燃料组件的制作方法
【专利说明】燃料组件
[0001] 交叉引用
[0002] 本申请要求2013年11月15日提交的美国申请号14/081，056和2013年5月10日提交 的美国临时申请号61/821,918的优先权权益，运两个申请的全部内容通过引用结合在此。
[0003] 发明背景 1.发明领域
[0004] 本发明总的来说设及用于核反应堆的堆忍中的核燃料组件，并且更具体地设及金 属核燃料元件。
[000引2.相关技术的描述
[0006] 美国专利申请公开号2009/0252278A1公开了包括种子和再生区（blanket)子组件 的核燃料组件，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。再生区子组件包括社基燃料元 件。种子子组件包括用于释放中子的轴和/或坏金属燃料元件，所释放的中子被社再生区元 件捕获，从而产生可裂变的U-233,其在原位燃烧并释放热量用于核电站。
[0007] PCT公开号W02011/143293(A1)公开了各种燃料组件和利用带有金属或陶瓷燃料 的挤出的螺旋状(螺旋形扭转的)燃料元件，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。
[0008] 发明实施方式的概述
[0009] 常规燃料棒的圆柱形管的表面积限制了可W从所述棒传递给主冷却剂的热量大 小。考虑到热通量去除的表面积有限，为了避免燃料棒过热，通常充分地限制了运些氧化轴 燃料棒中或混合氧化物(氧化坏和氧化轴)燃料棒中的裂变材料的量。
[0010] 通过将常规氧化轴燃料棒替换为全金属的、多叶形的、粉末冶金共挤出的燃料棒 (燃料元件），本发明的一个或多个实施方式克服了常规氧化轴燃料棒的各种缺点。金属燃 料元件与其氧化轴燃料棒的对应元件相比具有显著更大的表面积，因此促进了在较低溫度 下从燃料元件到主冷却剂的显著更多的热传递。多叶形燃料元件的螺旋肋为燃料元件提供 了结构支撑，其可W促进减少在其它情况下可能需要的隔离格栅的数量或消除运样的隔离 格栅。运些隔离格栅的数量减少或运些隔离格栅的消除有利地减小了对冷却剂的水力阻 力，从而可W改善到冷却剂的热传递。因为金属燃料元件可W比它们的常规氧化轴燃料棒 的对应元件相对更紧凑，所W燃料组件内提供了更多的空间用于冷却剂，而运又减少了水 力阻力并改善了到冷却剂的热传递。从金属燃料棒到冷却剂的更高的热传递意味着其可能 产生更多的热量（即，动力），同时由于金属相对于氧化物具有显著更高的热导率而使燃料 元件保持在较低的工作溫度下。虽然由于过热问题，常规氧化轴或混合氧化物燃料棒通常 把裂变材料载荷限制在4-5 %左右，但是根据本发明的各种实施方式，金属燃料元件的较高 的热传递性能使得能够使用显著更大的裂变材料载荷，同时仍维持安全的燃料性能。最终， 对于相同的反应堆堆忍，使用根据本发明的一个或多个实施方式的金属燃料元件比常规氧 化轴或混合氧化物燃料棒可W提供更多的动力。
[0011] 因为金属燃料元件降低了裂变气体释放到冷却剂的危险，所W使用根据本发明的 一个或多个实施方式的全金属燃料元件可W有利地降低燃料失效的危险，而运在常规氧化 轴或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。
[0012] 使用根据本发明的一个或多个实施方式的全金属燃料元件还比常规氧化轴燃料 棒更安全，因为全金属设计增加了燃料元件内的热传递，从而降低了燃料元件内的溫度变 化并降低了燃料元件局部过热的危险。
[0013] -个或多个实施方式提供了一种用于核反应堆的燃料组件中的轴向伸长的燃料 元件。该燃料元件包括:包括可裂变材料的内核;和围绕内核的包壳。燃料元件的轴向长度 与燃料元件的外接直径之间的比率为至少20:1。燃料元件的轴向中屯、线偏离燃料元件的轴 向质屯、。
[0014] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓，其 中，螺旋肋包括可裂变材料。
[0015] 根据运些实施方式中的一个或多个，多叶形轮廓包括在相邻的突叶之间的凹入区 域。
[0016] 根据运些实施方式中的一个或多个，包壳的至少一个圆周侧部相对于包壳的至少 一个其它圆周侧部在尺寸上侧向地减小(例如缩短）。
[0017] 根据运些实施方式中的一个或多个，内核的轴向质屯、设置在轴向中屯、线处，并且 其中，包壳的轴向质屯、偏离轴向中屯、线。
[0018] -个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆的堆忍中的燃料组件。该燃料组 件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆忍 结构;和由所述框架支撑的多个伸长的、挤出的燃料元件。所述多个燃料元件中的每一个都 包括燃料内核和围绕该燃料内核的包壳，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中 的燃料材料，所述燃料材料包括裂变材料。每个燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓。所 述多个燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料。所述多个燃料元件中的每一个都设置在 由所述框架限定的格栅图案的不同格栅位置中，使得所述多个燃料元件中的子集沿着格栅 图案的外周设置。在沿着格栅图案的外周设置的燃料元件中的至少一些燃料元件上的包壳 的至少一个外侧部在尺寸上侧向减小。
[0019] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件 全部设置在所述围板内部，并且包壳的侧向减小的外侧部接触所述围板。
[0020] 根据运些实施方式中的一个或多个，在垂直于燃料元件的轴向方向的燃料组件的 横截面上，在沿着格栅图案的外周设置的燃料元件中的所述至少一些燃料元件的每个燃料 内核的面积小于所述多个燃料元件中的其余燃料元件的燃料内核中的至少一个燃料内核 的面积。
[0021] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件通过 共同的中屯、线至中屯、线距离与相邻的燃料元件分开，所述多个燃料元件中的每一个燃料元 件的外接直径等于该中屯、线至中屯、线距离。
[0022] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料基 体中的陶瓷燃料材料。
[0023] 根据运些实施方式中的一个或多个，遍及所述多个燃料元件中的每一个燃料元 件，所述包壳的厚度为至少0.4毫米。
[0024] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料组件在热动力学上被设计成W及在实体 上被成形为用于在具有2013年之前已实际使用的反应堆设计的常规核电站的常规陆基核 能反应堆中操作。所述框架被成形并构造成装配到陆基核能反应堆中代替用于所述陆基核 能反应堆的常规氧化轴燃料组件。
[0025] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的相邻的燃料元件的螺 旋肋在燃料元件的轴向长度上周期性地彼此接触，所述接触有助于保持燃料元件相互之间 的间隔。
[0026] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料组件的支撑所述伸长的燃料元件的子集 的部分与燃料组件的支撑所述多个燃料元件的其余燃料元件的部分不分开。
[0027] 根据运些实施方式中的一个或多个，格栅图案限定了 17X17的格栅位置图案，引 导管占据下列行、列位置处的格栅位置: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] -个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆的堆忍中的燃料组件。该燃料组 件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆忍 结构；和由所述框架支撑的多个伸长的燃料元件，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件 包括裂变材料。在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面上观察，所述多个燃料元件被布置 到包括第一格栅图案和第二格栅图案的混合格栅图案中。第二格栅图案不同于第一格栅图 案。
[0029] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件包括不重叠的第一子集、 第二子集和第Ξ子集，每个子集包括所述燃料元件中的复数个燃料元件。第一子集的复数 个燃料元件设置在由第一格栅图案限定的相应格栅位置内。第二子集的复数个燃料元件设 置在由第二格栅图案限定的相应格栅位置内。第Ξ子集的复数个燃料元件设置在相应的重 叠格栅位置内，所述重叠格栅位置落在第一格栅图案和第二格栅图案两者内。
[0030] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件具有 共同的外接直径。
[0031] 根据运些实施方式中的一个或多个，第一格栅图案包括正方形行和列的图案。所 述行和列之间的中屯、线至中屯、线距离是共同的外接直径。第二格栅图案包括等边Ξ角形的 图案。每个Ξ角形的每个边的长度是共同的外接直径。
[0032] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料组件还包括由框架支撑的另外的燃料元 件。所述另外的燃料元件不设置在由第一或第二格栅图案所限定的任何格栅位置内。
[0033] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件包 括:燃料内核，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料，燃料材料包括 裂变材料;和围绕燃料内核的包壳。每个燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓。
[0034] 本发明的一个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆(例如陆基或海基核反 应堆)的堆忍中的燃料组件。该燃料组件包括:框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成 形并构造成安装至核反应堆内部堆忍结构；和由所述框架支撑的多个伸长的金属燃料元 件。所述多个燃料元件中的每一个燃料元件包括金属燃料合金内核，所述金属燃料合金内 核包括金属燃料材料和金属非燃料材料。燃料包括裂变燃料。每个燃料元件还包括围绕燃 料内核的包壳。所述多个伸长的金属燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料。
[0035] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料组件在热动力学上被设计成W及在实体 上被成形为用于在陆基核能反应堆中操作。
[0036] 根据一个或多个实施方式，燃料组件可W与陆基核能反应堆组合使用，其中，燃料 组件设置在陆基核能反应堆内。
[0037] 根据运些实施方式中的一个或多个，就所述多个燃料元件中的复数个而言:所述 燃料内核的燃料材料富含20 %或更少的轴-235和/或轴-233并包括燃料内核的20 %到30 % 体积分数;非燃料金属包括燃料内核的70%到80%体积分数。就所述多个燃料元件中的所 述复数个而言，燃料材料富集度可W为15%到20%。燃料内核的非燃料金属可W包括错。
[0038] 根据运些实施方式中的一个或多个，内核包括δ相UZn。
[0039] 根据运些实施方式中的一个或多个，就所述多个燃料元件中的复数个而言:燃料 内核的燃料材料包括坏;燃料内核的非燃料金属包括错;燃料内核的非燃料金属包括燃料 内核的70 %到97 %体积分数。
[0040] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料材料包括下列的组合:轴和社;坏和社； 或者轴、坏和社。
[0041] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的包 壳被冶金结合到燃料内核。
[0042] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的非 燃料金属包括侣。
[0043] 所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的非燃料金属包括一高烙点金属。
[0044] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的包 壳包括错。
[0045] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件经由 共挤出燃料内核和包壳来制造。
[0046] 根据运些实施方式中的一个或多个，燃料组件、一个或多个其燃料元件、和/或一 个或多个其燃料内核包括可燃毒物。
[0047] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述多个伸长的金属燃料元件提供了燃料组 件的全部裂变材料的W体积计的至少80%。
[0048] 根据运些实施方式中的一个或多个，陆基核能反应堆是具有2013年之前已实际使 用的反应堆设计的常规核电站。所述框架可W被成形并构造成装配到陆基核能反应堆中代 替用于所述陆基核能反应堆的常规氧化轴燃料组件。
[0049] 根据运些实施方式中的一个或多个，内核可W包括代替金属燃料材料的陶瓷燃料 材料。在一个或多个运样的实施方式中，所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料基体中 的陶瓷燃料材料。相反地，在一个或多个金属燃料实施方式中，多个伸长的、挤出的燃料元 件包括多个伸长的、挤出的金属燃料元件;燃料材料包括金属燃料材料;燃料内核包括金属 燃料合金内核，所述金属燃料合金内核包括金属燃料材料合金和金属非燃料材料基体。
[0050] 根据运些实施方式中的一个或多个，所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件 全部设置在所述围板内部，燃料组件包括设置在燃料组件的拐角处并附接至围板的至少一 个拐角结构。根据运些实施方式中的一个或多个，所述至少一个拐角结构包括可燃毒物。根 据运些实施方式中的一个或多个，所述至少一个拐角结构抵接所述多个伸长的燃料元件中 的至少一个燃料元件。
[0051] 本发明的各种实施方式的运些和其它方面、相关的结构元件和部件组合的操作方 法和功能W及制造的经济性，将在考虑下面的参照附图的描述和所附权利要求后变得更加 显而易见，所有的附图形成了本说明书的一部分，其中在各图中相同的附图标记指定相应 的部件。在本发明的一个实施方式中，在此示出的结构部件按比例绘制。但是，应当清楚地 理解，附图仅为图示说明和描述目的，并不意欲作为本发明的限制的定义。另外应该理解的 是，在本文中的任何一个实施方式中示出或描述的结构特征也可W用于其它实施方式中。 如在说明书和权利要求中使用的，单数形式的"一"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚 地相反指示。
[0052] 附图简要说明
[0053] 为了更好的理解本发明的实施方式W及它们的其它目标和进一步的特征，可W参 考下述描述，其与附图结合使用，其中：
[0054] 图1是燃料组件的横截面视图，所述横截面在自间隔平面中剖取；
[0055] 图2是图1的燃料组件的横截面视图，所述横截面在从图1的视图的燃料元件扭转 偏移1/8的平面中剖取；
[0056] 图3是图1的燃料组件的横截面视图，其在平行于燃料组件的轴向方向的平面中剖 取；
[0057] 图4是图1的燃料组件的燃料元件的透视图；
[0058] 图5是图3中燃料元件的横截面视图；
[0059] 图6是图3中燃料元件的横截面视图，被外接在正多边形中；
[0060] 图7A是用于加压重水反应堆中的另一燃料组件的端视图；
[0061 ]图7B是图7A的燃料组件的局部侧视图；
[0062] 图8是使用图7A和7B中所示的燃料组件的加压重水反应堆的示图；
[0063] 图9是图3中燃料元件的横截面视图；
[0064] 图10是另一燃料组件的横截面视图；
[0065] 图11和12是根据本发明的实施方式的燃料组件的局部横截面视图；
[0066] 图13A和13B是图11和12中燃料组件的两个燃料元件的横截面视图；
[0067] 图14是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0068] 图15-20是图14的燃料组件的局部横截面视图；
[0069] 图21是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0070] 图22是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0071] 图23-25是图22的燃料组件的局部横截面视图；
[0072] 图26是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0073] 图27-30是图26的燃料组件的局部横截面视图；
[0074] 图31-36是根据替换实施方式的燃料组件的局部横截面视图；
[0075] 图37是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0076] 图38是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
[0077] 图39-44提供了用于16X16燃料组件的常规技术规范。
[0078] 本发明实施方式的详细描述
[0079] 图1-3示出了根据本发明实施方式的燃料组件10。如图3所示，燃料组件10包括由 框架25支撑的多个燃料元件20。
[0080] 如图3所示，框架25包括围板30、引导管40、上接管50、下接管60、下固定板70、上固 定板80、和/或其它结构，运些其它结构使得组件10能够在核反应堆中作为燃料组件进行操 作。根据本发明的各种实施方式，可W擬弃框架25的运些部件中的一个或多个，而不脱离本 发明的范围。
[0081] 如图3所示，围板25安装至上接管50和下接管60。下接管60(或组件10的其它合适 的结构)被构造和成形为在组件10和在其中放置有组件10的反应堆90之间提供流体连通界 面，W促进冷却剂经由下接管60通过组件10流进反应堆堆忍中。上接管50促进了加热的冷 却剂从组件10流向发电站的蒸汽发生器（用于PWR)和汽轮机（用于BWR)等。接管50、60具有 专口设计成正确地匹配反应堆堆忍内部结构的形状。
[0082] 如图3所示，下固定板(tie plate)70和上固定板80优选牢固地安装(例如，通过焊 接、合适的紧固件(例如，螺栓，螺钉），等)到围板30或下接管60(和/或组件10的其它合适的 结构部件）。