高温强度、耐腐蚀、事故宽容的核燃料组件栅格制造技术

本发明专利技术涉及核燃料组件栅格或栅格的局部或部件，例如栅格条带和/或整体式混流器，其至少部分地由含一种或多种具有通式I的三元化合物的组合物构成：Mn+1AXn，其中M是过渡金属，A是选自化学周期表中A族元素的元素，X是碳或氮，并且n是从1至3的整数。本发明专利技术进一步涉及制造核燃料组件栅格或者栅格的局部或部件的方法，通过采用烧结过程来烧结粉末形式的含有一种或多种三元化合物的组合物使得产生的栅格或者栅格的局部或部件包括多个烧结层。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】背景1.
本专利技术总体上涉及核反应堆燃料组件，且更具体地涉及采用由高温强度、耐腐蚀、事故宽容度的组合物构造的间隔器或混合器或支承栅格的核反应堆燃料组件，以及制造该间隔器或混合器或支承栅格的方法。2.相关技术的描述在大多数压水核反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)和重水反应堆(HWR)(统称为水反应堆)中，反应堆堆芯包含大量延长的燃料组件，所述燃料组件产生反应堆的反应功率。这些燃料组件典型包括由多个栅格以有组织的阵列保持的多个燃料棒，所述栅格沿燃料组件长度轴向地间隔并且连接到多个加长的套管(thimbletube)或燃料组件的其它支承结构。特别地提供PWR结构的描述，然而应理解本专利技术通常适用于水反应堆。套管典型地在其中容纳控制棒或仪器。顶部和底部喷嘴处在燃料组件的相反两端并且被固定到套管的末端，所述套管的末端延伸稍微高于和低于燃料棒的末端。使用栅格(在相关领域是已知的)以精确维持反应堆堆芯中燃料棒之间的间距和支承，为燃料棒提供横向支承并且引起冷却剂的混合。一类常规栅格设计包括多个交叉条条带(strap)，它们共同形成具有多个大致方形栅元(其在其中单独地接受燃料棒)的蛋篓型(egg-crate)构造。根据套管的构造，套管可以要么容纳在尺寸设定为与其中容纳燃料棒的那些相同的栅元中，要么在交叉条条带中限定的相对较大的套管栅元中。交叉条条带提供与套管的连接点，从而使得能够将栅格沿燃料组件长度定位在间隔的位置。r>配置所述条条带使得燃料棒穿过的栅元各自包括一个或多个相对柔顺的弹簧和多个相对刚性的凹窝(dimple)，它们配合以形成栅格的燃料棒支承特征。将栅格的外部条条带连接在一起并且在周边包围栅格的内部条条带以赋予栅格强度和刚度，并且围绕栅格周界限定各个燃料棒栅元。内部条条带典型在每个交叉点处被焊接或焖炖并且内部条条带还被焊接或焖炖周边条条带或外部条条带从而限定出组件的外周边。在单个栅元水平，一般通过上述刚性支承凹窝和柔性弹簧的组合提供燃料棒支承。有许多已经使用的和目前使用的弹簧-凹窝支承几何结构的变体，包括对角弹簧、“I”形弹簧、悬臂弹簧、水平和纵向的凹窝等等。每个栅元的弹簧数目也变化。典型的配置是每个栅元两个弹簧和四个凹窝。需要仔细地确定凹窝和弹簧的几何形状以提供跨组件寿命的适当棒支承。在辐照期间,初始的弹簧弹力或多或少地快速松弛，这取决于弹簧材料和辐照环境。作为非常高的冷却剂压力和操作温度的结果，包壳(cladding)直径也变化，并且棒内部的燃料芯块也因致密化和膨胀改变它们的直径。由于氧化层的形成，外部的包壳直径也增加。由于这些尺寸和材料属性的变化，跨燃料组件寿命维持适当的棒支承是非常有挑战性的。在反应堆内的热和压力梯度引起的轴向流动和横向流动以及其它流动干扰(例如驻波和涡流)的影响下，燃料棒(其为细长体)以相对较小的幅度不断地振动。如果棒未得到适当支承，这种很小的振动幅度可导致支承点和包壳之间的相对运动。如果滑动棒在相对较小的凹窝上和栅格支承表面上施加的压力足够高，可以通过磨蚀、将基体金属暴露于冷却剂来去除包壳表面上的小腐蚀层。因为在暴露的新鲜包壳表面上形成新的腐蚀层，也通过磨蚀将其除去直到棒壁最终穿孔。这种现象被称为腐蚀损耗并且在2006年它是PWR反应堆中燃料失效的主要原因。支承栅格还提供燃料组件中的另一个重要作用，冷却剂混合以降低最大冷却剂温度。由于每个燃料棒产生的热量是不均匀的，因此在冷却剂中存在热梯度。在燃料组件设计中的一个重要参数是维持从燃料棒至冷却剂的高效热传递。每单位时间移除的热量越高，产生的功率越高。在足够高的冷却剂温度下，在给定时间内每单位包壳面积可移除热量的速率以显著的方式急剧下降。这种现象被称为偏离核态沸腾或DNB。如果在反应堆运行的参数内，冷却剂温度将达到DNB点，包壳表面温度将迅速增加以便疏散燃料棒内部产生的热量并且快速的包壳氧化将导致包壳失效。显然,需要避免DNB以防止燃料棒失效。由于DNB(如果其发生的话)发生在冷却剂处于其最大温度的点，结果是通过组件内的冷却剂混合降低最大冷却剂温度允许更大功率量的产生而不达到DNB条件。通常，通过在栅格结构下流侧中使用混合叶片来实现改善的混合。混合的效果依赖于混合叶片相对于燃料棒的形状、尺寸和位置。栅格的其它重要功能包括如下能力：在预期的事故负荷下维持操纵和正常操作而不丧失功能以及避免由于在燃料棒和支承点之间的蒸汽泡的形成所致燃料棒上的“热点”，当局部没有足够的冷却剂可用以疏散燃料棒中产生的热量时可以产生该热点。通过包壳的快速局部腐蚀，蒸汽泡引起燃料棒过热至失效点。栅格、栅格条条带和整体式混流器例如混合叶片典型地由锆合金构造，因为这些材料展现出低的中子吸收横截面和适当的机械和化学性质。类似地,燃料包壳材料也由锆合金构造。然而，对于未来的核反应堆设计和操作正在考虑替代性的燃料包壳材料。此类新且不同的材料包括碳化硅(SiC)陶瓷基体复合材料，其展现出的性能可提供更好的安全裕度和事故宽容度。然而，实施新燃料包壳材料如SiC的益处可能被抵消，因为栅格、条条带和/或堆芯内的混合叶片包含大量的锆。因此，期望用在超过核反应堆的正常运行和设计基础事故的温度下具有较好的结构稳定性、强度和抗氧化性的其它材料代替含锆的栅格、条条带和混合叶片。因此期望提供改进的材料(例如含有很少锆乃至不含锆)，其展现出适用于构建核反应堆燃料组件栅格的高温强度、耐腐蚀性和事故宽容度。
技术实现思路
采用一种用于核反应堆的燃料组件实现前述目标，所述核反应堆燃料组件具有支承在下喷嘴和上喷嘴之间的多个伸长的核燃料棒的平行、间隔的阵列，以及在上喷嘴和下喷嘴之间沿燃料棒的轴向长度串联设置的多个间隔栅格。所述多个间隔栅格或者其局部或部件是由包含一种或多种具有通式I的三元化合物的组合物构造：Mn+1AXn(I)其中M是过渡金属，A是选自化学周期表中A族元素的元素，X选自碳和氮，并且n是从1至3的整数。在某些实施方案中，M选自钛、锆和铌。此外，A可以选自铝、硅和锡。在某些实施方案中，所述具有通式I的一种或多种三元化合物选自Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti4AlN3、Ti2SiC、Ti3SiC2、Ti3SnC2、Zr2AlC、Zr2TiC、Zr2SnC、Nb2SnC、Nb3SiC2、(ZrxNb1-x)2AlC，其中x大于零且小于1。具有通式I的一种或多种三元化合物的M成分对A成分对X成分的摩尔比可以选自2:1:1、3:1:2和4:1:3。具有通式I的三元化合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于核反应堆的燃料组件[110]，该燃料组件包含：支承在下喷嘴[112]和上喷嘴[116]之间的多个伸长的核燃料棒[122]的平行、间隔的阵列，以及在上喷嘴[116]和下喷嘴[112]之间沿燃料棒[122]的轴向长度串联设置的多个间隔栅格[120],所述多个间隔栅格[120]或者其局部或部件是由包含一种或多种具有如下通式的三元化合物的组合物构造:Mn+1AXn       (I)其中M是过渡金属，A是选自化学周期表中A族元素的元素，X选自碳和氮，并且n是从1至3的整数。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.04 US 14/046,0121.一种用于核反应堆的燃料组件[110]，该燃料组件包含：
支承在下喷嘴[112]和上喷嘴[116]之间的多个伸长的核燃料棒[122]的平行、间隔的
阵列，以及在上喷嘴[116]和下喷嘴[112]之间沿燃料棒[122]的轴向长度串联设置的多个
间隔栅格[120],所述多个间隔栅格[120]或者其局部或部件是由包含一种或多种具有如下
通式的三元化合物的组合物构造:
Mn+1AXn(I)
其中M是过渡金属，A是选自化学周期表中A族元素的元素，X选自碳和氮，并且n是从1至
3的整数。
2.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中M选自钛、锆和铌。
3.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中A选自铝、硅和锡。
4.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中所述一种或多种三元化合物选自Ti2AlC、
Ti3AlC2、Ti4AlN3、Ti2SiC、Ti3SiC2、Ti3SnC2、Zr2AlC、Zr2TiC、Zr2SnC、Nb2SnC、Nb3SiC2、
(ZrxNb1-x)2AlC，其中x大于零且小于1。
5.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中M对A对X的摩尔比可以选自2:1:1、3:1:2
和4:1:3。
6.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中所述一种或多种三元化合物各自具有大
于其理论密度的85％的密度。
7.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中所述一种或多种三元化合物各自具有大
于其理论密度的95％的密度。
8.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中所述多个栅格[120]中的一个或多个具
有印在表面上的图案。
9.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中所述多个间隔栅格[120]中的一个或多
个具有附着到其上的部件，该部件选自栅格条带[128,130]、整体式混流器[89]和它们的组
合。
10.根据权利要求1所述的燃料组件[110]，其中该燃料组件[110]用于选自压水反应
堆、沸水反应堆和重水反应堆的水反应堆中。
11.一种制备选自核反应堆燃料组件的支承栅格[120]、栅格条带[128,1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏，E·J·拉侯达，
申请(专利权)人：西屋电气有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US