基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺

技术领域

本发明涉及反应堆设计技术领域，具体而言，涉及一种基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺。

背景技术

当下，先进反应堆研发正处于井喷状态，各种新颖的反应堆概念层出不穷。然而，各类新堆型对堆芯燃料都提出了更高的要求，由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，采用燃料芯块-燃料棒-组件-堆芯的成型方式以及规则的流道设计，致使反应堆堆芯的热工流体特性和结构可靠性均较差。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种基于金属增材制造的反应堆堆芯及其制造工艺，以解决由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，其热工流体特性和结构可靠性均较差的技术问题。

本发明提供的反应堆堆芯，包括金属壳体、金属基体和堆芯燃料，所述金属壳体为两端敞口的空心柱状结构，所述金属壳体的内部设置有贯通其两端的冷却剂流道，所述金属壳体采用增材制造的工艺制备而成；所述金属基体固设于所述金属壳体的内部，所述堆芯燃料嵌设于所述金属基体。

进一步地，沿所述金属壳体的轴向，所述冷却剂流道呈螺旋结构。

进一步地，所述冷却剂流道的径向截面为多边形结构、十字形结构或多瓣花形结构。

进一步地，所述金属壳体的中心和外周均设置有所述冷却剂流道，其中，设置于所述金属壳体的外周的所述冷却剂流道的数量为多个，设置于所述金属壳体的外周的多个所述冷却剂流道沿所述金属壳体的周向均匀分布。

进一步地，所述堆芯燃料为TRISO燃料，所述TRISO燃料呈颗粒状，其富集度可变，其粒径可变；所述堆芯燃料自外向内依次包括外致密热解碳层、碳化硅层、内致密热解碳层、疏松热解碳层和燃料核心。

进一步地，所述燃料核心包括UO

进一步地，所述金属壳体的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金；所述金属基体的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金。

进一步地，所述反应堆堆芯适用于压水堆、高温气冷堆、液态金属堆或热管堆。

本发明反应堆堆芯带来的有益效果是：

通过将金属壳体采用增材制造的工艺制备而成，使得在进行反应堆堆芯的壳体制造时，不必采用规则的几何形状，由于金属基体固设于金属壳体内，而堆芯燃料嵌设于金属基体，从而使得最终获得的反应堆堆芯中，由堆芯燃料填充得到的金属基体也为不规则几何形状，进而可以采用具有更优良中子物理、热工流体特性和结构力学性能的设计。而且，由基于金属增材制造的金属壳体，其内部设置的冷却剂流道也可以为不规则形状，以增强冷却剂流道的换热面积，达到强化换热、降低燃料峰值温度的效果。

综上所述，采用上述反应堆堆芯的设计方案，可以突破传统的堆芯燃料成型方式和流道设计限制，而采用具有更加优良中子物理、热工流体和结构力学性能的设计。当采用该类型的反应堆堆芯，不仅能够充分利用有限的堆芯几何空间域，还能够减少燃料组件的数量。

本发明的第二个目的在于提供一种反应堆堆芯的制造工艺，以解决由传统设计方案与制造工艺获得的反应堆堆芯，其热工流体特性和结构可靠性均较差的技术问题。

本发明提供的反应堆堆芯的制造工艺，用于制造上述的反应堆堆芯，所述制造工艺包括：

采用SLM(Selective laser melting，选择性激光熔融)工艺、EBM(Electron BeamMelting，电子束熔融)工艺或BJ(Binder Jetting，粘结剂喷射)工艺制造金属壳体；

采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体、金属基体和堆芯燃料固化成型。

进一步地，所述采用SLM工艺中，工艺参数为：激光功率为270W～280W，扫描速度为750～850mm/s，扫描间隙为0.04～0.06mm，层厚为0.035～0.045mm，功率密度为165～175W·s/mm

本发明反应堆堆芯的制造工艺带来的有益效果是：

由该反应堆堆芯的制造工艺制造得到的上述反应堆堆芯，相应地，具有与上述反应堆堆芯同样的优势，在此不再一一赘述。

另外，该反应堆堆芯的制造工艺中，当采用SLM工艺制造金属壳体时，能直接成型出接近完全致密度的金属壳体，不需要粘结剂，成型的精度和力学性能均较好，从而能够有效提高壳体的结构可靠性；当采用EBM工艺制造金属壳体时，可以将金属粉末一层一层地熔化生成完全致密的金属壳体，致密度高，同样能够提高壳体的结构可靠性；当采用BJ工艺制造金属壳体时，不仅能够实现复杂金属壳体的快速打印，而且，还能够保证金属壳体的打印精度。

在利用上述工艺完成金属壳体的制备后，采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体、金属基体和堆芯燃料固化成型，不仅能够有效缩短烧结时间，还使得固化成型后得到的反应堆堆芯组织结构可控，且节能环保。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的反应堆堆芯的外壳的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的反应堆堆芯的径向截面图，其中，对堆芯燃料进行放大展示。

附图标记说明：

100-金属壳体；200-金属基体；300-冷却剂流道；500-堆芯燃料；501-外致密热解碳层；502-碳化硅层；503-内致密热解碳层；504-疏松热解碳层；505-燃料核心。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为本实施例提供的反应堆堆芯的外壳的结构示意图，图2为本实施例提供的反应堆堆芯的径向截面图(对堆芯燃料500进行放大展示)。如图1和图2所示，本实施例提供了一种反应堆堆芯，包括金属壳体100、金属基体200和堆芯燃料500，具体地，金属壳体100为两端敞口的空心柱状结构，金属壳体100的内部设置有贯通其两端的冷却剂流道300，金属壳体100采用增材制造的工艺制备而成；金属基体200固设于金属壳体100的内部，堆芯燃料500嵌设于金属基体200。

通过将金属壳体100采用增材制造的工艺制备而成，使得在进行反应堆堆芯的壳体制造时，不必采用规则的几何形状，由于金属基体200固设于金属壳体100内，而堆芯燃料500嵌设于金属基体200，从而使得最终获得的反应堆堆芯中，由堆芯燃料500填充得到的金属基体200也为不规则几何形状，进而可以采用具有更优良中子物理、热工流体特性和结构力学性能的设计。而且，由基于金属增材制造的金属壳体100，其内部设置的冷却剂流道300也可以为不规则形状，以增强冷却剂流道300的换热面积，达到强化换热、降低燃料峰值温度的效果。

综上所述，采用上述反应堆堆芯的设计方案，可以突破传统的堆芯燃料500成型方式和流道设计限制，而采用具有更加优良中子物理、热工流体和结构力学性能的设计。当采用该类型的反应堆堆芯，不仅能够充分利用有限的堆芯几何空间域，还能够减少燃料组件的数量。

请继续参照图1和图2，本实施例中，沿金属壳体100的轴向，冷却剂流道300呈螺旋结构。

通过将冷却剂流道300设置为沿金属壳体100轴向的螺旋结构，能够增加冷却剂流道300的路径，保证冷却剂流动过程中与金属基体200及堆芯燃料500的充分换热。

请继续参照图1和图2，本实施例中，冷却剂流道300的径向截面为多瓣花形结构。

通过将冷却剂流道300的径向截面设置为多瓣花形结构，还能够明显增加冷却剂流道300的换热面积与增强冷却剂搅浑，实现强化换热，从而达到降低燃料峰值温度的目的。

需要说明的是，在其他实施例中，冷却剂流道300的径向截面形状还可以是多边形结构或十字形结构。这两种横截面形状的冷却剂流道300同样能够增加换热面积，从而增加与堆芯燃料500的换热效果。

可以理解的是，冷却剂流道300的径向截面形状可以为三角形或六边形。

请继续参照图1和图2，本实施例中，金属壳体100的中心和外周均设置有冷却剂流道300，具体地，设置于金属壳体100的外周的冷却剂流道300的数量为多个，设置于金属壳体100的外周的多个冷却剂流道300沿金属壳体100的周向均匀分布。

冷却剂流道300的上述设置形式，能够增加其在金属壳体100的分布区域，从而进一步增强换热效果，与此同时，通过将金属壳体100外周设置的多个冷却剂流道300设置为沿金属壳体100的周向均匀分布，还使得反应堆堆芯的换热效果更加均匀。

在其他实施例中，多个冷却剂流道300还可以交叉排布。

请继续参照图2，本实施例中，堆芯燃料500为TRISO燃料，TRISO燃料呈颗粒状，其富集度可变，其粒径可变；堆芯燃料500自外向内依次包括外致密热解碳层501、碳化硅层502、内致密热解碳层503、疏松热解碳层504和燃料核心505。

本实施例中，TRISO颗粒状燃料弥散在金属基体200中，TRISO燃料可采用不同粒径的小球颗粒。TRISO颗粒的填充率可以进行分区调节，也可有不同富集度。其中，TRISO燃料可以实现裂变气体与放射性产物的有效包容，有效支撑堆芯固有安全性。

其中，TRISO颗粒状燃料是一个三层结构的各向同性粒子，是由低浓缩铀和氧气的混合物制成，周围有三层交替的石墨和碳化硅的陶瓷层。它的层状外壳可以保护里面的铀不至于熔化。

本实施例中，燃料核心505为UO

本实施例中，该反应堆堆芯可适用于压水堆、高温气冷堆、液态金属堆或热管堆等多种堆型。

本实施例中，金属壳体100的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金；金属基体200的材质为锆合金、不锈钢、镍基合金或钼铼合金。金属壳体100和金属基体200的上述材质选择，能够增加金属壳体100和金属基体200的结构强度，从而延长反应堆堆芯的工作寿命。

本实施例还提供了一种反应堆堆芯的制造工艺，用于制造上述反应堆堆芯，该制造工艺包括：采用SLM工艺、EBM工艺或BJ工艺制造金属壳体100；采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体100、金属基体200和堆芯燃料500固化成型。

由该反应堆堆芯的制造工艺制造得到的上述反应堆堆芯，相应地，具有与上述反应堆堆芯同样的优势，在此不再一一赘述。

另外，该反应堆堆芯的制造工艺中，当采用SLM工艺制造金属壳体100时，能直接成型出接近完全致密度的金属壳体100，不需要粘结剂，成型的精度和力学性能均较好，从而能够有效提高壳体的结构可靠性；当采用EBM工艺制造金属壳体100时，可以将金属粉末一层一层地熔化生成完全致密的金属壳体100，致密度高，同样能够提高壳体的结构可靠性；当采用BJ工艺制造金属壳体100时，不仅能够实现复杂金属壳体100的快速打印，而且，还能够保证金属壳体100的打印精度。

在利用上述工艺完成金属壳体100的制备后，采用放电等离子体烧结工艺将金属壳体100、金属基体200和堆芯燃料500固化成型，不仅能够有效缩短烧结时间，还使得固化成型后得到的反应堆堆芯组织结构可控，且节能环保。

本实施例中，金属壳体100采用SLM工艺制造得到，其中，该SLM工艺中，工艺参数为：激光功率为270W～280W，扫描速度为750～850mm/s，扫描间隙为0.04～0.06mm，层厚为0.035～0.045mm，功率密度为165～175W·s/mm

优选地，本实施例中，激光功率为275W，扫描速度为800mm/s，扫描间隙为0.05mm，层厚为0.04mm，功率密度为171.9W·s/mm

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

上述实施例中，诸如“内”、“外”等方位的描述，均基于附图所示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。