金屬型燃料元件

常用的鈾合金燃料有鈾-鉬、鈾-鋯合金。早期的鈉冷快中子增殖堆和材料試驗堆曾用含鉬10%（重量）的鈾-鉬合金做燃料。鈾-鋯合金被用作核潛艇壓水堆燃料。由于鈾合金含有相當比例的非裂變合金元素，因此鈾合金燃料一般采用高濃鈾。

由于金屬型燃料元件的輻照穩(wěn)定性不佳，不能滿足高燃耗要求，經濟上沒有競爭能力，所以控的核電站反應堆已不再使用這種燃料元件。 2100433B

金屬鈾導熱性好、密度高、易于加工。石墨水冷堆、石墨氣冷堆和重水堆等生產堆，基本上都采用金屬鈾燃料元件。這些燃料元件以鋁合金或鎂合金作包殼材料。

金屬鈾的缺點是熔點較低、化學性質活潑、在高溫水中抗腐蝕性差和輻照穩(wěn)定性不好。因此，后來在金屬鈾中加入合金元素以改善其性能，于是出現了鈾合金燃料。

環(huán)形燃料元件是國際上開發(fā)的新一代高性能燃料元件。國外研究結果表明，水堆采用環(huán)形燃料元件代替?zhèn)鹘y實心燃料棒，在堆芯功率不變的情況下，會明顯提高核電燃料的安全性；在保持堆芯結構不變的情況下，還可將堆功率提高50%，且燃耗大大提高，從而提高了核電的經濟性，安全性也保持或好于傳統實心燃料堆芯的水平。

環(huán)形燃料元件小堆是世界上比較先進的堆型。研究設計了一個環(huán)形燃料元件小堆，開發(fā)出適于環(huán)形燃料堆計算的軟件和方法。采用整組件束棒計算堆芯少群參數的方法大大提高了計算精度。計算了堆芯的有效增殖系數、所有控制毒物的單個價值以及總價值、堆芯從室溫到工作溫度的溫度效應等堆芯參數。結果表明：設計的環(huán)形燃料元件堆具有良好的穩(wěn)定性和安全性，可以作為一代新堆。

環(huán)形燃料元件堆芯設計

參照相關文獻的設計經驗，以熱工水力性能、堆芯物理性能和元件性能計算分析結果為基礎，確定環(huán)形燃料元件和組件的結構為：采用經過驗證試驗的13×13的堆芯組件設計；每根環(huán)形燃料元件都采用經過實驗驗證的尺寸結構，只是對燃料的富集度進行修改，并縮短燃料元件活性區(qū)的長度，進而根據堆芯功率及壽期確定堆芯尺寸、可燃毒物種類、加入方式、百分比等堆芯參數。堆芯組件裝載方案見圖1。

用確定論程序包計算堆芯有效增殖因子時，為了取得較高的精度，選擇 WIMSD5A 的束棒計算法計算柵元少群參數，一次性計算出整盒組件169根棒的少群參數，而不采用傳統的先計算每根棒柵的柵元參數，然后再計算組件參數的兩步走的方法；在計算的過程中注意考慮燃料元件的自屏效應以及元件之間的互屏效應等。得到整個堆芯不同富集度組件、不同位置組件參數后，用程序CITATION再進行整堆的有限差分擴散計算相關參數。

環(huán)形燃料元件研究結論

完成了熱功率為300MW、電功率為100MW的環(huán)形燃料小堆的物理設計。計算結果表明，該堆符合卡棒準則，具有固有安全性（負的反應性溫度系數）。由于采用環(huán)形燃料，燃料內外都可換熱，燃料溫度一直都很低，燃燒放出的裂變氣體相對很少。因該堆中子注量率不高，故循環(huán)周期較長，能夠達到 5a，燃耗深度為 56000MW·d·t^-1（U）。該堆可采用模塊化建設。以上特點使得該堆適用于邊遠地區(qū)。

用MCNP4C和WIMSD5A CITATION計算了所設計的環(huán)形燃料小堆的各種控制毒物的價值、干涉價值，以及從室溫到工作溫度的溫度效應、平衡氙中毒效應及平衡釤中毒效應。