基于包覆燃料的气冷快堆堆芯核设计

周梦飞，刘国明，霍小东

(中国核电工程有限公司，北京100840)

气冷快堆是用高温气体冷却的快中子反应堆。由于使用高温惰性气体作为冷却剂并采用闭式燃料循环，因此，气冷快堆同时具备快堆的可持续性优势和高温系统的经济性优势。但堆芯高温环境和恶劣的中子辐照环境，对堆内材料提出了更高的要求，也给安全性和防核扩散要求带来一系列挑战。目前，受材料选择和安全问题的制约，国内外气冷快堆的发展都还很不成熟。

包覆燃料颗粒由可裂变材料的碳化物、氧化物等材料构成的燃料核芯及沉积在燃料核芯表面的多层难熔陶瓷材料包覆层组成，可以包容裂变产物和裂变碎片，具有良好的高温性能，可适应高燃耗和防核扩散需求。因固有安全性高，包覆燃料在高温热堆中应用广泛。但在快堆中使用包覆燃料面临燃料装载量低和引入大量碳原子可使堆芯能谱软化2个主要问题。

为解决这2个问题，本文提出了一种新型包覆颗粒弥散体燃料模型。燃料颗粒结构采用双层包覆层，同时，用不含碳原子的耐熔金属硅化物取代现有设计中的石墨或碳化硅基体；给出了棒状燃料(pin-type)和块状燃料(block-type)2种堆芯布置方案；使用堆芯蒙特卡罗计算程序RMC对设计堆芯进行中子学参数计算，验证了新型燃料在气冷快堆中的适用性和堆芯核设计方案的合理性。

1 堆芯主要组成材料

1.1 核燃料

目前使用最广的包覆颗粒结构为TRISO(tri-structural isotropic)颗粒，其燃料核芯占整个燃料颗粒的体积份额仅为10%～30%[1]。……