專利名稱:含有內(nèi)部氫/氚吸納體結(jié)構(gòu)的燃料棒和組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料棒組件和這樣的組件中的燃料棒，其中燃料棒含有 位于燃料棒內(nèi)的內(nèi)部氫/氚"吸納體"結(jié)構(gòu)，例如在底部附近。"吸納體"
或"吸收體"結(jié)構(gòu)對于吸收和保留任何氫(H)或氚(原子量為3的氣態(tài) 氫同位素，H3或H3-放射(3射線)是有效的，并將其保留在燃料棒內(nèi)部， 以降低可能的氫或氚的釋放和燃料棒的劣化。氚一直是氣體，直到被"吸 納體"結(jié)構(gòu)吸收并形成氬化物。
發(fā)明背景
核反應(yīng)堆的各種部件均承受侵蝕，例如被運行期間產(chǎn)生的各種氣體、
同位素等所水化和/或氧化。在一些情形中，可能損害燃料棒的內(nèi)部。在 特殊的情形中，這可引起燃料棒的潛在劣化。
在典型的核反應(yīng)堆如壓水反應(yīng)堆(PWR)中，例如在Westinghouse Eletric Co. brochure, Ready to Meet Tomorrow's Power Generation Requirements Today, 2007中，堆芯包括大量的燃料組件，每個都由多個 狹長燃料棒構(gòu)成。每個燃料棒均含有裂變材料，例如二氧化鈾(U02)或 二氧化钚(PU02)，或混合物， 一般是固體受壓核燃料芯塊的堆垛體形 式。燃料棒組合成陣列，組織所述陣列以在堆芯中提供足以支持高速核 裂變的中子通量并由此以熱量的形式釋放大量能量。通常從下冷卻劑增 壓室泵送冷卻劑例如水通過堆芯以提取在堆芯中產(chǎn)生的部分熱量，用于 產(chǎn)生有用功。根據(jù)堆芯的所需尺寸和反應(yīng)堆的尺寸，燃料組件在尺寸和 設(shè)計上不同。
核反應(yīng)堆在燃料循環(huán)的開始具有足夠過量的反應(yīng)性以允許持續(xù)特定 時間的運行， 一般約為6-18個月。由于反應(yīng)堆的運行是稍微超臨界的， 所以必需抵消在循環(huán)開始時提供的過大反應(yīng)性。設(shè)計了抵消起始過大反應(yīng)性的多種方法，包括在反應(yīng)堆堆芯中插入控制棒，以及例如在燃料中 加入中子吸收元件。這樣的中子吸收體被稱為"可燃毒物"，包括例如 硼、軋、鎘、釤、鉺和銪的化合物。這些可燃毒物吸收初始的過量中子， 而(在最好的情形中)不產(chǎn)生新的或另外的中子或者因中子吸收而轉(zhuǎn)變 為新的毒物。
已知具有含硼化合物的混合物或其它可燃毒物的核燃料的燒結(jié)芯
塊。參見例如美國專利3349152和3520958 (分別屬于watanabe等人和 Versteeg等人)。最近，在美國專利7139360B2 ( Lahoda )中，含有多個 燃料芯塊的燃料棒，其中多于二分之一的棒具有金屬氧化物、金屬碳化 物或金屬氮化物的燃料芯塊中的至少一種，以及含硼的可燃毒物以含有 過量的中子。美國專利4587087 (Radford等)涉及可燃毒物涂層，其中固 體核燃料基材被可燃毒物層涂覆并被包封在末端堵塞的燃料棒中。
關(guān)于對氧化、腐蝕和水化的防護，Rudling等在美國專利6512806B2 中教導(dǎo)了用二氧化鋯(Zr02)和氮化鋯(ZrN)中的至少一種涂覆燃料棒 自身，即鋯合金。此外，Davies在美國專利5434897中利用具有三層覆
層的燃料棒，其中所述層有助于在覆層內(nèi)部的氣體混合，使得任何進入 的蒸汽都將促進蒸汽和氫的混合。燃料棒在其末端被末端塞子密封，所
述塞子在其頂部具有螺旋狀構(gòu)件以抑制芯塊柱狀物的軸向移動。
在覆層附近的任何氫都會通過形成氫化物引起機械損傷。如果存在 氚(H3)，則它可以因通過覆層管并進入冷卻水中而形成"劑量(dose)" 問題。 一旦進入冷卻劑，則難以去除/分離，因為其在物理上和化學(xué)上均 與普通氬幾乎相同，即在水分子中。所述氚會隨任何反應(yīng)堆水/蒸汽廢物 流排到外面。如果氣體在棒的內(nèi)部，則因氫或氚而處于風(fēng)險的結(jié)構(gòu)是燃 料棒覆層。盡管總是在燃料棒內(nèi)部產(chǎn)生H3，然而氫也可以在燃料棒中形 成，或在燃料棒制造期間被引入或封入。因而，需要解決這些問題的方 案。
本發(fā)明的主要目的是提供解決氫和氚污染與劣化的潛在問題的燃料 棒的組件和單個燃料棒。
本發(fā)明的目的還是尋找用于核電站環(huán)境的氚和氫的吸收體/吸附體。
發(fā)明內(nèi)容
通過提供具有頂部和底部的燃料棒滿足了上迷需要和實現(xiàn)了上述目 的，其中燃料棒由覆層材料制成，并含有多個核燃料芯塊，包括頂部燃 料芯塊和底部燃料芯塊，燃料棒含有密封燃料棒和核燃料芯塊的頂部末
端塞子和底部末端塞子；其中分隔裝置(通常為彈簧)位于頂部末端塞 子和頂部燃料芯塊之間，且其中至少一個空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)位于燃料 棒內(nèi)部，所述至少一個空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)具有與燃料棒內(nèi)表面隔開的
外表面，并具有至少一個涂覆有催化劑的內(nèi)表面，所述催化劑吸收并保 留氳和氚中的至少一種。
還通過提供包含多個燃料棒的燃料組件滿足了上述需要和實現(xiàn)了上 述目的，其中每個所述燃料棒均具有頂部和底部，每個燃料棒均由覆層 材料制成并在其中含有多個核燃料芯塊，包括頂部燃料芯塊和底部燃料 芯塊，燃料棒含有密封所述多個燃料棒和核燃料芯塊的頂部末端塞子和 底部末端塞子，其中彈簧裝置位于頂部末端塞子和頂部燃料芯塊之間， 且空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)位于末端塞子和燃料芯塊之間，處在與彈簧裝置 相對的燃料棒末端，所述空心氣體吸收體具有與至少一個燃料棒的內(nèi)表 面隔開的外表面，并具有至少一個涂覆有催化劑的內(nèi)表面，所迷催化劑 吸收并保留氫和氚中的至少 一種。
優(yōu)選地，該氣體吸收體結(jié)構(gòu)將含有陶瓷或耐熱金屬如鋯，而且所述 催化劑涂層將選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物。將燃料組件和 包含的燃料棒及氣體吸收體結(jié)構(gòu)置于通常高于相關(guān)的底部反應(yīng)堆冷卻劑 增壓室的容積中。


在以下詳細描述中，將參考所附的非限定性附圖，其中 圖1是現(xiàn)有技術(shù)PWR核反應(yīng)堆的一個實施方案的部分截面且部分正 面的縱向視圖，包括底部反應(yīng)堆冷卻劑增壓室，所述底部反應(yīng)堆冷卻劑 增壓室具有位于冷卻劑增壓室上方的容積中的多個燃料組件；圖2是圖1反應(yīng)堆中的現(xiàn)有技術(shù)核燃料組件之一的縱向視圖，為清 楚起見以部分剖開且部分斷開方式顯示；
圖3最好地顯示了本發(fā)明，該圖是燃料棒的一個實施方案的放大節(jié) 略縱向軸截面視圖，所述燃料棒可以用于圖2的組件，顯示了底部氣體 吸收體結(jié)構(gòu)和頂部彈簧裝置，其中可以反向使用所述燃料棒，即將氣體 吸收體結(jié)構(gòu)置于頂部；以及
一個具有五個側(cè)面和進/出氣孔，而另一個具有簡單柱狀結(jié)構(gòu)。
具體實施方式
現(xiàn)在參照附圖1，其僅以舉例的方式顯示了很多合適的現(xiàn)有技術(shù)反 應(yīng)堆類型之一，即壓水核反應(yīng)堆(PWR)，用數(shù)字10總體表示。PWR10 包括反應(yīng)堆壓力容器12，其容納由多個狹長燃料組件16構(gòu)成的核反應(yīng)堆 堆芯14。出于簡化目的，圖l顯示了相對少的燃料組件16。實際上，堆 芯14由大量燃料組件構(gòu)成。
與反應(yīng)堆容器12向內(nèi)徑向隔開的是通常為圓筒狀的堆芯吊籃 (barrel ) 18，而在吊籃18內(nèi)是隔擋結(jié)構(gòu)20。隔擋結(jié)構(gòu)20圍繞反應(yīng)堆 堆芯14的燃料組件16。典型地，隔擋結(jié)構(gòu)20由通過螺釘(未示出)連 接在一起的隔擋板22制成。反應(yīng)堆堆芯14和隔擋結(jié)構(gòu)20位于上堆芯板 24和下堆芯板26之間，而所述上堆芯板24和下堆芯板26被堆芯吊籃 18支撐。
反應(yīng)堆壓力容器12的上端被可移動封頭28氣密密封，在該封頭上 安裝有多個控制棒驅(qū)動機構(gòu)30。同樣，為簡單計，僅顯示了很多控制棒 驅(qū)動機構(gòu)30中的少數(shù)幾個。每個驅(qū)動機構(gòu)30選擇性地將棒簇控制組件 機構(gòu)32定位在一些燃料組件16的上方和內(nèi)部。
在反應(yīng)堆堆芯14的燃料組件16中進行的核裂變過程產(chǎn)生熱量，在 PWR運行期間通過冷卻劑流體(如具有可溶硼的輕水)經(jīng)過堆芯14的循 環(huán)帶走所述熱量。更具體地，典型地泵送冷卻劑流體使其通過多個冷卻 劑入口噴嘴34 (圖1中僅顯示了其一)進入反應(yīng)堆壓力容器12中。冷卻劑流體通過冷卻劑入口噴嘴34進入反應(yīng)堆容器，并向下流經(jīng)在 反應(yīng)堆容器12和堆芯吊籃18(和堆芯吊籃上的熱護罩38)之間限定的環(huán) 形區(qū)域36，直至到達反應(yīng)堆容器12的底部反應(yīng)堆冷卻增壓室27，所述冷 卻劑在冷卻增壓室27中轉(zhuǎn)向180度后向上流過下堆芯板26然后向上流 過反應(yīng)堆堆芯14。繼續(xù)向上流過反應(yīng)堆堆芯14的燃料組件16。然后， 冷卻劑穿過上堆芯板24，并通過出口噴嘴40離開反應(yīng)堆容器。
通過從燃料組件16到流體的熱能傳遞將冷卻劑流體加熱到反應(yīng)堆 的運行溫度。然后，熱的冷卻劑流體通過伸出堆芯吊籃18的多個出口噴 嘴40(圖1中僅顯示了其一)離開反應(yīng)堆容器12。因此，燃料組件16賦 予冷卻劑流體的熱能被來自壓力容器12的流體帶走。
如上簡述，反應(yīng)堆堆芯14由許多狹長燃料組件16構(gòu)成。轉(zhuǎn)向圖2， 每個燃料組件16 (屬于PWR中所用類型)基本上包括下端結(jié)構(gòu)或底部噴 嘴42，其支撐著位于下堆芯板26(如圖l所示)上的組件，以及多個縱向 延伸的導(dǎo)向管或套管44，其從底部噴嘴42向上突出。組件16還包括多 個橫向支撐網(wǎng)格46，所述網(wǎng)格沿導(dǎo)向套管44的長度在軸向間隔開并與其 連接。網(wǎng)格46橫向間隔并支撐處于有組織陣列形式的多個燃料棒48。 此外，組件16具有位于其中心的儀器用(instrumentation)管50和連 接至導(dǎo)向套管44的上端的上端結(jié)構(gòu)或頂部噴嘴52。采用這樣的部件設(shè) 置，燃料組件16形成了能夠方便操作而不損害組件部件的整體單元。
如圖3所示，燃料組件16的每個燃料棒48 (圖2所示)具有通常 相同的構(gòu)造，使得每個均包括狹長的空心覆層管54，該覆層管具有頂部 末端塞子56和底部末端塞子58，所述塞子與管54的相對末端相連并將 其密封，在其中限定出以60概示的密封腔室。多個核燃料芯塊62 ( — 般為固體圓形平柱(flat puck)形式)通常以端對端鄰接的排列或堆垛 形式位于腔室60中，并通過彈簧等裝備/裝置64保持在適當(dāng)位置，所述 彈簧等裝備/裝置64處在腔室60內(nèi)并通常在頂部芯塊70和頂部末端塞 子56之間。顯示出底部芯塊72在燃料棒48的底部74附近。重新參見 圖2中的現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)，新的內(nèi)部吸收體結(jié)構(gòu)將處在總體表示為81的位 置處。從圖3中可見，在燃料棒的頂部73處顯示了頂部末端塞子56，并 在燃料棒的底部74處顯示了底部末端塞子58,可在這里設(shè)置空心氣體吸 收體結(jié)構(gòu)80使其位于底部末端塞子58和底部燃料芯塊72之間。氣體吸 收體結(jié)構(gòu)80的外表面82與燃料棒48的內(nèi)表面86、覆層管54以間距84 隔開?？招臍怏w吸收體結(jié)構(gòu)將含有、浸漬有或涂覆有催化材料，理想地 如圖4A-4B中的點83所示，所述催化材料對于"吸納"/吸收氫和氚是 有效的。當(dāng)然，催化劑將會覆蓋所有表面(為簡便而未示出)。內(nèi)部結(jié) 構(gòu)80保持空心，但也可以在內(nèi)表面含有催化劑。
主要通過棒內(nèi)的殘留濕氣與鋯合金內(nèi)部覆層管54表面的反應(yīng)在燃 料棒內(nèi)部氣體中產(chǎn)生氫
2H20+Zr == 2H2+Zr02
另一潛在氫源是內(nèi)部異常含氫材料的污染。潛在氚源是與硼的中子 吸收反應(yīng)和核燃料中的三重裂變反應(yīng)。氚在被吸納結(jié)構(gòu)吸收之前為氣體， 在該吸納結(jié)構(gòu)中其形成氫化物。如果氚逃逸出燃料棒，則它可能以氣體 存在于溶液中，或者因輻解作用而能夠以滴定水的形式成為束繂在水分 子中。
空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)80將優(yōu)選包含鋯，優(yōu)選鋯合金，但也可以是耐 高于約300。C溫度的任何金屬或金屬合金，或高溫陶瓷，例如包含硅的 高溫陶瓷。催化劑"吸納體"/吸收體選自允許氫和氚與氣體吸收體結(jié)構(gòu) 反應(yīng)的催化材料，優(yōu)選地，其選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U以及它們的混合 物。氣體吸收體結(jié)構(gòu)外表面82和燃料^f奉內(nèi)表面86之間的間距84將為約 0. 01英寸至0. 003英寸(0. 254氣體吸收體結(jié)構(gòu)的孔隙結(jié)構(gòu)確保氣體與催化劑的良好接觸并到達該 結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，該孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)選為至少約99體積％的致密度或甚至更高。 這將提供足夠的強度以承受燃料芯塊的重量。
僅以說明而非限制性方式，在圖4(A)和圖4(B)中顯示了氣體吸收體 結(jié)構(gòu)80的幾個實施方案。這些結(jié)構(gòu)80可以具有各種形狀以提供任選的表面面積，例如圖4(A)的五邊形結(jié)構(gòu)，或簡單地將其加工成圖4(B)的管 狀結(jié)構(gòu)。它們可以在其側(cè)面中/貫穿其側(cè)面具有各種形狀的小開口 89，所 述開口穿透側(cè)面以允許氣體90(如箭頭所示)進入內(nèi)部容積，該容積比結(jié) 構(gòu)周圍的環(huán)形容積91更大。在具有較高孔隙結(jié)構(gòu)的其它情形中，可以允 許氣體90滲透/擴散穿過結(jié)構(gòu)的側(cè)面到達內(nèi)部。
設(shè)計內(nèi)部氫/氚"吸納體"結(jié)構(gòu)80，以1更吸收和保留氣體90例如氫 氣和氚同位素氣體以抑制例如在覆層管54的底部壁74處的任何潛在細 裂紋或裂口 (如92所示)。優(yōu)選地，催化劑還將在結(jié)構(gòu)80內(nèi)，以避免 可能的污染材料接觸內(nèi)部覆層，并且是因為與氣體90的較弱限制的流 通。然而，在一些情形中，可能期望在結(jié)構(gòu)80的外表面上或者內(nèi)表面和 外表面上具有催化材料。
作為例子由鋯錫合金4或ZIRLO的小型空心"吸納體"管開始， 所述管具有低于約0.01的體積孔隙％的孔隙率(99體積％致密度)， 將涂層施加到管表面(ID和OD)上，其將作為催化劑增強氬氣到"吸納 體"管中的吸收。發(fā)現(xiàn)接觸的氫擴散進入固體金屬基體中并與管中的鋯 化學(xué)反應(yīng)形成鋯的氫化物，所述鋯的氫化物以固相形式在"吸納體"管 的金屬基質(zhì)中析出。有效地，氫氣轉(zhuǎn)化為固相，并保持為固相。這并非 氣相保留機構(gòu)。管的末端是開放的，并提供用于使棒內(nèi)部氣體流入管ID 的流路。與末端塞子和燃料芯塊的固定(seat ing )接觸不足以排除氣流， 但在一些設(shè)計中，可以存在提供較少阻滯進入的槽或孔，這具有相同的 預(yù)期結(jié)果。
盡管出于說明目的描述了本發(fā)明的特定實施方案，然而本領(lǐng)域技術(shù) 人員清楚，可以對本發(fā)明的細節(jié)做出很多改變，而不背離如所附權(quán)利要 求限定的本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.具有頂部和底部的燃料棒，其中燃料棒由覆層材料制成，并含有多個核燃料芯塊，包括頂部燃料芯塊和底部燃料芯塊，燃料棒含有密封燃料棒和核燃料芯塊的頂部末端塞子和底部末端塞子；其中分隔裝置位于頂部末端塞子和頂部燃料芯塊之間，而其中至少一個空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)位于燃料棒內(nèi)部，所述至少一個空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)具有與燃料棒內(nèi)表面隔開的外表面，而且氣體吸收體結(jié)構(gòu)的至少內(nèi)表面涂覆有催化劑，所述催化劑吸收并保留氫和氚中的至少一種。
2. 權(quán)利要求
1的燃料棒，其中氣體吸收體結(jié)構(gòu)包含鋯，且分隔裝置 是彈簧。
3. 權(quán)利要求
1的燃料棒，其中氣體吸收體是鋯合金。
4. 權(quán)利要求
l的燃料棒，其中氣體吸收體是陶瓷。
5. 權(quán)利要求
1的燃料棒，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面涂覆有 選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物的催化劑。
6. 權(quán)利要求
1的燃料棒，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的外表面涂覆有 選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物的催化劑。
7. 包含多個燃料棒的燃料棒組件，每個燃料棒均具有頂部和底部， 每個燃料棒均由覆層材料制成并在其中含有多個核燃料芯塊，包括頂部燃料芯塊和底部燃料芯塊，燃料棒含有密封所述多個燃料棒和核燃料芯 塊的頂部末端塞子和底部末端塞子，其中彈簧裝置位于頂部末端塞子和頂部燃料芯塊之間，空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)位于末端塞子和燃料芯塊之間， 處在與彈簧裝置相對的燃料棒末端，所述空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)具有與至少一個燃料棒的內(nèi)表面隔開的外表面，并且所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的至少 內(nèi)表面涂覆有催化劑，所述催化劑吸收并保留氫和氚中的至少 一種。
8. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)包含鋯。
9. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體是鋯合金。
10. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體是陶瓷。
11. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面 涂覆有選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物的催化劑。
12. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的外表面涂 覆有選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物的催化劑。
13. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和 外表面均涂覆有選自Ni、 Pd、 Cu、金屬U及它們的混合物的催化劑。
14. 權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)具有約 0. 330cm到0. 584cm的壁厚，并具有至少約"體積％的致密度。
15 .權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)是管狀。
16.權(quán)利要求
7的燃料棒組件，其中所述氣體吸收體結(jié)構(gòu)具有穿過 其側(cè)面的開口。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種含有內(nèi)部氫/氚吸納體結(jié)構(gòu)的燃料棒和組件。用于核反應(yīng)堆的燃料組件(16)包含燃料棒(48)，所述燃料棒含有通過彈簧裝置等裝備(64)保持在適當(dāng)位置的核燃料芯塊(62)和末端塞子(56，58)，其中空心氣體吸收體結(jié)構(gòu)(80)也位于燃料棒(48)內(nèi)，其中吸收體結(jié)構(gòu)(80)的至少一個表面涂覆有催化劑材料(83)，所述催化劑材料吸收和保留氫和氚中的至少一種。
文檔編號G21C3/17GKCN101567226SQ200910127672
公開日2009年10月28日 申請日期2009年3月23日
發(fā)明者D·斯達克, D·米歇爾, I·弗埃羅, J·劉, L·豪爾斯塔迪斯, R·克努特, R·凱斯特森, R·菲特曼, Y·宋 申請人:西屋電氣有限責(zé)任公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan