專利名稱:包括具有由碳化硅(SiC)制得的線或纖維的殼體的金屬核燃料銷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域為第四代快速中子反應(yīng)堆的領(lǐng)域，所述第四代快速中子反應(yīng)堆設(shè)計為使用基于鈾和钚的燃料操作，并且在全球變暖的大背景下，隨著日益增長的在性能和安全方面的要求，為了滿足增長的全世界的能量需求而研究第四代快速中子反應(yīng)堆。
背景技術(shù)：
使用對于[燃料/包殼/冷卻劑]系統(tǒng)的不同技術(shù)方案，研究并提出了若干反應(yīng)堆設(shè)計。
使用液體鈉進(jìn)行冷卻(冷卻劑的操作溫度通常為500° CM^SFR (鈉冷快堆)概念是國際共識的主題。對于核燃料設(shè)想了兩種觀點:氧化物燃料(參考(U，Pu)O2)和作為替代的金屬燃料，例如UPuZr (例如U-20PU (20%的Pu)-1OZr (10%的Zr))。在一方面設(shè)想符合本地和遠(yuǎn)程能量需求的大功率SFR/氧化物核芯和小功率或中等功率SFR/金屬替代核芯。對于SFR/金屬替代核芯，例如提出“電池”反應(yīng)堆設(shè)計，其在反應(yīng)堆壽命過程中沒有再加燃料(終生加燃料)，并具有提高的燃料的固有安全要求。
`[0004]與目前的發(fā)電核反應(yīng)堆的設(shè)計(具有氧化物燃料的加壓水反應(yīng)堆或沸水反應(yīng)堆)(其燃料銷由金屬包殼制得，所述金屬包殼由鋯基合金(鋯合金)制得)不同，用于鈉冷快堆的燃料的金屬包殼由或多或少復(fù)雜的或改進(jìn)的奧氏體或鐵素體-馬氏體合金(例如:等級EM10、T91、HT9、D9、ODS 或更簡單地，316L)的 Fe-Cr 或 Fe-Cr-Ni 不銹基底(base)制得。
金屬燃料具有造成如下至少三個技術(shù)問題的特定特征:
-金屬燃料在反應(yīng)堆中的中子通量下腫脹，這產(chǎn)生了破壞包殼的強(qiáng)相互作用(其也在目前的加壓水反應(yīng)堆中在氧化物燃料(燃料(或丸粒)_包殼相互作用)與鋯合金包殼之間發(fā)生，這是一個“典型的”經(jīng)常發(fā)生的問題)。對于金屬燃料形式，目前，腫脹似乎能用通過特定的金屬燃料設(shè)計并選擇錒系金屬合金的更低密度而使用更強(qiáng)抵抗力的包殼進(jìn)行控制，使得氣體裂變產(chǎn)物能夠全部逸入腔室(在棒中留下的自由空間)中，同時，產(chǎn)生的孔隙度和初始孔隙度使其有可能適應(yīng)變形；
-金屬燃料的低熔點(大約1000°C)使其在反應(yīng)性劇增(更通常地，溫度劇增)的過程中先天較弱；
-在包殼的構(gòu)成元素Fe與來自燃料材料的U和Pu之間的低共熔混合物的存在(在兩種物種或元素之間的相互作用過程中形成給定組成的混合物)，所述低共熔混合物具有極低的熔點(對于U-Fe共熔體混合物為725° C [Journal of Alloys andCompounds271-273(1998)第 636-640 頁]，對于 Pu-Fe 低共熔混合物為 420。C [Journal ofNuclear Materials383,第 1-2 卷(2008)，第 112-118 頁],當(dāng) U 和 Pu 與 Zr 形成合金時或者取決于包殼的等級，熔點大約600° C),所述低共熔混合物可以通過變薄(amincissement)而極大降低第一屏障的性能和關(guān)于安全的裕度(marges)。所述低共熔混合物也最終限制了可能實現(xiàn)的操作溫度，從而降低了根據(jù)熱動力學(xué)定律和卡諾循環(huán)定律而可理論上獲得的能源效率。在形成低共熔混合物的程序中，Zr具有極特定的作用，因為其有可能提高耐熔化性，并由此有可能提高裕度。遺憾地是，在反應(yīng)堆中的中子通量下，燃料的Zr向銷的中心遷移，這伴隨著該元素在銷的周邊部分的消耗。
有可能使用鈉(Na鍵)替代用于填充燃料與包殼之間的間隙和空間的氦(He鍵)，所述鈉(Na鍵)極大地優(yōu)化系統(tǒng)的熱力學(xué)。這使得有可能降低在燃料中心與包殼之間的溫度梯度，并獲得關(guān)于熔化的大的安全裕度，但這遺憾地妨礙了釋放氣體裂變產(chǎn)物的程序，并使關(guān)于再加工的輻照燃料的管理變得復(fù)雜。鈉鍵不會消除與形成低共熔混合物的形成相關(guān)的風(fēng)險。
因此，使用金屬燃料的主要問題之一是所述低共熔混合物的形成，更一般來說，其低熔點。
為了幫助解決這個問題，除了用鈉填充棒外，通常提出、研究并實施了三種主要的技術(shù)原理:
-燃料金屬合金的組成的修改；
-代表在機(jī)械強(qiáng)度、耐輻照性與低共熔溫度增加之間的最好折中的不銹等級的選擇；
-金屬襯里的使用，這已經(jīng)是許多專利的主題，其中一些專利在下文評論。
實際上，有許多關(guān)于核燃料復(fù)合材料包殼的專利，所述核燃料復(fù)合材料包殼包括內(nèi)襯，所述內(nèi)襯通常具有金屬性質(zhì)，特別地由Zr制得，并具有擴(kuò)散屏障功能，但有時也具有與熱力學(xué)和耐內(nèi)部腐蝕性相關(guān)的特定作用，或者作為可消耗的中子毒物的支撐件。除了個別例外，這些專利大部分適合用于氧化物燃料和用加壓水作為冷卻劑進(jìn)行操作的發(fā)電反應(yīng)堆。關(guān)于金屬燃料的使用(特別地應(yīng)用于鈉冷快堆)，歐洲專利0595571B1(1997)描述了使用復(fù)合材料同軸包殼，[(外)不銹合金/ (內(nèi))鋯合金]，其具有橢圓形的內(nèi)包殼，以優(yōu)化熱力學(xué)并使燃料金屬合金與不銹包殼之間的直接接觸的發(fā)生達(dá)到最小。在復(fù)合材料同軸包殼內(nèi)產(chǎn)生的空間可以分別用He和Na填充，以用于熱力學(xué)的優(yōu)化。該專利是作為1990年的美國專利4971753 (EP A-0409405)的改進(jìn)而提出的專利，在所述美國專利4971753中已提出了具有Zr襯里的復(fù)合材料同軸包殼的概念。這兩個專利明確地適于金屬燃料的使用。
這些專利引用美國專利4894203 (1990)，其中修改Zr襯里以改進(jìn)耐內(nèi)部腐蝕性。美國專利5227129(1993)本身提及使用氮化鋯作為襯里，也提及應(yīng)用該襯里的物理方法。美國專利5412701 (1995)提出了在鋯基底上使用堿金屬硅酸鹽作為中子毒物的支撐件的可能性。
美國專利5301218描述了用于襯里的特定技術(shù)，所述襯里具有軋制金屬箔(如同紙卷的若干箔)形狀，緊密地圍繞圓柱形燃料，并通過特定技術(shù)焊接至外部(“內(nèi)軋制的金屬燃料的定位焊”)，所有物質(zhì)都在包殼內(nèi)。纏繞的圈可以變形，并且在由燃料所產(chǎn)生的壓力或機(jī)械負(fù)荷的作用下變得更緊密。
在改進(jìn)方面，這些專利的大多數(shù)直接引用1996年的兩個專利，其中描述了結(jié)合金屬擴(kuò)散屏障的復(fù)合材料同軸包殼技術(shù)原理。核燃料UO2的美國專利3230150(1966)具有由安裝在一起的內(nèi)襯(管)和外部部件所形成的包殼(“多管式包殼”)，所述內(nèi)襯(管)由Cu制得，所述外部部件由不銹鋼制得。最后，U型金屬燃料或其合金(特別是UAlx合金)的金屬燃料的美國專利3291700(1966)描述了限制或抑制與金屬(特別是Al)包殼的相互作用的方法。提出的技術(shù)在于不考慮所選的金屬繃帶的物理形式(板或圓柱體)或化學(xué)性質(zhì)(金屬的或陶瓷)，將其纏繞在燃料周圍以在包層燃料之前完全包裹燃料。制造方法在于使用由包裹片材的線軸或滾筒所組成的簡單設(shè)計的技術(shù)系統(tǒng)，所述系統(tǒng)使用給定的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動來分配所述材料以包裹燃料。[0019]對于先進(jìn)核燃料包殼(其包括襯里，或更一般來說復(fù)合材料解決方法)的這些設(shè)計的高溫應(yīng)用(例如第四代氣冷快堆[GFR])，由于陶瓷選擇的更耐火的特征以及因此比金屬選擇性能更好，因此優(yōu)選陶瓷選擇。[0020]專利W02007/017503 (2007)描述了例如復(fù)合材料蜂窩狀板的設(shè)計，所述板由整體SiC和纖維SiC和金屬襯里制得，所述金屬襯里基于核燃料(例如通常為U、Pu碳化物)的耐火合金，并能夠以非常限制性的規(guī)范而在GFR中操作以及在極高的溫度下操作。[0021]對于高溫應(yīng)用，還已知2006年的專利申請W02006/076039A2 (EP1774534)的SiC-SiC復(fù)合材料多層管，設(shè)想所述SiC-SiC復(fù)合材料多層管滿足用于第四代鉛/鋰?yán)鋮s反應(yīng)堆或氣冷卻反應(yīng)堆以及用于礦物燃料電站應(yīng)用的燃料元件的規(guī)范。最后，以在美國專利4710343(1987)中的海綿材料的原始方式使用SiC，以特別地用于銫，用于快速反應(yīng)堆的燃料銷設(shè)計，所述燃料銷設(shè)計在上部包括在大延伸表面積中形成以捕獲銫的碳化硅SiC。[0022]總之，可以看出，對于本領(lǐng)域中提出的全部SFR反應(yīng)堆的金屬燃料應(yīng)用的解決方法，存在多個問題，特別是:[0023]-在大約500°C的操作溫度下的標(biāo)稱條件下，燃料與包殼之間的物理化學(xué)相互作用，以及更特別地UPuZr金屬燃料與基于Fe-Cr-Ni或Fe-Cr不銹包殼之間的低共熔混合物；[0024]-在“偶然”條件下，即在燃料的熔點(其可通常為大約1000°C)以上的溫度下，在包殼內(nèi)保持大體積分?jǐn)?shù)為固態(tài)、通過減少裂變原子濃度而降低局部中子反應(yīng)性而具有良好的熱性質(zhì)，并同時促進(jìn)保持包殼的性能及其幾何形狀的可能性。[0025]在所引用的大多數(shù)專利中，除了技術(shù)效果之外，設(shè)計包括襯里的燃料銷或元件目前面臨制造容易度、堅固性和成本的問題。[0026]特別是對于“全陶瓷”或“陶瓷-金屬”的選擇，組件(更廣義地，制造)問題和熱機(jī)限制的問題造成了基本問題。對于“全金屬”的選擇，如果制造問題可以克服，操作方面和待使用的金屬材料的量也造成了基本問題，所述基本問題有關(guān)原料的可得性和再循環(huán)，并因此有關(guān)成本，也有關(guān)管理和處理更重的燃料元件的方法。
發(fā)明內(nèi)容
[0027]本申請人從系統(tǒng)(所述系統(tǒng)復(fù)雜，并在操作條件下限制為核燃料元件)上功能的顯著去耦是潛在的有害技術(shù)效果(形成系統(tǒng)的元件數(shù)目、它們的相互作用或偶合越大，則所述有害技術(shù)效果越難以預(yù)料)的來源的原理開始，在本發(fā)明中提出了一種解決方法，該解決方法的原理簡單并基于非常有限的元件數(shù)目以產(chǎn)生所選的技術(shù)效果。[0028]相比于解決與SFR的UPuZr金屬燃料的行為相關(guān)的所述問題，本申請人確定沒有現(xiàn)有技術(shù)同時解決并提出界面基體襯里類型的解決方法，所述解決方法基于容易制造和使用的系統(tǒng)，基于本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)一步研究并公知的物理、機(jī)械或化學(xué)性能，所述系統(tǒng)的操作可大體上可靠地預(yù)測。[0029]取決于在本發(fā)明涉及的情況(溫度上升和熱膨脹、功率瞬變而無燃料熔化、反應(yīng)性或非反應(yīng)性的相互擴(kuò)散(與包殼)、大約600° C的低共熔混合物(U-Pu-Fe)(瞬變而無熔化的情況)、大約1000° C的燃料熔化(意外情況))下所觀察到的SFR的金屬燃料的擾動域，這些性質(zhì)逐漸產(chǎn)生。
在此背景下，本發(fā)明的一個主題為一種金屬核燃料銷，其有可能克服上述問題。
更具體地，本發(fā)明的一個主題為一種核燃料銷，其包括金屬核燃料材料的線性元件和包殼，所述金屬核燃料材料基于鈾和/或钚，所述包殼包含鐵和鉻或含有至少這兩種元素的合金，其特征在于其還包括圍繞所述線性核燃料元件設(shè)置的主殼體，所述殼體包括由SiC制得的紗線或纖維。
所述包殼還有利地包括中空部分(被稱為腔室的貯存器)和貯存器，所述中空部分用于排放裂變氣體，所述貯存器分離所述中空部分和所述線性金屬核燃料元件，從而使發(fā)電燃料棒或燃料銷能夠正確操作。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，被稱為腔室的所述貯存器可以接收熔融燃料，并包括由耐熔融錒系元素的腐蝕的材料制得的環(huán)帶。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述環(huán)帶由鉭(Ta)制得。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，構(gòu)成纖維的SiC為立方β同素異形體。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述殼體還包括游離硅填料。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述主殼體包括含有SiC紗線或纖維的條帶。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體,所述主殼體包括圍繞所述線性金屬燃料材料元件纏繞的SiC纖維的一系列厚度。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述銷還包括插入所述線性燃料元件與所述主殼體之間的二氧化硅或石英纖維的主要殼體。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體,所述主要殼體包括圍繞所述線性金屬燃料材料元件纏繞的二氧化硅或石英纖維的一系列厚度。
本發(fā)明的另一主題為一種用于制造根據(jù)本發(fā)明的金屬核燃料銷的方法，其特征在于其包括通過編織或編結(jié)SiC纖維而圍繞所述線性金屬核燃料元件制備主殼體。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述方法包括用圍繞所述線性金屬核燃料元件纏繞的SiC纖維的條帶來制造主殼體。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述方法還包括所述線性金屬核燃料元件的表面氧化的在先步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述方法還包括用包含基于傳導(dǎo)材料的軟釬焊粉末的粘合劑涂布所述線性元件的在先步驟。
根據(jù)本發(fā)明的一個變體，所述方法還包括在所述線性金屬核燃料元件與所述主殼體之間制備主要殼體，所述主要殼體包含二氧化硅或石英纖維。


通過閱讀如下以非限定性并借助附圖給出的說明書將更好地理解本發(fā)明，且其他優(yōu)點也將明顯，其中:
-圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的燃料銷；[0048]-圖2示出了用于制造包括于根據(jù)本發(fā)明的核燃料銷中的主殼體的方法的第一實施例；[0049]-圖3示出了用于制造包括于根據(jù)本發(fā)明的核燃料銷中的主殼體的方法的第二實施例；[0050]-圖4示出了硅、鈾和鋯對氧的親和力；[0051]-圖5示出了各種化合物的自由能(穩(wěn)定性)對溫度的函數(shù)；[0052]-圖6示出了在“偶然”條件下本發(fā)明的核燃料銷的行為；[0053]-圖7a和圖7b示出了在“偶然”的金屬核燃料的熔化過程中，MxCySiz材料與MuSivOw氧化物的相互作用層的形成。
具體實施方式
[0054]通常，并且根據(jù)本發(fā)明，如圖1所示，所述銷包括包殼Go、線性金屬核燃料元件CNU，所述包殼Go由基于Fe-Cr-Ni或Fe-Cr的不銹材料制得,所述線性金屬核燃料元件Cnu可以以圓柱形的棒或坯料的形式存在，所述圓柱形具有小直徑，通常為5至10_，燃料材料可以是UPuZr或UPuX型(X可能為例如鑰)。因此，所述銷包括第一部分和第二部分，所述第一部分包括材料Cnu的裂變柱，所述第二部分由用于氣體的腔室Pu構(gòu)成。[0055]有利地，提供環(huán)帶An或鉭Ta的襯里，從而構(gòu)成在操作條件下耐熔融錒系元素的腐蝕的貯存器。[0056]有利地，可以提供在200至250° C之間在空氣中進(jìn)行表面氧化步驟數(shù)小時，以獲得立方體MO2型的幾微米的層，所述層粘附至其基材，M為金屬核燃料的成分金屬合金。[0057]對于SiC纖維或紗線的制造，可以設(shè)想各種生產(chǎn)方法，特別地，可以設(shè)想包括纖維編織步驟的方法(特別地在航空領(lǐng)域中簡單且被證明的原理)。[0058]將在以下描述基于SiC纖維的主殼體的兩個示例性的實施方案。[0059]根據(jù)本發(fā)明的銷的第一示例性實施方案:[0060]使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的技術(shù)設(shè)備沿著坯料編織或編結(jié)紗線或纖維形式的SiC基體。與坯料接觸的第一圈有利地用預(yù)氧化的纖維制得或者用石英纖維或二氧化硅SiO2纖維的編織物制得。[0061]如果需要具有中子毒物儲備，也有可能使用硼硅酸鹽玻璃，所述中子毒物由玻璃中的硼確定。實際上，例如，硼10(硼的同位素10)捕獲中子(其對于裂變反應(yīng)而言是毒物)以轉(zhuǎn)化成硼11，這給出He+Li。相比于其他吸收劑，同位素kiB(天然硼是同位素、(19.8mol%)+11B (80.2mol%)的混合物)在從快中子到熱中子的非常廣的范圍內(nèi)具有有效性。(η，α )類型的捕獲反應(yīng)如下給出:1QB+ln=>7Li+4He+2.6MeV。[0062]由圈的數(shù)量確定的厚度和每圈的重疊部分的寬度為可調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)。圈是松散的(不是拉緊的)。[0063]釬焊粉(通常基于Ni以改進(jìn)傳導(dǎo)性)，和其液體粘合劑(其通過在真空下抽吸而容易蒸發(fā))，可以有利地在通過編織或編結(jié)進(jìn)行覆蓋操作之前被涂覆至坯料上。[0064]將經(jīng)覆蓋且任選地用釬焊涂覆的坯料逐漸引入包殼中，使得由此固定的蓋不會變松。[0065]在圖2中所示的示意圖說明了用于制備主殼體的方法的該實施例。包殼Go旨在接收核燃料Cnu坯料，SiC的紗線或纖維Fsi。圍繞所述坯料纏繞，在錨定以引發(fā)編織或編結(jié)的開始之后，石英纖維或SiO2纖維預(yù)先纏繞而作為第一厚度(沒有示出)。
為了用纖維FSi。制備該主殼體，旋轉(zhuǎn)燃料坯料，也可旋轉(zhuǎn)地安裝多層編結(jié)機(jī)，所述多層編結(jié)機(jī)包括飛輪和用于編結(jié)線軸BoFSi。的支撐件。
根據(jù)本發(fā)明的銷的第二示例性實施方案:
使用基于標(biāo)準(zhǔn)SiC纖維的預(yù)織造且不很致密的條帶沿著坯料覆蓋織造織物形式的SiC基體。在錨定點定以進(jìn)行覆蓋操作。與坯料接觸的第一層有利地用預(yù)氧化的條帶或纖維制得，或者用石英纖維或二氧化硅SiO2纖維或硼硅酸鹽玻璃纖維(如果希望具有中子毒物(由玻璃中的硼確定)的貯存器)的編織物制得。與預(yù)氧化的金屬坯料接觸的第一層由SiO2構(gòu)成。
厚度(層或圈的數(shù)量)以及每圈的重疊部分的寬度為可調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)。所述層是松散的(不是拉緊的)。
任選地，有可能用粉狀Si或極多孔的SiC泡沫填充圈間空間，所述粉狀Si或極多孔的SiC泡沫取決于在旋轉(zhuǎn)過程中發(fā)生覆蓋操作的條帶的閉合空間而傾注，并根據(jù)需要傾注至所述閉合空間中。
釬焊粉(通?；贜i以改進(jìn)傳導(dǎo)性)，和其液體粘合劑(其通過在真空下抽吸而容易蒸發(fā))，可以有利地在通過束縛進(jìn)行覆蓋操作之前被涂覆至坯料上。
將經(jīng)覆蓋且任選地用釬焊涂覆的坯料逐漸地引入包殼中，使得由此固定的蓋不會變松。
圖3示出了圍繞核燃料Cnu的坯料的條帶BFsic組件以及用于例如用Si或Si泡沫填充圈間空間的區(qū)域ZintCT和圈間重疊區(qū)域ΖΚε，水平箭頭表示將由此纏繞的坯料引入包殼Go內(nèi)的其主殼體的方向。
當(dāng)完成覆蓋操作時，(通過簡單的徑向切割)將系統(tǒng)調(diào)節(jié)至正確長度，并任選地將所述系統(tǒng)放置在真空中，以在通過焊接閉合之前排出任選附接的軟釬焊粘合劑，用于制造銷的操作的剩余部分是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。
在500° C的靜態(tài)溫度的標(biāo)稱操作下本發(fā)明的銷的行為驗證
在該溫度范圍中，本申請人提出使用SiC，因為其良好的熱性質(zhì)和物理性質(zhì)，以及其在輻照下的優(yōu)良表現(xiàn)，特別是在大約500° C的這些溫度范圍中，其中在給定累積劑量下，腫脹通常為通常地為大于0.5至1%。金屬燃料與SiC之間的固態(tài)相互作用(一旦它們接觸)不為零，但由于編織物上存在的SiO2 (石英或二氧化硅)與通過金屬燃料上的氧化預(yù)處理所形成的MO2層接觸而被動力學(xué)推遲或延遲。
熱力學(xué)上，公知的是硅Si對氧的親和力小于U或Zr對氧的親和力。因此，所述系統(tǒng)的天然化學(xué)進(jìn)展為氧由石英或二氧化硅SiO2至錒系元素合金的移位，從而通過形成未定義的層MuSivOw而有利于保持其氧化，如顯示了某些化合物對氧的親和力的圖4所示。
織造蓋與錒系元素合金之間的相互作用可以隨后形成并非先驗定義的復(fù)雜的相互作用層MxCySiz，但是其生長(擴(kuò)散)動力學(xué)受限于溫度(通常約10至100 μ m)。應(yīng)當(dāng)注意，在直到超過1200° C的溫度下，在固態(tài)下在SiC與不銹合金(特別是316L型奧氏體合金，如包殼)之間不存在顯著的相互作用。如在Journal of Materials ScienceLettersl9 (2000),第 7 卷，第 613-615 頁！Materials Science and Engineering:A,335 (2002)，第1-2卷，第1_5頁的文章中所述，可在這些合金的加工過程中進(jìn)一步用SiC填充這些合金以將其機(jī)械增強(qiáng)。[0079]在操作過程中，SiC編織物(其在實施時從松散開始)的機(jī)械性質(zhì)使其有可能在溫度上升的過程中容納錒系元素合金的膨脹(其膨脹系數(shù)通常比SiC的膨脹系數(shù)大3倍)，隨后迫使金屬燃料在縱向方向上大部分增塑。當(dāng)燃料/包殼間隙被占據(jù)時，該SiC有可能任選且有利地使用Ni的軟釬焊經(jīng)由傳導(dǎo)性(燃料-織造SiC-包殼接觸)而確保熱量良好地向包殼和冷卻劑移除，而不會使Fe-Cr或Fe-Cr-Ni包殼的應(yīng)力超負(fù)荷。[0080]纏繞圈的該編織物的多孔性質(zhì)使其有可能將裂變氣體排放至腔室。[0081]因此，在標(biāo)稱條件下在一定溫度下總是預(yù)期或擔(dān)憂的通量下的金屬核燃料與其包殼之間的相互作用在本文得以降低，并根據(jù)設(shè)計原則而得以傳播，燃料-包殼低共熔混合物不能形成(無直接接觸)。[0082]在所用金屬燃料合金的熔點以上的溫度下在“偶然”操作下本發(fā)明的銷的行為驗證[0083]在UPuZr金屬燃料的熔點以上，通常從1000° C開始的更高的溫度下，反應(yīng)性較高，令人感興趣的是SiC的高反應(yīng)性以及低的耐熔融錒類元素的腐蝕。與使用SiC的大多數(shù)其他用途、應(yīng)用或發(fā)明不同，本申請人提出，使用SiC作為用作消耗品的低化學(xué)惰性材料，以與熔融錒系元素的合金反應(yīng)，并產(chǎn)生耐火碳化物和硅化物，所述耐火碳化物和硅化物的密度小于產(chǎn)生它們的UPuZr金屬合金的密度。[0084]SiC可能在熱力學(xué)和動力學(xué)上不能經(jīng)受熔融錒系元素的合金(特別是諸如UPuZr的合金)的腐蝕，因為元素Pu、U和Zr對碳具有極強(qiáng)的親和力，以形成許多比SiC熱力學(xué)更穩(wěn)定的碳化物，對Si具有極強(qiáng)的親和力，以形成許多硅化物，并形成混合的碳硅化物MxCySiz ；在這方面，圖5示出了碳化物、硅化物或碳硅化物的相對穩(wěn)定性的圖表，所述圖表顯示出M=U、Pu、Zr 的生成自由 j:含 AfG (a.U.)。[0085]因此，在如圖6所示的這些混合的碳硅化物MxCySiz的形成之后，這些混合的碳硅化物構(gòu)成在包殼與未熔化的核燃料之間的壁。這些較小密度的耐火化合物由于其較小的密度而降低了局部中子反應(yīng)性，因此，由于它們更少加熱而可以看出它們的溫度降低(相對于中子反應(yīng))。[0086]從簡單的熱力學(xué)觀點看來，基于熔融態(tài)/SiC界面的物理化學(xué)[Survey onwetting of SiC by molten metals, G.ff.Liu, M.L.Muolo, F.Valenza, A.Passerone,Ceramics International36,4 (2010 年 5 月)1177-1188 ;Acta metalI,mater.第43卷，N0.3，第907-912頁，1995]以及在閱讀U-Si 二元體系[Journal ofNuclear Materials389(2009) 101所形成的MSixCy化合物的密度小于燃料金屬的密度(對于ZrSi2約為4.9g.cm_3，對于U的硅化物約為7-8g.cnT3，和對于Pu的硅化物約為10g.cnT3)，且其平均密度小于產(chǎn)生這些化合物的SiC (有利地用Si填充)和熔融錒系元素的體積的密度的平均值。
由于去致密化，如圖6中的箭頭所示，熔融金屬(其類似于還未反應(yīng)的液體管)向上機(jī)械地排放，攜帶可能的密度較小的MSixCy產(chǎn)物，或者在相互作用發(fā)展的過程中通過所述液體管的徑向壓縮和閉合而實際上局部減小在裂變柱中的裂變原子的密度(原位產(chǎn)生復(fù)合材料核燃料，其重原子的密度較低)，從而漂浮。
通過通常用于這種類型的問題的材料的鉭Ta涂層，從而保護(hù)熔融錒系元素合金的膨脹容器(在腔室中)免于熔融燃料的腐蝕性質(zhì)，特別是钚的腐蝕性質(zhì)(參見例如1998年的法國專利2752234，其描述了由CEA/DAM開發(fā)的不銹鋼/Ta/不銹鋼復(fù)合材料托架以容納Pu-Ga的液體合金)。
原則上，產(chǎn)生在所考慮的溫度下為固體且密度較小的化合物以及并不非常致密的化合物的任何化學(xué)反應(yīng)可以進(jìn)行如上所述的操作。
因此，圖7a和7b用橫截面示意性地顯示了在熔化核燃料的反應(yīng)，并出現(xiàn)熔融金屬核燃料(其已與SiC反應(yīng)以產(chǎn)生化合物MxCySiz和氧化物MuSivOw)的另外的界面的過程中，金屬核燃料Cnu/由二氧化娃纖維Fsiffi構(gòu)成的主要殼體/由SiC纖維Fsic構(gòu)成的主殼體/包殼Go界面的發(fā)展。核燃料Cnu膨脹并腫脹，由FSi。制得的主殼體的成分圈擠壓包殼。
權(quán)利要求
1.一種核燃料銷，其包括金屬核燃料材料的線性元件(Cnu)和包殼(Go)，所述金屬核燃料材料基于鈾和/或钚，所述包殼包含F(xiàn)e和Cr或含有至少這兩種元素的合金，其特征在于其還包括圍繞所述線性核燃料元件設(shè)置的主殼體，所述殼體包括由SiC制得的紗線或纖維(Fsic)。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的核燃料銷，其特征在于所述包殼還包括用于排放加熱產(chǎn)物的中空部分和分離所述中空部分與所述線性金屬核燃料元件的貯存器。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的核燃料銷，其特征在于所述貯存器包括由耐熔融錒類元素的腐蝕的材料制得的環(huán)帶(An)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的核燃料銷，其特征在于所述環(huán)帶由鉭(Ta)制得。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1至4中任一項所述的核燃料銷，其特征在于構(gòu)成所述纖維的SiC為立方β同素異形體。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1至5中任一項所述的核燃料銷，其特征在于所述殼體還包括游離Si填料。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1至6中任一項所述的核燃料銷，其特征在于所述主殼體包括含有SiC紗線或纖維的條帶。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1至7中任一項所述的核燃料銷，其特征在于所述主殼體包括圍繞所述線性金屬燃料材料元件纏繞的一系列厚度的SiC纖維。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1至7中任一項所述的核燃料銷，其特征在于其還包括插入所述線性核燃料元件與所述主殼體之間的二氧化硅或石英纖維的主要殼體。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8和9所述的核燃料銷，其特征在于所述主要殼體包括圍繞所述線性金屬燃料材料元件纏繞的一系列厚度的二氧化硅或石英纖維。
11.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求
1至10中任一項所述的金屬核燃料銷的方法，其特征在于其包括通過編織或編結(jié)SiC纖維而圍繞所述線性金屬核燃料元件制備主殼體。
12.一種用于制造根據(jù)權(quán)利要求
1至10中任一項所述的金屬核燃料銷的方法，其特征在于其包括用圍繞所述線性金屬核燃料元件纏繞的SiC纖維的條帶制備主殼體。
13.根據(jù)權(quán)利要求
11和12中任一項所述的用于制造核燃料銷的方法，其特征在于其還包括所述線性金屬核燃料元件的表面氧化的在先步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求
11至13中任一項所述的用于制造核燃料銷的方法，其特征在于其還包括用包含基于傳導(dǎo)材料的軟釬焊粉末的粘合劑涂布所述線性元件的在先步驟。
15.根據(jù)權(quán)利要求
11至14中任一項所述的用于制造核燃料銷的方法，其特征在于其還包括在所述線性金屬核燃料元件與所述主殼體之間制備主要殼體，所述主要殼體包含二氧化硅或石英纖維。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種核燃料銷，其包括由金屬核燃料材料制得的線性元件(CNu)和包殼(Go)，所述金屬核燃料材料由鈾和/或钚組成，所述包殼包含F(xiàn)e和Cr或含有至少這兩種元素的合金，所述銷的特征在于其進(jìn)一步包括圍繞所述線性核燃料元件設(shè)置的主殼體，所述殼體包括由SiC制得的線或纖維(FSiC)。本發(fā)明還涉及一種用于制備根據(jù)本發(fā)明的核燃料銷的方法。
文檔編號G21C3/07GKCN103155045SQ201180047973
公開日2013年6月12日 申請日期2011年10月4日
發(fā)明者F·馬佐迪耶 申請人:原子能和能源替代品委員會導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan