[发明专利]具有优异的耐冲击性的核燃料烧结芯块

说明书

本发明涉及一种由UOsubgt;2/subgt;粉末制成的圆柱状的烧结芯块，该烧结芯块由碟形凹陷(10)，肩部(20)以及倒角组成(30)，碟形凹陷(10)由圆柱状的两端面中央具有一定曲率的球面状的凹槽形成，肩部(20)沿碟形凹陷(10)的边缘形成为具有一定宽度并与上述圆柱正交的平面，倒角(30)沿肩部(20)的边缘以切削棱角的形态形成；肩部(20)的宽度(SW)为0.20mm～0.80mm，倒角(30)与水平面所形成的角度为14°～18°，通过改善烧结芯块的形状可以显著性地提高烧结芯块的耐冲击强度，从而提供一种具有优异的耐冲击性的和燃料烧结芯块，该核燃料烧结芯块可以将由芯块表面缺失(MPS)导致的芯块‑包壳机械相互作用(PCMI)损伤最小化。

技术领域

本发明涉及核燃料成型体及其烧结芯块的制造方法以及使用该燃料成型体制得的核燃料烧结芯块，尤其是涉及一种具有优异的抗冲击断裂性的核燃料成型体及其烧结芯块的制造方法，以及使用该燃料成型体制得的核燃料烧结芯块。

背景技术

由于锆基合金Zircaloy对大多数有机酸、无机酸、强碱以及熔融盐具有非常优异的耐腐蚀性，因此，在专用换热装置(heat-exchanger columns)、反应器、泵(pump)以及阀门等化学工业领域中被作为优质材料进行使用。此外，在当前运行的大多数核反应堆中，锆合金(Zircaloy)被广泛用作核燃料包壳和堆芯结构材料，这是由于锆合金的热中子吸收截面小，在核反应堆运行条件下具有较高的强度和延展性，并且对冷却剂具有良好的耐腐蚀性。[1]然而，在核反应堆运行时，由于功率输出快速增加而引起烧结芯块-包壳相互作用(Pellet-Cladding Interaction：PCI)损坏锆合金(Zircaloy)包壳，会发生核裂变产物流入到1次冷却水中的严重事故。因此，从建立安全极限或对策的角度进行了许多研究，以防止PCI导致的Zircaloy包壳破损。由于核燃料的烧结芯块因热膨胀和核膨胀等被破坏而在包壳上形成局部应力，该局部应力和核裂变产物碘的共同作用而引起的应力腐蚀破裂被认为是可能性最大的引起破损的原因。

因此，为了防止包壳的破损，尽管研究包壳材料的组成或者热处理工艺很重要，但对核燃料烧结芯块的强度的研究同样重要。

另外，为了提高核电站的经济性，考虑高燃耗和长期运行的操作，因此，核电站的运行环境变得更加严苛，并且需要开发高性能的核燃料。

尤其是，最近报导了在PWR(压水反应堆，Pressurized Water Reactor)中因芯块表面缺失MPS(missing pellet surface)导致的PCMI(Pellet-Clad MechanicalInteraction，芯块-包壳机械相互作用)损伤案例后，为了减少MPS，进行了以改善制造工艺和烧结芯块形状为主的研究。

如图1b所示，MPS导致的PCI损伤是指在装载有例如掉屑(End chips)等表面缺陷的烧结芯块的燃料棒中，在异常输出状态下，应力过度集中在MPS缺陷部位上的现象，它们大部分发生在BWR(沸水反应堆)中，而在PWR中发生频率较低。

烧结芯块表面缺陷的种类如图2所示，代表性的表面缺陷有坑洼(Pit)、裂纹(Crack)、端部封盖(End capping)以及端部碎屑(End chips)等，MPS导致的PCMI损伤主要是由端部碎屑(End chips)缺陷引起的。

通过观察各国为解决该问题的研究趋势发现，阿海珐(AREVA)公司已于2004年完成了MPS减少的UO₂烧结芯块的开发，并作为商业核燃料进行供应。MPS减少的UO₂烧结芯块，通过分析可能产生缺陷的成型工序、烧结工序、研磨工序及燃料棒制造工序中缺陷产生的原因，提高了降低MPS减少的的UO₂烧结芯块的质量。同时，通过有限元分析(FiniteElement Method，FEM)以及力学性能试验改善烧结芯块的碟形凹陷部(Dish)和倒角(Chamfer)的形状，寻求降低烧结芯块中的表面缺陷的缺陷率的方法。