具有多重有效密度燃料的燃料元件制造技术

燃料元件具有垂直于纵向轴线的管状燃料元件的横截面中的可裂变核燃料的面积与该管状燃料元件的横截面中的内部空间的总面积的比率，该比率随着沿纵向轴线的位置而变化。该比率可以随着沿纵向轴线的位置在0.30的最小值和1.0的最大值之间变化。使该比率增加到高于和低于与常规系统相关的峰值燃耗位置减少了峰值燃耗并且使燃耗分布变平坦并且使燃耗分布移位，燃耗分布优选为高斯分布。纵向变化可以使用燃料主体，诸如芯块、棒或环形体或金属海绵形式的燃料，在燃料组件中实现，并且有效地提高了燃料利用效率。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有多重有效密度燃料的燃料元件相关申请的交叉引用本申请要求题为“FUELELEMENTWITHMULTI-SMEARDENSITYFUEL”并且于2015年8月27日提交的美国临时专利申请第62/210,609号的优先权，为了本申请公开和教导的全部，该临时专利申请特定地并入本文。
本专利技术总体上涉及用于生产高性能燃料元件，例如用于核裂变反应堆的燃料元件的系统和方法。本公开的领域本公开涉及核裂变反应堆和燃料元件，特别是用于快速反应堆，例如增殖(breed)和燃烧反应堆的燃料元件。特别地，本公开涉及管状燃料元件，其中管状燃料元件的垂直于纵向轴线的横截面中的可裂变核燃料的面积与该管状燃料元件的横截面中的内部空间的总面积的比率(或有效密度(smeardensity))随着沿燃料元件的纵向轴线的位置而变化。这种纵向变化可以改善与燃耗极限有关的操作曲线、应变(strain)分布和燃耗分布中的一个或多个。背景在下面的讨论中，参考了某些结构和/或方法。然而，下面的参考不应当被解释为承认这些结构和/或方法构成了现有技术。申请人明确保留证明这样的结构和/或方法不符合针对本专利技术的现有技术的权利。在常规的核反应堆中，燃料元件中的燃料装料通常沿燃料组件的纵向方向是均匀的。在反应堆中的辐照期间，燃料由于例如裂变产物的产生，特别是由于气体形式的裂变产物而膨胀。所膨胀的燃料在单独燃料元件的包壳的内径的可用空间内膨胀。然而，随着时间的推移和在更高的燃耗值下，燃料的膨胀可使包壳应变，特别是在发生气体滞留和当裂变产物(气体或固体)开始填充燃料内的空隙的情况下。此时，包壳应变可能与燃耗成比例，并且包壳应变开始迅速增大。这种应变最终限制了反应堆堆芯中的燃料元件的寿命，因为燃料包壳的膨胀导致包壳外部的冷却剂流动面积减小(有时是不均匀的)。应变率因辐射对结构材料(包壳和燃料组件管道)的恒定作用而增加。燃料元件可以膨胀到足以在其相关联的燃料组件的管道壁上施加进一步的应变，这可能由于鼓胀而变得“堵塞”在一起和/或引起燃料组件的弯曲。燃料元件鼓胀有时可以导致包壳中的裂缝，这可能导致裂变产物和/或与燃料相互作用的冷却剂的不受控制的释放。至少部分由于所产生的应变，任何特定燃料元件的最大燃耗可以设定燃料元件和/或整个燃料组件的有效使用寿命。概述施加在包壳(cladding)和燃料组件上的应变影响燃料元件的上限燃耗极限。高温和高辐射环境可导致燃料鼓胀，随着时间的推移，燃料鼓胀在包壳上产生应变。与包壳失效相关的时间、压力和温度条件产生应变极限。应变有时也使用“燃耗”作类比，因为燃料燃耗产生促成燃料鼓胀的高温和条件。应变和/或燃耗的极限通常由经历最大中子通量(neutronflux)的燃料设定。通量通常呈现至少部分基于燃料元件内的燃料和毒物分布的形状(纵向和径向)。穿过燃料元件的主体的燃料分布传统上一直是均匀的，其在纵向方向上跨过燃料的均匀分布产生反向余弦或高斯通量分布形状。但是，具有通量的伴随的纵向分布的燃料的均匀的纵向分布在燃料元件的纵向端部处未充分利用燃料。所公开的技术提供对燃料密度的局部状况的精确调节，以平衡沿燃料元件的纵向长度的燃料性能，增加平均实际燃耗，增加反应堆堆芯中的燃料元件的有效寿命，平衡燃料应变和/或由燃料的传统上未充分利用的部分提供更多的中子贡献(并且实现增加数量的裂变反应或“更高的燃耗”)，导致提高的燃料利用效率。在燃料元件中的预期最大燃耗(或应变)的纵向位置之外(例如，在纵向端部处)添加更多的燃料可以减少不均匀燃耗并减少燃料应变。在纵向端部和最大燃耗和/或应变的位置之间添加更多的燃料可以使燃耗分布在燃料元件内纵向地变平并使燃耗分布在燃料元件内纵向地移位，总的来说，这可以通过增加平均燃耗和减少燃料应变大致地使燃料元件中的燃耗分布变平坦。当燃料元件中的纵向位置沿纵向定向的轴线(例如在燃料元件的第一端部和第二端部之间)变化时，该过程受到改变每单位体积面积的燃料的相对量的影响。该比率(或有效密度)随沿纵向(或轴向)轴线的位置的变化可以在构成燃料组件和最终反应堆的各燃料元件之间重复和/或改变，直到燃耗分布纵向地展开，同时保持峰值堆芯功率，反应堆的临界性等。净效应增加了燃料的平均燃耗并提高了反应堆设计和/或运行的效率。用于核裂变反应堆的燃料元件的示例性实施方案包括包含可裂变核燃料的可裂变组合物，并且可以包含一种或多种非燃料材料。可裂变燃料可以包括任何裂变燃料和/或可变成裂变物质的燃料(fertilefuel)，并且可以与其它合适的材料(包括中子吸收剂、中子毒物、中子透明材料等)混合、组合或包含在燃料元件的内部体积内。裂变材料可以包括用于核裂变或中子通量生产的任何合适的材料，包括铀、钚和/或钍。可变成裂变物质的燃料可以是任何合适的可变成裂变物质的材料，包括天然铀、非浓缩铀等，这些燃料可以被增殖成裂变燃料。燃料元件是大致管状的并具有纵向轴线。可裂变组合物占据管状燃料元件的内部体积的至少一部分。可裂变组合物可以与燃料元件的内表面热传递接触。管状燃料元件的垂直于纵向轴线的横截面中的可裂变核燃料的面积与该管状燃料元件的横截面中的内部体积的总面积的比率随沿纵向轴线的位置而变化。在一个方面，该比率可以表示为由以下定义的有效密度百分比：其中：AreaFuel＝燃料元件的垂直于燃料元件的纵向轴线的横截面中的可裂变核燃料的面积，以及AreaInteriorCross-Section＝在燃料元件的垂直于燃料元件的纵向轴线的横截面中的包壳内部的面积。虽然本文中公开的燃料元件和相关结构和方法将关于行波反应堆(TWR)进行具体描述，但是本文中公开的燃料元件和相关结构和方法通常适用于许多类型的固体燃料核反应堆，并且可以在具有固体燃料的任何适当的核反应堆，如增殖和燃烧反应堆中使用。如本文中所使用的，TWR是指一种类型的增殖和燃烧和/或增殖和燃烧平衡式核反应堆，其中增殖并然后燃烧的波可以相对于燃料行进，并且包括但不限于驻波反应堆。附图简述可以结合附图来理解下面的优选实施方案的详细描述，在附图中相同的标号表示相同的元件，并且在附图中：图1A示出具有快速核反应堆堆芯的示例性核裂变反应堆。图1B和图1C是燃料元件的示例性实施方案的透视图，第一实施方案具有大致直线形状(图1B)以及第二实施方案具有大致圆柱形形状(图1C)。图2至图6是分别沿图1B中所示的燃料元件的截面A-A、B-B和C-C截取的横截面图。图7是燃料芯块的示例性实施方案的横截面示意图。图8是第一示例燃料元件的一部分的横截面示意图，其中燃料芯块的密度沿纵向长度变化。图9是第二示例燃料元件的一部分的横截面示意图，其中燃料芯块的密度沿纵向长度变化。图10示意性地示出了燃料元件的示例性实施方案，其中不同的可裂变核燃料装料的燃料芯块位于内部体积的不同层中，以形成沿燃料元件的纵向长度的量子化区。图11A-B和图12A-B示出了具有示例性特征的体积形状，示例性特征可以单独地或组合地包括在环形块状物的实施方案中，环形块状物包含在环形块状物的主体内的裂变组合物。图13A-13B是燃料元件的示意的横截面图，其示出了布置在构成包壳的壁内的环形块状物，诸如图11A-B和图12A-B中的环形块状物。图14至图18是分别沿图1C中所示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种设备，包括：用于燃料组件的燃料元件，所述燃料元件具有管状内部体积并且在所述管状内部体积的至少一部分内储存可裂变组合物，所述可裂变组合物与所述燃料元件的内表面热传递接触并且由有效密度曲线界定，所述有效密度曲线随着沿所述燃料元件的纵向轴线的位置选择性地变化并且包括局部增加的有效密度的至少一个区域，所述局部增加的有效密度的至少一个区域定位成对应于局部减少的中子通量的至少一个区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.27 US 62/210,6091.一种设备，包括：用于燃料组件的燃料元件，所述燃料元件具有管状内部体积并且在所述管状内部体积的至少一部分内储存可裂变组合物，所述可裂变组合物与所述燃料元件的内表面热传递接触并且由有效密度曲线界定，所述有效密度曲线随着沿所述燃料元件的纵向轴线的位置选择性地变化并且包括局部增加的有效密度的至少一个区域，所述局部增加的有效密度的至少一个区域定位成对应于局部减少的中子通量的至少一个区域。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述有效密度曲线包括对应于局部减少的中子通量的区域的局部增加的有效密度的多个区域。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述有效密度曲线近似于倒置的高斯形状。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述有效密度曲线根据阶跃函数变化。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述有效密度曲线在所述燃料元件的第一端部处比在所述燃料元件的相对的第二端部处高。6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述燃料元件的第一端部邻近燃料组件内的冷却剂入口点，并且所述燃料元件的相对的第二端部邻近所述燃料组件的冷却剂出口点。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述燃料元件的所述有效密度在所述纵向轴线的中心区段中比在所述纵向轴线的或第一端部或第二端部处低。8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述燃料元件包括至少三个区段，邻近所述燃料元件的第一纵向端部的第一区段、邻近所述燃料元件的第二纵向端部的第三区段以及位于所述第一区段和所述第三区段之间的第二区段，其中所述第一区段的平均有效密度大于所述第二区段的平均有效密度，并且其中所述第三区段的平均有效密度大于所述第二区段的有效密度。9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述第三区段的平均有效密度小于所述第二区段的平均有效密度。10.一种制造燃料元件的方法，所述方法包括：建立沿燃料元件的纵向轴线的燃料应变的模型；建立沿所述燃料元件的纵向轴线的有效密度曲线的模型，以抵消所建模的燃料应变，使得局部减少的应变中的至少一个区域对应于局部增加的有效密度的区域；构建所述燃料元件以具有储存可裂变组合物的管状内部体积，所述可裂变组合物与所述燃料元件的内表面热传递接触，并且具有基于所建模的有效密度曲线的有效密度。11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述有效密度曲线增加沿所述燃料元件的所述纵向轴线的多个位置处的平均燃耗。12.根据权利要求10所述的方法，其中，所建模的有效密度近似于倒置的高斯形状。13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述燃料元件的所述有效密度在所述燃料元件的第一端部处比在所述燃料元件的相对的第二端部处高。14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述燃料元件的第一端部邻近燃料组件内的冷却剂入口点，并且所述燃料元件的相对的第二端部邻近所述燃料组件的冷却...

【专利技术属性】
技术研发人员：杰西·R·奇塔姆三世，赖安·N·拉塔，塞缪尔·J·米勒，
申请(专利权)人：泰拉能源公司，
类型：发明
国别省市：美国,US