[發明專利]用于事故寬容的燃料應用的鋯涂覆碳化硅燃料包殼

在審

• 申請號: 201780034630.2
• 申請日: 2017-05-22
• 公開（公告）號: CN109313943A
• 公開（公告）日: 2019-02-05
• 發明（設計）人: Y·阿雷申;崔俊衡
• 申請（專利權）人: 西屋電氣有限責任公司
• 主分類號: G21C3/07
• 分類號: G21C3/07;G21C21/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 王海寧

本發明涉及一種用于核燃料棒的多組分包殼，其包括陶瓷組分和金屬組分的組合。更具體地，本發明涉及一種包殼，該包殼包括陶瓷復合材料，該陶瓷復合材料上沉積有鋯組合物以形成鋯涂覆的陶瓷復合材料。該陶瓷復合材料包括陶瓷基質和多個陶瓷纖維。在核反應堆的各種負載條件期間，所述包殼有效地保護包殼結構的內容物免于暴露到高溫環境。

相關申請的交叉引用

根據35U.S.C.§119(e)本申請要求2016年6月10日提交的題為“ZIRCONIUM-COATEDSILICON CARBIDE FUEL CLADDING FOR ACCIDENT TOLERANT FUEL APPLICATION”的美國申請第15/178,745號的優先權，通過引用將其內容并入本文。

背景技術

1.領域

本發明涉及一種陶瓷復合材料，其具有施加在其上的鋯涂層，用于構造核燃料部件(例如燃料棒包殼)，用于高溫環境中以充當屏障以便保護該部件的內容物(例如包殼)，以及制造鋯涂覆的陶瓷復合材料的方法。

2.現有技術的描述

核動力反應堆可包括具有大量燃料組件的反應堆芯，每個燃料組件由多個狹長燃料元件或燃料棒構成。燃料組件的尺寸和設計根據所需的堆芯尺寸和反應堆尺寸而變化。燃料棒各自含有可裂變燃料材料，例如包含鈾和一定量可裂變U235或U233和/或钚的燃料芯塊。可裂變部件的裂變引起熱量產生。冷卻劑(諸如水、液態鹽、氣體或液態金屬)被泵送通過反應堆芯，以提取反應堆芯中產生的熱量，用以產生有用功例如電力。

每個燃料棒具有包殼，該包殼充當作安全殼(containment)以保持放射性燃料材料并將燃料材料與冷卻劑介質分離。此外，在操作期間，裂變產生高度放射性的氣態裂變產物以及揮發性和非揮發性的裂變產物。這些裂變產物也受到包殼的限制。在常規的金屬包殼系統中，輻射隨著時間會引起金屬的損傷，就硬化和脆化以及材料膨脹方面而言。

圖1示出了示例性反應堆壓力容器10和核堆芯14。核堆芯14包括多個平行、豎向、共延伸的燃料組件22。對于本說明書的目的，其他容器內部結構可以分為下部內構件24和上部內構件26。在常規設計中，下部內構件的功能是支撐、對準和引導堆芯部件和儀器以及容器內的直接流動。上部內構件限制或提供燃料組件22的輔助限制(圖1中為簡單起見僅示出其中兩個)，以及支撐和引導儀器和部件，例如控制棒28。在圖1所示的示例性反應堆中，冷卻劑穿過一個或多個入口噴嘴30進入反應堆容器10，向下流過該容器和堆芯筒32之間的環形區，在下部增壓室34中轉動180°，向上通過下部支撐板37和下部堆芯板36(燃料組件安置于其上)并穿過組件以及圍繞組件。在一些設計中，下部支撐板37和下部堆芯板36被單個結構代替，下部支撐板具有與37相同的高度。穿過堆芯和周圍區域38的冷卻劑流量典型很大，為每分鐘400,000加侖的量級，速度為每秒約20英尺。所產生的壓降和摩擦力往往使燃料組件上升，這種運動受到上部內構件的限制，包括圓形上部堆芯板40。離開堆芯14的冷卻劑沿著上部堆芯板40的下側流動并向上通過多個穿孔42。然后，冷卻劑向上并徑向地向外流動到一個或多個出口噴嘴44。

圖2中更詳細地顯示了圖1所示的示例性燃料組件22之一。每個燃料組件22包括編組成陣列的燃料棒66。燃料棒66通過沿燃料組件長度間隔開的格柵64以彼此間隔的關系保持。在其下端，底部噴嘴58支撐下部堆芯板36上的每個燃料組件22。在其上端，每個燃料組件22包括頂部噴嘴62。儀表管68位于中心并且在底部噴嘴58和頂部噴嘴62之間延伸并且固定到底部噴嘴58和頂部噴嘴62。每個燃料棒66包括多個核燃料芯塊70，并且在其相對兩端分別由上端塞72和下端塞74封閉。通過設置在上端塞72和芯塊堆疊體頂部之間的增壓彈簧76將芯塊70保持在堆疊體中。由可裂變材料構成的燃料芯塊70負責產生反應堆的無功功率(reactive power)。