​核燃料用炭和石墨制品

​核燃料用炭和石墨制品

核燃料用炭和石墨制品

概述

燃料元件必须具有由核燃料分裂的生成物不向外泄漏的结构和材料。特别是防止放射性气体从冷却材料中泄漏，对核燃料要进行气密性包覆，核反应堆温度低的场合采用耐腐蚀性合金（例如：镁合金、锆合金、不锈钢等)制的筒内封装的方法。在高温气冷堆中耐热性好的石墨制品材料是作为包覆材料的唯一材料。耐热不透性石墨、玻璃炭以及热解炭涂层等都是为这些燃料开发的燃料筒。在石墨减速气冷堆的第一代镁诺克斯炉，燃料采用天然金属铀，燃料包覆材料使用中子吸收小的镁合金，所以只能在400℃以下温度运行。在第二代改良型的AGR炉，燃料采用氧化铀，包覆材料使用不锈钢。在第三代的高温气冷堆，开发了多个核燃料颗粒（UO2)、包覆热解石墨(PG)或碳化硅(SiC）的方法。这是在以1250～1500℃高温包覆带来的效果。

不含中子吸收截面小的金属。因为核燃料颗粒的包覆是2~4层，气密性极好，并且以球状包覆核燃料颗粒，所以即使是对高温气体状的核分裂生成物的高内压也保证十分结实。这种包覆燃料颗粒，是完全基于高温气冷堆的设计，在前节所述的“颗粒”型和“块状”型的高温气冷堆也采用这种方法的核燃料颗粒。颗粒型的典型燃料元件是直径为60mm的石墨球，内藏一定量的包覆核燃料颗粒(浓缩铀、钍）。而在“块状”型炉芯，在垂直堆积的石墨角柱(通常是六角柱）的集合体，配备燃料和冷却材料的通路等等。包覆的燃料颗粒分散在碳母体中，压成燃料的压制坯块，将燃料块装入石墨制品筒，组装成无实心的中空燃料棒后，以减速材料石墨制品以及石墨筒支持，或直接插入石墨块的孔中。另外，石墨块或石墨筒由于是在离核燃料最近的地方使用，中子照射条件极其苛刻，而且高温下的强度梯度很大，所以需要采用耐上述条件好的材料。对于具体特性要求，如上节所述。

主要高温气冷堆的燃料元件特征，以上介绍以HTTR为主要代表的炉型燃料元件。