[科普中國]-燃料顆粒

簡介

高溫氣冷堆采用優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎(chǔ)。2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硅。是一種新型燃料元件形式，它不僅在設(shè)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(xiàn)了其固有的安全特性。包覆顆粒直徑小于1mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6cm的球形燃料元件。包覆層將包覆顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)，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于10-4。1

材料制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(gòu)成。這幾層材料的主要作用是約束裂變材料、阻擋裂變產(chǎn)物的釋放。因此包覆燃料顆粒的作用相當(dāng)于水堆的燃料棒，燃料核芯相當(dāng)于水堆的U02芯塊，幾層包覆層相當(dāng)于鋯合金包殼，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(xué)方法(如溶膠一凝膠法)制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，或是混合鈾和钚的氧化物。幾層包覆層是在高溫下通過化學(xué)氣相沉積法制得的。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。3

結(jié)構(gòu)類型包覆燃料顆粒的設(shè)計經(jīng)歷了兩個階段。最初的結(jié)構(gòu)為BISO型，即在球形燃料核芯的外周相繼沉積上疏松熱解炭層和致密熱解炭層。隨著輻照試驗和輻照后安全檢測試驗的進(jìn)行，BISO型包覆燃料顆粒逐步顯現(xiàn)出其在結(jié)構(gòu)上的局限性，主要表現(xiàn)在沉積層強(qiáng)度不高以及對金屬裂變產(chǎn)物阻擋能力較低。隨后設(shè)計了TRISO型結(jié)構(gòu)的包覆燃料顆粒，即在原有疏松熱解炭層和致密熱解炭層的基礎(chǔ)上，又沉積上碳化硅層和致密熱解炭層。

設(shè)計特點基于包覆燃料顆粒的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，可以根據(jù)不同的使用環(huán)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、钚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硅層，可以提高包覆燃料顆粒在反應(yīng)堆內(nèi)的使用溫度，從而提高反應(yīng)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(shè)計的靈活性，如改變包覆燃料顆粒在燃料基質(zhì)(如石墨)中的數(shù)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(xué)。

除此之外，包覆燃料顆粒的高比表面值和沉積層的高熱導(dǎo)率可以有效地提高包覆燃料顆粒與外界的熱交換效率。3

應(yīng)用高溫氣冷堆采用優(yōu)異的包覆顆粒燃料是獲得其良好安全性的基礎(chǔ)。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硅。包覆顆粒直徑小于1mm，包覆顆粒燃料均勻彌散在石墨慢化材料的基體中，制造成直徑為6cm的球形燃料元件。包覆層將包覆顆粒中產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物充分地阻留在包覆顆粒內(nèi)。

包覆燃料顆粒研究及制備技術(shù)日趨成熟，除了成功地應(yīng)用于高溫氣冷堆外，包覆燃料顆粒在水冷反應(yīng)堆、新型流化床反應(yīng)堆等其它堆型中都有應(yīng)用的潛在空間?？傊?，燃料元件中采用包覆燃料顆粒是核能應(yīng)用在安全方面的一個重大突破，包覆燃料顆粒技術(shù)的應(yīng)用極大地擴(kuò)展了核能資源的利用空間。

秸稈顆粒秸稈顆粒燃料是以秸稈、木屑為原料，使用環(huán)模式顆粒機(jī)做成的一種直徑在5-8mm之間的圓柱型生物質(zhì)成型燃料，密度在0.8-1.0t/m3之間，是一種環(huán)保型燃料，目前在一些歐美市場很受環(huán)保愛好者歡迎，適合于壁爐。
秸稈壓塊燃料區(qū)別于顆料成型燃料主要是壓塊的棒徑比較大的生物質(zhì)成型燃料，它的直徑一般在50-110mm之間，密度和顆粒燃料差不多，這種燃料主要用來代替一部分煤在鍋爐中使用。

生物燃料顆粒從上世紀(jì)中后期，受石油危機(jī)的影響和社會可持續(xù)發(fā)展對能源和環(huán)境保護(hù)的需要，世界廣泛興起了對可再生能源的利用的熱潮。新型的生物再生能源迅速發(fā)展，各種生物質(zhì)能應(yīng)用技術(shù)和設(shè)備應(yīng)運而生。生物質(zhì)高密度壓縮技術(shù)在發(fā)達(dá)國家得到普遍使用，隨之出現(xiàn)各種顆粒燃料及時及成型設(shè)備，經(jīng)過完善，技術(shù)已日趨成熟?，F(xiàn)在歐美發(fā)達(dá)國家，生物質(zhì)能已獲得大規(guī)模利用，生物質(zhì)顆粒燃料已成為冬季采暖最主要的燃料，其中大部分都使用壓縮成型的生物質(zhì)顆粒燃料，熱值達(dá)到4300以上。