專(zhuān)利名稱(chēng):燃料組件的制作方法
燃料組件
交叉引用
本申請(qǐng)要求2010年5月11日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/333，467、2010年10月15日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/393，499和2011年2月21日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/444，990的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所有這三個(gè)申請(qǐng)的題目都是“金屬燃料組件(METAL FUALASSEMBLY) ”，所有三個(gè)申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)參考引入。
發(fā)明背景1.發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明總的涉及用于核反應(yīng)堆的堆芯中的核燃料組件，并且更具體地涉及金屬核燃料元件。
2.相關(guān)技術(shù)描述
美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)為2009/0252278A1公開(kāi)了包括種子和再生區(qū)(blanket)子組件的核燃料組件，所述專(zhuān)利的全部?jī)?nèi)容作為參考引入本文。該再生區(qū)子組件包括釷基燃料元件。該種子子組件包括用于釋放中子的鈾和/或钚的金屬燃料元件，其釋放的中子被釷的再生區(qū)元件所捕獲，從而產(chǎn)生裂變的U-233，其在原位燃燒并為核電廠釋放出熱量。
傳統(tǒng)的核電廠通常使用的燃料組件包括多個(gè)燃料棒，其每個(gè)都包含在圓筒形管中的氧化鈾燃料。
_7] 發(fā)明實(shí)施方式的概述
常規(guī)燃料棒的圓筒形管的表面積限制了可以從所述棒傳遞給主冷卻劑的熱量?？紤]到熱流去除的有限表面積，為了避免過(guò)熱燃料棒，通常大量制了這些氧化鈾燃料棒中或混合氧化物(氧化钚和氧化鈾)燃料棒中的裂變材料的量。
通過(guò)將傳統(tǒng)氧化鈾燃料棒替換為全金屬的、多葉形的、粉末冶金共擠出燃料棒(燃料元件)，本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式克服了傳統(tǒng)氧化鈾燃料棒的各種缺點(diǎn)。金屬燃料元件與其氧化鈾燃料棒的對(duì)應(yīng)元件相比具有顯著更大的表面積，從而促進(jìn)了在較低溫度下從燃料元件到主冷卻劑顯著更多的熱量傳遞。多葉形燃料元件的螺旋肋為燃料元件提供了結(jié)構(gòu)支撐，其可能有助于減少或消除在其它情況下可能需要的定位格架的數(shù)量。這些定位格架的數(shù)量減少或消除有利地減小了冷卻劑上的水力阻力，從而可以提高到冷卻劑的熱傳遞。由于金屬燃料元件可以比它們的傳統(tǒng)氧化鈾燃料棒的對(duì)應(yīng)元件相對(duì)更緊湊，燃料組件內(nèi)提供了更多的空間用于冷卻劑，而這又減少了水力阻力并提高了到冷卻劑的傳熱。從金屬燃料棒到冷卻劑的更高的傳熱意味著其可能產(chǎn)生更多的熱量(即，電能)，而由于金屬相對(duì)于氧化物的顯著更高的熱導(dǎo)率，其同時(shí)使燃料元件保持在較低的工作溫度。雖然由于過(guò)熱問(wèn)題，傳統(tǒng)的氧化鈾或混合氧化物燃料棒通常把裂變材料的載荷限制在4-5%左右，但是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式，金屬燃料元件的較高的傳熱性能使得可以使用顯著更多的裂變材料載荷，同時(shí)仍維持安全的燃料性能。最終，對(duì)于相同的反應(yīng)堆堆芯，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式使用金屬燃料元件比傳統(tǒng)的氧化鈾或混合氧化物燃料棒可能提供的電能更多的電能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，使用全金屬燃料元件可以有利地降低燃料失效(failure)的危險(xiǎn)，因?yàn)榻饘偃剂显档土肆炎儦怏w釋放到冷卻劑的風(fēng)險(xiǎn)，而這在傳統(tǒng)的氧化鈾或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，使用全金屬燃料元件還比傳統(tǒng)的氧化鈾燃料棒更安全，因?yàn)槿饘僭O(shè)計(jì)增加了燃料元件內(nèi)的傳熱，從而降低了燃料元件內(nèi)的溫度差異，并降低了燃料元件的局部過(guò)熱的危險(xiǎn)。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了用于核能反應(yīng)堆堆芯(例如，陸基的或海基核反應(yīng)堆)中的燃料組件。該組件包括含有下接管(nozzle)的框架，該接管被成形和配置以安裝到核反應(yīng)堆內(nèi)部的堆芯結(jié)構(gòu)上，和由該框架支撐的多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件。多個(gè)燃料元件中的每一個(gè)都包括含有金屬燃料材料和金屬非燃料材料的金屬燃料合金內(nèi)核(kernel)。該燃料材料包括裂變材料。每個(gè)燃料元件還包括圍繞燃料內(nèi)核的包層(cladding)。多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件提供了以體積計(jì)至少70%的燃料組件的全部裂變材 料。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了用于核能反應(yīng)堆的堆芯的燃料組件。該組件包括含有下接管的框架，該接管被成形和配置以安裝到核反應(yīng)堆內(nèi)部的堆芯結(jié)構(gòu)上。該組件還包括多個(gè)由該框架支撐的細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件，所述多個(gè)燃料元件中的每一個(gè)都包括含有金屬燃料材料和金屬非燃料材料的金屬燃料合金內(nèi)核。該燃料材料包括裂變材料。燃料元件還包括圍繞燃料內(nèi)核的包層。金屬燃料元件區(qū)域的減速劑(moderator)燃料的比值是2. 5或更低。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了制造用于核能反應(yīng)堆的堆芯中的燃料組件的方法。該方法包括通過(guò)下述制造多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件中的每一個(gè)將粉末金屬燃料與粉末金屬非燃料材料相混合，其中粉末金屬燃料材料包括裂變材料，燒結(jié)混合的粉末金屬燃料和金屬非燃料材料以產(chǎn)生燃料芯料，用包層材料圍繞燃料堆芯原料，并共擠出燃料芯料和包層材料來(lái)產(chǎn)生燃料元件。該方法還包括將多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件安裝在燃料組件的框架上。金屬燃料元件區(qū)域內(nèi)的減速劑燃料的比值是2. 5或更低。該方法可以包括在所述燒結(jié)前將置換器(displacer)放置在混合的粉末金屬燃料材料和金屬非燃料材料中，以使所述燒結(jié)產(chǎn)生包含置換器的燃料芯料。燃料組件可以被放入陸基核能反應(yīng)堆中。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件提供了燃料組件中所有燃料元件的總體積的至少60%。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，包層的平均厚度是至少為O. 6毫米。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，燃料組件是熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和物理成形的且用于在陸基核能反應(yīng)堆中操作。
根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，燃料組件可與陸基核能反應(yīng)堆組合使用，其中燃料組件被置于陸基核能反應(yīng)堆中。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，對(duì)于多個(gè)所述多個(gè)燃料元件所述燃料內(nèi)核的燃料材料富含20%或更少的鈾-235和/或鈾-233并占20%到30%體積分?jǐn)?shù)的燃料內(nèi)核；以及非燃料金屬占70%到80%體積分?jǐn)?shù)的燃料內(nèi)核。對(duì)于多個(gè)所述多個(gè)燃料元件，燃料材料富集度可以為15%到20%之間。燃料內(nèi)核的非燃料金屬可包括鋯。[0020]根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，內(nèi)核包括δ-相的UZr2。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，對(duì)于多個(gè)的所述多個(gè)燃料元件燃料內(nèi)核的燃料材料包括钚；燃料內(nèi)核的非燃料金屬包括鋯；并且燃料內(nèi)核的非燃料金屬占70%到97%體積分?jǐn)?shù)的燃料內(nèi)核。根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，燃料材料包括以下組合鈾和釷；钚和釷；或袖、杯和娃。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)燃料元件的的多個(gè)包層被冶金結(jié)合到燃料內(nèi)核上。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的非燃料金屬包括招。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的非燃料金屬包括
高熔點(diǎn)金屬。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的包層包括鋯。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)通過(guò)共擠出燃料內(nèi)核和包層來(lái)制造。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，燃料組件、一個(gè)或多個(gè)其燃料元件、和/或一個(gè)或多個(gè)其燃料內(nèi)核包括可燃抑制劑(poison)。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件提供了燃料組件中全部裂變材料的以體積計(jì)的至少80%。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，陸基核能反應(yīng)堆包括具有在2010年之前實(shí)際使用的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)核電廠。框架可以被成形和配置以安裝于陸基核能反應(yīng)堆中以代替常規(guī)的用于反應(yīng)堆的氧化鈾燃料組件。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，一個(gè)或多個(gè)燃料元件具有限定多個(gè)螺旋肋的螺旋扭轉(zhuǎn)的、多葉形輪廓(profile)。多個(gè)燃料元件的相鄰元件的間隔肋可以在燃料元件的軸向長(zhǎng)度上周期性地彼此接觸，這樣的接觸有助于保持相對(duì)于彼此的燃料元件的間距。燃料組件可具有的減速劑對(duì)燃料的比值為至少2. 5或2. 5或更小。所述多葉形輪廓可能包括相鄰葉片之間的凹形區(qū)域。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)金屬燃料元件的各自的金屬燃料合金內(nèi)核通過(guò)燒結(jié)燃料材料和金屬非燃料材料而形成。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多葉形輪廓包括葉片的凸結(jié)構(gòu)(tip)和相鄰葉片之間的交點(diǎn)，其中在凸結(jié)構(gòu)處的包層比在交點(diǎn)處的包層厚。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了制造用于陸基核能反應(yīng)堆的堆芯的燃料組件的方法。該方法包括通過(guò)混合粉末金屬燃料與粉末金屬非燃料材料來(lái)制造多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件中的每一個(gè)的方法，其中粉末金屬燃料材料包括裂變材料。每個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件的制造還包括燒結(jié)混合的粉末金屬燃料和金屬非燃料材料以創(chuàng)建燃料芯料，用包層材料圍繞燃料堆芯原料，并共擠出燃料芯料和包層材料來(lái)創(chuàng)建燃料元件。該方法還包括將多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件安裝在燃料組件的框架上，所述燃料組件包括下接管，該接管被成形和配置以安裝到陸基核能反應(yīng)堆內(nèi)部的堆芯上。多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件提供了以體積計(jì)至少70%的燃料組件的全部裂變材料。所述燃料組件是熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和物理成形的且用于在陸基核能反應(yīng)堆中的操作。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，該方法還包括將置換器在所述燒結(jié)前放置在混合的粉末金屬燃料材料和金屬非燃料材料中，以使所述燒結(jié)產(chǎn)生包含該置換器的燃料芯料。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，該方法還包括將燃料組件放入陸基核能反應(yīng)堆中。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了核反應(yīng)堆，其包括加壓重水反應(yīng)堆和設(shè)置在加壓重水堆中的燃料組件。燃料組件包括多個(gè)彼此附著的細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件。多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括粉末冶金金屬燃料合金內(nèi)核，該內(nèi)核包含金屬燃料材料和金屬非燃料金屬，燃料材料包含裂變材料。每個(gè)燃料元件還包括圍繞燃料內(nèi)核的包層。多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件提供了燃料組件的全部裂變材料的以體積計(jì)至少70%。燃料元件中的每一個(gè)可以具有限定多個(gè)螺旋間隔肋的螺旋扭轉(zhuǎn)的、多葉形輪廓。·[0038]本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了核反應(yīng)堆，其包括加壓重水堆反應(yīng)堆；和設(shè)置在加壓重水反應(yīng)堆的燃料組件。燃料組件包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的互相附著的金屬燃料元件，所述多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括包含金屬燃料材料和金屬非燃料材料的金屬燃料合金內(nèi)核，燃料材料包括裂變材料，和圍繞燃料內(nèi)核的包層。金屬燃料元件區(qū)域中減速劑燃料的比值可以為2. 5或更低。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，燃料組件還包括由框架支撐的多個(gè)UO2燃料元件，所述多個(gè)UO2燃料元件中的每一個(gè)都含有UO2燃料。多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的UO2燃料元件中的至少一些可以從所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件橫向向外放置。UO2燃料可能具有低于15%的鈾-235富集度以。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，圍板(shroud)將流過(guò)多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的UO2燃料元件的冷卻劑流與流過(guò)多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件的冷卻劑流分隔開(kāi)。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式提供了用于核能反應(yīng)堆的堆芯的燃料組件。該組件包括含有下部接管的框架，該接管被成形和配置以安裝到核反應(yīng)堆內(nèi)部的堆芯結(jié)構(gòu)上。該組件包括多個(gè)由所述框架支撐的細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件。所述多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括含有金屬燃料材料和金屬非燃料材料的金屬燃料合金內(nèi)核和圍繞燃料內(nèi)核的包層，其中所述燃料材料包括裂變材料。該組件包括多個(gè)由該框架支撐的附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件。如燃料組件的橫截面中觀察到的，所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)燃料元件可設(shè)置在單個(gè)-燃料-元件-寬的環(huán)內(nèi)，該環(huán)圍繞著多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件。多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件可提供燃料組件中的所有燃料元件的總體積的至少60 %。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件中的每一個(gè)包括空心棒，該棒內(nèi)配置有粒狀UO2燃料。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，支撐多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件的部分燃料組件與支撐多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件的部分燃料組件是分不開(kāi)的。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件作為一個(gè)單元與所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件是不可分離的。
根據(jù)這些實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，燃料組件定義了 17x17的位置圖案；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件中的每一個(gè)被布置在其中一個(gè)圖案位置上；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件中沒(méi)有元件被布置在17x17圖案的任何周邊位置上；并且多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件中的每一個(gè)被布置在17x17圖案的周邊位置的不同位置。
根據(jù)上述實(shí)施方式中的一個(gè)或多個(gè)，內(nèi)核可包括陶瓷燃料材料代替金屬燃料材料。在一個(gè)或多個(gè)這樣的實(shí)施方式中，燃料材料包含設(shè)置在金屬非燃料材料的基質(zhì)中的陶瓷燃料材料。相反，在一個(gè)或多個(gè)金屬燃料的實(shí)施方式中，所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件；燃料材料包括金屬燃料材料；且燃料內(nèi)核包括含有金屬燃料材料的合金和金屬非燃料材料的基質(zhì)的金屬燃料合金內(nèi)核。
本發(fā)明的這些和其它方面的各種實(shí)施方式，以及操作方法和相關(guān)的結(jié)構(gòu)元件功能和制造的零件和經(jīng)濟(jì)的組合，將在考慮下面的參照附圖的描述和所附權(quán)利要求
后變得更加顯而易見(jiàn)，所有的附圖形成了本說(shuō)明書(shū)的一部分，其中在各圖中相同的附圖標(biāo)記指定相應(yīng)的部件。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，在此示出的結(jié)構(gòu)部件被按比例繪制。但是，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，附圖僅為圖示說(shuō)明和描述目的，并不意欲作為本發(fā)明的限制的定義。此外，應(yīng)該理解的是，在本文中的任何一個(gè)實(shí)施方式中示出或描述的結(jié)構(gòu)特征也可以用于其它實(shí)施方式中。如在說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求
中使用的，單數(shù)形式的“一個(gè)”和“該(the)”包括復(fù)數(shù)對(duì)象，除 非上下文清楚地相反指示。


為了更好的理解本發(fā)明的實(shí)施方式以及其中的其他目標(biāo)和其進(jìn)一步的特征，可以參考下述描述，其與附圖結(jié)合使用，其中
圖I是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料組件的橫截面視圖，所述橫截面采取自定間隔(self-spacing)的平面；
圖2是圖I的燃料組件的橫截面視圖，所述橫截面采取從圖I的視圖的燃料元件扭轉(zhuǎn)偏移1/8的平面；
圖3是圖I的燃料組件的橫截面視圖，其采取平行于燃料組件的軸向方向的平面；
圖4是圖I的燃料組件中的燃料元件的透視圖；
圖5是圖3中的燃料元件的橫截面視圖；
圖6是圖3中的燃料元件的橫截面視圖，被限定在常規(guī)的多邊形中；
圖7A是根據(jù)可選實(shí)施方式的用于在加壓重水反應(yīng)堆中的燃料組件的端視圖；
圖7B是圖7A的燃料組件的部分側(cè)視圖；
圖8是使用圖7A和7B中示意的燃料組件的加壓重水反應(yīng)堆的示意圖；
圖9是圖3中的燃料元件的橫截面視圖；和
圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料組件的橫截面視圖。
本發(fā)明實(shí)施方式的詳述
圖1-3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的燃料組件10。如圖3中所示，燃料組件10包括多個(gè)由框架25支撐的燃料元件20。
如圖3所示，框架25包括圍板30，導(dǎo)向管40，上接管50，下接管60，下固定板70，上固定板80，和/或其他結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)使得組件10在核反應(yīng)堆中作為燃料組件進(jìn)行操作。在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施方式，可以省略框架25的這些部件的一個(gè)或多個(gè)。
如圖3所示，圍板25裝入上接管50和下接管60。下接管60 (或組件10的其他合適的結(jié)構(gòu))被構(gòu)造和成形以在組件10和在其中放置有組件10的反應(yīng)堆90之間提供流體聯(lián)通界面，以促進(jìn)冷卻劑通過(guò)下接管60從組件10流進(jìn)反應(yīng)堆的堆芯中。上接管50促進(jìn)了熱的冷卻劑從組件10流向發(fā)電廠的蒸汽發(fā)生器(用于PWR)和汽輪機(jī)(用于BWR)等。接管50、60具有專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的正確匹配反應(yīng)堆堆芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀。
如圖3所示，下固定板70和上固定板80優(yōu)選牢固安裝(例如，通過(guò)焊接，合適的緊固件(例如，螺栓，螺釘)，等)到圍板30或下接管60 (和/或組件10的其他合適的結(jié)構(gòu)部件)上。
元件20的下部軸向端形成定位銷(xiāo)(pin) 20a，其安裝在下固定板70中的孔70a中以支撐元件20并有助于保持元件20的適當(dāng)?shù)拈g距。定位銷(xiāo)20a以防止元件20沿它們的軸旋轉(zhuǎn)或相對(duì)于下固定板70的軸向移動(dòng)的方式安裝到孔70a中。這種對(duì)于旋轉(zhuǎn)的限制有助于保證在相鄰元件20間的接觸點(diǎn)都發(fā)生在沿元件20的相同軸向位置(即下面討論的自定間隔平面)。定位銷(xiāo)20a和孔70a之間的連接，可以通過(guò)焊接、過(guò)盈配合、嚙合防止旋轉(zhuǎn)的非圓筒形特征(例如，鍵槽和花鍵)、和/或任何其它合適的裝置創(chuàng)建，以限制元件20相對(duì)于下固定板70的軸向和/或旋轉(zhuǎn)移動(dòng)。下固定板70包括軸向延伸的通道(例如，網(wǎng)格的開(kāi)口)，通過(guò)該通道冷卻劑流向元件20。
元件20的上部軸向端部形成可自由插入到上固定板80中的孔80a的定位銷(xiāo)20a，以允許上部定位銷(xiāo)20a可自由軸向向上移動(dòng)到上固定板80，同時(shí)幫助維持元件20之間的間距。其結(jié)果是，當(dāng)元件20在裂變期間沿軸向生長(zhǎng)時(shí)，細(xì)長(zhǎng)元件20可以自由地進(jìn)一步延伸到上固定板80。
如圖4所示，定位銷(xiāo)70a經(jīng)過(guò)元件20的中央部分。
圖4和5示出了組件10中的單獨(dú)的燃料元件/棒20。如圖5所示，燃料元件20的細(xì)長(zhǎng)的中央部分具有四葉形橫截面。元件20的橫截面在元件20的中央部分的長(zhǎng)度上基本上保持均勻。每個(gè)燃料元件20具有燃料內(nèi)核100，其包括高熔點(diǎn)金屬和包含裂變材料的燃料材料。
包括高熔點(diǎn)金屬的置換器110沿縱軸被放置在燃料內(nèi)核100的中心。置換器110通過(guò)替代否則還將占據(jù)該空間的裂變材料，有助于限制燃料元件20的最厚部分的中心中的溫度，并且最小化了沿著燃料元件的表面的熱通量變化。根據(jù)各種實(shí)施方式，置換器110可被完全消除。
如圖5所示，燃料內(nèi)核100被高熔點(diǎn)金屬包層120所包圍。包層120優(yōu)選是足夠厚、足夠強(qiáng)、和足夠的柔韌性以忍受輻射導(dǎo)致的核100的膨脹且不發(fā)生失效(例如，使內(nèi)核100不露于包層120以外的環(huán)境)。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，整個(gè)包層120的厚度是至少為O. 3毫米、O. 4毫米、O. 5毫米、和/或O. 7毫米。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，包層120的厚度至少為O. 4毫米，以減小包層120的基于膨脹的失效、基于氧化的失效、和/或任何其他機(jī)制之失效的幾率。
在環(huán)形方向(S卩，如在圖5的橫截面視圖所示的包層120的周邊部位)以及內(nèi)核100的軸向/縱向長(zhǎng)度上(如圖4所示)，包層120可以具有基本均勻的厚度?；蛘撸鐖D5所示，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，包層120在葉片20b的凸結(jié)構(gòu)處比在葉片20b之間的凹形相交處/區(qū)域20c的要厚。例如，根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，葉片20b凸結(jié)構(gòu)處的包層120要比凹形相交處/區(qū)域20c的包層120厚至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、125%、和/或150%。在葉片20b的凸結(jié)構(gòu)處的較厚的包層120提供了葉片20b在凸結(jié)構(gòu)處的改進(jìn)的耐磨性能，在此處相鄰的燃料元件20在自定間隔平面(下面討論)處彼此接觸。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，置換器110、燃料內(nèi)核100和包層120中使用的高熔點(diǎn)金屬包括鋯。如本文所使用的，術(shù)語(yǔ)鋯意味著純鋯或鋯與其他合金材料的組合。然而，可以在不脫離本發(fā)明的范圍內(nèi)使用其它高熔點(diǎn)金屬代替鋯(例如，鈮、鑰、鉭、鎢、錸、鈦、釩、鉻、鋯、鉿、釕、鋨、銥、和/或其它金屬)。如本文所用，術(shù)語(yǔ)“高熔點(diǎn)金屬”是指任何具有熔點(diǎn)高于1800攝氏度(2073K)的金屬/合金。
此外，在某些實(shí)施方式中，高熔點(diǎn)金屬可能被另一個(gè)非燃料金屬，例如鋁替換。然而，非難熔的非燃料金屬是最適合用于在較低的溫度下(例如，具有高度約I米和電力功率為100兆瓦或更少的小堆芯)操作的反應(yīng)堆堆芯。高熔點(diǎn)金屬優(yōu)選用于在較高操作溫度下的堆芯?！?br>如圖5所示，燃料內(nèi)核100的中央部分和包層120具有四葉形輪廓形成的螺旋間隔肋130。該置換器110也可以被成形以在肋130處向外突出(例如，方形置換器110的拐角與肋130對(duì)齊)。根據(jù)本發(fā)明的可選實(shí)施方式，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，燃料元件20可以具有更多或更少數(shù)量肋130。例如，如通常在美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)2009/0252278A1的圖5中示出的，燃料元件可具有三個(gè)肋/葉片，其優(yōu)選彼此沿周邊以相等的距離間隔開(kāi)。肋/葉片130的數(shù)量可能至少部分地取決于燃料組件10的形狀。例如，四葉形元件20可能較好地適用于具有方形橫截面的燃料組件10 (例如，在AP-1000中使用的)。相反，三葉形燃料元件可能較好地適用于六邊形的燃料組件(例如，在VVER中使用的)。
根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，圖9示出了燃料元件20的各種尺寸。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，下表中指定的任何這些尺寸、參數(shù)和/或范圍，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下,可以增加或減少直至5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、或更多。
權(quán)利要求
1.用于核能反應(yīng)堆的堆芯中的燃料組件，所述組件包括 包括下接管的框架，所述下接管被成形和設(shè)置以安裝到核反應(yīng)堆內(nèi)部堆芯結(jié)構(gòu)上；和多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的由所述框架支撐的燃料元件，所述多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括包含被置于金屬非燃料材料基質(zhì)中的燃料材料的燃料內(nèi)核，所述燃料材料包括裂變材料，和 圍繞燃料內(nèi)核的包層， 其中燃料元件區(qū)域中的減速劑燃料的比值是2. 5或更低。
2.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中 所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的金屬燃料元件； 所述燃料材料包括金屬燃料材料；和 所述燃料內(nèi)核包括含有金屬燃料材料的合金和金屬非燃料材料的基質(zhì)的金屬燃料合金內(nèi)核。
3.如權(quán)利要求
2的燃料組件，其中所述內(nèi)核包括δ-相UZr2。
4.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述燃料材料包括設(shè)置在金屬非燃料材料的基質(zhì)中的陶瓷燃料材料。
5.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件提供了燃料組件的所有燃料元件的總體積的至少60 %。
6.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述包層的平均厚度是至少為O.6毫米。
7.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述燃料組件是熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和物理成形用于陸基核能反應(yīng)堆操作的。
8.如權(quán)利要求
7的燃料組件，與陸基核能反應(yīng)堆相組合，其中所述燃料組件設(shè)置在陸基核能反應(yīng)堆內(nèi)。
9.如權(quán)利要求
7的燃料組件，其中 所述陸基核能反應(yīng)堆包括具有在2010年以前實(shí)際應(yīng)用的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)的常規(guī)核電廠；和 所述框架被成形和配置以安裝到陸基核能反應(yīng)堆中代替所述反應(yīng)堆的常規(guī)氧化鈾燃料組件。
10.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的各自的燃料內(nèi)核通過(guò)燒結(jié)燃料材料和金屬非燃料材料而形成。
11.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中，關(guān)于所述多個(gè)燃料元件的多個(gè) 燃料內(nèi)核中的燃料材料富集了 20%或更少的鈾-235和/或鈾-233并占燃料內(nèi)核的20%至30%的體積分?jǐn)?shù)；和 非燃料金屬占燃料內(nèi)核的70%至80%的體積分?jǐn)?shù)。
12.如權(quán)利要求
11的燃料組件，其中，關(guān)于所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)，燃料材料富集度在15%至20%之間。
13.如權(quán)利要求
11的燃料組件，其中，關(guān)于所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)，燃料內(nèi)核的非燃料金屬包括鋯。
14.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中，關(guān)于所述多個(gè)燃料元件的多個(gè) 燃料內(nèi)核的燃料材料包括钚；燃料內(nèi)核的非燃料金屬包括鋯；和 燃料內(nèi)核的非燃料金屬占燃料內(nèi)核的70 %至97 %的體積分?jǐn)?shù)。
15.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述燃料材料包括下列的組合鈾和釷；钚和釷；或袖、杯和娃。
16.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的包層冶金結(jié)合到燃料內(nèi)核。
17.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的非燃料金屬包括鋁。
18.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的非燃料金屬包括高熔點(diǎn)金屬。
19.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的包層包括鋯。
20.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的多個(gè)的每一個(gè)具有限定了多個(gè)螺旋肋的螺旋扭轉(zhuǎn)的多葉形輪廓。
21.如權(quán)利要求
20的燃料組件，其中所述多個(gè)燃料元件的相鄰元件的螺旋肋在燃料元件的軸向長(zhǎng)度上周期性地彼此接觸，這樣的接觸有助于保持燃料元件相對(duì)于彼此的間距。
22.如權(quán)利要求
20的燃料組件，其中所述多葉形輪廓包括在相鄰葉片之間的凹形區(qū)域。
23.如權(quán)利要求
20的燃料組件，其中 所述多葉形輪廓包括相鄰葉片之間的葉片凸結(jié)構(gòu)和交點(diǎn)，和 關(guān)于所述多個(gè)燃料元件的所述多個(gè)，在所述凸結(jié)構(gòu)處的包層比交點(diǎn)處的厚。
24.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其中所述燃料組件包含可燃性抑制劑。
25.如權(quán)利要求
24的燃料組件，其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件中的至少一個(gè)包含可燃性抑制劑。
26.如權(quán)利要求
I的燃料組件，其還包括多個(gè)由所述框架支撐的UO2燃料元件，所述多個(gè)UO2燃料元件的每一個(gè)都包含UO2燃料。
27.如權(quán)利要求
26的燃料組件，其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的UO2燃料元件中的至少一些是從所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件的橫向向外的方向定位的。
28.如權(quán)利要求
27的燃料組件，該組件還包括圍板，所述圍板將流經(jīng)多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的UO2燃料元件的冷卻劑流與流經(jīng)多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件的冷卻劑流分隔開(kāi)。
29.如權(quán)利要求
26的燃料組件，其中所述UO2燃料具有小于15%的鈾-235富集度。
30.制造用于核能反應(yīng)堆的堆芯中的燃料組件的方法，所述方法包括 通過(guò)下述制造多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件中的每一個(gè) 混合粉末狀燃料材料與粉末狀金屬非燃料材料，其中所述粉末狀燃料材料含有裂變材料， 燒結(jié)混合的粉末狀燃料材料和金屬非燃料材料，以創(chuàng)建燃料芯料， 將燃料芯料用包層材料圍繞，和 共擠出燃料芯料和包層材料以創(chuàng)建燃料元件；和 將多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件安裝到燃料組件的框架上， 其中燃料元件區(qū)域中的減速劑燃料的比值是2. 5或更低。
31.如權(quán)利要求
30的方法，其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件包括多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的金屬燃料元件；和 所述粉末狀燃料材料包括粉末狀金屬燃料材料；和 所述燃料芯料包括含有金屬燃料材料和金屬非燃料材料的合金的金屬燃料芯料。
32.如權(quán)利要求
30的方法，其中所述粉末狀燃料材料包括粉末狀陶瓷燃料材料。
33.如權(quán)利要求
30的方法，其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件提供了燃料組件的所有燃料元件的總體積的至少60 %。
34.如權(quán)利要求
30的方法，其中所述包層經(jīng)過(guò)共擠出后的平均厚度為至少O.6毫米。
35.如權(quán)利要求
30的方法，其還包括在所述燒結(jié)之前，將置換器定位在混合的粉末狀燃料材料和金屬非燃料材料之內(nèi)，以使所述燒結(jié)產(chǎn)生含有所述置換器的燃料芯料。
36.如權(quán)利要求
30的方法，其中 所述框架包括被成形并設(shè)置以安裝到陸基核能反應(yīng)堆的堆芯上的下接管；和 所述燃料組件是熱動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和物理成形以用于陸基核能反應(yīng)堆的操作中。
37.如權(quán)利要求
36的方法，其還包括將燃料組件放置到陸基核能反應(yīng)堆中。
38.核反應(yīng)堆，其包括 加壓重水反應(yīng)堆；和 設(shè)置在加壓重水反應(yīng)堆中的燃料組件，所述燃料組件包括 多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的彼此連接的燃料元件，所述多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括含有配置在金屬非燃料材料的基質(zhì)中的燃料材料的燃料內(nèi)核，所述燃料材料包括裂變材料，和 圍繞燃料內(nèi)核的包層， 其中燃料元件區(qū)域中的減速劑燃料的比值是2. 5或更低。
39.如權(quán)利要求
38的核反應(yīng)堆，其中每個(gè)所述燃料元件具有限定了多個(gè)螺旋間隔肋的螺旋扭轉(zhuǎn)的多葉形輪廓。
40.用于核能反應(yīng)堆的堆芯的燃料組件，所述組件包括 包括下接管的框架，所述下接管被成形并設(shè)置以安裝到核反應(yīng)堆內(nèi)部堆芯結(jié)構(gòu)上；多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的由所述框架支撐的燃料元件，所述多個(gè)燃料元件的每一個(gè)包括含有設(shè)置在金屬非燃料材料的基質(zhì)中的燃料材料的燃料內(nèi)核，所述燃料材料包括裂變材料，和 圍繞燃料內(nèi)核的包層；和 所述框架支撐的多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件， 其中，如燃料組件的橫截面中所看到的，所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件被定位在單個(gè)燃料元件寬度的環(huán)內(nèi)，所述環(huán)圍繞著多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件， 其中所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的燃料元件提供了燃料組件的所有燃料元件的總體積的至少60%。
41.如權(quán)利要求
40的燃料組件，其中所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件的每一個(gè)都包括空心棒，在所述棒內(nèi)配置有顆粒狀UO2燃料。
42.如權(quán)利要求
40的燃料組件，其中支撐多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件的部分燃料組件與支撐多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件的部分燃料組件是分不開(kāi)的。
43.如權(quán)利要求
40的燃料組件，其中所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件作為單元不能與所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件分開(kāi)。
44.如權(quán)利要求
40的燃料組件，其中 所述燃料組件定義了 17X17圖案的位置； 所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件中的每一個(gè)被布置在一個(gè)圖案位置中； 所述多個(gè)細(xì)長(zhǎng)的、擠出的燃料元件沒(méi)有元件被布置在17X17圖案的外周位置上；和 所述多個(gè)附加的細(xì)長(zhǎng)的燃料元件中的每一個(gè)被布置在17X17圖案的外周位置的不同位置上。
專(zhuān)利摘要
包括燒結(jié)或鑄造成坯段并共擠出成螺旋狀、多葉形的燃料元件的核燃料組件。燃料內(nèi)核可以是金屬燃料材料和金屬非燃料材料的金屬合金、或在金屬非燃料基質(zhì)中的陶瓷燃料。燃料元件可以使用更高富集度的裂變材料，同時(shí)維持安全的工作溫度。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式，這樣的燃料元件可以比常規(guī)的氧化鈾燃料棒在更安全的、較低的溫度下提供更多的功率。燃料組件還可以包括多個(gè)常規(guī)的UO2燃料棒，這可有助于燃料組件符合常規(guī)核反應(yīng)堆的空間要求。
文檔編號(hào)G21C21/10GKCN102947890SQ201180023785
公開(kāi)日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2011年5月11日
發(fā)明者S·M·巴施基爾特塞夫, V·F·庫(kù)茲內(nèi)特索夫, V·V·克夫羅萊夫, A·G·莫羅佐夫, M·H·蒙特戈梅里 申請(qǐng)人:釷能源股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan