[发明专利]包括具有由碳化硅（SiC）制得的线或纤维的壳体的金属核燃料销

说明书

技术领域

本发明的领域为第四代快速中子反应堆的领域，所述第四代快速中子反应堆设计为使用基于铀和钚的燃料操作，并且在全球变暖的大背景下，随着日益增长的在性能和安全方面的要求，为了满足增长的全世界的能量需求而研究第四代快速中子反应堆。

背景技术

使用对于[燃料/包壳/冷却剂]系统的不同技术方案，研究并提出了若干反应堆设计。

使用液体钠进行冷却（冷却剂的操作温度通常为500°C）的SFR（钠冷快堆）概念是国际共识的主题。对于核燃料设想了两种观点：氧化物燃料（参考(U,Pu)O₂）和作为替代的金属燃料，例如UPuZr（例如U-20Pu(20%的Pu)-10Zr(10%的Zr)）。在一方面设想符合本地和远程能量需求的大功率SFR/氧化物核芯和小功率或中等功率SFR/金属替代核芯。对于SFR/金属替代核芯，例如提出“电池”反应堆设计，其在反应堆寿命过程中没有再加燃料（终生加燃料），并具有提高的燃料的固有安全要求。

与目前的发电核反应堆的设计（具有氧化物燃料的加压水反应堆或沸水反应堆）（其燃料销由金属包壳制得，所述金属包壳由锆基合金（锆合金）制得）不同，用于钠冷快堆的燃料的金属包壳由或多或少复杂的或改进的奥氏体或铁素体-马氏体合金（例如：等级EM10、T91、HT9、D9、ODS或更简单地，316L）的Fe-Cr或Fe-Cr-Ni不锈基底（base）制得。

金属燃料具有造成如下至少三个技术问题的特定特征：

-金属燃料在反应堆中的中子通量下肿胀，这产生了破坏包壳的强相互作用（其也在目前的加压水反应堆中在氧化物燃料（燃料（或丸粒）-包壳相互作用）与锆合金包壳之间发生，这是一个“典型的”经常发生的问题）。对于金属燃料形式，目前，肿胀似乎能用通过特定的金属燃料设计并选择锕系金属合金的更低密度而使用更强抵抗力的包壳进行控制，使得气体裂变产物能够全部逸入腔室（在棒中留下的自由空间）中，同时，产生的孔隙度和初始孔隙度使其有可能适应变形；

-金属燃料的低熔点（大约1000°C）使其在反应性剧增（更通常地，温度剧增）的过程中先天较弱；

-在包壳的构成元素Fe与来自燃料材料的U和Pu之间的低共熔混合物的存在（在两种物种或元素之间的相互作用过程中形成给定组成的混合物），所述低共熔混合物具有极低的熔点（对于U-Fe共熔体混合物为725°C[Journal of Alloys and Compounds271-273(1998)第636-640页]，对于Pu-Fe低共熔混合物为420°C[Journal of Nuclear Materials383，第1-2卷(2008)，第112-118页]，当U和Pu与Zr形成合金时或者取决于包壳的等级，熔点大约600°C），所述低共熔混合物可以通过变薄（amincissement）而极大降低第一屏障的性能和关于安全的裕度（marges）。所述低共熔混合物也最终限制了可能实现的操作温度，从而降低了根据热动力学定律和卡诺循环定律而可理论上获得的能源效率。在形成低共熔混合物的程序中，Zr具有极特定的作用，因为其有可能提高耐熔化性，并由此有可能提高裕度。遗憾地是，在反应堆中的中子通量下，燃料的Zr向销的中心迁移，这伴随着该元素在销的周边部分的消耗。

有可能使用钠（Na键）替代用于填充燃料与包壳之间的间隙和空间的氦（He键），所述钠（Na键）极大地优化系统的热力学。这使得有可能降低在燃料中心与包壳之间的温度梯度，并获得关于熔化的大的安全裕度，但这遗憾地妨碍了释放气体裂变产物的程序，并使关于再加工的辐照燃料的管理变得复杂。钠键不会消除与形成低共熔混合物的形成相关的风险。

因此，使用金属燃料的主要问题之一是所述低共熔混合物的形成，更一般来说，其低熔点。

为了帮助解决这个问题，除了用钠填充棒外，通常提出、研究并实施了三种主要的技术原理：

-燃料金属合金的组成的修改；

-代表在机械强度、耐辐照性与低共熔温度增加之间的最好折中的不锈等级的选择；

-金属衬里的使用，这已经是许多专利的主题，其中一些专利在下文评论。