Canal de combustible dispuesto para estar comprendido por un elemento de combustible para un reactor de fisión.

Un canal (5) de combustible que está dispuesto para estar comprendido por un elemento de combustible

(1) para un reactor de fisión, en el que el elemento de combustible (1) comprende una entrada (9), una salida (11) y una pluralidad de barras de combustible (3) alargadas, cuyas barras de combustible (3) comprenden, cada una, un combustible nuclear y están dispuestas para transferir energía a un medio de circulación durante la operación del reactor de fisión, en el que el canal (5) de combustible comprende una carcasa (7) adaptada para rodear las barras de combustible (3) entre la entrada (9) y la salida (11), en el que la carcasa (7) está adaptada durante la operación del reactor de fisión para guiar el medio de circulación a lo largo de las barras de combustible (3) desde la entrada (9) a la salida (11) y ser sometido a irradiación de las barras de combustible (3), en el que la carcasa (7) del canal (5) de combustible está fabricada de un material cerámico, caracterizado porque el material cerámico consiste en más de un 90 por ciento en peso de carburo de silicio y un resto de posibles sustancias residuales.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/055265.

Solicitante: WESTINGHOUSE ELECTRIC SWEDEN AB.

Nacionalidad solicitante: Suecia.

Dirección: 721 63 Västerås SUECIA.

Inventor/es: HALLSTADIUS, LARS, LAHODA, EDWARD, J., DAHLBACK, MATS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > Elementos combustibles para reactor o sus conjuntos;... > G21C3/07 (caracterizados por el material, p. ej. aleaciones)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > QUIMICA INORGANICA > ELEMENTOS NO METALICOS; SUS COMPUESTOS (procesos... > Carbono; Sus compuestos (C01B 21/00, C01B 23/00  tienen... > C01B31/36 (Carburo de silicio o boro)
  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > G21C21/00 (Aparatos o procesos especialmente adaptados para la fabricación de reactores o de piezas de éstos)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > CEMENTOS; HORMIGON; PIEDRA ARTIFICIAL; CERAMICAS;... > LIMA; MAGNESIA; ESCORIAS; CEMENTOS; SUS COMPOSICIONES,... > Productos cerámicos modelados, caracterizados por... > C04B35/565 (a base de carburo de silicio)
  • SECCION G — FISICA > FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR > REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores... > Elementos combustibles para reactor o sus conjuntos;... > G21C3/324 (Encamisados o envolturas para los haces)

PDF original: ES-2487648_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Canal de combustible dispuesto para estar comprendido por un elemento de combustible para un reactor de fisión Campo de la invención

La presente invención se refiere a un canal de combustible que está dispuesto para estar comprendido por un elemento de combustible para un reactor de fisión de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Este canal de combustible se describe en el documento US-4.77.33. El elemento combustible comprende una entrada, una salida y una pluralidad de barras de combustible alargadas, cuyas barras de combustible comprenden, cada una, un combustible nuclear y están dispuestas para transferir energía a un medio de circulación durante la operación del reactor de fisión. El canal de combustible comprende una carcasa adaptada para rodear las barras de combustible entre la entrada y la salida. La carcasa está adaptada durante la operación del reactor de fisión para guiar el medio de circulación a lo largo de las barras de combustible desde la entrada a la salida y ser sometido a irradiación de las barras de combustible.

Técnica anterior

Durante la operación del elemento de combustible en el reactor de fisión, la función del canal de combustible es guiar el medio de circulación, que en los reactores de agua ligera comprende agua, a lo largo de las barras de combustible del elemento combustible. Durante la operación, el canal de combustible se somete a irradiación de las barras de combustible y un entorno reactivo químico del medio de circulación.

El canal de combustible está usualmente fabricado de una aleación de circonio. El circonio se utiliza en canales de combustible debido a su baja sección transversal de neutrones, buenas propiedades mecánicas y una resistencia relativamente alta a la corrosión. Diferentes tipos de aleaciones de circonio están disponibles.

A pesar de las propiedades favorables de las aleaciones de circonio, los canales de combustible fabricados a partir de una aleación de circonio se ven afectados por el entorno en el reactor, de tal manera que el material se expande. La expansión de la aleación de circonio crea una deformación permanente, por ejemplo, un alargamiento, de las dimensiones del canal de combustible en relación con las dimensiones originales de los canales de combustible. La expansión de la aleación de circonio surge de manera anisotrópica, lo que da como resultado que un canal de combustible originalmente recto se ccurve alejándose de su eje longitudinal.

La deformación permanente de la aleación de circonio en el canal de combustible es inducida por la irradiación de las barras de combustible y por la corrosión y la asimilación de hidrógeno. La asimilación de hidrógeno se concentra en forma de hidruros en la aleación de circonio, que además de la deformación permanente también da lugar a un debilitamiento de las propiedades mecánicas del canal de combustible.

Los canales de combustible se utilizan en los llamados reactores de agua en ebullición (BWR), en los que el medio de circulación es agua que gradualmente se transforma desde una fase líquida a una fase de vapor, en el que el agua es guiada por el canal de combustible a lo largo de las barras de combustible.

Los reactores de agua en ebullición se controlan por medio de barras de control que se desplazan saliendo y entrando de posiciones entre los elementos de combustible. Debido a la gran longitud del canal de combustible en un reactor de agua en ebullición, incluso una pequeña deformación permanente no homogénea del canal de combustible puede crear una gran curvatura del canal de combustible. En grandes curvaturas del canal de combustible, el desplazamiento de las barras de control del reactor en las posiciones entre los elementos de combustible puede obstruirse por contacto de fricción entre las barras de control y los canales de combustible.

El documento US23/53582 presenta un procedimiento de fabricación para un canal de combustible que consiste en una aleación de circonio.

El documento US27/189952 presenta un material de carburo de silicio que comprende boro en la forma de B4C como auxiliar de sinterización, en el que la mayoría del boro es boro-11. El material está adaptado para ser utilizado en un reactor de fisión, por medio del cual el boro-11 tiene una sección transversal de neutrones de boro inferior a la que se produce con una composición isotópica natural de aproximadamente un 2% de boro-1. Además, el boro-11 se forma al ser influenciado por la irradiación de neutrones menos gas que el boro con una composición isotópica que se produce de manera natural de boro-1.

Sumario de la invención

Un primer objeto de la presente invención es proporcionar un canal de combustible con una estabilidad dimensional mejorada y, en particular, para reducir las deformaciones permanentes no homogéneas que dan como resultado una curvatura del canal de combustible. Un segundo objeto de la presente invención es proporcionar un canal de combustible que tenga una resistencia a la corrosión mejorada en comparación con los canales de combustible de acuerdo con la técnica anterior. Un tercer objeto de la presente invención es proporcionar un canal de combustible que tenga una vida útil que supere la vida útil del elemento de combustible.

Estos objetos se obtienen mediante el canal de combustible antes citado que se caracteriza por las características de la porción caracterizadora de la reivindicación 1.

De acuerdo con la invención, el material cerámico comprende, o contiene, carburo de silicio y un resto de posibles sustancias residuales.

El carburo de silicio, con fórmula química SiC, tiene propiedades que reducen el problema con la deformación permanente de los canales de combustible de acuerdo con el estado de la técnica. El carburo de silicio tiene una expansión inducida de irradiación baja y predecible en comparación con las aleaciones de circonio. La expansión inducida por la irradiación de carburo de silicio es de aproximadamente un tercio de la expansión inducida por la irradiación de aleaciones de circonio. Además, la expansión inducida por irradiación de carburo de silicio surge principalmente homogénea en todas las direcciones, es decir, la expansión es isotrópica. De este modo, se reduce el problema con la curvatura del canal de combustible.

El carburo de silicio tiene una alta resistencia a la corrosión en comparación con las aleaciones de circonio que se utilizan de acuerdo con el estado de la técnica. La corrosión que todavía puede producirse en el carburo de silicio no produce, o sólo en una medida limitada, fases secundarias en el material. Por consiguiente, la expansión inducida por la corrosión es pequeña o insignificante. Por lo tanto, el problema con la curvatura del canal de combustible se reduce aún más. Por medio de las propiedades mejoradas del canal de combustible, se extiende el tiempo de vida útil del canal de combustible en el reactor de fisión.

El carburo de silicio tiene también una baja sección transversal de neutrones en comparación con las aleaciones de circonio. La función principal de la baja sección transversal de neutrones es reducir la absorción parásita de neutrones y, por lo tanto, mejorar la economía de combustible.

Las posibles sustancias residuales del material cerámico comprenden impurezas no deseadas y posibles aditivos, tales como B4C que contienen, por ejemplo, boro-11, grafito, un compuesto de carbono, etcétera.

De acuerdo con una realización de la invención, dicho material cerámico comprende una primera capa que comprende fibras de carburo de silicio.

Por medio del carburo de silicio que está al menos parcialmente presente en forma de fibras, se mejoran las propiedades mecánicas del material cerámico, obtenidas... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un canal (5) de combustible que está dispuesto para estar comprendido por un elemento de combustible (1) para un reactor de fisión, en el que el elemento de combustible (1) comprende una entrada (9), una salida (11) y una pluralidad de barras de combustible (3) alargadas, cuyas barras de combustible (3) comprenden, cada una, un combustible nuclear y están dispuestas para transferir energía a un medio de circulación durante la operación del reactor de fisión, en el que el canal (5) de combustible comprende una carcasa (7) adaptada para rodear las barras de combustible (3) entre la entrada (9) y la salida (11), en el que la carcasa (7) está adaptada durante la operación del reactor de fisión para guiar el medio de circulación a lo largo de las barras de combustible (3) desde la entrada (9) a la salida (11) y ser sometido a irradiación de las barras de combustible (3), en el que la carcasa (7) del canal (5) de combustible está fabricada de un material cerámico, caracterizado porque el material cerámico consiste en más de un 9 por ciento en peso de carburo de silicio y un resto de posibles sustancias residuales.

2. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho material cerámico comprende una primera capa (3) que comprende fibras (34) de carburo de silicio.

3. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dichas fibras (34) se hilan dando cables (39).

4. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 2 ó 3, en el que cada una de las fibras (34) de carburo de silicio tiene una superficie envolvente, en el que las superficies envolventes de una parte importante de las fibras (34) comprende un recubrimiento reductor de fricción (36).

5. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el canal (5) de combustible comprende un eje longitudinal (L), en el que la primera capa (3) comprende una capa primaria (3a), en cuya capa primaria (3a) las fibras (34) están dispuestas principalmente a lo largo de una primera dirección.

6. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la primera dirección no es paralela con (5) el eje longitudinal del canal de combustible (L).

7. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 y 6, en el que la primera capa (3) comprende una capa secundaria (3b) a continuación de la capa primaria (3a), en el que la capa secundaria (3b) comprende fibras (34) de carburo de silicio, cuyas fibras (34) en la capa secundaria (3b) están dispuestas principalmente a lo largo de una segunda dirección, en el que la primera y la segunda direcciones son no paralelas.

8. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la primera y la segunda direcciones son no paralelas con el eje longitudinal (L) del canal (5) de combustible.

9. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 8, en el que la primera capa (3) comprende un material de relleno (38) en un espacio hueco entre las fibras (34), cuyo material de relleno (38) comprende carburo de silicio, en el que las fibras (34) y el material de relleno (38) tienen diferentes estructuras de material.

1. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 9, en el que dicho material cerámico comprende una segunda capa (32) que comprende carburo de silicio, cuya capa segunda (32) limita con al menos un lado de la primera capa (3), en el que la primera capa (3) tiene una primera densidad y la segunda capa (32) tiene una segunda densidad, en el que la segunda densidad es mayor que la primera densidad.

11. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la segunda capa (32) comprende una primera subcapa (32a) y una segunda subcapa (32b), en el que la primera subcapa (32a) limita con un primer lado de la primera capa (3) y la segunda subcapa (32b) limita con un segundo lado de la primera capa (3).

12. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho carburo de silicio está tratado con una dosis de irradiación antes de la operación en el reactor de fisión, en el que la dosis de irradiación es tal que la irradiación inducida por deformación permanente de la carcasa (7) se reduce durante la operación del reactor de fisión.

13. Un canal (5) de combustible de acuerdo con la reivindicación 12, en el que la dosis de irradiación de dicho carburo de silicio es menor de 2 nvt, preferiblemente entre ,1 y 1 nvt.

14. Un canal (5) de combustible de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el canal (5) de combustible comprende uno o más canales interiores (2) para guiar el medio de circulación, cuyo canal (2) está fabricado de dicho material cerámico y puede ser de cualquier geometría.