燃料元件、高温气冷堆、高温气冷反应堆系统

摘要

本发明公开一种燃料元件、高温气冷堆、高温气冷反应堆系统，涉及高温气冷堆技术领域，以解决现有的燃料球在不停堆换料时容易产生粉尘污染的技术问题。本发明所述的燃料元件，包括：多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；并且，燃料盒的侧壁开设有多个孔。

说明书

技术领域

本发明涉及高温气冷堆技术领域，特别涉及一种燃料元件、高温气冷堆、高温气冷反应堆系统。

背景技术

高温气冷堆采用涂敷颗粒燃料，以石墨作慢化剂。堆芯出口温度可达850～1000℃，甚至更高；核燃料一般采用高浓二氧化铀，亦有采用低浓二氧化铀的；根据堆芯形状，高温气冷堆分球床高温气冷堆和棱柱状高温气冷堆。

具体地，现有技术中，燃料球一旦投入堆芯，其在堆内的逗留时间和移动路线完全不在人们的掌控之中，相邻球间的空隙率也完全是随机不可控的，从而使得对于堆芯内某点附近区域而言，其燃料球发热量与氦气导出热量两者不但是不可预计的，而且是随时间改变的；在球床堆内可能出现一些球温非常高的局部区域，即所谓热点，这有可能导致反应堆一回路被与石墨粉尘混在一起的金属裂变产物严重污染。

因此，如何提供一种燃料元件、高温气冷堆、高温气冷反应堆系统，能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃料元件、高温气冷堆、高温气冷反应堆系统，以解决现有的燃料球在不停堆换料时容易产生粉尘污染的技术问题。

本发明提供一种燃料元件，包括：多个包含燃料元件的燃料盒，所述燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，所述燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；所述燃料盒的侧壁开设有多个孔。

其中，本发明所述的燃料元件中，所述燃料盒采用正四边形棱柱体结构，且包括多个燃料元件盒和/或控制棒套管；所述燃料元件盒采用圆柱体结构或正四边形棱柱体结构，且所述燃料元件盒中装载有TRISO燃料的燃料球。

具体地，本发明所述的燃料元件中，所述燃料元件盒的侧壁开设有多个孔。

进一步地，本发明所述的燃料元件中，所述燃料元件盒内还装载有石墨球。

或，所述燃料元件盒内还装载有石墨球，且所述石墨球含有作为可燃毒物的中子吸收材料。

实际应用时，本发明所述的燃料元件中，所述燃料盒内还装载有束棒燃料元件，所述束棒燃料元件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒。

实际应用时，本发明所述的燃料元件中，所述燃料盒内还装载有套筒组件，所述套筒组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的圆筒形燃料元件。

其中，本发明所述的燃料元件中，所述圆筒形燃料元件的中心插入有碳化硅包壳的石墨棒。

或，所述圆筒形燃料元件的中心插入有碳化硅包壳的可燃毒物棒，且所述可燃毒物棒包括TRISO包覆颗粒燃料，所述TRISO包覆颗粒燃料包括作为可燃毒物的吸收体材料，所述吸收体材料可以是含硼材料或含钆材料或含铒材料。

实际应用时，本发明所述的燃料元件中，所述燃料盒内还装载有蜂窝棱柱式燃料组件，所述蜂窝棱柱式燃料组件包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒和碳化硅管组成的阵列填充石墨粉。

相对于现有技术，本发明所述的燃料元件具有以下优势：

本发明提供的燃料元件，包括：多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；并且，燃料盒的侧壁开设有多个孔。由此分析可知，本发明提供的燃料元件，由于包括多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；此外，由于燃料盒的侧壁开设有多个孔，因此更有利于燃料元件的充分换热。

本发明还提供一种高温气冷堆，包括：如上述任一项所述的燃料元件。

所述高温气冷堆与上述燃料元件相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

本发明还提供一种高温气冷反应堆系统，包括：多个如上述所述的高温气冷堆，且采用氦气作为冷却剂。

所述高温气冷反应堆系统与上述燃料元件及高温气冷堆相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第一种结构示意图；

图2为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第二种结构示意图；

图3为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第三种结构示意图；

图4为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第四种结构示意图；

图5为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有束棒燃料元件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有套筒组件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有蜂窝棱柱式燃料组件的结构示意图。

图中：11－燃料元件盒；12－控制棒套管。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前市场对替代燃煤的高温蒸汽锅炉的需求非常迫切，海岛、边远地区等孤立地区的小型多功能电站也有很大的需求。小型高温气冷堆是一种现实的解决方案。

其原因在于小型高温气冷堆所需要的基本技术在国内已经成熟或者接近成熟，制造技术的瓶颈已经被攻克。核燃料、微通道换热器，氦气风机等在国内均有成熟的制造技术。

目前高温气冷堆遇到的问题主要是反应堆的功率大，堆芯的比功率小，换热器选型的难度大。

我们的建议是小型高温气冷堆的最大功率是100MW热功率，采用停堆换料方式和固定晶格的堆芯布置方式，采用二氧化碳布雷顿循环的发电方式，采用微通道换热器。

为了加快研发进度，可以先从更小功率的核反应堆起步。例如可以先研发50MW热功率的多功能电站，进行项目建设，以完成系统设计、设备验证等工作。该项工作可以申请军民融合技术的政策支持。

拟在此基础上，以50MW和100MW的高温气冷堆为核心，研发下列3个系列的标准模块化产品：

A.发电加海水淡化，适用于海岛；

B.发电加供暖，适用于西北边远地区；

C.工业蒸汽，适用于工业园区。

该项目的概念设计可以与清华大学工物系或原子能院合作。工程设计和项目建设可以与原子能院和华东电力研究设计院合作。

具体如下：

图1为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第一种结构示意图；图2为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第二种结构示意图；图3为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第三种结构示意图。

如图1－图3所示，本发明实施例提供一种燃料元件，包括：多个包含燃料元件的燃料盒，燃料盒采用正四面体结构(如图1所示)、正四边形棱柱体结构(如图2所示)或正六边形棱柱体结构(如图3所示)，燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；燃料盒的侧壁开设有多个孔。

相对于现有技术，本发明实施例所述的燃料元件具有以下优势：

本发明实施例提供的燃料元件，如图1－图3所示，包括：多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料盒采用正四面体结构(如图1所示)、正四边形棱柱体结构(如图2所示)或正六边形棱柱体结构(如图3所示)，燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料；并且，燃料盒的侧壁开设有多个孔。由此分析可知，本发明实施例提供的燃料元件，由于包括多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；此外，由于燃料盒的侧壁开设有多个孔，因此更有利于燃料元件的充分换热。

此处需要补充说明的是，固态燃料熔盐堆概念是由美国科学家于本世纪初首先提出的，其采用氟化物熔盐作为冷却剂，石墨作为慢化剂，三结构同向性型(Tri－structuraliso－tropic，TRISO)包覆颗粒球形元件作为燃料。

此外，燃料颗粒是由覆盖层包裹的易裂变材料或易裂变材料——可转换材料混合物的燃料颗粒弥散在石墨基体内制成的混合燃料体，是一种新型燃料元件形式，它不仅在设计原理上提高了燃料元件的安全性，而且通过实际辐照试验也体现了其固有的安全特性。

包覆燃料颗粒的设计经历了两个阶段。最初的结构为BISO型，即在球形燃料核芯的外周相继沉积上疏松热解炭层和致密热解炭层。随着辐照试验和辐照后安全检测试验的进行，BISO型包覆燃料颗粒逐步显现出其在结构上的局限性，主要表现在沉积层强度不高以及对金属裂变产物阻挡能力较低。随后设计了TRISO型结构的包覆燃料颗粒，即在原有疏松热解炭层和致密热解炭层的基础上，又沉积上碳化硅层和致密热解炭层。

图4为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒的第四种结构示意图。

其中，本发明实施例提供的燃料元件中，如图4所示，上述燃料盒可以采用正四边形棱柱体结构，且可以包括多个燃料元件盒11和/或控制棒套管12；上述燃料元件盒11可以采用圆柱体结构或正四边形棱柱体结构，且燃料元件盒11中可以装载有TRISO燃料的燃料球。

具体地，本发明实施例提供的燃料元件中，上述燃料元件盒11的侧壁可以开设有多个孔。

进一步地，本发明实施例提供的燃料元件中，上述燃料元件盒11内还可以装载有石墨球。

或，上述燃料元件盒11内还可以装载有可燃毒物球，且该可燃毒物球包括TRISO包覆颗粒燃料，所述TRISO包覆颗粒燃料包括作为可燃毒物的吸收体材料，所述吸收体材料可以是含硼材料或含钆材料或含铒材料。

可燃毒物布置在堆芯内，主要用来吸纳较大的初始后备反应性、加深燃耗和展平中子注量率分布的固体中子毒物。如硼、钆和铒的化合物。随着反应堆运行，可燃毒物因吸收中子逐渐减少，被其吸纳的后备反应性将又逐渐释放出来。

图5为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有束棒燃料元件的结构示意图。

实际应用时，本发明实施例提供的燃料元件中，如图5所示，上述燃料盒内还可以装载有束棒燃料元件，该束棒燃料元件可以包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒；也即束棒燃料元件可以包含单个或复数个碳化硅套管用来容纳可燃毒物棒或者控制棒。

图6为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有套筒组件的结构示意图。

实际应用时，本发明实施例提供的燃料元件中，如图6所示，上述燃料盒内还可以装载有套筒组件，该套筒组件可以包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的圆筒形燃料元件，且圆筒形燃料元件可以有多个。

其中，本发明实施例提供的燃料元件中，上述圆筒形燃料元件的中心可以插入有碳化硅包壳的石墨棒。

或，上述圆筒形燃料元件的中心可以插入有碳化硅包壳的石墨棒，或插入有碳化硅包壳的可燃毒物棒，所述可燃毒物棒包括TRISO包覆颗粒燃料，所述TRISO包覆颗粒燃料包括作为可燃毒物的吸收体材料，所述吸收体材料可以是含硼材料或含钆材料或含铒材料。

碳化硅包壳的石墨棒竖放，不仅能够形成自然循环，而且更提高堆芯氦气流动的均匀性。

具体地，本发明实施例提供的燃料元件中，上述吸收体材料可以是硼或钆。

图7为本发明实施例提供的燃料元件中燃料盒内装载有蜂窝棱柱式燃料组件的结构示意图。

实际应用时，本发明实施例提供的燃料元件中，如图7所示，上述燃料盒内还可以装载有蜂窝棱柱式燃料组件，该蜂窝棱柱式燃料组件可以包括：碳化硅包壳，以及TRISO包覆颗粒燃料为芯体的燃料棒和碳化硅管组成的阵列填充石墨粉。

其中，本发明实施例提供的燃料元件中，上述蜂窝棱柱式燃料组件可以是正四棱柱或正六棱柱。

此处需要补充说明的是，涂敷颗粒太小，无法直接使用，只有将涂敷颗粒分散在石墨基体中压制成燃料密实体，再将密实体装入有石墨包壳组成不同形状的燃料元件使用。例如：球形元件、柱形元件等。

进一步地，例如柱形元件的棱柱块上可以开有燃料孔和冷却剂孔，控制棒孔，控制毒物孔，装卸孔。

具体地，采用石墨作为慢化剂和主要的结构材料的原因是：热中子吸收截面小；高温下有较好的机械性能和稳定性；抗热震性能好。

本发明实施例还提供一种高温气冷堆，包括：如上述任一项所述的燃料元件。

相对于现有技术，本发明实施例所述的高温气冷堆具有以下优势：

本发明实施例提供的高温气冷堆中，由于燃料元件包括多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；此外，由于燃料盒的侧壁开设有多个孔，因此更有利于燃料元件的充分换热。

本发明实施例还提供一种高温气冷反应堆系统，包括：多个如上述所述的高温气冷堆，且采用氦气作为冷却剂。

高温气冷堆采用氦气作为冷却剂带走核反应产生的热量，具有热效率高、固有安全性好等特点；并且，容易净化。

相对于现有技术，本发明实施例所述的高温气冷反应堆系统具有以下优势：

本发明实施例提供的高温气冷反应堆系统中，由于高温气冷堆的燃料元件包括多个包含燃料元件的燃料盒，该燃料元件采用TRISO包覆颗粒燃料，燃料盒采用正四面体结构、正四边形棱柱体结构或正六边形棱柱体结构，也即采用有序排列的方式，因此堆芯结构紧凑，便于定期换料，且能够与维修周期同步，从而能够有效避免不停堆换料时产生的粉尘污染，同时便于运输，节省成本；此外，由于燃料盒的侧壁开设有多个孔，因此更有利于燃料元件的充分利用和定期更换。

高温气冷反应堆是由普通的石墨气冷堆发展而来的反应堆。工作原理是：用石墨做为慢化剂，用气体氦作为冷却剂(这就是“气冷”)，氦气的温度高达800度左右(这就是“高温”)

具体过程是：当反应堆内的核燃料进行核反应时，放出中子，速度太快的中子经过石墨碰撞便慢下来(因为在此堆里只有慢中子才能与铀燃料发生有效反应)，以维持核反应。核反应时要释放出大量的热量，如果不把热量带走，就会烧毁反应堆，所以用气体(氦)流经堆芯，把热量带到热交换器，再由另一路冷却剂把氦气冷却，降温后的氦气又回到堆芯继续冷却反应堆，形成闭式循环回路。

这就是高温气冷堆的最简单原理。目前世界上使用最多的是压水堆，特别是核潜艇上基本都是压水堆，目前各国核潜艇上绝对没有高温气冷堆，它的体积太大。

高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳，两层高密度热介碳和一层碳化硅。是一种新型燃料元件形式，它不仅在设计原理上提高了燃料元件的安全性，而且通过实际辐照试验也体现了其固有的安全特性。包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内，实验表明，在1600℃的高温下加热几百小时，包覆颗粒燃料仍保持其完整性，裂变气体的释放率仍低于10

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。