[发明专利]环形金属核燃料及其制造方法

说明书

描述了环形金属燃料和燃料棒，所述环形金属燃料和燃料棒相对于氧化铀燃料棒具有改进的性能。环形金属燃料可以由多孔金属核燃料制成，并且将比氧化铀燃料产生更多的功率并在低得多的温度操作。环形金属燃料棒可以用于行波反应堆和其他快堆。压水反应堆也可以用环形金属燃料棒来改造以改进反应堆性能。

相关申请的交叉引用

本申请于2018年12月21日作为PCT国际申请提交，并且要求2017年12月22日提交的标题为“Annular Metal Nuclear Fuel and Methods of Manufacturing the Same”的美国临时专利申请第62/609,831号的优先权，该临时专利申请据此通过引用并入本文。

引言

核燃料棒的性能的一个量度是在燃料中产生的热通过燃料棒的包层被传递给主冷却剂的能力。对氧化铀核燃料棒提出的、允许从相同堆芯体积有更高的热传递和因此更高的反应堆功率的一项改进是，包括具有另外的包层的中央空隙区域，其在燃料棒的长度上运行。冷却剂穿过该区域以及燃料棒的外部，这增加了冷却剂流过和热可以被传递的总表面积。

然而，这种环形设计的实际性能受到若干因素的抑制。首先，氧化铀燃料在操作温度倾向于膨胀(expand)，这导致燃料与内部包层分离并且降低在内部包层和燃料之间的导热性。其次，由于在燃料中产生裂变产物，裂变反应导致氧化铀燃料胀大(swell)。因此，需要使用足够坚固的包层来保持由硬氧化铀燃料的胀大所产生的压力，或者在预期胀大时需要在包层和燃料之间提供膨胀空间。这两种折衷都对在燃料和包层外部之间的整体导热性具有不利影响。第三，低密度二氧化铀燃料需要相对高的浓缩，以适应功率增加而不减少循环时间和在第二包层中另外的寄生中子吸收。最后，二氧化铀燃料在相对高的温度操作，这带来了另外的设计挑战。

核燃料棒设计的性能的另一个量度与事故容忍度(accident tolerance)有关。许多传统的燃料设计已经被证明在正常的设备操作条件下良好地操作，但在严重事故情况下表现不佳。在超出设计基准条件(beyond-design-basis condition)的情况下，例如在三里岛(Three Mile Island)和福岛(Fukushima)两个事故中发生的情况下，这可以导致燃料包层的破坏和裂变产物的释放。

环形金属核燃料及其制造方法

下文描述了环形金属燃料和燃料棒，所述环形金属燃料和燃料棒相对于氧化铀燃料棒具有改进的性能。环形金属燃料可以由多孔金属核燃料制成，并且将比氧化铀燃料产生更多的功率并在低得多的温度操作。环形金属燃料棒可以用于任何快谱反应堆(fastspectrum reactor)，包括例如行波反应堆。压水反应堆(pressurized water reactor)(PWR)也可以用环形金属燃料棒来改造以改进反应堆性能。金属燃料可以是一个或更多个被称为环形块状物(annular slug)的、固体燃料环，或者可以呈被填充到由内部包层和外部包层界定的环形区域中的燃料颗粒或燃料粉末的形式。金属燃料最初可以是多孔的，或者由于辐照而可以变成多孔的。由于环形金属燃料提供比使用典型的氧化铀(例如UO₂)燃料可能的铀密度更大的铀密度，所以现有反应堆的功率产生可以在很少或不修改现有设备的情况下增加。这主要是由于内部包层的另外的传热表面而实现的。此外，金属燃料的增加的铀负载量(loading)有可能实现增加的循环时间(cycle lengths)或燃耗。例如，在实施方案中，与相同堆芯体积中的传统氧化物燃料相比，估计环形金属燃料允许PWR中多达50％的功率增加。

附图简述

构成本申请的一部分的以下附图例证了所描述的技术，并且不意指以任何方式限制如所要求保护的本发明的范围，该范围应基于所附的权利要求。

图1A和图1B是沿着多孔金属燃料的环形核燃料棒的实施方案的正交轴线的横截面图。

图2图示了不同于图1A和图1B的环形构造的其他构造，其也可以用于燃料棒。