[发明专利]一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件

说明书

本发明公开了一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的UO₂核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、SiC层、ZrB₂层和外致密热解炭层；其中，ZrB₂层的厚度为5～20μm；所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件通过在包覆燃料颗粒中的SiC层表面包覆ZrB₂涂层，避免了SiC涂层的失效风险，且可以提高球形燃料元件中²³⁵U富集度，在同等反应堆功率水平下，可以减少燃料元件装载数量，并提高燃料燃耗深度，提升高温气冷堆的经济价值。

技术领域

本发明属于球床式高温气冷堆燃料元件设计技术领域，具体地，本发明涉及一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件。

背景技术

球床式高温气冷堆指使用氦气作为冷却剂、石墨作为中子慢化剂的核反应堆，是第四代先进反应堆堆型之一，其显著特征是固有安全性。球床式高温气冷堆包括一个堆芯，该堆芯由装在反应堆压力容器内的球形燃料元件堆积而成。球形燃料元件由燃料区和无燃料区构成。燃料区是包覆燃料颗粒弥散在石墨基体里的球体。无燃料区是围绕燃料区的具有一定厚度、和燃料区相同的石墨基体材料的球壳。燃料区和无燃料区间无物理上分界面。包覆燃料颗粒是全陶瓷三重各向同性包覆(TRISO)型的，其中心是燃料核芯。在燃料核芯的表面有四层包覆层。从里往外第一层是低密度热解炭，第二层是高密度各向同性热解炭，第三层是碳化硅，第四层是高密度各向同性热解炭。

目前，球床式高温气冷堆燃料元件中的燃料核芯为低富集度(²³⁵U一般不超过10％)二氧化铀(UO₂)，为实现堆芯功率分布展平和卸料燃耗均匀，采用球形燃料元件多次通过堆芯的燃料循环方式；如果球形燃料元件通过堆芯次数较少，功率峰值则会偏高，且位于堆芯活性区顶部，对于球床式高温气冷堆不利，因此，需要对现有的高温气冷堆中的燃料元件做出进一步优化。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件。

本发明实施例一方面提出一种高温气冷堆用含硼球形燃料元件，该含硼球形燃料元件从内到外依次包括燃料区和无燃料区；

所述燃料区包括包覆燃料颗粒和石墨基体；

所述包覆燃料颗粒，从内到外依次是同心的UO₂核芯、疏松热解炭层、内致密热解炭层、SiC层、ZrB₂层和外致密热解炭层；其中，ZrB₂层的厚度为5～20μm；

所述包覆燃料颗粒弥散分布在所述石墨基体中。

本发明实施例高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，通过在包覆燃料颗粒中的SiC层上涂覆一定厚度的ZrB₂涂层，ZrB₂材料具有很大的热中子吸收截面(¹⁰B热中子微观吸收截面3840靶恩，1靶恩＝10^-24cm²)，在球床式高温气冷堆初装堆时能够补偿新燃料的反应性，而且随着燃料燃耗过程将优先地被消耗掉，以保证球床式高温气冷堆在过渡循环和平衡循环时的燃料后备反应性，满足球床式高温气冷堆的连续运行。

在本发明的一些实施例中，所述ZrB₂层的厚度优选为10～15μm。

在本发明的一些实施例中，所述ZrB₂层中的硼元素可以采用天然硼(¹⁰B丰度为20％)，也可以采用富集硼。

在本发明的一些实施例中，每个所述高温气冷堆用含硼球形燃料元件中，所述包覆燃料颗粒的数量为10000～15000个。