[发明专利]含有内部氢/氚吸纳体结构的燃料棒和组件

说明书

技术领域

本发明涉及燃料棒组件和这样的组件中的燃料棒，其中燃料棒含有位于燃料棒内的内部氢/氚“吸纳体”结构，例如在底部附近。“吸纳体”或“吸收体”结构对于吸收和保留任何氢(H)或氚(原子量为3的气态氢同位素，H³或H3-放射β射线)是有效的，并将其保留在燃料棒内部，以降低可能的氢或氚的释放和燃料棒的劣化。氚一直是气体，直到被“吸纳体”结构吸收并形成氢化物。

发明背景

核反应堆的各种部件均承受侵蚀，例如被运行期间产生的各种气体、同位素等所水化和/或氧化。在一些情形中，可能损害燃料棒的内部。在特殊的情形中，这可引起燃料棒的潜在劣化。

在典型的核反应堆如压水反应堆(PWR)中，例如在WestinghouseEletric Co.brochure，Ready to Meet Tomorrow’s Power GenerationRequirements Today，2007中，堆芯包括大量的燃料组件，每个都由多个狭长燃料棒构成。每个燃料棒均含有裂变材料，例如二氧化铀(UO₂)或二氧化钚(PUO₂)，或混合物，一般是固体受压核燃料芯块的堆垛体形式。燃料棒组合成阵列，组织所述阵列以在堆芯中提供足以支持高速核裂变的中子通量并由此以热量的形式释放大量能量。通常从下冷却剂增压室泵送冷却剂例如水通过堆芯以提取在堆芯中产生的部分热量，用于产生有用功。根据堆芯的所需尺寸和反应堆的尺寸，燃料组件在尺寸和设计上不同。

核反应堆在燃料循环的开始具有足够过量的反应性以允许持续特定时间的运行，一般约为6-18个月。由于反应堆的运行是稍微超临界的，所以必需抵消在循环开始时提供的过大反应性。设计了抵消起始过大反应性的多种方法，包括在反应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。这样的中子吸收体被称为“可燃毒物”，包括例如硼、钆、镉、钐、铒和铕的化合物。这些可燃毒物吸收初始的过量中子，而(在最好的情形中)不产生新的或另外的中子或者因中子吸收而转变为新的毒物。

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烧结芯块。参见例如美国专利3349152和3520958(分别属于watanabe等人和Versteeg等人)。最近，在美国专利7139360B2(Lahoda)中，含有多个燃料芯块的燃料棒，其中多于二分之一的棒具有金属氧化物、金属碳化物或金属氮化物的燃料芯块中的至少一种，以及含硼的可燃毒物以含有过量的中子。美国专利4587087(Radford等)涉及可燃毒物涂层，其中固体核燃料基材被可燃毒物层涂覆并被包封在末端堵塞的燃料棒中。

关于对氧化、腐蚀和水化的防护，Rudling等在美国专利6512806B2中教导了用二氧化锆(ZrO₂)和氮化锆(ZrN)中的至少一种涂覆燃料棒自身，即锆合金。此外，Davies在美国专利5434897中利用具有三层覆层的燃料棒，其中所述层有助于在覆层内部的气体混合，使得任何进入的蒸汽都将促进蒸汽和氢的混合。燃料棒在其末端被末端塞子密封，所述塞子在其顶部具有螺旋状构件以抑制芯块柱状物的轴向移动。

在覆层附近的任何氢都会通过形成氢化物引起机械损伤。如果存在氚(H³)，则它可以因通过覆层管并进入冷却水中而形成“剂量(dose)”问题。一旦进入冷却剂，则难以去除/分离，因为其在物理上和化学上均与普通氢几乎相同，即在水分子中。所述氚会随任何反应堆水/蒸汽废物流排到外面。如果气体在棒的内部，则因氢或氚而处于风险的结构是燃料棒覆层。尽管总是在燃料棒内部产生H³，然而氢也可以在燃料棒中形成，或在燃料棒制造期间被引入或封入。因而，需要解决这些问题的方案。

本发明的主要目的是提供解决氢和氚污染与劣化的潜在问题的燃料棒的组件和单个燃料棒。

本发明的目的还是寻找用于核电站环境的氚和氢的吸收体/吸附体。

发明内容