[发明专利]耐燃料包层化学相互作用的核燃料元件及制造该核燃料元件的方法

说明书

本公开内容描述了耐燃料‑包层化学相互作用(FCCI)的核燃料元件及它们的制造技术。核燃料元件包括设置在钢包层上的两层或者更多层的不同材料(即，相邻的屏障具有不同的基础材料)，以减少包层和核材料之间的FCCI的效应。取决于实施方案，层可以是结构元件(即，足够厚以提供由包层和屏障组成的整个部件的强度的大于50％的层)，或者可以更合适地被描述为以某种方式应用至结构部件的表面(例如，应用至包层或者应用至燃料的结构形式)的衬层或者涂层。

本申请于2018年7月19日作为PCT国际申请被提交，并且要求2017年7月19日提交的美国临时专利申请第62/534,561号的优先权的权益，该申请通过引用以其整体据此并入。

引言

当被用于核反应堆时，核燃料通常设置有包层(cladding)。包层可以被设置成容纳燃料，以防止燃料与外部环境相互作用，和/或防止冷却剂被裂变产物污染。例如，一些核燃料与冷却剂或其他材料是化学反应性的，否则冷却剂或其他材料可能在没有包层充当分离器(separator)的情况下与核燃料接触。

包层可以采取管、球体或长形棱柱形容器的形式，燃料被容纳在管、球体或长形棱柱形容器中。在任一种情况下，燃料和包层组合通常被称为“燃料元件”、“燃料棒(fuelrod)”或“燃料细棒(fuel pin)”。

金属燃料系统中的燃料-包层化学相互作用(FCCI)指的是由于一种或更多种组分的相互扩散引起的核燃料和包层组分之间的化学反应。在较高的燃耗(>20％)，燃料和裂变产物相互扩散到包层中(或者紧邻包层)或者包层合金元素扩散到燃料中可以通过多种机制中的一种降低燃料-包层系统的强度，所述多种机制例如化学相互作用、脆化、强度的损失、非意图的合金的形成等。具体地，包层组分(铁和镍)可以迁移到燃料中，与铀和钚两者形成低熔点金属间化合物(low melting intermetallic)，而镧系元素裂变产物(钕、铈等)向外迁移到包层中，形成还倾向于共晶反应的脆性金属间化合物。

耐燃料-包层化学相互作用的核燃料元件及制造该核燃料元件的方法

本公开内容描述了耐燃料-包层化学相互作用(FCCI)的核燃料元件它们的制造技术。核燃料元件包括设置在钢包层上的两层或更多层的不同材料(即，相邻的屏障(barrier)具有不同的基础材料)，以减少包层和核材料之间的FCCI的效应。取决于实施方案，层可以是结构元件(即，足够厚以提供由包层和屏障组成的整个部件的强度的大于50％的层)，或者可以更合适地被描述为以某种方式应用至结构部件的表面(例如，应用至包层或者应用至燃料的结构形式)的衬层(liner)或者涂层。

附图简述

构成本申请的一部分的以下附图图示出了所描述的技术，并且不意味着以任何方式限制如所要求保护的本发明的范围，该范围应基于附于此的权利要求。

图1图示出了装配有双重FCCI屏障的包层或者屏障装配的包层(barrier-equipped cladding)(BEC)的线性区段(linear section)的剖视图。

图2图示出了图1的BEC的管状实施方案的横截面。

图3图示出了与核材料例如核燃料接触的图1的BEC。

图4图示出了图2的BEC的管状实施方案的横截面，其中核材料被容纳在设置有双重屏障的管状包层中。

图5图示出了用于选择耐FCCI的BEC的屏障层材料和燃料元件的方法的实施方案。

图6以高水平图示出了用于制造耐FCCI的燃料元件的方法的实施方案。

图7图示出了装配有三重FCCI屏障的包层的线性区段的剖视图。

图8图示出了图7的三重BEC的管状实施方案的横截面。

图9图示出了与核材料例如核燃料接触的图7的三重BEC。