CN107949885A - 用于存储和/或运输核燃料组件的经改进的存储装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于存储和/或运输核燃料组件的存储装置，该存储装置包括由分隔的隔板(9)限定的腔体(2)，该分隔的隔板限定第一和第二腔体(2)，该隔板包括：两个第一壁(22)，其限定第一腔体和第二腔体并且由不含中子吸收元素的铝合金材料制成，并且两个第一壁在它们之间限定出第一内壁空间(28)；两个第二壁(30)，其被布置在第一空间(28)中并且由包括中子吸收元素的材料制成，每个第二壁(30)的内表面(36)和外表面(34)之间的距离限定出厚度(e2)，并且在每个第二壁的外表面(34)与正中分割平面(20)之间限定出距离(E)，所述值满足条件0.1≤e2/E≤0.43。

Description

用于存储和/或运输核燃料组件的经改进的存储装置

技术领域

本发明涉及存储和/或运输PWR(压水式反应堆)型核燃料组件的领域，该核燃料组件可以是经辐照的(UO2(二氧化铀)燃料或MOX(金属氧化物)燃料的情况)，或者当燃料是MOX燃料时不是经辐照的。

背景技术

这种装置(也被称为存储“筐(panier)”或存储“架(ratelier)”)包括多个相邻的腔体(logement)，每个腔体能够容纳核燃料组件。

旨在容纳在封装体(emballage)的空腔中的该存储装置被设计为能够同时达到三项基本功能，这三项基本功能将在下面进行简要的说明。

第一功能是燃料组件释放的热量的热传递功能。一般而言，使用导热性能良好的铝或铝合金。

第二功能涉及中子吸收，以及当存储装置装载有燃料组件时，对保持存储装置的亚临界状态的担心。这是通过使用诸如硼之类的中子吸收材料来实现的。此外，还可以通过提供可能被填充水的空间(例如，在形成存储装置的腔体的隔板内)来确保亚临界状态。

最后，第三基本功能涉及装置的机械强度，这主要是通过使用最常用刚制成的结构元件来确保。要注意的是，装置的整体机械强度必须符合运输/暂时存储核材料的管理安全要求，尤其是关于所谓的“自由落体”试验。

在文件FR 2872955和FR 2650113中，公开了存储筐，其中以分离的元件来分别确保一些功能。在这些文件提出的方案中，对于每个隔板，铝基外壁的厚度被设置成实现令人满意的导热性能。这两个外壁的厚度取决于为了实现封装体的紧凑性目标(目的是在该封装体的给定容积的空腔中容纳尽可能多的燃料组件)而预先确定的隔板的总厚度。

然后，在文件FR 2650113中描述的设计的情况下，确定位于铝壁之间的中子吸收材料的壁的厚度，以及这些壁的中子吸收元素的含量。目的在于检查筐以及燃料组件所在的封装体所形成的封装件的亚临界状态。所寻求的标准通常是临界因子K_eff+3σ小于或等于0.95。

为了确定这些厚度，计算时要考虑到封装体在水下进行装载的配置中的情况。存在于筐的腔体中的水增加了封装件内的反应率。但是，当在装备隔板的中子吸收材料的壁之间引入水时，这使得能够提高中子吸收元素的效率，并因此减少组件之间的中子相互作用。由此，隔板在腔体之间起着中子绝缘的作用。

然而，在现有方案中，要在整体重量和成本方面找到令人满意的折中方法是很复杂的。实际上，增加中子吸收材料的壁的厚度表现为降低这些壁中的中子吸收元素的含量从而降低其成本的方案。然而，为达到亚临界状态的标准，在基本不减少中子吸收元素的必要含量的情况下，这对于筐的整体重量有很大的不利影响。为了实现令人满意的中子吸收元素的含量，主要应该提供超尺寸的壁厚度，而这与封装操作要求是不兼容的。

发明内容

因此，本发明的目的是至少部分地克服与现有技术的实施例有关的上述缺点。

为此，本发明的目的是提供一种用于暂时存储和/或运输PWR型核燃料组件的存储装置，所述装置旨在被容纳在封装体的空腔中并且包括多个相邻的腔体，每个腔体旨在容纳核燃料组件，该腔体由分隔的隔板界定，该隔板中的至少一个在其两侧界定核燃料组件的第一腔体和第二腔体。

根据本发明，所述隔板包括：

-两个第一壁，每个第一壁分别通过其外表面部分地界定出所述第一和第二腔体，两个第一壁由不含中子吸收元素的铝合金的第一材料制成，两个第一壁在它们之间界定出第一内壁空间；

-两个第二壁，被布置在第一内壁空间中并且由第二材料制成，该第二材料包括中子吸收元素并且不同于第一材料，每个第二壁具有外表面以及内表面，该外表面面对两个第一壁中的一个，内表面被布置成使得两个第二壁的两个内表面面对彼此并且在它们之间界定出第二内壁空间，每个第二壁的内表面和外表面之间的距离限定出厚度e2，而在每个第二壁的外表面和平行于第一壁和第二壁的正中分割平面之间限定出距离E，厚度e2和距离E满足以下条件：

0.1≤e2/E≤0.43。

令人惊奇的是，该特定的尺寸使得能够确保令人满意的亚临界状态功能，同时限制：

-第二壁的容积/质量，这证明对满足操作需求是有益的；

-第二材料中的中子吸收元素的容积含量，从而限制第二壁的购买成本/生产成本；

-中子吸收元素的总量，以大幅节省资金；

-对构成要素进行资格审查的困难，这也可以节省资金；

-第一壁的成本，这是工业中传统的、常见的要素；

-对实现第一壁的适当传热特性的困难，因为第一壁不含中子吸收元素。

换言之，本发明示出了受限制的隔板尺寸范围的存在，使得能够实现所有上述优点。在这方面，要注意的是，已知位于水隙(在加载/卸载条件下水隙将被引入第二内壁空间)中的氢原子的量(这些氢原子直接有助于中子慢化)与第二壁中的中子吸收元素(为了吸收已经被水隙慢化的中子)的量之间存在强相互作用。然而，现有技术中的任何要素都不能使预测这种狭窄的尺寸范围的存在并实现所有令人满意的施加标准成为可能。

另一方面，本发明至少具有以下任一可选特性，可以单独或组合的形式。

为了获得更有效的折中，厚度e2和距离E满足以下条件：

0.15≤e2/E≤0.32

距离E介于20mm至30mm之间。

第二材料包括选自硼和镉的中子吸收元素，即使可以考虑其他中子吸收元素，也不偏离本发明的范围。

每个第二壁例如采取沉积在第一壁的内表面上的涂层的形式压靠在相关联的第一壁上。

可选地，每个第二壁和相关联的第一壁之间存有间隙J，该间隙J介于1mm至5mm之间。一旦排出封装体，则该数值的范围可以提供两壁之间的干燥效率。

存储装置具有介于四个腔体至二十四个腔体之间的多个腔体，每个腔体旨在容纳核燃料组件。

腔体中的至少一个腔体具有四边形形状的截面。

隔板中的至少一些是使用有凹口的结构组件制成的，该结构组件相交并且沿着平行于腔体的轴线的堆叠方向堆叠。

可选地，所述隔板中的至少一些部分地使用管状元件制成，每个管状元件在内部限定所述腔体中的一个，这些管状元件的壁构成了隔板的所述第一壁。在该可选方案中，第二壁在外部被固定至管状元件。

本发明还有一个目的是提供一种用于暂时存储和/或运输PWR型核燃料组件的封装体，该封装体包括空腔，该空腔容纳有上述提及的存储装置。

最终，本发明的目的是提供一种封装件，该封装件包括这种封装体以布置在该封装体的存储装置的腔体中的燃料组件。

本发明的其他优点和特征将出现在以下非限制性的详细描述中。

附图说明

本说明将根据附图进行，附图中：

-图1表示根据本发明的用于暂时存储和/或运输核燃料组件的存储装置的透视图；

-图2是沿着图1的横向平面P截取的部分横截面视图；

-图3表示图2所示的存储装置的隔板的横向截面视图；

-图4是包括三条曲线的曲线图，这三条曲线示出了隔板的第二壁中的碳化硼的含量随与这些第二壁相关联的尺寸比率而变化；

-图5a和图5b示出了用于存储装置的隔板的第一可能的设计；以及

-图6表示用于存储装置的隔板的第二可能的设计。

具体实施方式

参考图1和图2，示出了一种存储装置1，将该存储装置1放置在封装体(未示出)的空腔内，用于运输和/或暂时存储PWR类型的经辐照的核燃料组件(未示出)。通常，当封装体容纳有存储装置1并且该存储装置1装载有经辐照的燃料组件时，所有的这些元件形成封装件，该封装件也是本发明的一个目标。

如图1和图2所示，存储装置1包括多个平行布置的相邻的腔体2，每个腔体2沿着纵向轴线4进行延伸。每个腔体2能够容纳至少一个正方形截面的燃料组件，并且优选地是单个正方形截面的燃料组件。腔体的数量在四到二十四之间，例如，图1中的十二个腔体。

因此，腔体2被设置为彼此并列放置。这些腔体是通过平行于轴线4的多个分隔的隔板9、11构成的，隔板9、11还平行于穿过封装体的底部和封装体的盖子的纵向轴线。使用有凹口的结构组件6a、6b形成隔板9、11，该隔板9、11沿着堆叠方向8进行堆叠，该堆叠方向8优选地平行于腔体2的纵向轴线4。按照惯例，在下面的说明中，假定“高度”的概念与堆叠方向8相关联。

将隔板9、11布置为彼此平行和彼此垂直，以使得组件6a位于彼此平行的位置，而组件6b也位于彼此平行的位置，但是组件6b垂直于组件6a。

当结构组件6a、6b沿着堆叠方向8进行堆叠时，由此产生的隔板9、11一起界定出腔体2，每个腔体2具有基本上正方形形状的横向截面。当然，腔体2可以具有任何其他形状，以允许腔体2能够保持诸如六边形之类的不同形状的燃料组件。

在图1和图2所示的存储装置1中，腔体2是正方形截面，结构组件6a形成平行于方向10的分隔的隔板9，而结构组件6b形成平行于方向12的分隔的隔板11，方向8、10和12彼此垂直。

优选地，每个组件6a、6b在两个外围隔板14之间进行延伸并且固定在两个外围隔板14之间，这些外围隔板14使得能够侧向封闭存储装置1。通过指示性示例以及所示出的示例，可以提供四个外围隔板14，每个外围隔板14在装置1的整个高度上进行延伸，并且部分地界定出该装置1的外围腔体2。

另一方面，从上面可以清楚地看出，隔板9、11参与了其两侧的多个腔体2的界定。在这方面，图3示出了分隔的隔板9中的一个的一部分，该部分在隔板9的两侧界定出第一腔体2和第二腔体2，这两个腔体的两个轴线4位于与隔板9的平面正交的虚拟平面中。图3仅示出了两个腔体2，但是如前所述，应该理解的是，该隔板9优选地被设置为在其两侧界定一个或多个其他腔体2。现在将更详细的描述图3的隔板9，并且要考虑到的是，其他隔板9以及上述隔板11具有相同或相似设计。

隔板9沿着与图1的横向平面P正交的正中面20具有对称性。在该平面20的每一侧，隔板9包括与正中面20平行的第一壁22，并且该第一壁22包括外表面24和内表面26。外表面24部分地界定出相关联的腔体2，而两个壁22的两个内表面26在它们之间界定出第一内壁空间28。

第一壁22是由不含中子吸收元素的铝合金制成的。结果表明，中子吸收元素指的是热中子的有效截面大于100靶恩(barn)的元素。通过指示性示例，第一壁22是不含硼、钆、铪、镉、铟等元素的铝合金。

在堆叠和相交的有凹口的组件的设计的情况下，每个第一壁22因此沿着装置1的高度方向进行分段。

例如，每个第一壁22的厚度e1介于5mm至25mm之间，而将两个外表面24分隔开的距离“a”约处于40mm至100mm的范围内，将两个内表面26分隔开的距离“d”约处于30mm至60mm的范围内。

在第一内壁空间28中，第二壁30平行于与每个第一壁22相关联的正中面20。每个壁30包括外表面34和内表面36。外表面34面对其相关联的第一壁的内表面26，而两个内表面36面对彼此并且在它们之间界定出第二内壁空间38。

第二壁30由第二材料制成，该第二材料包括中子吸收元素，例如包括碳化硼(B₄C)的合金，优选铝基合金。

在堆叠和相交的有凹口的组件的设计的情况下，每个第二壁22也沿着装置1的高度方向进行分段。

在图3所示的实施例中，在内表面26和与其面对的外表面34之间设置有间隙J。该间隙J例如介于1mm至5mm之间，以便一旦封装体被排水，则可以在两个壁22、30之间提供适当的干燥效率。可选地，第二壁30可以压靠在其相关联的第一壁的内表面26上，以限制水的渗透。为此，可采用将第二壁30沉积在第一壁22上的技术，例如，使得第二壁采取沉积在内表面26上的涂层的形式。例如，第二壁可以是复合材料，该复合材料包括装载有粒子的金属基质，该金属基质包括中子吸收元素。

例如，每个第一壁22的厚度e2介于2mm至10mm之间，而将外表面34与正中面20分隔开的距离“E”例如介于15mm至40mm之间，并且进一步优选介于20mm至30mm之间。

本发明的特征之一在于选择厚度e2和距离E的尺寸，以使得在对应于E为23.5mm以及使Keff+3σ通过25％的最大碳化硼(B₄C)含量得到满足的e2值的情况下，厚度e2和距离E满足条件：0.1≤e2/E≤0.43，更优选地0.15≤e2/E≤0.32。

实际上，已经注意到的是，这些尺寸比率的范围有利地使得隔板满足于成本、重量以及亚临界状态的标准。

现在参照图4，该图示出了一曲线图，图中的曲线(a)、(b)和(c)表示随比率e2/E变化的铝合金中的碳化硼的容积含量，该容积含量是实现0.95的临界因子Keff+3σ所必需的。

对于曲线(a)，将距离E设置为23.5mm，而对于曲线(b)，距离E设置为20mm，以及对于曲线(c)，距离E设置为30mm。

令人惊奇的是，这些曲线示出了：对于介于0.1至0.43之间的e2/E比率，足以满足亚临界状态标准的碳化硼的容积含量不超过26％，从而使第二壁30能够以合理的成本进行制造。

还令人惊奇的是，这些曲线示出了：无论E值如何，满足亚临界状态标准的最低含量对应于同一e2/E比率，该最佳比率Rop基本等于0.23。因此，这三条曲线是沿着对应于碳化硼含量的纵轴进行轴向偏移。E值越高，所需要的碳化硼的容积含量就越低，反之亦然。

当e2/E比率为0.23，且E值高于20时，该含量甚至可以减小至25％左右。

对于高于或等于23.5mm的E值，当e2/E比率设置在0.2至0.25之间时，该含量进一步减小至小于23％。

现在参照图5a和图5b，以组装时的两种不同的配置示出了用于形成隔板9、11的组件6a、6b。这些组件6a、6b的每一个都具有将两个第二壁30分隔开的分隔件40。组件6a、6b在第一壁22处配备有凹口42，以使得能够按照文件FR 2872922中所描述的方式，通过堆叠和相交来组装组件6a、6b。此外，结果表明，第二壁22不在相交的部分进行延伸，使得第二壁22沿着每个组件6a、6b中断。这使得能够节省资金，而不会在相交区域具有很低的临界因子的情况下使亚临界状态的标准变得脆弱。

根据图6示出的另一实施例，提供有正方形的横向截面的管状元件50，每个管状元件50限定腔体2中的一个。管状元件50的四个壁中的全部或仅一些形成第一壁22，该第一壁22在外部涂覆有第二壁30。因此，由两个相邻管子50的面对部分形成隔板9。

当然，本领域技术人员可以对先前仅通过非限制性示例描述的存储装置1进行各种修改。

Claims (13)

1.一种用于暂时存储和/或运输PWR型核燃料组件的存储装置(1)，所述装置旨在被容纳在封装体的空腔中并且包括多个相邻的腔体(2)，每个所述腔体旨在容纳核燃料组件，所述腔体(2)由分隔的隔板(9，11)界定，所述隔板中的至少一个在其两侧界定第一和第二腔体(2)，

其特征在于，所述隔板(9，11)包括：

-两个第一壁(22)，每个所述第一壁分别通过其外表面(24)部分地界定出所述第一和第二腔体(2，2)，两个第一壁(22)由不含中子吸收元素的铝合金的第一材料制成，所述两个第一壁在它们之间界定出第一内壁空间(28)；

-两个第二壁(30)，所述两个第二壁被布置在所述第一内壁空间(28)中并且由第二材料制成，所述第二材料包括中子吸收元素并且不同于所述第一材料，每个第二壁具有外表面(34)以及内表面(36)，所述外表面面对两个第一壁(22)中的一个，所述内表面被布置成使得所述两个第二壁的两个内表面(36)面对彼此并且在它们之间界定出第二内壁空间(38)，每个第二壁(30)的所述内表面(36)和所述外表面(34)之间的距离限定出厚度(e2)，而在每个第二壁的所述外表面(34)和平行于所述第一壁和所述第二壁(22，30)的正中分割平面(20)之间限定出距离(E)，

所述装置的特征还在于，所述厚度(e2)和所述距离(E)满足以下条件：

0.1≤e2/E≤0.43。

2.根据权利要求1所述的存储装置，其特征在于，所述厚度(e2)和所述距离(E)满足以下条件：

0.15≤e2/E≤0.32。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的存储装置，其特征在于，所述距离(E)介于20mm至30mm之间。

4.根据前述权利要求中任一项所述的存储装置，其特征在于，所述第二材料包括选自硼和镉的中子吸收元素。

5.根据前述权利要求中任一项所述的存储装置，其特征在于，每个第二壁(30)例如采取沉积在所述第一壁(22)的内表面(26)上的涂层的形式压靠在相关联的所述第一壁(22)上。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的存储装置，其特征在于，每个第二壁(30)和相关联的所述第一壁(22)之间存在有间隙(J)，所述间隙(J)介于1mm至5mm之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的存储装置，其特征在于，所述存储装置具有介于四个腔体至二十四个腔体之间的多个腔体(2)，每个腔体旨在容纳核燃料组件。

8.根据前述权利要求中任一项所述的存储装置，其特征在于，所述腔体(2)中的至少一个腔体具有四边形形状的截面。

9.根据前述权利要求中任一项所述的存储装置，其特征在于，所述隔板(9，11)中的至少一些是使用有凹口的结构组件(6a，6b)制成的，所述结构组件相交并且沿着平行于所述腔体(2)的轴线(4)的堆叠方向堆叠。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的存储装置，其特征在于，所述隔板(9，11)中的至少一些部分地使用管状元件(50)制成，每个所述管状元件在内部限定所述腔体(2)中的一个，这些管状元件的壁构成了所述隔板(9，11)的所述第一壁(22)。

11.根据权利要求10所述的存储装置，其特征在于，所述第二壁(30)在外部被固定至所述管状元件(50)。

12.一种用于暂时存储和/或运输PWR型核燃料组件的封装体，所述封装体包括空腔，所述空腔容纳有根据前述权利要求中任一项所述的存储装置。

13.一种封装件，包括根据权利要求12所述的封装体以及布置在所述封装体的存储装置的腔体中的燃料组件。