[发明专利]一种球床式高温气冷堆高中子倍增性能的燃料元件

权利要求书

1.一种球床式高温气冷堆高中子倍增性能的燃料元件，其特征在于：由外至内包括石墨包壳(1)、石墨基体(2)，所述石墨基体(2)内部按球坐标均匀布设有多个包覆燃料颗粒(3)，所述包覆燃料颗粒(3)沿径向由内至外包括二氧化铀芯粒(4)、包覆层(5)，所述包覆层(5)由内至外依次为疏松热解碳层(6)、内致密热解碳层(7)、碳化硅层(8)、外致密热解碳层(9)，所述包覆层(5)的各层厚度在二氧化铀芯粒(4)直径及富集度固定情况下进行多目标优化后得到。

2.根据权利要求1所述的燃料元件，其特征在于：所述多目标优化的方法是：

目标函数：Max₁(k_eff)＝F(d_i)(i＝1,2,3,4) (1)

约束条件：

其中，d₁为疏松热解碳层(6)厚度、d₂为内致密热解碳层(7)厚度、d₃为碳化硅层(8)厚度、d₄为外致密热解碳层(9)厚度，厚度单位为μm，F(d_i)为包覆层各层厚度d_i的函数，Max₁(k_eff)为中子性能指标k_eff最优值。

3.根据权利要求2所述的燃料元件，其特征在于：对所述多目标优化方法进行求解的方法是分层排序法。

4.根据权利要求3所述的燃料元件，其特征在于：所述分层排序法具体为：

步骤1：先选取包覆层各层厚度作为优化初始值；

步骤2：按照燃料颗粒包覆层由内至外的顺序，求解某一层厚度，使该层厚度以一定步长s进行变化，同时保持其他各层厚度不变，计算该变化厚度下的中子性能值，取该层各变化厚度中中子性能值最大值所对应的变化厚度为该层厚度；

步骤3：输出各层厚度优化值。

5.根据权利要求4所述的燃料元件，其特征在于：所述所述包覆层(5)的各层厚度具体为疏松热解碳层(6)为48-52μm、内致密热解碳层(7)为18-22μm、碳化硅层(8)为23-27μm、外致密热解碳层(9)为18-22μm。

6.根据权利要求5所述的燃料元件，其特征在于：所述包覆层(5)的各层厚度具体为疏松热解碳层(6)为50μm、内致密热解碳层(7)为20μm、碳化硅层(8)为25μm、外致密热解碳层(9)为20μm。

7.根据权利要求1所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件中包覆燃料颗粒的数目确定方法为：在工程设计允许的颗粒数目范围内，依次计算每增加一定数量的颗粒数目后，其中子倍增性能指标值，选取中子倍增性能指标值最高值所对应的颗粒数目为最优颗粒数。

8.根据权利要求7所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件内径为5厘米时，所述燃料元件中包含的包覆燃料颗粒(3)的数量为3800-4200颗。

9.根据权利要求8所述的燃料元件，其特征在于：在所述燃料元件内径为5厘米时，所述燃料元件中包含的包覆燃料颗粒(3)的数量为4000颗。

10.根据权利要求5所述的燃料元件，其特征在于：所述燃料元件中石墨基体(2)内部包覆燃料颗粒(3)按照球坐标、采用正方形栅格排布方式弥散分布。