燃料組件的制作方法
【專利說明】燃料組件
[0001] 交叉引用
[0002] 本申請要求2013年11月15日提交的美國申請?zhí)?4/081，056和2013年5月10日提交 的美國臨時申請?zhí)?1/821,918的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，運兩個申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
[0003] 發(fā)明背景 1.發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明總的來說設(shè)及用于核反應(yīng)堆的堆忍中的核燃料組件，并且更具體地設(shè)及金 屬核燃料元件。
[000引2.相關(guān)技術(shù)的描述
[0006] 美國專利申請公開號2009/0252278A1公開了包括種子和再生區(qū)（blanket)子組件 的核燃料組件，該專利申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。再生區(qū)子組件包括社基燃料元 件。種子子組件包括用于釋放中子的軸和/或壞金屬燃料元件，所釋放的中子被社再生區(qū)元 件捕獲，從而產(chǎn)生可裂變的U-233,其在原位燃燒并釋放熱量用于核電站。
[0007] PCT公開號W02011/143293(A1)公開了各種燃料組件和利用帶有金屬或陶瓷燃料 的擠出的螺旋狀(螺旋形扭轉(zhuǎn)的)燃料元件，該專利申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。
[0008] 發(fā)明實施方式的概述
[0009] 常規(guī)燃料棒的圓柱形管的表面積限制了可W從所述棒傳遞給主冷卻劑的熱量大 小?？紤]到熱通量去除的表面積有限，為了避免燃料棒過熱，通常充分地限制了運些氧化軸 燃料棒中或混合氧化物(氧化壞和氧化軸)燃料棒中的裂變材料的量。
[0010] 通過將常規(guī)氧化軸燃料棒替換為全金屬的、多葉形的、粉末冶金共擠出的燃料棒 (燃料元件），本發(fā)明的一個或多個實施方式克服了常規(guī)氧化軸燃料棒的各種缺點。金屬燃 料元件與其氧化軸燃料棒的對應(yīng)元件相比具有顯著更大的表面積，因此促進(jìn)了在較低溫度 下從燃料元件到主冷卻劑的顯著更多的熱傳遞。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W促進(jìn)減少在其它情況下可能需要的隔離格柵的數(shù)量或消除運樣的隔離 格柵。運些隔離格柵的數(shù)量減少或運些隔離格柵的消除有利地減小了對冷卻劑的水力阻 力，從而可W改善到冷卻劑的熱傳遞。因為金屬燃料元件可W比它們的常規(guī)氧化軸燃料棒 的對應(yīng)元件相對更緊湊，所W燃料組件內(nèi)提供了更多的空間用于冷卻劑，而運又減少了水 力阻力并改善了到冷卻劑的熱傳遞。從金屬燃料棒到冷卻劑的更高的熱傳遞意味著其可能 產(chǎn)生更多的熱量（即，動力），同時由于金屬相對于氧化物具有顯著更高的熱導(dǎo)率而使燃料 元件保持在較低的工作溫度下。雖然由于過熱問題，常規(guī)氧化軸或混合氧化物燃料棒通常 把裂變材料載荷限制在4-5 %左右，但是根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式，金屬燃料元件的較高 的熱傳遞性能使得能夠使用顯著更大的裂變材料載荷，同時仍維持安全的燃料性能。最終， 對于相同的反應(yīng)堆堆忍，使用根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的金屬燃料元件比常規(guī)氧 化軸或混合氧化物燃料棒可W提供更多的動力。
[0011] 因為金屬燃料元件降低了裂變氣體釋放到冷卻劑的危險，所W使用根據(jù)本發(fā)明的 一個或多個實施方式的全金屬燃料元件可W有利地降低燃料失效的危險，而運在常規(guī)氧化 軸或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。
[0012] 使用根據(jù)本發(fā)明的一個或多個實施方式的全金屬燃料元件還比常規(guī)氧化軸燃料 棒更安全，因為全金屬設(shè)計增加了燃料元件內(nèi)的熱傳遞，從而降低了燃料元件內(nèi)的溫度變 化并降低了燃料元件局部過熱的危險。
[0013] -個或多個實施方式提供了一種用于核反應(yīng)堆的燃料組件中的軸向伸長的燃料 元件。該燃料元件包括:包括可裂變材料的內(nèi)核;和圍繞內(nèi)核的包殼。燃料元件的軸向長度 與燃料元件的外接直徑之間的比率為至少20:1。燃料元件的軸向中屯、線偏離燃料元件的軸 向質(zhì)屯、。
[0014] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料元件具有形成螺旋肋的多葉形輪廓，其 中，螺旋肋包括可裂變材料。
[0015] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，多葉形輪廓包括在相鄰的突葉之間的凹入?yún)^(qū) 域。
[0016] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，包殼的至少一個圓周側(cè)部相對于包殼的至少 一個其它圓周側(cè)部在尺寸上側(cè)向地減小(例如縮短）。
[0017] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，內(nèi)核的軸向質(zhì)屯、設(shè)置在軸向中屯、線處，并且 其中，包殼的軸向質(zhì)屯、偏離軸向中屯、線。
[0018] -個或多個實施方式提供了一種用于核能反應(yīng)堆的堆忍中的燃料組件。該燃料組 件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并構(gòu)造成安裝至核反應(yīng)堆內(nèi)部堆忍 結(jié)構(gòu);和由所述框架支撐的多個伸長的、擠出的燃料元件。所述多個燃料元件中的每一個都 包括燃料內(nèi)核和圍繞該燃料內(nèi)核的包殼，所述燃料內(nèi)核包括設(shè)置在金屬非燃料材料基體中 的燃料材料，所述燃料材料包括裂變材料。每個燃料元件具有形成螺旋肋的多葉形輪廓。所 述多個燃料元件提供了燃料組件的全部裂變材料。所述多個燃料元件中的每一個都設(shè)置在 由所述框架限定的格柵圖案的不同格柵位置中，使得所述多個燃料元件中的子集沿著格柵 圖案的外周設(shè)置。在沿著格柵圖案的外周設(shè)置的燃料元件中的至少一些燃料元件上的包殼 的至少一個外側(cè)部在尺寸上側(cè)向減小。
[0019] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述框架包括圍板，使得所述多個燃料元件 全部設(shè)置在所述圍板內(nèi)部，并且包殼的側(cè)向減小的外側(cè)部接觸所述圍板。
[0020] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，在垂直于燃料元件的軸向方向的燃料組件的 橫截面上，在沿著格柵圖案的外周設(shè)置的燃料元件中的所述至少一些燃料元件的每個燃料 內(nèi)核的面積小于所述多個燃料元件中的其余燃料元件的燃料內(nèi)核中的至少一個燃料內(nèi)核 的面積。
[0021] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的每一個燃料元件通過 共同的中屯、線至中屯、線距離與相鄰的燃料元件分開，所述多個燃料元件中的每一個燃料元 件的外接直徑等于該中屯、線至中屯、線距離。
[0022] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述燃料材料包括設(shè)置在金屬非燃料材料基 體中的陶瓷燃料材料。
[0023] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，遍及所述多個燃料元件中的每一個燃料元 件，所述包殼的厚度為至少0.4毫米。
[0024] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料組件在熱動力學(xué)上被設(shè)計成W及在實體 上被成形為用于在具有2013年之前已實際使用的反應(yīng)堆設(shè)計的常規(guī)核電站的常規(guī)陸基核 能反應(yīng)堆中操作。所述框架被成形并構(gòu)造成裝配到陸基核能反應(yīng)堆中代替用于所述陸基核 能反應(yīng)堆的常規(guī)氧化軸燃料組件。
[0025] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的相鄰的燃料元件的螺 旋肋在燃料元件的軸向長度上周期性地彼此接觸，所述接觸有助于保持燃料元件相互之間 的間隔。
[0026] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料組件的支撐所述伸長的燃料元件的子集 的部分與燃料組件的支撐所述多個燃料元件的其余燃料元件的部分不分開。
[0027] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，格柵圖案限定了 17X17的格柵位置圖案，引 導(dǎo)管占據(jù)下列行、列位置處的格柵位置:3,6;3,9;3，12;4,4;4，14;6,3;6，15;9,3;9，15;12， 3;12,15;14,4;14,14;15,6;15,9;和15,12。
[0028] -個或多個實施方式提供了一種用于核能反應(yīng)堆的堆忍中的燃料組件。該燃料組 件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并構(gòu)造成安裝至核反應(yīng)堆內(nèi)部堆忍 結(jié)構(gòu)；和由所述框架支撐的多個伸長的燃料元件，所述多個燃料元件中的每一個燃料元件 包括裂變材料。在垂直于燃料組件的軸向方向的橫截面上觀察，所述多個燃料元件被布置 到包括第一格柵圖案和第二格柵圖案的混合格柵圖案中。第二格柵圖案不同于第一格柵圖 案。
[0029] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件包括不重疊的第一子集、 第二子集和第Ξ子集，每個子集包括所述燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件。第一子集的復(fù)數(shù) 個燃料元件設(shè)置在由第一格柵圖案限定的相應(yīng)格柵位置內(nèi)。第二子集的復(fù)數(shù)個燃料元件設(shè) 置在由第二格柵圖案限定的相應(yīng)格柵位置內(nèi)。第Ξ子集的復(fù)數(shù)個燃料元件設(shè)置在相應(yīng)的重 疊格柵位置內(nèi)，所述重疊格柵位置落在第一格柵圖案和第二格柵圖案兩者內(nèi)。
[0030] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的每一個燃料元件具有 共同的外接直徑。
[0031] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，第一格柵圖案包括正方形行和列的圖案。所 述行和列之間的中屯、線至中屯、線距離是共同的外接直徑。第二格柵圖案包括等邊Ξ角形的 圖案。每個Ξ角形的每個邊的長度是共同的外接直徑。
[0032] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料組件還包括由框架支撐的另外的燃料元 件。所述另外的燃料元件不設(shè)置在由第一或第二格柵圖案所限定的任何格柵位置內(nèi)。
[0033] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的每一個燃料元件包 括:燃料內(nèi)核，所述燃料內(nèi)核包括設(shè)置在金屬非燃料材料基體中的燃料材料，燃料材料包括 裂變材料;和圍繞燃料內(nèi)核的包殼。每個燃料元件具有形成螺旋肋的多葉形輪廓。
[0034] 本發(fā)明的一個或多個實施方式提供了一種用于核能反應(yīng)堆(例如陸基或?；朔?應(yīng)堆)的堆忍中的燃料組件。該燃料組件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成 形并構(gòu)造成安裝至核反應(yīng)堆內(nèi)部堆忍結(jié)構(gòu)；和由所述框架支撐的多個伸長的金屬燃料元 件。所述多個燃料元件中的每一個燃料元件包括金屬燃料合金內(nèi)核，所述金屬燃料合金內(nèi) 核包括金屬燃料材料和金屬非燃料材料。燃料包括裂變?nèi)剂?。每個燃料元件還包括圍繞燃 料內(nèi)核的包殼。所述多個伸長的金屬燃料元件提供了燃料組件的全部裂變材料。
[0035] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料組件在熱動力學(xué)上被設(shè)計成W及在實體 上被成形為用于在陸基核能反應(yīng)堆中操作。
[0036] 根據(jù)一個或多個實施方式，燃料組件可W與陸基核能反應(yīng)堆組合使用，其中，燃料 組件設(shè)置在陸基核能反應(yīng)堆內(nèi)。
[0037] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，就所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個而言:所述 燃料內(nèi)核的燃料材料富含20 %或更少的軸-235和/或軸-233并包括燃料內(nèi)核的20 %到30 % 體積分?jǐn)?shù);非燃料金屬包括燃料內(nèi)核的70%到80%體積分?jǐn)?shù)。就所述多個燃料元件中的所 述復(fù)數(shù)個而言，燃料材料富集度可W為15%到20%。燃料內(nèi)核的非燃料金屬可W包括錯。
[0038] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，內(nèi)核包括δ相UZn。
[0039] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，就所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個而言:燃料 內(nèi)核的燃料材料包括壞;燃料內(nèi)核的非燃料金屬包括錯;燃料內(nèi)核的非燃料金屬包括燃料 內(nèi)核的70 %到97 %體積分?jǐn)?shù)。
[0040] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料材料包括下列的組合:軸和社;壞和社； 或者軸、壞和社。
[0041] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件的包 殼被冶金結(jié)合到燃料內(nèi)核。
[0042] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件的非 燃料金屬包括侶。
[0043] 所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件的非燃料金屬包括一高烙點金屬。
[0044] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件的包 殼包括錯。
[0045] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個燃料元件中的復(fù)數(shù)個燃料元件經(jīng)由 共擠出燃料內(nèi)核和包殼來制造。
[0046] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，燃料組件、一個或多個其燃料元件、和/或一 個或多個其燃料內(nèi)核包括可燃毒物。
[0047] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述多個伸長的金屬燃料元件提供了燃料組 件的全部裂變材料的W體積計的至少80%。
[0048] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，陸基核能反應(yīng)堆是具有2013年之前已實際使 用的反應(yīng)堆設(shè)計的常規(guī)核電站。所述框架可W被成形并構(gòu)造成裝配到陸基核能反應(yīng)堆中代 替用于所述陸基核能反應(yīng)堆的常規(guī)氧化軸燃料組件。
[0049] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，內(nèi)核可W包括代替金屬燃料材料的陶瓷燃料 材料。在一個或多個運樣的實施方式中，所述燃料材料包括設(shè)置在金屬非燃料材料基體中 的陶瓷燃料材料。相反地，在一個或多個金屬燃料實施方式中，多個伸長的、擠出的燃料元 件包括多個伸長的、擠出的金屬燃料元件;燃料材料包括金屬燃料材料;燃料內(nèi)核包括金屬 燃料合金內(nèi)核，所述金屬燃料合金內(nèi)核包括金屬燃料材料合金和金屬非燃料材料基體。
[0050] 根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述框架包括圍板，使得所述多個燃料元件 全部設(shè)置在所述圍板內(nèi)部，燃料組件包括設(shè)置在燃料組件的拐角處并附接至圍板的至少一 個拐角結(jié)構(gòu)。根據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述至少一個拐角結(jié)構(gòu)包括可燃毒物。根 據(jù)運些實施方式中的一個或多個，所述至少一個拐角結(jié)構(gòu)抵接所述多個伸長的燃料元件中 的至少一個燃料元件。
[0051] 本發(fā)明的各種實施方式的運些和其它方面、相關(guān)的結(jié)構(gòu)元件和部件組合的操作方 法和功能W及制造的經(jīng)濟(jì)性，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，所有的附圖形成了本說明書的一部分，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)明的一個實施方式中，在此示出的結(jié)構(gòu)部件按比例繪制。但是，應(yīng)當(dāng)清楚地 理解，附圖僅為圖示說明和描述目的，并不意欲作為本發(fā)明的限制的定義。另外應(yīng)該理解的 是，在本文中的任何一個實施方式中示出或描述的結(jié)構(gòu)特征也可W用于其它實施方式中。 如在說明書和權(quán)利要求中使用的，單數(shù)形式的"一"和"該"包括復(fù)數(shù)對象，除非上下文清楚 地相反指示。
[0052] 附圖簡要說明
[0053] 為了更好的理解本發(fā)明的實施方式W及它們的其它目標(biāo)和進(jìn)一步的特征，可W參 考下述描述，其與附圖結(jié)合使用，其中：
[0054] 圖1是燃料組件的橫截面視圖，所述橫截面在自間隔平面中剖??；
[0055] 圖2是圖1的燃料組件的橫截面視圖，所述橫截面在從圖1的視圖的燃料元件扭轉(zhuǎn) 偏移1/8的平面中剖?。?br>[0056] 圖3是圖1的燃料組件的橫截面視圖，其在平行于燃料組件的軸向方向的平面中剖 取；
[0057] 圖4是圖1的燃料組件的燃料元件的透視圖；
[0058] 圖5是圖3中燃料元件的橫截面視圖；
[0059] 圖6是圖3中燃料元件的橫截面視圖，被外接在正多邊形中；
[0060] 圖7A是用于加壓重水反應(yīng)堆中的另一燃料組件的端視圖；
[0061 ]圖7B是圖7A的燃料組件的局部側(cè)視圖；
[0062] 圖8是使用圖7A和7B中所示的燃料組件的加壓重水反應(yīng)堆的示圖；
[0063] 圖9是圖3中燃料元件的橫截面視圖；
[0064] 圖10是另一燃料組件的橫截面視圖；
[0065] 圖11和12是根據(jù)本發(fā)明的實施方式的燃料組件的局部橫截面視圖；
[0066] 圖13A和13B是圖11和12中燃料組件的兩個燃料元件的橫截面視圖；
[0067] 圖14是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0068] 圖15-20是圖14的燃料組件的局部橫截面視圖；
[0069] 圖21是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0070] 圖22是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0071] 圖23-25是圖22的燃料組件的局部橫截面視圖；
[0072] 圖26是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0073] 圖27-30是圖26的燃料組件的局部橫截面視圖；
[0074] 圖31-36是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的局部橫截面視圖；
[0075] 圖37是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0076] 圖38是根據(jù)替換實施方式的燃料組件的橫截面視圖；
[0077] 圖39-44提供了用于16X16燃料組件的常規(guī)技術(shù)規(guī)范。
[0078] 本發(fā)明實施方式的詳細(xì)描述
[0079] 圖1-3示出了根據(jù)本發(fā)明實施方式的燃料組件10。如圖3所示，燃料組件10包括由 框架25支撐的多個燃料元件20。
[0080] 如圖3所示，框架25包括圍板30、引導(dǎo)管40、上接管50、下接管60、下固定板70、上固 定板80、和/或其它結(jié)構(gòu)，運些其它結(jié)構(gòu)使得組件10能夠在核反應(yīng)堆中作為燃料組件進(jìn)行操 作。根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式，可W擬棄框架25的運些部件中的一個或多個，而不脫離本 發(fā)明的范圍。
[0081] 如圖3所示，圍板25安裝至上接管50和下接管60。下接管60(或組件10的其它合適 的結(jié)構(gòu))被構(gòu)造和成形為在組件10和在其中放置有組件10的反應(yīng)堆90之間提供流體連通界 面，W促進(jìn)冷卻劑經(jīng)由下接管60通過組件10流進(jìn)反應(yīng)堆堆忍中。上接管50促進(jìn)了加熱的冷 卻劑從組件10流向發(fā)電站的蒸汽發(fā)生器（用于PWR)和汽輪機(jī)（用于BWR)等。接管50、60具有 專口設(shè)計成正確地匹配反應(yīng)堆堆忍內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀。
[0082] 如圖3所示，下固定板(tie plate)70和上固定板80優(yōu)選牢固地安裝(例如，通過焊 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的其它合適的 結(jié)構(gòu)部件）。