本申請是2009年9月29日申請的、國際申請?zhí)枮閜ct/ep2009/062620、中國申請?zhí)枮?00980145830.0、發(fā)明名稱為“核反應(yīng)堆生燃料芯塊和燒結(jié)燃料芯塊、相應(yīng)的燃料棒和燃料組件”的申請的分案申請。

本發(fā)明涉及一種用于輕水或重水核反應(yīng)堆燃料棒的燒結(jié)燃料芯塊，這種類型的燒結(jié)燃料芯塊具有沿中心軸線延伸的外圍壁和兩個(gè)端面，其中，端面中的至少一個(gè)至少包括從外圍壁向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角。

背景技術(shù)：

在包括俄羅斯設(shè)計(jì)vver(vodaavodianneeenergititscherskireactor，或英文為waterwaterenergyreactor)的壓水反應(yīng)堆(pwr)、沸水反應(yīng)堆(bwr)或加壓重水反應(yīng)堆(phwr)中，每個(gè)核燃料棒包括由包殼圍繞的一堆燒結(jié)燃料芯塊。燃料芯塊通過對生燃料芯塊進(jìn)行燒結(jié)獲得，生燃料芯塊主要由帶有任意含量的同位素235的氧化鈾和/或由可能添加了諸如gd2o3的可燃毒物的氧化钚制成。

從wo-02/45096可獲知上述類型的燃料芯塊。盤狀凹槽圍繞中心軸線設(shè)置在端面的中心處，倒角和凹槽通過平坦的表面連接。

除了易于將燃料芯塊裝載在包殼中，倒角的主要作用是減小芯塊制造和搬運(yùn)期間芯塊剝落的風(fēng)險(xiǎn)。

這樣的剝落導(dǎo)致了最終芯塊中的缺陷，其會(huì)在燃料棒周圍流動(dòng)的冷卻劑中產(chǎn)生熱點(diǎn)。這樣的熱點(diǎn)將阻礙燃料棒周圍溫度的均勻分布，從而降低了反應(yīng)堆的效率。

通過芯塊包殼相互作用(pci)失效的燃料棒的熱室檢查(hotcellexamination)表明失效歸咎于顯著地延伸到芯塊端部的周向缺失芯塊表面(missingpelletsurface,mps)。由這樣的剝落產(chǎn)生的燃料材料的碎片可陷在芯塊的外圍壁和包殼之間的間隙中且增加包殼上的機(jī)械應(yīng)力，由于芯塊包殼機(jī)械相互作用(pcmi)這可導(dǎo)致局部包殼失效。此外，歸因于剝落的缺失芯塊表面因?yàn)槿笔О鼩ぶС幸部赡軐Π鼩ぎa(chǎn)生較高的機(jī)械應(yīng)力，而且，通過和熱點(diǎn)相結(jié)合并由裂變產(chǎn)物增強(qiáng)，也可能導(dǎo)致包殼失效。這樣的失效會(huì)導(dǎo)致放射性氣體和材料泄漏進(jìn)反應(yīng)堆冷卻劑和反應(yīng)堆環(huán)境中。

盡管有倒角，wo-02/45096中公開的燃料芯塊仍可能發(fā)生某些剝落。

本發(fā)明的目的是通過進(jìn)一步降低剝落的風(fēng)險(xiǎn)來解決這個(gè)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為此目的，本發(fā)明涉及如上所述類型的燒結(jié)燃料芯塊，該芯塊還包括從第一倒角向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。

第二倒角防止出現(xiàn)第一倒角和第二倒角之間的尖銳邊緣(這將在下文中描述)，以保證兩個(gè)疊置芯塊之間的接觸保持柔和。由此也降低了剝落的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)燒結(jié)燃料芯塊的其他特征：

-第一斜坡大于第二斜坡；

-第一斜坡大致在7°至40°之間；

-第二斜坡大致在0.2°至10°之間；

-第二斜坡大致在0.4°至9°之間；

-外圍壁大致是圓柱形的；

-端面相對于大致垂直于中心軸線并大致在外圍壁中間橫穿外圍壁的平面大致上是對稱的；

-外圍壁的長度和外圍壁的直徑之間的比率大致在0.4至2之間；和

-每個(gè)端面至少包括從外圍壁向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和從第一倒角向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及用于水核反應(yīng)堆燃料棒的生燃料芯塊，用于進(jìn)行燒結(jié)以獲得如上所述的燒結(jié)燃料芯塊，生燃料芯塊包括沿中心軸線延伸的外圍壁和兩個(gè)端面，其中，端面中的至少一個(gè)至少包括從外圍壁向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第一非零斜坡的第一倒角和從第一倒角向中心軸線延伸并相對于垂直于中心軸線的平面具有第二非零斜坡的第二倒角，其中，第一斜坡不同于第二斜坡。

如上所述，生燃料芯塊的第二倒角保證在燒結(jié)芯塊中燃料棒中的兩個(gè)疊置芯塊之間的柔和接觸，并且減小這種接觸引起的剝落的風(fēng)險(xiǎn)。即使燒結(jié)工序執(zhí)行時(shí)間過長，第二倒角也將至多變成平坦的表面。燒結(jié)芯塊將由此具有常規(guī)的形狀，而尖銳的邊緣的風(fēng)險(xiǎn)降低了。

根據(jù)生燃料芯塊的其他特征：

-第一斜坡大致在7°至40°之間；

-第二斜坡大致在0.2°至10°之間；和

-第二斜坡大致在0.4°至9°之間。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及用于水核反應(yīng)堆燃料組件的燃料棒，包括包殼和在包殼中的一摞燒結(jié)燃料芯塊，燒結(jié)燃料芯塊中的至少一個(gè)是如上所述的芯塊。

根據(jù)另一方面，本發(fā)明涉及水核燃料反應(yīng)堆組件，包括構(gòu)架和燃料棒的束，其中燃料棒中的至少一個(gè)是如上所述的燃料棒。

附圖說明

在閱讀通過舉例的方式和參照附圖進(jìn)行的以下描述后，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)將得到展現(xiàn)，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種燒結(jié)燃料芯塊的示意性剖視圖，

圖2是圖1的區(qū)域ii的放大圖，

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一種燃料棒的示意性剖視圖，

圖4是根據(jù)本發(fā)明的一種核燃料組件的示意性側(cè)視圖。

具體實(shí)施方式

圖1示出燒結(jié)燃料芯塊1，包括外圍壁4和兩個(gè)端面6。燒結(jié)燃料芯塊1計(jì)劃放置在包殼7中且與其他相似的燒結(jié)燃料芯塊疊置，以形成水核反應(yīng)堆燃料棒8，如圖3所示。這樣的燃料棒8將被引入核燃料組件10的燃料棒束9中，這個(gè)束9由構(gòu)架11保持，如圖4所示。

圖4示出用于pwr的帶有方形陣列的典型燃料組件10。用于vver的燃料組件10通常具有六邊形陣列。用于bwr和phwr燃料組件的結(jié)構(gòu)也是不同的，但是燃料芯塊和燃料棒是相似的，其尺寸適于每種特定的設(shè)計(jì)。在所有情況中，包殼7比如由鋯基合金制成。

外圍壁4在軸向上沿中心軸線a延伸，端面6從外圍壁4的邊緣向中心軸線a延伸。

對于用在pwr中的燃料芯塊1來說，取決于燃料組件陣列(主要為14×14至19×19)，外圍壁4的直徑d一般大致在7.4mm到9.8mm之間。比如，用于17×17pwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為8.192mm。用于vver燃料芯塊1的值相似：比如，對于vver-1000來說，d通常在7.51mm至7.60mm之間變化。

對于在bwr中使用的燃料芯塊1來說，取決于燃料組件陣列(主要為6×6至13×13)，外圍壁4的直徑d一般大致在8.0mm到10.3mm之間(對于6×6最老的設(shè)計(jì)來說能增加到12.25mm)。比如，用于10×10bwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為8.670mm。

對于在phwr中使用的燃料芯塊1來說，取決于燃料組件陣列，外圍壁4的直徑d一般大致在12.0mm到15.3mm之間。比如，用于19元件束phwr燃料組件的燃料芯塊1的直徑d通常約為14.3mm。

在所有這些情況中，外圍壁4的長度h和直徑d之間的比率(即h/d)大致在0.6至2之間。比如，對于17×17pwr燃料芯塊來說，典型的h/d比率約為1.6，對于vver燃料芯塊來說約為0.7，對于10×10bwr燃料芯塊來說約為1.2，及對于phwr燃料芯塊來說約為1.7。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，燃料芯塊1可以具有如wo-02/45096中所公開的減小的h/d比率。在這樣的燃料芯塊1中，對于大致等于8.192mm的直徑d來說，h/d比率比如在0.4至0.6之間，優(yōu)選等于0.5。

在所示的實(shí)施例中，端面6相對于平面p大致是對稱的，平面p大致垂直于中心軸線a并大致在外圍壁4中間橫穿外圍壁4。因此，將參照圖1和圖2僅描述上端面6。

端面6包括第一倒角12，該第一倒角12從外圍壁4向中心軸線a延伸并具有第一非零斜坡。第一斜坡由第一倒角12和垂直于中心軸線a的平面p’之間的角α限定。角α大致在7°至40°之間。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，角α大致等于18°。第一倒角12沿軸線a的尺寸h大致在0.10mm至0.20mm之間，優(yōu)選等于0.15mm。第一倒角12沿平面p’的尺寸l大致在0.26mm至0.66mm之間，優(yōu)選等于0.46mm。

第一倒角12使得能夠減小制造期間燃料芯塊1的剝落，并易于將燃料芯塊1裝載在包殼7中。通過防止外圍壁4和端面6之間的尖角，第一倒角12還減小了該裝載期間損及燃料芯塊1的風(fēng)險(xiǎn)。

端面6還包括第二倒角14，該第二倒角14從第一倒角12向中心軸線a延伸并具有與第一斜坡不同的第二非零斜坡。第二斜坡由第二倒角14和平面p’之間的角β限定。角β大致在0.2°至10°之間。特別地，角β大致在0.4°至9°之間。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，角β大致等于3°。第一倒角12和第二倒角14沿軸線a的尺寸h’大致在0.15mm至0.25mm之間，優(yōu)選等于0.20mm。第二倒角14沿平面p’的尺寸l’大致在0.64mm至1.34mm之間，優(yōu)選等于0.99mm。

第一和第二斜坡具有相同的設(shè)計(jì)，并朝向燃料芯塊1的外側(cè)，如圖2所示。相對較“陡”的第一斜坡比相對較“緩”的第二斜坡更大。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，第一和第二倒角12和14在端面6的整個(gè)外圍上延伸。

當(dāng)燃料芯塊1疊置在包殼7中以形成燃料棒8時(shí)，第二倒角14形成燃料芯塊1與其相鄰芯塊的接觸面。

根據(jù)圖1至圖3所示的實(shí)施例，端面6還包括盤狀凹槽16，該盤狀凹槽16從第二倒角14繞著中心軸線a延伸。凹槽16適于在核燃料棒8用在核反應(yīng)堆中時(shí)使燃料芯塊1能夠軸向熱膨脹。

凹槽16的最大深度位于中心軸線a上，且比如大致在0.1mm至0.5mm之間，優(yōu)選在0.2mm至0.4mm之間。

對于在水反應(yīng)堆中使用的燃料芯塊1，凹槽16的直徑大致在4.5mm至7.2mm之間。在一個(gè)特定的實(shí)施例中，對于直徑d大致等于8.192mm的外圍壁4，凹槽16的直徑大致等于5.3mm，對于直徑d大致等于9.33mm的外圍壁4，凹槽16的直徑大致等于6.4mm。這樣的盤狀凹槽16和其作用在燃料芯塊中是公知的，將不會(huì)在本文中詳細(xì)描述。

根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例(未在此處呈現(xiàn))，燃料芯塊可以具有一個(gè)中心孔而不是盤狀凹槽16，或者除了盤狀凹槽16之外，還具有一個(gè)中心孔。中心孔從一個(gè)端面6延伸到相對的端面6，并在中心軸線a周圍中心定位?？椎闹睆奖热缭?至2mm的范圍內(nèi)，即使可能已測試更高的值。這樣的中心孔和其作用在燃料芯塊中是公知的，將不會(huì)在本文中詳細(xì)描述。

上述的燒結(jié)燃料芯塊1通過燒結(jié)生燃料芯塊獲得。

生燃料芯塊通過下述方式獲得：將燃料材料(比如，包括帶有任意含量的同位素235的氧化鈾和/或可能添加了諸如gd2o3的可燃毒物的氧化钚的粉末)壓縮進(jìn)合適的模型，以使外圍壁4大致是圓柱形的。有可能使用除氧化鈾和/或氧化钚之外的其他裂變材料、或添加除了可燃毒物之外的其他或額外的添加物(比如微孔形成劑、潤滑劑......)以獲得生芯塊。

生燃料芯塊和燒結(jié)燃料芯塊1具有大致相同的形狀，尺寸稍微大于燒結(jié)燃料芯塊1，這意味著生燃料芯塊也包括外圍壁4和兩個(gè)端面6，每個(gè)端面6包括第一倒角12和第二倒角14、及根據(jù)附圖顯示的實(shí)施例的盤狀凹槽16。

生燃料芯塊經(jīng)過燒結(jié)并可以調(diào)整以獲得上述燒結(jié)燃料芯塊1的最終形狀和尺寸。

在生燃料芯塊的燒結(jié)步驟中，由于燃料材料的濃縮，第二倒角14傾向于沿軸向運(yùn)動(dòng)。由于第二斜坡，不管制造公差如何，接觸面將總是呈現(xiàn)為相同符號(hào)的第二斜坡，而非第一倒角12的第一斜坡。即使燒結(jié)工序執(zhí)行時(shí)間過長，第二倒角14也將至多變成平坦的表面。

這將防止在第一倒角12和由第二倒角14形成的接觸面之間出現(xiàn)尖銳的邊緣。由此保證兩個(gè)疊置燃料芯塊1之間的接觸面為柔和的，從而剝落的風(fēng)險(xiǎn)降低，疊置芯塊之間的接觸點(diǎn)移至盤狀凹槽的邊緣。

事實(shí)上，發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)的芯塊中，剝落的風(fēng)險(xiǎn)與生芯塊的燒結(jié)期間芯塊的接觸面和第一倒角12之間的尖銳邊緣的出現(xiàn)是相關(guān)聯(lián)的。

在現(xiàn)有技術(shù)的燃料芯塊中，計(jì)劃處于水平的接觸面由于燒結(jié)步驟，實(shí)際上可能呈現(xiàn)為朝向芯塊的內(nèi)部并相對于倒角的斜坡顛倒的斜坡。

因此，尖銳的邊緣可能在倒角和接觸面之間出現(xiàn)。

通過本發(fā)明的第二倒角14，防止了出現(xiàn)這樣的尖銳邊緣。本發(fā)明的生和燒結(jié)燃料芯塊1由此可具有更好的使用表現(xiàn)，并使表面缺陷得到了相當(dāng)大地減少，這極大提升了產(chǎn)量。而且，降低了包殼失效的風(fēng)險(xiǎn)。

如上所述，本發(fā)明的燃料芯塊1適于用在包括vver的pwr中，以及bwr或phwr中。燃料芯塊1的總體形狀對于用于這些不同類型的反應(yīng)堆而言相同，只有燃料芯塊1的尺寸需要相應(yīng)改動(dòng)。

上述燃料芯塊1的形狀的其他變型是可能的。比如，盤狀凹槽16可被平坦的表面替代，或可在中心軸線a周圍設(shè)置孔以使燃料芯塊1具有環(huán)形的形狀。凹槽16的形狀也可修改。比如，凹槽16可以是截錐形的。

根據(jù)另一變型，端面6每個(gè)具有不同的形狀或具有不同的斜坡尺寸、凹槽尺寸等。因此，端面6并非必須相對于平面p對稱。