发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种用于空间推进的径向流动高温气冷堆燃料组件和工作方法，克服包括但不限于压降、腐蚀、热不稳定性和制造方法的复杂性等已知问题，从而优化燃料的传热性能以及力学性能，为高推力和高比冲的核热堆芯的设计提供参考。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件，所述燃料组件是基于径向流动提高核燃料的换热面积和体积比以改善燃料与冷却剂流动换热能力的原理，包括位于整个燃料组件最底部的燃料组件底座1，对整个燃料组件起支撑作用，并有引导高温冷却剂流动的出口；位于燃料组件底座1外围上方的燃料组件包壳2，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，对整个燃料组件起保护作用，用于组件之间的固定和对接；位于燃料组件底座1外围上方并位于燃料组件包壳2内的慢化剂区3，用于对燃料工作时产生的快中子进行慢化，以便于链式裂变反应的延续；位于燃料组件底座1外围上方并位于慢化剂区3内的慢化剂区包壳4，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接，用于将冷却剂外腔与慢化剂区隔绝开，防止高温的冷却剂对慢化剂区的腐蚀破坏；位于燃料组件底座1正上方的燃料环堆叠区5，由核燃料环堆叠而成，其中开有用于冷却剂流动的多个径向流道，用于链式反应的发生和冷却剂与高温核燃料的流动换热；位于燃料环堆叠区5外部，对燃料环堆叠区5起位置约束作用的燃料环堆叠区紧固件6，与燃料组件底座1使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区5上方，用于固定燃料环堆叠区紧固件6的燃料环堆叠区顶盖7，与燃料环堆叠区紧固件6使用熔焊方法连接；位于燃料环堆叠区顶盖7上方的燃料组件顶盖8，与燃料组件包壳2、慢化剂区包壳4、燃料环堆叠区顶盖7均使用熔焊方法连接，用于整个燃料组件的固定，并有引导低温冷却剂流动的入口；所述燃料环堆叠区5和慢化剂区包壳4中间为外腔，燃料环堆叠区5中间的空腔为内腔。

所述燃料组件底座1和燃料组件顶盖8使用W-3Re合金制造。

所述燃料组件包壳2和慢化剂区包壳4使用W-25Re合金制造。

所述燃料环堆叠区5的燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造。

所述慢化剂区3采用的中子慢化剂为高纯石墨。

所述燃料环堆叠区5的燃料环上开有横截面为矩形的，用于冷却剂流动的径向流道。

所述燃料环堆叠区5由使用熔焊方法连接在燃料组件底座1和燃料环堆叠区顶盖7上的燃料环堆叠区紧固件6固定。

所述用于空间推进的径向流动的高温气冷堆燃料组件的工作方法，其特征在于：工作时，低温冷却剂由燃料组件顶盖8上的入口进入燃料组件，流入位于燃料环堆叠区5和慢化剂区包壳4中间的外腔进行流量分配，在通过燃料环堆叠区5上的径向流道时被发生裂变反应的燃料块加热，温度升高，速度增加；冷却剂从燃料环堆叠区5上的径向流道流出之后在燃料环堆叠区5中间的内腔汇合搅混，最后从燃料组件底座1的出口去往冷却剂喷射系统。

所述冷却剂采用氢气。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明的燃料组件相比于传统核热推进的燃料组件，采用了组件外腔-径向冷却剂流道-组件内腔的冷却剂流道布置。由于组件外腔的存在，冷却剂将高温燃料区和慢化剂区分离开，整个燃料组件在工作时，只有燃料处于高温状态。这一特点延长了结构材料的使用寿命，并允许组件采用低熔点的，性能更好的慢化剂材料，使得堆芯较为紧凑，中子泄漏降低。组件采用的径向冷却剂流道布置，大大增加了燃料和冷却剂之间的流动换热面积，提高了换热效率，使得相同体积的堆芯的功率相比传统燃料元件堆芯功率大幅提高。

2、本发明的燃料组件，燃料环是由碳化铀，碳化锆和碳化铌制成的固溶体陶瓷制造，在高温下具有较好的工作性能，防止高温下燃料发生熔化，提高核热推进的安全性。

3、本发明的燃料组件，慢化剂区采用的中子慢化剂为高纯石墨，高温性能良好，中子慢化能力较好，成本较低，有利于提高反应堆的中子利用率，降低堆芯制造成本。

4、本发明的燃料组件，燃料环堆叠区的燃料环上开有横截面为矩形的，用于冷却剂流动的径向流道，有利于提高核燃料的换热面积和体积比，改善燃料与冷却剂流动换热能力，从而防止燃料出现热不稳定性。

5、本发明的燃料组件，通过外腔室的流量分配将冷却剂导入燃料环堆叠区的燃料环上的相对较短径向流道内，降低了流道内的压降损失，防止流道出现腐蚀。

6、本发明的燃料组件，具有较简单的结构和连接方式，降低了燃料元件设计的工艺要求，实用性较强。