球形元件

球形元件是在球床高溫氣冷堆上使用的燃料元件。由德國研究和發展，其主要特點就是利用球的流動性，實現不必停堆就能完成裝卸料。球形燃料元件主要有注塑型元件、壁紙型元件和模壓型元件。

球形元件的構成

球形燃料元件由燃料區和無燃料區構成。燃料區是直徑約50mm、由包覆燃料顆粒彌散在石墨基體裡的球體。無燃料區是圍繞在燃料區的厚度約5mm、和燃料區相同的石墨基體材料的球殼。燃料區和無燃料區沒有物理上的分界面，它們的基體材料是相同的， 一般是由64%天然鱗片石墨粉、16%人造石墨粉和20%的酚醛樹脂製成。球形燃料元件的石墨基體材料占燃料元件體積的90%以上。

球形燃料元件石墨基體的主要功能：

1）作為燃料元件的結構材料，使包覆燃料顆粒獲得高溫氣冷堆運行所需要的熱工水力學條件，包括將包覆燃料顆粒產生的熱量傳給冷卻劑氦氣，實現堆內運行和連續裝卸料操作等。

2）作為慢化材料，對快中子有足夠的慢化能力。

3）具有一定的滯留裂變產物的能力。

球形元件的分類

1）注塑型元件。它是AVR堆1966年初始裝料使用的球形燃料元件。這種元件的外殼是由石磨機加工成的空心球，外徑60mm,壁厚10mm。球殼上有一螺紋孔，在注入顆粒與石墨粉的混合物後用塗有粘結劑的石墨螺紋塞堵上，然後經表面修正後進行熱處理製得。

2）壁紙型元件。這是AVR堆的第一批補充料。它的外殼和注塑型元件一樣，但是為了降低燃料溫度，包覆燃料顆粒只是集中在石墨外殼內壁附近1～2mm的薄層內，元件中心區域不含燃料。製造這種元件時，首先向石墨殼內注入一定量的包覆燃料顆粒、石墨粉和粘結劑的混合漿料，放在專用機器上轉動，待乾燥後裝入足夠量的天然石墨粉，壓實後堵上帶粘結劑的螺紋賽，然後經表面修整後進行熱處理製得。

3）模壓型元件。AVR堆初裝料和第一次補充料是由美國提供的，這期間德國NUKEM/HOBEG公司研究成功模壓型元件，它是用等靜壓方法在矽橡膠內壓制的整體元件。

模壓型元件是由直徑約為5cm的燃料區和殼厚約5mm的無燃料區組成。包覆燃料顆粒均勻彌散在燃料區內。製成模壓型元件的工序包括：由天然石墨粉、人造石墨粉和酚醛樹脂經混捏、乾燥和粉碎製成石墨基體粉；在包覆燃料顆粒上裹上約0.2mm厚的石墨基體粉；在矽橡膠模內將均勻混合的基體石墨粉和裹上基體石墨粉的包覆燃料顆粒低壓壓製成燃料芯球，再在矽橡膠模內高壓（300MPa）壓製出帶無燃料區的完整燃料球；800℃進行燃料球內數值的碳化；在專用車床上機加工成直徑60mm的燃料元件；最後進行1800～1950℃溫度下的高溫純化。

壓制型燃料元件導熱性能好，具有足夠的機械強度和優越的輻照性能。從1969年AVR堆的第二次補充裝料起就成為唯一繼續裝入AVR堆芯的元件。THTR-300原型堆也使用這種元件，德國設計的商用堆和模組式高溫氣冷堆也都是用這種元件，我國的10MW高溫氣冷堆以及南非計畫建造的PBMR堆也都是用這類球形元件。