金属型燃料元件应用

常用的铀合金燃料有铀-钼、铀-锆合金。早期的钠冷快中子增殖堆和材料试验堆曾用含钼10%（重量）的铀-钼合金做燃料。铀-锆合金被用作核潜艇压水堆燃料。由于铀合金含有相当比例的非裂变合金元素，因此铀合金燃料一般采用高浓铀。

由于金属型燃料元件的辐照稳定性不佳，不能满足高燃耗要求，经济上没有竞争能力，所以控的核电站反应堆已不再使用这种燃料元件。 2100433B

金属铀导热性好、密度高、易于加工。石墨水冷堆、石墨气冷堆和重水堆等生产堆，基本上都采用金属铀燃料元件。这些燃料元件以铝合金或镁合金作包壳材料。

金属铀的缺点是熔点较低、化学性质活泼、在高温水中抗腐蚀性差和辐照稳定性不好。因此，后来在金属铀中加入合金元素以改善其性能，于是出现了铀合金燃料。

环形燃料元件是国际上开发的新一代高性能燃料元件。国外研究结果表明，水堆采用环形燃料元件代替传统实心燃料棒，在堆芯功率不变的情况下，会明显提高核电燃料的安全性；在保持堆芯结构不变的情况下，还可将堆功率提高50%，且燃耗大大提高，从而提高了核电的经济性，安全性也保持或好于传统实心燃料堆芯的水平。

环形燃料元件小堆是世界上比较先进的堆型。研究设计了一个环形燃料元件小堆，开发出适于环形燃料堆计算的软件和方法。采用整组件束棒计算堆芯少群参数的方法大大提高了计算精度。计算了堆芯的有效增殖系数、所有控制毒物的单个价值以及总价值、堆芯从室温到工作温度的温度效应等堆芯参数。结果表明：设计的环形燃料元件堆具有良好的稳定性和安全性，可以作为一代新堆。

环形燃料元件堆芯设计

参照相关文献的设计经验，以热工水力性能、堆芯物理性能和元件性能计算分析结果为基础，确定环形燃料元件和组件的结构为：采用经过验证试验的13×13的堆芯组件设计；每根环形燃料元件都采用经过实验验证的尺寸结构，只是对燃料的富集度进行修改，并缩短燃料元件活性区的长度，进而根据堆芯功率及寿期确定堆芯尺寸、可燃毒物种类、加入方式、百分比等堆芯参数。堆芯组件装载方案见图1。

用确定论程序包计算堆芯有效增殖因子时，为了取得较高的精度，选择 WIMSD5A 的束棒计算法计算栅元少群参数，一次性计算出整盒组件169根棒的少群参数，而不采用传统的先计算每根棒栅的栅元参数，然后再计算组件参数的两步走的方法；在计算的过程中注意考虑燃料元件的自屏效应以及元件之间的互屏效应等。得到整个堆芯不同富集度组件、不同位置组件参数后，用程序CITATION再进行整堆的有限差分扩散计算相关参数。

环形燃料元件研究结论

完成了热功率为300MW、电功率为100MW的环形燃料小堆的物理设计。计算结果表明，该堆符合卡棒准则，具有固有安全性（负的反应性温度系数）。由于采用环形燃料，燃料内外都可换热，燃料温度一直都很低，燃烧放出的裂变气体相对很少。因该堆中子注量率不高，故循环周期较长，能够达到 5a，燃耗深度为 56000MW·d·t^-1（U）。该堆可采用模块化建设。以上特点使得该堆适用于边远地区。

用MCNP4C和WIMSD5A CITATION计算了所设计的环形燃料小堆的各种控制毒物的价值、干涉价值，以及从室温到工作温度的温度效应、平衡氙中毒效应及平衡钐中毒效应。