核反應堆生燃料芯塊和燒結燃料芯塊、相應的燃料棒和燃料組件的製作方法

2023-12-11 01:30:02 1

本申請是2009年9月29日申請的、國際申請號為pct/ep2009/062620、中國申請號為200980145830.0、發明名稱為「核反應堆生燃料芯塊和燒結燃料芯塊、相應的燃料棒和燃料組件」的申請的分案申請。

本發明涉及一種用於輕水或重水核反應堆燃料棒的燒結燃料芯塊，這種類型的燒結燃料芯塊具有沿中心軸線延伸的外圍壁和兩個端面，其中，端面中的至少一個至少包括從外圍壁向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角。

背景技術：

在包括俄羅斯設計vver(vodaavodianneeenergititscherskireactor，或英文為waterwaterenergyreactor)的壓水反應堆(pwr)、沸水反應堆(bwr)或加壓重水反應堆(phwr)中，每個核燃料棒包括由包殼圍繞的一堆燒結燃料芯塊。燃料芯塊通過對生燃料芯塊進行燒結獲得，生燃料芯塊主要由帶有任意含量的同位素235的氧化鈾和/或由可能添加了諸如gd2o3的可燃毒物的氧化鈽製成。

從wo-02/45096可獲知上述類型的燃料芯塊。盤狀凹槽圍繞中心軸線設置在端面的中心處，倒角和凹槽通過平坦的表面連接。

除了易於將燃料芯塊裝載在包殼中，倒角的主要作用是減小芯塊製造和搬運期間芯塊剝落的風險。

這樣的剝落導致了最終芯塊中的缺陷，其會在燃料棒周圍流動的冷卻劑中產生熱點。這樣的熱點將阻礙燃料棒周圍溫度的均勻分布，從而降低了反應堆的效率。

通過芯塊包殼相互作用(pci)失效的燃料棒的熱室檢查(hotcellexamination)表明失效歸咎於顯著地延伸到芯塊端部的周向缺失芯塊表面(missingpelletsurface,mps)。由這樣的剝落產生的燃料材料的碎片可陷在芯塊的外圍壁和包殼之間的間隙中且增加包殼上的機械應力，由於芯塊包殼機械相互作用(pcmi)這可導致局部包殼失效。此外，歸因於剝落的缺失芯塊表面因為缺失包殼支承也可能對包殼產生較高的機械應力，而且，通過和熱點相結合併由裂變產物增強，也可能導致包殼失效。這樣的失效會導致放射性氣體和材料洩漏進反應堆冷卻劑和反應堆環境中。

儘管有倒角，wo-02/45096中公開的燃料芯塊仍可能發生某些剝落。

本發明的目的是通過進一步降低剝落的風險來解決這個問題。

技術實現要素：

為此目的，本發明涉及如上所述類型的燒結燃料芯塊，該芯塊還包括從第一倒角向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同於第二斜坡。

第二倒角防止出現第一倒角和第二倒角之間的尖銳邊緣(這將在下文中描述)，以保證兩個疊置芯塊之間的接觸保持柔和。由此也降低了剝落的風險。

根據燒結燃料芯塊的其他特徵：

-第一斜坡大於第二斜坡；

-第一斜坡大致在7°至40°之間；

-第二斜坡大致在0.2°至10°之間；

-第二斜坡大致在0.4°至9°之間；

-外圍壁大致是圓柱形的；

-端面相對於大致垂直於中心軸線並大致在外圍壁中間橫穿外圍壁的平面大致上是對稱的；

-外圍壁的長度和外圍壁的直徑之間的比率大致在0.4至2之間；和

-每個端面至少包括從外圍壁向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和從第一倒角向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同於第二斜坡。

根據另一方面，本發明涉及用於水核反應堆燃料棒的生燃料芯塊，用於進行燒結以獲得如上所述的燒結燃料芯塊，生燃料芯塊包括沿中心軸線延伸的外圍壁和兩個端面，其中，端面中的至少一個至少包括從外圍壁向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和從第一倒角向中心軸線延伸並相對於垂直於中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同於第二斜坡。

如上所述，生燃料芯塊的第二倒角保證在燒結芯塊中燃料棒中的兩個疊置芯塊之間的柔和接觸，並且減小這種接觸引起的剝落的風險。即使燒結工序執行時間過長，第二倒角也將至多變成平坦的表面。燒結芯塊將由此具有常規的形狀，而尖銳的邊緣的風險降低了。

根據生燃料芯塊的其他特徵：

-第一斜坡大致在7°至40°之間；

-第二斜坡大致在0.2°至10°之間；和

-第二斜坡大致在0.4°至9°之間。

根據另一方面，本發明涉及用於水核反應堆燃料組件的燃料棒，包括包殼和在包殼中的一摞燒結燃料芯塊，燒結燃料芯塊中的至少一個是如上所述的芯塊。

根據另一方面，本發明涉及水核燃料反應堆組件，包括構架和燃料棒的束，其中燃料棒中的至少一個是如上所述的燃料棒。

附圖說明

在閱讀通過舉例的方式和參照附圖進行的以下描述後，本發明的其他方面和優點將得到展現，附圖中：

圖1是根據本發明的一種燒結燃料芯塊的示意性剖視圖，

圖2是圖1的區域ii的放大圖，

圖3是根據本發明的一種燃料棒的示意性剖視圖，

圖4是根據本發明的一種核燃料組件的示意性側視圖。

具體實施方式

圖1示出燒結燃料芯塊1，包括外圍壁4和兩個端面6。燒結燃料芯塊1計劃放置在包殼7中且與其他相似的燒結燃料芯塊疊置，以形成水核反應堆燃料棒8，如圖3所示。這樣的燃料棒8將被引入核燃料組件10的燃料棒束9中，這個束9由構架11保持，如圖4所示。

圖4示出用於pwr的帶有方形陣列的典型燃料組件10。用於vver的燃料組件10通常具有六邊形陣列。用於bwr和phwr燃料組件的結構也是不同的，但是燃料芯塊和燃料棒是相似的，其尺寸適於每種特定的設計。在所有情況中，包殼7比如由鋯基合金製成。

外圍壁4在軸向上沿中心軸線a延伸，端面6從外圍壁4的邊緣向中心軸線a延伸。

對於用在pwr中的燃料芯塊1來說，取決於燃料組件陣列(主要為14×14至19×19)，外圍壁4的直徑d一般大致在7.4mm到9.8mm之間。比如，用於17×17pwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為8.192mm。用於vver燃料芯塊1的值相似：比如，對於vver-1000來說，d通常在7.51mm至7.60mm之間變化。

對於在bwr中使用的燃料芯塊1來說，取決於燃料組件陣列(主要為6×6至13×13)，外圍壁4的直徑d一般大致在8.0mm到10.3mm之間(對於6×6最老的設計來說能增加到12.25mm)。比如，用於10×10bwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為8.670mm。

對於在phwr中使用的燃料芯塊1來說，取決於燃料組件陣列，外圍壁4的直徑d一般大致在12.0mm到15.3mm之間。比如，用於19元件束phwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為14.3mm。

在所有這些情況中，外圍壁4的長度h和直徑d之間的比率(即h/d)大致在0.6至2之間。比如，對於17×17pwr燃料芯塊來說，典型的h/d比率約為1.6，對於vver燃料芯塊來說約為0.7，對於10×10bwr燃料芯塊來說約為1.2，及對於phwr燃料芯塊來說約為1.7。

根據另一個實施例，燃料芯塊1可以具有如wo-02/45096中所公開的減小的h/d比率。在這樣的燃料芯塊1中，對於大致等於8.192mm的直徑d來說，h/d比率比如在0.4至0.6之間，優選等於0.5。

在所示的實施例中，端面6相對於平面p大致是對稱的，平面p大致垂直於中心軸線a並大致在外圍壁4中間橫穿外圍壁4。因此，將參照圖1和圖2僅描述上端面6。

端面6包括第一倒角12，該第一倒角12從外圍壁4向中心軸線a延伸並具有第一非零斜坡。第一斜坡由第一倒角12和垂直於中心軸線a的平面p』之間的角α限定。角α大致在7°至40°之間。在一個特定的實施例中，角α大致等於18°。第一倒角12沿軸線a的尺寸h大致在0.10mm至0.20mm之間，優選等於0.15mm。第一倒角12沿平面p』的尺寸l大致在0.26mm至0.66mm之間，優選等於0.46mm。

第一倒角12使得能夠減小製造期間燃料芯塊1的剝落，並易於將燃料芯塊1裝載在包殼7中。通過防止外圍壁4和端面6之間的尖角，第一倒角12還減小了該裝載期間損及燃料芯塊1的風險。

端面6還包括第二倒角14，該第二倒角14從第一倒角12向中心軸線a延伸並具有與第一斜坡不同的第二非零斜坡。第二斜坡由第二倒角14和平面p』之間的角β限定。角β大致在0.2°至10°之間。特別地，角β大致在0.4°至9°之間。在一個特定的實施例中，角β大致等於3°。第一倒角12和第二倒角14沿軸線a的尺寸h』大致在0.15mm至0.25mm之間，優選等於0.20mm。第二倒角14沿平面p』的尺寸l』大致在0.64mm至1.34mm之間，優選等於0.99mm。

第一和第二斜坡具有相同的設計，並朝向燃料芯塊1的外側，如圖2所示。相對較「陡」的第一斜坡比相對較「緩」的第二斜坡更大。

根據一個實施例，第一和第二倒角12和14在端面6的整個外圍上延伸。

當燃料芯塊1疊置在包殼7中以形成燃料棒8時，第二倒角14形成燃料芯塊1與其相鄰芯塊的接觸面。

根據圖1至圖3所示的實施例，端面6還包括盤狀凹槽16，該盤狀凹槽16從第二倒角14繞著中心軸線a延伸。凹槽16適於在核燃料棒8用在核反應堆中時使燃料芯塊1能夠軸向熱膨脹。

凹槽16的最大深度位於中心軸線a上，且比如大致在0.1mm至0.5mm之間，優選在0.2mm至0.4mm之間。

對於在水反應堆中使用的燃料芯塊1，凹槽16的直徑大致在4.5mm至7.2mm之間。在一個特定的實施例中，對於直徑d大致等於8.192mm的外圍壁4，凹槽16的直徑大致等於5.3mm，對於直徑d大致等於9.33mm的外圍壁4，凹槽16的直徑大致等於6.4mm。這樣的盤狀凹槽16和其作用在燃料芯塊中是公知的，將不會在本文中詳細描述。

根據另一個實施例(未在此處呈現)，燃料芯塊可以具有一個中心孔而不是盤狀凹槽16，或者除了盤狀凹槽16之外，還具有一個中心孔。中心孔從一個端面6延伸到相對的端面6，並在中心軸線a周圍中心定位。孔的直徑比如在1至2mm的範圍內，即使可能已測試更高的值。這樣的中心孔和其作用在燃料芯塊中是公知的，將不會在本文中詳細描述。

上述的燒結燃料芯塊1通過燒結生燃料芯塊獲得。

生燃料芯塊通過下述方式獲得：將燃料材料(比如，包括帶有任意含量的同位素235的氧化鈾和/或可能添加了諸如gd2o3的可燃毒物的氧化鈽的粉末)壓縮進合適的模型，以使外圍壁4大致是圓柱形的。有可能使用除氧化鈾和/或氧化鈽之外的其他裂變材料、或添加除了可燃毒物之外的其他或額外的添加物(比如微孔形成劑、潤滑劑......)以獲得生芯塊。

生燃料芯塊和燒結燃料芯塊1具有大致相同的形狀，尺寸稍微大於燒結燃料芯塊1，這意味著生燃料芯塊也包括外圍壁4和兩個端面6，每個端面6包括第一倒角12和第二倒角14、及根據附圖顯示的實施例的盤狀凹槽16。

生燃料芯塊經過燒結並可以調整以獲得上述燒結燃料芯塊1的最終形狀和尺寸。

在生燃料芯塊的燒結步驟中，由於燃料材料的濃縮，第二倒角14傾向於沿軸向運動。由於第二斜坡，不管制造公差如何，接觸面將總是呈現為相同符號的第二斜坡，而非第一倒角12的第一斜坡。即使燒結工序執行時間過長，第二倒角14也將至多變成平坦的表面。

這將防止在第一倒角12和由第二倒角14形成的接觸面之間出現尖銳的邊緣。由此保證兩個疊置燃料芯塊1之間的接觸面為柔和的，從而剝落的風險降低，疊置芯塊之間的接觸點移至盤狀凹槽的邊緣。

事實上，發明人驚訝地發現，在現有技術的芯塊中，剝落的風險與生芯塊的燒結期間芯塊的接觸面和第一倒角12之間的尖銳邊緣的出現是相關聯的。

在現有技術的燃料芯塊中，計劃處於水平的接觸面由於燒結步驟，實際上可能呈現為朝向芯塊的內部並相對於倒角的斜坡顛倒的斜坡。

因此，尖銳的邊緣可能在倒角和接觸面之間出現。

通過本發明的第二倒角14，防止了出現這樣的尖銳邊緣。本發明的生和燒結燃料芯塊1由此可具有更好的使用表現，並使表面缺陷得到了相當大地減少，這極大提升了產量。而且，降低了包殼失效的風險。

如上所述，本發明的燃料芯塊1適於用在包括vver的pwr中，以及bwr或phwr中。燃料芯塊1的總體形狀對於用於這些不同類型的反應堆而言相同，只有燃料芯塊1的尺寸需要相應改動。

上述燃料芯塊1的形狀的其他變型是可能的。比如，盤狀凹槽16可被平坦的表面替代，或可在中心軸線a周圍設置孔以使燃料芯塊1具有環形的形狀。凹槽16的形狀也可修改。比如，凹槽16可以是截錐形的。

根據另一變型，端面6每個具有不同的形狀或具有不同的斜坡尺寸、凹槽尺寸等。因此，端面6並非必須相對於平面p對稱。