基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺的制作方法

本发明涉及反应堆设计，具体而言，涉及一种基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺。

背景技术：

1、当下，先进反应堆研发正处于井喷状态，各种新颖的反应堆概念层出不穷。然而，各类新堆型对堆芯燃料都提出了更高的要求，由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，采用燃料芯块-燃料棒-组件-堆芯的成型方式以及规则的流道设计，致使反应堆堆芯的热工流体特性和结构可靠性均较差。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于提供一种基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺，以解决由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，其热工流体特性和结构可靠性均较差的技术问题。

2、本发明提供的反应堆堆芯，包括金属壳体、金属基体和堆芯燃料，所述金属壳体为两端敞口的空心柱状结构，所述金属壳体的内部设置有贯通其两端的冷却剂流道，所述金属壳体采用增材制造的工艺制备而成；所述金属基体固设于所述金属壳体的内部，所述堆芯燃料嵌设于所述金属基体。

3、进一步地，沿所述金属壳体的轴向，所述冷却剂流道呈螺旋结构。

4、进一步地，所述冷却剂流道的径向截面为多边形结构、十字形结构或多瓣花形结构。

5、进一步地，所述金属壳体的中心和外周均设置有所述冷却剂流道，其中，设置于所述金属壳体的外周的所述冷却剂流道的数量为多个，设置于所述金属壳体的外周的多个所述冷却剂流道沿所述金属壳体的周向均匀分布。

6、进一步地，所述堆芯燃料为triso燃料，所述triso燃料呈颗粒状，其富集度可变，其粒径可变；所述堆芯燃料自外向内依次包括外致密热解碳层、碳化硅层、内致密热解碳层、疏松热解碳层和燃料核心。

7、进一步地，所述燃料核心包括uo2核心或un核心。

8、进一步地，所述金属壳体的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金；所述金属基体的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金。

9、进一步地，所述反应堆堆芯适用于压水堆、高温气冷堆、液态金属堆或热管堆。

10、本发明反应堆堆芯带来的有益效果是：

11、通过将金属壳体采用增材制造的工艺制备而成，使得在进行反应堆堆芯的壳体制造时，不必采用规则的几何形状，由于金属基体固设于金属壳体内，而堆芯燃料嵌设于金属基体，从而使得最终获得的反应堆堆芯中，由堆芯燃料填充得到的金属基体也为不规则几何形状，进而可以采用具有更优良中子物理、热工流体特性和结构力学性能的设计。而且，由基于金属增材制造的金属壳体，其内部设置的冷却剂流道也可以为不规则形状，以增强冷却剂流道的换热面积，达到强化换热、降低燃料峰值温度的效果。

12、综上所述，采用上述反应堆堆芯的设计方案，可以突破传统的堆芯燃料成型方式和流道设计限制，而采用具有更加优良中子物理、热工流体和结构力学性能的设计。当采用该类型的反应堆堆芯，不仅能够充分利用有限的堆芯几何空间域，还能够减少燃料组件的数量。

13、本发明的第二个目的在于提供一种反应堆堆芯的制造工艺，以解决由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，其热工流体特性和结构可靠性均较差的技术问题。

14、本发明提供的反应堆堆芯的制造工艺，用于制造上述的反应堆堆芯，所述制造工艺包括：

15、采用slm(selective laser melting，选择性激光熔融)工艺、ebm(electron beammelting，电子束熔融)工艺或bj(binder jetting，粘结剂喷射)工艺制造金属壳体；

16、采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体、金属基体和堆芯燃料固化成型。

17、进一步地，所述采用slm工艺中，工艺参数为：激光功率为270w～280w，扫描速度为750～850mm/s，扫描间隙为0.04～0.06mm，层厚为0.035～0.045mm，功率密度为165～175w·s/mm3。

18、本发明反应堆堆芯的制造工艺带来的有益效果是：

19、由该反应堆堆芯的制造工艺制造得到的上述反应堆堆芯，相应地，具有与上述反应堆堆芯同样的优势，在此不再一一赘述。

20、另外，该反应堆堆芯的制造工艺中，当采用slm工艺制造金属壳体时，能直接成型出接近完全致密度的金属壳体，不需要粘结剂，成型的精度和力学性能均较好，从而能够有效提高壳体的结构可靠性；当采用ebm工艺制造金属壳体时，可以将金属粉末一层一层地熔化生成完全致密的金属壳体，致密度高，同样能够提高壳体的结构可靠性；当采用bj工艺制造金属壳体时，不仅能够实现复杂金属壳体的快速打印，而且，还能够保证金属壳体的打印精度。

21、在利用上述工艺完成金属壳体的制备后，采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体、金属基体和堆芯燃料固化成型，不仅能够有效缩短烧结时间，还使得固化成型后得到的反应堆堆芯组织结构可控，且节能环保。

技术特征：

1.一种基于金属增材制造的反应堆堆芯，其特征在于，包括金属壳体(100)、金属基体(200)和堆芯燃料(500)，所述金属壳体(100)为两端敞口的空心柱状结构，所述金属壳体(100)的内部设置有贯通其两端的冷却剂流道(300)，所述金属壳体(100)采用增材制造的工艺制备而成；所述金属基体(200)固设于所述金属壳体(100)的内部，所述堆芯燃料(500)嵌设于所述金属基体(200)。

2.根据权利要求1所述的反应堆堆芯，其特征在于，沿所述金属壳体(100)的轴向，所述冷却剂流道(300)呈螺旋结构。

3.根据权利要求2所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述冷却剂流道(300)的径向截面为多边形结构、十字形结构或多瓣花形结构。

4.根据权利要求2所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述金属壳体(100)的中心和外周均设置有所述冷却剂流道(300)，其中，设置于所述金属壳体(100)的外周的所述冷却剂流道(300)的数量为多个，设置于所述金属壳体(100)的外周的多个所述冷却剂流道(300)沿所述金属壳体(100)的周向均匀分布。

5.根据权利要求1-4任一项所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述堆芯燃料(500)为triso燃料，所述triso燃料呈颗粒状，其富集度可变，其粒径可变；所述堆芯燃料(500)自外向内依次包括外致密热解碳层(501)、碳化硅层(502)、内致密热解碳层(503)、疏松热解碳层(504)和燃料核心(505)。

6.根据权利要求5所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述燃料核心(505)包括uo2核心或un核心。

7.根据权利要求5所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述金属壳体(100)的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金；所述金属基体(200)的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金。

8.根据权利要求5所述的反应堆堆芯，其特征在于，所述反应堆堆芯适用于压水堆、高温气冷堆、液态金属堆或热管堆。

9.一种反应堆堆芯的制造工艺，其特征在于，用于制造权利要求5-8任一项所述的反应堆堆芯，所述制造工艺包括：

10.根据权利要求9所述的反应堆堆芯的制造工艺，其特征在于，所述采用slm工艺中，工艺参数为：激光功率为270w～280w，扫描速度为750～850mm/s，扫描间隙为0.04～0.06mm，层厚为0.035～0.045mm，功率密度为165～175w·s/mm3。

技术总结
本发明提供了一种基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺，涉及反应堆设计技术领域，为解决由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，其热工流体特性和结构可靠性均较差的问题而设计。该反应堆堆芯包括金属壳体、金属基体和堆芯燃料，金属壳体为两端敞口的空心柱状结构，金属壳体的内部设置有贯通其两端的冷却剂流道，金属壳体采用增材制造的工艺制备而成；金属基体固设于金属壳体的内部，堆芯燃料嵌设于金属基体。本发明基于金属增材制造与放电等离子体烧结制备反应堆堆芯，可以突破传统的堆芯燃料成型方式和流道设计限制，使得反应堆堆芯的热工流体特性和结构可靠性均较好。

技术研发人员：陆祺,邓坚,何辉,刘晓晶,韩文斌
受保护的技术使用者：中国核动力研究设计院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15