燃料顆粒是由覆蓋層包裹的易裂變材料或易裂變材料——可轉換材料混合物的燃料顆粒彌散在石墨基體內製成的混合燃料體，是一種新型燃料元件形式，它不僅在設計原理上提高了燃料元件的安全性，而且通過實際輻照試驗也體現了其固有的安全特性。
基本介紹
- 中文名：燃料顆粒
- 外文名：fuel particle
- 套用：高溫氣冷堆核燃料
- 特點：安全性高
- 相關概念：彌散
- 學科：反應堆熱工水力分析
簡介,材料製備,結構類型,設計特點,套用,秸稈顆粒,生物燃料顆粒,
簡介
高溫氣冷堆採用優異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎。鈾燃料被分成為許多小的燃料顆粒，每個顆粒外包覆了一層低密度熱介碳，兩層高密度熱介碳和一層碳化矽。是一種新型燃料元件形式，它不僅在設計原理上提高了燃料元件的安全性，而且通過實際輻照試驗也體現了其固有的安全特性。包覆顆粒直徑小於1mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，製造成直徑為6cm的球形燃料元件。包覆層將包覆顆粒中產生的裂變產物充分地阻留在包覆顆粒內，實驗表明，在1600℃的高溫下加熱幾百小時，包覆顆粒燃料仍保持其完整性，裂變氣體的釋放率仍低於10。
材料製備
燃料顆粒由含可裂變材料的氧化物或碳化物微球及沉積在其表面的幾層難熔陶瓷材料構成。這幾層材料的主要作用是約束裂變材料、阻擋裂變產物的釋放。因此包覆燃料顆粒的作用相當於水堆的燃料棒，燃料核芯相當於水堆的U02芯塊，幾層包覆層相當於鋯合金包殼，所以包覆燃料顆粒實際上是微球燃料元件。
包覆燃料顆粒的燃料核芯一般是用濕化學方法(如溶膠一凝膠法)製成的直徑為零點幾毫米的微球，其組分可以是鈾的氧化物或碳化物，也可以是混合鈾和釷的氧化物或碳化物，或是混合鈾和鈽的氧化物。幾層包覆層是在高溫下通過化學氣相沉積法製得的。包覆層厚度一般為幾十微米。整個包覆燃料顆粒的直徑約為1mm。
結構類型
包覆燃料顆粒的設計經歷了兩個階段。最初的結構為BISO型，即在球形燃料核芯的外周相繼沉積上疏鬆熱解炭層和緻密熱解炭層。隨著輻照試驗和輻照後安全檢測試驗的進行，BISO型包覆燃料顆粒逐步顯現出其在結構上的局限性，主要表現在沉積層強度不高以及對金屬裂變產物阻擋能力較低。隨後設計了TRISO型結構的包覆燃料顆粒，即在原有疏鬆熱解炭層和緻密熱解炭層的基礎上，又沉積上碳化矽層和緻密熱解炭層。
設計特點
基於包覆燃料顆粒的結構設計特點，可以根據不同的使用環境來改變核芯組成和沉積層材料以及沉積層的幾何尺寸，如包覆燃料顆粒的核芯可以是鈾、釷、鈽以及它們的混合物的氧化物或碳化物，由此提高資源利用率；用碳化鋯層取代碳化矽層，可以提高包覆燃料顆粒在反應堆內的使用溫度，從而提高反應堆的熱效率。
另外，使用包覆燃料顆粒作為燃料可以增加堆芯設計的靈活性，如改變包覆燃料顆粒在燃料基質(如石墨)中的數量，慢化劑與燃料比值將隨之改變，從而最終影響到堆芯的中子學。
除此之外，包覆燃料顆粒的高比表面值和沉積層的高熱導率可以有效地提高包覆燃料顆粒與外界的熱交換效率。
套用
高溫氣冷堆採用優異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎。鈾燃料被分成為許多小的燃料顆粒，每個顆粒外包覆了一層低密度熱介碳，兩層高密度熱介碳和一層碳化矽。包覆顆粒直徑小於1mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，製造成直徑為6cm的球形燃料元件。包覆層將包覆顆粒中產生的裂變產物充分地阻留在包覆顆粒內。
包覆燃料顆粒研究及製備技術日趨成熟，除了成功地套用於高溫氣冷堆外，包覆燃料顆粒在水冷反應堆、新型流化床反應堆等其它堆型中都有套用的潛在空間。總之，燃料元件中採用包覆燃料顆粒是核能套用在安全方面的一個重大突破，包覆燃料顆粒技術的套用極大地擴展了核能資源的利用空間。
