大结构板式燃料元件制造技术

提出一种新型核燃料元件，主要应用在用快速中子流工作的第四代气体载热反应堆中。根据本发明专利技术的具有复合板式结构的元件（１）包含一个小室（８）的网（６），最好是蜂窝形，在每个小室中放置一个核燃料芯块（１０）。在每个小室中设置一个径向间隙（１４）和一个轴向间隙（１２），以抵消板元件（１）工作过程中固有的可裂变物质和结构材料之间的差异膨胀。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于核反应堆的燃料元件领域，尤其是为新设计的被称为第四代反应堆而研发的燃料板。更具体而言，根据本专利技术的装置是为在高温环境中运转的设备而设计，也就是为高温反应堆(HTR)而设计，其中反应堆出口处的冷却流体的温度高于800°C ;优选地，它们是用被气体冷却的快速中子流工作的气体载热剂反应堆，或者GFR(气体冷却快中予反应堆，或气冷快堆)。因此，本专利技术提出一种元件的设计，该元件适合强加的操作条件并提供改善的性能；更具体地，本专利技术提出一种大结构复合燃料“板元件”的新设计，它符合GFR的技术规 范。
技术介绍
用于从核裂变反应产生能量的(核电)站使用燃料元件，燃料元件内部发生裂变释放热能，热能通过用提供其冷却的导热流体的热交换而从燃料元件中提取出来。为了达到这个目的，在支持燃料性能及其操作条件所强加的应力的同时，基本燃料元件设计的一般原则在于满足下面的功能-具有一个裂变原子密度，其与中子操作条件和反应物体积的单位体积能量密度兼容，-确保可燃物质和载热体之间的热传递，-封闭燃料释放出的固体和气体裂变产物。当然，在燃料内部的裂变反应产生固体和气体裂变产物，这些产物导致材料结构扩张，这种现象是由热引起的，这同样导致裂变气体释放到燃料物质外面的机机制(mecanismes de rel S chement)。给燃料物质提供包壳可以适应这些变形而不丧失元件的完整性。燃料内部的裂变强度与通过包壳排向载热体的能量密度(单位体积能量)直接相关。热源和载热体之间的热阻应该达到最小以控制燃料的最高温度和由该热流所引起的效应，即材料内部的梯度(gradient)以及燃料和包壳之间的差异膨胀。 反应物体积自身中的可裂变物质的密度主要取决于燃料元件的形状该形状决定了要放到给定体积中并达到最大填充率的可裂变物质的容量，但也为载热体提供必要的渗透性以确保产生的能量通过元件排放出去并伴随可以接受的负载损失。在核设备中，按照通常方式，可以使用三类基本燃料元件板式元件(任何形状)，沿其轴延伸的圆柱体元件(通常具有圆形或半圆形截面)，球形元件，通常成小直径(近似毫米)的微粒状。另外，球形微粒可以被裹在一个惰性基体(matrice inerte)中以生成复合燃料元件，复合燃料元件同样可以表现出前面所述的三种形状球形，板式和压块式(compacte)。每种燃料元件针对所提出的问题而结合不同的解决方法，并根据其工作领域(环境)提供一种折衷。例如，在板中，包壳为具有高纵横比(壳的自由长度和厚度的比)的较大的壳。包壳材料借助其韧性使其几何形状与燃料中间部分的几何形状相匹配，这样可以横向地并以非常小的应力适应与燃料物质相关的差异变形(膨胀和扩张)。然而该板式结构几乎不能适应(调节)沿厚度方向的变形，原因是包壳在与其平面垂直方向的刚度非常低，这个自由度使燃料发生各向异性的变形，更优先地在该方向。另外，当被整体或局部地挤压在其平面上时(例如在过热点上)，尤其在燃烧的堆芯不与包壳连接或略微与包壳连接的情况下，该结构在压弯时是不稳定的。鉴于这些缺陷,板式元件事实上只用于低温燃料(combustiblefroid),即在燃料不释放其气体产物的温度范围，并且在中等的能量密度水平。对于一个预期的能量密度水平，最优化的参量一般应用于板的厚度和燃料/包壳的接触质量，应用于控制包壳的腐蚀及其工作中的韧性不受损坏。事实上，板的主要损坏形式或者与包壳变形(因腐蚀或在辐射中硬化而被损坏)时产生的韧性缺乏有关，或者与燃料和载热体之间热阻的增大有关(包壳上被腐蚀的有阻区域，例如由包壳局部弯曲造成的燃料/包壳脱离产生一个间隙开 口)，它导致燃料发热并释放裂变气体以及包壳的内部加压，通过包壳形变的不稳定而发生破裂。圆柱体元件包含石墨/气体反应堆燃料管(吸收体)，例如，增压水反应堆(REP)窄束或快中子反应堆(RNR)的针。在这种情况下，在小球形状的燃料和装该燃料的包壳之间存在径向间隙，该间隙可以调和燃料物质和包壳之间的差异变形该间隙至少能够补偿在元件增大能量(premiSre montee en puissance)时的差异膨胀，以及燃料不能通过螺变和对其内腔的重新加密(redensification)而自行吸收的燃料膨胀的部分。事实上,燃料物质发挥作用的温度应该能够使它激活调节其变形的自身机制；作为补偿，它释放一部分裂变气体。在包壳中，在燃料芯块堆的末端设置另一个扩张空间(expansion volume),以便限制元件的内部压力。于是，燃料芯块和载热体之间的热传递通过热阻径向地进行，其中该热阻由存在于芯块和装有气体的包壳之间的径向间隙和包壳的厚度构成。在元件整个寿命过程中控制热阻能够保证遵守燃料内可以接受的温度范围。在该元件设计中，因此存在热传递，该热传递通过一个定好尺寸的气封(joint gazeux)进行,还存在一个膨胀室,它被设置在横断热传递的方向上。圆柱体元件的主要优选参量是燃料和包壳之间的初始径向间隙，保证燃料和包壳之间热连接的流体的种类(气封或熔融金属封)，包壳截面内的燃料的实际填充密度(径向间隙，多孔结构，如中央孔和/或芯块端部透镜状空穴的不连续体的存在)，包壳的硬度(厚度)，包壳材料和燃料材料的特性规律(loi de comportement)(膨胀,螺变)，以及它们的机械性能(强度和韧性)。然而，燃料和包壳之间存在间隙会造成工作过程中可变的热阻(由裂变气体的出现而引起的间隙变化和传导性减弱)，该热阻会使燃料的最高温度难以控制，以至于不能达到在所有工作状态下燃料物质的熔点。另一方面，作为该类型元件的“高压室”(enceinteenpression)来工作需要使用能够保证元件机械强度的材料以防止其在压力下意外破裂(瞬时的和/或延迟的)的风险；为达到这个目的，最经常采用具有最好的承压能力的圆形截面在燃料和包壳出现相互机械作用的情况下，该圆形截面通过其圆周牵引力对抗很大的夹紧硬度(raideur de frettage),由包壳施加在燃料上的圆周压力激活了它的自我调节机制。因此，包壳材料的选择显得至关重要，它应该具有与目标工作温度兼容的折断强度，塑性(ductilit6en plasticite)和热螺变方面的韧性，以及足够的强度(典型地大于20Mpa -Vm);该选择(瞬时的及在蠕变中的屈服点)和燃料物质的选择(熔化温度)决定了燃料元件的工作条件限制(温度和能量密度)。与该类型元件相关的其余损坏的主要形式实际上是燃料和包壳间的瞬时相互机械作用，该相互机械作用超过了包壳的变形能力(能量升至大于之前工作状态的水平，或上升至其中燃料的温度不会激活其自动调节其变形的机制的工作状态)。对于球形元件而言，不同的涂层被沉积到一个裂变堆芯上并在该裂变堆芯的中心开孔；因此在裂变堆芯内部并在居间的缓冲层(其确保裂变堆芯和包壳层之间的初始连续性)中以多孔的形式高孔隙率地形成空间。通过填充这些间隙来调节燃料和包壳(即包层)之间的差异变形在工作中，缓冲层密度的逐渐增高释放出径向间隙，它能够阻止裂变堆芯和包壳层之间的强的相互机械作用。另外，裂变材料所释放的裂变气体被保留在包壳内的自由空间之中包壳的球体形状非常适合抵抗集聚的内部压力。基本颗粒的优选参量主要包括材料的选择(种类，本文档来自技高网...

【技术保护点】
核燃料元件（１），包括第一板（４），与所述第一板（４）连为一体并具有多个壁以形成分开的小室（８）的网（６），以及至少一个沿着轴线（ＡＡ）延伸在两个相对侧面之间的核燃料芯块（１０），其中所述芯块（１０）被放置在小室（８）中，在所述小室的壁和所述芯块（１０）之间有一个径向间隙（１４），芯块（１０）的所述轴线（ＡＡ）大致与小室（８）的所述壁平行。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】FR 2005-8-10 05524881.核燃料元件(I)，包括 -第一板(4)，与所述第一板(4)连为一体并具有多个壁以形成分开的小室(8)的网(6)，以及至少一个包括两个相对侧面并且在它的两个相对侧面之间沿着轴线(AA)延伸的核燃料芯块(10)，其中所述芯块(10)被放置在小室(8)中，在所述小室的壁和所述芯块(10)之间有径向间隙(14)，芯块(10)的所述轴线(AA)与小室⑶的所述壁大致平行， -与所述网(6)连接的第二平板(2)，与所述第一板(4)平行相对以封闭所述小室(8)。2.核燃料元件(I),包括 -第一板(4)，与所述第一板(4)连为一体并具有多个壁以形成分开的小室(8)的网(6)，以及至少一个包括两个相对侧面并且在它的两个相对侧面之间沿着轴线(AA)延伸的核燃料芯块(10)，其中所述芯块(10)被放置在小室(8)中，在所述小室的壁和所述芯块(10)之间有径向间隙(14)，芯块(10)的所述轴线(AA)与小室⑶的所述壁大致平行， -第二板，所述第二板包含一个与所述第一板(4)的网(6)互补的外凸的网(6’)，与所述第一板⑷的网(6)连为一体，以封闭所述小室(8)。3.根据权利要求I或2所述的元件，其中所述网(6)的所述壁在与所述第一板(4)平行的方向上具有相同厚度。4.根据权利要求I或2所述的元件，其中所述网(6)用与所述第一板⑷成一体的方式制造。5.根据权利要求I所述的元件，在每个封闭的小室(...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿兰拉弗内，
申请(专利权)人：法国原子能委员会，
类型：发明
国别省市：FR[法国]