[发明专利]一种环形全陶瓷容错事故燃料元件

说明书

本发明公开了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂、第一层包壳、内气隙、第二层包壳、芯块、第三层包壳、外气隙和第四层包壳；所述芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳、第二层包壳、第三层包壳和第四层包壳为陶瓷材料，内气隙和外气隙由惰性气体组成。在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这种配置可以提升单位体积内总的颗粒燃料，从而避免过慢化的情况以及提升功率密度，进一步提升装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的经济性和安全性。

技术领域

本发明涉及核工程领域，具体涉及一种环形全陶瓷容错事故燃料元件。

背景技术

现有的三代核电例如美国研发的AP1000核电站、欧盟研发的EPR核电站、我国研发的华龙一号核电站等，都采用传统的实心燃料元件。这些实心燃料元件的优点是制作工艺成熟，利于加快生产速度，缺点则是传热性能有待提升。与实心燃料元件不同的是，采用环形燃料元件的反应堆不仅能够提高整个堆芯的功率密度，还能够提升燃料元件本身的传热性能。因此，环形燃料元件正在被大量研究，然而现有的环形燃料元件相对于现有的实心燃料元件而言，仅仅在燃料元件的中心位置开砸了水洞利于换热，却并未解决锆包壳与高温水反应释放出易爆气体氢的问题。因此，现有的环形燃料元件仍存在安全隐患，为解决这现有环形燃料元件释氢这一难题，本发明提出一种采用环形全陶瓷容错事故燃料元件。本发明提出的环形全陶瓷容错事故燃料元件即能通过减少释氢来提升核电站安全性，又能通过提升堆芯功率密度来提升核电站经济性。

发明内容

为了提升核电站的安全性和经济性，本发明提供了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件。

本发明的目的可以通过如下技术方案之一实现。

本发明提供了一种环形全陶瓷容错事故燃料元件，从环形圆心沿半径方向至外依次包括内部冷却剂、第一层包壳、内气隙、第二层包壳、芯块、第三层包壳、外气隙和第四层包壳；所述芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，第一层包壳、第二层包壳、第三层包壳和第四层包壳为陶瓷材料，内气隙和外气隙由惰性气体组成。

优选地，所述芯块为颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料。

优选地，所述惰性气体为氦气。

优选地，所述陶瓷材料为SiC。

优选地，所述内部冷却剂为高温高压水。

优选地，颗粒型全陶瓷微胶囊封装燃料的直径为323至957微米。

优选地，颗粒型全陶瓷微胶囊封装燃料包括体积大的颗粒燃料和体积小的颗粒燃料，体积大的颗粒燃料直径为657至957微米；体积小的颗粒燃料直径为323至523微米。

优选地，所述体积小的颗粒燃料位于体积大的颗粒燃料之间的间隙中。

为了保证放射性物质在芯块中的密封效果，环形全陶瓷容错事故燃料元件的芯块采用全陶瓷微胶囊封装燃料，将颗粒型的全陶瓷微胶囊封装燃料弥散至碳化硅基体材料中。这样使得全陶瓷微胶囊封装燃料本身作为一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，而碳化硅基体材料又可以作为另外一道密封屏障阻止放射性物质的外逸，这样的双重防护大大地提升了严重事故下放射性物质从核燃料中释放出来，从而降低了发生严重事故的后果。由于环形燃料元件具备内部冷却剂，而这些冷却剂同样起到了中子慢化作用，为了避免过慢化，需要提升总的颗粒燃料的数目，在基体中采用不同体积的颗粒燃料弥散至碳化硅基体材料中，这样体积较小的颗粒燃料可以在较大的颗粒燃料之间的间隙中，从而使得单位基质体积内弥散的颗粒燃料的数目增加。

为了获得装载环形全陶瓷容错事故燃料元件的压水堆的高保真全堆共振参数，本发明采用基于插值策略的超细群共振方法进行共振计算，计算过程如式(1)所示。由于碰撞概率随宏观总截面的变化较为平缓，没有非常急剧的上下波动，因此可以采用如下插值策略：