[科普中国]-包覆燃料颗粒

材料制备

包覆燃料颗粒由含可裂变材料的氧化物或碳化物微球及沉积在其表面的几层难熔陶瓷材料构成。这几层材料的主要作用是约束裂变材料、阻挡裂变产物的释放。因此包覆燃料颗粒的作用相当于水堆的燃料棒，燃料核芯相当于水堆的U02芯块，几层包覆层相当于锆合金包壳，所以包覆燃料颗粒实际上是微球燃料元件。

包覆燃料颗粒的燃料核芯一般是用湿化学方法(如溶胶一凝胶法)制成的直径为零点几毫米的微球，其组分可以是铀的氧化物或碳化物，也可以是混合铀和钍的氧化物或碳化物，或是混合铀和钚的氧化物。几层包覆层是在高温下通过化学气相沉积法制得的。包覆层厚度一般为几十微米。整个包覆燃料颗粒的直径约为1mm。2

结构类型包覆燃料颗粒的设计经历了两个阶段。最初的结构为BISO型，即在球形燃料核芯的外周相继沉积上疏松热解炭层和致密热解炭层。随着辐照试验和辐照后安全检测试验的进行，BISO型包覆燃料颗粒逐步显现出其在结构上的局限性，主要表现在沉积层强度不高以及对金属裂变产物阻挡能力较低。随后设计了TRISO型结构的包覆燃料颗粒，即在原有疏松热解炭层和致密热解炭层的基础上，又沉积上碳化硅层和致密热解炭层。

设计特点基于包覆燃料颗粒的结构设计特点，可以根据不同的使用环境来改变核芯组成和沉积层材料以及沉积层的几何尺寸，如包覆燃料颗粒的核芯可以是铀、钍、钚以及它们的混合物的氧化物或碳化物，由此提高资源利用率；用碳化锆层取代碳化硅层，可以提高包覆燃料颗粒在反应堆内的使用温度，从而提高反应堆的热效率。

另外，使用包覆燃料颗粒作为燃料可以增加堆芯设计的灵活性，如改变包覆燃料颗粒在燃料基质(如石墨)中的数量，慢化剂与燃料比值将随之改变，从而最终影响到堆芯的中子学。

除此之外，包覆燃料颗粒的高比表面值和沉积层的高热导率可以有效地提高包覆燃料颗粒与外界的热交换效率。

应用高温气冷堆采用优异的包覆颗粒燃料是获得其良好安全性的基础。铀燃料被分成为许多小的燃料颗粒，每个颗粒外包覆了一层低密度热介碳，两层高密度热介碳和一层碳化硅。包覆颗粒直径小于1mm，包覆颗粒燃料均匀弥散在石墨慢化材料的基体中，制造成直径为6cm的球形燃料元件。包覆层将包覆颗粒中产生的裂变产物充分地阻留在包覆颗粒内。

包覆燃料颗粒研究及制备技术日趋成熟，除了成功地应用于高温气冷堆外，包覆燃料颗粒在水冷反应堆、新型流化床反应堆等其它堆型中都有应用的潜在空间。总之，燃料元件中采用包覆燃料颗粒是核能应用在安全方面的一个重大突破，包覆燃料颗粒技术的应用极大地扩展了核能资源的利用空间。