用于核控制桿的具有開孔的固態界面接頭制造技術

本發明專利技術涉及一種在核控制桿中的包殼與芯塊堆之間的新型界面。根據本發明專利技術，適于通過跨越其厚度的壓縮而變形的由以具有高熱傳導率和開孔的結構(3)的形式的對于中子透明的材料制成的界面接頭(3)，至少在疊層的高度的上插入在包殼與由B4C中子吸收材料制成的芯塊堆之間。本發明專利技術還涉及相關的生產方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于核控制桿的具有開孔的固態界面接頭
本專利技術涉及一種在核反應堆中使用的控制桿中的芯塊堆與圍繞它們的包殼之間的界面。用于本專利技術的目標應用包括：-氣冷(RNR-gaz)快速反應堆(RNR)指的是以諸如加壓氦氣的氣體的形式冷卻劑操作的第IV代反應堆，并且使用具有由陶瓷基復合(CMC)材料制成的包殼以及混合的鈾和钚碳化物型燃料芯塊的核燃料桿[9]；-快速中子反應堆通過鈉冷卻劑(RNR-Na)操作[12]；-加壓水反應堆(REP)[3]或者沸水反應堆(REB)。本專利技術涉及一種用于能量反應堆的控制桿，其中芯塊由B4C中子吸收材料[8]，[5]制成。貫穿該應用，術語《核反應堆》具有如在目前所理解的通常含義，即利用其中發生裂變反應以釋放通過與冷卻它們的冷卻流體熱交換而從元件獲得的熱能的燃料元件用于根據核裂變反應產生能量的發電廠。貫穿該應用，《核控制桿》(或《吸收劑》)具有例如在DictionnairedesSciencesetTechniquesnucléaires(核科學與技術辭典)中定義的其官方含義，即包含中子吸收材料的桿并且該桿根據其在堆芯中的位置對核反應堆的反應性具有影響。
技術介紹
根據核反應堆的操作條件和性能存在不同類型的控制桿。通過核控制桿執行的主要功能是：●通過核反應使中子能夠受控地吸收，其施加性能約束(吸收核的密度)與安全約束(對于核反應性和冷卻的控制必要的幾何穩定性)，●確保通過核反應釋放的能量的受控的提取，這施加性能約束(可能使到冷卻劑的傳送變差的熱障的限制)和安全約束(冷卻劑通道的完整性、在吸收劑的熔化以前的裕度、產生可能導致在結構上的過多的機械載荷的差別膨脹的溫度梯度的限制等。)一般地在核設施中遇到的吸收劑可以根據它們幾何構造的函數如下分類：●圓柱體：在控制桿中的桿，例如在RNR反應堆或REP反應堆中；●板：用于控制桿，例如在沸水反應堆(REB)中。本專利技術專門地涉及具有圓柱形幾何形狀與圓形橫截面的控制桿，其中具有圓形橫截面的圓柱形B4C中子吸收芯塊堆疊在密封的管狀包殼中，其具有在其端部之一的不具有任何芯塊的被稱作膨脹容器的區域，其適應在輻射下由于通過核反應引起的膨脹現象的芯塊的列的延伸。在此圓柱形構造中，在堆疊的芯塊與包殼之間具有界面。到現在為止，如在下面說明的，該界面在裝配過程中可能減小到僅接觸表面或者其可能與功能性間隙相對應其可以然后包括以氣態或液態形式的一種或多種材料或者在層中。專利技術人做出將要通過在吸收元件中的該界面執行的功能的列表。在下面描述它們。主要功能：f1/管理吸收芯塊與包殼之間的機械解耦，以便通過使堆疊的芯塊的列能夠沿著徑向方向與軸向方向自由膨脹限定芯塊與包殼之間的機械相互作用(該相互作用在下文中稱作IMPG)；f2/使能夠傳送從中子吸收反應獲得的氣體產物(在B4C芯塊的情形中氦和氚)，通過吸收劑釋放膨脹容器盡可能定位控制桿的軸向端部或者在形成在控制桿的包殼中的排氣孔處以將這些氣體釋放到最初系統中(然后它們被從那里通過特定目的的凈化回路去除)，f3/管理吸收劑與包殼之間的熱耦合：i.特別地沿著徑向方向使熱障最小化，以防止吸收劑的任何過度的溫度升高；ii.確保該功能的特別地沿著軸向和地平經度方向的連續性，以使能夠產生可能特別地在包殼上引起很大機械載荷的差別膨脹的溫度異質化最小化。由環境導致的功能：f4/執行主要功能(f1至f3)以使在界面處的中子沖擊最小化，以便維持反應堆堆芯的性能：i.通過使幾何尺寸最小化；ii.通過利用可能與中子具有相互作用的大橫截面的材料。f5/執行主要功能(f1至f3)以確保界面與其外界環境的化學兼容性：i.確保界面與包殼的化學兼容性(例如在意外情形下，在高溫處速率不增加)；ii.確保界面與吸收劑的化學兼容性(沒有可能例如減小吸收劑熔化裕度的《低溫》共熔)。次要功能：f6/限制組分從吸收劑(特別地用于B4C芯塊的碳)到包殼的傳送，以防止可能造成由于該傳送可能發生的脆變的內部腐蝕的風險；這是與主要功能f1相關的功能；f7/使吸收劑/包殼最優居中以使在包殼處形成熱點以及增加的機械載荷的溫度異質化最小；這是與主要功能f1和f3相關的次要功能；f8/使吸收劑碎片移動到間隙中風險最小化(不引人)，如果在吸收劑與包殼之間存在一些，這可能當此間隙在差別張力的作用下減小時下通過包殼的橢圓化和/或沖壓造成包殼中的完整性缺陷(熱擴展與膨脹)；這是與主要功能f1相關的功能。在控制桿的情形中，功能f1和f8可能是不能分離的：與燃料元件不同，控制桿可以具有大的徑向尺寸(對于RNR通常是這種情形但是對于REP是不必要的)其使得大的芯塊/包殼間隙必要，這由此增加了芯塊碎片可能被捕獲在該間隙中的危險，因此當在機械載荷下試圖保持包殼的完整性時使得芯塊碎片的管理成為一個重要的問題。輔助功能：f9/滿足通常的經濟限制：i.壽命：對于吸收劑操作時間執行與目標經濟性能適合的主要和次要功能；ii.獲得材料以及執行制造方法的能力；iii.成本。f10/排除在意外情況下對安全的嚴重損害(例如在高級堆芯裂解階段界面與堆芯中的結構材料的化學反應)；f11/使特別地是吸收組件的實施過程的技術制造問題最小化(吸收劑、界面和包殼)；f12/以最小的約束滿足在核反應周期的輸出側上的分離和再循環要求。在具有圓形幾何形狀和圓形橫截面的控制桿中的芯塊與包殼之間的界面是以通常是具有關于熱傳導性(功能f3.i)、化學中性(功能f5和輔助功能(功能f9到f12))的最佳特性(在可能的氣體中)的氦氣的氣體的形式，或者對于RNR-Na反應堆以鈉的形式。用于燃料芯塊與包殼之間的機械解耦(功能f1)以及氣體傳送到膨脹容器和/或任何排氣口(功能f2)的功能理想地通過以氣體形式的界面執行，前提是在制造過程中在芯塊與包殼之間形成足夠的功能性間隙以防止由于吸收劑與包殼的差別張力在輻射下填充間隙[6]。然而，具有圓柱形幾何形狀和圓形橫截面的控制桿以及以氣體形式的界面顯示對抗性，因為除非在非常嚴格的性能限定內其首先不能同時地執行功能f1和f2并且其次地功能f3i和f4i。由于氣體界面的熱傳導性相對地平庸，在裝配過程中芯塊與包殼之間的功能性間隙的任何增加都將使其形成的熱障增加，導致吸收劑的溫度增加，因此超越尺寸約束會對中子性能產生不利影響(在吸收元件中的吸收材料的密度)。除了溫度增加發生對安全要求損害的事實以外(特別地吸收劑熔化裕度的減小)，其還伴隨在輻射下趨于使所述間隙減小的芯塊的三維膨脹的增加，由此減小界面的厚度增加的效率并且因此減小吸收元件的壽命的增加。已經在專利JP11183674中公開了用于減小該熱損害的一個方案(應用到燃料元件，而且以與在控制桿的其它地方完成的完全相同的方式)并且其中已經在多個實驗輻射規劃[10]，[11]中進行實驗。該方案包括使界面不再是氣體形式而是以具有低熔點的金屬形式并且其在燃料元件的操作狀態下是液體，通常地是鈉。金屬的傳導性高于氣體的傳導性并且因此能夠極大地減小與界面的傳導相關的問題，這然后對燃料元件/吸收劑的熱平衡做出了可忽略不計的貢獻并且潛在地使得更大的界面厚度成為可能。具有以液態金屬形式的界面的另一個優點在于，由于其良好的熱傳導性其使由燃料芯塊/吸收劑相對于包殼的可能的離心導致的周向熱異本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2010.06.16 FR 10547811.一種沿著縱向方向(XX’)延伸的核控制桿，該核控制桿包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆疊在彼此上的多個芯塊(5)，以及圍繞所述芯塊的列的包殼(1)，其中，所述包殼和所述芯塊具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面，并且其中同樣具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面的由對于中子透明的材料制成的界面接頭(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包殼與所述芯塊的列之間，其中所述界面接頭是這樣的結構：其從所述包殼(1)以及從所述芯塊(5)的列機械地解耦，具有高的熱傳導率和開孔，適于通過橫跨其厚度壓縮而變形以便在輻射下在所述芯塊的三維膨脹的作用下被壓縮，所述接頭的初始厚度和其壓縮比率使得在輻射下通過所述芯塊傳送到所述包殼的機械載荷保持小于預定閾值，其特征在于所述界面接頭由穗帶制成，所述穗帶包括多個碳纖維層以及包括疊加在所述碳纖維層上的碳化硅纖維的多個層。2.一種沿著縱向方向(XX’)延伸的核控制桿，該核控制桿包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆疊在彼此上的多個芯塊(5)，以及圍繞所述芯塊的列的包殼(1)，其中，所述包殼和所述芯塊具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面，并且其中同樣具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面的由對于中子透明的材料制成的界面接頭(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包殼與所述芯塊的列之間，其中所述界面接頭是這樣的結構：其從所述包殼(1)以及從所述芯塊(5)的列機械地解耦，具有高的熱傳導率和開孔，適于通過橫跨其厚度壓縮而變形以便在輻射下在所述芯塊的三維膨脹的作用下被壓縮，所述接頭的初始厚度和其壓縮比率使得在輻射下通過所述芯塊傳送到所述包殼的機械載荷仍小于預定閾值，其特征在于所述界面接頭由一個或幾個碳纖維層制成。3.一種沿著縱向方向(XX’)延伸的核控制桿，該核控制桿包括由碳化硼B4C中子吸收材料制成的以列的形式堆疊在彼此上的多個芯塊(5)，以及圍繞所述芯塊的列的包殼(1)，其中，所述包殼和所述芯塊具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面，并且其中同樣具有與所述縱向方向(XX’)橫切的圓形橫截面的由對于中子透明的材料制成的界面接頭(3)至少在所述列的高度上被插入在所述包殼與所述芯塊的列之間，其中所述界面接頭是這樣的結構：其從所述包殼(1)以及從所述芯塊(5)的列機械地解耦，具有高的熱傳導率和開孔，適于通過橫跨其厚度壓縮而變形以便在輻射下在所述芯塊的三維膨脹的作用下被壓縮，所述接頭的初始厚度和其壓縮比率使得在輻射下通過所述芯塊傳送到所述包殼的機械載荷仍小于預定閾值，其特征在于所述界面接頭由一種或幾種基于碳的蜂窩狀材料制成。4.根據權利要求1、2或3所述的核控制桿，其中所述界面接頭的開孔具有等于在制造中生產的界面接頭總體積的至少30％的體積。5.根據權利要求4所述的核控制桿，其中所述界面接頭的開孔具有在制造中生產的界面接頭總體積的30％與95％之間的體積。6.根據權利要求5所述的核控制桿，其中所述界面接頭的開孔具有在制造中生產的界面接頭總體積的50％與85％之間的體積。7.根據權利要求1-3中任一項所述的核控制桿，其中所述界面接頭在其與所述縱向方向(XX’)橫切的截面中的厚度大于所述芯塊的半徑的至少10％。8.根據權利要求1所述的核控制桿，其中所述界面接頭具有在15％與50％之間的纖維的體積百分比。9.根據權利要求1-3中任一項所述的核控制桿，其中所述核控制桿用于氣冷快速反應堆(GFR)，所述包殼的基礎材料是耐火性陶瓷基復合材料(CMC)，并且所述芯塊由B4C制成。10.根據權利要求1-3中任一項所述的核控制桿，其中所述核控制桿用于鈉冷快速反應堆(SFR)，所述包殼由金屬材料制成，并且所述芯塊由B4C制成。11.根據權利要求1-3中任一項所述的核控制桿，其中所述核控...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馬克西姆·扎別戈，帕特里克·大衛，阿蘭·拉弗內，丹尼斯·羅謝，
申請(專利權)人：原子能與替代能源委員會，
類型：
國別省市：