核燃料元件的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】核燃料元件
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求2012年12月28日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)第61/747，073號(hào)以及2013年3月11日提交的美國(guó)實(shí)用新型申請(qǐng)第13/794，633號(hào)的權(quán)益，其通過(guò)引用以其整體并入本文。
背景
本專(zhuān)利申請(qǐng)涉及燃料元件(fuel element)，以及關(guān)于該燃料元件的方法。
概述
公開(kāi)的實(shí)施方案包括燃料元件、燃料導(dǎo)管、燃料組件以及制造和使用該燃料元件、燃料導(dǎo)管、燃料組件的方法。
前述內(nèi)容是概述，并且因此可以包含細(xì)節(jié)的簡(jiǎn)化、概括、包含和/或省略；因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本概述僅是說(shuō)明性的并且不意圖以任何方式是限制性的。除了本文描述的任何說(shuō)明性的方面、實(shí)施方案和特征以外，通過(guò)參考附圖和以下的詳細(xì)描述，另外的方面、實(shí)施方案和特征也將變得明顯。本文描述的裝置和/或方法和/或其他主題的其他方面、特征和優(yōu)勢(shì)在提出的教導(dǎo)中將變得明顯。
附圖簡(jiǎn)述
技術(shù)人員將理解的是，附圖主要是為了說(shuō)明性的目的，且不意圖限制本文描述的發(fā)明主題的范圍。附圖不一定是按比例的；在某些情況下，本文公開(kāi)的發(fā)明主題的各個(gè)方面在附圖中可能被夸張地或放大地示出，以幫助理解不同的特征。在附圖中，相同的參考符號(hào)通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或結(jié)構(gòu)上相似的元件)。
圖1a-1b提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的例證性的(a)核燃料組件和(b)燃料元件的示意性形式的局部剖面透視圖。
圖2a_2b提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的燃料元件的(a)透視圖(b)橫截面圖的局部示意圖。
圖3提供了在可選的例證性實(shí)施方案中的燃料元件的局部示意圖。
圖4提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中的燃料元件的不同部件間的原子間擴(kuò)散的示意圖。
圖5a-5b圖示了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中在第一燃料元件52和第二燃料元件53之間具有分離器51的燃料組件的示意圖；(a)示出了所有部件彼此接觸；(b)示出了部件沒(méi)有彼此接觸(為了說(shuō)明目的)。
圖6a和圖6b_6e分別提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中制造燃料元件的過(guò)程以及該過(guò)程的說(shuō)明性細(xì)節(jié)的流程圖。
圖7提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中制造核燃料的過(guò)程的流程圖。
圖8提供了在一個(gè)可選的例證性實(shí)施方案中制造核燃料的過(guò)程的流程圖。
圖9a和圖9b_9e分別提供了在一個(gè)示例性實(shí)施方案中使用燃料組件的過(guò)程以及該過(guò)程的說(shuō)明性細(xì)節(jié)的流程圖。
詳細(xì)描述
Mit 在以下的詳細(xì)描述中，參考形成說(shuō)明書(shū)一部分的附圖。在附圖中，除非上下文另外規(guī)定，否則相似的或同樣的符號(hào)在不同附圖中的使用通常表示相似或相同的物品。
詳細(xì)描述中所描述的例證性實(shí)施方案、附圖和權(quán)利要求不意味著是限制性的。可以使用其他的實(shí)施方案，且可以作出其他的改變，而不偏離此處所呈現(xiàn)的主題的精神或范圍。
本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，為了概念清楚起見(jiàn)，本文描述的部件(例如操作)、裝置、物體以及伴隨它們的討論被用作例子，并且預(yù)期各種構(gòu)型修改。因此，如本文所使用的，所提出的具體實(shí)施例和伴隨的討論意圖是它們較一般的類(lèi)別的代表。一般來(lái)說(shuō)，任何具體實(shí)施例的使用意圖是其類(lèi)別的代表，并且具體部件(例如操作)、裝置和物體的未包括內(nèi)容不應(yīng)該被認(rèn)為是限制性的。
為了陳述的清楚起見(jiàn)，本申請(qǐng)使用形式大綱標(biāo)題。然而，應(yīng)理解，大綱標(biāo)題是為了陳述的目的，并且不同類(lèi)型的主題可以在整個(gè)申請(qǐng)中被討論(例如，裝置/結(jié)構(gòu)可以在過(guò)程/操作標(biāo)題下被描述，和/或過(guò)程/操作可以在結(jié)構(gòu)/過(guò)程標(biāo)題下被討論；和/或?qū)蝹€(gè)主題的描述可能跨越兩個(gè)或更多個(gè)主題標(biāo)題)。因此，形式大綱標(biāo)題的使用并不意圖以任何方式是限制性的。
綜述
通過(guò)綜述，在一個(gè)實(shí)施方案中提供了制品，該制品包括:環(huán)形核燃料；布置于環(huán)形核燃料的外部的襯層；以及布置于襯層的外部的覆層。襯層可以包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域布置為鄰近核燃料且包括第一材料，所述第二區(qū)域布置為鄰近覆層且包括不同于第一材料的第二材料。
[0001]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了核燃料元件，該核燃料元件包括:環(huán)形核燃料；布置于核燃料的外部的襯層，該襯層包括第二層和接觸核燃料的第一層；以及布置于襯層的外部的覆層，該覆層包括選自以下的至少一種材料:金屬、金屬合金和陶瓷，該覆層接觸襯層的第二層。
[0002]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了核燃料元件，該核燃料元件包括:第一核燃料和第二核燃料，第一核燃料和第二核燃料中的每種均具有第一端和第二端；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的至少一種的外部的覆層；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的一種的第一端與第一核燃料和第二核燃料中的另一種的第二端之間的分離器；分離器包括第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述第一區(qū)域接觸第一燃料元件和第二燃料元件中的一種的第一端，所述第二區(qū)域接觸第一燃料元件和第二燃料元件中的另一種的第二端。
[0003]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了制造核燃料組件的方法，方法包括:提供環(huán)形核燃料及核燃料的外部的覆層；將襯層的第一層布置于核燃料的外部，該第一層接觸核燃料；以及將襯層的第二層布置于覆層的內(nèi)部，該第二層接觸覆層。
[0004]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了使用燃料組件的方法，方法包括:提供包括多個(gè)燃料元件的燃料組件，燃料元件包括:環(huán)形核燃料、布置于環(huán)形核燃料的外部的襯層、以及布置于襯層的外部的覆層；使用燃料組件產(chǎn)生能量；以及減輕以下中的至少一種之間的原子間擴(kuò)散:(i)第一材料和第二材料；(?)第一材料和核燃料；以及(iii)第二材料和覆層。襯層可以包括布置為鄰近核燃料且包括第一材料的第一區(qū)域，以及布置為鄰近覆層且包括不同于第一材料的第二材料的第二區(qū)域。
[0005]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了核燃料元件，核燃料元件包括:環(huán)形核燃料；布置于環(huán)形燃料的外部的襯層，襯層包括第二層和接觸核燃料的第一層；以及布置于襯層的外部的覆層，覆層包括選自以下的至少一種材料:金屬、金屬合金和陶瓷，覆層接觸襯層的第二層；以及布置于第一層和第二層之間且具有小于或等于約2微米至約5微米的厚度的過(guò)渡層O
[0006]在另一個(gè)實(shí)施方案中提供了環(huán)形核燃料，環(huán)形核燃料能夠高度燃耗，其中多重屏障布置于核燃料和燃料覆層之間，并且環(huán)形核燃料用最小需求的熱粘結(jié)材料生產(chǎn)。
燃料組件
圖1a提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的核燃料組件10的局部圖示。燃料組件可以是可裂變核燃料組件或增殖性核燃料組件。組件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料針”)11。圖1b提供了根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的燃料元件11的局部圖示。如在本實(shí)施方案中所示，燃料元件可以包括覆層材料13、燃料14，以及在某些情況下至少一個(gè)空隙15。
燃料可以通過(guò)外部覆層材料13密封于腔內(nèi)。在某些情況下，如圖1(b)中所示，多種燃料材料可以軸向地堆放，但是并不需要是這種情況。例如，燃料元件可以僅含有一種燃料材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆層材料之間，盡管空隙不需要存在。在一個(gè)實(shí)施方案中，空隙填充有加壓的氣氛，比如加壓的氦氣氣氛。在另一個(gè)實(shí)施方案中，空隙可以填充有鈉。
燃料可以含有任何可裂變材料?？闪炎儾牧峡梢院薪饘俸?或金屬合金。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以是金屬燃料。可以理解的是，金屬燃料可以提供相對(duì)高的重金屬載量以及優(yōu)良的中子經(jīng)濟(jì)性，其對(duì)于核裂變反應(yīng)堆的增殖和燃燒過(guò)程是令人滿意的。根據(jù)應(yīng)用，燃料可以包括選自U、Th、Am、Np以及Pu的至少一種元素。如本文通過(guò)化學(xué)符號(hào)表示的術(shù)語(yǔ)“元素”可以指的是存在于周期表中的元素-這不應(yīng)當(dāng)與“燃料元件”的“元件”混淆。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以包括至少約90wt% U-例如至少95wt%、98wt%、99wt%、99.5wt%、99.9wt%、99.99?1:%或更高的U。燃料還可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括選自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一種元素。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、釓或銦。
在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬燃料可以與約3wt%至約1wt %的鋯成合金以在輻射期間在尺寸上穩(wěn)定合金，且以抑制覆層的低溫共熔以及腐蝕損害。鈉熱結(jié)合填充存在于合金燃料和覆層管內(nèi)壁之間的空隙，以允許燃料膨脹且以提供有效的熱轉(zhuǎn)移，這可以保持燃料溫度是低的。在一個(gè)實(shí)施方案中，各個(gè)燃料元件11可以具有從約0.8mm直徑至約1.6mm直徑的細(xì)線12，該細(xì)線12圍繞覆層管的周邊螺旋纏繞，以提供冷卻劑空間以及各個(gè)燃料元件56在燃料組件18和20(其還充當(dāng)冷卻劑導(dǎo)管)的殼體內(nèi)的機(jī)械分離。在一個(gè)實(shí)施方案中，由于如通過(guò)大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)所指示的輻射性能，覆層13和/或繞線12可以由鐵素體-馬氏體鋼制造。
燃料元件
“燃料元件”，比如圖1a-1b中所示的、在發(fā)電反應(yīng)堆的燃料組件中的元件10，通?？刹扇A柱棒形式。燃料元件可以是發(fā)電反應(yīng)堆的一部分，所述發(fā)電反應(yīng)堆為核電設(shè)備的一部分。根據(jù)應(yīng)用，燃料元件可以具有關(guān)于其長(zhǎng)度和直徑的任何適宜的尺寸。圖2a_2b提供了燃料元件的示意圖的不同視圖。燃料元件可以包括覆層21、布置于覆層的內(nèi)部的燃料22。在核反應(yīng)堆的情況下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一個(gè)實(shí)施方案中，核燃料可以是環(huán)形核燃料。參照?qǐng)D2a-2b，在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料元件可以包括布置于核燃料22和覆層21之間的襯層23。襯層可以含有多個(gè)層(例如，231和232)。
燃料可以具有任何幾何形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，燃料具有環(huán)形的幾何形狀。在這樣的實(shí)施方案中，呈環(huán)形形式的燃料可以允許在一定水平的燃耗之后實(shí)現(xiàn)期望水平的燃料密度。另外，這樣的環(huán)形構(gòu)型可以維持燃料和覆層之間的壓縮力以促進(jìn)熱運(yùn)輸。根據(jù)應(yīng)用，燃料可以被調(diào)整以具有各種性質(zhì)。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一個(gè)實(shí)施方案中，期望具有高密度的燃料，比如盡可能接近理論密度鈾的密度(在含有鈾的燃料的情況下)。在一個(gè)實(shí)施方案中，具有低水平的孔隙率可以防止輻射期間內(nèi)部腔的形成。
根據(jù)應(yīng)用，用于覆層的覆層材料可以包括任何適宜的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，覆層可以包括選自金屬、金屬合金以及陶瓷的至少一種材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，覆層可以含有耐火材料，比如耐火金屬，耐火金屬包括選自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd以及Hf的至少一種元素。
覆層中的金屬合金可以是例如鋼。鋼可以選自馬氏體鋼、奧氏體鋼、鐵素體鋼、氧化物分散的鋼、T91鋼、T92鋼、HT9鋼、316鋼及304鋼。鋼可以具有任何類(lèi)型的微觀結(jié)構(gòu)。例如，鋼可以包括馬氏體相、鐵素體相和奧氏體相中的至少一種。在一個(gè)實(shí)施方案中，鋼的大體上全部具有選自馬氏體相、鐵素體相和奧氏體相中的至少一種相。
[0007]在某些情況下，特別是在高度燃耗時(shí)，燃料的元件及覆層可以傾向于擴(kuò)散，從而引起不需要的合金化且因此使燃料和覆層的材料劣化(例如，通過(guò)燃料和/或覆層的去合金化，或形成具有劣化的機(jī)械性質(zhì)的新合金)。襯層可以充當(dāng)燃料與覆層材料之間的屏障層以減輕元件的這種原子間擴(kuò)散。例如，襯層可以用于減輕燃料元件與覆層材料之間的原子間擴(kuò)散，以通過(guò)外來(lái)(且有時(shí)是不需要的)元件避免(例如)燃料和/或覆層材料的劣化。襯層可以含有一層或多層-例如至少2層、3層、4層、5層、6層或更多層。在襯層含有多層的情況下，這些層可以含有相同或不同的材料和/或具有相同或不同的性質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，層中的至少一些可以包括相同的材料，而一些包括不同的材料。
[0008]在一個(gè)實(shí)施方案中，襯層可以包括布置為鄰近燃料的第一區(qū)域以及布置為鄰近覆層材料的第二區(qū)域。在一個(gè)實(shí)施方案中，該區(qū)域可以是部分覆蓋下方材料的層或?qū)拥囊徊糠?。參考圖2a-2b，在一個(gè)實(shí)施方案中，襯層23可以包括至少兩個(gè)層231及232。襯層的第一區(qū)域可以布置于第一層231中，且襯層的第二區(qū)域可以布