熔融金属填充硅碳化物燃料包壳管及均匀分布制造方法技术

提供燃料棒设计和技术以将核燃料芯块(130)封装在核燃料棒(105)中。所公开的燃料棒中的管状包壳(110)包括硅碳化物和金属填料结构(120)，该金属填料结构由在核燃料芯块的核反应期间熔融的金属形成并且位于管状包壳内部以包括填充在核燃料芯块和管状包壳的内侧壁之间的间隙中的金属管，并构造为在核燃料芯块的一端处包括封闭金属端盖(120A)，以在管状包壳内部的一端和金属填料结构的封闭金属端盖之间留出空间作为储存器(150)。盖之间留出空间作为储存器(150)。盖之间留出空间作为储存器(150)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】熔融金属填充硅碳化物燃料包壳管及均匀分布制造方法
[0001]本专利文件要求享有2020年10月23日在美国专利和商标局提交的美国专利申请第17/079,328号的权益和优先权。前述专利申请的全部内容通过引用作为本申请的公开内容的部分被合并。


[0002]本专利文件涉及用于容纳诸如燃料芯块的核燃料材料的管。

技术介绍

[0003]许多核反应堆使用裂变材料作为燃料，以经由核裂变链式反应产生能量。燃料通常容纳在坚固的物理容器中，诸如能够承受高工作温度和强中子辐射环境的燃料棒内部。燃料结构需要在反应堆芯内在一段时间(例如，几年)内保持其形状和完整性，从而防止裂变产物泄漏到反应堆冷却剂中。其他结构(诸如热交换器、喷嘴、鼻锥、流道插件或相关部件)也需要高温性能、耐腐蚀性和特定的非平面几何形状，其中高维度精度很重要。

技术实现思路

[0004]该专利文件公开了用于提供改进的导热率和封装核燃料材料(诸如燃料芯块)的装置、系统和方法。
[0005]在一个方面，公开了一种被配置为封装核燃料芯块堆的装置。该装置包括：管状包壳，其被构造成具有拥有一长度、内部截面形状和外部截面形状的中空内部以将核燃料芯块容纳在管状包壳内部，其中管状包壳包括硅碳化物；以及金属填料结构，其由在核燃料芯块的核反应期间熔融的金属形成并且位于管状包壳内部以包括填充在核燃料芯块和管状包壳的内部侧壁之间的间隙中的金属管，并且被构造为在核燃料芯块的一端处包括封闭金属端盖，以在管状包壳内部的一端和金属填料结构的封闭金属端盖之间留出空间作为位于管状包壳材料的所述一端和金属填料结构的封闭金属端盖之间的储存器，从而在核芯块的核反应期间积聚来自核燃料芯块的裂变气体。
[0006]以下特征可以包括在各种组合中。包壳材料为单片硅碳化物。包壳材料为CMC。储存器包括弹簧或垫片。内部截面形状和外部截面形状为圆形。核燃料芯块包括U3Si2、UN或UO2。核燃料芯块和管状包壳的内侧壁之间的间隙具有在约50μm和约150μm之间的厚度。金属可以是锡(Sn)。通过由于在泄漏的位置处金属填料结构与冷却剂的化学反应形成用金属氧化物填充微裂纹的金属氧化物，管状包壳和金属填料被配置为阻止冷却剂因为微裂纹泄漏通过管状包壳而进入管状包壳。
[0007]另一方面，可以实现所公开的技术以提供一种用于将核燃料芯块封装在核反应堆内部的方法。该方法包括：将核燃料芯块放在管状包壳内的中空内部空间内部，该管状包壳被构造为包括SiC以将核燃料芯块容纳在管状包壳内部，并且在核燃料芯块与管状包壳的内侧壁和管状包壳的一个内端之间具有连续间隙；以及形成金属填料结构，金属填料结构由在管状包壳内部的核燃料芯块的核反应期间熔融的金属形成并构造为包括填充在核燃
料芯块和管状包壳的内侧壁之间的间隙中以在核反应期间对管状包壳的内部提供密封的金属管，并且被构造为在核燃料芯块的一端处包括封闭金属端盖以在管状包壳的内部的一端与金属填料结构的封闭金属端盖之间留出空间作为用于在核燃料芯块的核反应期间积聚来自核燃料芯块的裂变气体的储存器。
[0008]在附图、说明书和权利要求中更详细地描述了以上和其他方面及其实现方式。
附图说明
[0009]图1A示出了根据一些示例实施方式的示例性核燃料组件。
[0010]图1B描绘了根据一些示例实施方式的具有一个或更多个核燃料芯块的锡回填硅碳化物(SiC)管的示例。
[0011]图2描绘了具有包括一个或更多个燃料芯块的燃料芯块堆的锡回填SiC管的另一示例。
[0012]图3示出了根据一些示例实施方式的具有和不具有锡的SiC包壳的x射线计算机断层摄影(XCT)图像。
[0013]图4示出了Sn的一些物理性质。
[0014]图5示出了29种元素及其在各种各样的时间段内的相关裂变产额。
[0015]图6描绘了根据一些示例实施方式的用于测试锡回填包壳的质量的装置。
[0016]图7示出了具有钼(Mo)芯块和锡接合的SiC管的2D x射线扫描的示例。
具体实施方式
[0017]所公开的装置和技术通过用诸如熔融锡的熔融金属填充硅碳化物核燃料包壳管来显著改善核燃料芯块和包壳管壁之间的热传导。其他非金属(碳或硅)的使用也可以是可能的。然而，使用熔融锡是硅碳化物包壳所独有的，因为熔融锡将不利地腐蚀常见的金属包壳(诸如锆合金)。所公开的装置具有在包括核反应堆包壳、热储存和提取部件、热回收系统部件、核废料处理和储存的领域中的用途。
[0018]核反应堆中使用的核燃料材料通常容纳在能够承受高工作温度和强中子辐射环境的燃料棒中。燃料结构需要在反应堆芯内在长时间段内保持其形状和完整性，从而防止裂变产物泄漏到反应堆的反应堆冷却剂中。图1A示出了核反应堆中使用的由一束燃料棒101形成的核燃料棒组件100的示例。每个棒具有中空内部以包含核燃料芯块103(诸如含铀芯块)，并且垫片格栅用于将棒容纳在组件中。反应堆被设计为在操作中容纳许多核燃料棒组件。一些燃料棒使用锆包壳，但本文件中的燃料棒使用SiC陶瓷基体复合材料(CMC)以提高性能。
[0019]硅碳化物(SiC)可以用于裂变和聚变应用，并且最近被认为是用于轻水反应堆的事故容错燃料包壳的候选材料。高纯度结晶SiC是在中子辐照下稳定的材料，直至40dpa及更高(这是对于典型轻水反应堆(LWR)燃料寿命的照射的许多倍)，仅经历最小的膨胀和强度变化。此外，与锆合金相比，SiC在高温下保持其机械性质并且与蒸汽反应缓慢，从而在冷却剂丧失(LOCA)和其他潜在事故条件下提供提高的水冷反应堆的安全性。然而，单独的各种单片SiC材料往往表现出低断裂韧性，并且此类材料不适用于核包壳应用，在核包壳应用中，燃料安全壳(containment)是必不可少的并且必须保持可冷却的几何形状，尤其是在瞬
态或非正常状态下。使用坚固的硅碳化物纤维(其增强SiC基体以形成SiC
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SiC复合材料)，工程复合结构可以用于解决这种单片SiC材料的这种脆性行为。与单片SiC相比，这些复合材料具有改善的断裂韧性、假延性，并且进行更平稳的失效过程。高纯度、耐辐射的硅碳化物复合材料通常使用化学气相渗透(CVI)制造。虽然CVI为核应用提供了必要的纯度，但要达到非常低的孔隙率水平(<5％)仍具有挑战性。因此，单独的复合材料可能不足以在燃料包壳内包含一种或更多种裂变气体。最终，基于SiC的包壳结构(其被优化以将坚韧的SiC
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SiC复合材料与单片SiC层组合，其中致密的单片SiC用作不可渗透的裂变气体屏障并提供改善的耐腐蚀性)是最有希望的设计以实现完全基于SiC的事故容错燃料包壳设计。此外，可以使用所公开的使用锡作为包壳和燃料芯块之间的熔融间隙填料的技术来实现额外的保护。
[0020]在各种核反应堆应用中，除了在核反应引起的高温下提供期望的强度或韧性外，还希望基于SiC的燃料包壳满足一系列材料性质要求和性能要求，在辐照下表现出稳定性，并且与其他核包壳材料(诸本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种配置为封装核燃料芯块的装置，包括：管状包壳，其被构造成具有拥有一长度、内部截面形状和外部截面形状的中空内部以将核燃料芯块容纳在所述管状包壳内部，其中所述管状包壳包括硅碳化物；以及金属填料结构，由在所述核燃料芯块的核反应期间熔融的金属形成，所述金属填料结构位于所述管状包壳内部以包括填充在所述核燃料芯块和所述管状包壳的内部侧壁之间的间隙中的金属管，并且被构造为在所述核燃料芯块的一端处包括封闭金属端盖，以在所述管状包壳的所述内部的一端与所述金属填料结构的所述封闭金属端盖之间留出空间作为位于所述管状包壳的所述一端和所述金属填料结构的所述封闭金属端盖之间的储存器，从而在所述核芯块的核反应期间积聚来自所述核燃料芯块的裂变气体。2.根据权利要求1所述的装置，其中通过由于在泄漏的位置处所述金属填料结构与冷却剂的化学反应而形成用金属氧化物填充微裂纹的所述金属氧化物，所述管状包壳和所述金属填料被配置为阻止冷却剂因为微裂纹泄漏通过所述管状包壳而进入所述管状包壳。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述管状包壳包括单片硅碳化物。4.根据权利要求1所述的装置，其中所述管状包壳包括一种或更多种硅碳化物陶瓷基体复合材料。5.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述储存器内部的弹簧或垫片。6.根据权利要求1所述的装置，其中所述管状包壳和所述金属填料结构被配置为适合于包含所述核燃料芯块，所述核燃料芯块包括：U3Si2、UN或UO2。7.根据权利要求1所述的装置，其中所述金属填料结构被构造为使得由所述金属填料结构填充的所述间隙具有在约50μm和约150μm之间的厚度。8.根据权利要求1所述的装置，其中用于形成所述金属填料结构的所述金属包括锡(Sn)。9.根据权利要求1所述的装置，其中用于形成所述金属填料结构的所述金属包括不同于锡(Sn)的金属。10.根据权利要求1所述的装置，其中用于形成所述金属填料结...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：通用原子公司，
类型：发明
国别省市：