核燃料元件的制作方法
【专利说明】核燃料元件
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月28日提交的美国临时申请第61/747，073号以及2013年3月11日提交的美国实用新型申请第13/794，633号的权益，其通过引用以其整体并入本文。
背景
本专利申请涉及燃料元件(fuel element)，以及关于该燃料元件的方法。
概述
公开的实施方案包括燃料元件、燃料导管、燃料组件以及制造和使用该燃料元件、燃料导管、燃料组件的方法。
前述内容是概述，并且因此可以包含细节的简化、概括、包含和/或省略；因此，本领域技术人员将认识到，本概述仅是说明性的并且不意图以任何方式是限制性的。除了本文描述的任何说明性的方面、实施方案和特征以外，通过参考附图和以下的详细描述，另外的方面、实施方案和特征也将变得明显。本文描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优势在提出的教导中将变得明显。
附图简述
技术人员将理解的是，附图主要是为了说明性的目的，且不意图限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定是按比例的；在某些情况下，本文公开的发明主题的各个方面在附图中可能被夸张地或放大地示出，以帮助理解不同的特征。在附图中，相同的参考符号通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或结构上相似的元件)。
图1a-1b提供了在一个示例性实施方案中的例证性的(a)核燃料组件和(b)燃料元件的示意性形式的局部剖面透视图。
图2a_2b提供了在一个示例性实施方案中的燃料元件的(a)透视图(b)横截面图的局部示意图。
图3提供了在可选的例证性实施方案中的燃料元件的局部示意图。
图4提供了在一个示例性实施方案中的燃料元件的不同部件间的原子间扩散的示意图。
图5a-5b图示了在一个示例性实施方案中在第一燃料元件52和第二燃料元件53之间具有分离器51的燃料组件的示意图；(a)示出了所有部件彼此接触；(b)示出了部件没有彼此接触(为了说明目的)。
图6a和图6b_6e分别提供了在一个示例性实施方案中制造燃料元件的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
图7提供了在一个示例性实施方案中制造核燃料的过程的流程图。
图8提供了在一个可选的例证性实施方案中制造核燃料的过程的流程图。
图9a和图9b_9e分别提供了在一个示例性实施方案中使用燃料组件的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
详细描述
Mit 在以下的详细描述中，参考形成说明书一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的或同样的符号在不同附图中的使用通常表示相似或相同的物品。
详细描述中所描述的例证性实施方案、附图和权利要求不意味着是限制性的。可以使用其他的实施方案，且可以作出其他的改变，而不偏离此处所呈现的主题的精神或范围。
本领域技术人员将认识到，为了概念清楚起见，本文描述的部件(例如操作)、装置、物体以及伴随它们的讨论被用作例子，并且预期各种构型修改。因此，如本文所使用的，所提出的具体实施例和伴随的讨论意图是它们较一般的类别的代表。一般来说，任何具体实施例的使用意图是其类别的代表，并且具体部件(例如操作)、装置和物体的未包括内容不应该被认为是限制性的。
为了陈述的清楚起见，本申请使用形式大纲标题。然而，应理解，大纲标题是为了陈述的目的，并且不同类型的主题可以在整个申请中被讨论(例如，装置/结构可以在过程/操作标题下被描述，和/或过程/操作可以在结构/过程标题下被讨论；和/或对单个主题的描述可能跨越两个或更多个主题标题)。因此，形式大纲标题的使用并不意图以任何方式是限制性的。
综述
通过综述，在一个实施方案中提供了制品，该制品包括:环形核燃料；布置于环形核燃料的外部的衬层；以及布置于衬层的外部的覆层。衬层可以包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料。
[0001]在另一个实施方案中提供了核燃料元件，该核燃料元件包括:环形核燃料；布置于核燃料的外部的衬层，该衬层包括第二层和接触核燃料的第一层；以及布置于衬层的外部的覆层，该覆层包括选自以下的至少一种材料:金属、金属合金和陶瓷，该覆层接触衬层的第二层。
[0002]在另一个实施方案中提供了核燃料元件，该核燃料元件包括:第一核燃料和第二核燃料，第一核燃料和第二核燃料中的每种均具有第一端和第二端；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的至少一种的外部的覆层；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的一种的第一端与第一核燃料和第二核燃料中的另一种的第二端之间的分离器；分离器包括第一区域和第二区域，所述第一区域接触第一燃料元件和第二燃料元件中的一种的第一端，所述第二区域接触第一燃料元件和第二燃料元件中的另一种的第二端。
[0003]在另一个实施方案中提供了制造核燃料组件的方法，方法包括:提供环形核燃料及核燃料的外部的覆层；将衬层的第一层布置于核燃料的外部，该第一层接触核燃料；以及将衬层的第二层布置于覆层的内部，该第二层接触覆层。
[0004]在另一个实施方案中提供了使用燃料组件的方法，方法包括:提供包括多个燃料元件的燃料组件，燃料元件包括:环形核燃料、布置于环形核燃料的外部的衬层、以及布置于衬层的外部的覆层；使用燃料组件产生能量；以及减轻以下中的至少一种之间的原子间扩散:(i)第一材料和第二材料；(?)第一材料和核燃料；以及(iii)第二材料和覆层。衬层可以包括布置为邻近核燃料且包括第一材料的第一区域，以及布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料的第二区域。
[0005]在另一个实施方案中提供了核燃料元件，核燃料元件包括:环形核燃料；布置于环形燃料的外部的衬层，衬层包括第二层和接触核燃料的第一层；以及布置于衬层的外部的覆层，覆层包括选自以下的至少一种材料:金属、金属合金和陶瓷，覆层接触衬层的第二层；以及布置于第一层和第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度的过渡层O
[0006]在另一个实施方案中提供了环形核燃料，环形核燃料能够高度燃耗，其中多重屏障布置于核燃料和燃料覆层之间，并且环形核燃料用最小需求的热粘结材料生产。
燃料组件
图1a提供了根据一个实施方案的核燃料组件10的局部图示。燃料组件可以是可裂变核燃料组件或增殖性核燃料组件。组件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料针”)11。图1b提供了根据一个实施方案的燃料元件11的局部图示。如在本实施方案中所示，燃料元件可以包括覆层材料13、燃料14，以及在某些情况下至少一个空隙15。
燃料可以通过外部覆层材料13密封于腔内。在某些情况下，如图1(b)中所示，多种燃料材料可以轴向地堆放，但是并不需要是这种情况。例如，燃料元件可以仅含有一种燃料材料。在一个实施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆层材料之间，尽管空隙不需要存在。在一个实施方案中，空隙填充有加压的气氛，比如加压的氦气气氛。在另一个实施方案中，空隙可以填充有钠。
燃料可以含有任何可裂变材料。可裂变材料可以含有金属和/或金属合金。在一个实施方案中，燃料可以是金属燃料。可以理解的是，金属燃料可以提供相对高的重金属载量以及优良的中子经济性，其对于核裂变反应堆的增殖和燃烧过程是令人满意的。根据应用，燃料可以包括选自U、Th、Am、Np以及Pu的至少一种元素。如本文通过化学符号表示的术语“元素”可以指的是存在于周期表中的元素-这不应当与“燃料元件”的“元件”混淆。在一个实施方案中，燃料可以包括至少约90wt% U-例如至少95wt%、98wt%、99wt%、99.5wt%、99.9wt%、99.99?1:%或更高的U。燃料还可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一种元素。在一个实施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、钆或铟。
在一个实施方案中，金属燃料可以与约3wt%至约1wt %的锆成合金以在辐射期间在尺寸上稳定合金，且以抑制覆层的低温共熔以及腐蚀损害。钠热结合填充存在于合金燃料和覆层管内壁之间的空隙，以允许燃料膨胀且以提供有效的热转移，这可以保持燃料温度是低的。在一个实施方案中，各个燃料元件11可以具有从约0.8mm直径至约1.6mm直径的细线12，该细线12围绕覆层管的周边螺旋缠绕，以提供冷却剂空间以及各个燃料元件56在燃料组件18和20(其还充当冷却剂导管)的壳体内的机械分离。在一个实施方案中，由于如通过大量经验数据所指示的辐射性能，覆层13和/或绕线12可以由铁素体-马氏体钢制造。
燃料元件
“燃料元件”，比如图1a-1b中所示的、在发电反应堆的燃料组件中的元件10，通常可采取圆柱棒形式。燃料元件可以是发电反应堆的一部分，所述发电反应堆为核电设备的一部分。根据应用，燃料元件可以具有关于其长度和直径的任何适宜的尺寸。图2a_2b提供了燃料元件的示意图的不同视图。燃料元件可以包括覆层21、布置于覆层的内部的燃料22。在核反应堆的情况下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一个实施方案中，核燃料可以是环形核燃料。参照图2a-2b，在一个实施方案中，燃料元件可以包括布置于核燃料22和覆层21之间的衬层23。衬层可以含有多个层(例如，231和232)。
燃料可以具有任何几何形状。在一个实施方案中，燃料具有环形的几何形状。在这样的实施方案中，呈环形形式的燃料可以允许在一定水平的燃耗之后实现期望水平的燃料密度。另外，这样的环形构型可以维持燃料和覆层之间的压缩力以促进热运输。根据应用，燃料可以被调整以具有各种性质。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一个实施方案中，期望具有高密度的燃料，比如尽可能接近理论密度铀的密度(在含有铀的燃料的情况下)。在一个实施方案中，具有低水平的孔隙率可以防止辐射期间内部腔的形成。
根据应用，用于覆层的覆层材料可以包括任何适宜的材料。在一个实施方案中，覆层可以包括选自金属、金属合金以及陶瓷的至少一种材料。在一个实施方案中，覆层可以含有耐火材料，比如耐火金属，耐火金属包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、T1、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd以及Hf的至少一种元素。
覆层中的金属合金可以是例如钢。钢可以选自马氏体钢、奥氏体钢、铁素体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢及304钢。钢可以具有任何类型的微观结构。例如，钢可以包括马氏体相、铁素体相和奥氏体相中的至少一种。在一个实施方案中，钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相中的至少一种相。
[0007]在某些情况下，特别是在高度燃耗时，燃料的元件及覆层可以倾向于扩散，从而引起不需要的合金化且因此使燃料和覆层的材料劣化(例如，通过燃料和/或覆层的去合金化，或形成具有劣化的机械性质的新合金)。衬层可以充当燃料与覆层材料之间的屏障层以减轻元件的这种原子间扩散。例如，衬层可以用于减轻燃料元件与覆层材料之间的原子间扩散，以通过外来(且有时是不需要的)元件避免(例如)燃料和/或覆层材料的劣化。衬层可以含有一层或多层-例如至少2层、3层、4层、5层、6层或更多层。在衬层含有多层的情况下，这些层可以含有相同或不同的材料和/或具有相同或不同的性质。例如，在一个实施方案中，层中的至少一些可以包括相同的材料，而一些包括不同的材料。
[0008]在一个实施方案中，衬层可以包括布置为邻近燃料的第一区域以及布置为邻近覆层材料的第二区域。在一个实施方案中，该区域可以是部分覆盖下方材料的层或层的一部分。参考图2a-2b，在一个实施方案中，衬层23可以包括至少两个层231及232。衬层的第一区域可以布置于第一层231中，且衬层的第二区域可以布