[发明专利]一种颗粒燃料芯体、燃料棒及金属冷却小型反应堆

说明书

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。

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。