球形燃料元件中包覆燃料颗粒的化学分析

报道了高温气冷堆球形燃料元件中包覆燃料颗粒的表面铀沾污、自由铀含量及包覆燃料颗粒的装铀量等性能指标的测试方法、范围及测量误差。利用激光荧光法测量并计算了包覆燃料颗粒中的自由铀含量及表面铀 沾污,利用电位滴定法测量了包覆燃料颗粒的装铀量。结果表明,经4层连续包覆的包覆燃料颗粒的质量符合并满足高温气冷堆球形燃料元件对包覆燃料颗粒的设计要求。     

HTR-10球形燃料元件制造工艺

10MW高温气冷实验模块堆球形燃料元件的制造技术的研究始于1986年。球形燃料元件的制造使用橡胶模具冷准等静压工艺。目前已完成了制造技术和石墨基体材料的研究和最佳化。已生产了25批,约11000个燃料元件。石墨基体材料的冷态性能符合设计指标,25批燃料元件的平均自由铀含量为5×10-5。     

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%.     

球形燃料元件累积旋转角度和角速度问题研究

球床堆采用球形燃料元件,其在循环过程中存在滚动磨损以及滑动磨损并产生石墨粉尘。本文借助一种球形无线探测系统量化了角速度及累计旋转角度,并量化了滚动磨损对石墨粉尘产生的影响。实验结果表明,累计旋转角度和角速度与初始径向位置有关,随着初始径向位置由里向外,呈V字型分布,与仓筒边壁接触的球累计旋转角度和角速度远大于其他位置,边壁滚动效应显著。计算结果表明,滚动磨损对石墨粉尘产生量的贡献在11%-27%,且靠近仓筒边壁处该百分比高于其他位置,边壁效应明显。一般情况下,滚动磨损产生石墨粉尘量要低于滑动磨损产生的石墨粉尘量,以往在估算球床堆中的石墨粉尘量时,只考虑滑动磨损而忽略滚动磨损,会导致石墨粉尘的估算偏高。     

球形燃料元件探测器的研制

１０ＭＷ高温气冷堆为氮气冷却，石墨慢化的核反应堆，球形石墨燃料元件松散堆积在堆芯中。反应堆运行期间，燃料元件的输入，再循环和卸出由燃料装卸系统完成。燃料元件输送和缓冲管段充满程度的监控由燃料元件探测器和其他测量仪器完成。本文介绍了以感应线圈为敏感元件的工探测器的工作原理及特性，电桥载波频率为３０ｋＨｚ时，传感器灵敏度最高，经对桥式探测器的实验表明，该探测器分辨率高，计数可靠，可满足１０ＭＷ高温气冷     

球形燃料元件温度分布对包覆燃料颗粒失效概率的影响

固态熔盐堆采用TRISO(Tristructural isotropic)包覆颗粒球形燃料元件。在运行工况下,燃料元件内部存在一定的温度分布,填充在燃料元件内部不同位置的TRISO颗粒的失效概率会因此受到影响。利用体积微元的方法分析了温度分布对包覆颗粒失效概率的影响,并进一步研究了球形燃料元件尺寸对TRISO颗粒平均失效概率的影响。结果表明,在一定的功率密度下,如果利用球心温度或者平均温度计算燃料元件内部TRISO颗粒的平均失效概率,结果相比实际值会有至少一个数量级的差别;在相同功率密度和相同燃耗条件下,燃料元件直径每减小1 cm,其包覆颗粒平均失效概率降低两个数量级左右。     

热处理对高温气冷堆球形燃料元件酚醛树脂炭性能的影响

为研究炭化和高温纯化等热处理对高温气冷堆球形燃料元件酚醛树脂炭性能的影响,对比分析了炭化后及高温纯化后树脂炭的微观组织和物理性能。结果表明,与炭化后的树脂炭相比,经高温纯化后的树脂炭具有更高的石墨化有序程度,树脂炭内微孔的平均孔径增大,比表面积降低超过50%。在723、773、823和873K温度下,干燥空气中高温纯化后的树脂炭具有较低的氧化速率,表现出更佳的抗氧化腐蚀性能。高温纯化后树脂炭石墨化有序程度的提高有利于提高球形燃料元件的综合性能。     

HTGR燃料元件包覆颗粒的穿衣主要工艺研究

高温气冷堆的商业化发展对燃料元件穿衣颗粒的规模化生产提出了更高要求。本文采用自主研发的穿衣系统,研究了穿衣鼓转速对动态表面倾角、安息角、粒径分布等参数的影响。确定了穿衣鼓转速的分段设置和最佳状态,并分析了不合格颗粒产生的原因。批量实验结果显示,穿衣颗粒成品率高且稳定,平均成品率达到93-94%,且设备易于操作控制,完全能满足规模生产的需要。     

小型反应堆设计中的球形燃料元件概念

美国太平洋西北国家实验室（PNNL）目前正在开发一个新颖的、提供低燃料温度、低储存能量和长堆芯寿命的球形燃料元件概念。作为验证燃料元件概念潜力的一个平台,利用PNNL开发的和平（利用）原子反应堆（AFPR-100）,已经进行了燃料性能的模拟。AFPR-100是一座电功率100MW、热功率300MW的小型水冷却反应堆设计概念,该设计采用已经证实的技术、具有非能动安全和防止核扩散的特点。燃料性能模拟已经证实,这种燃料元件的热时间常数短、燃料温度低,提供了保持裂变产物的屏障,并具有长期的外形尺寸稳定性。研究了这些燃料元件的制造技术。为了评价燃料元件制造的可行性,与一个商业销售商联合进行了一项制造技术验证。为了验证所提议的技术,提出了可以使用现有的工艺来大批量生产球形燃料元件。在这次示范中,将ZrO2芯块作为燃料芯块的替代品。在制造过程的各个阶段,对燃料元件的特性进行了详尽的表征。金相的表征包括涂敷层微观结构的电子微观分析。为了寻找有损害的反应区、剥离性和孔隙率,对界面区给予了特别关注。尽管这个验证还不完整,但是初步的结果是有希望的,并将在本文中对其进行讨论。本文将描述球形燃料元件（SFE）,给出这种燃料元件性能计算的结果,描述已提出的制造工艺,并讨论迄今在本设计概念中已经完成的制造验证的结果。     

缓发超临界过程燃料元件温度场动态分析与快速计算

针对反应堆缓发超临界过程特点,本工作建立了物理、热工及热量传递模型,采用准稳态方法对缓发超临界过程反应堆平均通道单根燃料元件温度场进行了计算分析,并与某反应堆仿真平台计算结果进行对比。分析表明,在功率变化不剧烈的反应堆动态过程,采用准稳态计算方法可以较准确地计算出燃料元件温度场随时间的变化规律。且本工作模型相对简单,计算速度快,对于反应堆动态运行研究及船用反应堆事故分析均有重要意义,对于反应堆热工设计也具有重要的参考价值。     

基于流固热耦合的燃料元件包壳结构完整性分析

反应堆系统发生瞬态工况时,冷却剂温度的瞬间大幅度变化会对燃料元件包壳结构完整性造成冲击,危及反应堆安全。本文以某压水堆3×3燃料组件为对象,采用流固热耦合方法对冷水事故下燃料组件的流动换热特性和燃料元件包壳温度、变形及应力进行了三维精细化模拟。结果表明:定位格架能够增强燃料棒表面的对流换热强度;包壳变形时向与刚凸接触的一侧折弯,向与弹簧接触的一侧凸起;包壳与定位格架接触部位的温度和最大等效应力随事故时间不断增大,且最大等效应力超过了包壳材料的屈服强度,将发生强度失效,影响其结构完整性。本文研究可为反应堆燃料元件包壳瞬态工况下的完整性评价提供借鉴。      

动态工况下棒状燃料元件温度场的解析式

基于棒状燃料元件导热微分方程的一般形式,推导了反应堆动态工况下棒状燃料元件温度分布随时间变化的解析表达式.应用该表达式,进行了模拟计算.结果与实际工况的误差在可接受范围内,验证了该解析式的正确性.     

基于热-流-固耦合的燃料元件性能分析方法研究

中空棱柱形燃料元件形式和运行工况特殊,没有现成的燃料性能分析软件能够满足计算要求,需要建立新的分析方法。本研究基于COMSOL软件二次开发,采用颗粒增强复合材料的等效物性模型和共轭传热技术实现中空六棱柱形燃料的三维热-流-固耦合计算,通过与美国通用电气公司数据的对比证明了该分析方法的有效性。采用该方法计算了多种燃料元件尺寸和不同轴向功率分布下的热应力和温度,结果表明侧棱处温度最高而内壁面壁厚最薄处热应力最大,壁厚越薄、长度越长,燃料元件的最大热应力和温度越小,展平入口段的轴向功率分布也能够略微降低最大热应力和温度。以上分析方法可以用于新型中空棱柱形燃料元件的优化设计。      

温度反馈阶跃反应性输入下的燃料元件温度场分析

对燃料元件的非稳态温度场进行分析计算.结合反应堆物理、堆芯元件传热和与温度耦合的物性参数,给出了物理数学模型.采用稳定的差分格式进行计算,获得了有温度反馈阶跃反应性输入条件下的棒状燃料元件温度分布和变化规律,计算结果的精度较高,对堆芯热工设计与运行安全分析有参考价值,特别对处于经常变工况的核动力反应堆更有现实意义.     

NECP-X程序中基于全局-局部耦合策略的非棒状几何燃料共振计算方法研究

基于NECP-X程序中已经研发的全局-局部耦合共振计算方法,研究了针对非棒状几何燃料的共振计算方法。首先,采用中子流方法计算真实问题的丹可夫修正因子,以处理全局的空间效应;其次,基于丹可夫修正因子等效获得小规模问题周围慢化剂的几何信息;最后,对于小规模问题燃料区的有效自屏截面的计算采用共振伪核素子群方法。将该方法应用于非棒状几何燃料数值计算,结果表明,该方法在处理非棒状几何燃料栅元的共振计算时,与蒙特卡罗结果程序相比,微观吸收截面偏差不超过1.8%,无限介质增殖因数偏差不超过110 pcm(1 pcm=10^-5),具有较高的计算精度;在大规模问题的计算中,基于板状燃料的JRR-3M实验堆全堆在整个燃耗过程有效增殖因数偏差均在300pcm左右,组件功率偏差在整个燃耗过程不超过0.62%。因此,本研究提出的共振计算方法具有较高的正确率和精度。     

球床式高温气冷堆示范工程球形燃料元件的研制

为满足球床式高温气冷堆（HTR-PM）示范工程对球形燃料元件大批量生产、单球高铀含量和低破损率的要求,必须对10 MW高温气冷堆时期的球形燃料元件生产工艺进行改进和优化。通过对基体石墨粉、穿衣、压制、车削和热处理等关键设备及相关工艺进行重新设计和优化,建立了规模化的球形燃料元件生产工艺。采用该工艺生产的球形燃料元件,冷态性能如压碎强度、热导、磨损和腐蚀等均满足HTR-PM的技术指标,特别是球形燃料元件的平均自由铀含量与HTR-PM球形燃料元件的自由铀含量指标（6.0×10^-5）相差近1个数量级。采用优化后的规模化生产工艺,成功地研制出符合HTR-PM技术要求的球形燃料元件。