TWI755780B - 長形碳化矽燃料元件 - Google Patents

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Abstract

本發明描述一種長形燃料元件，其具有圍封諸如UO2之一燃料之一碳化矽護套，其中該燃料相對於該護套定尺寸以在殼體之各橫向端處界定足夠大之間隙，使得在使用中膨脹之後，該燃料不使該護套上之應變增加超過護套應變容限之限制。該燃料之該等端處之該等橫向間隙容許膨脹期間之橫向膨脹，此減小該護套上之該應變。

Description

長形碳化矽燃料元件
本發明係關於用於核能電廠之燃料元件且更特定言之係關於含於長形SiC護套內之長形燃料片段。
碳化矽(SiC)已被展示為一非常有前途之事故耐受燃料(ATF)護套，但SiC之一個主要挑戰係容置於SiC護套管中之燃料丸無法與護套強烈接觸而不具有失去SiC護套中之氣密性之風險。
UO2燃料在核能工業中具有一悠久且成功之使用歷史。雖然UO2在輻照期間具有與輕水冷卻劑之低反應性、適度膨脹及穩定結構，但其經受低導熱性，此將其使用限於小直徑燃料棒。在使用中，分裂產物將導致UO2之膨脹，且除非燃料丸與諸如SiC之一非延性護套之間存在一足夠大的初始間隙，否則不可避免之膨脹由於丸與護套之間的強機械相互作用(PCMI)而導致護套故障。增加初始丸-護套間隙以解決PCMI問題將歸因於間隙中之氦氣之低導熱性及減少鈾裝載而導致甚至更高燃料中心線溫度。此缺點在UO2用於具有諸如SiC之先進事故耐受護套之燃料棒中時變得明顯，此需要最小燃料至護套機械相互作用以避免開裂及氣密性損失。因此，在不具有嚴重經濟損失的情況下，在SiC護套中使用UO2對於圓柱形燃料棒幾何形狀係不可能的。
另一方面，藉由留下一較大丸-護套間隙，諸如U3Si2、UN及鈾合金之燃料可歸因於其等之高燃料導熱性及降低燃料中心線溫度而緩和PCMI問題，但代價係減少鈾裝載。此外，此等燃料具有較差耐水腐蝕性，此在一輕水反應器中之一洩漏事件期間由於損及燃料之事故耐受性而係有害的。
針對諸如Zr之金屬護套(其具有2%至4%之一應變能力)，間隙並非一PCMI問題而僅需足夠大以裝載燃料丸。然而，若發生一洩漏，則U3Si2例如將經歷氧化，從而增加Zr護套中之內部體積。增加體積導致護套膨脹，從而導致冷卻劑路徑阻塞。
與傳統Zr基材料相比，SiC護套在事故條件期間具有改良的高溫效能。然而，棒型燃料設計已限制SiC材料的可能性，此係因為SiC具有一有限應變能力(~0.04%至0.1%)以減輕局部應力積累且最小化燃料與護套之間的機械相互作用。解決此問題之方法係留下一大燃料-護套間隙。然而，大間隙將顯著增加燃料中心線溫度，尤其在諸如UO2之一低導熱性燃料中，從而導致一大分裂氣體釋放及/或膨脹且亦減少鈾裝載，從而導致一嚴重經濟損失。
最初在20世紀60年代及20世紀70年代開發之板狀燃料(諸如在美國專利第3,173,843號；第3,297,543號；第3,586,745號；第3,855,061號；第4,038,135號；及第4,224,106號中揭示之板狀燃料)使用金屬護套(例如，鋁或鋯合金)及金屬燃料或分散於金屬基質(例如，UZr或UMo)中之燃料。此等板狀燃料被發現不適於商業反應器且被廢棄，但當前用於測試反應器中且已被評估用於小模組化反應器中。參見Mark D.DeHart之「Fuel Element Design and Analysis for Potential LEU Conversion of the Advanced Test Reactor」，INL/JOU-17-41538 Revision 0，2018年4月；Samuel J.Miller等人之「Evaluation of U10Mo Fuel Plate Irradiation Behavior Via Numerical and Experimental Benchmarking」，INL/CON-12-25074，2012年11月；及Min-Gil Kim等人之「Comparison of Thermal Hydraulic Performances of Rod Type Fuel to Plate-Type Fuel for Small Modular Reactor Application」，Proceedings of ICAPP，2014年4月。
提供以下[發明內容]以促進對所揭示實施例特有之一些創新特徵之一理解且不旨在係一充分描述。可藉由將整個說明書、發明申請專利範圍及摘要作為一整體而獲得對該等實施例之各種態樣之一充分瞭解。
為解決由SiC護套與核能燃料之間的丸護套機械相互作用引起之問題，而同時提供更多鈾裝載及較佳安全裕度之益處，尤其在輕水反應器中，本文中描述一種包括具有長形SiC護套之一長形燃料之新燃料元件。
在各種態樣中，用於一核能反應器中之該燃料元件包含一碳化矽護套及容置於該護套中之一核能燃料。該護套具有兩個相對長形壁及短於該等長形壁之兩個相對端壁。該等長形壁及該等端壁共同界定一殼體。該殼體具有從端壁至端壁之一長度及從長形壁至長形壁之一寬度且該護套具有一縱向軸及垂直於該縱向軸之一橫向軸。該核能燃料具有兩個長形表面及短於該等長形表面之兩個端表面。在使用中膨脹之前，該兩個長形表面之各者以一第一距離與該護套之該等長形壁之一不同者最小地間隔 (例如，介於約0.05mm至2.0mm之間)且與其成一面對關係，且該等端表面之各者以一第二距離與該護套之該等端壁之一不同者間隔且與其成一面對關係。該第二距離大於該第一距離。該第一距離及該第二距離經定尺寸，使得在使用中，當該燃料膨脹時，該膨脹燃料膨脹超過該第一距離且多至但不超過該第二距離以使該護套之該等長形壁變形但不使該護套之該等端壁變形且不使該護套應變超過0.1%。
在各種態樣中，歸因於該燃料之膨脹之該護套上之該應變不大於0.05%。
該第二距離界定該等燃料端表面與該等護套端壁之間的一間隙，該間隙經定尺寸以容許選定燃料之最大膨脹外加使用中產生之分裂氣體之空間。熟習此項技術者可藉由已知方法計算或藉由歷史使用判定該選定燃料將在使用中經歷之最大膨脹量及將在使用中產生之分裂氣體量以判定該第二距離。該第一距離界定該護套之該等長形壁之各者與該燃料之面對長形表面之間的一間隙。該第一距離間隙足以容許該燃料在使用之前插入至該護套中，通常約0.07mm。
在某些態樣中，該燃料可在橫截面上構形為一橢圓形，從而在該等較短端表面之各者處界定一頂點，其中該兩個長形表面凸形地彎曲。該橢圓形具有從頂點延伸至頂點之一長軸及垂直於該長軸之一短軸。各凸形彎曲表面在該短軸處具有一共頂點且從該共頂點彎曲至各頂點且與各頂點相交。在此實施例中，該第一距離在該等共頂點與該護套之該等長形壁之間最小。
在該燃料元件之某些態樣中，該護套之該等長形壁可朝向該燃料向內彎曲。在使用中變形之前，該護套之該等長形壁可朝向該燃料 內凹地彎曲且在使用中向外變形。在各種態樣中，該護套之該等端壁在使用之前可為平坦的且在使用中保持平坦。
在使用中膨脹之前，該燃料之該等長形表面可朝向彼此內凹地彎曲且在使用中向外膨脹，以形成延伸超過該第一距離以使該護套之該等長形壁變形之一凸形彎曲長形表面。各凹形彎曲長形表面在該短軸處界定一共頂點且從該共頂點彎曲至各端表面且與各端表面相交。在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表面可為平坦的且在使用中向外膨脹，以形成凸形彎曲端表面。替代地，在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表面可為平坦的且在使用中保持平坦。
在各種態樣中，在使用中膨脹之前，該燃料可在橫截面上構形為一直線形狀，從而界定平坦端表面及平坦長形表面。該直線形狀界定從端表面延伸至端表面之一長軸及垂直於該長軸之一短軸。在使用中，該燃料沿該長軸及該短軸兩者向外膨脹以在橫截面上形成一橢圓構形。在使用中膨脹之前，該護套可在橫截面上構形為一直線形狀，從而界定平坦端壁及平坦長形壁，其等在使用時向外變形，該燃料膨脹。
在各種態樣中，該護套之該等端壁在橫截面上比該護套之該等長形壁更厚。
該燃料可為選自由UO2、U3Si2、UN及一鈾合金構成之群組之一可裂材料。
具有長形SiC護套之該長形燃料能夠使用諸如UO2之燃料之所證實益處連同SiC護套材料之事故耐受特徵而不在正常操作期間及瞬時條件下損及燃料效能。具有容許燃料膨脹之長形燃料及端隙之該所提出長形SiC護套提供諸如小間隙之改良熱傳遞或燃料與護套之間的直接接觸 之益處。具有長形燃料之該長形SiC護套亦將歸因於貫穿該燃料之壽命之最小間隙而導致較低燃料溫度，此將導致分裂氣體釋放及膨脹減少，歸因於低溫度增加而使該護套在瞬時事件期間之變形減少，且歸因於所容許護套凸起之跨度增加而使燃料與護套之間的硬接觸上之拉伸應力減小。該長形護套表面可視情況預彎曲以進一步緩和局部應力積累。本文中描述之該SiC護套長形燃料容許使用UO2燃料而不損及UO2之經濟效益或SiC之事故耐受特徵。
10:燃料元件
12:長形SiC護套
14:燃料片段
16:端壁
18:長形壁
20:長形側表面
22:端表面
26:變形構形
28:內表面
30:接觸區域
32:小間隙
34:較大間隙
36:間隙
40:縱向軸
44:軸
50:燃料總成
100:燃料元件
114:燃料片段
120:凸形彎曲長形表面
122:頂點/端表面
124:膨脹構形
200:燃料元件
212:護套
214:燃料片段/燃料元件
218:長形壁/護套壁
218’:長形壁
220:凹形長形表面
220’:凸形表面
222:端表面
222’:平坦表面
230:接觸區域
232:間隙
234:間隙/端隙
234’:間隙
可藉由參考附圖更好地理解本發明之特性及優點。
圖1係處於其初始構形之一長形燃料元件之一實施例之一俯視平面截面圖之一示意圖解。
圖2係一長形燃料元件之一替代實施例之一俯視平面截面圖之一示意圖解，其展示處於其等初始構形之一凸形燃料片段及長形護套(實線)相較於使用時之膨脹燃料片段(虛線)及護套變形(虛線)之構形。
圖3係燃料元件之另一實施例之一俯視平面截面圖之一示意圖解，其展示處於其等初始構形(虛線)及燃料膨脹且護套變形之後(實線)之一預彎曲護套壁及一預彎曲燃料片段。
圖4A至圖4D展示一總成中之燃料片段之一實施例之一正視截面圖(A)、俯視截面圖(B)、側視截面圖(C)及替代正視截面圖(D)之一示意圖解，其中燃料可被製造為單件(D)或堆疊片段(A)且插入至護套中。
圖5A至圖5C展示插入一反應器爐心中之圖4之燃料元件總成之一正視截面圖(A)、俯視截面圖(B)及側視截面圖(C)之一示意圖解。
關於政府權利之陳述
本發明係在能源部授予的第DE-NE0008824號合約下由政府支援而實現。美國政府具有本發明中之某些權利。
如本文中使用，單數形式「一」、「一個」及「該」包含複數參考，除非內容脈絡另外清楚指示。因此，冠詞「一」及「一個」在本文中用於指代冠詞之一個或一個以上(即，至少一個)語法對象。藉由實例，「一元件」意謂一個元件或一個以上元件。
本文中使用之方向片語(諸如例如且非限制，頂部、底部、左、右、下、上、向上、朝下、向下、正、反及其等之變化)應係關於附圖中展示之元件之定向且不限制發明申請專利範圍，除非另外明確陳述。
在包含發明申請專利範圍之本申請案中(除另外指示的情況下以外)，表達數量、值或特性之全部數字應被理解為在全部例項中由術語「約」修飾。因此，即使術語「約」可能未明確與數字一起出現，亦可將數字視為如同前面有字詞「約」。因此，除非相反指示，否則以下描述中闡述之任何數值參數可取決於吾人企圖在根據本發明之組合物及方法中獲得之所要性質而變化。至少且並非試圖將等效物之教旨之應用限於發明申請專利範圍之範疇，應至少鑑於所報告之有效數字且藉由應用一般捨入技術來解釋本描述中描述之各數值參數。
此外，本文中敘述之任何數值範圍旨在包含歸入其中之全部子範圍。例如，「1至10」之一範圍旨在包含所敘述最小值1與所敘述最大值10之間的任何及全部子範圍，即，具有等於或大於1之一最小值及等於或小於10之一最大值。
參考圖1，展示如在使用之前最初構形之一燃料元件10。 燃料元件10包含圍封一核能燃料片段14之一長形SiC護套12。護套12在橫截面上被展示為用於容置長形燃料片段14之一長形矩形結構。處於其初始構形之護套12具有兩個相對長形壁18及兩個相對較短端壁16。燃料片段14亦具有兩個最初平行或實質上平行長形側表面20及相對於片段之長形側表面之兩個相對較短端表面22。燃料片段14相對於護套12定大小，使得在護套之長形壁18與燃料片段14之長形側表面20之間的一第一距離處存在一小間隙32，從而容許恰好足夠空間以將片段裝載及堆疊於護套12中。在護套12之端壁16與片段14之端表面22之間的一第二距離處之護套12之各端處存在一較大間隙34。較大間隙34大於小間隙32。間隙34經定大小以容許分裂氣體在小於反應器之設計壓力(例如，針對一傳統壓力水反應器(PWR)，在230℃下係2200psia)之一壓力下累積。
在使用中，在燃料壽命循環開始時，燃料片段14膨脹。燃料係各向同性的，因此其將在全部方向上均勻地膨脹。在使用本文中描述之長形護套及燃料構形的情況下，長形壁18呈現一力，該力防止燃料在橫向方向上(即，沿如圖1及圖2中展示之Y軸)自由地膨脹。由於沿壁18之長邊緣之較小間隙32，膨脹燃料將首先壓抵護套12之壁18且使長形壁18向外變形。然而，據信，長形壁18之抗膨脹性意謂燃料將變得各向異性且將沿護套之縱向軸(即，沿如圖1及圖2中展示之X軸)在具有較少阻力之方向上膨脹更多。由於較大端隙34及護套12之長形壁18之長度，膨脹燃料片段14將膨脹至間隙34中且藉由膨脹片段14沿軸44施加於長形壁18上之力將散佈在一較長距離上(從軸44至端壁16)，從而導致從軸44至護套12上之端壁16之距離上之減少總應變。較大端隙34容許片段14之縱向膨脹而不在片段14之端表面22與護套12之端壁16之間施加任何可感知力或硬接 觸。如本文中使用，硬接觸指代片段14與護套之壁之間的接觸，尤其係抵靠護套壁施加任何力之接觸。SiC可在開裂之前容忍約0.04%至0.1%且在各種態樣中約0.05%至0.07%之一應變，因此在壁18之較長長度上散佈由燃料片段14之膨脹導致之應變將應變之總增加限制為高於適用百分比臨限值。
在各種態樣中，燃料片段可具有一凸形，如圖2中展示，此係因為護套壁18之中心可歸因於燃料之寬度(在從軸44至端壁16之方向上)而經受沿軸44之Y方向上之一大位移。
參考圖2，展示一燃料元件100之一替代實施例。在此實施例中，護套12相同於圖1中展示之燃料元件10之護套12。燃料元件100之護套12在橫截面上係一長形矩形結構，亦由SiC形成，且在其初始構形中具有兩個相對長形壁18及兩個相對較短端壁16，以實線展示。處於其初始構形之燃料元件100之燃料片段114在橫截面上係卵形或橢圓形，具有兩個凸形彎曲長形表面120及兩個端曲線或頂點122。沿橢圓形片段114之從頂點至頂點122之長度界定一長軸，且跨橢圓形之寬度界定短於且垂直於長軸之一短軸。
以一較佳裝載方式，片段114之長軸將與護套12之縱向軸40對準且同軸，且短軸將與護套之橫向軸44同軸對準。可容忍與較佳對準之某一偏差，只要端隙34容許片段114之膨脹而不增加護套12上之應變即可，如上文描述。
燃料片段114相對於護套12定大小，使得護套之長形壁18與燃料片段114之較長凸形彎曲長形表面120之最寬區域(稱為橢圓形之沿短軸之共頂點)之間存在一小間隙32，從而容許在丸之最寬區域處具有恰 好足夠空間以將片段114裝載及堆疊於護套12中而不在裝載期間抵靠護套12之內表面28施加接觸壓力。由於橢圓形，在片段114從各共頂點朝向端或頂點122彎曲時，間隙32加寬至一間隙36中。燃料片段114相對於護套12定大小，使得在護套12之端壁16與片段114之端曲線或頂點122之間的護套12之各端處存在相對於小間隙32之一較大間隙34。此形狀將促進燃料114朝向端隙34之橫向膨脹且最大化燃料裝載。由於在端隙34處不存在燃料，所以端壁16處之SiC護套12可變厚且強化而不影響熱傳遞及燃料溫度。
圖2亦以虛線繪示在燃料壽命循環開始時使用一段時間之後的護套12及燃料片段114之構形，此時片段114膨脹至膨脹構形124，從而使護套12之長形壁18變形為變形構形26。在燃料片段114膨脹時，凸形彎曲長形側120向外膨脹，從而在接觸區域30處接觸護套12之長形側壁18，在沿片段114之寬度之最寬點(共頂點)處向外推動護套壁。片段頂點122與護套端壁16之間的較大間隙34經定尺寸，使得在片段114膨脹至其最大尺寸時，頂點122可(但不需要)僅觸碰端壁16，但不抵靠護套12之端壁16施加將增加護套12上之應變之任何可感知或有效力。替代地，當片段114膨脹至其最大尺寸時，頂點122不接觸端壁16，從而留下一較小間隙34’。在任一情況中，端壁16並不歸因於片段114之膨脹而變形。即使在矩形護套12內膨脹時，片段114之彎曲形狀亦留下間隙36以容納在使用燃料元件100之一反應器之操作期間釋放之分裂氣體。
界定處於任何膨脹之前的初始構形之燃料端表面22/122與護套端壁16之間的間隙34之第二距離經定尺寸以容許選定燃料之最大膨脹外加使用中產生之分裂氣體之空間。熟習此項技術者可藉由已知方法計 算或藉由歷史使用判定選定燃料將在使用中經歷之最大膨脹量及將在使用中產生之分裂氣體量以判定第二距離。間隙34經定大小以容許分裂氣體在小於反應器之設計壓力(例如，針對一傳統PWR，在230℃下係2200psia)之一壓力下累積。
第一距離界定處於任何膨脹之前的初始構形之護套12之長形壁18與燃料之長形表面20/120之間的間隙32。第一距離間隙32足以容許燃料在使用之前插入至護套中，通常約0.07mm。
在各種態樣中，由於SiC護套12將在短輻照時間之後向外凸起，護套長形壁18可以一凹形朝向燃料片段向內預彎曲以適應輻照期間之位移且緩和局部應力積累。此由於燃料片段之初始膨脹將壓縮力而非張力施於護套上而發生。作為初始構形之凹曲線將緩和SiC膨脹梯度引起之應力積累。另外或替代地，燃料可為凹形的以最小化短軸44之方向上之應力。
參考圖3，以虛線展示一燃料元件200之一替代初始構形且以實線展示膨脹之後的構形。在各種態樣中，燃料元件200包含具有處於一初始構形之凹形長形表面220之一燃料元件214，該等凹形長形表面220膨脹至凸形表面220’。燃料元件214具有平坦或彎曲端表面222，該等平坦或彎曲端表面222在膨脹至平坦表面222’之後向外膨脹。護套212可具有如燃料元件10中之直線平坦壁或可包含具有一初始凹形構形(虛線)之長形壁218，該等長形壁218膨脹以將壁218移動至一更平坦長形壁218’構形(實線)中，從而賦予護套212一整體矩形。壁218亦可向外膨脹至一凸形，在此情況中，最終形狀係透鏡形而非直線。圖3展示處於一初始凹形構形之護套及燃料元件兩者。然而，燃料元件214可透過燃料元件之頂部插入 一護套12中，如圖1及圖2中展示。
如同燃料元件10及100，在處於初始構形之護套之長形壁218與燃料片段之長形表面220之間提供一較小間隙232。在膨脹之後，在燃料元件長形凹表面220在Y方向上膨脹至長形凸表面220’時，間隙232在沿橫向軸44之壁218’與表面220’之間的一接觸區域230處閉合。在初始構形中，在護套214之各端壁16與燃料片段214之面對端表面222之間提供一較大間隙234。在膨脹之後，在燃料元件214在X方向上沿縱向軸40膨脹時，各端上之較大端隙234閉合為一較小但仍存在之間隙234’。護套壁218之中心可歸因於燃料片段214之寬度(在從軸44至端壁16之方向上)而經受沿軸44之Y方向上之一大位移。此形狀將促進燃料214朝向端隙234之橫向膨脹且最大化燃料裝載。由於在端隙234處不存在燃料，所以端壁16處之SiC護套212可變厚且強化而不影響熱傳遞及燃料溫度。
SiC護套可較佳地由諸如一SiC單塊、SiC纖維或該兩者之一組合之一材料製成，如在美國專利第6,246,740號；第5,391,428號；第5,338,576號；及第5,182,077號以及美國專利申請公開案2006/0039524；2007/0189952；及2015/0078505中教示，該等案之相關部分以引用的方式併入本文中。在各種態樣中，陶瓷紗由SiC纖維形成。SiC纖維可較佳地係主要含有Si及C以及一些微量或相對少量O之一SiC纖維。例示性量可包含Si：50重量%至70重量%(更佳地，68重量%至70重量%)
C：30重量%至40重量%(更佳地，30重量%至32重量%)
O：0.01重量%至14重量%(更佳地，0.01重量%至0.5重量%)
SiC纖維護套將利用呈纖維絲束形式之SiC，其具有每絲束500個至 5000個纖維及100微米與600微米之間的一厚度。
燃料元件10、100或200中使用之燃料可選自在用於能量生產之商業核能反應器中使用之已知可裂材料，諸如(但不限於)UO2、U3Si2、UN及鈾合金及其他氧化物燃料。本文中描述之燃料元件設計雖然能夠容納任何適合已知燃料，但對於迄今為止不適於與SiC護套一起使用之UO2尤其有用。
如圖4D中展示，在其中燃料片段係一個單件之實施例中，一燃料片段14(或114或214)將插入至一長形護套12柱中，或如圖4A中展示，複數個燃料片段14將彼此上下堆疊於一長形護套12柱中。在各情況中，燃料片段或若干片段14、114或214通常將沿一垂直軸(在垂直於軸40及44之Z方向上延伸之軸)及一橫向軸44(沿寬度延伸且穿過護套12及丸14之中間之軸)居中。複數個燃料元件10、100或200被插入至一燃料總成50中，如圖5A至圖5C中展示，在一核能反應器之爐心中。
如上文指示，碳化矽係一非常有前途之事故耐受燃料護套，但在傳統棒型燃料中實施SiC存在挑戰，本文中描述之燃料元件構形克服此等挑戰。為防止圓柱形棒型護套上之過度應變，在圓柱形棒護套與圓柱形燃料丸之間存在一均勻環狀間隙，該均勻環狀間隙必須足夠大以容納在反應器中一段時間(通常大於6個月)之後在徑向方向上膨脹之燃料。當SiC護套在燃料壽命循環開始時膨脹，其進一步使護套膨脹，從而增加初始環狀間隙。在壽命循環開始時，燃料收縮。由於可裂含量在壽命開始時最高，所以燃料丸在此時產生最多熱且與初始收縮丸及膨脹護套組合，加寬初始間隙帶來燃料丸中心線溫度將在壽命早期超過其熔點之危險。隨著燃料循環進行，歸因於不如原始鈾燃料緻密之分裂產物之積累，丸停止 收縮且開始膨脹。由於護套膨脹在循環早期停止，所以膨脹丸具有接觸及破壞SiC護套的可能性。由於諸如UO2之燃料不具有一非常好導熱性，所以較寬間隙藉由需要反應器在低功率下運行而不利地影響能量生產。
在本文中展示之實施例中，最小化燃料-護套間隙，此最小化瞬時期間之中心線溫度上升且減少燃料中之儲存能量。另外，本文中描述之燃料元件10、100及200為護套12提供一機構以使其適應燃料熱膨脹及膨脹而不歸因於原本將在先前棒型構形中抵靠護套施加之力及所得高應變而經受機械故障。
本文中描述之具有間隙34及234及長形SiC護套12之長形燃料14、114及214可適應膨脹燃料與護套長形壁18之間的接觸，此係因為護套12具有橫向移動(在Y方向上之軸44之方向上)之自由度且可歸因於長形護套之寬度(從軸44至各端壁16之距離)上之大膨脹而在較大程度上容忍來自燃料14/114/214之應變。本文中描述之長形燃料設計亦為在接觸下之護套12之較長壁18內之燃料片段14/114/214提供更多膨脹(在X方向上之軸40之方向上)(取決於兩個端壁16上之端隙34之長度)。分別在圖1、圖2及圖3中展示之燃料元件10、100、200之各種實施例具有顯著降低燃料溫度且因此降低瞬時期間之護套上之接觸負載的可能性。由於可最小化護套與燃料之間的總間隙，所以本文中描述之長形設計具有裝載更多燃料以改良燃料循環成本的可能性。
總而言之，燃料元件10、100及200提供以下益處：1.相較於一圓柱形燃料棒之燃料與護套之間的較小間隙或直接接觸之改良熱傳遞；2.每反應器體積之較大燃料體積，此係歸因於不存在過度初始間隙來 適應未來燃料膨脹；3.較低燃料溫度，此係歸因於較小間隙導致較少分裂氣體釋放及膨脹；4.在瞬時期間之護套上之局部變形處之較低應變，此係歸因於護套之面之一較大跨度；5.在燃料與護套之間的硬接觸期間之減少拉伸應力；6.護套表面之長壁可經預彎曲以進一步緩和局部應力積累或燃料可為凸形；7.容許使用不具有添加劑之UO2燃料以增加事故耐受特徵上之導熱性且不具有額外製造成本；8.與諸如U3Si2、UN及U合金之其他創新燃料材料一起工作；及9.針對凹形設計，接觸壓力變換為彎曲應力(尤其在端處)以確保外層處之壓縮應力以實現氣密性。
本文中描述之燃料元件10、100及200可利用具有UO2燃料之SiC護套，其中在護套與燃料之間具有最小初始間隙。燃料元件10/100/200之端上之間隙34/234為分裂氣體及燃料片段14/114/214沿長軸40之膨脹提供體積，此將在燃料片段14/114/214與護套12接觸時減少護套12上之應力(相較於一棒設計)。在某些態樣中，SiC護套之長形側壁18可經預彎曲以緩和SiC膨脹梯度引起之應力積累及/或燃料可為凸形或凹形以最小化短軸44之方向上之應力。
本文中描述之燃料元件10、100及200可顯著降低SiC護套中之應力積累且緩和燃料-護套機械相互作用引起之SiC機械故障。燃料元件10、100及200使SiC護套能夠與輕水反應器中之UO2相容且亦能夠與其 他高導熱性燃料(諸如U3Si2、UN及鈾合金)一起工作。
已根據若干實例描述本發明，其等在全部態樣中旨在係闡釋性而非限制性。因此，本發明能夠實現詳細實施方案中之許多變化，其等可由一般技術者從含於本文中之描述導出。
本文中提及之全部專利、專利申請案、公開案或其他揭示材料之全部內容以引用的方式併入本文中，宛如各個別參考分別以引用的方式明確併入。據稱以引用的方式併入本文中之全部參考及任何材料或其部分僅在所併入材料不與現有定義、陳述或本發明中闡述之其他揭示材料衝突的情況下併入本文中。因而且在必要的程度上，如本文中闡述之本發明取代以引用的方式併入本文中之任何衝突材料且以本申請案中明確闡述之本發明為準。
已參考各種例示性及闡釋性實施例描述本發明。本文中描述之實施例應被理解為提供所揭示發明之各種實施例之不同細節之闡釋性特徵；且因此，應理解，在可能的程度上，除非另外指定，否則在不脫離所揭示發明之範疇的情況下，所揭示實施例之一或多個特徵、元件、組件、組分、成分、結構、模組及/或態樣可與或相對於所揭示實施例之一或多個其他特徵、元件、組件、組分、成分、結構、模組及/或態樣組合、分離、互換及/或重新配置。因此，一般技術者將認知，可在不脫離本發明之範疇的情況下進行例示性實施例之任一者之各種替換、修改或組合。另外，在閱讀本說明書之後，熟習此項技術者將認知或能夠僅使用不超過常規實驗來確定本文中描述之本發明之各種實施例之許多等效物。因此，本發明不限於各種實施例之描述而限於發明申請專利範圍。
10:燃料元件
12:長形SiC護套
14:燃料片段
16:端壁
18:長形壁
20:長形側表面
22:端表面
32:小間隙
34:較大間隙
40:縱向軸
44:軸

Claims (20)

  1. 一種用於一核能反應器中之長形燃料元件，該長形燃料元件包括：一碳化矽護套，其具有兩個相對長形壁及短於該等長形壁之兩個相對端壁，該等長形壁及該等端壁界定一殼體，該殼體具有從端壁至端壁之一長度及從長形壁至長形壁之一寬度且該護套具有一縱向軸及垂直於該縱向軸之一橫向軸；及核能燃料，其定位於該殼體內，該燃料具有：兩個長形表面，該兩個長形表面之各者面對該護套之該兩個長形壁中所相對應的一長形壁；及兩個端表面，該兩個端表面之各者面對該護套之該兩個端壁中所相對應的一端壁，該兩個端表面短於該等長形表面，在使用中膨脹之前，該兩個長形表面之各者以一第一距離與該護套中所相對應之該長形壁間隔且與其成一面對關係，且在使用中膨脹之前，該等端表面之各者以一第二距離與該護套中所相對應之該端壁間隔且與其成面對關係；其中該第一距離係約0.05mm至2.0mm，該第二距離大於該第一距離，且該第一距離及該第二距離經定尺寸，使得在使用中，當該燃料膨脹時，該燃料膨脹超過該第一距離且多至但不超過該第二距離以使該護套之該等長形壁變形而不使該護套之該等端壁變形且不使該護套應變超過0.1%。
  2. 如請求項1之燃料元件，其中該燃料係選自由UO2、U3Si2、UN及一 鈾合金構成之群組。
  3. 如請求項1之燃料元件，其中該燃料係UO2。
  4. 如請求項1之燃料元件，其中該燃料在橫截面上構形為一橢圓形，從而在該等端表面及兩個凸形彎曲長形表面之各者處界定一頂點，該橢圓形具有從頂點延伸至頂點之一長軸及垂直於該長軸之一短軸。
  5. 如請求項4之燃料元件，其中各凸形彎曲長形表面在該短軸處界定一共頂點且從該共頂點彎曲至各頂點且與各頂點相交，且該第一距離係沿該短軸在該等共頂點與該護套之該等長形壁之間之一距離。
  6. 如請求項1之燃料元件，其中在使用中變形之前，該護套之該等長形壁朝向該燃料內凹地彎曲且在使用中向外變形。
  7. 如請求項6之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等長形表面朝向彼此內凹地彎曲且在使用中向外膨脹，以形成延伸超過該第一距離以使該護套之該等長形壁變形之一凸形彎曲長形表面。
  8. 如請求項7之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表面係平坦的且在使用中向外膨脹，以形成凸形彎曲端表面。
  9. 如請求項7之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表 面係平坦的且在使用中，該等端表面保持平坦。
  10. 如請求項6之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該護套之該等端壁係平坦的。
  11. 如請求項10之燃料元件，其中在使用中，該等端壁保持平坦。
  12. 如請求項1之燃料元件，其中該護套之該等端壁在橫截面上比該護套之該等長形壁更厚。
  13. 如請求項1之燃料元件，其中歸因於該燃料之膨脹之該護套上之該應變不大於0.05%。
  14. 如請求項1之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等長形表面朝向彼此內凹地彎曲且在使用中向外膨脹，以形成延伸超過該第一距離以使該護套之該等長形壁變形之一凸形彎曲長形表面，該燃料具有從端表面延伸至端表面之一長軸及垂直於該長軸之一短軸。
  15. 如請求項14之燃料元件，其中各凹形彎曲表面在該短軸處界定一共頂點且從該共頂點彎曲至各端表面且各端表面相交。
  16. 如請求項15之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表面界定平坦表面且在使用中向外膨脹，以形成凸形彎曲端表面。
  17. 如請求項15之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料之該等端表面界定平坦表面且在使用中，該等端表面保持平坦。
  18. 如請求項1之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該燃料在橫截面上構形為一直線形狀，從而界定平坦端表面及平坦長形表面，該直線形狀具有從端表面延伸至端表面之一長軸及垂直於該長軸之一短軸。
  19. 如請求項18之燃料元件，其中在使用中，該燃料沿該長軸及該短軸兩者向外膨脹以在橫截面上形成一橢圓構形。
  20. 如請求項18之燃料元件，其中在使用中膨脹之前，該護套在橫截面上構形為一直線形狀，從而界定平坦端壁及平坦長形壁，該等長形壁在使用時向外變形，該燃料膨脹。
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