用于核控制杆的具有开孔的固态界面接头制造技术

本发明专利技术涉及一种在核控制杆中的包壳与芯块堆之间的新型界面。根据本发明专利技术，适于通过跨越其厚度的压缩而变形的由以具有高热传导率和开孔的结构(3)的形式的对于中子透明的材料制成的界面接头(3)，至少在叠层的高度的上插入在包壳与由B4C中子吸收材料制成的芯块堆之间。本发明专利技术还涉及相关的生产方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于核控制杆的具有开孔的固态界面接头
本专利技术涉及一种在核反应堆中使用的控制杆中的芯块堆与围绕它们的包壳之间的界面。用于本专利技术的目标应用包括：-气冷(RNR-gaz)快速反应堆(RNR)指的是以诸如加压氦气的气体的形式冷却剂操作的第IV代反应堆，并且使用具有由陶瓷基复合(CMC)材料制成的包壳以及混合的铀和钚碳化物型燃料芯块的核燃料杆[9]；-快速中子反应堆通过钠冷却剂(RNR-Na)操作[12]；-加压水反应堆(REP)[3]或者沸水反应堆(REB)。本专利技术涉及一种用于能量反应堆的控制杆，其中芯块由B4C中子吸收材料[8]，[5]制成。贯穿该应用，术语《核反应堆》具有如在目前所理解的通常含义，即利用其中发生裂变反应以释放通过与冷却它们的冷却流体热交换而从元件获得的热能的燃料元件用于根据核裂变反应产生能量的发电厂。贯穿该应用，《核控制杆》(或《吸收剂》)具有例如在DictionnairedesSciencesetTechniquesnucléaires(核科学与技术辞典)中定义的其官方含义，即包含中子吸收材料的杆并且该杆根据其在堆芯中的位置对核反应堆的反应性具有影响。
技术介绍
根据核反应堆的操作条件和性能存在不同类型的控制杆。通过核控制杆执行的主要功能是：●通过核反应使中子能够受控地吸收，其施加性能约束(吸收核的密度)与安全约束(对于核反应性和冷却的控制必要的几何稳定性)，●确保通过核反应释放的能量的受控的提取，这施加性能约束(可能使到冷却剂的传送变差的热障的限制)和安全约束(冷却剂通道的完整性、在吸收剂的熔化以前的裕度、产生可能导致在结构上的过多的机械载荷的差别膨胀的温度梯度的限制等。)一般地在核设施中遇到的吸收剂可以根据它们几何构造的函数如下分类：●圆柱体：在控制杆中的杆，例如在RNR反应堆或REP反应堆中；●板：用于控制杆，例如在沸水反应堆(REB)中。本专利技术专门地涉及具有圆柱形几何形状与圆形横截面的控制杆，其中具有圆形横截面的圆柱形B4C中子吸收芯块堆叠在密封的管状包壳中，其具有在其端部之一的不具有任何芯块的被称作膨胀容器的区域，其适应在辐射下由于通过核反应引起的膨胀现象的芯块的列的延伸。在此圆柱形构造中，在堆叠的芯块与包壳之间具有界面。到现在为止，如在下面说明的，该界面在装配过程中可能减小到仅接触表面或者其可能与功能性间隙相对应其可以然后包括以气态或液态形式的一种或多种材料或者在层中。专利技术人做出将要通过在吸收元件中的该界面执行的功能的列表。在下面描述它们。主要功能：f1/管理吸收芯块与包壳之间的机械解耦，以便通过使堆叠的芯块的列能够沿着径向方向与轴向方向自由膨胀限定芯块与包壳之间的机械相互作用(该相互作用在下文中称作IMPG)；f2/使能够传送从中子吸收反应获得的气体产物(在B4C芯块的情形中氦和氚)，通过吸收剂释放膨胀容器尽可能定位控制杆的轴向端部或者在形成在控制杆的包壳中的排气孔处以将这些气体释放到最初系统中(然后它们被从那里通过特定目的的净化回路去除)，f3/管理吸收剂与包壳之间的热耦合：i.特别地沿着径向方向使热障最小化，以防止吸收剂的任何过度的温度升高；ii.确保该功能的特别地沿着轴向和地平经度方向的连续性，以使能够产生可能特别地在包壳上引起很大机械载荷的差别膨胀的温度异质化最小化。由环境导致的功能：f4/执行主要功能(f1至f3)以使在界面处的中子冲击最小化，以便维持反应堆堆芯的性能：i.通过使几何尺寸最小化；ii.通过利用可能与中子具有相互作用的大横截面的材料。f5/执行主要功能(f1至f3)以确保界面与其外界环境的化学兼容性：i.确保界面与包壳的化学兼容性(例如在意外情形下，在高温处速率不增加)；ii.确保界面与吸收剂的化学兼容性(没有可能例如减小吸收剂熔化裕度的《低温》共熔)。次要功能：f6/限制组分从吸收剂(特别地用于B4C芯块的碳)到包壳的传送，以防止可能造成由于该传送可能发生的脆变的内部腐蚀的风险；这是与主要功能f1相关的功能；f7/使吸收剂/包壳最优居中以使在包壳处形成热点以及增加的机械载荷的温度异质化最小；这是与主要功能f1和f3相关的次要功能；f8/使吸收剂碎片移动到间隙中风险最小化(不引人)，如果在吸收剂与包壳之间存在一些，这可能当此间隙在差别张力的作用下减小时下通过包壳的椭圆化和/或冲压造成包壳中的完整性缺陷(热扩展与膨胀)；这是与主要功能f1相关的功能。在控制杆的情形中，功能f1和f8可能是不能分离的：与燃料元件不同，控制杆可以具有大的径向尺寸(对于RNR通常是这种情形但是对于REP是不必要的)其使得大的芯块/包壳间隙必要，这由此增加了芯块碎片可能被捕获在该间隙中的危险，因此当在机械载荷下试图保持包壳的完整性时使得芯块碎片的管理成为一个重要的问题。辅助功能：f9/满足通常的经济限制：i.寿命：对于吸收剂操作时间执行与目标经济性能适合的主要和次要功能；ii.获得材料以及执行制造方法的能力；iii.成本。f10/排除在意外情况下对安全的严重损害(例如在高级堆芯裂解阶段界面与堆芯中的结构材料的化学反应)；f11/使特别地是吸收组件的实施过程的技术制造问题最小化(吸收剂、界面和包壳)；f12/以最小的约束满足在核反应周期的输出侧上的分离和再循环要求。在具有圆形几何形状和圆形横截面的控制杆中的芯块与包壳之间的界面是以通常是具有关于热传导性(功能f3.i)、化学中性(功能f5和辅助功能(功能f9到f12))的最佳特性(在可能的气体中)的氦气的气体的形式，或者对于RNR-Na反应堆以钠的形式。用于燃料芯块与包壳之间的机械解耦(功能f1)以及气体传送到膨胀容器和/或任何排气口(功能f2)的功能理想地通过以气体形式的界面执行，前提是在制造过程中在芯块与包壳之间形成足够的功能性间隙以防止由于吸收剂与包壳的差别张力在辐射下填充间隙[6]。然而，具有圆柱形几何形状和圆形横截面的控制杆以及以气体形式的界面显示对抗性，因为除非在非常严格的性能限定内其首先不能同时地执行功能f1和f2并且其次地功能f3i和f4i。由于气体界面的热传导性相对地平庸，在装配过程中芯块与包壳之间的功能性间隙的任何增加都将使其形成的热障增加，导致吸收剂的温度增加，因此超越尺寸约束会对中子性能产生不利影响(在吸收元件中的吸收材料的密度)。除了温度增加发生对安全要求损害的事实以外(特别地吸收剂熔化裕度的减小)，其还伴随在辐射下趋于使所述间隙减小的芯块的三维膨胀的增加，由此减小界面的厚度增加的效率并且因此减小吸收元件的寿命的增加。已经在专利JP11183674中公开了用于减小该热损害的一个方案(应用到燃料元件，而且以与在控制杆的其它地方完成的完全相同的方式)并且其中已经在多个实验辐射规划[10]，[11]中进行实验。该方案包括使界面不再是气体形式而是以具有低熔点的金属形式并且其在燃料元件的操作状态下是液体，通常地是钠。金属的传导性高于气体的传导性并且因此能够极大地减小与界面的传导相关的问题，这然后对燃料元件/吸收剂的热平衡做出了可忽略不计的贡献并且潜在地使得更大的界面厚度成为可能。具有以液态金属形式的界面的另一个优点在于，由于其良好的热传导性其使由燃料芯块/吸收剂相对于包壳的可能的离心导致的周向热异本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.06.16 FR 10547811.一种沿着纵向方向(XX’)延伸的核控制杆，该核控制杆包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆叠在彼此上的多个芯块(5)，以及围绕所述芯块的列的包壳(1)，其中，所述包壳和所述芯块具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面，并且其中同样具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面的由对于中子透明的材料制成的界面接头(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包壳与所述芯块的列之间，其中所述界面接头是这样的结构：其从所述包壳(1)以及从所述芯块(5)的列机械地解耦，具有高的热传导率和开孔，适于通过横跨其厚度压缩而变形以便在辐射下在所述芯块的三维膨胀的作用下被压缩，所述接头的初始厚度和其压缩比率使得在辐射下通过所述芯块传送到所述包壳的机械载荷保持小于预定阈值，其特征在于所述界面接头由穗带制成，所述穗带包括多个碳纤维层以及包括叠加在所述碳纤维层上的碳化硅纤维的多个层。2.一种沿着纵向方向(XX’)延伸的核控制杆，该核控制杆包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆叠在彼此上的多个芯块(5)，以及围绕所述芯块的列的包壳(1)，其中，所述包壳和所述芯块具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面，并且其中同样具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面的由对于中子透明的材料制成的界面接头(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包壳与所述芯块的列之间，其中所述界面接头是这样的结构：其从所述包壳(1)以及从所述芯块(5)的列机械地解耦，具有高的热传导率和开孔，适于通过横跨其厚度压缩而变形以便在辐射下在所述芯块的三维膨胀的作用下被压缩，所述接头的初始厚度和其压缩比率使得在辐射下通过所述芯块传送到所述包壳的机械载荷仍小于预定阈值，其特征在于所述界面接头由一个或几个碳纤维层制成。3.一种沿着纵向方向(XX’)延伸的核控制杆，该核控制杆包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆叠在彼此上的多个芯块(5)，以及围绕所述芯块的列的包壳(1)，其中，所述包壳和所述芯块具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面，并且其中同样具有与所述纵向方向(XX’)横切的圆形横截面的由对于中子透明的材料制成的界面接头(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包壳与所述芯块的列之间，其中所述界面接头是这样的结构：其从所述包壳(1)以及从所述芯块(5)的列机械地解耦，具有高的热传导率和开孔，适于通过横跨其厚度压缩而变形以便在辐射下在所述芯块的三维膨胀的作用下被压缩，所述接头的初始厚度和其压缩比率使得在辐射下通过所述芯块传送到所述包壳的机械载荷仍小于预定阈值，其特征在于所述界面接头由一种或几种基于碳的蜂窝状材料制成。4.根据权利要求1、2或3所述的核控制杆，其中所述界面接头的开孔具有等于在制造中生产的界面接头总体积的至少30％的体积。5.根据权利要求4所述的核控制杆，其中所述界面接头的开孔具有在制造中生产的界面接头总体积的30％与95％之间的体积。6.根据权利要求5所述的核控制杆，其中所述界面接头的开孔具有在制造中生产的界面接头总体积的50％与85％之间的体积。7.根据权利要求1-3中任一项所述的核控制杆，其中所述界面接头在其与所述纵向方向(XX’)横切的截面中的厚度大于所述芯块的半径的至少10％。8.根据权利要求1所述的核控制杆，其中所述界面接头具有在15％与50％之间的纤维的体积百分比。9.根据权利要求1-3中任一项所述的核控制杆，其中所述核控制杆用于气冷快速反应堆(GFR)，所述包壳的基础材料是耐火性陶瓷基复合材料(CMC)，并且所述芯块由B4C制成。10.根据权利要求1-3中任一项所述的核控制杆，其中所述核控制杆用于钠冷快速反应堆(SFR)，所述包壳由金属材料制成，并且所述芯块由B4C制成。11.根据权利要求1-3中任一项所述的核控制杆，其中所述核控...

【专利技术属性】
技术研发人员：马克西姆·扎别戈，帕特里克·大卫，阿兰·拉弗内，丹尼斯·罗谢，
申请(专利权)人：原子能与替代能源委员会，
类型：
国别省市：