專利名稱:用于氣冷高溫球床核反應(yīng)堆的球形燃料組件及其制造方法
用于氣冷高溫球床核反應(yīng)堆的球形燃料組件及其制造方法
用于高溫球床核反應(yīng)堆(hightemperature pebble bed nuclear reactor,以下簡稱為HTR)的燃料組件為直徑60mm的石墨球,其是由特殊的A 3型石墨模壓(molding)而成。用于HTR的燃料組件包括含有燃料的核，其直徑為50mm并由ー個5mm厚的無燃料的殼所包覆。此燃料組件球(FE-球)的核被無縫地連接到売上，并因此與其形成一整體単元。其中燃料是以被包覆的燃料顆粒的形式均勻地分布在球體的核中。
這些被包覆的顆粒為直徑約0. 5mm的球(燃料芯核)，較佳是由氧化鈾所組成。將這些芯核(kernel)用熱解碳(pyrolytic carbon)層及碳化娃(siliconcarbide)層多次包覆，以保留在反應(yīng)堆運(yùn)行時產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物。球形燃料芯核較佳為通過凝膠負(fù)載沉淀法(gel supportedprecipitationmethod)得到。此方法包含以震動噴嘴形成四氫呋喃醇及聚こ烯醇的添加物與硝酸鈾酰(uranyl nitrate)所組成的溶液的液滴。隨后通過氨氣及氨水固化此溶液成為ニ鈾酸銨(ADU)的球形燃料芯核。經(jīng)過清洗、干燥、濃縮及燒結(jié)之后，即可得到具有所需大小的高密度的氧化鈾燃料芯核。
用熱解碳和碳化硅包覆燃料芯核通常在流化床単元上進(jìn)行。此單元(熔爐)是由具有圓錐形底部的垂直直立的石墨管組成，其可由石墨電阻加熱器從外部加熱。數(shù)個噴管配置在此中心頂點(diǎn)的末端上。它們提供載氣氬氣或氫氣以及涂層氣體進(jìn)入此単元中以進(jìn)行流化床操作。通過在1000°c -1400°C間的溫度熱分解こ炔或熱分解こ炔及丙炔的混合物而沉積裂解碳層。在沉積碳化硅時，較佳以甲基三氯硅烷作為涂層氣體。此時，沉積溫度稍高，可達(dá)1500°C。取決于涂層條件，可得到數(shù)個具有不同的密度及結(jié)構(gòu)及具有不同的物理及機(jī)械性質(zhì)的涂層。
此方法被發(fā)表在SM-111/15, Symposium“Advanced High-TemperatureGas-cooledReactors” in jiilich on 21. to 25. October 1968 及“Recent Developmentinthe Manufacture of Spherical Fuel Elements for High TemperatureReactors” (Hackstein, K. G. , Hovart,M. , Spener, G. ,Ehlers, K.)及“KFA Report, jiilich,687-Rff(August 1970), “Entwicklung von beschichteten Brennstoffteilchen(H.Nickel)，也發(fā)表在德國專利DE 102 04 166及德國專利早期公開DE 104 44 352A1。
此HTR燃料組件球體必須符合下列條件
-高幾何密度的石墨基質(zhì)(graphitematrix)
-良好的機(jī)械強(qiáng)度特性
-低楊式系數(shù)(youngmodulus)
-低熱伸展系數(shù)
-良好的導(dǎo)熱度，和
-以快中子輻射時具有高穩(wěn)定性。
為了達(dá)到上述的性質(zhì)，由碳制成的模壓體(molding bodies)必需經(jīng)過于2700-3000 0C的石墨化工序。
由于在模壓后，此模壓的燃料組件球體在球核內(nèi)包括被包覆的燃料顆粒，所以不能進(jìn)行溫度超過2700°C的石墨化工序。其關(guān)鍵原因在干
當(dāng)溫度超過2100°C吋，鈾會從燃料芯核擴(kuò)散至該顆粒的包覆層中，并會更進(jìn)ー步地進(jìn)入燃料組件球體的石墨基質(zhì)中。鈾擴(kuò)散進(jìn)入包覆層外燃料組件球體中的多孔石墨基質(zhì)，便會導(dǎo)致不被允許地大量污染冷卻氣體與反應(yīng)堆運(yùn)行期間釋出的裂變產(chǎn)物。有關(guān)于鈾在石墨中的擴(kuò)散已被描述于 Hovart, M.及 Spener, G.于 Journal ofNuclear Materials,19 (1966), page 53-58 中。
此外，在溫度高于2100°C時，熱解碳層的結(jié)構(gòu)會有所改變。因此，熱解碳的結(jié)晶取向的各向異性會顯著增加。因此，在反應(yīng)堆中的被包覆的顆粒存在在非常早期時就喪失其機(jī)械完整性的風(fēng)險。這會造成放射性裂變產(chǎn)物會自動釋出的危險。這個結(jié)果已被描述于 Koizik，K.的 KFA-Iteport “ jiil-868-RW” (June 1972), ^ Uberdie Anderung der Anisotropie der kristallographischen OreintierunginPyorKohlenstoffhiillschichten durch Gliihung und Neutronenbestranlung，，。
有相關(guān)文獻(xiàn)教導(dǎo)如果石墨在高度結(jié)晶且各向同性時，在溫度高于1000°C的情況 下受到快中子的輻射時其僅會保持尺寸穩(wěn)定性及機(jī)械完整性。輻射的過程和相對應(yīng)的結(jié)果可見于 Engle, G. B.的 GA-Report (March 1970), (IrradiationBehavior of NuclearGraphites at Elevated Temperatures” 和 Helm, J. ff.的 PNWL-1056 Report(1969),Pacific Northwest Laboratory Richland/Washington。
為了在整個反應(yīng)堆中的滯留時間內(nèi)確保模壓燃料組件球體的尺寸穩(wěn)定性及機(jī)械完整性，盡管限制熱處理僅加熱至約2000°C，還已發(fā)展出ー種特殊的石墨。此種特殊的石墨在科技文獻(xiàn)中被稱為A3-石墨基質(zhì)。A3-石墨基質(zhì)是以天然石墨為基礎(chǔ)。天然石墨具有極高的結(jié)晶性，然而，其主要的顆粒形狀為層狀伴隨有六角形的結(jié)晶排列(Syngonie)且因此具有高度的各向異性。
為了達(dá)到該基質(zhì)各向同性的物理性質(zhì)，燃料組件球體在一橡膠模中被模壓，此橡膠模優(yōu)選硅膠。此圓柱狀的橡膠模為由許多部分組裝起來，在中心具有一個橢圓的孔洞用以容納模塑粉(molding powder)及燃料的混合物。此孔洞中的壓カ可到達(dá)5Mpa以上,便可在此孔洞中形成球體。此橡膠模被插入壓カ機(jī)的鋼模中，通過上下的擠壓撞擊而被壓縮。
為了制造燃料組件球體，石墨模塑粉與已包覆的顆粒的混合物被預(yù)成型(pre-moIded)到一可控制的球核(manageable sphere cores)中。然后將此預(yù)成型的球核嵌入至充滿石墨模塑粉的第二橡膠模中，并開始加壓模壓以生產(chǎn)一空氣可滲透的球。然后將此重新模壓的球于真空中在第三橡膠模中進(jìn)行模壓以達(dá)到所需密度。
為了將粘結(jié)劑碳化，將此燃料組件球體于惰性氣體下加熱至800°C 18小時，并于最后在約2000°C的真空下進(jìn)行退火。此A3-石墨基質(zhì)是由72. 7wt %的天然石墨、18. 2wt%的石油焦(petroleum coke)(在3000°C下石墨化成粉末)及9. Iwt%的粘結(jié)劑焦炭組成。此該方法在德國專利和公布小冊子DE 19837 989 C2和DE 102 53 205 Al中被記載。
為了提供燃料組件球體具有各向同性且?guī)缀鯖]有任何性能梯度(propertygradient),將燃料組件球體在第三塑模步驟中于300MPa的高壓下模壓至I. 92g/cm3的密度，其接近于理論密度的99%。當(dāng)壓カ下降時，此燃料組件球體密度下降至
I.8g/cm3,并在熱處理時進(jìn)ー步下降且于280°C熱處理時達(dá)到I. 6g/cm3的最低值。在此溫度下，粘結(jié)劑樹脂開始碳化并且產(chǎn)生氣體裂解產(chǎn)物。[0023]通過加入部份的電石墨粉(electro graphite powder)來調(diào)整燃料組件球體所需的多孔性。因此，需要將此基質(zhì)幾近無壓除氣，以避免基質(zhì)裂解。當(dāng)樹脂進(jìn)行碳化時，此石墨基質(zhì)開始收縮并在約850°C時到達(dá)相對高的最終密度I. 72g/cm3。樹脂碳化使此球基質(zhì)的重量損失約為總重的9 %。
將A3-石墨基質(zhì)最佳化的相關(guān)描述記載于Hovart, M. , Nickel, H.和Koizlik, K.的 KFA-Report，jiil.-969-RW，June 1973，“ Uber die EntwicklungeinesMatrixmaterials zur Herste Ilung grepresster BrennelementefiirHochtemperaturereaktoren，，。
在二十世紀(jì)的七十和八十年代，超過百萬的模壓A3燃料組件球體被用于在尤利 希(jiilish)的球床反應(yīng)堆AVR及在施美豪森(Schmehausen)/,特羅普(Uentrop)的娃高溫反應(yīng)堆(THTR)。已證明此燃料組件球體可連續(xù)地操作且展現(xiàn)出完美的表現(xiàn)。
然而，新一代的核反應(yīng)堆對于HTR燃料組件有進(jìn)ー步的需求。在假設(shè)有意外事件發(fā)生時，例如整個冷卻系統(tǒng)故障及/或空氣、水或者水蒸氣不可控制地進(jìn)入到了反應(yīng)堆的核心，在反應(yīng)堆動力最強(qiáng)時燃料組件球體仍必須完好無缺且不能釋放出任何不被允許的核分裂產(chǎn)物。為了提供這些必要事物，A3-燃料組件球體必須具有改良的能抵抗氧氣或水蒸氣的耐蝕性。
為了判斷耐蝕性而建立了一個標(biāo)準(zhǔn)測試程序。在此標(biāo)準(zhǔn)測試程序中，此燃料組件球體在包含水蒸氣的惰性氣體中被加熱至1000°c，并測定其重量損失。反應(yīng)氣體為氬氣及百分之一體積的水蒸氣的混合物。此混合物為在裝有水的潮濕容器內(nèi)制造出來。在制造過程中，穿過水鼓入的氬氣被水蒸氣飽和。此反應(yīng)氣體的體積流速為150L/hr并其被選擇為在給定的測試條件下僅約20%的氧氣與該球體的石墨基質(zhì)反應(yīng)。侵蝕速率為每平方厘米球體表面每小時燃燒的石墨毫克數(shù)。在1000°C下使用A 3燃料組件球體測得此數(shù)值，此數(shù)值約為在每小時燃燒1-1. 25mg/cm2之間。對應(yīng)的參考數(shù)值為Union CarbideCorporation (UCC)的核純ATJ反應(yīng)堆的石墨,其在3000°C下石墨化,而其數(shù)值明顯地低于
0.7mg/cm、
長期侵蝕測試顯示A3組件燃料球中優(yōu)選的粘結(jié)劑焦炭是由苯酚甲醛樹脂形成的，其與水蒸氣反應(yīng)并因此導(dǎo)致選擇性地燃燒此基質(zhì)。相較于天然石墨及石墨化的石油焦，粘結(jié)劑焦炭表現(xiàn)出明顯較高的化學(xué)親和カ(chemicalaffinity),并因此表現(xiàn)出以較高的反應(yīng)速率與水蒸氣進(jìn)行氧化反應(yīng)。
為了證明對于粘結(jié)劑焦炭的選擇性氧化反應(yīng)，此氧化的燃料組件球體經(jīng)過了侵蝕測試程序，隨后經(jīng)過一磨損測試。為了測試磨損，將此燃料組件球體移進(jìn)ー個每分鐘55轉(zhuǎn)的滾桶(barrel)。在此滾桶的內(nèi)表面具有一 2mm高的去角突起物(chamfered threshold)以使燃料組件球體永遠(yuǎn)保持運(yùn)動并不會在此滾桶的內(nèi)部滑動。此滾桶的底部及蓋子上的多個洞使得被磨損的石墨基質(zhì)不受阻的排出。
通過X-Ray微結(jié)構(gòu)分析這些被磨損的石墨基質(zhì)的結(jié)晶性。其結(jié)晶大小為90nm，因此構(gòu)成一非常高的數(shù)值，和可僅僅被認(rèn)為是天然石墨及石墨化石油焦中的石墨成分而致的。而粘結(jié)劑焦炭的相對應(yīng)的Lc值大約低了ー個數(shù)量級而不能被測定。在被磨損的石墨基質(zhì)中缺乏粘結(jié)劑焦炭可證明在侵蝕測試程序(氧化)中粘結(jié)劑焦炭的選擇性燃燒。而粘結(jié)劑焦炭的選擇性的燃燒也因此是石墨介質(zhì)強(qiáng)度喪失的主要原因，其與燃料組件球體表面削減相關(guān)。
從DE 41 27 693 AUDE 27 18 143及DE 12 69 559可知曉用于在石墨模塑體中増加耐蝕性的方法。在這些文獻(xiàn)中，通過在完成后應(yīng)用包括碳化硅及/或碳化鋯的保護(hù)層來増加模塑體的耐蝕性。對于由A3石墨做成的燃料組件球體并沒有進(jìn)行這種后續(xù)的包覆，因此，沒有包覆層可以阻礙粘結(jié)劑焦炭的選擇性燃燒，而造成該球形燃料組件的侵蝕。此夕卜，后續(xù)的壓縮エ序僅適用于實(shí)驗(yàn)室并非常昂貴的。
因此，本發(fā)明的目的在于提供ー種有關(guān)于燃料組件球體及其生產(chǎn)的新概念，以滿足在新一代的高溫球床核反應(yīng)堆所需要的條件。此目的可由本發(fā)明的主題物質(zhì)來解決。
本發(fā)明的目的特別地可通過ー種新穎的燃料組件球體來解決，其包含ー無燃料的殼(fuel-free shell),其由碳化娃(SiC)和/或碳化錯(ZrC)與天然石墨及石墨化石油焦組成，該殼的平均標(biāo)稱厚度(average nominal thickness)至少為1mm,較佳為至少2mm,更佳為至少3_。此外,此殼的平均標(biāo)稱厚度更進(jìn)ー步的可在l-5mm之間,較佳為在2_5mm之 間和最佳為在2_4mm之間，例如3mm。
通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的方法測定此無燃料的殼層的平均標(biāo)稱厚度。上述給定的值包括+/-0. 5mm的公差范圍(由于測量的精準(zhǔn)度)。
在此無燃料的殼層中，碳化硅所占的比率在6-14wt %的范圍之間，較佳為在8-12wt%之間，更佳為在9-llwt%之間，最佳為9-10wt%，其中在ー實(shí)施例中為10wt%。
在此無燃料的殼層中，碳化鋯所占的比率在10_30wt%的范圍之間，較佳為在15-30wt%之間，更佳為在19-25wt%之間，最佳為在20-23wt%之間，其中在ー實(shí)施例中為22. 3wt % o
本發(fā)明的主要方面為使用高化學(xué)親和カ的粘結(jié)劑焦炭。在過去的侵蝕測試中高化學(xué)親和カ是ー缺點(diǎn)。然而，在這些測試中令人驚訝地發(fā)現(xiàn)此高化學(xué)親和カ的粘結(jié)劑焦炭可通過添加硅或鋯的化合物至用以形成殼的模塑粉體中而具有實(shí)用性。類似于和水蒸氣進(jìn)行的氧化反應(yīng)，在燃料組件球體于真空中進(jìn)行最高可達(dá)2000°C的退火制備エ藝時，硅及/或鋯的化合物可選擇性地與粘結(jié)劑焦炭的碳進(jìn)行反應(yīng)。如此ー來，A3石墨基質(zhì)中僅有會遭侵蝕的粘結(jié)劑焦炭的部分會反應(yīng)成耐侵蝕的碳化硅或碳化鋯。兩種碳化物碳化硅和碳化鋯都被證實(shí)為具有立方結(jié)晶結(jié)構(gòu)(Syngonie)的反應(yīng)堆材料及因此自然為各向同性。碳化硅及碳化鋯具有高硬度、高機(jī)械強(qiáng)度及高耐蝕性的特征。通過在A3石墨基質(zhì)產(chǎn)品中應(yīng)用碳化硅及碳化鋯，燃料組件球體的性質(zhì)例如密度、承載壓カ(load at brake)及特別是耐蝕性都有顯著地改善，并滿足新一代的球床反應(yīng)堆的燃料組件球體所需的條件。
作為改善了耐蝕性及機(jī)械性質(zhì)的結(jié)果，可以降低燃料組件球體的無燃料殼層的厚度。因此含燃料的球核的相對容量即可提高，且隨后燃料溫度可降低。較低燃料溫度可明顯改善被包覆顆粒的分裂產(chǎn)物的滯留于球中的能力。
在根據(jù)本發(fā)明的球形燃料組件的生產(chǎn)中，相同的石墨模塑粉被用于殼和用于含燃料的核的生產(chǎn)。在生產(chǎn)燃料組件期間，石墨基質(zhì)是由模塑粉而形成的，因此此石墨基質(zhì)在殼中及在核中是相同的成分。因此根據(jù)本發(fā)明的燃料組件的特征在于在無燃料的殼中及在含有燃料的核中的石墨基質(zhì)的組成是相同或是相似的。此特征對于區(qū)分其它的球形燃料組件特別的重要，其它的球形燃料組件不包括這種相同的石墨基質(zhì)。這種燃料組件優(yōu)選地包括一由電石墨組成的殼，例如被記載于文獻(xiàn)“ Fuel Development for THTR”，G. Spencer,M. Hovart 和 L. Rachor, Proceedings of the Conference “Fuel cycles of the HTGR，，，Brussels, June 1965。
為了描述石墨基質(zhì)的相似性，值得注意的是在制造含燃料的核及無燃料殼時是使用相同的石墨模塑粉，其最后可形成上述的石墨基質(zhì)。術(shù)語”相似” ー詞是指以上述量，將硅或鋯的化合物加入到用于無燃料殼的預(yù)成型時的石墨模塑粉中。
實(shí)施例I
應(yīng)用ニ氧化硅
在兩個單獨(dú)的勻向反應(yīng)槽中進(jìn)行石墨模塑粉的生產(chǎn)用于球核的模塑粉及用于球殼的模塑粉。用于球核的模塑粉的制作，是在干燥條件下將核純(nuclear-pure)天然石墨與在3000°C已石墨化的石油焦以4 I的重量比例進(jìn)行預(yù)混合。然后添加溶解在甲醇中相對于石墨成分為20wt%的苯酚甲醛粘結(jié)劑，并在室溫下于捏合機(jī)中攪成均相。將此被揉捏的材料于105°C下的真空中進(jìn)行干燥(壓カ< 50hPa)，并且隨后在具有被調(diào)至Imm網(wǎng)篩的錘磨機(jī)中進(jìn)行破裂。用于球殼的模塑粉的制造，除了ニ氧化硅懸浮溶液的制備外的所有制 備步驟都沒有改變。ニ氧化硅粉末部分的重量為相對于粘結(jié)劑樹脂的83. 4wt%。
起始化合物具有如下的性質(zhì):
-Kropfmuhl所提供標(biāo)示為FP的天然石墨,體積密度(bulk density)為0. 4g/cm3、顆粒密度(grain density)為2. 26g/cm3> BET比表面積為2m2/g、晶格大小Lc為IOOnm,平均顆粒大小為10到20iim,灰焊成分200ppm及灰焊中的雜質(zhì)硼當(dāng)量< lppm。
-Ringsdorff所提供標(biāo)示為KBR < 0. Imm的石墨化石油焦，石墨化溫度為3000°C、體積密度為0. 65g/cm3、顆粒密度為2. 2g/cm3、BET比表面積為I. 2m2/g、晶格大小Lc為60nm、平均顆粒大小為30到40 y m,灰焊成分IOppm及灰焊中的雜質(zhì)硼當(dāng)量< lppm。
-Bakelitte所提供標(biāo)示為4911的Novolak型的苯酚甲醛樹脂，縮合劑為鹽酸、分子量690、軟化點(diǎn)101°C、pH值為6、酸價(acid value)為7. 5、自由酹(free phenol)占0. 12wt%、于甲醇中的溶解度為99. 7wt%,灰焊成分160ppm及灰焊中的雜質(zhì)硼當(dāng)量< lppm,為了增加樹脂的分子量將樹脂于縮合后進(jìn)行水蒸氣蒸懼(steam distillation)。
- ニ氧化硅粉末，是為細(xì)磨的商用的ニ氧化硅粉末，具有平均顆粒大小及99. 95%的純度。
在一旋轉(zhuǎn)桶中，加入小量霧狀樹脂溶劑下，用部分已被用于球核生產(chǎn)的石墨模塑粉涂層于直徑約0. 9mm的已包覆燃料顆粒外。進(jìn)行該エ序直到所述顆粒被約0. 2mm厚的多孔涂層包覆為止。
已包覆的氧化鈾-燃料顆粒的核直徑為0. 5mm及具有10. 6g/cm3的密度。此燃料芯核被包覆4次，第一次為包覆熱解碳的緩沖層(厚度95ii m、密度I. 05g/cm3)，然后為致密的熱解碳層(厚度40iim、密度1.90g/cm3)，接著為致密的碳化硅層(厚度35iim、密度
3.19g/cm3)，最后為致密的熱解碳層(厚度40i!m、密度1.90g/cm3)。用模塑粉涂層于此已包覆顆粒外，并干燥和進(jìn)ー步以重量比I : 2. 23與石墨模塑粉混合。
將164g的上述混合物(其包括29. 3g已包覆的燃料顆粒)置入第一橡膠模中。此橡膠模在ー鋼模中于5MPa被模壓。于ー個具有體積為205cm3、軸比為I : I. 17的橢球形孔洞的橡膠模中，可得到直徑約62mm和密度為I. 2g/cm3的可控的球。將此球嵌入至在第二橡膠模中的ニ氧化硅添加物及石墨模塑粉組成的犧牲層(lose layer)中。其中軸比I I. 14及橢球形孔洞的體積為295cm3。經(jīng)過在此模中于15MPa的模壓之后，得到一直徑約68mm,重量為240g及密度為I. 45g/cm3的球。將此預(yù)成形的球置于第三精確裝配的橡膠模中，并于真空中(壓カ小于120hPa)在300MPa的高壓下進(jìn)行最后一次模壓。在300MPa的壓カ下，此石墨基質(zhì)的密度為1.94g/cm3。通過石墨模塑粉的選用組成，此密度可達(dá)到理論密度的99%。當(dāng)解除負(fù)載后，此石墨基質(zhì)的密度由I. 94g/cm3降到I. 82g/cm3。為了碳化該粘結(jié)劑，將球體在氮?dú)庀录訜嶂?00°C 18小時，并最后在真空中于1900°C進(jìn)行退火。在此制備步驟中，根據(jù)本發(fā)明的由苯酚甲醛樹脂形成的粘結(jié)劑焦炭與ニ氧化硅反應(yīng)形成碳化硅。
實(shí)施例2
應(yīng)用氧化鋯
除了將ニ氧化硅粉末替換為氧化鋯粉末之外，其它的模塑粉制品的生產(chǎn)步驟都未改變，即與實(shí)施例I中所述相同。
在甲醇樹脂溶液中的氧化鋯部分相對于粘結(jié)劑樹脂的重量比為167%。所用的ZrO2粉末為Toyo Soda所提供標(biāo)示為TZ的氧化鋯，平均顆粒大小約為I y m，純度99. 99%。在熱處理及將此燃料組件球體加工成60_直徑后，測量如下性質(zhì)
-無燃料球殼的幾何密度，
-無燃料球殼的厚度(使用X-Ray分析測量厚度)，
-承載壓カ(loadat brake),這個參數(shù)是通過將此燃料組件球體置于兩個鋼盤之間壓碎并測量其承載壓力，
-球殼中碳化硅或碳化鋯的含量(由化學(xué)分析及X-Ray微結(jié)構(gòu)分析測定)及
-耐蝕性(將此燃料組件球體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)氧化測試程序)。
將結(jié)果列于下表中并與A3-燃料組件球體的值作比較。
燃料組件球體/性質(zhì)殼中含有碳化硅殼中含有碳化鋯 A3燃料組件球體
無燃料球殼的密度(g/cm3)1.781.91: 1.72
無燃料球殼的厚度(mm)3±0. 53±0. 5: 5±0.5
平行于塑模方向的承載壓カ293124
垂直于塑模方向的承載壓カ272923
在殼中的碳化硅的部分(wt% )10--: --
在殼中的碳化鋯的部分(wt% )—22.3: --
在殼中的碳化硅的體積(體積比％ )6.8--: --
在殼中的碳化鋯的體積(體積比％ )—. 8. 6—
在IOOtrc下被體積比1%的水蒸氣侵蝕速率(mg/cm2, h) ] 0.41| 0.39[ 1.24-1.1
由上述表格可得知，通過應(yīng)用碳化硅及碳化鋯可以明顯改善燃料組件球體的密度及承載壓力。需強(qiáng)調(diào)的是耐蝕性有顯著地提升。0. 41及0. 39mg/cm2. h的侵蝕速率幾乎減少到A 3燃料組件球體的侵蝕速率的1/3，和甚至減少到UCC所提供的反應(yīng)堆石墨ATJ的1/1. 7。
在此燃料組件球殼中碳化娃的部分占了 10wt%,而達(dá)到5. 32g。這個數(shù)值是相當(dāng)?shù)偷?，并且證實(shí)了幾乎是在ー個球中的23，300燃料組件顆粒上的5. 28g碳化硅涂層的量。此23，300顆?？偣舶?4g的氧化鈾(總共)。因?yàn)樘蓟喌拿芏认鄬τ谔蓟栎^高，所以在球殼中的兩種碳化物的體積比差異并不明顯。
權(quán)利要求
1.一種用于高溫球床核反應(yīng)堆的球形燃料組件，其由一包括被包覆顆粒形式的燃料的A3石墨基質(zhì)組成，其中所述燃料顆粒為均勻分布在一球核中及被嵌入到A3石墨基質(zhì)中，且所述球核被ー無燃料的球殼所包覆，其中所述球殼為無縫隙地與該球核連接，且該球殼的石墨基質(zhì)與該球核的石墨基質(zhì)具有由主要成分天然石墨、石墨化石油焦及粘結(jié)劑焦炭所組成的相同或相似的成分，其特征在于所述燃料組件球體的無燃料球殼是由碳化硅和/或碳化鋯、天然石墨及石墨化石油焦組成，且所述球殼的平均標(biāo)稱厚度> 1_。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的燃料組件球體，其特征在于所述殼的平均標(biāo)稱厚度>2mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的燃料組件球體，其特征在于所述殼的平均標(biāo)稱厚度在I至5mm的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的燃料組件球體，其特征在于所述無燃料殼中的碳化硅為6-14wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的燃料組件球體，其特征在于所述無燃料球殼中的碳化硅為10-30wt%。
6.ー種制造根據(jù)前述之一的權(quán)利要求
所述的燃料組件球體的方法，其特征在于在制造用于所述無燃料球殼的模塑粉的制備步驟中，使用硅氧化物或鋯氧化物。
7.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其特征在于所述的硅氧化物和/或鋯氧化物為懸浮在一甲醇與苯酚甲醛樹脂的溶液中，該懸浮物在室溫下與一石墨粉末組分通過揉捏而均勻混合，所述石墨粉末組分由天然石墨及石墨化石油焦組成。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的方法，其中通過在壓力<10_2hPa的真空及最高溫度達(dá)2000°C將所述燃料組件球體退火而進(jìn)行轉(zhuǎn)化為碳化硅和/或碳化鋯。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種能夠滿足新一代高溫球床核反應(yīng)堆的需求的燃料組件球體的新設(shè)計(jì)及制備。本發(fā)明使用一種無燃料、由碳化硅和/或碳化鋯、天然石墨及石墨化石油焦所組成的燃料組件球體的球殼，該球殼的最大平均標(biāo)稱厚度可達(dá)5mm，較佳為僅有3mm。
文檔編號G21C3/04GKCN101512670 B發(fā)布類型授權(quán) 專利申請?zhí)朇N 200780032147
公開日2012年10月31日 申請日期2007年8月28日
發(fā)明者卡爾-海因茨·格羅斯, 米蘭·赫羅瓦, 雷納·舒爾滕 申請人:Ald真空技術(shù)有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (5), 非專利引用 (3),