高温气冷堆燃料元件发展前景

第4代核能系统主要候选堆型之一的超高温气冷反应堆(very-high-temperature reactor,简称VHTR)氦气出口温度要求大于1 000℃;从经济性考虑,模块式高温气冷堆的单堆功率愈高愈好,燃料的燃耗深度也愈高愈好,这些对近代低富集度3层包覆颗粒(modern LEU TRISO particles)燃料元件提出了更高燃耗深度和耐更高温的要求.为满足上述要求,本文介绍了ZrC层代替包覆燃料颗粒的SiC层、UCO(UO2 UC2)核芯代替包覆燃料颗粒的UO2核芯和进一步降低现有低富集度3层包覆颗粒SiC层破损率的高温气冷堆燃料元件的研究和发展.     

高温气冷堆燃料元件发展现状和趋势

本文介绍了高温气冷堆燃料元件的发展历史，现状和趋势。经过３０多年的研究和发展，燃料元件的设计，制造工艺和质量鉴证技术已相当成熟，燃料元件可在１２５０℃长期工作。２１２０００个ＴＲＩＳＯ颗粒辐照试验的时没有一个破损，１６００℃下辐照后退火５００ｈ，阻挡裂变产物释放的能力没有下降。     

10MW高温气冷堆球形燃料元件碳化工艺研究

通过对高温气冷堆球形燃料元件压制坯体及酚醛树脂碳化过程的研究，确定了碳化工艺制度的制订原则。在碳化过程中，低温开裂主要是由压制工艺中产生的应变不均匀性造成原，高温开裂则主要受加热速率的影响，采用加压碳化工艺可提高基体材料的机械性能。     

10 MW高温气冷堆燃料元件的辐照考验

10 MW高温气冷堆燃料元件的辐照考验在俄罗斯IVV-2M堆内进行,辐照考验于2000年7月13日开始,现仍在进行中.至2002年6月14日,燃料元件最高燃耗(以金属铀计,全文同)已达77 000 MW*d/t,累积快中子注量达8.59×1020 cm-2.本文描述辐照样品的冷态性能、辐照装置、辐照条件和已获得的辐照考验结果.     

高温气冷堆新燃料元件运输容器临界安全分析

采用基于蒙特卡罗方法的MCNP5程序对高温气冷堆所用的球形燃料元件进行描述;根据包覆燃料颗粒在燃料球内的分布性质构建了8种不同模型,并研究不同模型对有效增殖因子（keff）和计算时间的影响,获得了临界计算问题中最优的燃料球模型;运用MCNP5描述燃料球运输容器,并研究了容器中子吸收板厚度、外容器壁厚、缓冲层材料、反射层材料、容器形状、容器结构缺失和水密度等影响运输容器临界安全的因素。结果表明,所研究的高温气冷堆新燃料元件运输容器在正常运输条件下和事故运输条件下均处于临界安全状态,其临界安全指数（CSI）可定为0。      

10 MW高温气冷堆球形燃料元件制造

10 MW高温气冷实验堆球形燃料元件的制造使用橡胶模具冷准等静压工艺.制造了44批,约20 540个燃料元件.燃料元件的冷态性能符合设计指标,44批燃料元件的平均自由铀含量为4.57×10-5,正品率为99%.     

高温气冷堆新型燃料球传感器的设计

对高温气冷堆中燃料球运行情况的准确监测是保障反应堆安全可靠运行的关键。针对原有探测器的不足,利用穿透式涡流检测原理提出了新型对装式燃料球传感器。运用有限元方法建立了该传感器的电磁场数值计算模型,对传感器结构参数和检测参数进行了分析和优化设计。实验结果表明,该传感器过球信号信噪比高,对连续过球具有很好的分辨率,满足反应堆现场使用要求。     

高温气冷堆热气联箱内部流场数值模拟

以高温气冷堆热气联箱为研究对象，在实验研究基础上，采用流体力学计算程序CFX5对热气联箱和热气导管内部流场进行数值模拟，以获得热气联箱和热气导管内的速度场、压力场和温度场，为高温气冷堆热气联箱的设计和实验研究提供参考。数值计算结果表明：热气联箱内气流发生剧烈搅混，加速了不同温度气流间的热传递，有利于高温和低温气流间的温度混合，存在肋片的区域未发生剧烈的气流搅混，不利于气流间的热传递；热气导管内温度混合率随其长度的增加逐渐增大，当热气导管长度为2.5m以上时，温度混合率达到99％以上。     

高温堆嬗变Pu燃料元件的制备

介绍了清华大学在制备高温气冷堆嬗变Pu惰性元件方面的研究进展.分别采用溶胶凝胶工艺和注凝成型工艺制备ZrO2陶瓷微球作为基体,经过低温烧结获得多孔微球;用U代替Pu进行浸渍后,再经过高温烧结获得致密的陶瓷微球;基体中的U含最基本稳定在10%左右.采用与10MW高温气冷堆燃料元件包覆颗粒相同的制备工艺,在ZrO2/U复合微球表面依次沉积疏松热解炭、致密热解炭、SiC和外致密热解炭,制备出包覆型嬗变燃料颗粒.     

高温气冷堆燃料元件固有循环安全特性的研究

介绍了高温气冷堆TRISO型的包覆燃料颗粒及球形燃料元件的结构特点及其安全原理.高温气冷堆具有低功率密度特点和负温度反应性特点,其与球形燃料元件有安全循环关系,实现了高温气冷堆固有循环安全特性.     

高温气冷堆下联箱热气混合的数值模拟和几何优化

高温气冷堆下联箱用于混合温度不均的堆芯出口气体。已有研究显示,当前下联箱设计方案的气体混合能力尚待提高,由其导致的压力损失则需进一步降低。本文采用数值模拟方法,并对比实验数据,讨论了适用于下联箱几何优化的网格类型和网格规模,通过合并原有的肋片状流道以及扩展热气导管起始端,对下联箱的几何形状进行了优化,并通过对比不同优化方案选出了兼具提升气体混合率和减小压力损失的改进方案。本文的研究结果可为高温气冷堆下联箱的改进设计提供参考依据。     

基于网络的10MW高温气冷堆仿真系统

仿真系统基于计算机网络环境,可对10 MW高温气冷堆(HTR 10)的堆芯、主回路系统和蒸汽发生器等部件进行分析计算,模拟稳态和瞬态过程,并以图形界面动态显示仿真过程。同时可对仿真过程进行回放,对仿真数据结果进行分析并以二维、三维图形显示。该仿真系统不仅对高温气冷堆的工程设计、安全分析和人员培训有重要作用,且可对HTR 10主控室的操作人员进行现场支持及各项研究提供帮助。     

高温气冷堆启动过程的模拟与分析

本文利用工程模拟机可实时计算、多系统耦合求解的技术优势,对球床模块式高温气冷堆核电站(HTR-PM)的启动过程进行模拟。分析并掌握了HTR-PM主要运行参数的变化规律和调节手段,研究了模块式高温气冷堆在启动过程中的运行特性,特别是不同模块间所体现出的耦合效应对整个系统运行特性的影响,为电厂运行方式的确定和具体运行规程的制定提供了重要参考。     

高温气冷堆UO_2燃料芯核振动分选设备

介绍了高温气冷堆UO2燃料芯核振动分选设备的结构,并对设备的工作原理进行了分析,同时指出了影响分选效果的几个因素。设备运行结果表明:分选设备性能达到了预期设计要求。     

氟盐冷却球床高温堆燃料管理程序的开发与分析

基于确定论的中子学分析程序在计算氟盐冷却球床高温堆（PB-FHR）时需解决双重非均匀性的燃料球均匀化、燃料球均匀化时出现的泄漏效应及燃料球在堆芯内连续移动与多次通过堆芯的燃料循环模式问题。本文基于DRAGON5与DONJON5程序开发了PB-FHR的燃料管理程序PBMSR,并进行了验证。使用PBMSR对PB-FHR在不同燃料循环模式下进行计算与初步分析,结果显示在多次通过的燃料管理模式下,燃料球的通过次数对最深卸料燃耗影响较小,但对轴向功率分布影响较大。     

快堆组件稠密棒束数值模拟

为详细研究快堆组件稠密棒束中的冷却剂流动方式,本工作采用Fluent程序对169棒束快堆燃料组件进行了三维数值模拟,并与已公开发表的文献结果进行了对比。由计算结果可知：计算得到的摩擦系数结果在Re为35885～61354时与试验结果符合较好;从中心到外围,横向流和轴向流在不同的方向和位置呈现出不同的流动特性。根据模拟结果可更准确地预测棒束通道内的流动情况,可为今后稠密棒束组件水力学设计和子通道内流量测量试验提供参考。     

石墨粉尘通过高温气冷堆堆芯球床结构的运动行为研究

高温气冷堆在运行过程中产生带有放射性的石墨粉尘,对反应堆的运行安全和环境安全造成一定影响。本文选取二维球床流场,采用离散相模型分析了堆芯球床结构对石墨粉尘颗粒的扩散和沉积的影响。计算结果表明:球床结构能有效阻碍石墨粉尘颗粒的扩散;沉积在球床结构上的石墨粉尘颗粒数目随堆芯内氦气流速的增加而增大,而由于受到颗粒惯性及热泳力的作用其增长趋势逐渐放缓;石墨粉尘颗粒在球床结构上的沉积效率随粒径的逐渐增加呈现"几乎不变-快速增长-缓速增长"的态势。     

10 MW高温气冷实验堆燃料元件装卸系统研制

根据国际上类似系统的设计和运行经验，彻底改进了10MW高温气冷实验堆(HTR-10)燃料元件装卸系统的单列器、碎球分离器、提升器、控制系统，以使系统变得更为简单、可靠。改进后的设备均在全尺寸实验装置上进行过试验。系统的调试试验和初装料运行表明：该系统的性能满足HTR-10的要求。