[发明专利]石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件

说明书

本发明提供了一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，涉及核工程技术领域。包括：燃料芯体及所述芯体侧壁外设有的包壳，所述芯体与所述包壳间填充有多孔导热介质。本发明在燃料‑包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质，规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题，并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。

技术领域

本发明涉及核工程技术领域，具体涉及一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件。

背景技术

快中子反应堆(简称快堆)是大大提高铀资源利用率和实现燃料闭式循环的关键。铀锆/铀钚锆(U-Zr/U-Pu-Zr)合金具有良好的传热性能和与包壳材料的较好兼容性，因此被认为是钠冷快堆等先进堆的主要候选燃料之一。

根据现有数据，铀锆/铀钚锆合金在反应堆内辐照后呈现各向异性的快速肿胀，并在燃耗到仅1-2％菲马(FIMA)左右开始有显著的裂变气体释放。最初，燃料的肿胀、裂变气体释放、燃料包壳力学相互作用(FCMI)等因素极大地限制了铀锆/铀钚锆合金的燃耗寿命。通过减小包壳内燃料的体积和增加容纳裂变气体的气腔体积，燃料裂变气体释放导致的内压增高和肿胀导致的燃料-包壳力学相互作用(FCMI)等问题得到极大缓解，优化后的铀锆合金最高可达到10-20％的燃耗。目前，在较高燃耗下燃料-包壳化学相互作用(FCCI)成为限制铀锆/铀钚锆合金达到更高燃耗的关键因素。

为了容纳燃料的肿胀，传统的铀锆金属燃料中燃料和包壳之间预留了较大的间隙。而为了降低燃料的温度，燃料-包壳间隙里填充了液态钠作为导热介质。液态钠的主要优点是与中子反应截面小且同时热导率较高，在550℃下热导率约为65W/(m·K)。然而，液态钠的加入一方面给燃料的后处理带来诸多不便，另一方面近期研究表明液态钠可能大大加速了镧系裂变产物向包壳的扩散。镧系裂变产物(主要为钕和铈)向包壳快速扩散后会显著降低包壳的有效壁厚和局部力学性能，是包壳在较高燃耗下破损的主要诱因。因此，为了达到更高燃耗，我们需要设计一款不含液态钠导热介质的新型铀锆合金燃料，以避免燃料元件内液态钠对燃料-包壳化学相互作用和后处理的不利影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出了一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，该元件在燃料-包壳间隙里选用了具有良好导热率的高孔隙率多孔导热介质替代传统燃料中的液态钠作导热介质，规避了液态钠在燃料制备和乏燃料后处理中所带来的诸多问题，并有望显著提升铀锆合金的燃耗寿命。

本发明的目的是提供一种石墨泡沫作导热介质的快中子反应堆高燃耗金属燃料元件，包括：

燃料芯体及所述芯体侧壁外设有的包壳，所述芯体与所述包壳间填充有多孔导热介质。

优选的，所述多孔导热介质空隙率为65～75％，其孔隙大小为50～100μm。

优选的，所述多孔导热介质的导热率为≥100W/(m·K)。

优选的，所述多孔导热介质为石墨泡沫。

优选的，所述芯体与所述包壳之间的间隙尺寸为1.2±0.1mm。

优选的，所述芯体与所述包壳之间的间隙中还填充有氦气。

优选的，所述芯体中央还开设有通孔，所述通孔内填充有氦气。

优选的，所述芯体材质为铀锆合金。

优选的，所述包壳壁厚为0.6±0.1mm。

更优选的，所述包壳的材质为铁素体-马氏体钢。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：