燃料组件的制作方法
【专利说明】燃料组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年12月28日提交的美国临时申请第61/747，064号以及2013年3月11日提交的美国实用新型申请第13/794，604号的权益，其通过引用以其整体并入本文。
[0003]背景
[0004]本专利申请涉及燃料组件，以及与该燃料组件有关的方法。
[0005]概述
[0006]公开的实施方案包括燃料导管、燃料组件、制造和使用该燃料导管以及燃料组件的方法。
[0007]前述内容是概述，并且因此可以包含细节的简化、概括、包含和/或省略；因此，本领域技术人员将认识到，本概述仅是说明性的并且不意图以任何方式是限制性的。除了本文描述的任何说明性的方面、实施方案和特征以外，通过参考附图和以下的详细描述，另外的方面、实施方案和特征也将变得明显。本文描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优势在提出的教导中将变得明显。
[0008]附图简述
[0009]技术人员将理解的是，附图主要是为了说明性的目的，且不意图限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定是按比例的；在某些情况下，本文公开的发明主题的各个方面在附图中可能被扩大或放大显示，以促进对不同特征的理解。在附图中，相同的参考符号通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或结构上相似的元件)。
[0010]图1a-1b提供了在一个示例性实施方案中的例证性的(a)核燃料组件和(b)燃料元件(fuel element)的示意性形式的局部剖面透视图。
[0011]图2a-2b提供了显示在一个示例性实施方案中的核反应堆中的燃料组件的压力分布和膨胀性能的示意图。
[0012]图3a_3b分别提供了显示在一个示例性实施方案中的燃料组件的六边形导管构型和十二边形导管构型的示意图。
[0013]图4提供了显示在一个示例性实施方案中的燃料组件中的多壁式导管设计的示意图。
[0014]图5提供了显示在一个示例性实施方案中的用作导管内部中的张紧装置的内部结构构件的示意图。
[0015]图6a_6d图示了在一个示例性实施方案中的燃料组件中具有内部空心结构和外部空心结构(以及在某些情况下的结构构件)的多壁式导管设计的几个变型。
[0016]图7a_7d图示了在一个示例性实施方案中的燃料组件的第一空心结构和/或第二空心结构中的穿孔(penetrat1n)的各种实施方案。
[0017]图8a和图8b_8d分别提供了在一个示例性实施方案中的制造燃料组件的燃料导管的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
[0018]图9a和图9b_9e分别提供了在一个示例性实施方案中的制造燃料组件的燃料导管的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
[0019]图1Oa和图1Ob分别提供了描述在一个示例性实施方案中的涉及使用本文所描述的燃料组件的方法的过程以及该过程的说明性细节的流程图。详细描述
[0020]Mit
[0021]在以下的详细描述中，参考形成说明书一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的或同样的符号在不同附图中的使用通常表示相似或相同的物品。
[0022]详细描述中所描述的说明性实施方案、附图和权利要求不意味着是限制性的。可以使用其他的实施方案，且可以作出其他的改变，而不偏离此处所呈现的主题的精神或范围。
[0023]本领域技术人员将认识到，为了概念清楚起见，本文描述的部件(例如操作)、装置、物体以及伴随它们的讨论被用作例子，并且预期各种配置修改。因此，如本文所使用的，所提出的具体实施例和伴随的讨论意图是它们较一般的类别的代表。一般来说，任何具体实施例的使用意图是其类别的代表，并且具体部件(例如操作)、装置和物体的未包括内容不应该被认为是限制性的。
[0024]为了陈述的清楚起见，本申请使用形式大纲标题。然而，应理解，大纲标题是为了陈述的目的，并且不同类型的主题可以在整个申请中被讨论(例如，装置/结构可以在过程/操作标题下被描述，和/或过程/操作可以在结构/过程标题下被讨论；和/或对单个主题的描述可能跨越两个或更多个主题标题)。因此，形式大纲标题的使用并不意图以任何方式是限制性的。
[0025]综述
[0026]通过综述，在一个实施方案中提供了燃料组件，燃料组件包括:燃料导管，燃料导管包括:具有第一横截面几何形状的第一空心结构，以及具有第二横截面几何形状的第二空心结构，第二空心结构布置于第一空心结构的外部，且第二横截面几何形状与第一横截面几何形状不同。
[0027]在另一个实施方案中提供了燃料组件，燃料组件包括:燃料导管，燃料导管包括:具有在应力下可改变的至少一种尺寸的第一空心结构，以及布置于第一空心结构的外部的第二空心结构，第一空心结构和第二空心结构界定在它们之间的空间；第二空心结构适合于经由其分布第一空心结构的应力的至少一部分。
[0028]在另一个实施方案中提供了燃料组件，燃料组件包括:燃料、多个燃料元件以及具有布置于其中的多个燃料元件的多个燃料导管，多个燃料导管中的至少一个包括:具有第一横截面几何形状的第一空心结构，以及具有第二横截面几何形状的第二空心结构，第二空心结构布置于第一空心结构的外部，且第二横截面几何形状与第一横截面几何形状不同。
[0029]在另一个实施方案中提供了制造燃料组件的方法，方法包括:形成适合于在应力下改变其至少一种尺寸的第一空心结构，以及适合于经由其分布第一空心结构的应力的至少一部分的第二空心结构；将第一空心结构布置于第二空心结构内部以形成燃料导管，使得在第一空心结构和第二空心结构之间界定空间。
[0030]在另一个实施方案中提供了制造燃料组件的方法，方法包括:形成具有第一横截面几何形状的第一空心结构；形成具有第二横截面几何形状的第二空心结构，第二横截面几何形状与第一横界面几何形状不同；以及将第一空心结构布置于第二空心结构的内部以形成燃料导管。
[0031]在另一个实施方案中提供了使用燃料组件的方法，方法包括:使用布置于第一空心结构内的多个燃料元件产生热量，第一空心结构布置于第二空心结构内；使第一空心结构经历应力；以及经由第二空心结构分布第一空心结构的应力。
[0032]燃料组件
[0033]图1a提供了根据一个实施方案的核燃料组件10的局部图示。燃料组件可以是可裂变核燃料组件或增殖性核燃料组件。组件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料针”)11。图1b提供了根据一个实施方案的燃料元件11的局部图示。如在本实施方案中所示，燃料元件11可以包括覆层材料13、燃料14，以及在某些情况下至少一个空隙15。
[0034]燃料可以通过外部覆层材料13密封于腔内。在某些情况下，如图1b中所示，多种燃料材料可以轴向地堆放，但是并不需要是这种情况。例如，燃料元件可以仅含有一种燃料材料。在一个实施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆层材料之间，尽管空隙不需要存在。在一个实施方案中，空隙填充有加压的气氛，比如加压的氦气气氛。
[0035]燃料可以含有任何可裂变材料。可裂变材料可以含有金属和/或金属合金。在一个实施方案中，燃料可以是金属燃料。可以理解的是，金属燃料可以提供相对高的重金属载量以及优良的中子经济性，其对于核裂变反应堆的增殖和燃烧过程是令人满意的。根据应用，燃料可以包括选自U、Th、Am、Np以及Pu的至少一种元素。如本文通过化学符号表示的术语“元素”可以指的是存在于周期表中的元素-这不应当与“燃料元件”的“元件”混淆。在一个实施方案中，燃料可以包括至少约90wt% U-例如至少95wt%、98wt%、99wt%、99.5wt%、99.9wt%、99.99界1:%或更高的U。燃料还可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一种元素。在一个实施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、钆或铟。在一个实施方案中，燃料导管的第一空心结构的内部可以包括多个燃料元件。
[0036]在一个实施方案中，金属燃料可以与约3wt%至约1wt%的锆成合金以在辐射期间在尺寸上稳定合金，且以抑制覆层的低温共熔以及腐蚀损害。钠热结合填充存在于合金燃料和覆层管内壁之间的空隙，以允许燃料膨胀且提供有效的热转移，这可以保持燃料温度是低的。在一个实施方案中，各个燃料元件11可以具有从约0.8mm直径至约1.6mm直径的细线12，该细线12围绕覆层管的周边螺旋缠绕，以提供冷却剂空间以及各个燃料元件56在燃料组件18和20 (其还充当冷却剂导管)的壳体内的机械分离。在一个实施方案中，由于如通过大量经验数据所指示的辐射性能，覆层13和/或绕线12可以由铁素体-马氏体钢制造。
[0037]燃料元件
[0038]“燃料元件”，比如图1a-1b中所示的、在发电反应堆的燃料组件中的元件11，通常可采取圆柱棒形式。燃料元件可以是发电反应堆的一部分，所述发电反应堆为核电设备的一部分。根据应用，燃料元件可以具有关于其长度和直径的任何适宜的尺寸。燃料元件可以包括覆层13以及布置于覆层13的内部的燃料14。在核反应堆的情况下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一个实施方案中，核燃料可以是环形核燃料。燃料元件可以另外包括布置于核燃料14和覆层13之间的衬层。衬层可以含有多个层。
[0039]燃料可以具有任何几何形状。在一个实施方案中，燃料具有环形的几何形状。在这样的实施方案中，呈环形形式的燃料可以允许在一定水平的燃耗之后实现期望水平的燃料密度。另外，这样的环形构型可以维持燃料和覆层之间的压缩力以促进热运输。根据应用，燃料可以被调整以具有各种性质。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一个实施方案中，期望具有高密度的燃料，比如尽可能接近理论密度铀的燃料(在含有铀的燃料的情况下)。在另一个实施方案中，具有高孔隙率(低密度)可以防止辐射期间另外的内部空隙的形成，这在核燃料操作期间减少了结构材料(比如覆层)上燃料压力。
[0040]根据应用，用于覆层13的覆层材料可以包括任何适宜的材料。在一个实施方案中，覆层13可以包括选自金属、金属合金以及陶瓷的至少一种材料。在一个实施方案中，覆层13可以含有耐火材料，比如耐火金属，耐火金属包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、0s、Ir、Nd以及Hf的至少一种元素。在另一个实施方案中，覆层材料可以选自陶瓷材料，比如碳化硅或氧化铝(矾土)。
[0041]在一个示例性实施方案中，覆层13中的金属合金可以是钢。