高溫強(qiáng)度、耐腐蝕、事故寬容的核燃料組件柵格的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
背景1.
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明總體上涉及核反應(yīng)堆燃料組件，且更具體地涉及采用由高溫強(qiáng)度、耐腐蝕、事故寬容度的組合物構(gòu)造的間隔器或混合器或支承柵格的核反應(yīng)堆燃料組件，以及制造該間隔器或混合器或支承柵格的方法。
2.相關(guān)技術(shù)的描述
在大多數(shù)壓水核反應(yīng)堆(PWR)、沸水反應(yīng)堆(BWR)和重水反應(yīng)堆(HWR)(統(tǒng)稱(chēng)為水反應(yīng)堆)中，反應(yīng)堆堆芯包含大量延長(zhǎng)的燃料組件，所述燃料組件產(chǎn)生反應(yīng)堆的反應(yīng)功率。這些燃料組件典型包括由多個(gè)柵格以有組織的陣列保持的多個(gè)燃料棒，所述柵格沿燃料組件長(zhǎng)度軸向地間隔并且連接到多個(gè)加長(zhǎng)的套管(thimble tube)或燃料組件的其它支承結(jié)構(gòu)。
特別地提供PWR結(jié)構(gòu)的描述，然而應(yīng)理解本發(fā)明通常適用于水反應(yīng)堆。
套管典型地在其中容納控制棒或儀器。頂部和底部噴嘴處在燃料組件的相反兩端并且被固定到套管的末端，所述套管的末端延伸稍微高于和低于燃料棒的末端。
使用柵格(在相關(guān)領(lǐng)域是已知的)以精確維持反應(yīng)堆堆芯中燃料棒之間的間距和支承，為燃料棒提供橫向支承并且引起冷卻劑的混合。一類(lèi)常規(guī)柵格設(shè)計(jì)包括多個(gè)交叉條條帶(strap)，它們共同形成具有多個(gè)大致方形柵元(其在其中單獨(dú)地接受燃料棒)的蛋簍型(egg-crate)構(gòu)造。根據(jù)套管的構(gòu)造，套管可以要么容納在尺寸設(shè)定為與其中容納燃料棒的那些相同的柵元中，要么在交叉條條帶中限定的相對(duì)較大的套管柵元中。交叉條條帶提供與套管的連接點(diǎn)，從而使得能夠?qū)鸥裱厝剂辖M件長(zhǎng)度定位在間隔的位置。
配置所述條條帶使得燃料棒穿過(guò)的柵元各自包括一個(gè)或多個(gè)相對(duì)柔順的彈簧和多個(gè)相對(duì)剛性的凹窩(dimple)，它們配合以形成柵格的燃料棒支承特征。將柵格的外部條條帶連接在一起并且在周邊包圍柵格的內(nèi)部條條帶以賦予柵格強(qiáng)度和剛度，并且圍繞柵格周界限定各個(gè)燃料棒柵元。內(nèi)部條條帶典型在每個(gè)交叉點(diǎn)處被焊接或燜燉并且內(nèi)部條條帶還被焊接或燜燉周邊條條帶或外部條條帶從而限定出組件的外周邊。
在單個(gè)柵元水平，一般通過(guò)上述剛性支承凹窩和柔性彈簧的組合提供燃料棒支承。有許多已經(jīng)使用的和目前使用的彈簧-凹窩支承幾何結(jié)構(gòu)的變體，包括對(duì)角彈簧、“I”形彈簧、懸臂彈簧、水平和縱向的凹窩等等。每個(gè)柵元的彈簧數(shù)目也變化。典型的配置是每個(gè)柵元兩個(gè)彈簧和四個(gè)凹窩。需要仔細(xì)地確定凹窩和彈簧的幾何形狀以提供跨組件壽命的適當(dāng)棒支承。
在輻照期間，初始的彈簧彈力或多或少地快速松弛，這取決于彈簧材料和輻照環(huán)境。作為非常高的冷卻劑壓力和操作溫度的結(jié)果，包殼(cladding)直徑也變化，并且棒內(nèi)部的燃料芯塊也因致密化和膨脹改變它們的直徑。由于氧化層的形成，外部的包殼直徑也增加。由于這些尺寸和材料屬性的變化，跨燃料組件壽命維持適當(dāng)?shù)陌糁С惺欠浅Ｓ刑魬?zhàn)性的。
在反應(yīng)堆內(nèi)的熱和壓力梯度引起的軸向流動(dòng)和橫向流動(dòng)以及其它流動(dòng)干擾(例如駐波和渦流)的影響下，燃料棒(其為細(xì)長(zhǎng)體)以相對(duì)較小的幅度不斷地振動(dòng)。如果棒未得到適當(dāng)支承，這種很小的振動(dòng)幅度可導(dǎo)致支承點(diǎn)和包殼之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。如果滑動(dòng)棒在相對(duì)較小的凹窩上和柵格支承表面上施加的壓力足夠高，可以通過(guò)磨蝕、將基體金屬暴露于冷卻劑來(lái)去除包殼表面上的小腐蝕層。因?yàn)樵诒┞兜男迈r包殼表面上形成新的腐蝕層，也通過(guò)磨蝕將其除去直到棒壁最終穿孔。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為腐蝕損耗并且在2006年它是PWR反應(yīng)堆中燃料失效的主要原因。
支承柵格還提供燃料組件中的另一個(gè)重要作用，冷卻劑混合以降低最大冷卻劑溫度。由于每個(gè)燃料棒產(chǎn)生的熱量是不均勻的，因此在冷卻劑中存在熱梯度。在燃料組件設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)是維持從燃料棒至冷卻劑的高效熱傳遞。每單位時(shí)間移除的熱量越高，產(chǎn)生的功率越高。在足夠高的冷卻劑溫度下，在給定時(shí)間內(nèi)每單位包殼面積可移除熱量的速率以顯著的方式急劇下降。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為偏離核態(tài)沸騰或DNB。如果在反應(yīng)堆運(yùn)行的參數(shù)內(nèi)，冷卻劑溫度將達(dá)到DNB點(diǎn)，包殼表面溫度將迅速增加以便疏散燃料棒內(nèi)部產(chǎn)生的熱量并且快速的包殼氧化將導(dǎo)致包殼失效。顯然，需要避免DNB以防止燃料棒失效。由于DNB(如果其發(fā)生的話(huà))發(fā)生在冷卻劑處于其最大溫度的點(diǎn)，結(jié)果是通過(guò)組件內(nèi)的冷卻劑混合降低最大冷卻劑溫度允許更大功率量的產(chǎn)生而不達(dá)到DNB條件。通常，通過(guò)在柵格結(jié)構(gòu)下流側(cè)中使用混合葉片來(lái)實(shí)現(xiàn)改善的混合?；旌系男Ч蕾?lài)于混合葉片相對(duì)于燃料棒的形狀、尺寸和位置。
柵格的其它重要功能包括如下能力:在預(yù)期的事故負(fù)荷下維持操縱和正常操作而不喪失功能以及避免由于在燃料棒和支承點(diǎn)之間的蒸汽泡的形成所致燃料棒上的“熱點(diǎn)”，當(dāng)局部沒(méi)有足夠的冷卻劑可用以疏散燃料棒中產(chǎn)生的熱量時(shí)可以產(chǎn)生該熱點(diǎn)。通過(guò)包殼的快速局部腐蝕，蒸汽泡引起燃料棒過(guò)熱至失效點(diǎn)。
柵格、柵格條條帶和整體式混流器例如混合葉片典型地由鋯合金構(gòu)造，因?yàn)檫@些材料展現(xiàn)出低的中子吸收橫截面和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械和化學(xué)性質(zhì)。類(lèi)似地，燃料包殼材料也由鋯合金構(gòu)造。然而，對(duì)于未來(lái)的核反應(yīng)堆設(shè)計(jì)和操作正在考慮替代性的燃料包殼材料。此類(lèi)新且不同的材料包括碳化硅(SiC)陶瓷基體復(fù)合材料，其展現(xiàn)出的性能可提供更好的安全裕度和事故寬容度。然而，實(shí)施新燃料包殼材料如SiC的益處可能被抵消，因?yàn)闁鸥?、條條帶和/或堆芯內(nèi)的混合葉片包含大量的鋯。因此，期望用在超過(guò)核反應(yīng)堆的正常運(yùn)行和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)事故的溫度下具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、強(qiáng)度和抗氧化性的其它材料代替含鋯的柵格、條條帶和混合葉片。
因此期望提供改進(jìn)的材料(例如含有很少鋯乃至不含鋯)，其展現(xiàn)出適用于構(gòu)建核反應(yīng)堆燃料組件柵格的高溫強(qiáng)度、耐腐蝕性和事故寬容度。

【發(fā)明內(nèi)容】

采用一種用于核反應(yīng)堆的燃料組件實(shí)現(xiàn)前述目標(biāo)，所述核反應(yīng)堆燃料組件具有支承在下噴嘴和上噴嘴之間的多個(gè)伸長(zhǎng)的核燃料棒的平行、間隔的陣列，以及在上噴嘴和下噴嘴之間沿燃料棒的軸向長(zhǎng)度串聯(lián)設(shè)置的多個(gè)間隔柵格。所述多個(gè)間隔柵格或者其局部或部件是由包含一種或多種具有通式I的三元化合物的組合物構(gòu)造:
Mn+lAXn (I)
其中M是過(guò)渡金屬，A是選自化學(xué)周期表中A族元素的元素，X選自碳和氮，并且η是從I至3的整數(shù)。 在某些實(shí)施方案中，M選自鈦、鋯和鈮。此外，A可以選自鋁、硅和錫。
在某些實(shí)施方案中，所述具有通式I的一種或多種三元化合物選自Ti2AlC、Ti3AlC2、Ti4AlN3、Ti2SiC、Ti3SiC2、Ti3SnC2、Zr2AlC、Zr2TiC、Zr2SnC、Nb2SnC、Nb3SiC2、(ZrxNb1-x)2A1C，其中X大于零且小于I。
具有通式I的一種或多種三元化合物的M成分對(duì)A成分對(duì)X成分的摩爾比可以選自2:1:
1、3:1:2和4:1:3。
具有通式I的三元化合物可以各自具有大于其理論密度的85%的密度，并且優(yōu)選地大于其理論密度的95%。
在某些實(shí)施方案中，所述多個(gè)間隔柵格中一個(gè)或多個(gè)具有印在材料表面上的圖案。此外，所述多個(gè)間隔柵格中的一個(gè)或多個(gè)可以包括柵格條條帶、整體式混流器和它們的組合。
該燃料組件可用于選自壓水反應(yīng)堆、沸水反應(yīng)堆和重水反應(yīng)堆的水反應(yīng)堆中。
另一方面，發(fā)明提供制備選自核反應(yīng)堆燃料組件的支承柵格、柵格條條帶和整體式混流器中的制品的方法，該方法包括以粉末形式獲取包含具有通式I的一種或多種三元化合物的組合物:
Mn+lAXn (I)
其中M是過(guò)渡金屬，A是選自化學(xué)周期表中A族元素的元素，X選自碳和氮，并且η是從I至3的整數(shù)，以及使該組合物經(jīng)受選自如下的過(guò)程:單軸或等靜熱壓、添加劑制造技術(shù)、電場(chǎng)輔助燒結(jié)和冷壓并隨后常規(guī)燒結(jié)。
在某些實(shí)施方案中，通過(guò)以下方式制造該制品:獲取包含第一種式I三元化合物的第一粉末組合物以及包含不同的第二種式I三元化合物的第二粉末組合物，沉積第一粉末組合物的第一部分到目標(biāo)區(qū)域上，在目標(biāo)區(qū)域的表面上方掃描發(fā)出射束的定向能量源，燒結(jié)對(duì)應(yīng)于制品的第一橫截面區(qū)域的第一粉末組合物部分的第一層，沉積第二粉末組合物的第二部分到第一燒結(jié)層上，在第一燒結(jié)層上方掃描定向能量源，燒結(jié)對(duì)應(yīng)于制品的第二橫截面區(qū)域的第二粉末組合物部分的第二層，在第二層的燒結(jié)期間連接第一層和第二層，以及沉積第一粉末組合物和第二粉末組合物的相繼交替部分到先前的燒結(jié)層上并且燒結(jié)各個(gè)相繼部分以產(chǎn)生在先前的燒結(jié)層處連接的相繼燒結(jié)層和包括多個(gè)燒結(jié)層的制品。
該方法可以進(jìn)一步包括采用三維CAD文件，其在數(shù)學(xué)上切分成二維截面。
在某些實(shí)施方案中，該制品包括一個(gè)或多個(gè)柵格條條帶，通過(guò)選自焊接、釬焊和熔合的工藝使所述柵格條條帶連接在一起?？梢允褂眉す饣螂娮邮M(jìn)行熔合并且用于釬焊的材料選自銅、銅-鋅、銅-鋅-鎳、鎳-鉻-磷、鎳-銀、和銀合金。
【附圖說(shuō)明】
當(dāng)結(jié)合附圖閱讀時(shí)，可以從下面的優(yōu)選實(shí)施方案描述獲得本發(fā)明的進(jìn)一步理解，其中: 圖1A是以豎向縮短形式說(shuō)明的燃料組件的正視圖(部分以截面)，局部脫離以便于清楚;
圖1B是圖1A中所示的燃料組件局部的詳細(xì)視圖；
圖2是應(yīng)用到圖1A中所示的傳統(tǒng)PWR燃料組件的常規(guī)蛋簍型支承柵格的平面圖；
圖3是顯示“垂直”和“水平”條條帶的另一框架組件的頂