CN102770921A

CN102770921A - 核燃料棒和制造供燃料棒使用的燃料芯块的方法

Info

Publication number: CN102770921A
Application number: CN2010800631738A
Authority: CN
Inventors: 阿兰·拉弗内
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2009-12-04
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-11-07
Also published as: US20120321031A1; KR20120093410A; ES2534470T3; RU2546971C2; EP2507796A1; WO2011067274A1; JP2013513099A; JP5964753B2; US9406410B2; FR2953637B1; KR101730058B1; FR2953637A1; EP2507796B1; RU2012127788A

Abstract

本发明涉及一种新型核燃料棒。根据本发明，燃料棒(1)的包壳(2)具有横穿纵向方向的椭圆形截面，且每个核燃料芯块(6)沿包壳长轴为截顶椭圆形。算上旁边的组合件间隙j，燃料芯块之最短轴的长度等于包壳短轴的长度，而包壳长轴与燃料芯块的截顶长轴的长度差远大于组合件间隙j。本发明还涉及用于制造核燃料芯块的方法，以及在包壳内堆叠核燃料芯块以形成核燃料棒的方法。

Description

核燃料棒和制造供燃料棒使用的燃料芯块的方法

技术领域

本发明涉及一种新型核燃料棒。

此新型核燃料棒的目标应用包括核压水反应堆(PWR)和气冷快堆(GCFR)，它们被称作第四代反应堆。

就整个申请案而言，“核反应堆”指目前此术语的普通意义，即，使用燃料元件基于核裂变反应来产生能量的发电站，裂变反应在燃料元件中发生，以热的形式释放能量，通过与使元件冷却的冷却剂发生热交换，能量从元件中被提取出来。

就整个申请案而言，“核燃料棒(crayon)”指，例如核科学与技术字典中所定义的正式意义，即两端封闭的小直径窄管，它形成核反应堆的堆芯，且包含裂变材料。因此，它形成一“核燃料细棒”(aiguille)，本发明之说明中优选用于该核燃料细棒的术语为核燃料棒。

因此，本发明公开一种新的核燃料棒设计，在燃料芯块(pastille)与包壳发生机械相互作用的过程中，其热机性能得到改良。

背景技术

视操作条件和反应堆性能而定，有不同类型的燃料元件。所谓的第三代发电站，更具体来说，PWR反应堆，使用截面为圆形的棒型燃料元件。

发明人已设想出对一种燃料元件构想加以改良。

发明人从试图理解设计原理并确定所有已知燃料元件之功能性限制开始着手。

燃料元件必须执行的主要功能有：

-其裂变原子的密度必须与中子作用条件和反应体积的每单位体积的功率密度相容，

-其必须在燃料材料与热传输流体之间传热，

-其必须限制反应堆运转过程中燃料所释放的固体和气体裂变产物。燃料内的裂变反应产生固体和气体裂变产物，有潜在地导致材料结构明显肿胀的可能。因受热而出现的肿胀现象，尤其气态肿胀现象，又导致裂变气体释放到燃料材料外部的机制。因此，燃料元件的包壳需要能够适应上述那些变形和燃料气体释放却不丧失其完整性。

燃料内裂变反应的密度与通过包壳导入冷却剂的每单位体积的功率直接相关。

因此，重要的是，使热源与冷却剂之间的热阻最小化来限制最高燃料温度和由此热通量产生的影响：材料的梯度(gradient)和燃料与包壳之间的不同的膨胀度。

反应体积中裂变材料的密度主要取决于元件形状，元件形状限制元件在给定体积下排布的容量，而排布的目标是实现最大填充率，同时维持对冷却剂的必要渗透性从而在可接受的压力损耗下导出元件所产生的能量。

在核设施中通常遇到的基本燃料元件可被归为三类，具体而言，板型元件(所有形状)、沿轴向形成棒状元件的细长圆柱型元件(通常为圆形或环形截面)，和通常呈小直径颗粒(约一毫米)形式的球型元件。

此外，由包裹在一种惰性基体中的球形颗粒形成的复合燃料元件有上文提到的三种几何形状，即球型、板型和紧密型高温反应堆(HTR)中。

这三种燃料元件中的每一种燃料元件针对所产生的问题配合不同的解决方案，且必须针对其运转域在多种设计选择之间做出妥协。每种燃料元件的运转域实际上受所选设计之性能的限制。

因此，上述板包含作用像细长度(壳的自由长度与其厚度之比)极高的壳的包壳。

由于其具有延展性，包壳材料可调整自身的几何形状以适应中间部分之燃料的形状，这意味着燃料材料和包壳间的不同的横向变形(肿胀和膨胀)可被适应，而处于非常低的应力水平下。然而，由于包壳在横穿平面的方向上具有极低的刚度，所以此板式结构不能很好地限制由燃料在厚度方向上引起的变形。此自由度允许燃料各向异性地变形，且偏向于在这个方向上变形。在压力全面地或局部地(例如，在一热点)施加于结构之平面的情况下，尤其是在燃料芯并未与包壳连接或仅与之弱连接的情况下，结构的压曲(flambage)也非常不稳定。

燃料与包壳之间需有良好的热接触，以使燃料处于足够低的温度范围内，使其在任何运转环境下都不释放其气体裂变产物。

因此，板型元件仅用于冷态燃料，换言之，使之处于燃料材料不会释放气体，且每单位体积的功率位于适度水平的温度范围内。

对于作为实现目标的每单位体积之功率，板优化参数通常适用于板厚度和燃料/包壳接触的品质、对包壳腐蚀的控制，以及运转期间延展性不降级。

这些元件的主要故障模式与下列内容有关，包壳在受压变形时缺乏延展性(腐蚀老化或辐照硬化)，或燃料与冷却剂之间的热阻增大(例如，包壳上阻热的腐蚀区域、因包壳局部压曲，燃料与包壳分离，中间产生空隙)，导致燃料温度上升并释放裂变气体及包壳内部压力增大导致包壳不稳定变形而发生故障。

圆柱形元件包含，例如，石墨/气体反应堆中所用的匣壳(cartouche)，压水反应堆(PWR)中所用的燃料棒，或快反应堆(FR)中所用的燃料细棒。

在这些圆柱形元件的构造中，呈芯块形式的燃料与内部堆积有燃料芯块的包壳之间，不可避免地会出现一个径向空隙，它允许适应燃料材料与包壳之间发生的差异变形；此间隙至少能够在元件首次产生能量期间补偿不同的膨胀度，且至少能够补偿燃料无法靠其内部腔体(换言之，由中心孔和其孔隙组成的腔体)的蠕变及再密实化而被自身重新吸收的肿胀比例。燃料材料还必须在能够激活这些用于适应其变形的机制的温度下运转。

另一方面，它释放出某些裂变气体。

在包壳内的燃料芯块堆叠的末端形成有一第二膨胀体积，以限制元件内部压力。

这些圆柱形元件的主要优化参数是燃料与包壳之间的初始径向间隙，换言之，组合件的径向间隙，使燃料与包壳(气封或熔融金属真空封接)热连接的流体的品质，由径向间隙、孔隙、空隙，诸如中心孔及/或在燃料芯块之纵向端的凹碟状物(évidement lenticulaire)界定的包壳部分中的燃料的有效填充密度，包壳的刚度(厚度)以及机械性质(最大强度和延展性)，包壳及燃料材料的变化规律(肿胀和蠕变)。

燃料芯块与包壳之间充满气体的径向空隙与包壳的厚度形成一径向热阻，此径向热阻控制冷却剂与燃料芯块之间的热传递。

在运转过程中，热阻是易变的，这是因为径向间隙的变化及由于释放裂变气体而使传导性降级。热阻的变化使对最高燃料温度的控制复杂化，这是由燃料材料无论在任何运转环境下都不可以达到其熔点这一事实所决定。此外，在“压力安全壳”中使用此类元件隐含着使用这种材料能够使元件机械地固定在适当的位置，不会有因受压而突发故障(瞬间及/或延时的)的风险。为此，通常采用圆形截面，因为它具有最佳的抗压能力；因此，在燃料与包壳机械相互作用的情况下，包壳处在环周张力中，反抗高环向刚度，在其两个径向方向上封堵燃料，且仅其轴向是部分自由的，此局部自由度取决于燃料芯块与包壳之间的粘合。

由包壳对燃料施加的圆周压力会激活燃料自身的重新排列机制，换言之，燃料自身的再密实化。

因此，包壳材料的选择太重要了，因为它必须在目标操作温度范围内提供足够的极限强度，塑性中的延展性，和热蠕变，以及与燃料元件运转的整个范围相对应的温度范围内提供足够的韧性，通常是在20MPa.√m以上。因此，限制这些元件的运转条件(温度和每单位体积的功率)由包壳(随温度而变的瞬间极限强度和蠕变强度)和燃料材料(熔化温度)的选择来确定。

与此类元件有关联的主要剩余故障模式是燃料与包壳之间的瞬间机械相互作用超过包壳的变形能力，例如，在反应堆功率上升到高于先前运转水平之水平的情况下，或在燃料温度不会激活其自身变形的自适应机制或仅轻微激活这些机制的运转条件下。

最后，在球形元件中，诸如，高温反应堆(HTR)中所用的包含颗粒的元件，不同的涂层连续地沉淀在一裂变核芯上，裂变核芯必须居中。这通过以下方式实现：在裂变核芯内及被称作“缓冲区(buffer)”的一中间层中以极高的孔隙度产生孔隙形式的空隙，并维持裂变核芯与包壳层之间初始的连续性。

燃料与包壳(换言之，涂层)之间的差异变形通过填充空隙来调节；在运转过程中，缓冲区根据中子通量的逐步密实化释放一个径向间隙，防止裂变核芯与包壳层之间发生强机械相互作用。此外，包壳内部的自由体积挡住由裂变材料所释放的裂变气体；从而包壳的球形形状适当地调整以抵抗产生的内部压力。

在选择材料(根据中子通量和温度，性质、结构、属性和变化规律)和不同层的厚度时，基本的颗粒优化参数是很重要的。

这些球形燃料元件仅用在高温热通量和气冷反应堆(HTR)中。

它们的主要剩余故障模式相关于可导致封闭包壳(gaine deconfinement)故障的裂变核芯与包壳层之间的强相互作用(由于包壳之强加变形而产生张力)；从这个角度而言，球形包壳是最不利的，因为它没有为燃料材料变形(超出其最大密实化)留出变形方向，以减轻相互作用力(自包壳内部体积而产生流体静压力)。

此类球形燃料元件还以各种复合形式来使用，借由稀释颗粒，以使每单位体积的反应堆之反应体积中裂变材料的含量非常少(约为百分之几)，热量通过基体传递给冷却剂。此外，通过这样设计，包壳在高核燃烧(或燃耗)值下发生故障的风险降低。

因此，鉴于上文所述，发明人认为这三种燃料元件中的每一种燃料元件都有其自身的优势，这些优势可总结如下：

-当燃料芯块与包壳之间发生机械相互作用时，板具有良好的热传递和适应品质，

-圆柱形元件(棒)和球形元件都对气体裂变产物产生的压力有良好的抗压性。

另一方面，鉴于上文所述，还可以看出，目前所用的圆柱型元件(棒)的主要缺点在于，当燃料芯块与包壳之间发生机械互动时，其热机(thermomécanique)性能可能不受控制。

因此，发明人的主要目的是改良现在第二代及第三代反应堆所使用的棒型燃料元件在燃料芯块与包壳之间存在机械相互作用情况下的热机性能。

这些新元件还可用于第四代气冷快堆。

本发明之更一般的目的在于提出一种将不同类型的现有燃料元件，如上文所提到的那些元件所特有的优势组合在一起使其满足以下规格的棒型燃料元件：

1/实现每单位体积的燃料比等于现有圆形截面燃料棒中所用的燃料比，

2/实现从燃料芯块到冷却剂的全程寿命最佳热传递，及实现与使用一板的热传递相当的值(较佳地，交换在两个相对面上发生)，

3/通过控制燃料芯块与包壳之间的机械相互作用来避免包壳发生故障的风险。

本发明的另一个目的在于提出一种棒型燃料元件，其制造方法并不与已用来制造目前的棒型圆形截面燃料元件的工业设施完全无关。

发明内容

为此，本发明之目标是一种核燃料棒，此核燃料棒沿纵向方向延伸，包含多个彼此堆叠的燃料芯块和一个由中子可穿透的一种材料制成且环绕燃料芯块堆的包壳，其中，在横穿纵向方向的截面中：

-包壳为椭圆形形状，且内表面的长轴长度为2*a，短轴长度为2*b，

-每个核燃料芯块大体为在包壳长轴两端被截顶的截顶椭圆形形状，若不计包壳中与燃料芯块的组合件间隙j，每个燃料芯块的短轴长度2*b’等于包壳内表面之短轴的长度2*b，燃料芯块的截顶长轴的一半与包壳长轴的一半的长度差(c-a)远大于组合件间隙。

就此发明而言，“远”大于组合件间隙意味着，大于组合件间隙一个值，使得空隙体积可被配置成使燃料能够在不与包壳发生圆周相互作用的情况下发生肿胀，这将在下文中加以说明。

为了实现根据本发明的解决方案，发明人试图找出超出包壳变形能力的在非受控燃料芯块/包壳机械相互作用发生时的机械现象，换言之，在瞬间机械相互作用情况下的机械现象。

这些情况可能会发生在，例如，反应堆功率逐渐增加到大于先前运转功率的水平时，或燃料温度不会激活其上的重新排列机制，换言之，因其自身变形而自适应，或仅轻微激活那些机制的运转条件下。

在这些情况下，现有的具有圆形截面的燃料棒中的燃料芯块与包壳之间有非常强的机械相互作用。在这些情况下，固体的圆形燃料芯块具有从中心向边缘降低的热梯度；换言之，燃料芯块的冷边缘引起径向刚度，径向刚度形成一种环束刚度。此外，由于燃料芯块仅非常轻微地自适应，所以没有径向弹性。因此，在这些情况下，包壳具有被称作膜(membrane)刚度的环束刚度，它是由燃料芯块较大比例的径向变形引起的。换言之，环向夹束发生在径向相互作用方向上，则燃料芯块仅有一种可能的缓释方向，即轴向或纵向，这导致向为此而在每个燃料芯块两端形成的碟状物局部蠕变。

发明人还得出这样的结论：若要在燃料芯块/包壳有极强的机械互动的情况下改良燃料棒的热机性能，可能要实施以下解决方案：

通过改变包壳的环束方式将圆形截面改变成椭圆截面形来降低包壳的刚度。燃料芯块/包壳的径向机械相互作用要为非轴对称的。因此，要定义一初始椭圆形截面，此时，燃料芯块与包壳之间只在小直径方向上可能发生机械接触，但燃料芯块与包壳之间在大直径方向上要留有空间以便燃料能够移动，换言之，燃料膨胀，

通过使它变成椭圆形来对应地降低燃料芯块之冷边缘的刚度，这意味着，通过使燃料芯块在椭圆模式下受压，相互作用表面可被定位，使它们仅与小直径正交，

通过使热梯度更像双面冷却的板那样来使燃料芯块产生非轴对称热梯度。通过在椭圆形燃料芯块长轴的两端产生较热部分，燃料的非轴对称热梯度可降低目前所用具有圆形截面的燃料芯块的冷边缘的环向刚度。这样的热效应有助于降低燃料芯块之短轴所具有的椭圆刚度，

使截面中产生较大体积的空隙，使得肿胀并膨胀的燃料可通过自身截面蠕变来重新排列，而不产生任何其他应力或燃料芯块/包壳相互作用。只有当这些空隙与燃料芯块最热部分相邻且在燃料芯块/包壳相互作用过程中施加于燃料芯块的反作用力作用于这些最热部分时，通过蠕变来实现重新排列才是可行的，

使施加有外部冷却剂压力的燃料棒的截面维持机械平衡。在燃料芯块/包壳有极强机械相互作用的条件下，所产生的椭圆刚度要足以使截面的几何形状维持在稳定平衡状态。

发明人还首次提出制造截面为椭圆形的燃料棒来改良燃料芯块与包壳发生机械相互作用情况下的热机性能。

发明人试图理解反应堆正常运转过程中，所用核燃料元件中发生的其他现象。

在压水反应堆之类的现有反应堆中，棒型燃料元件由圆柱形燃料芯块组成，这些圆柱形燃料芯块各个彼此堆叠且被置于包壳中比此堆叠要长的一根管子中，以在柱状体两端留出限制因释放裂变气体而导致燃料元件堆叠中压力不断增大所必需的膨胀体积。

燃料芯块与冷却剂之间的热传递通过一个由组合件中燃料芯块与包壳之间一开始充满气体的径向间隙与包壳厚度所组成的热阻在径向上发生。

全程寿命控制此元件的热阻确保符合可接受的燃料温度极限。因此，发明人认为设计新燃料棒要采用以下要素：

通过在寿命一开始已校准的一径向气封进行热传递，

在横穿热传递方向的方向上形成自由体积。

常见的板型燃料元件能够通过包壳在极低应力下的“延展性”同时维持变形方向上的热传递来适应由燃料引起的变形。因此，发明人相信，燃料元件必须被制造得非常纤细，换言之，它们需要具有大宽厚比，使得它们可适应包壳受到极低应力下由燃料在厚度方向上所引起的变形。

因此，发明人得出以下结论：根据本发明具有椭圆截面的燃料棒要有利地利用上文提到的三种解决方案要素，换言之，它必须具有：

椭圆形截面，长轴长度为2*a，且短轴长度为2*b，截面的细长因数等于a/b，

燃料芯块的形状也应该是椭圆形，使组合件中燃料芯块与已校准的包壳之间产生径向间隙，这与标准的圆形截面燃料棒中存在的间隙相类似，

通过将燃料芯块的长轴截顶来获得位于长轴两端的自由体积。

因此，发明人找到了本发明所公开的解决方案，即沿具有椭圆形截面的燃料芯块的长轴截顶得到的燃料芯块在椭圆形包壳中各个彼此堆叠，径向间隙在组装过程中沿燃料芯块的非截顶部分形成，且裂变气体膨胀室位于截顶端。

用此新燃料棒截面所获得的结果是，在燃料芯块与包壳之间有极强机械相互作用的情况下，实现了针对热机性能的目标改良，这是因为：

相互作用限于与截面短轴正交的燃料芯块/包壳机械接触部分，使包壳能够通过降低其椭圆度来适应由燃料芯块引起的变形，且因此，仅在包壳沿其长轴2*a的端部位置的厚度内产生弯曲应力，

燃料芯块中的温度梯度促进燃料芯块在相互作用过程中具有更加灵活的机械性能，

大体呈椭圆形的燃料芯块与在其长轴端存在较大气封相结合产生优先沿短轴方向定位的热交换，燃料芯块的热核心沿长轴延伸，且冷边缘部分限于与包壳接触的部分。在燃料芯块短轴方向上相互作用过程中形成的机械刚度将因为几乎没有由燃料芯块之冷边缘部分产生的拱形效应而显著降低，

在燃料芯块的截顶端，换言之沿长轴，燃料芯块与包壳之间的热交换的局部热阻使此区域中的燃料芯块之表面部分的温度升高。因此，在与包壳机械发生相互作用时，燃料芯块实质上沿其小直径受压，热区域所在位置远至在长轴两端的表面，这意味着其可优先沿此轴蠕变变形。这种朝向横向端空隙的蠕变挤出自由度使燃料芯块能够适应因蠕变变形(优先沿这个方向发生的蠕变变形)而增大的体积，使因沿其短轴与包壳机械相互作用所引起的变形相应地最小化。

本领域技术人员可试图通过调整燃料芯块所应用的刚度参数来阻碍截面变平从而实现燃料棒之椭圆形截面在使用根据本发明之燃料棒的反应堆正常运转过程中所应用的冷却剂外部压力作用下的几何稳定性。

这些参数可作如下定义：

截面的细长因数(长轴与短轴之比)控制燃料芯块的热性质，从而控制沿其短轴压缩的刚度，

沿燃料芯块截顶长轴c的横向端腔室的尺寸控制温度，从而控制燃料芯块沿此方向的蠕变变形率(对抗朝向腔室挤出的刚度在一定程度上决定燃料芯块沿其短轴压缩的刚度)。

因此，本发明提出的新燃料棒几何形状提供截面几何稳定性，确保对正常运转过程中燃料芯块之梯度和热交换的控制，同时能够通过调整截面细长因数并通过设计燃料芯块的截断，从而设计两端的碟状物，来适应机械相互作用情况下燃料芯块所引起的包壳变形，因燃料芯块与包壳之间被强加变形的分布，且因包壳受压以椭圆形弯曲的方式，使得包壳中的应力最小化。

较佳地是，包壳中顺着截顶长轴c的燃料芯块的组合件间隙j的长度小于或等于包壳长轴长度2*a的10％。

当根据本发明的燃料棒被设计成用于一压水反应堆(PWR)时，包壳较佳地是由锆合金或M5合金(ZrNbO)制成，而燃料芯块较佳地由陶瓷材料制成，诸如，UO₂、(U，Pu)O₂，或以氧化铀和经过后处理的氧化钚为基础的混合物。

当根据本发明的燃料棒是要用于一气冷快堆(GCFR)时，包壳较佳地是由难熔或半难熔金属材料制成，例如，像钒基合金或柔性陶瓷，举例而言，诸如，Ti₃SiC₂型MAX相，而燃料芯块较佳地由陶瓷材料制成，像(U，Pu)C、(U，Pu)O₂。

本发明还涉及一种核燃料组合件，包含多个如上所述的燃料棒在一栅格中排列在一起。

本发明还涉及由一种中子可穿透的材料制成的包壳，此包壳沿纵向方向延伸，并具有一个横穿其纵向方向的椭圆形截面。

本发明还涉及一种核燃料芯块，其沿纵向方向(XX’)延伸，且横穿纵向方向(XX’)的截面具有大体为截顶椭圆形形状，并具有一截顶长轴。

本发明还涉及一种制造燃料芯块的方法，所述燃料芯块沿纵向方向高度为H且横穿其纵向方向的截面具有大体为截顶椭圆形的形状，并具有截顶长轴长度为2*c，短轴长度为2*b’，其中执行以下步骤：

-在所谓的制粒步骤中准备燃料粉末，

-在高度为H并具有长边长度为2*c且短边长度为2*b’的截顶椭圆形截面的一组模具中，将燃料粉末压制于生燃料芯块(pastillecrue)的边缘，

-烧结压制后的燃料芯块。

应指出的是，“生燃料芯块”一词意指未经烧结的燃料芯块。

有利地是，高度H与长边长度2*c之比H/(2*c)至少等于1.2。

因此，根据本发明所公开的新燃料棒几何形状也使燃料棒制造有改良的潜力。燃料芯块具有截顶椭圆形的截面意指上述制造方法的两方面改良可按照下文的不同构想来设想：

关于燃料芯块压制方法：燃料芯块的新形状意味着压缩轴可沿椭圆形截面的短轴方向延伸(而不是像已知的圆形截面燃料芯块那样，压制轴沿圆柱体的轴延伸)。这种新的压制方法可更好地控制压制密度的均匀性，从而控制烧结后的燃料芯块的几何形状，

省略研磨调整燃料芯块直径：新椭圆形燃料棒截面意味着，包壳由于反应堆内冷却剂温度首次上升的外部压力的作用被迫与燃料芯块的面(与短轴正交的面)接触。因此，燃料芯块的热性质对燃料芯块与包壳之间的初始组合件间隙不敏感。因此，不同于本领域现有技术，由于烧结所获得的几何公差是可接受的(尤其是随着上文所设想的压制方法的改良)，无需调整燃料芯块的尺寸。

本发明还设计一种在由中子可穿透的材料制成的包壳中堆叠燃料芯块以制造核燃料棒的方法，其中使用上述制造方法直接制成的烧结态燃料芯块堆叠在大体为椭圆形的包壳的内部，其内表面的短轴长度等于2*b，且若不计组合件间隙，此长度与燃料芯块短轴的长度2*b’相同，燃料芯块之截顶长轴的一半与包壳长轴的一半的长度差(c-a)远大于组合件间隙j。

附图说明

在参阅下面的图1和1A阅读根据本发明的核燃料棒之详细说明之后，本发明的其他优势和特征将更加清楚，其中：

-图1是根据本发明的核燃料棒的纵向局部截面图，

-图1A是图1中所示之核燃料棒的截面图，

-图2是根据本发明的核燃料棒的立体图，

图3是依据本发明之内部将置放根据图2的燃料芯块堆叠的包壳的立体图。

具体实施方式

为了清晰起见，燃料芯块6和包壳2以及由这些元件组成的燃料棒1延伸所用的纵向轴用参考符号XX’来表示。

应指出的是：

-尺寸a和b是椭圆形包壳2的内部尺寸，

-尺寸A和B是椭圆形包壳2的外部尺寸，

-尺寸a’和b’适用于非截顶燃料芯块6，

-尺寸2*c是根据本发明截顶的燃料芯块2的长边长度。

图1显示根据本发明的核燃料棒1，所描绘的结构处于准备在核反应堆中投入使用的状态，换言之，以竖立位置而言，燃料芯块6在底部附近，这将在下文中详细说明。

燃料棒1包含由锆合金制成的包壳2，且一端被上插塞3封闭，另一端被下插塞4封闭。

包壳的内部实质上被划分为两个区室，其中一个区室5在顶部并形成一个气体膨胀室，且另一个区室6安置由核燃料芯块6堆叠所形成的裂变柱，每个核燃料芯块6都沿燃料棒1的纵向方向XX’延伸。

在所示堆叠中，每一个燃料芯块6都具有近乎相同的高度H。

螺旋形压缩弹簧7被放置在膨胀室5中，其下端对燃料芯块6堆叠施加压力，且另一端对上插塞3施加压力。

此弹簧7沿纵向轴XX’将燃料芯块6堆叠固定在适当的位置，并在燃料芯块6肿胀的期间“吸收”燃料芯块6的纵向肿胀，它还防止包壳部分其椭圆模式被压曲。

换言之，它防止包壳部分的极端椭圆化。

图1A显示图1中的燃料棒1的竖直截面。

根据本发明，环绕包壳2整个边缘的厚度是不变的，且包壳2一般是椭圆形。更确切地说，椭圆形包壳2的内表面200具有长度为2*a的长轴和长度为2*b的短轴。

在包壳长轴的每一端，燃料芯块6都具有一截顶椭圆形。换言之，燃料芯块6具有长度为2*c的截顶长轴和长度为2*b’的短轴。

应指出的是，尺寸c定义燃料芯块6之截顶平面与其中心的距离。

燃料芯块6与包壳2之间的均匀的径向组合件间隙j以燃料芯块之椭圆的边(换言之，顺着燃料芯块的整个长度2*c)来界定。换言之，一旦制成且在核反应堆中用作裂变材料之前，每个燃料芯块6都具有一个截顶椭圆形截面，若不计组合件间隙j，其半短轴的长度b’几乎等于包壳2之内表面20的短轴长度的一半b。

因此，自由体积或膨胀空隙60位于燃料芯块6的截顶长轴的两端，换言之，燃料芯块6之截顶边缘61与包壳2之内表面200之间。

因此，针对燃料棒1之截面的参数设定基于燃料芯块6的特征定义如下：

其椭圆因数或细长因数“a’/b’”，其中a’＝a-j，

其截短率“c/a’”。

发明人认为细长因数a’/b’应该至少等于1.5，以实现令人满意的热性能，典型地，在申请案WO2007/017503中已公开之板的值。

根据本发明的具有椭圆形截面的燃料棒1可以用于借由一直被保持处于比燃料元件要高的压力下的堆芯冷却剂而起作用的两类核反应堆。

第一个目标应用是具体用于压水反应堆(PWR)中的运转条件。

理论上来说制造燃料棒所用的材料与用于设计现有的标准燃料元件的构成材料可以是相同的，举例而言，现有的标准燃料元件有目前已知的圆形截面燃料棒：锆合金或M5合金(ZrNbO)用于包壳，而UO₂陶瓷或基于氧化铀和经过后处理的氧化钚的混合物用于燃料芯块。

第二个目标应用是具体用于气冷快堆(GCFR)，其运转条件为包壳温度高达300℃到900℃且快中子注量很高。用于制造燃料棒的构成材料可以是：难熔或半难熔金属，诸如，钒基合金或柔性陶瓷，像Ti₃SiC₂型MAX相，用于包壳，而陶瓷态(U，Pu)C或(U，Pu)O₂用于燃料芯块。

下文描述根据本发明的椭圆形截面燃料棒的一特定实施例。在此实施例中，燃料棒1被设计成满足标准压水反应堆(PWR)的运转条件。

出于参考目的，所使用的标准PWR反应堆的几何形状、材料和运转条件如下：

具有已知圆形截面燃料棒的尺寸：

包壳：外部直径Dext＝9.5mm，

内部直径Dint＝8.36mm，

燃料芯块：直径＝8.2mm，

材料：

包壳由M5合金制成，

燃料芯块由UO₂制成，

运转条件：

包壳外表面的温度，T＝342℃，冷却剂压力P＝155巴，

燃料每单位体积的功率＝320W/cm³，

燃耗率＝60000MWd/t。

根据这些关于具有已知圆形截面的燃料棒的参考数据，发明人提出将以下尺寸用于根据本发明的新椭圆形燃料棒：

燃料芯块的截面与具有标准圆形截面的燃料芯块相同；

椭圆因数a’/b’＝1.8；

截短率等于c/a’＝0.9，即针对燃料棒1所示的以下尺寸a’、b’、c：

a’＝5.61mm；

b’＝3.115mm；

c＝5.05mm。

包壳厚度0.57mm等于标准截面包壳的厚度；

径向组合件间隙等于具有标准圆形截面的燃烧棒中的燃料芯块与包壳之间的径向组合件间隙，其中

(根据本发明的燃料棒中的燃料芯块6与包壳2之间的组合件间隙j是沿椭圆形的短轴b测量出来的)，其中椭圆形截面包壳的尺寸如下：

大内部直径2*a＝5.69mm；

小内部直径2*b＝3.195mm；

大外部直径2*A＝6.26mm；

小外部直径2*B＝3.765mm。

与压水反应堆(PWR)中具有标准圆形截面的燃料棒的参考几何形状相比，根据本发明的具有椭圆形截面的燃料棒1的总截面增大了约4.4％，且燃料面积占据了约92.5％的包壳面积。

因此，总空隙j，60由燃料芯块6与包壳2之间最开始的径向组合件间隙j与借由燃料芯块6两端的截断61形成的空隙(截顶边缘61与包壳内表面20之间的空隙空间60)组成，约占包壳内截面的7.47％，等于∏*a*b。

在制造具有椭圆形截面的包壳2时没有特别的制造问题。

也可设想一种不同的压制操作来制造燃料芯块6。在上文给出的尺寸下，本发明中所考虑的细长度a’/b’等于1.8，这意味着可以设想正交地压制每个燃料芯块，换言之，沿其椭圆形截面的短轴a’所在方向压制，或换言之，在由其高度H限定的边缘上压制，而不是像具有圆形截面的燃料棒一样，沿圆柱轴XX’压制。

包壳为椭圆形还意味着烧结态燃料芯块可被放置在包壳中。发明人相信沿边缘H压制燃料芯块必然导致烧结后燃料芯块的厚度不均匀度减小，其原因在于燃料芯块内的压制密度更加均匀。

如上文所提到的，在PWR反应堆运转过程中，包壳为椭圆形将意味着，冷却剂一旦被增压，燃料芯块(除了空隙端60以外)的面就将与包壳接触，换言之，顺着整个长度2*c。

即使是在寿命开始时，燃料芯块6的热性质也不再依赖于燃料芯块6与包壳2之间的初始组合件间隙。

使用CAST3M有限元程序做数字模拟来对根据本发明的具有椭圆形截面并处在PWR参考运转条件下的燃料棒1的热性能和热机性能加以分析。

这种模拟以全程寿命假定燃料功率始终恒定，M5包壳材料和UO₂燃料的物理性质随温度、包壳材料和燃料的粘弹性性能(热蠕变和辐照蠕变)变化，材料在辐照下肿胀和燃料所产生的裂变气体的释放率约为6％(燃耗为60000MWd/t的圆形截面的燃料棒的典型值)为基础。

以下结果表明，对于以60000MWd/t的燃耗率来工作：

全程寿命控制好燃料温度；一旦产生能量，燃料芯块6与包壳2之间的径向间隙j就闭拢，且最高燃料温度在寿命起始温度683℃与寿命终止温度904℃之间变化。

此变化是由燃料受辐照而传导性下降，及由燃料释放的裂变气体使燃料芯块6与包壳2之间的热交换系数降低引起的。

由于截面是椭圆形，且由于沿热交换方向的燃料芯块的尺寸(其小直径)小于一个具有相同表面积的圆形燃料芯块的直径，所以燃料内的最高温度低于具有标准圆形截面的燃料棒内的温度。

燃料芯块的截面具有良好的整体热机性能。由于燃料芯块的椭圆形截面的蠕变受表面所达到的温度的控制，且由于在燃料芯块之截顶端61产生的空隙60所形成的热阻，所以截面变形得以控制。

在寿命的一开始，局部温度增高量(在边缘61)为136℃，高于与包壳接触的交换表面(在部分62)。

在寿命的最后，局部温度增高量(截顶边缘61与部分62之间)为220℃。

通过使截面的几何参数，即其椭圆因数a/b和其截短率c/a最优化获得了热平衡，热平衡控制截面的机械稳定性。显然，这些参数视各种应用而定，且它们的最优化取决于各种燃料芯块的运转条件和组成材料的机械性质，具体而言，热蠕变和辐照变化规律。

良好的热机性能还体现在能很好地控制由燃料棒中的燃料所释放的裂变气体所产生的内部压力。

燃料芯块之截顶端61处的空隙60形成另外的膨胀室，而具有标准圆形截面的燃料棒中不存在这样的膨胀室。

最后，良好的热机性能还体现在使燃料芯块6与包壳2发生使包壳变弯的机械相互作用。

所产生的弯曲应力位于包壳面对燃料芯块的截断61的端部区域200。

在运转过程中，包壳2中的蠕变将这些应力局限到小于100MPa的值。

因此，包壳实际上仅在椭圆模式中受压弯曲；它并不经历环束模式，好像包壳截面为标准圆形的燃料棒中发生的那样。

燃料芯块6之截面的变形主要由在燃料芯块之截顶椭圆截面的椭圆刚度的作用下朝向空隙端60的蠕变挤出来应付膨胀和膨胀变形来调整。

在不超出本发明架构的情况下，可设想其他改良和修改：

-对于应用于运行中的压水反应堆(PWR)，可以使用标准材料，即锆合金包壳2和UO₂燃料芯块6，或以贫化氧化铀和经过后处理的氧化钚，为基础的混合物，也称作Mox。通过控制根据本发明的具有椭圆形截面的燃料棒中的包壳材料和燃料的蠕变性能可使燃料棒性能最优化，

-对于应用于气冷快堆(GCFR)，如上文所述，使用在柔性金属和陶瓷材料范围内的柔性包壳是理想的。

Claims

1.一种核燃料棒(1)，沿纵向方向(XX’)延伸，包含多个彼此堆叠的燃料芯块(6)和一个由中子可穿透材料制成且环绕所述燃料芯块堆叠的包壳(2)，其中，在横穿纵向方向(XX’)的截面中：

-所述包壳大体为椭圆形形状，且内表面(20)的长轴长度为2*a，短轴长度为2*b，

-每一核燃料芯块(6)大体为在包壳长轴两端处被截顶的截顶椭圆形形状，若不计包壳中与燃料芯块的组合件间隙j，每一燃料芯块之短轴的长度2*b’等于包壳内表面之短轴的长度2*b，燃料芯块的截顶长轴的一半与包壳长轴的一半的长度差(c-a)远大于组合件间隙j。

2.如权利要求1所述之核燃料棒，其中顺着截顶长轴之长度2*c的包壳中燃料芯块的组合件间隙j小于或等于包壳长轴长度2*a的10％。

3.如前述任一权利要求所述之核燃料棒，用于一压水反应堆(PWR)，其中包壳由锆合金或M5合金(ZrNbO)制成，且燃料芯块由陶瓷材料制成，诸如，UO₂、(U，Pu)O₂，或以氧化铀和经过后处理的氧化钚为基础的混合物。

4.如权利要求1或2中任一权利要求所述之核燃料棒，用于一气冷快堆(GCFR)，其中包壳由难熔或半难熔金属材料制成，例如，像钒基合金或柔性陶瓷，举例而言，诸如，Ti₃SiC₂型MAX相，且燃料芯块由陶瓷材料制成，像(U，Pu)C、(U，Pu)O₂。

5.一种核燃料组合件，其包含多个如前述任一权利要求所述之核燃料棒在一栅格中排列在一起。

6.一种核燃料芯块(6)，其沿纵向方向(XX’)延伸，且横穿纵向方向(XX’)的截面具有大体为截顶椭圆形形状，并具有一截顶长轴。

7.一种制造核燃料芯块(6)的方法，所述核燃料芯块沿纵向方向(XX’)高度为H，且横穿其纵向方向(XX’)的截面具有大体为截顶椭圆形形状，并具有截顶长轴长度为2*c，短轴长度为2*b’，其中执行以下步骤：

-在所谓的制粒步骤中准备燃料粉末，

-在高度为H并具有长边长度为2*c且短边长度为2*b’的截顶椭圆形截面的一组模具中，将燃料粉末压制于生燃料芯块的边缘，

-烧结压制后的燃料芯块。

8.一种如权利要求7所述之制造方法，其中高度H与长边长度2*c之比H/(2*c)至少等于1.2。

9.一种在由中子可穿透的材料制成的包壳(2)中堆叠燃料芯块(6)以制造核燃料棒的方法，其中使用如权利要求8或9所述之制造方法直接制成的烧结态燃料芯块堆叠在大体为椭圆形的包壳的内部，若不计组合件间隙j，包壳内表面的短轴长度2*b等于燃料芯块短轴的长度2*b’，燃料芯块之截顶长轴的一半与包壳长轴的一半的长度差(c-a)远大于组合件间隙j。