Ядерное топливо и способ его изготовления

Ядерное топливо и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение в целом относится к ядерному топливу и к способу изготовления ядерного топлива, и, более конкретно, к стойкому к распуханию ядерному топливу и к способу изготовления стойкого к распуханию ядерного топлива.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0002] В одном из аспектов ядерное топливо содержит, но не ограничиваясь этим, объем ядерного топливного материала, ограниченный поверхностью, причем ядерный топливный материал содержит несколько зерен, причем некоторые из указанных нескольких зерен имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного измерения, меньшую или равную выбранной длине, подходящей в некоторых из зерен для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема зерна к по меньшей мере одной границе зерна, при этом ядерный топливный материал содержит пограничную сеть, выполненную с возможностью переноса продукта ядерного деления от по меньшей мере одной межзеренной границы некоторых из зерен к поверхности объема ядерного топливного материала.

[0003] В другом аспекте ядерное топливо содержит, но не ограничиваясь этим, объем ядерного топливного материала, ограниченный поверхностью, причем ядерный топливный материал содержит несколько ядерных топливных элементов, содержащих металл, причем некоторые из указанных нескольких ядерных топливных элементов имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного измерения, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых ядерных топливных элементах для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности, причем указанные несколько ядерных топливных элементов консолидированы до выбранной плотности.

[0004] В другом аспекте ядерное топливо содержит, но не ограничиваясь этим, объем ядерного топливного материала, ограниченный поверхностью, причем ядерный топливный материал содержит несколько ядерных топливных элементов, содержащих керамический материал, при этом некоторые из указанных нескольких ядерных топливных элементов имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного направления, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых ядерных топливных элементах для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности, причем указанные несколько ядерных топливных элементов консолидированы до выбранной плотности, причем ядерный топливный материал содержит пограничную сеть, выполненную с возможностью переноса продукта ядерного деления от по меньшей мере одной свободной поверхности некоторых ядерных топливных элементов к поверхности объема ядерного топливного материала.

[0005] В другом аспекте ядерное топливо содержит, но не ограничиваясь этим, объем ядерного топливного материала, ограниченный поверхностью, причем ядерный топливный материал содержит несколько ядерных топливных элементов, при этом некоторые из указанных нескольких ядерных топливных элементов имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного направления, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности в некоторых ядерных топливных элементах, и несколько диспергирующих частиц, диспергированных в объеме ядерного топливного материала, причем некоторые из диспергирующих частиц выполнены с возможностью создания предпочтительных центров заполнения продуктом деления в ядерном топливном материале.

[0006] В одном из аспектов способ изготовления ядерного топлива может включать, но не ограничивается этим, использование ядерного топливного материала, причем указанный ядерный топливный материал консолидируют в твердый объем ядерного топливного материала, имеющего поверхность, при этом консолидированный ядерный топливный материал содержит несколько зерен; и выполнение одного или нескольких процессов над консолидированным объемом ядерного топливного материала с целью получения характеристической длины вдоль по меньшей мере одного измерения некоторых из зерен, которая меньше или равна выбранной длине, а также формирования пограничной сети, выполненной с возможностью переноса продукта ядерного деления от по меньшей мере одной межзеренной границы некоторых из зерен к поверхности объема ядерного топливного материала, при этом в некоторых из зерен указанная выбранная длина способна поддерживать надлежащую диффузию продукта ядерного деления из внутреннего объема зерна к по меньшей мере одной границе зерна.

[0007] В другом аспекте способ изготовления ядерного топлива может включать, но не ограничивается этим, использование нескольких ядерных топливных элементов, причем некоторые из указанных нескольких элементов ядерного топлива имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного измерения, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых ядерных топливных элементах для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности, причем некоторые из ядерных топливных элементов, содержат металлический ядерный топливный материал, и консолидирование указанных нескольких ядерных топливных элементов в объем ядерного топливного материала, имеющего поверхность.

[0008] В другом аспекте способ изготовления ядерного топлива может включать, но не ограничивается этим, использование нескольких ядерных топливных элементов, причем некоторые из указанных нескольких элементов ядерного топлива имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного измерения, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых ядерных топливных элементах для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности, причем некоторые из ядерных топливных элементов содержат керамический ядерный топливный материал, и консолидирование указанных нескольких ядерных топливных элементов в объем ядерного топливного материала, имеющего поверхность, при этом объем ядерного топливного материала содержит пограничную сеть, выполненную с возможностью переноса продукта ядерного деления от по меньшей мере одной свободной поверхности некоторых ядерных топливных элементов к поверхности объема ядерного топливного материала.

[0009] В другом аспекте способ изготовления ядерного топлива может включать, но не ограничивается этим, использование ядерного топливного материала, диспергирование нескольких диспергирующих частиц, диспергированных в объеме ядерного топливного материала, причем некоторые из диспергирующих частиц выполнены с возможностью создания предпочтительных центров заполнения продуктом деления в ядерном топливном материале, консолидирование ядерного топливного материала в объем ядерного топливного материала, имеющего поверхность, при этом консолидированный ядерный топливный материал содержит несколько зерен, и выполнение одного или нескольких процессов над консолидированным объемом ядерного топливного материала с целью получения характеристической длины вдоль по меньшей мере одного измерения некоторых из зерен, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых из зерен для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема зерна к по меньшей мере одной границе зерна.

[0010] В другом аспекте способ изготовления ядерного топлива может включать, но не ограничивается этим, использование нескольких ядерных топливных элементов, причем некоторые из указанных нескольких элементов ядерного топлива имеют характеристическую длину вдоль по меньшей мере одного измерения, которая меньше или равна выбранной длине, подходящей в некоторых ядерных топливных элементах для поддержания надлежащей диффузии продукта ядерного деления из внутреннего объема ядерного топливного элемента к по меньшей мере одной свободной поверхности, диспергирование нескольких диспергирующих частиц в указанных нескольких ядерных топливных элементах, причем некоторые из диспергирующих частиц выполнены с возможностью создания предпочтительных центров заполнения продуктом ядерного деления в ядерном топливном материале, и консолидирование указанных нескольких ядерных топливных элементов в объем ядерного топливного материала, имеющего поверхность.

[0011] В дополнение к вышеизложенному, различные другие аспекты ядерного топлива и/или способа изложены и описаны в представленном далее материале, таком как текст (например, в формуле изобретения и/или в подробном описании), и/или на чертежах настоящего раскрытия изобретения.

[0012] Вышеизложенное представляет собой сущность изобретения и, следовательно, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения деталей; следовательно, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что сущность изобретения является только иллюстративной и не предназначена для какого-либо ограничения. Другие аспекты, признаки и преимущества устройств и/или процессов и/или другого предмета изобретения, описанного в настоящем документе, станут очевидными с учетом объяснений, изложенных далее в данном документе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо;

Фиг. 1В представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую пару соседних зерен ядерного топлива;

Фиг. 1C представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую типы продуктов ядерного деления;

Фиг. 1D представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую типы расщепляемых материалов, пригодных для использования в ядерном топливе;

Фиг. 1Е представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую типы ядерного топливного материала, пригодного для использования в ядерном топливе;

Фиг. 1F представляет собой идеализированное схематическое представление, иллюстрирующее зерна ядерного топлива;

Фиг. 1G представляет собой идеализированное схематическое представление, иллюстрирующее деформированные зерна ядерного топлива;

Фиг. 1Н представляет собой идеализированное схематическое представление, иллюстрирующее деформированные зерна ядерного топлива;

Фиг. 1I представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую процесс образования открытых пузырьков в пограничной сети ядерного топлива;

Фиг. 1J представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую граничный слой на зерне ядерного топлива;

Фиг. 2А представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо;

Фиг. 2В представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо;

Фиг. 2С представляет собой идеализированную схематическую диаграмму, иллюстрирующую зерна ядерного топлива;

Фиг. 2D представляет собой идеализированную схематическую диаграмму, иллюстрирующую деформированные зерна ядерного топлива;

Фиг. 2Е представляет собой идеализированную схематическую диаграмму, иллюстрирующую деформированные зерна ядерного топлива;

Фиг. 2F представляет собой принципиальную схематическую диаграмму, иллюстрирующую два или большее количество зерен ядерных топливных элементов ядерного топлива;

Фиг. 2G представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую пограничный слой на ядерном топливном элементе ядерного топлива;

Фиг. 2Н представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо, сформированное посредством механической обработки;

Фиг. 2I представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо, сформированное посредством механической обработки;

Фиг. 2J представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо, сформированное посредством механической обработки;

Фиг. 3 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо, содержащее несколько диспергирующих частиц;

Фиг. 4 представляет собой схематическую диаграмму, иллюстрирующую ядерное топливо, содержащее несколько диспергирующих частиц;

Фиг. 5 представляет собой блок-схему высокого уровня способа изготовления ядерного топлива;

Фиг. 6 - Фиг. 32 представляют собой блок-схемы высокого уровня, изображающие альтернативные реализации Фиг.5;

Фиг. 33 представляет собой блок-схему высокого уровня способа изготовления ядерного топлива;

Фиг. 34 - Фиг. 63 представляют собой блок-схемы высокого уровня, изображающие альтернативные реализации Фиг. 33;

Фиг. 64 представляет собой блок-схему высокого уровня способа изготовления ядерного топлива;

Фиг. 65 - Фиг. 93 представляют собой блок-схемы высокого уровня, изображающие альтернативные реализации Фиг. 64;

Фиг. 94 представляет собой блок-схему высокого уровня способа изготовления ядерного топлива;

Фиг. 95 - Фиг. 132 представляют собой блок-схемы высокого уровня, изображающие альтернативные реализации Фиг. 94;

Фиг. 133 - Фиг. 181 представляют собой блок-схемы высокого уровня, изображающие альтернативные реализации Фиг. 94.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0013] В последующем подробном описании ссылки сделаны на прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего описания. На чертежах подобные символы в целом означают схожие элементы, если контекст не диктует иное. Иллюстративные варианты выполнения, описанные в подробном описании, показанные на чертежах, и заявленные в формуле изобретения, не предназначены быть ограничивающим. Могут быть использованы другие варианты выполнения и могут быть сделаны другие изменения, не отступая от сущности или объема представленного здесь предмета изобретения.

[0014] Со ссылкой в целом на Фиг. 1А-4, описаны ядерное топливо и способ изготовления ядерного топлива. Ядерное топливо, в соответствии с настоящим изобретением, может быть сконструировано для того, чтобы обеспечить более эффективное высвобождение продукта 108 ядерного деления (например, газообразного продукта 118 ядерного деления, жидкого продукта 119 ядерного деления или твердого продукта 120 ядерного деления), создаваемых в объеме ядерного топлива во время процесса реакции ядерного деления. Эффективное высвобождение газообразного продукта 118 ядерного деления, например, может свести к минимуму рост и развитие незаполненных областей внутри объема ядерного топлива. По мере того, как внутри незаполненных областей создается давление, результирующая сила может привести к «распуханию» ядерного топлива. Когда ядерное топливо распухает, наружная поверхность объема ядерного топлива может прикладывать силу к окружающей оболочке. Кроме того, в дополнение к предотвращению распухания, эффективное высвобождение продуктов 108 ядерного деления может также уменьшить паразитный захват нейтронов различными продуктами 108 ядерного деления и остаточное тепло распада из ядерного топлива.

[0015] Со ссылкой теперь на Фиг. 1А и 1В, в соответствии с настоящим изобретением описаны ядерное топливо 100 и способы изготовления ядерного топлива. Заданный объем 102 ядерного топлива 100 может содержать несколько зерен 104 из одного или нескольких ядерных топливных материалов. Указанный один или несколько ядерных топливных материалов 100 может иметь такую микроструктуру, что характеристическая длина 106 зерен 104 ядерного топливного материала 100 вдоль по меньшей мере одного измерения меньше или равна выбранной длине. Длина может быть выбрана на основе критической длины, необходимой для поддержания надлежащего уровня диффузии продукта 108 ядерного деления, такого как газообразный продукт 118 ядерного деления (например, криптона или ксенона), жидкого продукта 119 ядерного деления (например, жидкого натрия) или твердого продукта 120 ядерного деления (например, теллура или цезия) из внутреннего объема 110 зерен 104 к межзеренным границам 112 зерен 104. Следует признать, что за счет увеличения соотношения между площадью межзеренной границы и внутренним 110 объемом зерна в выбранном зерне 104 количество пузырьков 118 газообразного продукта ядерного деления, образующихся на межзеренной границе 112 в результате диффузии газообразного продукта 118 ядерного деления из внутреннего объема 110 зерна, может увеличиться. Таким образом, за счет уменьшения размера в одном или нескольких измерениях 106 (например, среднего размера) зерен 104 ядерного топливного материала, повышая, тем самым, соотношение между площадью межзеренной границы и внутренним объемом зерна, можно повысить диффузию газообразного продукта 118 ядерного деления или других продуктов 108 ядерного деления, из внутренних объемов 110 зерен к межзеренным границам 112 зерен 104 ядерного топлива 100. При этом вероятность зарождения газообразного продукта ядерного деления на межзеренной границе 112 может быть увеличена, тогда как вероятность зарождения газообразного продукта ядерного деления внутри 110 зерна одновременно уменьшается. В этом смысле, когда размер одного или нескольких зерен 104 уменьшается в одном или нескольких измерениях, продукт 108 ядерного деления (например, газообразный продукт 118 ядерного деления), который производится пропорционально мощности реактора (т.е. потока в активной зоне реактора), градиент концентрации увеличивается. Повышенная концентрация продукта ядерного деления способствует регулированию максимального уровня концентрации продукта ядерного деления внутри указанного одного или нескольких зерен 104 ядерного топлива 100. Кроме того, ядерное топливо 100 может содержать пограничную сеть 114, выполненную с возможностью переноса продукта 108 ядерного деления, такого как газообразный продукт 118 ядерного деления, от границы 104 зерна ядерного топлива 100 к наружной геометрической поверхности 101 заданного объема 102 ядерного топлива 100. Если заданный пузырек газообразного продукта 118 ядерного деления имеет открытый путь 116 переноса к геометрической поверхности 101 ядерного топлива 100, то пузырек газообразного продукта 118 ядерного деления может быть выпущен из объема 102 ядерного топливного материала. Совокупные эффекты выпуска газообразного продукта 118 ядерного деления по всему объему 102 ядерного топлива 100 может привести к сокращению или устранению распухания в ядерном топливе 118 при реализации в рабочей установке ядерного реактора. В дополнение к улучшению диффузии газообразного продукта ядерного деления из внутреннего объема 110 зерна к межзеренной границе 112, создание зерен 104 с уменьшенным размером также увеличивает объемную плотность путей 116 переноса пограничных сетей 114 ядерного топлива 100, увеличивая, тем самым, вероятность переноса заданного пузырька газообразного продукта ядерного деления от границы 112 зерна к геометрической поверхности 101 ядерного топлива 100. В одном аспекте настоящего изобретения для достижения характеристической длины 106 вдоль одного или нескольких направлений (т.е. размера зерна) указанного одного или нескольких зерен 104, необходимой для получения надлежащей диффузии продуктов 108 ядерного деления и формирования пограничной сети 114 в ядерном топливе 100, могут быть использованы один или несколько процессов. В контексте настоящего описания, в целях краткости и ясности, термин «размер» используется взаимозаменяемо с термином «характеристическая длина вдоль одного или нескольких измерений» и «размер вдоль одного или нескольких измерений».

[0016] Со ссылкой теперь на Фиг. 1C, продукт 108 ядерного деления, производимый во внутреннем объеме 110 одного или нескольких зерен 104 ядерного топлива 100, может содержать газообразный продукт 118 ядерного деления, жидкий продукт 119 ядерного деления или твердый продукт ядерного деления. Например, размер 106 зерен 104 ядерного топлива 100 может быть ниже критического уровня, необходимого для надлежащей диффузии газообразного продукта 108 ядерного деления из внутреннего объема 110 зерен 104 ядерного топлива к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. Например, зерна 104 ядерного топлива 100 могут быть выполнены так, чтобы иметь размер меньше критического размера, необходимого для надлежащей диффузии криптона, производимого во время реакции ядерного деления внутри ядерного топлива 100. В другом случае зерна 104 ядерного топлива 100 могут быть выполнены так, чтобы иметь размер меньше критического размера, необходимого для надлежащей диффузии ксенона, производимого во время реакции ядерного деления внутри ядерного топлива 100. В случае ксенона, который представляет собой продукт деления урана, особый интерес представляет выполнение средства для эффективного переноса газа из внутреннего объема ядерного топлива 100 к геометрической поверхности 101 ядерного топлива. Ксенон является серьезным поглотителем нейтронов, и его накопление в ядерном топливе 100 может иметь существенное негативное влияние на нейтронно-физические характеристики ядерного топлива 100. В другом примере размер 106 зерен 104 ядерного топлива 100 может быть ниже критического уровня, необходимого для осуществления надлежащей диффузии твердого продукта 120 ядерного деления из внутренних объемов 110 зерен 104 ядерного топлива к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. Например, зерна 104 ядерного топлива 100 могут иметь размер 106 ниже критического уровня, необходимого для осуществления надлежащей диффузии цезия из внутренних объемов 110 зерен 104 ядерного топлива к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. В другом примере зерна 104 ядерного топлива 100 могут иметь размер 106 ниже критического уровня, необходимого для осуществления надлежащей диффузии жидкого продукта 119 ядерного деления из внутренних объемов 110 зерен 104 ядерного топлива к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. Например, зерна 104 ядерного топлива 100 могут иметь размер 106 зерна ниже критического уровня, необходимого для осуществления надлежащей диффузии жидкого металла из внутренних объемов 110 зерен 104 ядерного топлива к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100.

[0017] Диффузия продуктов ядерного деления в диоксиде урана в целом описана статье Prussin S.G. и др., «Высвобождение продуктов ядерного деления (Хе, I, Те, Cs, Mo и Tc) из поликристаллического UO2», Journal of Nuclear Materials, Том 154, выпуск 1, стр.25-37 (1988), которая включена в настоящий документ посредством ссылки. Диффузия продуктов ядерного деления в металлическом тории в целом описана в статье Fox C.H. Jr., и др., «Диффузия продуктов ядерного деления в металлическом тории», Journal of Nuclear Materials, Том 62, выпуск 1, стр.17-25 (1976), которая включена в настоящий документ посредством ссылки. Миграция газообразных и твердых продуктов ядерного деления в смешанном ураний-плутониевом оксидном топливе в целом описана в статье Michels L.C. и др. «Реакторные миграции включений продуктов ядерного деления в смешанном оксидном топливе», Journal of Applied Physics, Том 44, выпуск 3, стр.1003-1008 (1973), которая включена в настоящий документ посредством ссылки.

[0018] Со ссылкой теперь на Фиг.1D, ядерное топливо 100 может содержать любые известные ядерные расщепляемые материалы. Например, ядерное топливо 100 может содержать, но не ограничивается этим, материал 121 на основе урана, материал 122 на основе плутония, или материал 123 на основе тория. Например, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может содержать 235U. В другом случае ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может содержать 239Pu. Кроме того, следует понимать, что ядерное топливо 100 не обязательно должно быть сразу расщепляемым после изготовления. Например, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может включать материал на основе 232Th, который не является расщепляемым. Торий-232, однако, может быть включен в контексте ядерного рекатора-размножителя, в котором 232Th может быть воспроизведен в 233U, который подходит для ядерного деления. Таким образом, в целом, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может содержать не расщепляемый материал, который затем может быть воспроизведен в расщепляемый материал. Следует признать, что расщепляемые и не расщепляемые материалы, описанные выше, не следует интерпретировать как ограничивающие, а только как иллюстративные, поскольку предполагается, что дополнительные материалы могут быть подходящими для применения в ядерном топливе 100, в соответствии с настоящим изобретением.

[0019] Со ссылкой теперь на Фиг.1Е, ядерный топливный материал ядерного топлива 100 может содержать один или несколько металлических ядерных топливных материалов 124, таких как, но не ограничиваясь этим, по существу чистый металлический ядерный топливный материал 125, ядерный топливный материал 126 на основе металлического сплава или интерметаллический ядерный топливный материал 127. Например, чистый металлический ядерный топливный материал 124 может содержать, но не ограничивается этим, уран-235, плутоний-239 или торий-233. В другом примере ядерный топливный материал 126 на основе металлического сплава может содержать, но не ограничивается этим, уран-цирконий, уран-плутоний-цирконий, уран-цирконий-гидрид или уран-алюминий. В качестве еще одного примера, и нтерметаллический ядерный топливный материал 127 может содержать, но не ограничивается этим, UFe2 или UNi2. Следует понимать, что приведенный выше перечень подходящих металлических ядерных топливных материалов для включения в ядерный топливный материал ядерного топлива 100, в соответствии с настоящим изобретением, не следует интерпретировать как ограничение, а только как иллюстрацию.

[0020] В другом варианте выполнения ядерный топливный материал ядерного топлива 100 может содержать один или несколько керамических ядерных топливных материалов 128, таких как, но не ограничиваясь ими, оксидный ядерный топливный материал 129, нитридный ядерный топливный материал 131, либо карбидный ядерный топливный материал 132. Например, ядерный топливный материал 129 на основе оксида может содержать, но не ограничиваться этим, диоксид урана (UO2), диоксид плутония (PuO2) или диоксид тория (ThO2). Кроме того, ядерный топливный материал 129 на основе оксида может содержать смешанный оксидный ядерный топливный материал, такой как, но не ограничиваясь этим, смесь PuO2 и обедненного или природного UO2. В качестве другого примера, ядерный топливный материал 131 на основе нитрида может содержать, но не ограничивается этим, уран- нитрид или плутоний-нитрид. В качестве еще одного примера, ядерный топливный материал на основе карбида может содержать, но не ограничиваясь этим, карбид урана 132. Следует понимать, что приведенный выше перечень подходящих керамических ядерных топливных материалов для включения в ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, не следует интерпретировать как ограничение, а только как иллюстрацию.

[0021] Несмотря на то, что ядерные топливные материалы описаны выше в контексте «зерен» материала и Фиг.1А, следует понимать, что выполнение этих материалов может быть распространено на другие контексты, такие как описанные на Фиг.2А-4 настоящего изобретения.

[0022] Следует понимать, что в дополнение к расщепляемому ядерному материалу, описанному выше, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может также содержать части не расщепляемого материала, такого как, но не ограничиваясь этим, замедляющего нейтроны материала или отражающего нейтроны материала. В общем смысле термин «ядерное топливо», в контексте настоящего изобретения, не ограничивается расщепляемым материалом, но может охватывать весь объем предмета или материала, используемого в качестве источника топлива в ядерном реакторе. Таким образом, несмотря на то, что термин «ядерное топливо» может быть использован для обозначения материала в заданном объеме, он также может быть расширен на варианты выполнения ядерного топливного материала, используемого в ядерном реакторе, например, топливных гранул, топливной крошки или топливных стержней.

[0023] Со ссылкой теперь на Фиг.1F-1Н, характеристическая длина 106 вдоль по меньшей мере одного измерения одного или нескольких зерен 104 может содержать характеристическую длину 106 вдоль всех измерений одного или нескольких зерен 104 ядерного топлива 100. Например, зерна 104 ядерного топлива 100 может быть выполнены таким образом, что «высота», представленная как «а», и «ширина», представленная как «Ь», имеют близкий размер. Поэтому, несмотря на факторы (например, напряжение или температурные градиенты), продукт 108 ядерного деления может эффективно диффундировать из внутреннего объема 110 зерна к межзеренной границе 112 по всем направлениям внутри зерна. В этом контексте структура зерна может быть охарактеризована «размером зерна» зерен 106 ядерного топлива 100. «Размер зерна» может быть выбран таким, что зерна достаточно малы, чтобы обеспечивать надлежащую диффузию из внутренних объемов 110 указанного одного или нескольких зерен 104 к границам 112 указанного одного или нескольких зерен 104.

[0024] Как показано на Фиг.1G, характеристическая длина 106 вдоль по меньшей мере одного измерения одного или нескольких зерен 104 может содержать характеристическую длину 106 вдоль выбранного измерения одного или нескольких зерен 104. Например, как показано на Фиг.1G, зерна 106 внутри ядерного топлива 100 могут быть выполнены с выбранной характеристической длиной 106, проходящей вдоль заданного размера зерна 106. Например, в зерне 104, имеющем удлиненную структуру, зерно может иметь выбранную характеристическую длину вдоль «тонкого» измерения, показанного на Фиг.1G как измерение «а» зерна 106. В другом случае, в зерне 106, имеющем удлиненную структуру зерно, зерно 104 может иметь выбранную характеристическую длину вдоль «толстого» измерения, показанного на Фиг.1G как измерение «Ь» зерна 106. Следует понимать, что зерну 104 необходимо только иметь по меньшей мере одну характеристическую длину 106, меньшую, чем длина, необходимая для надлежащей диффузии из внутренних объемов 110 указанного одного или нескольких зерен 104 к границам 112 указанного одного или нескольких зерен 104. Кроме того, следует также понимать, что все размеры зерна 104 могут иметь характеристическую длину 106, меньшую или равную длине, необходимой для надлежащей диффузии продукта 108 ядерного деления из внутренних объемов 110 указанного одного или нескольких зерен 104 к границам 112 указанного одного или нескольких зерен 104.

[0025] Как показано на Фиг.1Н, характеристическая длина 106 вдоль по меньшей мере одного измерения одного или нескольких зерен 104 может содержать характеристическую длину 106, проходящую вдоль выбранного направления 134. Например, зерна 106 внутри ядерного топлива 100 могут быть выполнены с выбранной характеристической длиной 106 вдоль заданного направления в ядерном топливе 100. Например, зерно 104, имеющее удлиненную структуру, может иметь выбранную характеристическую длину 106 вдоль выбранного направления 134 внутри ядерного топлива 100. Следует понимать, что выполнение зернистой структуры с характеристической длиной 106 вдоль выбранного направления 134, которая меньше, чем длина, необходимая для надлежащей диффузии продукта 108 ядерного деления из внутреннего объема 110 зерна к межзеренной границе 112, может обеспечивать более эффективные средства для переноса продукта 108 ядерного деления (например, газообразного продукта 118 ядерного деления) из внутреннего объема 110 зерна.

[0026] В другом варианте выполнения одно или несколько зерен 104 могут иметь характеристическую длину 104 вдоль измерения указанного одного или нескольких зерен, выбранную для максимизации теплопереноса из внутреннего объема 110 зерна к межзеренной границе 112. Например, указанное одно или несколько зерен 106 может быть ориентировано так, что их узкие размеры, показанные на Фиг. 1Н как «а», по существу направлены перпендикулярно градиенту 136 температуры в ядерном топливе 100. Такое расположение способствует теплопереносу из внутреннего объема 110 зерна к границе зерна, способствуя диффузии продукта 108 ядерного деления из внутреннего объема 110 зерна к его границе 112. В качестве другого примера (не показан), в цилиндрической топливной таблетке, изготовленной с использованием ядерного топлива 100, в соответствии с настоящим изобретением, зерна 104 ядерного топлива 100 могут быть выполнены (т.е., в среднем, зерна материала могут быть расположены) так, что их узкий размер по существу перпендикулярен радиальному градиенту температуры цилиндрической таблетки. Следует отметить, что иллюстрации, приведенные на Фиг. 1Н, 1G и 1F, представляют собой упрощенные концептуальные иллюстрации нескольких зерен 106, в соответствии с настоящим изобретением, и не должны быть истолкованы как схематичные по своей природе. Кроме того, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные способы обработки материалов (например, холодная обработка и/или отжиг, уплотнение или экструзия) могут быть использованы с целью получения симметричной структуры зерна, показанного на Фиг. 1F, и деформированной удлиненной структуры зерна, показанного на Фиг. 1G и 1Н. Разнообразие способов обработки материалов обсуждается далее в данном документе.

[0027] В другом варианте выполнения зерна 106 ядерного топлива 100 могут иметь среднюю характеристическую длину 106 вдоль по меньшей мере одного измерения, меньшую или равную выбранной длине, необходимой для надлежащей диффузии продукта ядерного деления. Например, зерна 106 ядерного топлива 100 могут иметь среднюю характеристическую длину, проходящую вдоль выбранного измерения зерен 104 ядерного топлива. Средняя длина может быть выбрана для поддержания надлежащей диффузии из внутренних объемов зерен 104 ядерного топлива 100 к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. Следует понимать, что могут существовать максимальный средний размер 106 зерна, который обеспечивает надлежащую диффузию продуктов 108 ядерного деления из внутренних объемов 110 зерен 104 к межзеренным границам 112 зерен 104.

[0028] В другом варианте выполнения зерна 106 ядерного топлива 100 могут иметь среднюю характеристическую длину 106, проходящую вдоль выбранного направления, которая меньше или равна выбранной длине, необходимой для надлежащей диффузии продукта ядерного деления. Например, зерна 106 ядерного топлива 100 могут иметь среднюю характеристическую длину вдоль выбранного измерения зерен 104 ядерного топлива. Средняя длина вдоль выбранного направления может быть выбрана для поддержания надлежащей диффузии из внутренних объемов зерен 104 ядерного топлива 100 к межзеренным границам 112 ядерного топлива 100. Следует понимать, что может существовать максимальный средний размер зерна вдоль выбранного направления 106, который обеспечивает надлежащую диффузию продукта 108 ядерного деления из внутренних объемов 110 зерен 104 к межзеренным границам 112 зерен 104.

[0029] В другом варианте выполнения зерна 104 ядерного топлива могут иметь выбранное статистическое распределение характеристических длин. Например, зерна 104 ядерного топлива 100 могут иметь распределение размеров зерен, при котором выбранный процент зерен имеет размер 106 зерна ниже выбранной длины. Например, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь такое распределение размера 106 зерен, что 75% зерен имеют размер 106, равный или меньший чем 5 мкм, со средним размером зерна 3 мкм. В другом варианте выполнения зерна 104 ядерного топлива 100 могут иметь несколько статистических распределений характеристических длин. Например, ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь распределение размеров 106 зерна, в котором 25% зерен имеют размер 106, равный или меньший чем 10 мкм, 25% зерен имеют размер 106, равный или меньший чем 5 мкм, а 10% зерен имеют размер меньше 1 мкм. В другом случае ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь распределение размеров 106 зерна, в котором 25% зерен имеют размер 106 зерна, равный или меньший, чем 10 мкм, а 25% зерен имеют размер 106 зерна, равный или больший, чем 50 мкм. В другом случае ядерное топливо 100, в соответствии с настоящим изобретением, может иметь распределение размеров 106 зерна, в котором 25% зерен имеют размер 106 от 1 мкм до 5 мкм, 50% зерен имеют размер