[发明专利]一种高燃耗的快中子堆金属燃料

说明书

本发明公开一种高燃耗的快中子堆金属燃料，所述堆芯内装载有金属燃料，所述金属燃料采用天然铀U‑50Zr合金。通过人为控制温度实现相变，提高燃耗，延长燃料使用的期限；通过提高燃料的燃耗，提高铀的利用率，减小处理核废料的压力；延长燃料的使用周期，降低核电的成本，提高核能的经济性；有效进行了裂变气体的及时释放和燃料缺陷的周期性消除，减少由肿胀引起的芯包力学相互作用，提高安全性。

技术领域

本发明涉及核反应堆燃料技术领域，特别涉及一种高燃耗的快中子堆金属燃料。

背景技术

高燃耗金属燃料装载快中子反应堆作为一种反应堆设计理念主要是针对提升反应堆固有安全性和经济性而提出的，属于快中子反应堆范畴，满足第四代核能技术要求和安全标准。该反应堆设计的基本运行原理是中子将可裂变核素转变为易裂变核素，易裂变核素在中子的撞击下开始燃烧。该反应堆概念包括行波堆，它在首次被浓缩铀燃料点燃之后，会不断地将可裂变燃料元素(U-238)转化为新的易裂变燃料元素(Pu-239)，从而使增殖燃烧波得以扩散。堆芯自增殖大大降低了对铀的浓缩和后处理的需求。

以行波堆为例，其燃料主要来自于乏燃料和贫铀或天然铀，换料周期长，铀资源的利用率可以达到70％，具有高效利用铀资源、减少乏燃料卸出量等优势。快中子增殖堆(典型的例子如行波堆)的广泛使用将会把乏燃料变为宝贵的可利用资源，同时降低对浓缩铀的依赖性。高燃耗的快中子增殖堆卸载的乏燃料，几乎不需要再经过后处理，大量长寿命的放射性核素在快中子堆燃烧过程中嬗变为轻核、短寿命放射性核素，从而有效减少了乏燃料长期的放射性危险。这种快中子堆可以实现几十年不换料，一次装料就可以满足几十年的发电需求，也体现了高燃耗金属燃料装载快中子堆的核心优势。虽然高燃耗金属燃料装载快中子堆具有很好的发展前景，但它仍然面临着很多需要被解决的问题。其中之一则是燃料的服役性能问题。

目前高燃耗金属燃料装载的快中子反应堆堆芯燃料设计的是铀锆合金燃料，而目前金属燃料在堆内运行中出现的诸多问题还没有被解决，如裂变产物导致的燃料肿胀、芯包力学相互作用(FCMI)、甚至芯块开裂等等。它们往往是燃料体系失效的直接原因。这些负面影响不仅会降低反应堆运行的效率，也增大了反应堆的安全隐患。如何从根本上消除芯块在服役条件下的肿胀开裂以及其引起的FCMI，一直以来是研发人员的研究重点。而引起燃料肿胀的最主要因素之一是裂变气体的存在。由于裂变气体原子不溶于金属燃料基体，使得它们在基体内可以自由移动，包括迁移、形核、长大形成气泡等一系列行为。裂变气体原子和气泡在晶内的无阻碍迁移常常会使得它们在晶界处被钉扎而停留，使越来越多的气泡停留在晶界上，使得气泡之间发生相互连通，并最终通过连通通道将裂变气体释放到燃料气腔内。然而，气泡以及裂变气体原子也会和晶内的各种缺陷相互作用，被位错、团簇、核嬗变杂质等缺陷钉扎，从而使气泡丧失迁移的能力，滞留在晶体内，从而使燃料发生几乎不可逆转的肿胀。

为了应对裂变气体带来的肿胀问题，在制造燃料的阶段会保留一定的孔隙用来容纳裂变气体，同时在燃料中间留下中孔，用以排放裂变气体。但是随着燃耗的增加，孔隙被裂变产物所填充，而芯块会逐渐肿胀，导致中心孔逐渐缩小并最终消失，裂变气体就重新被滞留在燃料内部导致燃料的继续肿胀，使得FCMI变得十分显著。因此高燃耗(25％-30％)金属燃料设计把有效密度降低到55％，是为了使燃料有更长的燃耗段承受开放孔隙向封闭孔隙的转化。但是这些措施也只能缓解裂变气体带来的肿胀而延长燃耗，并不能从根本上解决问题。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种高燃耗的快中子堆金属燃料，可用于高燃耗行波堆或其他快中子堆中，以望实现提高铀的利用率的同时，几乎从根本上避免由燃料肿胀导致的FCMI，降低燃料的失效速率，延长燃料的服役时间。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种高燃耗的快中子堆金属燃料，反应堆具有典型的池式快中子堆堆芯，其内装载有金属燃料，所述金属燃料采用天然轴U-50Zr合金。