大小平均为70μm，导热率为150W/(m·K)，其内部填充有氦气。
本实施例提供的燃料芯体，在燃料芯体的上方或下方需要预留一部分空间作为容纳裂变气体的气腔，此结构与传统铀锆金属燃料元件一样。
对比例1
与实施例1相同，不同之处在于，液态钠代替多孔导热介质。
为了验证本发明提供的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件中多孔石墨对中子能谱的潜在影响，对实施例1和对比例1提供的燃料元件进行了快中子通量的对比分析，见图4所示
图4为实施例1和对比例1提供的石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件的中子能谱图。
从图4中可知，采用钠和采用多孔石墨泡沫作为导热介质情况下的燃料棒内中子能谱对比，可以看到，多孔石墨对中子能谱的慢化作用非常小。因此，从反应堆物理的角度，采用多孔石墨泡沫替代液态钠是可行的。
从燃料制备以及乏燃料后处理的角度来说，该燃料设计很好的规避了液态钠带来的诸多问题，可以突破现有铀锆/铀钚锆合金燃料的燃耗极限(超过20％菲马)，能够更好地满足多种快堆的设计要求。
综上，本发明提供的一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，在燃料-包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质，规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题，并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。
本发明提供的燃料元件在燃料-包壳间隙里选用了孔隙率为65～75％的多孔导热介质，具体采用石墨泡沫作导热介质，导热率可达100～180W/(m·K)，压缩强度可达约10MPa，且在700℃下结构和性能均较为稳定。
本发明提供的燃料元件，采用石墨泡沫作导热介质，其燃料在燃耗约1％菲马后开始与包壳直接接触，并释放裂变气体。在随后的服役过程中，燃料的肿胀主要表现为纵向的伸长。在燃耗低于1％的时候，根据经验数据，燃料元件内部压力将小于5MPa，因此不会对导热介质石墨泡沫的结构产生显著影响。在更高燃耗下，燃料肿胀后将逐步挤占石墨泡沫中原来的空隙位置，并开始与包壳直接接触以热传导方式传热，多孔介质石墨泡沫的对传热的重要性将逐渐降低。
本发明为了避免液态钠加速镧系裂变产物向包壳的扩散，用传热性能良好的多孔介质石墨泡沫取代液态钠作为燃料和包壳之间的导热介质；在多孔介质中预留足够的孔隙率，以容纳铀锆/铀钚锆合金的肿胀，显著降低FCMI；不需要改变铀锆/铀钚锆合金燃料棒的传统制造工艺，仅需要在燃料和包壳之间放置多孔导热介质，极大简化了燃料元件的生产过程，降低了燃料制造成本。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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