[发明专利]分散在金属合金基质中的陶瓷核燃料

说明书

发明领域

本发明涉及核燃料，并且更具体地，涉及金属核燃料。

发明背景

世界电力需求到2030年预计将高达两倍，到2050年预计将高达四倍。世界电力需求增长预计将来自发达国家，并且在甚至更大的程度上，将来自发展中国家。为了满足这种需求的快速增长，核电可能是现实的、具有成本效益的能源。

来自其他来源的增长的能源供应(例如来自天然气发电的贡献)可能受到高和不稳定的气体价格、温室气体排放以及对长期依赖不稳定供应来源的担忧的制约。与此同时，替代能源的形式(太阳、风、生物质、水力发电等)在满足某些增长的需求方面可能是有用的。然而，它们不能充分地缩放并且无法在大多数市场中提供足够的额外发电能力以满足新的电力需求的任何显著部分。

燃煤电厂可提供一些额外的供应，但是由于负面的环境影响，燃烧大量的煤存在严重的政治障碍。

常规的核电厂也可满足部分增长的需求。然而，常规的核电厂有许多技术和公众接受障碍需要克服。可能还需要新型的核燃料。

某些基于快速反应堆的发电厂可具有通过基于火法冶金再循环技术的封闭式燃料循环支持的20年再加料(refueling)间隔。可使用用于初始芯负载的铀(U)/钚(Pu)/锆(Zr)组合物或浓缩U/Zr组合物的金属合金燃料形式。可采用远程注射铸造工艺来制造燃料细棒(fuel pin)。存在对于燃料稳态、瞬态和安全性能的非常广泛的辐射数据库。三元合金再循环细棒可以是高度放射性的并且在1500-1600℃的温度下在屏蔽(shielding)之后使用远程操作来制造它们的技术是成熟的。

优选实施方案的详细描述

本发明的实施方案可以包括用于制造并入陶瓷颗粒的金属核燃料的方法。在某些实施方案中，所述陶瓷颗粒可以包括粉碎的轻水反应堆(LWR)废核燃料(SNF)。在某些实施方案中，所述陶瓷颗粒可以包括氧化钍和/或氧化镅。在某些实施方案中，可将来自废反应堆燃料的材料添加到合金混合物中。例如，陶瓷颗粒(如轻水反应堆废核燃料)可以被粉碎并分散在金属合金基质中。

将美国专利号8,571,167、美国公开号2011/0194666和美国公开号2011/0206173各自通过引用其整体并入本文中。

在某些实施方案中，陶瓷氧化物LWR-SNF颗粒可以在以下三种工艺中的任一种中与金属快速反应堆燃料组合：

1.底部浇铸燃料芯块(slug)。可在环形(或圆柱形)燃料芯块的底部浇铸之前将SNR燃料颗粒添加至熔融的金属燃料装料(charge)。所述装料可以用双频率感应加热，使得频率上的变化将提供SNF颗粒在熔体内的混合。

2.固体燃料芯块的注射铸造。可在固体圆柱形燃料芯块的注射铸造之前将SNF燃料颗粒添加至熔融的金属燃料装料。所述装料将如在1中描述的那样加热。

3.粉末冶金工艺。SNF燃料颗粒可以与通过粉末冶金工艺制造的金属燃料颗粒组合(共混)。

可以添加至金属燃料的SNF燃料颗粒的最大量必须产生金属燃料的连续基质。

在短暂的辐射期之后，无论使用哪种制造工艺，所述燃料的微观结构可以与不含粉碎的陶瓷颗粒的注射浇铸燃料的微观结构相同、基本上相同和/或功能上相同。因此，不含SNF颗粒的注射浇铸燃料的广泛数据库可以是预期辐射性能的优异指标。

下面描述用于生产燃料棒的工艺的细节和每种工艺的属性。每种工艺可以通过在多次再循环中焚烧超铀元素来助于解决SNF问题并且它们全部可以在所述工艺中使Pu239变性。在某些实施方案中，可以使用再加工的金属燃料来生产燃料棒。

底部浇铸

在某些系统中，底部浇铸技术可用于生产用于插入钢包燃料细棒中的芯块。所述芯块可以是环形的、锆(Zr)-护套(sheath)的芯块。当辐射时，如此制造的细棒可以迅速地重组成通过原始的注射铸造制造工艺所生产的传统形态，使得对于这样的燃料细棒的现有的广泛的性能数据库继续适用。

尽管以下讨论涉及形成环形燃料细棒的示例性实施方案，但是可以理解底部浇铸可用于形成各种燃料细棒中的任一种，包括圆柱形或其他形状的燃料细棒。