CN111316372A - 环形金属核燃料及其制造方法 - Google Patents
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- G21C3/326—Bundles of parallel pin-, rod-, or tube-shaped fuel elements comprising fuel elements of different composition; comprising, in addition to the fuel elements, other pin-, rod-, or tube-shaped elements, e.g. control rods, grid support rods, fertile rods, poison rods or dummy rods
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-
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Abstract
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。
Description
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。
图3是用于行波反应堆的燃料组件的分解图。
图4图示了多个节段(segment)的燃料棒的实施方案的一部分，所述多个节段包括允许在燃料棒的中央区域和外部之间流动的连接节段(connecting segment)。
图5图示了上文描述的双中间部件制造方法的中间部件。
图6图示了在包层之间的环形空间的一部分的横截面，其示出了燃料和压紧装置(holddown device)。
图7图示了用于压水反应堆的燃料组件的侧视图。
图8图示了制造环形核燃料棒的方法的实施方案。
详述
在公开和描述可以可选择地被称为燃料细棒(fuel pin)的环形金属燃料棒以及构造方法之前，应当理解，本公开内容不限于本文公开的特定结构、工艺步骤或材料，而是扩展到其等同物，如将被相关领域的普通技术人员所认识到的。还应当理解，本文中采用的术语仅用于描述环形金属燃料的特定实施方案的目的，并且不意图是限制性的。必须注意，如在本说明书中所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数指示物。因此，例如，提及“氢氧化锂”不应被认为是定量的或者视为来源限制，提及“步骤”可以包括多个步骤，提及反应的“生产”或“产物”不应被视为是反应的所有产物，以及提及“反应”可以包括提及这样的反应步骤中的一个或更多个。因此，反应的步骤可以包括类似材料的多次反应或重复反应以产生确定的反应产物。
环形金属燃料棒
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1A是通过与棒120的长轴正交的平面的横截面图，并且图1B是通过棒120的长轴的横截面图。燃料棒120具有多孔金属燃料102的环或管，其内表面由内部包层104界定并且在外表面上具有外部包层106。如下文更详细地讨论的，金属燃料可以是一个或更多个被称为环形块状物的、固体燃料环，或者可以呈被填充到由内部包层104和外部包层106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102最初可以是多孔的，或者在核反应堆中使用期间由于辐照而可以变成多孔的。
环形燃料棒的中央空隙区域108(其也可以称为中央冷却剂通道)是穿过燃料块状物102的内部通道。该中央区域108提供了穿过棒120中央的冷却剂流动路径和(与内部包层104的)接触表面。中央区域108可以与燃料棒的长轴是同轴的(如所示出的)，或者可以是偏置的。
如图1B所示，燃料棒120可以通过端盖122在燃料棒的一端或两端上加盖，如在常规的燃料棒中已知的。还可以在燃料棒120的一端或两端处设置包含增压弹簧(plenumspring)124的增压室126，以对燃料施加偏置力，并且确保环形燃料块状物102在棒120的主要区段内的适当放置。夹子是偏置元件(biasing element)的可选择的形式，其可以代替一个或更多个增压弹簧或者与一个或更多个增压弹簧结合来使用，以将燃料柱(fuelcolumn)保持在适当的位置。增压弹簧124可以与燃料块状物102直接接触，或者垫圈或其他中间结构(未示出)可以在增压弹簧124和燃料102之间，以将所施加的力更均匀地分配给燃料。在实施方案中，增压室126和增压弹簧124可以是端盖122的一部分。在可选择的实施方案中，增压室126仅仅是在燃料块状物102和端盖122的开始之间的空间。
在所示的实施方案中，中央区域108延伸包括端盖122的燃料棒120的整个长度。在可选择的实施方案中，歧管型布置可以设置在一个或两个端盖122中或增压室126中，使得中央区域108仅延伸穿过环形燃料块状物102和一些或全部的增压室126。
燃料棒120可以被制造成满足现有核压水反应堆(PWR)设计的形状因素(formfactor)和设计要求。这允许现有的反应堆设计用含有环形金属燃料的燃料棒改造。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有可能实现增加的循环时间或燃耗。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。
又一个益处是，环形金属燃料棒可以比传统的UO2燃料棒更快地加热，而没有损坏燃料基体和包层的风险。如果加热过快，UO2燃料可能由于燃料上的不同热应力而破碎，并且来自硬UO2芯块(UO2 pellet)的燃料-包层机械相互作用可以导致包层损坏。这限制了装有UO2的传统核反应堆可以达到全功率的速度，并从而限制了这样的反应堆作为必须响应于电力需求调整功率输出的负荷跟踪型发电设备(load following power plant)的用途。如本文描述的环形金属燃料棒可以比UO2燃料棒快得多地被加热(例如，据估计，铀-锆燃料棒可以以约6倍于UO2燃料棒的速率被加热)。这允许用环形金属燃料棒改造的现有反应堆能够更有效地被用作负荷跟踪型发电设备。
图2图示了不同于图1的环形构造的其他构造，其也可以用于燃料棒120和/或燃料棒内的环形燃料块状物102。任何形状都可以被用于任一包层。横截面形状可以是规则的多边形，例如三角形、正方形、六边形、八边形等。拐角可以或多或少地是圆形的，并且横截面可以是任何叶形形状，例如所示的四叶的棒。
如所图示的，燃料棒的外部和内部区域的横截面形状可以相同或不同。在实施方案中，棒构造可以保持控制棒和导向套管(guide thimble tube)。
此外，非圆柱形燃料棒可以沿其长度在内表面或外表面或两者上设置有螺旋扭曲(helical twist)。例如，该设计还可以包括对内部包层的内部表面或外表面进行膛线加工(rifling)，用于更好地传热和优化在内部包层和外部包层之间的流动分布。可选择地，棒的外表面可以设置有螺旋绕线(helical wire wrap)(未示出)，和/或刚性螺旋结构可以附接至外表面或内表面中的任一个或两个。
如果需要，还可以在包层和燃料之间使用薄的衬层(未示出)，以防止燃料包层的化学相互作用，并且在包层破裂的情况下，可以预期减少金属燃料与水冷却剂的反应。
图3是用于行波反应堆或其他钠冷却的快堆的燃料组件300的分解图。组件300包括具有轴线A的长形冷却剂通道302。通道302具有六边形横截面。具有内部流动通道的操作插口(handling socket)304被固定至通道302的第一端部306，并且具有内部特征或外部特征，所述内部特征或外部特征允许其被反应堆容器内的机构抓住，以提升、降低和以其他方式将组件300移入堆芯中、移出堆芯或在堆芯内移动。入口喷嘴308被固定至通道302的第二端部310。多个轴承环312和扣环(retaining ring)314被用于将操作插口304和入口喷嘴308附接至通道302。靠近入口喷嘴308的端部包括多个锁定板316(在该实例中为两个)和多个棒条导轨(rod strip rail)318。锁定板316和棒条导轨318一起将燃料棒束320连接至入口喷嘴308。在实施方案中，燃料棒束320中的所有燃料棒都是如上文描述的环形金属燃料棒。在可选择的实施方案中，只有一些燃料棒可以是环形金属燃料棒，而其他燃料棒具有不同的类型或构造。还描绘了密封环322和限流器324。
环形金属燃料棒可以是如图1所示的整体构造。可选择地，环形金属燃料棒可以由多个节段构成，所述多个节段被粘合、螺纹连接或以其他方式连接在一起，以产生期望的长度。这允许燃料棒在单个棒的构造中被构造成任何长度以及一定的模块性和灵活性。燃料棒节段可以包括含燃料的节段、端盖节段(其可以包括或可以不包括增压室和增压弹簧、单独的增压室节段和其他节段)。
图4图示了多个节段的燃料棒的实施方案的一部分，所述多个节段包括允许在燃料棒的中央区域和外部之间流动的连接节段。燃料棒420具有与图1A和图1B所示的设计类似的设计。环形金属燃料节段452包含一个或更多个包含在内部包层404和外部包层406内的多孔金属燃料块状物402。端盖节段和一个或更多个增压室节段(未示出)可以设置在燃料棒420的任一端部处。
在图示的燃料棒420的部分中，燃料棒420包括由连接器节段454连接的两个环形燃料节段452。连接器节段454包括将中央区域408连接至燃料棒420的外部的两个室456。取决于实施方案，在连接器节段中可以使用更多或更少的室。室456允许在中央区域408和棒420的外部之间的流动，以增强冷却剂的循环。
环形金属燃料可以由多孔金属核燃料制成。金属燃料包括铀、钚、铀-锆(U-Zr)合金、铀-锆-铌(U-Zr-Nb)合金、铀-钚-锆(U-Pu-Zr)合金、铀-钚-钼(U-Pu-Mo)合金、铀-钚-铌(U-Pu-Nb)合金、铀-钚-钛(U-Pu-Ti)合金、铀-钼(U-Mo)合金、铀-铌(U-Nb)合金、铀-钒(U-V)合金、铀-铬(U-Cr)合金，以及铀-钛(U-Ti)合金。为了本公开内容的平衡，环形金属燃料的实施方案将以U-Zr作为核燃料来呈现。然而，任何金属核燃料都可以用于下文描述的任何实施方案中。在可选择的实施方案中，燃料最初不是多孔的，但是在操作期间随着燃料在辐照期间胀大而变得多孔。虽然金属燃料不包括氧化物例如二氧化铀，但是在一些实施方案中，环形燃料块状物或金属燃料颗粒的外表面可能已经暴露于氧气，这导致在表面上形成微量(小于按重量计0.1％)的氧化物。出于本公开内容的目的，术语“金属燃料”包括具有这样的微量氧化物的燃料，并且不限于绝对没有可测量的氧化物的燃料。
具体地，对于含Zr的金属燃料(例如，U-Zr和U-Pu-Zr)，Zr合金的百分比可以在从1wt.％-20wt.％的范围内(例如，1wt.％、5wt.％、7.5wt.％、10wt.％、12.5wt.％、15wt.％或20wt.％或介于两者之间的任何量)，并且可以针对PWR的性能进行优化。此外，Zr燃料合金作为实例示出，并且可以被一种或更多种其他合金组分(Cr、Ti、V、Ni、Nb、Al、Si、Mo)替代或者与其结合。当暴露于水时，这样的合金可以具有更好的性能(即，降低的反应性)。此外，可以将掺杂添加剂添加到燃料中以实现期望的特性，特别是在包层破裂的情况下对与水的反应的抗性。
虽然传统的氧化铀燃料棒的热性能受到在燃料芯块和包层之间的氦气填充间隙的存在以及氧化铀芯块本身的导热性的阻碍，但本文描述的金属燃料棒不被如此限制。金属燃料比传统的氧化铀燃料芯块经历更大量的热膨胀并且具有更高的导热性。尽管余隙配合(clearance fit)或间隙可能是允许燃料块状物被***到包层中所必需的，但是上文描述的金属合金并且尤其是U-Zr合金表现出比包层材料更大的热膨胀，使得间隙在操作温度将被消除，这导致在操作温度在燃料与内部包层和外部包层之间的非常好的热接触。燃料的高导热性允许其在显著的未粘合状态下(with significant unbonds)操作，并且由于燃料的低蠕变强度，它能够填充间隙。环形燃料在比固体燃料低得多的燃料温度操作。对于UO2燃料，峰值燃料温度是2200℃。如果环形燃料以比UO2燃料反应堆高50％的功率操作，则环形金属燃料的峰值燃料温度估计为从400℃-500℃。除了由于环形几何形状导致的传导长度的显著减小之外，正是间隙的消除和更高的内部导热性允许环形金属燃料棒在如此低的温度操作，同时仍然产生与UO2燃料反应堆相同或更多的功率。
低峰值燃料温度是环形金属燃料设计相对于传统燃料的另一个益处。此外，金属燃料的较低的热容量将进一步减少储存的能量，并且改善反应堆的冷却剂流失事故(lossof coolant accident)(LOCA)性能。此外，它的益处将提高反应堆堆芯对严重事故(SA)(例如在福岛危机期间的电站断电(SBO))的事故容忍度。燃料的高导热性还将支持更快速的设备启动，并且增加反应堆的操作灵活性，以用作如上文描述的负荷跟踪型发电设备。
如上文所讨论的，金属燃料可以是金属燃料的环形块状物，或者可以呈被包含在由内部包层104和外部包层106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，甚至固体多孔块状物，允许比氧化物燃料将更多的重金属填充到相同的体积中。这减少了所需的浓缩，并且减少了循环期间的反应性摆幅(reactivity swing)，并从而减少了冷却剂中所需的可燃毒物或硼酸的量。较高的重金属填充还允许使用除了基于锆的材料外的不同包层材料的可能性，所述包层材料可以具有更好的高温性能或提高的安全性能。金属燃料还更容易将其裂变气体释放到燃料棒内的开放空间，这可以有助于降低局部应力。
燃料的颗粒形式，例如燃料颗粒或燃料粉末(粉末被定义为具有0.5mm或更小的直径的颗粒)，可以被填充到环形区域中，以便实现燃料的期望孔隙率。在一个实施方案中，颗粒可以被振动填充到燃料棒中，以实现目标堆积密度，并且从而实现相应的目标孔隙率。
金属燃料粉末可以以任何合适的方式制造。此外，可燃有毒材料例如钆、硼和铒的混合可以提高反应堆堆芯的经济性。小浓度的粘合材料例如硬脂酸锌或山嵛酸锌(zincbehenate)可以被用于增强燃料粉末的压实并防止燃料粉末在运输和操作期间的大量移位(relocation)。其他可能合适的粉末添加剂包括润滑剂(例如石蜡，包括硬脂酸铝、硬脂酸锂、硬脂酸丁酯、硬脂酸镁和硬脂酸钠的硬脂酸盐/酯(stearate)，油酸，聚二醇类，石墨和氮化硼)和其他粘合剂，例如聚乙二醇。
在粉末堆的顶部的压紧装置，例如锆或一些其他不与铀相互作用的材料的固体环或环形块状物，可以通过由重力提供压缩载荷使粉末的移位最小化。压紧装置可以仅在运输、操作或储存期间临时使用，并且可以在使用前被移除。燃料粉末的潜在益处之一是，通过芯块-包层-机械相互作用导致的包层失效的可能性可以比硬氧化物芯块显著更低。另一个是与氧化物芯块的复杂的烧结工艺相比，振动填充(vibration packing)的低的制造成本。
环形金属燃料的孔隙率可以在从0.1至0.5的范围内，所述孔隙率被定义为空隙空间体积与材料的总体积的比率。这是一种可操作的孔隙率(operational porosity)，其最初可以由燃料表现出，或者可以在一定时间的照射后(例如，在达到反应堆的标称操作温度后，在操作温度1小时后，在1天后，在1周后，或者甚至在1个月后)实现。金属燃料的多孔性质提供了燃料棒在操作温度相对于在燃料和包层之间具有氦间隙的非多孔燃料的所得总导热性的益处，因为多孔结构允许热膨胀而不会显著地影响燃料的结构完整性，同时还导致在燃料和包层之间的良好热接触。多孔性还具有另一个有益的效果，即，它为裂变产物的收集提供了空隙空间，而不会导致燃料由于正在进行的裂变而随时间明显胀大。
所使用的包层可以是现在已知的或以后开发的、适合于用作具有金属燃料的包层的任何材料。这些可以取决于所使用的燃料的实际种类而变化，但是合适的包层包括不锈钢和铁素体马氏体钢，例如在标题为HIGH TEMPERATURE RADIATION-RESISTANT,FERRITIC-MARTENSITIC STEELS的公布的美国申请第2017-0292179号中公开的那些，该申请通过引用其公开的包层被并入。包层还可以是双层或三层，例如在标题为STEEL-VANADIUM ALLOYCLADDING FOR FUEL ELEMENT的未决的美国专利申请第15/623,119号中描述的那些，该申请通过引用其公开的包层被并入。
锆合金例如ZIRLOTM和zircalloy合金可以被用作包层材料。可选择地，在一些实施方案中，环形金属燃料使用不含锆的包层。当与PWR一起使用时，这将从堆芯中移除与水接触的锆，并且因此降低了锆-水反应(伴随有导致在福岛危机时的***的氢生成)发生的可能性，这种反应在高温可以以失控反应的形式发生。
包层可以是后来与燃料结合以形成燃料棒的单独的部件，或者可以与金属燃料共挤出或被施加至金属燃料的外部。在又一个实施方案中，包层和/或燃料可以使用增材制造工艺(additive manufacturing process)来制造，或者单独制造并且然后组装，或者包层和燃料可以在单个增材制造工艺中作为整体部件来制造。
图7图示了用于压水反应堆中的燃料组件700的侧视图。该组件包括一组燃料棒720，该燃料棒720穿过多个(示出了六个)间隔栅(spacer grid)730并通过间隔栅730被保持在适当的位置。底部喷嘴组件740支撑在反应堆的堆芯内的燃料组件700。顶部喷嘴组件710设置在组件700的顶部，包括多个导向套管702。导向套管702从顶部喷嘴组件710延伸到底部喷嘴组件740。间隔栅730可以为了稳定性而被附接至导向套管702。压紧弹簧712设置在组件700顶部的顶部喷嘴组件710上方，以确保在燃料组件的部件上有适当量的压紧力。
应当注意的是，上文描述的燃料棒不需要沿其长度是均匀的。例如，可以沿着燃料棒的长度设置更多或更少浓缩的区域。这可以通过在组装期间在不同区域中提供燃料的不同环形块状物或不同的颗粒燃料来实现。类似地，特定区域可以设置有可燃毒物、其他添加剂或不同类型的金属燃料。除了不同的材料之外，不同的区域还可以设置有不同的属性，例如不同的孔隙率、堆积密度或不同的环形块状物尺寸，即使金属燃料材料保持相同。
图3和图7的燃料组件仅仅是可以用上文描述的环形金属燃料棒的实施方案改造的燃料组件的两个实例。存在用于其他类型的反应堆的许多其他燃料组件设计。燃料棒和其他类型的棒(例如控制棒、反射器和仪表棒(instrumentation rod))在用于特定反应堆的特定组件中的布置可以根据需要被修改。组件中棒的形状和布置以及反应堆堆芯中组件的形状、取向和布置可以根据情况关于特定的反应堆设计以及所使用的环形金属燃料棒的数目、类型和性能而不同。
环形金属燃料棒制造方法
上文描述的环形金属燃料棒可以通过若干不同的方法来制造。取决于燃料类型、期望的燃料孔隙率和其他用户选择的标准，某些方法可能或多或少是合适的。
一种方法是将环形金属燃料和包层制造成单独的部件，并且然后将它们组装成燃料棒。在该方法的一个实施方案中，燃料、内部包层和外部包层各自单独制造，并且然后组装成一个或更多个节段。如果使用多个节段来获得期望的长度，则这些节段然后被组装。在组装后，在两端安装端盖，并且棒备好待用。取决于设计，此时其他内部部件例如压紧装置和/或增压弹簧也可以被包括并且被组装。在该方法的可选择的实施方案中，内部包层和外部包层可以连接至端盖，并且然后可以***一个或更多个金属燃料环，然后棒可以用另一个端盖密封。其他组装顺序也是可能的。如上文所描述的，在反应堆中使用时，金属燃料将膨胀，达到其目标孔隙率，并消除在燃料和包层之间的任何间隙，从而在燃料和包层之间产生具有良好热传导的燃料棒。
如上文所提及的，三维(3D)印刷或其他增材制造技术可以被用于产生一个或更多个部件。在实施方案中，燃料和包层可以被3D印刷为单独的部件，或者外部包层-燃料-内部包层可以被3D印刷为单个集成的中间部件，该中间部件然后被加盖以提供最终的燃料棒。
不同的方法包括共挤出燃料棒的至少两个部件。例如，内部包层和金属燃料可以共挤出，并且然后与外部包层组装。可选择地，外部包层和金属燃料可以共挤出，并且然后与内部包层组装。在又一个实施方案中，三个部件(内部包层、燃料和外部包层)可以同时共挤出。使用增材制造和共挤出方法制造的棒可以依赖于或可以不依赖于燃料的热膨胀以在包层和燃料之间产生良好的热连接。例如，在实施方案中，制造技术产生在一个或两个包层和燃料之间具有冶金结合的棒。在这些实施方案中，孔隙率可用于减轻应力，该应力将以其他方式由在操作温度燃料的热膨胀产生，这降低了对包层强度的要求。
共挤出方法的变体是双中间部件制造方法。该变体在图8中图示。在该变体800中，例如通过组装、共挤出为一件、增材制造为一件，或者通过将一种材料(即，包层材料或燃料)沉积到另一种材料的件上，来产生802在该外部包层的内部上具有燃料环的外部包层。单独地，在内部包层的外表面上具有燃料环的内部包层作为第二件被产生804。这两个中间部件然后被组装806并加盖808以获得完整的燃料棒。
图5图示了上文描述的双中间部件制造方法的中间部件。外部包层502和至少一些金属燃料504被共挤出或以其他方式被制造为第一中间部件506。内部包层508和至少一些金属燃料504被产生为第二中间部件510。然后将这两个中间部件506、510组装成准备加盖的第三中间部件512。第一中间部件506的内径和第二中间部件510的外径可以被定制以允许容易的滑动配合(例如，在第一中间部件506的内径和第二中间部件510的外径之间约0.01mm-1mm或约0.05mm-0.1mm)，或者可以被进一步增加以在两个燃料环之间产生较大的间隙514。
通过双中间部件共挤出方法生产的燃料棒预期比通过上文描述的一些其他方法产生的燃料棒具有更好的性能。双中间部件方法，尤其是当使用共挤出时，在燃料和包层之间产生了比用简单的组装方法所实现的更紧密的粘合和更好的接触表面。相对于其他制造方法，这提高了在燃料和包层之间的热传导。它还为燃料的热膨胀提供了空间(即在中间部件506、510的两个燃料表面之间的间隙514)，该空间不会负面地影响在燃料和任一包层502、508之间的热传导。金属燃料的多孔性质通过允许用于裂变产物的收集的空间而提供了另外的益处。
当由金属燃料颗粒例如U-Zr粉末制造环形金属燃料棒时，又一种制造方法是可适用的。在该方法中，内部包层和外部包层被组装在一起，并且然后燃料粉末被引入到在两个包层之间的区域中。然后可以通过振动填充或传统的冲压技术(ramming technique)来填充燃料粉末，以在燃料内获得期望的堆积密度和孔隙率。然后可以应用一个或更多个端盖以产生完整的燃料棒。振动填充可以包括使包层内的粉末经历以选定频率的采用选定冲程的振动持续选定的时间段。在一个实施方案中，振动冲程、频率和时间是预定的，以实现期望的孔隙率。在可选择的实施方案中，监测粉末的孔隙率和/或堆积密度，并且改变振动冲程、频率和时间中的一个或更多个，直到实现期望的目标值。如上文所描述的，压紧装置，例如锆或其他非反应性的金属或材料的条、环或管，可以在填充过程期间提供另外的压紧力，并且可以最小化在运输和操作期间粉末大量移位的风险。
图6图示了在包层之间的环形空间的一部分的横截面，示出了燃料和压紧装置。在图6中，压紧装置618是Zr环，其被设定尺寸以安装(fit)在内部包层604和外部包层606内。压紧装置618搁靠在环形空间中的燃料粉末602上或者被反复驱动抵靠在该燃料粉末602上。燃料棒600还可以如上文所描述的振动。
此外，压紧装置618可以是筛网、多孔环形块状物或其他被设计成允许气体穿过或围绕该装置流动的装置，从而允许裂变产物从燃料释放到燃料棒内的增压室区域中，例如诸如在端盖处。
除了上文描述的那些之外，在以下编号的项目中公开了另外的实施方案：
1.一种核燃料棒，包括：
外部包层；
内部包层，所述内部包层在所述外部包层内，所述内部包层界定冷却剂通道；以及
金属燃料，所述金属燃料在所述外部包层和所述内部包层之间。
2.如项目1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料具有从0.1至0.5的孔隙率。
3.如项目1或2所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自铀、钚、铀和钚的混合物、铀的合金、钚的合金，或铀和钚的合金。
4.如项目1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自铀、钚、铀的合金或钚的合金，并且具有从0.1至0.5的孔隙率。
5.如项目1-4中任一项所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道延伸所述燃料棒的长度。
6.如项目1-5中任一项所述的核燃料棒，还包括：
端盖，所述端盖在所述燃料棒的每个端部处，使得所述金属燃料被保持在所述燃料棒内。
7.如项目1-6中任一项所述的核燃料棒，还包括：
至少一个偏置元件，所述至少一个偏置元件在所述外部包层和所述内部包层之间，所述至少一个偏置元件在所述多孔金属燃料上施加偏置力。
8.如项目1-7中任一项所述的核燃料棒，其中所述金属燃料包括在所述内部包层和所述外部包层之间的至少一个固体金属燃料环。
9.如项目1-8中任一项所述的核燃料棒，其中所述金属燃料在辐照一个月后达到从0.1至0.5的孔隙率。
10.如项目1-9中任一项所述的核燃料棒，其中所述金属燃料是一定量的金属燃料粉末，所述金属燃料粉末被填充到在所述内部包层和所述外部包层之间的空间中。
11.如项目1-10中任一项所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自U-Zr合金、U-Zr-Nb合金、U-Pu-Zr合金、U-Pu-Mo合金、U-Pu-Nb合金，以及U-Pu-Ti合金。
12.如项目1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料是铀与以下中的一种或更多种的合金：Cr、Ti、V、Ni、Nb、Al、Si和Mo。
13.如项目1-12中任一项所述的核燃料棒，其中所述外部包层具有选自正方形、圆形、矩形、六边形、八边形、多边形和叶形的横截面形状。
14.如项目1-13中任一项所述的核燃料棒，其中所述核燃料棒的外表面沿其长度具有螺旋扭曲。
15.如项目1-14中任一项所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道具有选自正方形、圆形、矩形、六边形、八边形、多边形和叶形的横截面形状。
16.如项目1-15中任一项所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道设置有内部结构。
17.如项目1-16中任一项所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道设置有沿着所述棒的长度螺旋扭曲的内部结构。
18.如项目1-17中任一项所述的核燃料棒，其中所述内部包层和所述外部包层中的至少一个由钢制成。
19.如项目1-18中任一项所述的核燃料棒，其中所述内部包层和所述外部包层中的至少一个由锆或锆合金制成。
20.如项目1-19中任一项所述的核燃料棒，其中至少一个衬层被设置在所述内部包层和所述金属燃料之间或在所述外部包层和所述金属燃料之间或两者。
21.一种用于压水反应堆(PWR)的核燃料组件，包括：
框架，所述框架被成形并被构造成所述PWR的堆芯；以及
多于一个燃料棒，所述燃料棒在所述框架内；
其中所述多于一个燃料棒中的至少一个是项目1所述的燃料棒。
22.如项目21所述的核燃料组件，其中所述多于一个燃料棒中的至少一个是项目2-20中至少一项所述的燃料棒。
23.一种压水反应堆(PWR)，包括至少一个项目21或22所述的核燃料棒组件。
24.一种用于制造环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括外部包层管，所述外部包层管具有内表面和外表面并且在所述内表面上具有第一金属燃料层；
产生第二中间部件，所述第二中间部件包括内部包层管，所述内部包层管具有内表面和外表面并且在所述外表面上具有第二金属燃料层；以及
组装所述第一中间部件与所述第二中间部件，以获得所述环形核燃料棒。
25.如项目24所述的方法，还包括：
在所述核燃料棒的至少一个端部上给所述核燃料棒加盖。
26.如项目24或25所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
将外部包层材料和金属燃料一起共挤出以产生所述第一中间部件。
27.如项目24-26中任一项所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
将所述外部包层材料沉积在多孔金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述外部包层管上，以产生所述第一中间部件。
28.如项目24-27中任一项所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
将内部包层材料和金属燃料一起共挤出以产生所述第二中间部件。
29.如项目24-28中任一项所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
将所述内部包层材料沉积在金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述内部包层管上，以产生所述第二中间部件。
30.如项目24-29中任一项所述的方法，其中所述金属燃料仅在辐照后达到从0.1-0.5的孔隙率。
31.如项目24-30中任一项所述的方法，其中所述第一金属燃料层和所述第二金属燃料层中的至少一个具有从0.1-0.5的初始孔隙率。
32.一种用于制造环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括在外部包层管内的内部包层管，所述外部包层管界定在所述内部包层管和所述外部包层管之间的环形空间；
将金属燃料粉末放置在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中；
将所述金属燃料粉末填充在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中，直到达到所述金属燃料的目标孔隙率；以及
将在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间内的填充的粉末加盖。
33.如项目32所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：包括以选定的频率振动所述粉末持续一段时间。
34.如项目32或33所述的方法，其中振动所述粉末金属燃料还包括：
使所述粉末经历以预定频率的预定振动冲程持续预定的时间段。
35.如项目32-34中任一项所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：
在填充所述粉末的同时监测所述粉末的孔隙率和/或堆积密度。
36.如项目32-35中任一项所述的方法，其中振动所述粉末金属燃料还包括：
改变振动冲程、频率和时间中的一个或更多个，直到达到期望的目标孔隙率。
37.一种用于制造项目1-20中任一项所述的环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括外部包层管，所述外部包层管具有内表面和外表面并且在所述内表面上具有第一金属燃料层；
产生第二中间部件，所述第二中间部件包括内部包层管，所述内部包层管具有内表面和外表面并且在所述外表面上具有第二金属燃料层；以及
组装所述第一中间部件与所述第二中间部件，以获得所述环形核燃料棒。
38.如项目37所述的方法，还包括：
在所述核燃料棒的至少一个端部上给所述核燃料棒加盖。
39.如项目37或38所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
共挤出所述外部包层管和金属燃料。
40.如项目37-39中任一项所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
将外部包层材料沉积在多孔金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述外部包层管上。
41.如项目37-40中任一项所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
共挤出内部包层材料和金属燃料。
42.如项目37-41中任一项所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
将内部包层材料沉积在金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述内部包层管上。
43.如项目37-42中任一项所述的方法，其中所述金属燃料仅在辐照后达到从0.1-0.5的孔隙率。
44.如项目37-43中任一项所述的方法，其中所述第一金属燃料层和所述第二金属燃料层中的至少一个具有从0.1-0.5的初始孔隙率。
45.一种用于制造项目1-20中任一项所述的环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括在外部包层管内的内部包层管，所述外部包层管界定在所述内部包层管和所述外部包层管之间的环形空间；
将金属燃料粉末放置在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中；
将所述金属燃料粉末填充在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中，直到达到所述金属燃料中的目标孔隙率；以及
将在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间内的填充的金属燃料粉末加盖。
46.如项目45所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：以选定的频率振动所述金属燃料粉末持续一段时间。
47.如项目45或46所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
使所述金属燃料粉末经历以预定频率的预定振动冲程持续预定的时间段。
48.如项目45-47中任一项所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：
在填充所述金属燃料粉末的同时监测所述金属燃料粉末的孔隙率和/或堆积密度。
49.如项目45-48中任一项所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
改变振动冲程、频率和时间中的一个或更多个，直到达到期望的目标孔隙率。
将清楚的是，本文描述的***和方法很好地适于实现所提及的目的和优点以及其中固有的目的和优点。本领域技术人员将认识到，本说明书中的方法和***可以以许多方式实现，并且因此不应受前述例示的实施方案和实例的限制。在这点上，本文描述的不同实施方案的任何数量的特征可以组合成一个单独的实施方案，并且具有少于或多于本文描述的所有特征的可选择的实施方案是可能的。
虽然为了本公开内容的目的已经描述了各种实施方案，但是可以做出各种改变和修改，这些改变和修改完全在本公开内容所预期的范围内。可以做出许多其他改变，这些改变本身将是本领域技术人员容易地想到的并且被涵盖在本公开内容的精神中。
Claims (49)
1.一种核燃料棒，包括：
外部包层；
内部包层，所述内部包层在所述外部包层内，所述内部包层界定冷却剂通道；以及
金属燃料，所述金属燃料在所述外部包层和所述内部包层之间。
2.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料具有从0.1至0.5的孔隙率。
3.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自铀、钚、铀和钚的混合物、铀的合金、钚的合金，或铀和钚的合金。
4.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自铀、钚、铀的合金或钚的合金，并且具有从0.1至0.5的孔隙率。
5.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道延伸所述燃料棒的长度。
6.如权利要求1所述的核燃料棒，还包括：
端盖，所述端盖在所述燃料棒的每个端部处，使得所述金属燃料被保持在所述燃料棒内。
7.如权利要求1所述的核燃料棒，还包括：
至少一个弹簧，所述至少一个弹簧在所述外部包层和所述内部包层之间，所述至少一个弹簧在所述多孔金属燃料上施加偏置力。
8.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料包括在所述内部包层和所述外部包层之间的至少一个固体金属燃料环。
9.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料在辐照一个月后达到从0.1至0.5的孔隙率。
10.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料是一定量的金属燃料粉末，所述金属燃料粉末被填充到在所述内部包层和所述外部包层之间的空间中。
11.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料选自U-Zr合金、U-Zr-Nb合金、U-Pu-Zr合金、U-Pu-Mo合金、U-Pu-Nb合金，以及U-Pu-Ti合金。
12.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述金属燃料是铀与以下中的一种或更多种的合金：Cr、Ti、V、Ni、Nb、Al、Si和Mo。
13.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述外部包层具有选自正方形、圆形、矩形、六边形、八边形、多边形和叶形的横截面形状。
14.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述核燃料棒的外表面沿其长度具有螺旋扭曲。
15.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道具有选自正方形、圆形、矩形、六边形、八边形、多边形和叶形的横截面形状。
16.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道设置有内部结构。
17.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述冷却剂通道设置有沿着所述核燃料棒的长度螺旋扭曲的内部结构。
18.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述内部包层和所述外部包层中的至少一个由钢制成。
19.如权利要求1所述的核燃料棒，其中所述内部包层和所述外部包层中的至少一个由锆或锆合金制成。
20.如权利要求1所述的核燃料棒，其中至少一个衬层被设置在所述内部包层和所述金属燃料之间或在所述外部包层和所述金属燃料之间或两者。
21.一种用于压水反应堆(PWR)的核燃料组件，包括：
框架，所述框架被成形并被构造成所述PWR的堆芯；以及
多于一个燃料棒，所述燃料棒在所述框架内；
其中所述多于一个燃料棒中的至少一个是权利要求1所述的燃料棒。
22.如权利要求21所述的核燃料组件，其中所述多于一个燃料棒中的至少一个是权利要求2-20中至少一项所述的燃料棒。
23.一种压水反应堆(PWR)，包括至少一个权利要求21或22所述的核燃料棒组件。
24.一种用于制造环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括外部包层管，所述外部包层管具有内表面和外表面并且在所述内表面上具有第一金属燃料层；
产生第二中间部件，所述第二中间部件包括内部包层管，所述内部包层管具有内表面和外表面并且在所述外表面上具有第二金属燃料层；以及
组装所述第一中间部件与所述第二中间部件，以获得所述环形核燃料棒。
25.如权利要求24所述的方法，还包括：
在所述核燃料棒的至少一个端部上给所述环形核燃料棒加盖。
26.如权利要求24所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
共挤出外部包层材料和金属燃料。
27.如权利要求24所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
将外部包层材料沉积在多孔金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述外部包层管上。
28.如权利要求24所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
共挤出内部包层材料和金属燃料。
29.如权利要求24所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
将内部包层材料沉积在金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述内部包层管上。
30.如权利要求24所述的方法，其中所述金属燃料仅在辐照后达到从0.1-0.5的孔隙率。
31.如权利要求24所述的方法，其中所述第一金属燃料层和所述第二金属燃料层中的至少一个具有从0.1-0.5的初始孔隙率。
32.一种用于制造环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括在外部包层管内的内部包层管，所述外部包层管界定在所述内部包层管和所述外部包层管之间的环形空间；
将金属燃料粉末放置在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中；
将所述金属燃料粉末填充在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中，直到达到所述金属燃料粉末中的目标孔隙率；以及
将在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间内的填充的金属燃料粉末加盖。
33.如权利要求32所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：包括以选定的频率振动所述金属燃料粉末持续一段时间。
34.如权利要求32所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
使所述金属燃料粉末经历以预定频率的预定振动冲程持续预定的时间段。
35.如权利要求32所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：
在填充所述金属燃料粉末的同时监测所述金属燃料粉末的孔隙率和/或堆积密度。
36.如权利要求32所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
改变振动冲程、频率和时间中的一个或更多个，直到达到期望的目标孔隙率。
37.一种用于制造权利要求1-20中任一项所述的环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括外部包层管，所述外部包层管具有内表面和外表面并且在所述内表面上具有第一金属燃料层；
产生第二中间部件，所述第二中间部件包括内部包层管，所述内部包层管具有内表面和外表面并且在所述外表面上具有第二金属燃料层；以及
组装所述第一中间部件与所述第二中间部件，以获得所述环形核燃料棒。
38.如权利要求37所述的方法，还包括：
在所述环形核燃料棒的至少一个端部上给所述核燃料棒加盖。
39.如权利要求37所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
共挤出所述外部包层管和金属燃料。
40.如权利要求37所述的方法，其中产生所述第一中间部件还包括：
将外部包层材料沉积在多孔金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述外部包层管上。
41.如权利要求37所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
共挤出内部包层材料和金属燃料。
42.如权利要求37所述的方法，其中产生所述第二中间部件还包括：
将所述内部包层材料沉积在金属燃料上或者将所述金属燃料沉积到所述内部包层管上。
43.如权利要求37所述的方法，其中所述金属燃料仅在辐照后达到从0.1-0.5的孔隙率。
44.如权利要求37所述的方法，其中所述第一金属燃料层和所述第二金属燃料层中的至少一个具有从0.1-0.5的初始孔隙率。
45.一种用于制造权利要求1-20中任一项所述的环形核燃料棒的方法，包括：
产生第一中间部件，所述第一中间部件包括在外部包层管内的内部包层管，所述外部包层管界定在所述内部包层管和所述外部包层管之间的环形空间；
将金属燃料粉末放置在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中；
将所述金属燃料粉末填充在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间中，直到达到所述金属燃料粉末中的目标孔隙率；以及
将在所述内部包层管和所述外部包层管之间的所述环形空间内的填充的金属燃料粉末加盖。
46.如权利要求45所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：以选定的频率振动所述金属燃料粉末持续一段时间。
47.如权利要求45所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
使所述金属燃料粉末经历以预定频率的预定振动冲程持续预定的时间段。
48.如权利要求45所述的方法，其中填充所述金属燃料粉末还包括：
在填充所述金属燃料粉末的同时监测所述金属燃料粉末的孔隙率和/或堆积密度。
49.如权利要求45所述的方法，其中振动所述金属燃料粉末还包括：
改变振动冲程、频率和时间中的一个或更多个，直到达到期望的目标孔隙率。
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