CN1231484A - 复合件及使用此复合件的燃料组件 - Google Patents

Abstract

所公开的是一种复合件,它通过采用了改进了纯Gd特性的Zr－Gd合金作中子吸收材料,能不在燃料棒中添加中子吸收材料或可燃的中子抑制剂而适当地抑制过剩反应性,以及采用了该复合件的燃料组件,包覆管、隔板、水棒、管状箱和控制棒。尤其是,公开了燃料组件,其中的包覆管、隔板,水棒,管状箱和控制棒中的至少一种采用了由用含Gd20%(重量)或更多的Zr－Gd合金制的件和用耐腐蚀性优于该Zr－Gd合金的Zr合金所制的件构成的复合件,其中用该Zr－Gd合金制的件被夹在用该Zr合金制的件之中。

Description

复合件及使用此复合件的燃料组件

本发明涉及新合金、该合金的复合件，使用此复合件的，用于核设备的燃料组件，特别是涉及一种旨在抑制功率的急速增长，以减少核热能方面的限制，从而改善该核燃料的经济性的复合件，本发明还涉及该复合件的应用。

核反应堆是这样设计的：堆芯预先具有过剩反应性，以便使反应堆在特定的期限内运行。为抑制这种过剩反应性，一般采用掺有以Gd为代表的可燃的中子抑制剂(BP)的燃料棒。即使对于采用MOX(混合氧化物)燃料的堆芯而言，也采用多个，其中每个中有与燃料相混的可燃的中子抑制剂的燃料棒来抑制此堆芯的过剩反应性。

中子吸收截面一般取决于中子能量(Ⅴ)的倒数。换言之，中子能量越小，则中子被吸收得越多。因此，当将可燃的中子抑制剂置于具有较软的中子能谱的燃料系统。即含量较大的热中子的燃料系统中时，可燃的中子吸收剂吸收中子的剂量就变得较大。因此，当将可燃的中子抑制剂置于采用MOX燃料的堆芯中时，该可燃的中子抑制剂抑制反应性的效果就变小，因而，若希望在MOX型堆芯中取得与铀-型堆芯中相当的抑制反应性的效果，则用于MOX型堆芯中的燃料棒的数目(其中每个都混有可燃的中子抑制剂)必须增加。在这方面，公开于日本专利公开昭60-146185中的技术是建立在这样事实的基础上的：靠近水的间隙的燃料组件的外周部位有大量的热中子及有软的中子能谱，而且它是这样构成的：含氧化钆的燃料棒被置于上部区域，以提高氧化钆的反应性的效能，从而减少所用的含氧化钆燃料棒的数目。这对于增加燃料组件中的Pu的存在量及减少所用的燃料球的种类是有效的。但这种技术不能从燃料组件中的燃料内完全消除可燃的中子抑制剂，因而，这种技术不足以达到增加Pu存在量的目的。

公开于日本专利公开昭59-72087中的技术旨在消除在燃料球中添加可燃的中子抑制剂，及用可拆卸地装在烯料组件的燃料管状箱外周上的反应性控制件来调节铀的富化度的必要性。按此技术，反应性控制件以用中子吸收材料，如不锈钢或锆合金制成的零件；以其中分散着单质元素或其化合物形态的可燃中子抑制剂，如钆、银、铟、硼、镉或铪的不锈钢制成的零件，或以上述的可燃中子抑制剂或其化合物制成的零件，其外部覆有不锈钢件；或以用反射性材料，如外覆不锈钢件的铍制成的件；或以夹在不锈钢件之间，然后经共挤压处理，如轧制的由上述中子抑制剂、反射性材料、天然铀或贫化铀制成的零件为代表。

但上述技术的问题是：形成于管状箱和反应性控制件间的缝隙倾向于引起裂隙腐蚀及电流腐蚀以及直接与堆芯水直接接触的反应性控制件易被腐蚀。

为解决上述难题，日本专利公开平-6-342091公布了一种方法，按此法，设置在燃料组件中心的减速剂棒(水棒)是一种具有内、外管的双管结构的棒，其中可燃的中子抑制剂填充在两管之间。

如上所述，核反应堆所用的燃料混有可燃的中子抑制剂，以便在核反应堆运行初期抑制堆芯的过剩反应性。

图2中的曲线展示了与铀的中子吸收截面对比的，中子能量与钚的中子吸收截面间的依存关系。如图2所示，钚的中子吸收剂量大于铀的该吸收剂量。因此。对于用钚的轻水堆而言，控制棒材料或抑制反应性的材料如可燃的中子抑制剂的热中子吸收剂量就变得较小，从而降低了控制棒的效用，及降低了加有MOX型燃料组件的堆芯中的可燃的中子抑制剂控制反应性的效用。因此，这种加有MOX型燃料组件的堆芯就需要增加含可燃的中子抑制剂的燃料棒的数目。这意味着：减少了每一个燃料组件中的钚存有量，对于以同样的量消耗钚而言燃料组件的制备数目增加了，结果增加了生产费用和燃料运输费用。如上所述，公开于上述文献(日本专利公开昭59-72087)中的这种技术的问题在于，形成于管状箱和反应性控制件之间的缝隙倾向于引起裂隙腐蚀或电流腐蚀，并且直接与堆芯水接触的反应性控制件也易被腐蚀。

为保持核反应堆燃料的完整性，则必须将燃料设计得在其整个工作寿命期间保证有适当的局部高峰系数，以保持核热能方面的运行限度。在用于沸水型反应堆的燃料中，有一种在燃料组件外周部位热中子流通量变得较高的趋势，也就是说，在接近水的间隙处变得较高，因而设置在该外周部位的燃料棒的功率就变得较高。因此，为抑制设置在燃料组件外周部位处的燃料棒的这种局部急剧增长因素，则必须按提高燃料球富集度的各种类型设计燃料。但在制造MOX型燃料时，燃料球的富集类型方面的变化引起了问题。由于燃料被压在一充分密封的容器中，所以与改变铀的富集度相比，要化费大量时间来清理球盒以改变钚的富集度。这导致了制造MOX燃料时使用性能明显下降。即随着钚富集种类的增多，清理的次数增多，从而使压制燃料的费用上升。按上述文献，日本专利公开平6-342091中所公开的方法，设置在燃料组件的中心部位处的可燃中子抑制剂不能抑制设置在热中子流通量相当高的，燃料组件外周处的燃料棒迅速增长的输出。

Gd是非常活泼的金属，因此它极易被腐蚀，在高温水中尤为如此，因此，当反应性控制件采用Gd制的零件时，它必须以Zr合金/Gd/Zr合金件的夹层结构的复合件的形式很好地密封，但，对于这种包含夹在Zr合金件间的纯Gd件的复合件而言，由于纯Gd件和Zr合金件间的热膨胀系数的差异，在纯Gd件和Zr合金件间的每个连接界面处都产生热应力，它倾向于使这两种件在界面处剥离。还因Gd的机械强度比Zr合金的低，所以含有纯Gd件的上述复合件的机械强度也低。

由于与Zr合金相比，Gd的室温延展性差，故其不易加工。为将归因于两种材料间的特性差异的问题减至最小，及改进加工能力，必须以适量地往Gd中加Zr的合金的形式使用Gd。 此外，尚需设定一种适于加工含Zr的Gd合金板的工艺。

本发明的目的在于提供一种能适当抑制过剩反应性而又不在燃料棒中加中子吸收材料或可燃的中子抑制剂的复合件，此件是通过使用改善了作为中子吸收材料的纯Gd的特性的Zr-Gd合金制成而达到上述效果，本发明还涉及使用该复合件的燃料组件、包覆管、隔板、水棒、管状箱、及控制棒。

为达到上述目的，按本发明提供一种包含由Zr-Gd合金制的件(其中Gd含量为20％(重量)或更多)、和由耐蚀性高于该Zr-Gd合金的Zr合金制的件的复合件,其中由Zr合金制的件包覆着由Zr-Gd合金制的件。

按本发明，还提供一种复合件，它包括由Gd含量为20-99％(重量)的Zr-Gd合金制的件和由耐蚀性高于该Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用Zr-Gd合金制的件夹在用Zr合金制的件中。

按本发明，还提供一种复合件，它包括用288℃时的抗拉强度为92MPa或更高，或室温时为200MPa或更高的Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性比此Zr-Gd合金高的Zr合金制的件，其中用Zr-Gd合金制的件被Zr合金制的件所包覆。

按本发明，还提供一种复合件，它包括用在室温-300℃时的平均热膨胀系数为0.16-0.18％的Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性高于该Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用Zr-Gd合金制的件被Zr合金制的件包覆。

按本发明，还提供一种燃料组件，它包括：多个燃料棒，它们每个都由充有核燃料的包覆管构成；用于将燃料棒固定于规定部位的隔板；分别用于支撑燃料棒的上、下端的上、下固定板；被置于隔板中的水棒；及将燃料棒、隔板、固定板、水棒集成一体并覆盖它们的外缘的管状箱；其中，包覆管、隔板、水棒及管状箱中的至少一种包含一种复合件，该件包含由Gd含量为20％(重量)或更多的Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性优于该Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中，用Zr-Gd合金制的件夹在Zr合金制的件之中。

按本发明，提供了用于核反应堆的燃料包覆管、用于核反应堆的隔板、用于核反应堆的水棒、管状箱、和控制棒中的至少一种，它包含一种复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性优于该Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中，Zr-Gd合金所制的件夹在Zr合金所制件之中。

按本发明，还提供一种Gd合金板，其中分散着Zr晶粒。

可省去热锻后的，在600-900℃温度下于惰性气体或真空中进行的退火。

可省去热轧和退火后的压缩比为约10％的冷轧及后续退火。

热锻和退火后或热轧和退火后的加工步骤可以省去，而且可将这种经热锻和退火或经热轧和退火的产物直接切成规定厚度的片。

按照制造燃料管状箱的工艺，用于制造管状箱的原料最好经历至少一次从Zr-β相温度开始的淬火。

核反应堆利用了使加在燃料棒中的，以铀235为代表的可裂变材料燃烧所生成的能量。

作为加在燃料棒中的可裂变材料，通常使用通过使天燃铀富化而得到的富化的铀。将一般为富化的铀的氧化物态的富化的铀压制和烧结成燃料球，然后将此燃料球盛放在装在正方形栅状架中的燃料包覆管内。

近年来，已着手进行在热中子反应堆中燃烧钚的使用计划。该计划旨在将取自轻水堆中的，用过的铀燃料中的钚再重复用于轻水堆中。说得更具体些，作为对轻水堆中的燃料的改变，使用MOX(混合氧化物)型的燃组件，其中铀型燃料组件中的部份或大部份铀燃料棒分别被含富化的钚的MOX燃料棒取代。此时，希望MOX型烯料组件和铀型燃料组件的特性相似，还有，由于铀燃料的设计目标在于高度烧尽，所以最好将MOX型燃料也设计得达到使钚进一步富化。即，使每个燃料组件中的钚加入量尽可能大。但，若增加MOX型燃料组件中的钚加入量，则由于铀和钚间的核特性的差异，出现铀型堆芯和MOX堆芯间的堆芯特性方面的差异。这就是说，由于可裂变材料，如Pu-239或Pu-241的热中子吸收截面大于U-235的该截面及Pu-240的中子共振吸收大，所以MOX燃料的中子流通量谱就变得比铀燃料的硬，从而降低了中子减速效果。

鉴于以上所述，为适当地抑制过剩反应性，而又不将中子吸收材料或可燃的中子抑制剂混于MOX型燃料组件的燃料球中，本发明提供了一种将可燃的中子抑制剂掺在燃料件，如用Zr合金制的管状箱或燃料棒中的方法。最好是，可将可燃的中子抑制剂掺在管状箱中，以抑制燃料组件周边部位处的功率急剧增长，而具有最大的控制核反应堆运行开始阶段的抑制作用的钆是适宜的可燃的中子抑制剂。

作为本发明的复合件中的主要组成部份的Zr合金中的晶粒尺寸较好是70-500μm，更好是100-500μm。

本发明的复合件所用的Zr合金最好含：5％(重量)或更少的Sn、5％(重量)或更少的Nb，其余为90％(重量)或更多(最好95-98.5％(重量))的Zr。Sn和Nb中的每一种都是提高此Zr合金强度所必须的元素，而Sn含量必须以3％(重量)或更少的量添加，而Nb含量必须以5％(重量)或更少的量添加。Sn和Nb含量各自的下限最好是0.1％(重量)。作为锆基合金，Sn含量较好是1-2％(重量)，更好是1.2-1.7％(重量)。需要时，这种合金还可含0.5％(重量)或更少的Fe,0.5％(重量)或更少的Cr及0.2％(重量)或更少的Ni。尤其是，上述合金最好含0.1-0.38％(重量)的Fe、0.05-0.15％(重量)的Cr,0.03-0.25％(重量)的Ni，或最好是含0.22-0.38％(重量)的Fe、0.05-0.15％(重量)的Cr及0.09-0.15％(重量)的Ni。在这种Zr合金中，Fe/Ni之比最好为1.3-10。

作为含Nb的Zr合金，最好采用含0.5-2％(重量)的Nb，余量的Zr的合金；含2-5％(重量)的Sn,0.5-1.5％(重量)的Nb,0.5-1.5％(重量)的Mo及余量Zr的合金；含0.5-0.15％(重量)的Sn,0.5-1.5％(重量)的Nb,0.1-1.0％(重量)的Fe及余量Zr的合金；或含0.5-5.0％(重量)的Nb,0-3.0％(重量)的Sn,2％(重量)或更少的至少一种，两种或多种选自Fe、Ni、Cr、Ta、Pd、Mo和w的元素及余量的Zr的合金。

Gd合金含有0.05-0.5％(重量)的氧，而氧最好不大于0.25％(重量)，因此它最好用真空熔炼法制备。

此外，按本发明，还提供一种燃料组件，它包括：每个都是由充有核燃料的包覆管构成的多个燃料棒；用于将燃料棒固定于规定位置的隔板；用于分别支撑燃料棒上、下端的上、下固定板；置于隔板中的水棒；使用于将燃料棒、隔板、固定板及水棒集为一体、并包覆它们的外缘的管状箱；其中管状箱包括一复合件，该复合件包括多个用Zr-Gd合金制成的带状件和用耐蚀性优于此Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中多个用Zr-Gd合金制的件被沿外缘方向夹在用Zr合金制的板的中间，其中用Zr-Gd合金制的件设在管状箱的中心部位，超过该箱总长度的90％或更多。

下面将陈述这种结构的功能，按此结构，用由特定合金构成的可燃的中子抑制剂或中子吸收材料制的部件沿纵向设置在管状箱中。

在沸水型反应堆中，堆芯内的冷却水从堆芯底部流向其顶部并同时被煮沸，从而使蒸汽泡(气泡)沿堆芯的轴向分布，因而气泡量趋于向着芯的上部增大。在轻水减速的反应堆中，减速剂(水)的密度控制着核裂变反应，因而反应堆的设计要使得减速剂的密度越大，则越促进核裂变反应。因此。由于能量沿堆芯的轴向分布，则有一种趋势：在具有较小量气泡的堆芯的下部的功率大于有较大量的气泡的上部的功率。在这方面，在管状箱中沿轴向这样分布中子吸收材料或可燃的中子吸收剂的量是有效的：在具有较大反应性的下部区域的量比上部区域的量大，而且该量还朝着上部区域变小。

还有，在沿轴向的上部区域中，气泡比率较高，因此，中子谱变得较硬，这造成在上部区域可燃的中子吸收剂或中子吸收材料的损失比下部区域的该损失小。因此，通过沿轴向分布可燃的中子吸收剂或中子吸收材料，使它们在上、下部区域中的损失都趋于均匀。

按本发明，由于可燃的中子吸收剂埋在管状箱中，所以它不与堆芯水直接接触。这就可以防止可燃的中子吸收剂本身被腐蚀，以及防止在管状箱和可燃的中子吸收剂之间发生裂隙腐蚀及电流腐蚀。

此外，按本发明，由于可燃的中子吸收剂在形成管状箱之前的步骤中掩藏在原料板中，所以就可形成具有可燃的中子吸收剂未被暴露的良好外观的管状箱，从而易于通过采用本发明的制造工艺制成含有可燃的中子吸收剂的管状箱，及消除管状箱各原料板间剥离。

图1是流程图，它展示了制造含Gd的Zr含金板的工艺。

图2是曲线图，它展示了与铀的吸收截面相对比的，中子能量与钚的吸收截面的依存关系。

图3是曲线图，它展示了用含Zr的Gd合金制成的板的厚度与该含Zr的Gd合金中的Gd含量间的关系。

图4是曲线图，它展示了，通过热锻能力试验所得的，锻造温度与Gd含量不同的各种含Zr的Gd合金的屈服应力间的关系。

图5a和5b是曲线图，它们分别展示了Gd含量和室温抗拉强度间的关系。

图6是曲线图，它展示了Gd含量和288℃时的抗拉强度间的关系。

图7是展示Gd含量与平均线膨胀系数间的关系的曲线图。

图8是展示热应力和Gd含量间关系的曲线。

图9是流程图，它展示了其中含Zr的Gd合板夹在Zr合金板间的复合板的制造工艺。

图10是流程图，它展示了另一种制造复合板的工艺，其中含Zr的Gd合金板被夹在Zr合金板中。

图11是燃料组件的透视图，其中，包括夹在Zr合金板中的含Zr的Gd合金板的复合板被用于燃料管状箱。

图12是本发明的燃料组件的截面图。

图13是展示用于热处理管状箱的设备结构的视图。

图14a和14b分别是展示管状箱的透视图和截面图。

图15a、15b和15c分别是展示另一种管状箱的透视图和2个展示该状箱的不同截面的剖面图。

图16是又一管状箱的透视图。

图17是燃料棒的剖面图。

图18是燃料棒的局部剖面图。

图19是水棒的局部剖面图。

图20是另一种水棒的局部剖面图。

图21是本发明的燃料组件的剖面图。

图22是本发明另一燃料组件的剖面图。

图23是本发明又一燃料组件的剖面图。

图24是本发明再一燃料组件的剖面图。

图25是展示本发明的复合件制造步骤的流程图。

图26是展示图25所示步骤的后续制造步骤的流程图。

下面参照附图陈述本发明的较佳实施方案。

参照图1陈述按本发明的一实施方案制造含Zr的Gd合金板的工艺。首先。用可消耗的电极型的电弧熔化法在惰性气体或真空中制备含Zr的Gd合金锭。在这样的温度下热锻此锭：该温度使800-1100℃范围内的该合金的屈服应力迅速下降。此外，根据热锻能力试验的结果预先确定上述温度。将经这样的热锻的锭在惰性气体或真空中，以600-900℃的再结晶温度退火2小时。使所得的产品适当地反复地经受温度为800-1100℃的热轧和在惰性气体或真空中的，600-900℃的再结晶温度下的2小时退火，此后，再经受约10％的低压缩比的冷轧，和于600-900℃的再结晶温度下的2小时退火。此后，适当地使该产物反复经受压缩比为约20-30％的冷轧，再于惰性气体或真空中以600-900℃的再结晶温度退火2小时。这样就得到了具有规定厚度的含Zr的Gd合金板。应注意的是，当必要时，可省去热锻后的退火和低压缩比的冷轧。以及600-900℃的范围内改变退火温度，因为这种再结晶温度是依据先前的轧制步骤中的压缩比而变化的。此外，若难于，或不需要实施热锻、热轧，和/或冷轧，则可省去电弧熔化和退火后的各步骤，热锻和退火后的各步骤或热轧和退火后的各步骤，而且可用放电机加工等方法将该锭、热锻产物或热轧产物切成有规定厚度的片。

下面将讲述含Zr的Gd合金的特性和该合金中的Gd含量之间的关系。含Zr的Gd合金是一种共晶合金，其中的Zr和Gd在固态时彼此几乎不相溶。含大量Gd的含Zr的Gd合金具有这样的组织：其中Zr相的颗粒分散在Gd相中。

图3展示含Zr的Gd合金中的Gd含量与用该合金制成的板的厚度间的关系的曲线。按核反应堆设计，用于控制上述反应性的，每个管状箱中的必须的Gd含量是固定的。比如，在管状箱中设置纯Gd板(宽：34mm，长：与管状箱总长度相等)的情况下，其厚度需等于或大于0.93mm，以便保证必需的Gd量。通过参照上述纯Gd板的厚度，根据Gd含量计算含Zr的Gd合金板的厚度变化。这些结果示于图3中。应注意的是，含Zr的Gd合金板的厚度按这样的条件确定：使该合金含有Gd原子数与厚0.93mm的纯Gd板中所含的Gd原子数相同。从图3中所示的结果可知，考虑到现有的管状箱的最大厚度为约3mm，该含Zr的Gd合金中的Gd极限含量为约34％(重量)。

在含Zr的Gd合金板和Zr合金板用热轧形成的整体中，出于制造能力的观点，希望使该含Zr的Gd合金板的厚度压缩量与Zr合金板的厚度的压缩量相等。

图4展示了热锻能力试验的结果，在各种可变的锻造温度下测量含Gd量各异的含Zr的Gd合金的屈服应力。图4的结果表明：Gd含量为50-80％(重量)的含Zr的Gd合金在整个锻造温度范围内均不开裂，即，这种合金呈现出等于或高于现有Zr合金所具有的热锻能力。此外，Gd含量为50-80％(重量)的含Zr的Gd合金的屈服应力，在850-1100℃的热锻温度下，与现有Zr合金的屈服应力大致相当。因此，可以期望使上述的含Zr的Gd合金以这样的温度范围经受热锻和热轧。

图5展示了各种Gd含量各异的含Zr的Gd合金的室温抗拉实验的结果，该合金从Zr-β相温度开始淬火，再于最后加工步骤，于600℃退火。图5的结果表明，该含Zr的Gd合金在机械特性如强度和延展性方面优于纯Gd。更具体地说，含Gd量为50-80％(重量)的该含Zr的Gd合金呈现出与现存的，以Zircalloy4为代表的Zr合金几乎相同的延展性，即，这种合金显示出与现有Zr合金相当的冷加工性能。在这种含Zr的Gd合金中，通过淬火使Zr的晶体取向变得无序；而Gd的晶体结构不变，即，通过淬火作为α-相留下，因为Gd的转变温度高达1235℃。Zr的上述晶粒取向的无序程度最好等于在后面描述的Zr的晶粒取向程度。

图6展示了复合板(厚度：120mm)中的含Zr的Gd合金板中的Gd含量与该复合板在288℃时的强度间的关系。此外，上述复合板经过了从Zr-β相温度开始的淬火和600℃的退火。图6的结果表明，其中用Gd含量约70％(重量或更少)的含Zr的Gd合金制的板被夹在Zr合金板中的复合板具有等于或大于现有的，以Zircalloy4为代表的Zr合金板的机械强度。

顺便说一下，在留在反应堆内的时期内，由于Zr合金板和含Zr的Gd合金板间的热膨系数不同，在靠近复合板的连接界面的部位出现热应力。图7展示了在室温-300℃的温度范围内测量含Gd量各异，经过从Zr-β相温度开始的淬火的各种含Zr的Gd合金平均线膨胀系数的结果。

如图7所示，为将该含Zr的Gd合金的平均线膨胀系数保持在0.16-0.18％的范围内(以Zircalloy4为代表的现有Zr合金的平均线膨胀系数：0.16％)，该含Zr的Gd合金中的Gd含量必须为20-99％(重量)。此外，具有上述Gd含量的含Zr的Gd合金的平均热膨胀系数在6.2-6.6×10^-7/℃的范围内。

图8展示了其中的含Zr的Gd合金板夹在Zr合金板中的复合板(120mm)于288℃时产生的应力与该含Zr的Gd合金板的合金中的Gd含量间的关系。由于上述两种板间的热膨胀不同，关于上述应力，拉应力产生于Zr合金板一侧，而压应力产生于含Zr的Gd合金板一侧。如从图8可知，当含Zr的Gd合金中的Gd含量＞80％(重量)时，产生于含Zr的Gd合金板一侧的应力迅速增长；但，这种迅速增长的应力小于引发实际问题的极限值。

顺便说一下，如上所述，由于含Zr的Gd合金的耐蚀性很差，所以有这样的可能性：在管状箱的使用期间Gd从该箱内部向外扩散而到达该箱的外表面，从而降低该箱的耐蚀性。在这方面，含Zr的Gd合金板的厚度越薄，则Gd扩散到管状箱外表面所化费的时间越多，因而，提高含Zr的Gd合金板中的Gd含量是有益的，因为这种板可以作得更薄。

从以上的陈述可知，含Zr的Gd合金中的最佳Gd含量为50-90％(重量)。应注意的是，上述最佳Gd含量取决于该Zr的Gd合金板的尺寸和位置。

图9和10分别展示了制造复合板的工艺，该板中的按本发明而得的含Zr的Gd合金板夹在用Zr合金制的板中，该Zr合金含1.50％(重量)的Sn,0.25％(重量)的Fe,0.10％(重量)的Cr及10％(重量)的NiO，或含1.50％(重量)的Sn,0.21％(重量)的Fe及0.10％(重量)的Cr。首先陈述图9所示的制造工艺。将用含15-20％(重量)Zr的Gd合金制的板装在形成于Zr合金板中的孔内，再用Zr合金板将其覆盖。上Zr合金板和夹有含Zr的Gd合金板的带孔的下Zr合金板用真空集束焊(Vacuum beamWelding)彼此连接，然后再于800-1000℃，最好在800-1100℃的温度范围内热轧。以使上、下Zr合金板与含Zr的Gd合金板完美地连接。将这样连接的合金板在范围为600-900℃的再结晶温度下退火2分-2小时，然后适当地使之重复经受冷轧和退火至规定厚度。上述的热轧可用以热压进行的扩散连接代替。在此情况下，可省去前述的真空集束焊接。热压最好在真空或惰性气氛中，在980MPa的压力和900-1100℃的连接温度下进行，连接温度的保温时间为1小时。按图9所示的实施例，在Zr合金板中仅夹有一块Gd合金板；但可期望在Zr合金板中横向地夹有2或3块，或多块，最好是4块Gd合金板。

按图10中所示的制造工艺，将含Zr的Gd合金板装在上述带孔的Zr合金板中，然后将它夹在Zr合金板之间。后续的制造步骤与图9中所示的相同。即使在这种情况下，也可将2或3块或多块，最好是4块Gd合金板夹在Zr合金板中。

图11和12分别展示了实施例，按此例，将如上所述地制造成的复合板用于燃料组件中。按图11所示的实施例，将该复合板用于燃料组件中的燃料管状箱中。如图11所示，将8块含Zr的Gd合金板埋藏在管状箱的4个表面部位中(每个表面部位2块)。更具体地说。将每块含Zr的Gd合金板纵向地埋藏在管状箱的表面部位中，沿长度等于管状箱总长的94％的中心区域(除掉端部)埋在靠近管状箱的4个角中的每一个的部位。通过采用具有这种结构的管状箱，如上所述，就可抑制热中子流相当高的，该管状箱角部的局部高峰因素，并且可适当抑制核反应堆初期运行阶段的过剩反应性，而无需在燃料中添加可燃的中子抑制剂。

在此实施方案中，按图9或10中所示的工艺制造其中夹有4块所述的Gd合金板的复合板。然后将此复合板沿两个纵向线的部位(不带有Gd合金)弯折，以便形成U形。将2块如此形成U形的复合板彼此对接，再通过将此不带Gd合金板的对接部位焊合，使之相互成为一体。这种具体工艺与后面参照图25和26所述的工艺相同。

图12是用于沸水堆(BWR)的，采用了本发明的复合板的燃料组件的剖面图。

如图12所示，该BWR燃料组件包括几个燃料棒1，用于按规定间距固定燃料棒1的多段隔板7，用于容纳燃料棒1和隔板7的方柱形管状箱4，用于固定包含装有燃料球的燃料包覆管的燃料棒1两端的上、下固定板5和6；设在隔板7的中心部位的水棒2；及用于携带整个燃料组件的手柄11。这种燃料组件可按常规方法组装。

管状箱4包含燃料棒1和水棒2，它们被燃料隔板7连成一体，而采用水棒2固定上、下固定板5和6。这方柱形的管状箱4是通过用等离子焊将2块分开的U形板彼此相连而得到的。管状箱4适于调整从燃料棒的表面产生的蒸汽和当该设备运行时在燃料棒间流动的高温水，并适于向上强制引导此蒸汽和高温水。管状箱4在被施以向该方管外面扩散的应力的作用状态下长期使用，因为管状箱的内部压力稍大于外部压力。

本发明的燃料组件是这样构成的：三个水棒2对称地排布在隔板7的中心部位，其两端由固定板5和6固定，而管状箱4则用螺丝固定在上固定板5中。可借助手柄11携带整个燃料组件11。在此实施方案中，未将燃料棒固定于固定板中。

将此管状箱在Zr合金的β-相温度范围内加热，更好是在1000-1100℃的范围内加热，然后经水冷淬火。通过这种热处理，βZr结晶的平均晶粒尺寸变为50-300μm，更好提100-200μm，而且βZr结晶的晶粒取向也变得无序。这对于明显地防止照射延长，因而防止管状箱和控制棒间的相互干扰是有效的。尤其是，对于上述管状箱而言，晶粒取向如下：垂直于该板表面的方向上的值(Fr)为0.20-0.50，更好是0.26-0.40；而长度方向上的值(F1)为0.25-0.36，更好是0.31-0.35；而周边方向上的值(Ft)为0.25-0.36，更好是0.31-0.35。

图13是透视图，它展示了按本发明热处理管状箱的实施例。按此例，将由含50％(重量)Gd的Zr合金制成的板用于替换上述复合板。通过冷弯使该板形成U形，以制备-U形件(长：4m)。用激光焊或等离子焊将2个U形件彼此相连，从而得到一方柱体12。通过去除焊接部位上的不规则物将此方柱体12的焊接部位弄平。如图11和13所示，用高频感应加热法将此方柱体12在β-相温度范围内加热，再经喷水咀16喷水冷却而被淬火，喷咀16是直接设在高频感应加热线圈14下面的。然后按规定的速度使方柱体12从顶到底地通过线圈14，从而使整个方柱体12被均匀地热处理。调节方柱体12的供入速度和高频电源15的输出，以便最好将加热温度设定在1100℃或更低，而将980℃或更高的温度的保温时间定为10秒或更多。热处理后，为测F值，从方柱体12上切下试块(宽：40mm，长4mm)。通过用螺丝3将方柱体12的两端固定在奥氏体不锈钢制的芯子18上进行此热处理。热处理后方柱体12中的Zr合金中的晶粒取向，在具有上述规定值的此实施方案中，未精确测定，即，接近无序的结晶取向。方柱体12的Zr合金中的βZr晶粒的平均晶粒尺寸为约100μm。热处理后，将方柱体12高度精确地成形，再经喷砂、酸洗以去除方柱体12表面上的氧化物，然后再经受用蒸汽进行的蒸压处理。

图14-16是展示了本发明的管状箱的透视图，该箱有各种截面结构，并且是用上述的复合板和由含Gd的Zr合金制的板构成的。按此实施方案，图14所示的管状箱是具有规定厚度的截面结构；图15中所示的管状箱有这样剖面结构：其侧部向内或向外凹陷，从而使其厚度比角部厚度小；图16所示的管状箱有这样的截面结构，其纵向厚度分布如下：角部20比侧部21厚，而侧部21的上部22比侧部21的下部23薄。使管状箱这样成型是通过将掩膜置于不打算被蚀刻的部位上，用氢氟酸和硝酸混合酸溶液作化学蚀刻而完成的，或用机加工完成的。按此实施方案，使方柱体12的外侧表面下陷；但，壁厚的分布可相反，即，可使方柱体12的内表面侧凹陷。

图17展示了一个实施方案，其中将本发明的复合板用于燃料组件中的燃料棒。该燃料棒通常用Zr合金制的，装有燃料球的燃料包覆管构成，而在此实施方案中，如图17所示，上述的含Zr的Gd合金板被埋藏在Zr合金制的燃料包覆管中。这些燃料棒被紧密地置于燃料组件的4个角中的每一个的附过。结果，可以获得与前述的相同的效果。该燃料棒可按与现有技术相同的工艺，用其中的含Zr的Gd合金板夹在Zr合金板中的复合板，或用其中的含Zr的Gd合金管与Zr合金管直接构成一体的复合管制造。该复合管按这样的方法制成：通过热挤压制成原料复合管，然后使其反复经受用皮尔格周期式轧管机进行的冷加工，再经退火。还有，可按核设计的要求将此复合板用于水棒或控制棒。按图17所示的实施例，将各个被形成环状的Gd合金板置于Zr合金管中；但，也可将各个被形成带状的多块Gd合金板，以如下方式置于Zr合金管中：它们沿园周方向按相同的间隔隔开，并沿长度方向延伸。

图18是燃料棒的局部剖面图，该棒包括采用了图17所示的本发明的复合板的包覆管。该燃料棒由包覆管24、燃料球25、端部塞27、增压弹簧26组成按此实施方案，该燃料棒中充有15-25atm压力的He。包覆管24的制造如下：将纯Zr的衬整体地设在包覆管24的内侧。该衬是在热处理后，在形成原料管的下一步骤制造，然后使之经受冷轧和退火。

用热挤压将棒形成管(外径：63.5mm，厚度：10.9mm)。通过使这样得到的原料管经过高频感应加热线圈，同时使水从底至顶在该管中流动加热此管，然后通过设在线圈正下方的喷咀将水喷在该管的外表面上而将其淬火。最大加热温度被定为930℃，在930-500℃的温度区内的平均冷却速度被定为约150℃/秒。用皮尔格周期式轧管机冷轧已经受高频淬火的此原料管，再于真空中，于600℃使其退火。冷轧和退火交替重复3次(最终的退火温度：577℃)，结果得到分别用于燃料包覆管和园形隔板的管。为制造用于隔板的管，在不使水在管中流动的状态下加热原料管。在直径和厚度方面，燃料包覆管和隔板不同。通过改变最后冷轧时的压缩比制造两种直径和厚度各异的用于包覆管和隔板的管。与包覆管相比，隔板的外径大而厚度小。冷轧时，每次冷轧时的截面收缩比被定为70-80％。该衬的厚度为约10-100μm。包覆管的内侧有特定的晶粒取向，尤其是，Fr值在0.6-0.7的范围内。

图19和20是局部剖面图，它们分别都展示水棒。按此实施方案，采用具有图20所示的大直径的水棒，该棒采用了图17所示的上述复合件或集成一体的合金件。与上述的制造包覆管的步骤类似，使原料管重复淬火，然后经冷轧和退火至规定形状，结果得到具有小直径部位28，大直径部位29和端部塞30的水棒。端部塞30，如上所述设有螺纹，并通过该螺纹固定于上、下固定板。

参照图21将陈述一种用于沸水堆(BWR)的燃料组件的基本结构。在此燃料组件中，装有裂变材料(低度富化的铀的氧化物等的小球)的燃料棒和环管状的减速剂棒(水棒)按这些被固定的棒间的横向间隔被隔板束缚住；这些棒的上、下端分别由上、下固定板固定；而上述部件被管状箱围住。十字形的控制棒被置于由4件燃料组件围住的中心。

更明确地说，本实施方案中的燃料组件34是这样构成的：充有可裂变材料球的燃料棒36，含可燃的中子抑制剂(氧化钆)的燃料棒37(在该图中特以符号G标明)和含可燃的中子抑制剂的减速剂棒10被捆绑一起，而管状箱35围住这些被束缚的棒。减速剂棒10为双层管结构，它有外径约40mm的外管31，而且有内管32。

每个内管31和外管32都用上的复合管构成。如图17所示，其中Gd合金板被夹在Zr合金管中。环状部位33由含Zr合金的硼或硼化物(如碳化硼或硼化锆)，或由氧化铝构成。

靠近减速剂棒10的下端有些开孔，经其将冷却剂引入内管32，靠近其上端也有一些开孔，经此孔将冷却剂从内管32排出。这些开孔的数目及直径的设定要能防止冷却剂在减速剂管10内沸腾。

当用Zr合金制造含可燃的中子抑制剂的部件时，该可燃的中子抑制剂的成份，比如，这样设定：使Gd含量为约20％(重量)而B含量为约0.5％(重量)。当含可燃的中子抑制剂的部件不用Zr合金制造，或该可燃的中子抑制剂不是以单质态而是以化合物态添加时，每种可燃的中子抑制剂元素(在此情况下是Gd和B)可以按与该元素的绝对量大致相等的量设定。

减速剂棒10这样定位：形成于外管31和内管32之间环状部位33以从控制棒39侧伸出的对角线对称地设置。

将4件燃料棒38设置在最外周部位，此处在不燃烧的状态下，局部功率变得较大。在这种燃料棒38中，每颗燃料球表面都涂有用作可燃的中子抑制剂的氧化钆或硼化锆，其中该覆膜的厚度(约1.5μm)是这样确定的：使燃料棒38中的中子抑制剂的反应性比含于减速棒10的剂量中的可燃的中子抑制剂的反应性消逝得早。可用充有加了稍为富化(约0.5-3％)的氧化钆的燃料球的燃料棒替代其中的每个燃料球表面都涂有可燃的中子抑制剂的燃料棒。

图22和23展示了本发明燃料组件的另一实施方案。在每张图中，在上侧展示的是从管状箱纵向看去的横剖面图(a)，而在下侧则展示了沿管状箱正向看去的侧视图(b)。如于这些图中所示，MOX燃料组件A包括：管状箱4，大量燃料棒1的集束，水棒2(图22)或水棒2(图23)及装在管状箱4的4个侧表面部位中的，含有可燃的中子吸收剂的BP件40。BP件40沿纵向埋在管状箱4的4个侧表面部位的角部附近。图22所示的燃料组件有2个水棒2，而图23所示的燃料组件有一个水棒2。图22和23中所示的燃料组件结构相同，但水棒的数目不同。在图24所示的燃料组件中，BP件40沿纵向被埋在管状箱4的4个侧表面的角落部。MOX燃料由含1.5-10％(重量)钚的U-238燃料构成。较理想的是，将含Pu量较大的MOX燃料置于管状箱的内侧，将含Pu量较小的MOX燃料放在管状箱的外侧。在此实施方案中，BP件40经过管状箱的总长度延伸，而BP件40的暴露部位覆以抗腐蚀的金属。

由于藏在管状箱4中的BP件40不与堆芯水直接接触。所以就可防止在管状箱4和BP件40之间出现裂隙腐蚀、电流腐蚀等现象。

此外，将BP件40置于管状箱4的角落处或其附近，就可有效地抑制在燃料组件角部的局部的高峰系数。

图24是采用了带有本发明复合件的管状箱的BWR燃料组件的剖面图。按此实施方案，将用上述含20％(重量)Zr的Gd合金制的板以同于上述的方式埋藏在用Zircalloy4制的管状箱的角落处。

图25和26展示了制造图22-24所示的实施方案中的燃料组件管状箱的工艺。首先。在图25中所示的步骤(a)，加工用于构成管状箱的Zircalloy4原料板，从沿该板的纵向形成各具约60mm深度凹槽；将尺寸分别与该凹槽尺寸相适应的BP件40掩埋在其中；将另一薄的Zircalloy 4板粘附在带有BP件40的所述板上；然后将各板的装配部位以电子束焊相互连接，如所示的焊接部位42。此后，以800-1100℃的温度热轧所得的板，再将其冷轧和退火成一完美的板。将冷轧和退火重复数次。上述的热轧可用热压法代替，按该法将上述两原料板在最高1220℃的温度下加热，然后热压。若不必担心两板间出现剥离，可省去电子束焊接。尤其是，采用热压法就有较高的省去电子束焊接的可能性。将所得的成为一体的板弯成U形。然后，如图26所示，将两块U形板相互对合、焊接成矩形的管状箱1。使此矩形的管状箱承受淬火(在Zr合金的β-相温度下加热，然后快冷)、热成形及高压蒸汽处理。于是得到本发明的管状箱1。此外，Zircalloy4是一种含1.20-1.70％(重量)的Sn,0.18-0.24％(重量)的Fe、0.07-0.13％(重量)的Cr、0.10-0.16％(重量)的O₂，及余量的Zr的Zr合金。

如从上述述结构可知，符合本发明的，混有Pu的燃料组件(MOX燃料组件)能适当地抑制过剩反应性，而无需在燃料棒中添加中子吸收材料或可燃的中子抑制剂。

由于在燃料中不加任何可燃的中子抑制剂，所以可以实现将Pu用于轻水堆，而又不减少每个燃料组件中的Pu负载量。

还有，本发明的燃料组件能有效地降低其外周部位处的局部高峰系数，而又不增加球团富集的种类，因而减少构成该燃料组件的球团的富集种类。

由于可燃的中子抑制剂被埋在管状箱中，所以就可能防止可燃的中子抑制剂本身出现腐蚀及管状箱和可燃的中子抑制剂间的裂隙腐蚀和电流腐蚀，及防止可燃的中子抑制剂在堆芯水中被洗提出来，这是因为可燃的中子抑制剂不与堆芯水直接接触之故。

此外，按本发明，就可形成具有良好外观的管状箱，用此箱不使中子吸收剂暴露，而且还易于制造埋有可燃的中子抑制剂的管状箱以及消除了管状箱原料板间的剥离。

如上所述，本发明提供了能适当抑制核设计中的过剩反应性的燃料组件，而通过用含20％(重量)或更多的Gd及余量的Zr的Zr-Gd合金作中子吸收材料，在该燃料棒中无需添加任何中子吸收材料。本发明还提供了制造用于吸收中子的Zr-Gd合金件的工艺，该工艺能按与制造现有Zr合金件的程序相同的程序制造该合金件。虽然用特定的术语陈述了本发明的较佳实施方案，但这种陈述仅用于说明的目的，而且可以理解的是，可以不违背下面的权利要求的精神和范围进行变更和改变。

Claims (12)

1、一种复合件，它包括：

用含Gd量为20％(重量)或更多的Zr-Gd合金制的件，和

用耐腐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件；

其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被用所述Zr合金制的所述的件所包覆。

2、一种复合件，它包括

用含Gd为20-99％(重量)的Zr-Gd合金制的件；

用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件；

其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被夹在用所述Zr合金制成的所述件之中。

3、复合件，它包括：

用288℃时的抗拉强度为92MPa或更高，室温抗拉强度为200MPa或更高的Zr-Gd合金制的件；

及，用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件；

其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被用所述Zr合金制的所述的件包覆。

4、复合件，它包括：

用在室温-300℃的温度范围内平均热膨胀系数为0.16-0.18％的Zr-Gd合金制的件；及

用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件；

其中，用所述Zr-Gd合金制的所述的件被用所述的Zr合金制的所述的件包覆。

5、燃料组件，它包括：

多个各由充有核燃料的包覆管构成的燃料棒；

用于将所述燃料棒固定于规定位置的隔板；

用于分别支撑所述燃料棒的上、下端的上、下固定板；

置于所述隔板中的水棒；及

用于将所述燃料棒、隔板、固定板和水棒集为一体并包覆其外周的管状箱；

其中所述的包覆管、隔板、水棒和管状箱中的至少一种包括一复合件，该件包括用含Gd为20％(重量)或更多的Zr-Gd合金制的件和用耐腐性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被夹在用所述Zr合金制的所述的件之中。

6、用于核反应堆的燃料包覆管,它包括一种复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件夹在用所述Zr合金制的所述的件之中。

7、核反应堆所用的隔板，它包括一种复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件及用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金所制的件，其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件夹在用所述Zr合金所制的所述的件之中。

8、核反应堆用的水棒，它括一种复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件及用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用所述的Zr-Gd合金制的所述的件夹在用所述Zr合金制的所述的件之中。

9、核反堆用的管状箱，它包括一复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件及用耐蚀性优于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被夹在用所述Zr合金制的所述的件之中。

10、控制棒，它包含一复合件，该件包括用Zr-Gd合金制的件和用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，其中用所述Zr-Gd合金制的所述的件被夹在用所述的Zr合金制的所述的件之中。

11、燃料组件，它包括：

多个各由充有核燃料的包覆管所构成的燃料棒；

用于将所述燃料棒固定于规定位置的隔板；

用于分别支撑所述燃料棒上、下端的上、下固定板；

置于所述隔板中的水棒；及

用于将所述燃料棒、隔板、固定板和水棒集为一体并覆盖其外周的管状箱；

其中所述的管状箱包含一复合件，该件包括多个用Zr-Gd合金制的带状件及用耐蚀性高于所述Zr-Gd合金的Zr合金制的件，所述的多个用所述Zr-Gd合金制的件沿周边方向被夹在所述的用所述Zr合金制的件之中，其中所述的多个用所述Zr-Gd合金制的件被置于所述管状箱的中心部位，其长度在所述管状箱总长的90％或更多范围内。

12、用其中分散着Zr晶粒的Gd合金制的板。

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