TW201841867A

TW201841867A - 陶瓷核燃料丸、燃料棒及燃料總成

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Publication number: TW201841867A
Application number: TW107102952A
Authority: TW
Inventors: 賽門查理斯米德里布爾夫; 拉爾斯哈爾史達迪亞斯
Original assignee: 瑞典商西屋電器瑞典股份有限公司
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2018-01-26
Publication date: 2018-12-01
Also published as: JP7026128B2; TWI763775B; EP3396676B1; JP2020517910A; US11315695B2; WO2018197105A1; US20210125734A1; EP3396676A1; ES2775010T3

Abstract

本發明揭示用於核反應器的燃料總成，燃料總成的燃料棒(4)以及燃料棒的陶瓷核燃料丸(10)。燃料丸包含UB₂第一分裂材料。UB₂的硼被濃化以具有比天然B濃度高的同位素¹¹B濃度。

Description

陶瓷核燃料丸、燃料棒及燃料總成

本發明涉及用於核反應器的陶瓷核燃料丸，其中核燃料丸包含UB₂第一可裂材料。本發明亦涉及包含護套管和多個核燃料丸的燃料棒，並且涉及包含多個燃料棒的燃料總成。

目前使用的主要核燃料包含二氧化鈾(UO₂)的燒結核燃料丸。二氧化鈾是一種極好的核燃料，熔點為2865℃。然而，在某些方面有改進的需求。鈾密度的增加將改善燃料的經濟性。熱傳導性的增加將改善丸在反應器內的行為，並因此使其更適合於下一代反應器，從而提供可能適用於所謂的事故容錯燃料(ATF)的屬性。

US 2008/031398揭示多種含有不同組成的燃料棒：只有錒系燃料的燃料元件組成，以及具有錒系燃料和硼化合物(例如UB₂)的燃料元件組成。硼化合物的目的是吸收中子，而因此硼可以是天然的或濃化的以增加同位素¹⁰B的濃度。

EP 1 647 993揭示一種燃料總成，其包含至少一個具有錒系燃料和含硼化合物(例如UB₂)的燒結混合物的燃料丸。硼可以是天然的硼或具有較高濃度的同位素¹⁰B的濃化硼。

Brown等人的“Neutronic performance of uranium nitride composite fuels in a PWR”涉及對未來可能的核燃料的調查。燃料中的一種是UN/UB₄複合燃料。UB₄的硼含量是100%濃化的¹¹B。

本發明的目的是提供一種替代的核燃料。具體而言，本發明的目標是滿足所謂的事故容錯燃料(ATF)要求的核燃料。

這個目的藉由最初定義的核燃料丸來實現，其特徵在於UB₂的硼被濃化以含有比天然B濃度高的同位素¹¹B濃度。

硼同位素¹¹B具有非常小的中子截面，即中子吸收很少。硼同位素¹¹B的中子截面為0.0055邦，與硼同位素¹⁰B的3835邦和天然硼的767邦相比。

包含以這樣的方式濃化UB₂可裂材料或由以這樣的方式濃化UB₂可裂材料所組成的核燃料丸因此可以確保高效率，因為在分裂過程中可以使用更高比例的中子。

UB₂是一種熔點>2400℃的陶瓷，而因此被認為是超高溫陶瓷(UTHC)。包含UB₂的可裂材料或由UB₂的可裂材料所組成的核燃料丸因此可承受非常高的溫度，這使之適合作為事故容錯燃料，尤其是當與UO₂相比具有優越的導熱性時。

UB₂的密度約為12.74g/cm³且鈾的密度為11.66g/cm³。包含UB₂或由UB₂所組成的核燃料丸因此可以確保分裂過程的高效率。與UO₂相比這是顯著的改進，UO₂的密度約為10.9g/cm³且鈾的密度為9.7g/cm³。

UB₂在與水接觸時相對穩定，並且UB₂與水的反應在沒有摻雜劑時不會迅速進行，至少直到超過600℃的水且400℃的空氣中。

在操作期間中UB₂的膨脹是緩和的。包含UB₂或由UB₂所組成的核燃料丸因此可以適合含有在(例如)碳化矽結構的非常規護套管中，該碳化矽結構被提出作為用於事故容錯燃料的護套。

根據本發明一個具體實例，同位素¹¹B的濃度為至少85重量%。同位素¹¹B的天然濃度約為80重量%。

根據本發明一個具體實例，同位素¹¹B的濃度為至少90重量%。

根據本發明一個具體實例，同位素¹¹B的濃度為至少95重量%。

根據本發明一個具體實例，同位素¹¹B的濃度為約100重量%。

根據本發明一個具體實例，核燃料丸由UB₂所組成。上述討論的技術優點將由包含UB₂的核燃料丸作為唯一組分而實現。

根據本發明一個具體實例，核燃料丸包含第二可裂材料。上述討論的技術優點也可以由包含UB₂第一可裂材料之外還包含第二可裂材料的核燃料丸而實現。第二可裂材料的濃度可以根據核燃料丸在燃料棒中的位置而變化。例如，第二可裂材料的濃度可以為至少99.9體積%、至少90體積%、至少80體積%、至少70體積%、至少60體積%、至少50體積%或至少40體積%。再者，第二可裂材料的濃度可以為最多40體積%、最多30體積%、最多20體積%、最多10體積%或最多5體積%。

根據本發明一個具體實例，至少一種第二可裂材料包含錒系氮化物、錒系矽化物和錒系氧化物中之一種。

根據本發明一個具體實例，至少一種第二可裂材料包含UN、U₃Si₂、UO₂、U₃Si、USi、PuN、Pu₃Si₂、PuO₂、Pu₃Si、PuSi、ThN、Th₃Si₂、ThO₂、Th₃Si及ThSi中之一者。

根據本發明一個具體實例，至少一種第二可裂材料包含UB_x，且其中x大於2，例如UB₄。這個具體實例藉由調節核燃料丸的硼含量創造調整中子吸收能力的可能性而不改變核燃料丸或燃料棒內的硼濃化。

根據本發明一個具體實例，第一可裂材料和至少一種第二可裂材料在核燃料丸中混合。

根據本發明一個具體實例，核燃料丸是燒結的核燃料丸。

所述目的也藉由最初定義的燃料棒來實現，燃料棒包含護套管和根據上述所定義具體實例中任一者的多個核燃料丸。

根據本發明一個具體實例，燃料棒包含多個包含UB₂的吸收丸，其中UB₂的硼所具有同位素¹⁰B的濃度比在核燃料丸的第一可裂材料的UB₂的同位素¹⁰B的濃度高。燃料棒因此可以包含核燃料丸和吸收丸二者。可以調整吸收丸以充當燃料棒中的可燃毒物，用於改良經濟性和核反應器中的燃料利用。

根據本發明一個具體實例，在吸收丸的UB₂中同位素¹⁰B的濃度以重量計為至少25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%。

所述目的也藉由最初定義的燃料總成來實現，燃料總成包含多個上述所定義的燃料棒。燃料總成可以包含包含核燃料丸的燃料棒和包含吸收丸的燃料棒。

現在將藉由對各種具體實例的描述並參照附圖來更加詳細地解釋本發明。

圖1示意性地揭示用於核反應器的燃料總成的縱向截面圖。

圖2示意性地揭示圖1中的燃料總成的燃料棒的縱向截面圖。

圖3揭示根據第一具體實例的核燃料丸的縱向截面圖，並且適合包含於圖2中的燃料棒。

圖4揭示根據第二具體實例的核燃料丸的縱向截面圖，並且適合包含於圖2中的燃料棒。

圖5示意性地揭示另一個適用於圖1所示燃料總成的燃料棒的縱向截面圖。

圖1揭示經配置為引入核反應器的核心的燃料總成1，具體而言在水冷輕水反應器(LWR)中，諸如沸水反應器(BWR)或壓水反應器(PWR)。核心可以包含高燃耗區域和低燃耗區域或者核心可以由高燃耗區域和低燃耗區域所組成。

燃料總成1包含底部構件2、頂部構件3和在底部構件2和頂部構件3之間延伸的多個細長燃料棒4。燃料棒4借助多個間隔件5保持在其位置上。

此外，燃料總成1(例如在BWR中使用時)可以包含由虛線6表示並圍繞燃料棒4的流動通道或燃料箱。

圖2揭示圖1的燃料總成1的一支燃料棒4。燃料棒4包含多個呈核燃料丸10形式的核燃料和包圍核燃料丸10的護套管11。燃料棒4包含密封護套管11的下端的底部塞12和密封燃料棒4的上端的頂部塞13。核燃料丸10在護套管11中佈置成一堆。護套管11因此包圍燃料丸10和氣體。

彈簧14佈置在核燃料丸10堆和頂部塞13之間的上充氣部15中。彈簧14將核燃料丸10堆壓縮靠在底部塞12上。

核燃料丸10之一的第一具體實例揭示在圖3中。核燃料丸10是陶瓷核燃料丸10並且包含UB₂第一可裂材料或者由UB₂第一可裂材料所組成。

核燃料丸10之一的第二具體實例揭示在圖4中，根據第二具體實例，除了第一可裂材料20之外，陶瓷核燃料丸10可以包含至少一種第二可裂材料21。第二可裂材料21的濃度可以根據核燃料丸在燃料棒或燃料總成中的位置而變化。

在低燃耗區域，例如在核反應器爐心的較低區域中，第二可裂材料的濃度可能相對較高，而在預期溫度較高的爐心的高燃耗區域中，第二可裂材料的濃度可能相對較低。

例如，在低燃耗區域，第二可裂材料的濃度可以為至少99.9體積%、至少90體積%、至少80體積%、至少70體積%、至少60體積%、至少50體積%或至少40體積%。在高燃耗區域中，第二可裂材料21的濃度可以為最多40體積%、最多30體積%、最多20體積%、最多10體積%或最多5體積%。

至少在高燃耗區域中，第一可裂材料20因此可以構成主要的可裂材料，而第二可裂材料21則是次要的可裂材料。

所述至少一種第二可裂材料21包含錒系氮化物、錒系矽化物和錒系氧化物中之一種。在所揭示的具體實例中，第二可裂材料21不含硼。

例如，所述至少一種第二可裂材料21可包含UN、U₃Si₂、UO₂、U₃Si、USi、PuN、Pu₃Si₂、PuO₂、Pu₃Si、PuSi、ThN、Th₃Si₂、ThO₂、Th₃Si及ThSi中之一者。

再者，所述至少一種第二可裂材料21可包含UB_x，且其中x大於2，例如UB₄。這種UB_x化合物提供了增加燃料棒4中的全部或一些核燃料丸10的中子吸收能力的可能性。

第一可裂材料20和至少一種第二可裂材料21或複數種第二可裂材料21可以在核燃料丸10中緊密混合。

在第一和第二具體實例的核燃料丸10中，UB₂的硼被濃化以含有比天然B濃度高的同位素¹¹B濃度。同位素¹¹B的濃度可以為至少85重量%，較佳至少90重量%，更佳至少95重量%或最佳約100重量%或100重量%。

與同位素¹¹B的天然濃度(其約為80重量%)相比，這些濃度構成濃化。

陶瓷核燃料丸10可為燒結的核燃料丸。第一可裂材料的粉末和可能的(一或多種)第二可裂材料的粉末可以混合形成混合物。將混合物壓製成生坯，然後在合適的烘箱中將生坯燒結成核燃料丸10。

核燃料丸10也可以作為替代方式以其他方式製造，例如藉由鑄造或擠壓。

圖5揭示另一種燃料棒4，其與圖2中的燃料棒4不同之處在於除了核燃料丸10之外還包含多個吸收丸17，例如20%、40%、60%、80%或100%吸收丸17，其餘丸塊是核燃料丸10。

吸收丸17也包含UB₂。然而，在吸收丸17中，UB₂的硼所具有同位素¹⁰B的濃度比核子丸10的第一可裂材料的UB₂的同位素¹⁰B的濃度高。

在吸收丸17的UB₂中同位素¹⁰B的濃度以重量計可為至少25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%。

如上所述，吸收丸17還可以包含UB₂作為第一可裂材料並且可能包含至少一種第二可裂材料。

本發明不限於本文所揭示和描述的具體實例，但是可以在以下的申請專利範圍的範圍內變化和修改。

Claims

一種用於核反應器的陶瓷核燃料丸(10)，其中該核燃料丸(10)包含UB ₂第一可裂材料(20)， 其特徵在於：UB ₂的硼被濃化以具有比天然B濃度高的同位素 ¹¹B濃度。
如請求項1所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中同位素 ¹¹B的濃度為至少85重量%。
如請求項1所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中同位素 ¹¹B的濃度為至少90重量%。
如請求項1所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中同位素 ¹¹B的濃度為至少95重量%。
如請求項1所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中同位素 ¹¹B的濃度為約100重量%。
如請求項1至2中任一項所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該核燃料丸(10)由UB ₂所組成。
如請求項1至2中任一項所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該核燃料丸(10)包含至少一種第二可裂材料(21)。
如請求項7所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該至少一種第二可裂材料(21)包含錒系氮化物、錒系矽化物和錒系氧化物中之一種。
如請求項7所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該至少一種第二可裂材料(21)包含UN、U ₃Si ₂、UO ₂、U ₃Si、USi、PuN、Pu ₃Si ₂、PuO ₂、Pu ₃Si、PuSi、ThN、Th ₃Si ₂、ThO ₂、Th ₃Si及ThSi中之一者。
如請求項7至9中任一項所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該至少一種第二可裂材料(21)包含UB _x，且其中x大於2。
如請求項7至10中任一項所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該第一可裂材料(20)和該至少一種第二可裂材料(21)在核燃料丸(10)中混合。
如前述請求項中任一項所述之陶瓷核燃料丸(10)，其中該核燃料丸(10)是燒結的核燃料丸。
一種燃料棒(4)，其包含護套管(11)和多個如前述請求項中任一項所述之核燃料丸(10)。
如請求項13所述之燃料棒(4)，其中該燃料棒(4)包含多個包含UB ₂的吸收丸(17)，其中UB ₂的硼所具有同位素 ¹⁰B的濃度比核燃料丸(10)的第一可裂材料(20)UB ₂的同位素 ¹⁰B的濃度高。
如請求項14所述之燃料棒(4)，其中在該吸收丸(17)的UB ₂中同位素 ¹⁰B的濃度以重量計為至少25%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或100%。
一種燃料總成(1)，其包含多個如請求項13至15中任一項之燃料棒(4)。