[发明专利]适合于允许包含在其中的核燃料的膨胀的核裂变反应堆燃料组件

说明书

背景

本申请大体上涉及核反应堆燃料组件，并且更具体地涉及适合于允许包含在其中的核燃料的膨胀的核裂变反应堆燃料组件。

已知在运行的核裂变反应堆中，具有已知能量的中子被具有高原子质量的核素吸收。所得到的复合核分离为裂变产物，裂变产物包括两个较低原子质量的裂变碎片以及衰变产物。已知借助于具有所有能量的中子经历这样的裂变的核素包括铀-233、铀-235和钚-239，其是可裂变核素。例如，具有0.0253eV(电子伏)的动能的热中子可以用于使U-235核裂变。作为能产生裂变物质的核素的钍-232和铀-238使用具有至少1MeV(兆电子伏)的动能的快中子经历诱发裂变。从每个裂变事件释放的总动能是约200MeV。该动能最终被转化为热。

此外，以初始的中子源开始的裂变过程释放另外的中子并且将动能转化为热。这导致伴随有持续的能量释放的自我维持的裂变链式反应。即，对于每个被吸收的中子，多于一个中子被释放，直到可裂变核被耗尽。这种现象在商用核反应堆中用于产生连续的热，该连续的热又有益地用于产生电。

在这样的过程中，可能发生由上述的生热的导致的以及也由裂变产物释放导致的燃料组件膨胀。在这方面，燃料组件可能经历差胀、可能增加燃料棒包层破裂的发生率的燃料棒蠕变、裂变气体压力增大以及在反应堆运行期间的膨胀。这可能增加燃料芯块破裂和/或燃料棒弯曲的发生率。燃料芯块破裂可以导致裂变气体释放以及导致高于正常值的辐射水平。燃料棒弯曲又可以导致冷却剂流动通道的阻塞。被结合入反应堆设计的安全余量和在制造期间的精确的质量控制可以减少这些发生率，或系统设计可以使系统适合于以这样的发生率运行。

在处理由生热和裂变气体释放导致的燃料组件膨胀的一种方法中，以Clarence I.Justheim等人的名义于1962年4月3日公布且标题为“NuclearFuel Elements Having An Autogenous Matrix And Method Of Making TheSame”的美国专利3,028,330公开了蜂窝状的碳质基质。蜂窝状基质的气孔可以包含裂变材料的碎片，该裂变材料可以是富集有可裂变同位素的铀的能产生裂变物质的同位素。根据该专利，气孔通常具有这样的相对于裂变碎片的大小，以便允许由热循环和辐射损坏导致的裂变碎片体积的增加。虽然该专利公开了具有允许裂变碎片的体积的增加的气孔的蜂窝状基质，但是该专利看上去没有公开核裂变反应堆燃料组件，其适合于允许包含在该燃料组件中的核燃料的膨胀。

在以Leslie Reginald Blake等人的名义于1965年5月18日公布且标题为“Fast Nuclear Reactor Fuel Elements”的美国专利3,184,392中公开的另一种方法描述了一种核反应堆燃料元件，其包括多孔的封闭气孔的可裂变核燃料的主体，由于多孔性，该主体是分散结构，并且被包封在圆柱形的保护套内。燃料提供填隙空隙，并且燃料元件仅部分地被填充，以在燃料上方留下空隙。根据该专利，保护套在600℃的温度能够抵抗至少10,000psi的内压力，并且在燃料上方的空隙作为燃料的膨胀空间且也作为用于容纳裂变产物的空间。虽然该专利公开了包括多孔的封闭气孔的可裂变核燃料的主体的核反应堆燃料元件，但是该专利看上去没有公开核裂变反应堆燃料组件，其适合于允许包含在燃料组件中的核燃料的膨胀，如本文所公开和主张的。

概述

根据本公开的一个方面，提供了核裂变反应堆燃料组件，其包括适合于密封地包封界定多个互相连接的开放气孔空隙(open-cell void)的核燃料泡沫的外壳。

根据本公开的另一个方面，提供了核裂变反应堆燃料组件，其包括适合于密封地包封界定多个互相连接的封闭气孔空隙(closed-cell void)的能产生裂变物质的核燃料泡沫的外壳。

根据本公开的又一个方面，提供了核裂变反应堆燃料组件，其包括：适合于密封地包封能够产生热的核燃料泡沫的外壳，核燃料泡沫界定多个互相连接的开放气孔空隙；以及与外壳相关联并且适合于与核燃料泡沫保持传热连通(heat transfer communication)的用于吸收由核燃料泡沫产生的热的热吸收体。

根据本公开的再一个方面，提供了核裂变反应堆燃料组件，其包括：适合于密封地包封能够产生热的能产生裂变物质的核燃料泡沫的外壳，核燃料泡沫界定多个封闭气孔空隙；以及与外壳相关联并且适合于与核燃料泡沫保持传热连通的用于吸收由核燃料泡沫产生的热的热吸收体。