基于包覆燃料的氣冷快堆堆芯核設計

周夢飛，劉國明，霍小東

(中國核電工程有限公司，北京100840)

氣冷快堆是用高溫氣體冷卻的快中子反應堆。由于使用高溫惰性氣體作為冷卻劑并采用閉式燃料循環，因此，氣冷快堆同時具備快堆的可持續性優勢和高溫系統的經濟性優勢。但堆芯高溫環境和惡劣的中子輻照環境，對堆內材料提出了更高的要求，也給安全性和防核擴散要求帶來一系列挑戰。目前，受材料選擇和安全問題的制約，國內外氣冷快堆的發展都還很不成熟。

包覆燃料顆粒由可裂變材料的碳化物、氧化物等材料構成的燃料核芯及沉積在燃料核芯表面的多層難熔陶瓷材料包覆層組成，可以包容裂變產物和裂變碎片，具有良好的高溫性能，可適應高燃耗和防核擴散需求。因固有安全性高，包覆燃料在高溫熱堆中應用廣泛。但在快堆中使用包覆燃料面臨燃料裝載量低和引入大量碳原子可使堆芯能譜軟化2個主要問題。

為解決這2個問題，本文提出了一種新型包覆顆粒彌散體燃料模型。燃料顆粒結構采用雙層包覆層，同時，用不含碳原子的耐熔金屬硅化物取代現有設計中的石墨或碳化硅基體；給出了棒狀燃料(pin-type)和塊狀燃料(block-type)2種堆芯布置方案；使用堆芯蒙特卡羅計算程序RMC對設計堆芯進行中子學參數計算，驗證了新型燃料在氣冷快堆中的適用性和堆芯核設計方案的合理性。

1 堆芯主要組成材料

1.1 核燃料

目前使用最廣的包覆顆粒結構為TRISO(tri-structural isotropic)顆粒，其燃料核芯占整個燃料顆粒的體積份額僅為10%～30%[1]。……