CN116348964A - 核燃料棒和制造方法 - Google Patents

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Abstract

核燃料棒包括容纳在包壳(4)中的核燃料，包壳(4)包括管(6)和两个端帽(8)，管(6)沿着中心轴线(A)延伸并且具有两个端部，每个端帽(8)紧固到管(6)的相应的端部上，密封地封闭该端部。管(6)被从管(6)的一个端部到另一个端部在管(16)的整个长度上延伸的管涂层(16)覆盖。

Description

核燃料棒和制造方法
技术领域
本发明涉及特别是用于轻水反应堆的核燃料棒的领域。
背景技术
在轻水反应堆中使用的核燃料组件通常包括核燃料棒束，每个核燃料棒包括容纳核燃料的包壳，该包壳由在两个端部中的每个端部处被插塞封闭的包壳管组成。
每个插塞例如焊接到管的对应的端部上，以便以密封的方式封闭管。可使用不同的焊接技术将每个插塞附接到管上，例如TIG焊接(利用钨电极的惰性气氛电弧焊)、激光焊接或电子束焊接。
管和插塞通常由金属制成。它们由锆或锆合金制成，例如，锆锡合金类型的锆合金。
为了保护包壳免受在核反应堆的运行期间包壳所在的特别具有侵蚀性的环境的影响，可以为管提供外部保护涂层，例如由铬或铬合金制成的保护涂层。
管上保护涂层的存在可能对在管与插塞之间形成的焊缝有负面影响。所产生的焊缝可能会被弱化和/或对腐蚀敏感。
为了限制这样的风险，将保护涂层沉积在管的大部分长度上，而不涂覆管的焊接插塞的端部分。因此，保护涂层不会污染在管与每个插塞之间形成的焊缝。
然而，管的未用保护涂层覆盖的部分形成管和棒的弱化区域，因为这些部分对于严重磨损或腐蚀(包括在意外状况下的高温氧化)可能更敏感。
发明内容
本发明的目的之一是提出一种核燃料棒，其易于制造，同时特别是耐腐蚀和耐高温氧化。
为此，本发明提出了一种核燃料棒，其包括容纳在包壳中的核燃料，所述包壳包括管和两个插塞，该管沿着中心轴线延伸并且具有两个端部，每个插塞通过密封管的对应的端部而附接在该端部上，该管被管涂层覆盖，其中管涂层从管的一个端部到另一个端部在管的整个长度上延伸。
根据特定的实施方式，核燃料棒元件包括单独地或以所有技术上可能的组合采用的以下可选特征中的一个或多个：
-一个插塞或每个插塞至少部分地被插塞涂层覆盖；
-具有插塞涂层的每个插塞的插塞涂层和管涂层是不同的；
-管涂层和插塞涂层由相同材料制成；
-具有插塞涂层的每个插塞的插塞涂层和管涂层在管与插塞之间的界面处是邻接的；
-其中无论被涂覆还是未被涂覆，每个插塞被焊接到管上，而不影响管与插塞之间的界面的形状和/或无需对管与插塞之间的界面再加工，特别是通过涉及材料移除的机械或化学工艺再加工；
-管由锆基材料制成；
-每个插塞由锆基材料制成；
-管涂层由铬基材料制成；
-每个插塞被附接到管上，而在管与插塞之间的接合处不存在管的材料、管涂层的材料、插塞的材料和在适当的情况下的覆盖插塞的插塞涂层的材料之间的共晶。
本发明还涉及一种用于上面限定的核燃料棒的制造方法，其包括：生产管和插塞，在适当的情况下，每个插塞用插塞涂层涂覆；以及通过电阻焊接将至少一个插塞或每个插塞焊接到管的对应的端部上。
根据特定的实施方式，制造方法包括单独地或以所有技术上可能的组合采用的以下可选特征中的一个或多个：
-每个插塞通过电阻对接焊接而焊接到管上；
-至少一个插塞或每个插塞的电阻焊接是用包括在10kA和20kA之间的电流进行的；
-至少一个插塞或每个插塞的电阻焊接是通过在包括在200daN和400daN之间、优选地在250daN和350daN之间的加压力下将插塞抵靠在管的对应的端部上施加来进行的；
-至少一个插塞或每个插塞的电阻焊接是通过将电流施加持续包括在10ms和30ms之间的时间长度来进行的；
-制造方法是在无需通过涉及材料移除的机械或化学工艺对管与焊接到管上的每个插塞之间的界面再加工的情况下进行的；
-每个插塞被焊接到管上，而在管与插塞之间的接合处不形成在管的材料、管涂层的材料、插塞的材料和在适当的情况下的覆盖插塞的插塞涂层的材料之间的共晶。
附图说明
通过阅读下面仅作为非限制性例子给出并参照附图进行的描述，将更好地理解本发明和本发明的优点，在附图中：
图1是核燃料棒的纵剖面的示意图；以及
图2和图3是示出用于诸如图1所示的核燃料棒的制造方法的剖视图。
具体实施方式
图1示出了例如旨在用于轻水反应堆、特别是压水反应堆(PWR)或沸水反应堆(BWR)、“VVER”反应堆、“RBMK”反应堆或重水反应堆(例如，“CANDU”反应堆)的核燃料棒2。
核燃料棒2具有沿着中心轴线A伸长的棒的形状。
核燃料棒2包括容纳核燃料的包壳4。
包壳4包括管6和两个插塞8，每个插塞8被焊接到管6的对应的端部上，以便以密封的方式封闭该端部。管6沿着核燃料棒2的中心轴线A延伸。管6优选地具有以中心轴线A为中心的圆形横截面。
核燃料例如是轴向堆叠在管6内的芯块10的堆叠体的形式，每个芯块10包含裂变材料。芯块10的堆叠体也称为“裂变柱”。
作为选择，核燃料棒2包括在管6内布置在芯块10的堆叠体与一个插塞8之间的弹簧12，用于将芯块10的堆叠体推向另一个插塞8。弹簧12在芯块10的堆叠体与插塞8之间被压缩。
在芯块10的堆叠体与弹簧12在其上按压的插塞8之间存在空间或气室(plenum)14。气室14可用于储存在反应堆运行期间从核燃料释放的气体。弹簧12位于气室14内。
如图2和图3所示，它们示出了将插塞8焊接到管6的一个端部上，管6具有管涂层16。
管6具有朝向管6的内部定向的内表面6B和朝向管6的外部定向的外表面6A。
管涂层16覆盖管6的外表面6A，以便保护管免受外部环境的影响。在运行时，管涂层16与环境接触。
管6例如由锆基材料制成。
在本上下文中，锆基材料是指由纯锆或锆基合金制成的材料。纯锆材料是包含按重量计至少99％的锆的材料。
锆基合金是包含按重量计至少95％的锆的合金。
在实施方式的一个例子中，管6的锆基材料是四元锆合金，该合金的组成包含按重量计0.8％至1.8％的铌、按重量计0.2％至0.6％的锡和按重量计0.02％至0.4％的铁，余下由锆和不可避免的杂质组成。
管6的厚度例如在0.4mm和1mm之间。管6的厚度是管6的内表面6B和外表面6A之间的距离。
管涂层16是薄的，并且管涂层16的厚度例如严格小于管6的厚度。
管涂层16的厚度例如包括在5μm和25μm之间，特别是包括在10μm和20μm之间。管涂层16的厚度垂直于管6的外表面6A测量，即相对于管6的中心轴线A径向地测量。
管涂层16由铬基材料制成。
在本上下文中，铬基材料是指纯铬材料或铬基合金。
纯铬材料是包含按重量计至少99％的铬的材料。铬基合金是包含按重量计至少85％的铬的合金。
在一个实施方式中，铬基材料是从以下合金中选择的铬基合金：二元铬-铝合金、二元铬-氮合金和二元铬-钛合金。
管涂层16包括由铬基材料制成的单层或由铬基材料制成的多个覆盖层，该多个覆盖层优选地由相同的铬基材料制成。
管涂层16在多个覆盖层中的结构例如是由用于将管涂层16沉积到管6上的沉积工艺产生的，特别是在将沉积进行多次的情况下。
管涂层16从管6的一个端部到另一个端部在管6的整个长度上延伸。
在优选的实施方式中，管涂层16是连续的。管涂层16完全覆盖管6的外表面6A。
每个插塞8包括插入管6中的用于将插塞8附接到管6的对应的端部上的插入部分18，以及一旦插塞8被附接到管6的对应的端部上就保留在管6外部的暴露部分20。
每个插塞8具有环形表面22，当插塞8布置在管6的端部时，该环形表面22压靠在管6的端部上。环形表面22以中心轴线A为中心。环形表面22位于插入部分18与暴露部分20之间的接合处。如图2所示，环形表面22例如是截头圆锥形的，从插入部分18朝向暴露部分20加宽。
每个插塞8例如由锆基材料制成。
在实施方式的一个例子中，插塞8的锆基材料是四元锆合金，该合金的组成包含按重量计0.8％至1.8％的铌、按重量计0.2％至0.6％的锡和按重量计0.02％至0.4％的铁，余下由锆和不可避免的杂质组成。
在实施方式的一个例子中，管6和每个插塞8由相同的材料制成。
作为选择，核燃料棒2的每个插塞8具有插塞涂层24。插塞涂层24在插塞8的暴露部分20上延伸。
在优选的实施方式中，插塞涂层24是连续的。插塞涂层24例如完全覆盖暴露部分20。
插塞涂层24优选延伸到环形表面22的外边缘。
插塞涂层24由铬基材料制成。
在实施方式的一个例子中，插塞涂层24的铬基材料是从以下合金中选择的铬基合金：二元铬-铝合金、二元铬-氮合金和二元铬-钛合金。
具有插塞涂层24的每个插塞8的插塞涂层24与管涂层16不同。
在实施方式的一个例子中，管涂层16和每个插塞8的插塞涂层24由相同的材料制成。
当插塞8具有插塞涂层24时，插塞涂层24被设置为使得当插塞8布置在管6的端部时，管涂层16和插塞涂层24是邻接的。
更具体地，当插塞8布置在管6的端部时，插塞涂层24在暴露部分20上延伸成与管涂层16邻接。
插入部分18没有插塞涂层24，并且在适当的情况下，环形表面22没有插塞涂层24。插塞涂层24不覆盖插入部分18，并且在适当的情况下不覆盖环形表面22。
优选地，每个插塞8被附接、特别是被焊接到管6上，而在管6与插塞8之间的接合处不存在管6的材料、管涂层16的材料、插塞8的材料和在适当的情况下的覆盖插塞8的插塞涂层24的材料之间的共晶。
特别地，当管6和/或插塞8由锆基材料制成并且管涂层16和/或可能的插塞涂层24由铬基材料制成时，核燃料棒2在管6与插塞8之间的接合处没有铬-锆共晶(Cr-Zr)。
在管6与插塞8之间的接合处存在共晶、特别是存在铬-锆共晶(Cr-Zr)可能会使核燃料棒2弱化并降低其抗氧化性，特别是在高温(通常高于350℃)下。
如图2和图3所示，用于核燃料棒2的制造方法包括提供涂覆有管涂层16的管6和涂覆有插塞涂层24(在适当的情况下)的插塞8(图2)，然后将插塞8附接到管6的一个端部上，该附接是通过电阻焊接或“电阻对焊”进行的(图3)。
为了通过电阻焊接将插塞8附接到管6上，将插塞8定位到管6的端部，并且在管6与插塞8之间施加电流，以便将插塞8焊接到管6上。在电流流动期间，管6和插塞8通过焦耳效应被加热，使得它们接触的表面在焊接力和加热的组合作用下被焊接在一起。
更具体地，在当前情况下，插塞8布置在管6的端部，使得其环形表面22轴向压靠在管6的端部上，然后施加电流(参见图3)。
电阻焊接在不添加材料的情况下进行。
优选地，附接通过电阻对接焊接(也称为“电阻对焊”)进行。
为了通过电阻焊接将每个插塞8附接到管6上，将插塞8定位到管6的端部，用确定的加压力(图3中的箭头F)将插塞8和管6施加成抵靠彼此，在保持加压力的同时在管6和插塞8之间施加电流，以便将插塞8焊接到管6上。
更具体地，在当前情况下，插塞8布置在管6的端部，使得环形表面22在所确定的加压力下轴向地压靠在管6的端部上，在电流施加期间保持加压力(参见图3)。
如图3所示，例如使用包括夹持构件28的焊接机26进行电阻焊接，一个夹持构件28被设置为用于夹持插塞8，另一个夹持构件28被设置为用于靠近管6的附接有该插塞8的端部夹持管6，夹持构件28被设置为用于优选地在确定的加压力下将管6和插塞8压靠在彼此上，焊接机26包括用于经由夹持构件28在管6和插塞8之间施加电流的电源30。
电阻焊接通过施加直流电、交流电或脉冲电流来进行。优选地，通过施加交流电进行电阻焊接。同样可以设想使用直流电或脉冲电流(例如，通过从电容器放电而获得的)。
优选地，每个插塞8的电阻焊接是通过施加值包括在10kA和20kA之间的电流来进行的。
优选地，每个插塞8的电阻焊接是在包括在200daN和400daN之间、优选地在250daN和350daN之间的加压力下进行的。
优选地，每个插塞8的电阻焊接是通过将电流施加持续包括在10ms和30ms之间的时间长度来进行的。
优选地，每个插塞8的电阻焊接是以使得管6和插塞8的在其界面处的温度包括在1300℃和1600℃之间的方式进行的。
有利地，电阻焊接以这样的方式进行：在焊接结束时，管6和插塞8具有尺寸特性在控制下并且被检查的焊道。
换句话说，在焊接结束时，管6和插塞8具有与燃料组件的结构元件兼容的形状。
这种情况是通过控制例如施加的电流的类型(直流电、交流电或脉冲电流)、电流的安培数、电流的施加持续时间和用于将管6和插塞8压靠在彼此上以及在适当的情况下在电流施加期间保持的加压力以及夹持构件28的性质和几何形状来实现的。
如上所述的值的范围特别是当结合使用时允许保持所需的温度范围，并因此允许实现电阻焊接。
沿着焊缝控制焊道的尺寸避免了必须进行对焊缝再加工(特别是通过涉及材料移除的机械或化学工艺，例如通过去毛刺和抛光)的操作，并且可以保存管涂层16并且在适当的情况下可以保存插塞涂层24。
因此，可以获得其管6从管6的一个端部到另一个端部在管6的整个长度上设置有管涂层16的棒。在适当的情况下，当每个插塞8都具有插塞涂层8时，整个包壳4(即，管6和每个插塞8)因此都被涂覆并有效地被保护免受外部环境的影响。
特别地，具有插塞涂层24的每个插塞8的插塞涂层24和管涂层16在管6与插塞8之间的界面处是邻接的。
在其中管涂层16和插塞涂层24是连续的实施方式的例子中，在焊接之后，插塞涂层24和管涂层16一起形成连续涂层，该连续涂层在管6和插塞8上连续地延伸，特别地，在管6与插塞8之间的界面处连续地延伸。
当管涂层16是连续的并且每个插塞8具有连续的插塞涂层24时，管涂层16和插塞涂层24形成连续地覆盖包壳4、在管6的整个长度上和插塞8上延伸的包壳涂层，在管6与每个插塞8之间的界面处具有涂层连续性。
具有插塞涂层24的每个插塞8都被焊接到管6上，而不影响管6与插塞8之间的界面的形状和/或无需对管6与插塞8之间的界面再加工，特别是通过涉及材料移除的机械或化学工艺再加工。
此外，所述制造方法可以用于将每个插塞8附接到管6上，而在管6与插塞8之间的接合处不形成在管6的材料、管涂层16的材料、插塞8的材料和在适当的情况下的覆盖插塞8的插塞涂层24的材料之间的共晶。
特别地，当管6和/或插塞8由锆基材料制成并且管涂层16和/或可能的插塞涂层24由铬基材料制成时，核燃料棒2在管6与插塞8之间的接合处没有铬-锆共晶(Cr-Zr)。优选地，如上所述将两个插塞8附接到管6上，以便形成核燃料棒2。
插塞8的附接、核燃料(在本文中为芯块10的形式)的插入以及和在适当的情况下的弹簧12的插入顺序地进行。
例如，将一个插塞8附接到管6上，然后将核燃料以及在适当的情况下的弹簧12插入管6中，然后将另一个插塞8附接到管6上。
优选地，首先附接的插塞8是位于与弹簧12相对的一侧上的插塞8。之后，将核燃料然后将弹簧12插入管6中，然后将另一个插塞8附接到管6上。
作为选择，附加元件被插入管6中。可被插入管6中的附加元件是管状垫片，该管状垫片旨在位于芯块10的柱与位于管6的与弹簧12所在的端部相对的端部的插塞8之间。特别地，垫片使得能够在棒的与弹簧12相对的端部处形成第二气室。
在运行时，插入核燃料组件中的核燃料棒2在核反应堆的堆芯内部基本上竖直地定向。
被称为上部插塞8的一个插塞8旨在位于顶部，被称为下部插塞8的另一个插塞8旨在位于底部。
上部插塞8是与弹簧12相邻的插塞。当提供管状垫片时，垫片与下部插塞8相邻。
在图1中可以看出，一个或每个插塞8有利地包括夹持构件32，该夹持构件32旨在用于夹住核燃料棒，例如从核燃料组件取出该核燃料棒。在图1中，每个插塞8都具有这样的夹持构件32。
因此，优选地，制造方法包括：首先将下部插塞8附接到管6的一个端部上，然后将核燃料和弹簧12插入管6内，然后将上部插塞8附接到管的另一个端部上。
在制造过程中，在将每个插塞8附接到管6上之前，给管6提供管涂层16，并且在将每个插塞8附接到管6上之前，给每个插塞8提供插塞涂层24。
虽然每个插塞8之后被焊接到管6上，但是可以获得管6和涂覆有插塞涂层24的每个插塞8的连续涂层，管涂层16和插塞涂层24是邻接的。
所述制造方法包括例如通过皮尔格式轧管法(pilgering process)生产管6。
所述制造方法包括将管涂层16沉积到管6上，并且在适当的情况下，将插塞涂层24沉积到每个插塞8上，每个插塞8具有这种涂层8。
管涂层16和/或每个插塞涂层24的沉积例如通过物理气相沉积(特别是通过阴极溅射(甚至更具体地通过磁控溅射)的物理气相沉积)来进行。以这种方式，获得了耐久的管涂层16。
管涂层16和/或每个插塞涂层24的通过磁控溅射的物理气相沉积可以例如根据以下技术中的一种或以下技术中的至少两种的组合来进行：直流(DC)磁控溅射、脉冲直流(或DC脉冲)磁控溅射、高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS或HPPMS)、磁控溅射双极(MSB)、双磁控溅射(DMS)、不平衡磁控溅射(UBM)。
核燃料棒2不限于上述实施方式。
在图1至3所示的实施方式中，每个插塞8都具有覆盖插塞8的暴露部分20的插塞涂层24。
在一个变型中，两个插塞8都没有插塞涂层24，或者两个插塞8中的只有一个有插塞涂层24。在后一种情况下，考虑下部插塞8或上部插塞8。下部插塞8和上部插塞8不是受到完全相同的热、化学和中子应力的影响，因此仅涂覆两个插塞8中的一个可能是有利的。
当至少一个插塞8没有涂层(或“未被涂覆”)时，每个未被涂覆的插塞8都被附接到管6上、特别是被焊接到管6上，而不影响管6与插塞8之间的界面的形状和/或无需对管6与插头8之间的界面再加工，特别是通过包括材料移除的机械或化学工艺再加工。
在图1至图3的实施方式中，核燃料以包含裂变材料的芯块10的堆叠体的形式提供。
在一个变型中，核燃料以另一种形式(例如，以粉末形式)提供。

Claims (16)

1.一种核燃料棒，其包括容纳在包壳(4)中的核燃料，所述包壳(4)包括管(6)和两个插塞(8)，所述管(6)沿着中心轴线(A)延伸并且具有两个端部，每个插塞(8)通过密封所述管(6)的对应的端部而附接在所述管(6)的该端部上，所述管(6)被管涂层(16)覆盖，其中所述管涂层(16)从所述管(6)的一个端部到另一个端部在所述管(16)的整个长度上延伸。
2.根据权利要求1所述的核燃料棒，其中，一个所述插塞(8)或每个所述插塞(8)至少部分地被插塞涂层(24)覆盖。
3.根据权利要求2所述的核燃料棒，其中，所述管涂层(16)和所述插塞涂层(24)由相同的材料制成。
4.根据权利要求2或3所述的核燃料棒，其中，具有插塞涂层(24)的每个插塞(8)的所述插塞涂层(24)和所述管涂层(16)在所述管(6)与所述插塞(8)之间的界面处是邻接的。
5.根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒，其中，无论被涂覆还是未被涂覆，每个插塞(8)都被焊接到所述管(6)上，而不影响所述管(6)与所述插塞(8)之间的界面的形状和/或无需对所述管(6)与所述插塞(8)之间的界面再加工，特别是通过涉及材料移除的机械或化学工艺再加工。
6.根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒，其中，所述管(6)由锆基材料制成。
7.根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒，其中，每个插塞(8)由锆基材料制成。
8.根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒，其中，所述管涂层(16)由铬基材料制成。
9.根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒，其中，每个插塞被附接到所述管上，而在所述管与插塞之间的接合处不存在所述管的材料、所述管涂层的材料、所述插塞的材料和在适当的情况下的覆盖所述插塞的插塞涂层的材料之间的共晶。
10.一种用于根据前述任一项权利要求所述的核燃料棒的制造方法，所述制造方法包括：生产所述管(6)和所述插塞(8)，在适当的情况下，每个插塞(8)用插塞涂层(24)涂覆；以及通过电阻焊接将至少一个所述插塞(8)或每个插塞(8)焊接到所述管(6)的对应的端部上。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其中，每个插塞(8)通过电阻对接焊接而焊接到所述管(6)上。
12.根据权利要求10或11所述的制造方法，其中，至少一个所述插塞(8)或每个插塞(8)的电阻焊接是用包括在10kA和20kA之间的电流进行的。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的制造方法，其中，至少一个所述插塞(8)或每个插塞(8)的电阻焊接是通过在包括在200daN和400daN之间、优选地在250daN和350daN之间的加压力下将所述插塞(8)施加在所述管(6)的对应的端部上来进行的。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的制造方法，其中，至少一个所述插塞(8)或每个插塞(8)的电阻焊接是通过将电流施加持续包括在10ms和30ms之间的时间长度来进行的。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的制造方法，所述制造方法是在无需通过涉及材料移除的机械或化学工艺对所述管(6)与焊接到所述管(6)上的每个插塞(8)之间的界面再加工的情况下进行的。
16.根据权利要求10至16中任一项所述的制造方法，其中，每个插塞(8)被焊接到所述管(6)上，而在所述管(6)与所述插塞(8)之间的接合处不形成所述管(6)的材料、所述管涂层(16)的材料、所述插塞(8)的材料和在适当的情况下的覆盖所述插塞(8)的插塞涂层(24)的材料之间的共晶。
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