[发明专利]用于事故宽容的燃料应用的锆涂覆碳化硅燃料包壳

说明书

本发明涉及一种用于核燃料棒的多组分包壳，其包括陶瓷组分和金属组分的组合。更具体地，本发明涉及一种包壳，该包壳包括陶瓷复合材料，该陶瓷复合材料上沉积有锆组合物以形成锆涂覆的陶瓷复合材料。该陶瓷复合材料包括陶瓷基质和多个陶瓷纤维。在核反应堆的各种负载条件期间，所述包壳有效地保护包壳结构的内容物免于暴露到高温环境。

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)本申请要求2016年6月10日提交的题为“ZIRCONIUM-COATEDSILICON CARBIDE FUEL CLADDING FOR ACCIDENT TOLERANT FUEL APPLICATION”的美国申请第15/178,745号的优先权，通过引用将其内容并入本文。

背景技术

1.领域

本发明涉及一种陶瓷复合材料，其具有施加在其上的锆涂层，用于构造核燃料部件(例如燃料棒包壳)，用于高温环境中以充当屏障以便保护该部件的内容物(例如包壳)，以及制造锆涂覆的陶瓷复合材料的方法。

2.现有技术的描述

核动力反应堆可包括具有大量燃料组件的反应堆芯，每个燃料组件由多个狭长燃料元件或燃料棒构成。燃料组件的尺寸和设计根据所需的堆芯尺寸和反应堆尺寸而变化。燃料棒各自含有可裂变燃料材料，例如包含铀和一定量可裂变U235或U233和/或钚的燃料芯块。可裂变部件的裂变引起热量产生。冷却剂(诸如水、液态盐、气体或液态金属)被泵送通过反应堆芯，以提取反应堆芯中产生的热量，用以产生有用功例如电力。

每个燃料棒具有包壳，该包壳充当作安全壳(containment)以保持放射性燃料材料并将燃料材料与冷却剂介质分离。此外，在操作期间，裂变产生高度放射性的气态裂变产物以及挥发性和非挥发性的裂变产物。这些裂变产物也受到包壳的限制。在常规的金属包壳系统中，辐射随着时间会引起金属的损伤，就硬化和脆化以及材料膨胀方面而言。

图1示出了示例性反应堆压力容器10和核堆芯14。核堆芯14包括多个平行、竖向、共延伸的燃料组件22。对于本说明书的目的，其他容器内部结构可以分为下部内构件24和上部内构件26。在常规设计中，下部内构件的功能是支撑、对准和引导堆芯部件和仪器以及容器内的直接流动。上部内构件限制或提供燃料组件22的辅助限制(图1中为简单起见仅示出其中两个)，以及支撑和引导仪器和部件，例如控制棒28。在图1所示的示例性反应堆中，冷却剂穿过一个或多个入口喷嘴30进入反应堆容器10，向下流过该容器和堆芯筒32之间的环形区，在下部增压室34中转动180°，向上通过下部支撑板37和下部堆芯板36(燃料组件安置于其上)并穿过组件以及围绕组件。在一些设计中，下部支撑板37和下部堆芯板36被单个结构代替，下部支撑板具有与37相同的高度。穿过堆芯和周围区域38的冷却剂流量典型很大，为每分钟400,000加仑的量级，速度为每秒约20英尺。所产生的压降和摩擦力往往使燃料组件上升，这种运动受到上部内构件的限制，包括圆形上部堆芯板40。离开堆芯14的冷却剂沿着上部堆芯板40的下侧流动并向上通过多个穿孔42。然后，冷却剂向上并径向地向外流动到一个或多个出口喷嘴44。

图2中更详细地显示了图1所示的示例性燃料组件22之一。每个燃料组件22包括编组成阵列的燃料棒66。燃料棒66通过沿燃料组件长度间隔开的格栅64以彼此间隔的关系保持。在其下端，底部喷嘴58支撑下部堆芯板36上的每个燃料组件22。在其上端，每个燃料组件22包括顶部喷嘴62。仪表管68位于中心并且在底部喷嘴58和顶部喷嘴62之间延伸并且固定到底部喷嘴58和顶部喷嘴62。每个燃料棒66包括多个核燃料芯块70，并且在其相对两端分别由上端塞72和下端塞74封闭。通过设置在上端塞72和芯块堆叠体顶部之间的增压弹簧76将芯块70保持在堆叠体中。由可裂变材料构成的燃料芯块70负责产生反应堆的无功功率(reactive power)。