燃料组件制造技术

包括烧结或铸造成坯段并共挤出成螺旋状、多叶形的燃料元件的核燃料组件。燃料内核可以是金属燃料材料和金属非燃料材料的金属合金、或在金属非燃料基质中的陶瓷燃料。燃料元件可以使用更高富集度的裂变材料，同时维持安全的工作温度。根据一个或多个实施方式，这样的燃料元件可以比常规的氧化铀燃料棒在更安全的、较低的温度下提供更多的功率。燃料组件还可以包括多个常规的UO2燃料棒，这可有助于燃料组件符合常规核反应堆的空间要求。

【技术实现步骤摘要】
本案是申请日为2011年5月11日、申请号为201180023785.9、专利技术名称为“燃料组件”的专利申请的分案申请。交叉引用本申请要求2010年5月11日提交的美国临时申请号61/333,467、2010年10月15日提交的美国临时申请号61/393,499和2011年2月21日提交的美国临时申请号61/444,990的优先权权益，所有这三个申请的题目都是“金属燃料组件(METAL FUALASSEMBLY)”，所有三个申请的全部内容在此通过参考引入。专利技术背景1.专利
本专利技术总的涉及用于核反应堆的堆芯中的核燃料组件，并且更具体地涉及金属核燃料元件。2.相关技术描述美国专利申请公开号为2009/0252278 A1公开了包括种子和再生区(blanket)子组件的核燃料组件，所述专利的全部内容作为参考引入本文。该再生区子组件包括钍基燃料元件。该种子子组件包括用于释放中子的铀和/或钚的金属燃料元件，其释放的中子被钍的再生区元件所捕获，从而产生裂变的U-233，其在原位燃烧并为核电厂释放出热量。传统的核电厂通常使用的燃料组件包括多个燃料棒，其每个都包含在圆筒形管中的氧化铀燃料。专利技术实施方式的概述常规燃料棒的圆筒形管的表面积限制了可以从所述棒传递给主冷却剂的热量。考虑到热流去除的有限表面积，为了避免过热燃料棒，通常大量制了这些氧化铀燃料棒中或混合氧化物(氧化钚和氧化铀)燃料棒中的裂变材料的量。通过将传统氧化铀燃料棒替换为全金属的、多叶形的、粉末冶金共挤出燃料棒(燃料元件)，本专利技术的一个或多个实施方式克服了传统氧化铀燃料棒的各种缺点。金属燃料元件与其氧化铀燃料棒的对应元件相比具有显著更大的表面积，从而促进了在较低温度下从燃料元件到主冷却剂显著更多的热量传递。多叶形燃料元件的螺旋肋为燃料元件提供了结构支撑，其可能有助于减少或消除在其它情况下可能需要的定位格架的数量。这些定位格架的数量减少或消除有利地减小了冷却剂上的水力阻力，从而可以提高到冷却剂的热传递。由于金属燃料元件可以比它们的传统氧化铀燃料棒的对应元件相对更紧凑，燃料组件内提供了更多的空间用于冷却剂，而这又减少了水力阻力并提高了到冷却剂的传热。从金属燃料棒到冷却剂的更高的传热意味着其可能产生更多的热量(即，电能)，而由于金属相对于氧化物的显著更高的热导率，其同时使燃料元件保持在较低的工作温度。虽然由于过热问题，传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒通常把裂变材料的载荷限制在4-5％左右，但是根据本专利技术的各种实施方式，金属燃料元件的较高的传热性能使得可以使用显著更多的裂变材料载荷，同时仍维持安全的燃料性能。最终，对于相同的反应堆堆芯，根据本专利技术的一个或多个实施方式使用金属燃料元件比传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒可能提供的电能更多的电能。根据本专利技术的一个或多个实施方式，使用全金属燃料元件可以
有利地降低燃料失效(failure)的危险，因为金属燃料元件降低了裂变气体释放到冷却剂的风险，而这在传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。根据本专利技术的一个或多个实施方式，使用全金属燃料元件还比传统的氧化铀燃料棒更安全，因为全金属设计增加了燃料元件内的传热，从而降低了燃料元件内的温度差异，并降低了燃料元件的局部过热的危险。本专利技术的一个或多个实施方式提供了用于核能反应堆堆芯(例如，陆基的或海基核反应堆)中的燃料组件。该组件包括含有下接管(nozzle)的框架，该接管被成形和配置以安装到核反应堆内部的堆芯结构上，和由该框架支撑的多个细长的金属燃料元件。多个燃料元件中的每一个都包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核(kernel)。该燃料材料包括裂变材料。每个燃料元件还包括围绕燃料内核的包层(cladding)。多个细长的金属燃料元件提供了以体积计至少70％的燃料组件的全部裂变材料。本专利技术的一个或多个实施方式提供了用于核能反应堆的堆芯的燃料组件。该组件包括含有下接管的框架，该接管被成形和配置以安装到核反应堆内部的堆芯结构上。该组件还包括多个由该框架支撑的细长的、挤出的金属燃料元件，所述多个燃料元件中的每一个都包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核。该燃料材料包括裂变材料。燃料元件还包括围绕燃料内核的包层。金属燃料元件区域的减速剂(moderator)：燃料的比值是2.5或更低。本专利技术的一个或多个实施方式提供了制造用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件的方法。该方法包括通过下述制造多个细长的金属燃料元件中的每一个：将粉末金属燃料与粉末金属非燃料材料相混
合，其中粉末金属燃料材料包括裂变材料，烧结混合的粉末金属燃料和金属非燃料材料以产生燃料芯料，用包层材料围绕燃料堆芯原料，并共挤出燃料芯料和包层材料来产生燃料元件。该方法还包括将多个细长的金属燃料元件安装在燃料组件的框架上。金属燃料元件区域内的减速剂：燃料的比值是2.5或更低。该方法可以包括在所述烧结前将置换器(displacer)放置在混合的粉末金属燃料材料和金属非燃料材料中，以使所述烧结产生包含置换器的燃料芯料。燃料组件可以被放入陆基核能反应堆中。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个细长的金属燃料元件提供了燃料组件中所有燃料元件的总体积的至少60％。根据这些实施方式中的一个或多个，包层的平均厚度是至少为0.6毫米。根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件是热动力学设计和物理成形的且用于在陆基核能反应堆中操作。根据一个或多个实施方式，燃料组件可与陆基核能反应堆组合使用，其中燃料组件被置于陆基核能反应堆中。根据这些实施方式中的一个或多个，对于多个所述多个燃料元件：所述燃料内核的燃料材料富含20％或更少的铀-235和/或铀-233并占20％到30％体积分数的燃料内核；以及非燃料金属占70％到80％体积分数的燃料内核。对于多个所述多个燃料元件，燃料材料富集度可以为15％到20％之间。燃料内核的非燃料金属可包括锆。根据这些实施方式中的一个或多个，内核包括δ-相的UZr2。根据这些实施方式中的一个或多个，对于多个的所述多个燃料元件：燃料内核的燃料材料包括钚；燃料内核的非燃料金属包括锆；并且燃料内核的非燃料金属占70％到97％体积分数的燃料内核。根据这些实施方式中的一个或多个，燃料材料包括以下组合：铀和钍；钚和钍；或铀、钚和钍。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的的多个包层被冶金结合到燃料内核上。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括铝。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括高熔点金属。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的包层包括锆。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个通过共挤出燃料内核和包层来制造。根据这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抑制剂(poison)。根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个细长的金属燃料元件提供了燃料组件中全部裂变材料的以体积计的至少80％。根据这些实施方式中的一个或多个，陆基核能反应堆包括具有
在2010年之前实际使用的反应堆设计的传统核电厂。框架可以被本文档来自技高网...

【技术保护点】
制造用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件的方法，所述方法包括：通过下述制造多个细长的燃料元件中的每一个：混合燃料材料与金属非燃料材料，其中所述燃料材料含有裂变材料，铸造混合的燃料材料和金属非燃料材料，以创建燃料芯料，将燃料芯料用包层材料围绕，和共挤出燃料芯料和包层材料以创建燃料元件；和将所述多个细长的燃料元件安装到燃料组件的框架上。

【技术特征摘要】
2010.05.11 US 61/333,467;2010.10.15 US 61/393,499;1.制造用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件的方法，所述方法包括：通过下述制造多个细长的燃料元件中的每一个：混合燃料材料与金属非燃料材料，其中所述燃料材料含有裂变材料，铸造混合的燃料材料和金属非燃料材料，以创建燃料芯料，将燃料芯料用包层材料围绕，和共挤出燃料芯料和包层材料以创建燃料元件；和将所述多个细长的燃料元件安装到燃料组件的框架上。2.如权利要求1的方法，其中：所述多个细长的燃料元件包括多个细长的金属燃料元件；和所述燃料材料包括金属燃料材料；和所述燃料芯料包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的合金的金属燃料芯料。3.如权利要求1的方法，其中所述燃料材料包括陶瓷燃料材料。4.如权利要求1的方法，其中所述多个细长的燃料元件提...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·M·巴施基尔特塞夫，V·F·库兹内特索夫，V·V·克夫罗莱夫，A·G·莫罗佐夫，M·H·蒙特戈梅里，
申请(专利权)人：钍能源股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US