CN107068207B - 核反应堆生燃料芯块和烧结燃料芯块、相应的燃料棒和燃料组件 - Google Patents

核反应堆生燃料芯块和烧结燃料芯块、相应的燃料棒和燃料组件 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于水核反应堆燃料棒(8)的烧结燃料芯块(1)，所述烧结燃料芯块包括沿中心轴线(A)延伸的外围壁(4)和两个端面(6)。所述端面(6)中的至少一个至少包括从所述外围壁(4)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有第一非零斜坡的第一倒角(12)和从所述第一倒角(12)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有第二非零斜坡的第二倒角(14)，其中，所述第一斜坡不同于所述第二斜坡。

Description

核反应堆生燃料芯块和烧结燃料芯块、相应的燃料棒和燃料 组件
本申请是2009年9月29日申请的、国际申请号为PCT/EP2009/062620、中国申请号为200980145830.0、发明名称为“核反应堆生燃料芯块和烧结燃料芯块、相应的燃料棒和燃料组件”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于轻水或重水核反应堆燃料棒的烧结燃料芯块，这种类型的烧结燃料芯块具有沿中心轴线延伸的外围壁和两个端面，其中，端面中的至少一个至少包括从外围壁向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第一非零斜坡的第一倒角。
背景技术
在包括俄罗斯设计VVER(Vodaa Vodiannee Energititscherski Reactor，或英文为Water Water Energy Reactor)的压水反应堆(PWR)、沸水反应堆(BWR)或加压重水反应堆(PHWR)中，每个核燃料棒包括由包壳围绕的一堆烧结燃料芯块。燃料芯块通过对生燃料芯块进行烧结获得，生燃料芯块主要由带有任意含量的同位素235的氧化铀和/或由可能添加了诸如Gd2O3的可燃毒物的氧化钚制成。
从WO-02/45096可获知上述类型的燃料芯块。盘状凹槽围绕中心轴线设置在端面的中心处，倒角和凹槽通过平坦的表面连接。
除了易于将燃料芯块装载在包壳中，倒角的主要作用是减小芯块制造和搬运期间芯块剥落的风险。
这样的剥落导致了最终芯块中的缺陷，其会在燃料棒周围流动的冷却剂中产生热点。这样的热点将阻碍燃料棒周围温度的均匀分布，从而降低了反应堆的效率。
通过芯块包壳相互作用(PCI)失效的燃料棒的热室检查(hot cell examination)表明失效归咎于显著地延伸到芯块端部的周向缺失芯块表面(Missing Pellet Surface,MPS)。由这样的剥落产生的燃料材料的碎片可陷在芯块的外围壁和包壳之间的间隙中且增加包壳上的机械应力，由于芯块包壳机械相互作用(PCMI)这可导致局部包壳失效。此外，归因于剥落的缺失芯块表面因为缺失包壳支承也可能对包壳产生较高的机械应力，而且，通过和热点相结合并由裂变产物增强，也可能导致包壳失效。这样的失效会导致放射性气体和材料泄漏进反应堆冷却剂和反应堆环境中。
尽管有倒角，WO-02/45096中公开的燃料芯块仍可能发生某些剥落。
本发明的目的是通过进一步降低剥落的风险来解决这个问题。
发明内容
为此目的，本发明涉及如上所述类型的烧结燃料芯块，该芯块还包括从第一倒角向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。
第二倒角防止出现第一倒角和第二倒角之间的尖锐边缘(这将在下文中描述)，以保证两个叠置芯块之间的接触保持柔和。由此也降低了剥落的风险。
根据烧结燃料芯块的其他特征：
-第一斜坡大于第二斜坡；
-第一斜坡大致在7°至40°之间；
-第二斜坡大致在0.2°至10°之间；
-第二斜坡大致在0.4°至9°之间；
-外围壁大致是圆柱形的；
-端面相对于大致垂直于中心轴线并大致在外围壁中间横穿外围壁的平面大致上是对称的；
-外围壁的长度和外围壁的直径之间的比率大致在0.4至2之间；和
-每个端面至少包括从外围壁向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和从第一倒角向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。
根据另一方面，本发明涉及用于水核反应堆燃料棒的生燃料芯块，用于进行烧结以获得如上所述的烧结燃料芯块，生燃料芯块包括沿中心轴线延伸的外围壁和两个端面，其中，端面中的至少一个至少包括从外围壁向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和从第一倒角向中心轴线延伸并相对于垂直于中心轴线的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。
如上所述，生燃料芯块的第二倒角保证在烧结芯块中燃料棒中的两个叠置芯块之间的柔和接触，并且减小这种接触引起的剥落的风险。即使烧结工序执行时间过长，第二倒角也将至多变成平坦的表面。烧结芯块将由此具有常规的形状，而尖锐的边缘的风险降低了。
根据生燃料芯块的其他特征：
-第一斜坡大致在7°至40°之间；
-第二斜坡大致在0.2°至10°之间；和
-第二斜坡大致在0.4°至9°之间。
根据另一方面，本发明涉及用于水核反应堆燃料组件的燃料棒，包括包壳和在包壳中的一摞烧结燃料芯块，烧结燃料芯块中的至少一个是如上所述的芯块。
根据另一方面，本发明涉及水核燃料反应堆组件，包括构架和燃料棒的束，其中燃料棒中的至少一个是如上所述的燃料棒。
附图说明
在阅读通过举例的方式和参照附图进行的以下描述后，本发明的其他方面和优点将得到展现，附图中：
图1是根据本发明的一种烧结燃料芯块的示意性剖视图，
图2是图1的区域II的放大图，
图3是根据本发明的一种燃料棒的示意性剖视图，
图4是根据本发明的一种核燃料组件的示意性侧视图。
具体实施方式
图1示出烧结燃料芯块1，包括外围壁4和两个端面6。烧结燃料芯块1计划放置在包壳7中且与其他相似的烧结燃料芯块叠置，以形成水核反应堆燃料棒8，如图3所示。这样的燃料棒8将被引入核燃料组件10的燃料棒束9中，这个束9由构架11保持，如图4所示。
图4示出用于PWR的带有方形阵列的典型燃料组件10。用于VVER的燃料组件10通常具有六边形阵列。用于BWR和PHWR燃料组件的结构也是不同的，但是燃料芯块和燃料棒是相似的，其尺寸适于每种特定的设计。在所有情况中，包壳7比如由锆基合金制成。
外围壁4在轴向上沿中心轴线A延伸，端面6从外围壁4的边缘向中心轴线A延伸。
对于用在PWR中的燃料芯块1来说，取决于燃料组件阵列(主要为14×14至19×19)，外围壁4的直径D一般大致在7.4mm到9.8mm之间。比如，用于17×17PWR燃料组件的燃料芯块1的直径D通常约为8.192mm。用于VVER燃料芯块1的值相似：比如，对于VVER-1000来说，D通常在7.51mm至7.60mm之间变化。
对于在BWR中使用的燃料芯块1来说，取决于燃料组件阵列(主要为6×6至13×13)，外围壁4的直径D一般大致在8.0mm到10.3mm之间(对于6×6最老的设计来说能增加到12.25mm)。比如，用于10×10BWR燃料组件的燃料芯块1的直径D通常约为8.670mm。
对于在PHWR中使用的燃料芯块1来说，取决于燃料组件阵列，外围壁4的直径D一般大致在12.0mm到15.3mm之间。比如，用于19元件束PHWR燃料组件的燃料芯块1的直径D通常约为14.3mm。
在所有这些情况中，外围壁4的长度H和直径D之间的比率(即H/D)大致在0.6至2之间。比如，对于17×17PWR燃料芯块来说，典型的H/D比率约为1.6，对于VVER燃料芯块来说约为0.7，对于10×10BWR燃料芯块来说约为1.2，及对于PHWR燃料芯块来说约为1.7。
根据另一个实施例，燃料芯块1可以具有如WO-02/45096中所公开的减小的H/D比率。在这样的燃料芯块1中，对于大致等于8.192mm的直径D来说，H/D比率比如在0.4至0.6之间，优选等于0.5。
在所示的实施例中，端面6相对于平面P大致是对称的，平面P大致垂直于中心轴线A并大致在外围壁4中间横穿外围壁4。因此，将参照图1和图2仅描述上端面6。
端面6包括第一倒角12，该第一倒角12从外围壁4向中心轴线A延伸并具有第一非零斜坡。第一斜坡由第一倒角12和垂直于中心轴线A的平面P’之间的角α限定。角α大致在7°至40°之间。在一个特定的实施例中，角α大致等于18°。第一倒角12沿轴线A的尺寸h大致在0.10mm至0.20mm之间，优选等于0.15mm。第一倒角12沿平面P’的尺寸l大致在0.26mm至0.66mm之间，优选等于0.46mm。
第一倒角12使得能够减小制造期间燃料芯块1的剥落，并易于将燃料芯块1装载在包壳7中。通过防止外围壁4和端面6之间的尖角，第一倒角12还减小了该装载期间损及燃料芯块1的风险。
端面6还包括第二倒角14，该第二倒角14从第一倒角12向中心轴线A延伸并具有与第一斜坡不同的第二非零斜坡。第二斜坡由第二倒角14和平面P’之间的角β限定。角β大致在0.2°至10°之间。特别地，角β大致在0.4°至9°之间。在一个特定的实施例中，角β大致等于3°。第一倒角12和第二倒角14沿轴线A的尺寸h’大致在0.15mm至0.25mm之间，优选等于0.20mm。第二倒角14沿平面P’的尺寸l’大致在0.64mm至1.34mm之间，优选等于0.99mm。
第一和第二斜坡具有相同的设计，并朝向燃料芯块1的外侧，如图2所示。相对较“陡”的第一斜坡比相对较“缓”的第二斜坡更大。
根据一个实施例，第一和第二倒角12和14在端面6的整个外围上延伸。
当燃料芯块1叠置在包壳7中以形成燃料棒8时，第二倒角14形成燃料芯块1与其相邻芯块的接触面。
根据图1至图3所示的实施例，端面6还包括盘状凹槽16，该盘状凹槽16从第二倒角14绕着中心轴线A延伸。凹槽16适于在核燃料棒8用在核反应堆中时使燃料芯块1能够轴向热膨胀。
凹槽16的最大深度位于中心轴线A上，且比如大致在0.1mm至0.5mm之间，优选在0.2mm至0.4mm之间。
对于在水反应堆中使用的燃料芯块1，凹槽16的直径大致在4.5mm至7.2mm之间。在一个特定的实施例中，对于直径D大致等于8.192mm的外围壁4，凹槽16的直径大致等于5.3mm，对于直径D大致等于9.33mm的外围壁4，凹槽16的直径大致等于6.4mm。这样的盘状凹槽16和其作用在燃料芯块中是公知的，将不会在本文中详细描述。
根据另一个实施例(未在此处呈现)，燃料芯块可以具有一个中心孔而不是盘状凹槽16，或者除了盘状凹槽16之外，还具有一个中心孔。中心孔从一个端面6延伸到相对的端面6，并在中心轴线A周围中心定位。孔的直径比如在1至2mm的范围内，即使可能已测试更高的值。这样的中心孔和其作用在燃料芯块中是公知的，将不会在本文中详细描述。
上述的烧结燃料芯块1通过烧结生燃料芯块获得。
生燃料芯块通过下述方式获得：将燃料材料(比如，包括带有任意含量的同位素235的氧化铀和/或可能添加了诸如Gd2O3的可燃毒物的氧化钚的粉末)压缩进合适的模型，以使外围壁4大致是圆柱形的。有可能使用除氧化铀和/或氧化钚之外的其他裂变材料、或添加除了可燃毒物之外的其他或额外的添加物(比如微孔形成剂、润滑剂......)以获得生芯块。
生燃料芯块和烧结燃料芯块1具有大致相同的形状，尺寸稍微大于烧结燃料芯块1，这意味着生燃料芯块也包括外围壁4和两个端面6，每个端面6包括第一倒角12和第二倒角14、及根据附图显示的实施例的盘状凹槽16。
生燃料芯块经过烧结并可以调整以获得上述烧结燃料芯块1的最终形状和尺寸。
在生燃料芯块的烧结步骤中，由于燃料材料的浓缩，第二倒角14倾向于沿轴向运动。由于第二斜坡，不管制造公差如何，接触面将总是呈现为相同符号的第二斜坡，而非第一倒角12的第一斜坡。即使烧结工序执行时间过长，第二倒角14也将至多变成平坦的表面。
这将防止在第一倒角12和由第二倒角14形成的接触面之间出现尖锐的边缘。由此保证两个叠置燃料芯块1之间的接触面为柔和的，从而剥落的风险降低，叠置芯块之间的接触点移至盘状凹槽的边缘。
事实上，发明人惊讶地发现，在现有技术的芯块中，剥落的风险与生芯块的烧结期间芯块的接触面和第一倒角12之间的尖锐边缘的出现是相关联的。
在现有技术的燃料芯块中，计划处于水平的接触面由于烧结步骤，实际上可能呈现为朝向芯块的内部并相对于倒角的斜坡颠倒的斜坡。
因此，尖锐的边缘可能在倒角和接触面之间出现。
通过本发明的第二倒角14，防止了出现这样的尖锐边缘。本发明的生和烧结燃料芯块1由此可具有更好的使用表现，并使表面缺陷得到了相当大地减少，这极大提升了产量。而且，降低了包壳失效的风险。
如上所述，本发明的燃料芯块1适于用在包括VVER的PWR中，以及BWR或PHWR中。燃料芯块1的总体形状对于用于这些不同类型的反应堆而言相同，只有燃料芯块1的尺寸需要相应改动。
上述燃料芯块1的形状的其他变型是可能的。比如，盘状凹槽16可被平坦的表面替代，或可在中心轴线A周围设置孔以使燃料芯块1具有环形的形状。凹槽16的形状也可修改。比如，凹槽16可以是截锥形的。
根据另一变型，端面6每个具有不同的形状或具有不同的斜坡尺寸、凹槽尺寸等。因此，端面6并非必须相对于平面P对称。

Claims (16)

1.一种用于水核反应堆燃料棒(8)的烧结燃料芯块(1)，包括沿中心轴线(A)延伸的外围壁(4)、以及两个端面(6)，其中，所述两个端面(6)中的至少一个端面至少包括第一倒角(12)和第二倒角(14)，所述第一倒角从所述外围壁(4)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有非零的第一斜坡，所述第二倒角从所述第一倒角(12)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有非零的第二斜坡，其中，所述第一斜坡不同于所述第二斜坡，并且其中，所述至少一个端面包括盘状的凹槽(16)，该盘状的凹槽从所述第二倒角(14)绕着所述中心轴线(A)延伸，从而当所述烧结燃料芯块叠置在包壳中时，所述第二倒角(14)形成所述烧结燃料芯块与其相邻烧结燃料芯块的接触面；所述第二倒角沿着垂直于所述中心轴线的平面的尺寸在0.64mm到1.34mm之间。
2.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块，其中，所述第一斜坡大于所述第二斜坡。
3.根据权利要求1或2所述的烧结燃料芯块，其中，所述第一斜坡大致在7°至40°之间。
4.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块，其中，所述第二斜坡大致在0.2°至10°之间。
5.根据权利要求4所述的烧结燃料芯块，其中，所述第二斜坡大致在0.4°至9°之间。
6.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块，其中，所述外围壁(4)大致是圆柱形的。
7.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块，其中，所述端面(6)相对于大致垂直于所述中心轴线(A)并大致在所述外围壁中间横穿所述外围壁(4)的平面(P)大致上是对称的。
8.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块，其中，所述外围壁(4)的长度(H)和所述外围壁(4)的直径(D)之间的比率大致在0.4至2之间。
9.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块(1)，其中，每个端面(6)都包括所述第一倒角(12)和所述第二倒角(14)。
10.根据权利要求1所述的烧结燃料芯块(1)，其中，所述至少一个端面包括另一表面，所述第二倒角从第一倒角的边缘延伸到所述另一表面的边缘，所述第二倒角比所述第一倒角和所述另一表面轴向突出更远以形成当所述烧结燃料芯块和相邻烧结燃料芯块叠置在包壳中以形成燃料棒时所述烧结燃料芯块的用于接触所述相邻烧结燃料芯块的接触面，所述另一表面限定所述盘状的凹槽。
11.一种用于水核反应堆燃料棒(8)的生燃料芯块，用于进行烧结以获得根据权利要求1至10中的任一权利要求所述的烧结燃料芯块(1)，所述生燃料芯块包括沿中心轴线(A)延伸的外围壁(4)、以及两个端面(6)，其中，所述两个端面(6)中的至少一个端面至少包括第一倒角(12)和第二倒角(14)，所述第一倒角从所述外围壁(4)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有非零的第一斜坡，所述第二倒角从所述第一倒角(12)向所述中心轴线(A)延伸并相对于垂直于所述中心轴线(A)的平面具有非零的第二斜坡，其中，所述第一斜坡不同于所述第二斜坡；所述第二倒角沿着垂直于所述中心轴线的平面的尺寸在0.64mm到1.34mm之间。
12.根据权利要求11所述的生燃料芯块，其中，所述第一斜坡大致在7°至40°之间。
13.根据权利要求11或12所述的生燃料芯块，其中，所述第二斜坡大致在0.2°至10°之间。
14.根据权利要求13所述的生燃料芯块，其中，所述第二斜坡大致在0.4°至9°之间。
15.一种用于核燃料组件(10)的燃料棒(8)，包括包壳(7)和在所述包壳(7)中的一摞烧结燃料芯块(1)，所述烧结燃料芯块(1)中的至少一个是根据权利要求1至10中的任一权利要求所述的烧结燃料芯块。
16.一种核燃料组件(10)，包括构架(11)、以及燃料棒(8)的束(9)，其中所述燃料棒(8)中的至少一个是根据权利要求15所述的燃料棒。
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