一种核反应堆燃料单元及组件

本发明属于核反应堆，具体涉及一种核反应堆燃料单元及组件。

背景技术：

1、传统的压水堆核电厂反应堆堆芯由不同数量的燃料组件构成，每个燃料组件由不同数量的细长圆柱形燃料棒、导向管、定位格架及管座等构成。每根燃料棒由堆叠在燃料包壳管内的核燃料芯块组成，燃料包壳管大多采用锆合金材料，在燃料芯块与包壳管之间留有气隙，以包容裂变气体，燃料包壳管上、下部用端塞焊接密封。在核反应堆正常运行时，燃料芯块释放的热量需通过气隙传递至包壳，进而加热冷却剂，气隙中气体导热系数低，热阻大，影响了燃料芯块的传热效果，导致燃料芯块温度较高；事故工况下，反应堆堆芯温度可能显著升高，锆合金包壳在800℃以上会发生锆水反应，生成氢气，可能造成燃料包壳破损，进而导致燃料棒内的放射性物质向外释放，严重威胁核反应堆安全。

2、类似地，金属冷却快堆、气冷堆及小型核动力反应堆等大多使用细长圆柱形燃料元件棒，多组燃料棒按规则组合构成燃料组件及堆芯。燃料棒外部通常采用金属包壳包容燃料芯块，起到导热及放射性物质包容的作用，但是由于燃料包壳与芯块之间同样存在气隙，预充气体密度及导热系数低，导致传热热阻大，影响燃料芯块向燃料包壳外部传热的效果。

3、目前正在开发sic燃料包壳材料，其优点是高导热、抗高温蠕变、耐腐蚀、具有良好辐照稳定性等，缺点是细长管型sic陶瓷材料的强度较低，难以承受压水堆运行过程中的热应力循环及燃料-包壳力学相互作用；机械加工性能差，难以像金属材料一样采用现有常规技术进行成型、切削、焊接等；另外，sic陶瓷材料与金属端塞等结构的焊接、密封问题尚未完全解决。

4、除了上述传统uo2燃料芯块与包壳管构成的燃料元件棒之外，triso燃料颗粒已被广泛应用于高温堆，其结构从内向外依次为包含易裂变材料的核芯、疏松热解碳构成的缓冲层(可容纳裂变产物)、高密度的内热解碳层、sic层、高密度外热解碳层，多层包覆层的设计具有良好的裂变产物包容能力。由于颗粒呈球形，粒径相对较小，强度很高，同时由于sic耐高温，所以这种燃料颗粒可以长时间在1600℃的温度下保持包壳和燃料的完整性，防止裂变产物释放到环境中。在现有反应堆中，大量的triso燃料颗粒弥散在石墨、sic等基体中，带来弥散颗粒分布均匀度、各向同性/异性特性变化、加工不易等问题，且弥散基体造成燃料体积、重量增加、热阻增加，铀密度低(功率密度低)。

5、综合上述现有技术，传统的燃料组件大多采用细长圆柱状金属包壳包容uo2燃料芯块，由于包壳与燃料芯块之间气隙换热系数低、有效换热面积较小，导致燃料芯块温度较高且堆芯功率密度受到限制。triso燃料颗粒具有固有安全性，本身即具备核燃料的所有功能，且具有无气隙导热、有效换热面积大、耐高温、耐腐蚀、辐射稳定性好等优点，是一种具有广泛应用潜力的新型堆芯燃料。本发明中，对核反应堆燃料单元及堆芯进行重新设计，提出一种分区包容triso燃料颗粒的金属网型反应堆燃料单元及堆芯，体积重量小，传热效果好，能够完全避免锆水反应，可基于不同反应堆堆型改变燃料单元和堆芯的形状和布置形式，堆芯结构灵活，强度高，易于加工，极具应用前景。

技术实现思路

1、针对上述情况，本发明的目的是提供一种核反应堆燃料单元及组件，由triso燃料颗粒、金属包覆网、结构格架、搅混格架构成燃料单元，其中，triso燃料颗粒堆叠单列或多列放置于金属包覆网或开孔的金属包壳内，金属包覆网的网孔或开孔的金属包壳的开孔直径略小于triso燃料颗粒外径，以保证燃料颗粒始终包容在金属网内；金属包覆网及内部燃料颗粒以一定的形状(如螺旋状、棒状、板状、栅格板状、环状、多孔状等)固定在结构格架上，构成燃料单元。在燃料单元结构格架特定位置处设置搅混格架，以加强冷却剂的流动和搅混。多组燃料单元以一定规则分区排列，各区之间预留冷却剂流通通道，构成燃料组件。根据不同反应堆堆型设计下，将多组燃料组件按不同的形式进行排列组合构成反应堆堆芯。其中，在特定燃料组件内设置导向管，用于控制棒、可燃毒物、中子源等功能组件的定位、导向、放置；对于小型堆，也可以在上述堆芯外部预留控制转鼓区域，实现反应性控制。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种核反应堆燃料单元，包括triso燃料颗粒球、包壳、定位格架、搅混翼片，所述包壳为金属网或开孔的金属包壳，金属网或开孔的金属包壳构成包覆通道，triso燃料颗粒球堆叠单列或多列排布在包覆通道内，金属网的网孔直径略小于triso燃料颗粒的外径，包覆triso燃料颗粒球的金属网包覆通道固定在定位格架上，构成燃料单元，并在定位格架上设置搅混翼片。

4、所述triso燃料颗粒球用于发生核裂变反应、产生热量，其内部燃料可选用uo2、un，并采用sic包壳结构，triso燃料颗粒球直径为1-5mm。

5、所述金属网分隔成许多独立的小单元，每个单元内装有一定量的triso颗粒球。

6、所述搅混翼片的形式为具有一定角度的折弯的金属片或交叉式搅混翼。

7、所述燃料单元结构形状为螺旋状、棒状、板状、栅格板状、环状或多孔状，并可以根据堆型的需要选择合适的燃料单元的布置形式。

8、一种燃料组件，多组燃料单元按照一定规则排列，构成反应堆燃料组件，排列形式包括：螺旋形燃料单元顺排、插排，构成矩形、圆形、环形或六角形不同组件形式，燃料单元之间预留冷却剂流道。

9、所述板状、栅格板状燃料单元按顺序排列，燃料单元之间预留一定间隙供冷却剂流过，冷却剂可以直接流经燃料单元金属网内部。

10、所述环形燃料单元同轴排布，不同环形燃料单元之间预留冷却剂通道。

11、燃料单元采用多孔体形式分区布置，燃料颗粒弥散在金属网围成的多孔区域内部。

12、本发明的有益效果在于：

13、(1)与sic包壳管形式相比，本发明采用具有sic包壳的triso燃料颗粒直接作为核燃料的方式，保留了sic包壳耐高温、耐腐蚀、辐射稳定性好等优点，无需进行额外切削、焊接、密封等，克服了sic包壳管不易加工的难点及芯块与sic包壳管之间的气隙、辐照，以及高温条件下的相互作用带来的不利影响。

14、(2)与triso颗粒弥散到石墨、陶瓷或耐高温金属等类型的堆芯相比，本发明采用具有sic包壳的triso燃料颗粒直接作为核燃料的方式，燃料体积小、重量轻，功率密度高，消除了弥散颗粒均匀度、各向同性/异性变化、以及铀密度低(功率密度低)的问题，且易于加工。

15、(3)为了解决传统压水堆事故工况下可能发生的锆水反应、燃料包壳破损造成放射性物质释放等技术问题，本发明中采用triso燃料颗粒与冷却剂直接接触换热的方式，其sic包壳不会发生锆水反应，可以在1600℃高温下保持包壳和燃料的完整性，有效防止裂变产物释放到环境中去，大大提高了反应堆安全性。

16、(4)设计金属网型或开孔的金属包壳型包覆结构，triso燃料颗粒堆叠排布在金属网内，构成燃料单元，同时在金属网之间预留冷却剂通道，使得冷却剂能够直接流经燃料元件表面，显著增大了冷却剂与燃料的直接接触面积，消除了传统棒状燃料元件气隙热阻的影响，显著增强了传热效果。

17、(5)金属网或开孔的金属包壳结构允许冷却剂流通，金属网或开孔的金属包壳本身不承受燃料单元内、外压力及压差，仅承受外部冷却剂流动冲击，强度高，易加工，适用于不同堆型、不同运行压力。

18、(6)不同类型的反应堆需要特定结构、形状的燃料组件，本发明中的金属网或开孔的金属包壳包覆燃料单元结构可以根据需要设计为不同的形状，包括棒状、板状、栅格板状、环状、多孔状等，适合模块化生产，结构灵活，适用于不同形式的堆芯。

19、(7)不同数量的燃料单元采用分区布置的方式构成反应堆堆芯，一方面可以构建规则的燃料单元和冷却剂通道，另一方面能够防止极低概率下金属网局部破损造成的大规模燃料颗粒漏出、堵塞流道的事故。

20、(8)所发明的燃料单元及堆芯结构可以适用于压水堆、沸水堆、气冷快堆、金属冷却快堆等不同类型的反应堆堆型，应用范围广。