燃料组件的制作方法

专利名称:燃料组件的制作方法
燃料组件
交叉引用
本申请要求2010年5月11日提交的美国临时申请号61/333，467、2010年10月15日提交的美国临时申请号61/393，499和2011年2月21日提交的美国临时申请号61/444，990的优先权权益，所有这三个申请的题目都是“金属燃料组件(METAL FUALASSEMBLY) ”，所有三个申请的全部内容在此通过参考引入。
发明背景1.发明领域
本发明总的涉及用于核反应堆的堆芯中的核燃料组件，并且更具体地涉及金属核燃料元件。
2.相关技术描述
美国专利申请公开号为2009/0252278A1公开了包括种子和再生区(blanket)子组件的核燃料组件，所述专利的全部内容作为参考引入本文。该再生区子组件包括钍基燃料元件。该种子子组件包括用于释放中子的铀和/或钚的金属燃料元件，其释放的中子被钍的再生区元件所捕获，从而产生裂变的U-233，其在原位燃烧并为核电厂释放出热量。
传统的核电厂通常使用的燃料组件包括多个燃料棒，其每个都包含在圆筒形管中的氧化铀燃料。
_7] 发明实施方式的概述
常规燃料棒的圆筒形管的表面积限制了可以从所述棒传递给主冷却剂的热量。考虑到热流去除的有限表面积，为了避免过热燃料棒，通常大量制了这些氧化铀燃料棒中或混合氧化物(氧化钚和氧化铀)燃料棒中的裂变材料的量。
通过将传统氧化铀燃料棒替换为全金属的、多叶形的、粉末冶金共挤出燃料棒(燃料元件)，本发明的一个或多个实施方式克服了传统氧化铀燃料棒的各种缺点。金属燃料元件与其氧化铀燃料棒的对应元件相比具有显著更大的表面积，从而促进了在较低温度下从燃料元件到主冷却剂显著更多的热量传递。多叶形燃料元件的螺旋肋为燃料元件提供了结构支撑，其可能有助于减少或消除在其它情况下可能需要的定位格架的数量。这些定位格架的数量减少或消除有利地减小了冷却剂上的水力阻力，从而可以提高到冷却剂的热传递。由于金属燃料元件可以比它们的传统氧化铀燃料棒的对应元件相对更紧凑，燃料组件内提供了更多的空间用于冷却剂，而这又减少了水力阻力并提高了到冷却剂的传热。从金属燃料棒到冷却剂的更高的传热意味着其可能产生更多的热量(即，电能)，而由于金属相对于氧化物的显著更高的热导率，其同时使燃料元件保持在较低的工作温度。虽然由于过热问题，传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒通常把裂变材料的载荷限制在4-5%左右，但是根据本发明的各种实施方式，金属燃料元件的较高的传热性能使得可以使用显著更多的裂变材料载荷，同时仍维持安全的燃料性能。最终，对于相同的反应堆堆芯，根据本发明的一个或多个实施方式使用金属燃料元件比传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒可能提供的电能更多的电能。
根据本发明的一个或多个实施方式，使用全金属燃料元件可以有利地降低燃料失效(failure)的危险，因为金属燃料元件降低了裂变气体释放到冷却剂的风险，而这在传统的氧化铀或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。
根据本发明的一个或多个实施方式，使用全金属燃料元件还比传统的氧化铀燃料棒更安全，因为全金属设计增加了燃料元件内的传热，从而降低了燃料元件内的温度差异，并降低了燃料元件的局部过热的危险。
本发明的一个或多个实施方式提供了用于核能反应堆堆芯(例如，陆基的或海基核反应堆)中的燃料组件。该组件包括含有下接管(nozzle)的框架，该接管被成形和配置以安装到核反应堆内部的堆芯结构上，和由该框架支撑的多个细长的金属燃料元件。多个燃料元件中的每一个都包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核(kernel)。该燃料材料包括裂变材料。每个燃料元件还包括围绕燃料内核的包层(cladding)。多个细长的金属燃料元件提供了以体积计至少70%的燃料组件的全部裂变材 料。
本发明的一个或多个实施方式提供了用于核能反应堆的堆芯的燃料组件。该组件包括含有下接管的框架，该接管被成形和配置以安装到核反应堆内部的堆芯结构上。该组件还包括多个由该框架支撑的细长的、挤出的金属燃料元件，所述多个燃料元件中的每一个都包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核。该燃料材料包括裂变材料。燃料元件还包括围绕燃料内核的包层。金属燃料元件区域的减速剂(moderator)燃料的比值是2. 5或更低。
本发明的一个或多个实施方式提供了制造用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件的方法。该方法包括通过下述制造多个细长的金属燃料元件中的每一个将粉末金属燃料与粉末金属非燃料材料相混合，其中粉末金属燃料材料包括裂变材料，烧结混合的粉末金属燃料和金属非燃料材料以产生燃料芯料，用包层材料围绕燃料堆芯原料，并共挤出燃料芯料和包层材料来产生燃料元件。该方法还包括将多个细长的金属燃料元件安装在燃料组件的框架上。金属燃料元件区域内的减速剂燃料的比值是2. 5或更低。该方法可以包括在所述烧结前将置换器(displacer)放置在混合的粉末金属燃料材料和金属非燃料材料中，以使所述烧结产生包含置换器的燃料芯料。燃料组件可以被放入陆基核能反应堆中。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个细长的金属燃料元件提供了燃料组件中所有燃料元件的总体积的至少60%。
根据这些实施方式中的一个或多个，包层的平均厚度是至少为O. 6毫米。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件是热动力学设计和物理成形的且用于在陆基核能反应堆中操作。
根据一个或多个实施方式，燃料组件可与陆基核能反应堆组合使用，其中燃料组件被置于陆基核能反应堆中。
根据这些实施方式中的一个或多个，对于多个所述多个燃料元件所述燃料内核的燃料材料富含20%或更少的铀-235和/或铀-233并占20%到30%体积分数的燃料内核；以及非燃料金属占70%到80%体积分数的燃料内核。对于多个所述多个燃料元件，燃料材料富集度可以为15%到20%之间。燃料内核的非燃料金属可包括锆。[0020]根据这些实施方式中的一个或多个，内核包括δ-相的UZr2。
根据这些实施方式中的一个或多个，对于多个的所述多个燃料元件燃料内核的燃料材料包括钚；燃料内核的非燃料金属包括锆；并且燃料内核的非燃料金属占70%到97%体积分数的燃料内核。根据这些实施方式中的一个或多个，燃料材料包括以下组合铀和钍；钚和钍；或袖、杯和娃。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的的多个包层被冶金结合到燃料内核上。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括招。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括
高熔点金属。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个的包层包括锆。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件的多个通过共挤出燃料内核和包层来制造。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件、一个或多个其燃料元件、和/或一个或多个其燃料内核包括可燃抑制剂(poison)。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个细长的金属燃料元件提供了燃料组件中全部裂变材料的以体积计的至少80%。
根据这些实施方式中的一个或多个，陆基核能反应堆包括具有在2010年之前实际使用的反应堆设计的传统核电厂。框架可以被成形和配置以安装于陆基核能反应堆中以代替常规的用于反应堆的氧化铀燃料组件。
根据这些实施方式中的一个或多个，一个或多个燃料元件具有限定多个螺旋肋的螺旋扭转的、多叶形轮廓(profile)。多个燃料元件的相邻元件的间隔肋可以在燃料元件的轴向长度上周期性地彼此接触，这样的接触有助于保持相对于彼此的燃料元件的间距。燃料组件可具有的减速剂对燃料的比值为至少2. 5或2. 5或更小。所述多叶形轮廓可能包括相邻叶片之间的凹形区域。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个金属燃料元件的各自的金属燃料合金内核通过烧结燃料材料和金属非燃料材料而形成。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多叶形轮廓包括叶片的凸结构(tip)和相邻叶片之间的交点，其中在凸结构处的包层比在交点处的包层厚。
本发明的一个或多个实施方式提供了制造用于陆基核能反应堆的堆芯的燃料组件的方法。该方法包括通过混合粉末金属燃料与粉末金属非燃料材料来制造多个细长的金属燃料元件中的每一个的方法，其中粉末金属燃料材料包括裂变材料。每个细长的金属燃料元件的制造还包括烧结混合的粉末金属燃料和金属非燃料材料以创建燃料芯料，用包层材料围绕燃料堆芯原料，并共挤出燃料芯料和包层材料来创建燃料元件。该方法还包括将多个细长的金属燃料元件安装在燃料组件的框架上，所述燃料组件包括下接管，该接管被成形和配置以安装到陆基核能反应堆内部的堆芯上。多个细长的金属燃料元件提供了以体积计至少70%的燃料组件的全部裂变材料。所述燃料组件是热动力学设计和物理成形的且用于在陆基核能反应堆中的操作。
根据这些实施方式中的一个或多个，该方法还包括将置换器在所述烧结前放置在混合的粉末金属燃料材料和金属非燃料材料中，以使所述烧结产生包含该置换器的燃料芯料。
根据这些实施方式中的一个或多个，该方法还包括将燃料组件放入陆基核能反应堆中。
本发明的一个或多个实施方式提供了核反应堆，其包括加压重水反应堆和设置在加压重水堆中的燃料组件。燃料组件包括多个彼此附着的细长的金属燃料元件。多个燃料元件的每一个包括粉末冶金金属燃料合金内核，该内核包含金属燃料材料和金属非燃料金属，燃料材料包含裂变材料。每个燃料元件还包括围绕燃料内核的包层。多个细长的金属燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料的以体积计至少70%。燃料元件中的每一个可以具有限定多个螺旋间隔肋的螺旋扭转的、多叶形轮廓。·[0038]本发明的一个或多个实施方式提供了核反应堆，其包括加压重水堆反应堆；和设置在加压重水反应堆的燃料组件。燃料组件包括多个细长的互相附着的金属燃料元件，所述多个燃料元件的每一个包括包含金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核，燃料材料包括裂变材料，和围绕燃料内核的包层。金属燃料元件区域中减速剂燃料的比值可以为2. 5或更低。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件还包括由框架支撑的多个UO2燃料元件，所述多个UO2燃料元件中的每一个都含有UO2燃料。多个细长的UO2燃料元件中的至少一些可以从所述多个细长的金属燃料元件横向向外放置。UO2燃料可能具有低于15%的铀-235富集度以。
根据这些实施方式中的一个或多个，围板(shroud)将流过多个细长的UO2燃料元件的冷却剂流与流过多个细长的金属燃料元件的冷却剂流分隔开。
本发明的一个或多个实施方式提供了用于核能反应堆的堆芯的燃料组件。该组件包括含有下部接管的框架，该接管被成形和配置以安装到核反应堆内部的堆芯结构上。该组件包括多个由所述框架支撑的细长的、挤出的金属燃料元件。所述多个燃料元件的每一个包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的金属燃料合金内核和围绕燃料内核的包层，其中所述燃料材料包括裂变材料。该组件包括多个由该框架支撑的附加的细长的燃料元件。如燃料组件的横截面中观察到的，所述多个附加的细长燃料元件可设置在单个-燃料-元件-宽的环内，该环围绕着多个细长的、挤出的金属燃料元件。多个细长的金属燃料元件可提供燃料组件中的所有燃料元件的总体积的至少60 %。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个附加的细长的燃料元件中的每一个包括空心棒，该棒内配置有粒状UO2燃料。
根据这些实施方式中的一个或多个，支撑多个附加的细长的燃料元件的部分燃料组件与支撑多个细长的、挤出的金属燃料元件的部分燃料组件是分不开的。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个附加的细长的燃料元件作为一个单元与所述多个细长的、挤出的金属燃料元件是不可分离的。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件定义了 17x17的位置图案；多个细长的、挤出的金属燃料元件中的每一个被布置在其中一个图案位置上；多个细长的、挤出的金属燃料元件中没有元件被布置在17x17图案的任何周边位置上；并且多个附加的细长的燃料元件中的每一个被布置在17x17图案的周边位置的不同位置。
根据上述实施方式中的一个或多个，内核可包括陶瓷燃料材料代替金属燃料材料。在一个或多个这样的实施方式中，燃料材料包含设置在金属非燃料材料的基质中的陶瓷燃料材料。相反，在一个或多个金属燃料的实施方式中，所述多个细长的、挤出的燃料元件包括多个细长的、挤出的金属燃料元件；燃料材料包括金属燃料材料；且燃料内核包括含有金属燃料材料的合金和金属非燃料材料的基质的金属燃料合金内核。
本发明的这些和其它方面的各种实施方式，以及操作方法和相关的结构元件功能和制造的零件和经济的组合，将在考虑下面的参照附图的描述和所附权利要求
后变得更加显而易见，所有的附图形成了本说明书的一部分，其中在各图中相同的附图标记指定相应的部件。在本发明的一个实施方式中，在此示出的结构部件被按比例绘制。但是，应当清楚地理解，附图仅为图示说明和描述目的，并不意欲作为本发明的限制的定义。此外，应该理解的是，在本文中的任何一个实施方式中示出或描述的结构特征也可以用于其它实施方式中。如在说明书和权利要求
中使用的，单数形式的“一个”和“该(the)”包括复数对象，除 非上下文清楚地相反指示。


为了更好的理解本发明的实施方式以及其中的其他目标和其进一步的特征，可以参考下述描述，其与附图结合使用，其中
图I是根据本发明的一个实施方式的燃料组件的横截面视图，所述横截面采取自定间隔(self-spacing)的平面；
图2是图I的燃料组件的横截面视图，所述横截面采取从图I的视图的燃料元件扭转偏移1/8的平面；
图3是图I的燃料组件的横截面视图，其采取平行于燃料组件的轴向方向的平面；
图4是图I的燃料组件中的燃料元件的透视图；
图5是图3中的燃料元件的横截面视图；
图6是图3中的燃料元件的横截面视图，被限定在常规的多边形中；
图7A是根据可选实施方式的用于在加压重水反应堆中的燃料组件的端视图；
图7B是图7A的燃料组件的部分侧视图；
图8是使用图7A和7B中示意的燃料组件的加压重水反应堆的示意图；
图9是图3中的燃料元件的横截面视图；和
图10是根据本发明的一个实施方式的燃料组件的横截面视图。
本发明实施方式的详述
图1-3示出了根据本发明的一个实施方式的燃料组件10。如图3中所示，燃料组件10包括多个由框架25支撑的燃料元件20。
如图3所示，框架25包括围板30，导向管40，上接管50，下接管60，下固定板70，上固定板80，和/或其他结构，这些结构使得组件10在核反应堆中作为燃料组件进行操作。在不脱离本发明范围的情况下，根据本发明的多个实施方式，可以省略框架25的这些部件的一个或多个。
如图3所示，围板25装入上接管50和下接管60。下接管60 (或组件10的其他合适的结构)被构造和成形以在组件10和在其中放置有组件10的反应堆90之间提供流体联通界面，以促进冷却剂通过下接管60从组件10流进反应堆的堆芯中。上接管50促进了热的冷却剂从组件10流向发电厂的蒸汽发生器(用于PWR)和汽轮机(用于BWR)等。接管50、60具有专门设计的正确匹配反应堆堆芯内部结构的形状。
如图3所示，下固定板70和上固定板80优选牢固安装(例如，通过焊接，合适的紧固件(例如，螺栓，螺钉)，等)到围板30或下接管60 (和/或组件10的其他合适的结构部件)上。
元件20的下部轴向端形成定位销(pin) 20a，其安装在下固定板70中的孔70a中以支撑元件20并有助于保持元件20的适当的间距。定位销20a以防止元件20沿它们的轴旋转或相对于下固定板70的轴向移动的方式安装到孔70a中。这种对于旋转的限制有助于保证在相邻元件20间的接触点都发生在沿元件20的相同轴向位置(即下面讨论的自定间隔平面)。定位销20a和孔70a之间的连接，可以通过焊接、过盈配合、啮合防止旋转的非圆筒形特征(例如，键槽和花键)、和/或任何其它合适的装置创建，以限制元件20相对于下固定板70的轴向和/或旋转移动。下固定板70包括轴向延伸的通道(例如，网格的开口)，通过该通道冷却剂流向元件20。
元件20的上部轴向端部形成可自由插入到上固定板80中的孔80a的定位销20a，以允许上部定位销20a可自由轴向向上移动到上固定板80，同时帮助维持元件20之间的间距。其结果是，当元件20在裂变期间沿轴向生长时，细长元件20可以自由地进一步延伸到上固定板80。
如图4所示，定位销70a经过元件20的中央部分。
图4和5示出了组件10中的单独的燃料元件/棒20。如图5所示，燃料元件20的细长的中央部分具有四叶形横截面。元件20的横截面在元件20的中央部分的长度上基本上保持均匀。每个燃料元件20具有燃料内核100，其包括高熔点金属和包含裂变材料的燃料材料。
包括高熔点金属的置换器110沿纵轴被放置在燃料内核100的中心。置换器110通过替代否则还将占据该空间的裂变材料，有助于限制燃料元件20的最厚部分的中心中的温度，并且最小化了沿着燃料元件的表面的热通量变化。根据各种实施方式，置换器110可被完全消除。
如图5所示，燃料内核100被高熔点金属包层120所包围。包层120优选是足够厚、足够强、和足够的柔韧性以忍受辐射导致的核100的膨胀且不发生失效(例如，使内核100不露于包层120以外的环境)。根据一个或多个实施方式，整个包层120的厚度是至少为O. 3毫米、O. 4毫米、O. 5毫米、和/或O. 7毫米。根据一个或多个实施方式，包层120的厚度至少为O. 4毫米，以减小包层120的基于膨胀的失效、基于氧化的失效、和/或任何其他机制之失效的几率。
在环形方向(S卩，如在图5的横截面视图所示的包层120的周边部位)以及内核100的轴向/纵向长度上(如图4所示)，包层120可以具有基本均匀的厚度。或者，如图5所示，根据一个或多个实施方式，包层120在叶片20b的凸结构处比在叶片20b之间的凹形相交处/区域20c的要厚。例如，根据一个或多个实施方式，叶片20b凸结构处的包层120要比凹形相交处/区域20c的包层120厚至少10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、125%、和/或150%。在叶片20b的凸结构处的较厚的包层120提供了叶片20b在凸结构处的改进的耐磨性能，在此处相邻的燃料元件20在自定间隔平面(下面讨论)处彼此接触。
根据本发明的一个或多个实施方式，置换器110、燃料内核100和包层120中使用的高熔点金属包括锆。如本文所使用的，术语锆意味着纯锆或锆与其他合金材料的组合。然而，可以在不脱离本发明的范围内使用其它高熔点金属代替锆(例如，铌、钥、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇、铱、和/或其它金属)。如本文所用，术语“高熔点金属”是指任何具有熔点高于1800摄氏度(2073K)的金属/合金。
此外，在某些实施方式中，高熔点金属可能被另一个非燃料金属，例如铝替换。然而，非难熔的非燃料金属是最适合用于在较低的温度下(例如，具有高度约I米和电力功率为100兆瓦或更少的小堆芯)操作的反应堆堆芯。高熔点金属优选用于在较高操作温度下的堆芯。·
如图5所示，燃料内核100的中央部分和包层120具有四叶形轮廓形成的螺旋间隔肋130。该置换器110也可以被成形以在肋130处向外突出(例如，方形置换器110的拐角与肋130对齐)。根据本发明的可选实施方式，在不脱离本发明的范围的情况下，燃料元件20可以具有更多或更少数量肋130。例如，如通常在美国专利申请公开号2009/0252278A1的图5中示出的，燃料元件可具有三个肋/叶片，其优选彼此沿周边以相等的距离间隔开。肋/叶片130的数量可能至少部分地取决于燃料组件10的形状。例如，四叶形元件20可能较好地适用于具有方形横截面的燃料组件10 (例如，在AP-1000中使用的)。相反，三叶形燃料元件可能较好地适用于六边形的燃料组件(例如，在VVER中使用的)。
根据一个或多个实施方式，图9示出了燃料元件20的各种尺寸。根据一个或多个实施方式，下表中指定的任何这些尺寸、参数和/或范围，在不脱离本发明的范围的情况下,可以增加或减少直至5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%、或更多。
权利要求
1.用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件，所述组件包括 包括下接管的框架，所述下接管被成形和设置以安装到核反应堆内部堆芯结构上；和多个细长的、挤出的由所述框架支撑的燃料元件，所述多个燃料元件的每一个包括包含被置于金属非燃料材料基质中的燃料材料的燃料内核，所述燃料材料包括裂变材料，和 围绕燃料内核的包层， 其中燃料元件区域中的减速剂燃料的比值是2. 5或更低。
2.如权利要求
I的燃料组件，其中 所述多个细长的、挤出的燃料元件包括多个细长的、挤出的金属燃料元件； 所述燃料材料包括金属燃料材料；和 所述燃料内核包括含有金属燃料材料的合金和金属非燃料材料的基质的金属燃料合金内核。
3.如权利要求
2的燃料组件，其中所述内核包括δ-相UZr2。
4.如权利要求
I的燃料组件，其中所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料的基质中的陶瓷燃料材料。
5.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个细长的燃料元件提供了燃料组件的所有燃料元件的总体积的至少60 %。
6.如权利要求
I的燃料组件，其中所述包层的平均厚度是至少为O.6毫米。
7.如权利要求
I的燃料组件，其中所述燃料组件是热动力学设计和物理成形用于陆基核能反应堆操作的。
8.如权利要求
7的燃料组件，与陆基核能反应堆相组合，其中所述燃料组件设置在陆基核能反应堆内。
9.如权利要求
7的燃料组件，其中 所述陆基核能反应堆包括具有在2010年以前实际应用的反应堆设计的常规核电厂；和 所述框架被成形和配置以安装到陆基核能反应堆中代替所述反应堆的常规氧化铀燃料组件。
10.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的各自的燃料内核通过烧结燃料材料和金属非燃料材料而形成。
11.如权利要求
I的燃料组件，其中，关于所述多个燃料元件的多个 燃料内核中的燃料材料富集了 20%或更少的铀-235和/或铀-233并占燃料内核的20%至30%的体积分数；和 非燃料金属占燃料内核的70%至80%的体积分数。
12.如权利要求
11的燃料组件，其中，关于所述多个燃料元件的多个，燃料材料富集度在15%至20%之间。
13.如权利要求
11的燃料组件，其中，关于所述多个燃料元件的多个，燃料内核的非燃料金属包括锆。
14.如权利要求
I的燃料组件，其中，关于所述多个燃料元件的多个 燃料内核的燃料材料包括钚；燃料内核的非燃料金属包括锆；和 燃料内核的非燃料金属占燃料内核的70 %至97 %的体积分数。
15.如权利要求
I的燃料组件，其中所述燃料材料包括下列的组合铀和钍；钚和钍；或袖、杯和娃。
16.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的多个的包层冶金结合到燃料内核。
17.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括铝。
18.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的多个的非燃料金属包括高熔点金属。
19.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的多个的包层包括锆。
20.如权利要求
I的燃料组件，其中所述多个燃料元件的多个的每一个具有限定了多个螺旋肋的螺旋扭转的多叶形轮廓。
21.如权利要求
20的燃料组件，其中所述多个燃料元件的相邻元件的螺旋肋在燃料元件的轴向长度上周期性地彼此接触，这样的接触有助于保持燃料元件相对于彼此的间距。
22.如权利要求
20的燃料组件，其中所述多叶形轮廓包括在相邻叶片之间的凹形区域。
23.如权利要求
20的燃料组件，其中 所述多叶形轮廓包括相邻叶片之间的叶片凸结构和交点，和 关于所述多个燃料元件的所述多个，在所述凸结构处的包层比交点处的厚。
24.如权利要求
I的燃料组件，其中所述燃料组件包含可燃性抑制剂。
25.如权利要求
24的燃料组件，其中所述多个细长的燃料元件中的至少一个包含可燃性抑制剂。
26.如权利要求
I的燃料组件，其还包括多个由所述框架支撑的UO2燃料元件，所述多个UO2燃料元件的每一个都包含UO2燃料。
27.如权利要求
26的燃料组件，其中所述多个细长的UO2燃料元件中的至少一些是从所述多个细长的燃料元件的横向向外的方向定位的。
28.如权利要求
27的燃料组件，该组件还包括围板，所述围板将流经多个细长的UO2燃料元件的冷却剂流与流经多个细长的燃料元件的冷却剂流分隔开。
29.如权利要求
26的燃料组件，其中所述UO2燃料具有小于15%的铀-235富集度。
30.制造用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件的方法，所述方法包括 通过下述制造多个细长的燃料元件中的每一个 混合粉末状燃料材料与粉末状金属非燃料材料，其中所述粉末状燃料材料含有裂变材料， 烧结混合的粉末状燃料材料和金属非燃料材料，以创建燃料芯料， 将燃料芯料用包层材料围绕，和 共挤出燃料芯料和包层材料以创建燃料元件；和 将多个细长的燃料元件安装到燃料组件的框架上， 其中燃料元件区域中的减速剂燃料的比值是2. 5或更低。
31.如权利要求
30的方法，其中所述多个细长的燃料元件包括多个细长的金属燃料元件；和 所述粉末状燃料材料包括粉末状金属燃料材料；和 所述燃料芯料包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料的合金的金属燃料芯料。
32.如权利要求
30的方法，其中所述粉末状燃料材料包括粉末状陶瓷燃料材料。
33.如权利要求
30的方法，其中所述多个细长的燃料元件提供了燃料组件的所有燃料元件的总体积的至少60 %。
34.如权利要求
30的方法，其中所述包层经过共挤出后的平均厚度为至少O.6毫米。
35.如权利要求
30的方法，其还包括在所述烧结之前，将置换器定位在混合的粉末状燃料材料和金属非燃料材料之内，以使所述烧结产生含有所述置换器的燃料芯料。
36.如权利要求
30的方法，其中 所述框架包括被成形并设置以安装到陆基核能反应堆的堆芯上的下接管；和 所述燃料组件是热动力学设计和物理成形以用于陆基核能反应堆的操作中。
37.如权利要求
36的方法，其还包括将燃料组件放置到陆基核能反应堆中。
38.核反应堆，其包括 加压重水反应堆；和 设置在加压重水反应堆中的燃料组件，所述燃料组件包括 多个细长的彼此连接的燃料元件，所述多个燃料元件的每一个包括含有配置在金属非燃料材料的基质中的燃料材料的燃料内核，所述燃料材料包括裂变材料，和 围绕燃料内核的包层， 其中燃料元件区域中的减速剂燃料的比值是2. 5或更低。
39.如权利要求
38的核反应堆，其中每个所述燃料元件具有限定了多个螺旋间隔肋的螺旋扭转的多叶形轮廓。
40.用于核能反应堆的堆芯的燃料组件，所述组件包括 包括下接管的框架，所述下接管被成形并设置以安装到核反应堆内部堆芯结构上；多个细长的、挤出的由所述框架支撑的燃料元件，所述多个燃料元件的每一个包括含有设置在金属非燃料材料的基质中的燃料材料的燃料内核，所述燃料材料包括裂变材料，和 围绕燃料内核的包层；和 所述框架支撑的多个附加的细长的燃料元件， 其中，如燃料组件的横截面中所看到的，所述多个附加的细长的燃料元件被定位在单个燃料元件宽度的环内，所述环围绕着多个细长的、挤出的燃料元件， 其中所述多个细长的燃料元件提供了燃料组件的所有燃料元件的总体积的至少60%。
41.如权利要求
40的燃料组件，其中所述多个附加的细长的燃料元件的每一个都包括空心棒，在所述棒内配置有颗粒状UO2燃料。
42.如权利要求
40的燃料组件，其中支撑多个附加的细长的燃料元件的部分燃料组件与支撑多个细长的、挤出的燃料元件的部分燃料组件是分不开的。
43.如权利要求
40的燃料组件，其中所述多个附加的细长的燃料元件作为单元不能与所述多个细长的、挤出的燃料元件分开。
44.如权利要求
40的燃料组件，其中 所述燃料组件定义了 17X17图案的位置； 所述多个细长的、挤出的燃料元件中的每一个被布置在一个图案位置中； 所述多个细长的、挤出的燃料元件没有元件被布置在17X17图案的外周位置上；和 所述多个附加的细长的燃料元件中的每一个被布置在17X17图案的外周位置的不同位置上。
专利摘要
包括烧结或铸造成坯段并共挤出成螺旋状、多叶形的燃料元件的核燃料组件。燃料内核可以是金属燃料材料和金属非燃料材料的金属合金、或在金属非燃料基质中的陶瓷燃料。燃料元件可以使用更高富集度的裂变材料，同时维持安全的工作温度。根据一个或多个实施方式，这样的燃料元件可以比常规的氧化铀燃料棒在更安全的、较低的温度下提供更多的功率。燃料组件还可以包括多个常规的UO2燃料棒，这可有助于燃料组件符合常规核反应堆的空间要求。
文档编号G21C21/10GKCN102947890SQ201180023785
公开日2013年2月27日 申请日期2011年5月11日
发明者S·M·巴施基尔特塞夫, V·F·库兹内特索夫, V·V·克夫罗莱夫, A·G·莫罗佐夫, M·H·蒙特戈梅里 申请人:钍能源股份有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan