【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本文公开的各种示例性实施例总体上涉及一种具有轴向分层燃料床的核反应堆，适用于高温航空航天应用。轴向分层燃料床为具有不同triso层的卵石或密实体提供了一种分级方法，这些triso层影响燃料的特性，例如温度耐受性和辐照反应性。
技术介绍
1、使用球形或圆柱形triso基燃料元件的传统高温气冷堆(high temperature gascooled nuclear reactor，htgr)在运行过程中填充有燃料元件的均质床。
2、htgr反应堆在大约900℃的温度下运行，使用包含颗粒状核燃料的核燃料元件。颗粒状核燃料被基体材料包围，基体材料被模压成各种形状和几何体(例如球体(卵石)和圆柱体(密实体))的核燃料元件。然后将核燃料元件堆叠成卵石床或密实体床，冷却剂气体流经该床，冷却剂气体可以是惰性气体(例如氮气或氩气)或非惰性气体(例如氢气或水)。燃料元件加热冷却剂气体。热气体可用于例如发电等多种用途。
3、htgr反应堆中的颗粒状核燃料可包括一个放射性陶瓷核芯(例如氧化铀、氧化钍、氧化钚、碳化铀、碳化钍、碳化钚、氮化铀、氮化钍或氮化钚)。在各种实施例中，放射性陶瓷核芯被陶瓷密封涂层包覆，例如硅、锆或钨的碳化物或氮化物。放射性陶瓷核芯被多个涂层包覆。例如，颗粒状核燃料可以是三结构各向同性(tristructural isotropic，triso)颗粒。triso核燃料颗粒采用连续的碳层状层和陶瓷密封涂层。triso核燃料颗粒包括铀基核燃料颗粒核芯(例如uo3或u3o8)，其最初包覆有多孔低密度碳层(即缓冲碳层
4、硅基陶瓷经常被用作核燃料颗粒(如triso型颗粒)的密封涂层。然而，在某些应用中，核反应堆需要在极端温度下运行(即温度超过2000℃)。例如，这种反应堆可能用于核热推进(nuclear thermal propulsion，ntp)技术。硅基陶瓷密封涂层并不适合高温应用(即温度超过1500℃)。各种碳化物、硼化物、氮化物和/或氧化物陶瓷在超过2000℃的温度下是稳定的。然而，许多这些高温陶瓷的生产成本很高，因此将它们用作燃料床内所有核燃料颗粒的密封涂层在经济上是不可行的。此外，一些陶瓷材料(如钨碳化物)在极端温度下非常稳定，但不具备适当的中子截面以维持临界状态。因此，举例来说，由具有钨碳化物密封涂层的核燃料颗粒组成的床在极端温度下可能耐降解，但不能维持核反应。
5、本领域需要经济上可行的核反应堆，其燃料颗粒既能维持临界状态，还能承受极端温度。
技术实现思路
1、鉴于目前对高温核反应堆的需求，现对各种示例性实施例进行简要描述。以下描述可能存在一些简化和遗漏，其目的是突出和介绍各种示例性实施例的某些方面，但不旨在限制本专利技术的范围。在后面的章节中，将对优选的示例性实施例进行详细描述，足以使本领域的普通技术人员能够制造和使用本专利技术的概念。
2、本文公开的各种实施例涉及一种具有轴向分层燃料床的核反应堆，包括反应堆壳体，其具有基部、具有排气口的顶部、以及轴。轴向分层燃料床包括多个区：
3、配置在第一温度t1下运行的第一区，该第一区包括多个第一燃料颗粒，每个第一燃料颗粒具有第一放射性陶瓷核芯和第一陶瓷密封涂层；
4、配置在第二温度t2下运行的第二区，其中t2>t1，该第二区包括多个第二燃料颗粒，每个第二燃料颗粒包括第二放射性陶瓷核芯和第二陶瓷密封涂层；
5、其中第一陶瓷密封涂层在t1中的稳定性大于在t2中的稳定性，且第二陶瓷密封涂层在t2中的稳定性大于第一陶瓷密封涂层在t2中的稳定性。
6、在各种实施例中，反应堆包括配置为将冷却剂流体从反应堆基部输送到排气口的冷却剂流体流道，其中冷却剂流体流道依次穿过第一区和第二区。冷却剂流体可以是氢、水、氨、氧气或二氧化碳。冷却剂流体还可以是惰性气体，例如氮气、氩气或氦气。在航空航天应用的核热推进(ntp)反应堆中，冷却剂流体可以高速流过反应堆，既可作为推进剂，又可带走反应堆中的热量。
7、根据各种实施例，第一燃料颗粒包括具有第一中子吸收截面的第一陶瓷密封涂层；第二燃料颗粒包括具有第二中子吸收截面的第二陶瓷密封涂层，其中第二中子吸收截面高于第一中子吸收截面。
8、根据各种实施例，第一燃料颗粒包括第一放射性陶瓷核芯，第二燃料颗粒包括具有第二中子吸收截面的第二放射性陶瓷核芯，其中第一放射性陶瓷核芯和第二放射性陶瓷核芯各自是铀、钍或钚的氧化物、碳化物、碳氧化物或氮化物。第一放射性陶瓷核芯可以是铀、钍或钚的氧化物、碳化物、碳氧化物或氮化物；第二放射性陶瓷核芯可以是铀的氧化物。
9、在各种实施例中，第一燃料颗粒包括硅的氧化物、碳化物、硼化物、碳氧化物或氮化物的第一陶瓷密封涂层；第二燃料颗粒包括高温陶瓷基密封涂层的第二陶瓷密封涂层，高温陶瓷基密封涂层选自由hfb2、zrb2、tib2、tab2、mob、zrc、hfc、tic、tac、moc、mo2c、wc、hfn、zrn、tin、sibcn和ta4hfc5组成的组。
10、在各种实施例中，第一燃料颗粒包括第一陶瓷密封涂层，该第一陶瓷密封涂层为硅或锆的氧化物、碳化物、碳氧化物或氮化物；第二燃料颗粒包括第二陶瓷密封涂层，该第二陶瓷密封涂层为锆或钨的氧化物、碳化物、碳氧化物或氮化物，其中第一陶瓷密封涂层和第二陶瓷密封涂层不同时包含锆。
11、第一陶瓷密封涂层可以是硅碳化物，用于配置在第一温度t1下运行的第一区；第二陶瓷密封涂层可以是锆碳化物，用于配置在第二温度t2下运行的第二区，其中t1在750℃至1200℃之间，t2在1200℃至2000℃之间。
12、第一陶瓷密封涂层可以是硅碳化物，用于配置在第一温度t1下运行的第一区；第二陶瓷密封涂层可以是钨碳化物，用于配置在第二温度t2下运行的第二区，其中t1在750℃至1600℃之间，t2在1600℃至2800℃之间。
13、第一陶瓷密封涂层可以是锆碳化物，用于配置在第一温度t1下运行的第一区；第二陶瓷密封涂层可以是钨碳化物，用于配置在第二温度t2下运行的第二区，其中t1在750℃至2000℃之间，t2在2000℃至2800℃之间。
14、本文公开的各种实施例涉及一种具有轴向分层燃料床的核反应堆，包括多个区。该轴向分层燃料床包括：
15、配置在第一温度t1下运行的第一区，该第一区包括多个第一燃料颗粒，每个第一燃料颗粒具有第一放射性陶瓷核芯和第一陶瓷密封涂层；
16、配置在第二温度t2下运行的第二区，其中t2>t1，该第二区包括多个第二燃料颗粒，每个第二燃料颗粒包括第二放射性陶瓷核芯和第二陶瓷密封涂层；
17、配置在第三温度t3下运行的第三区，其中t3>t2，该第三区包括多个第三燃料颗粒，每个第三燃料颗粒包括第三放射性陶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种具有轴向分层燃料床的核反应堆，包括反应堆壳体，其具有基部、具有排气口的顶部、以及轴；
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述冷却剂流体是氮气、氩气、氦气、氢气、水、氨、氧气或二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
4.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
5.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
6.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
7.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
8.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
9.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
10.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
11.根据权利要求1所述的核反应堆，还包括：
12.根据权利要求11所述的核反应堆，其中：
13.根据权利要求11所述的核反应堆，其中：
14.根据权利要求11所述的核反应堆，其中：
15.根据权利要求11所述的核反应堆，其中：
16.根据权利要求12所述的核反应堆，其中：p>
17.根据权利要求16所述的核反应堆，其中：
18.根据权利要求1所述的核反应堆，还包括：
19.根据权利要求11所述的核反应堆，还包括：
20.根据权利要求18所述的核反应堆，其中所述第一基体材料选自由陶瓷；金属；陶瓷-金属复合材料；至少由两种陶瓷构成的复合材料；石墨；和酚醛树脂组成的组。
21.根据权利要求18所述的核反应堆，其中所述第二基体材料选自由石墨、WC和钨组成的组。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种具有轴向分层燃料床的核反应堆，包括反应堆壳体，其具有基部、具有排气口的顶部、以及轴；
2.根据权利要求1所述的核反应堆，其中所述冷却剂流体是氮气、氩气、氦气、氢气、水、氨、氧气或二氧化碳。
3.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
4.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
5.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
6.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
7.根据权利要求1所述的核反应堆，其中：
8.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
9.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
10.根据权利要求7所述的核反应堆，其中：
11.根据权利要求1所述的核反应堆，还包括：
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【专利技术属性】
技术研发人员：H·金，D·布朗，
申请(专利权)人：埃克斯能量有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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