Ядерный тепловыделяющий элемент

Ядерный тепловыделяющий элемент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Приоритет настоящей заявки заявляется по дате подачи предварительной заявки на патент США №61/747073, поданной 28 декабря 2012, и по дате подачи заявки на промышленный образец США №13/794633, поданной 11 марта 2013, которые включены в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.

ПРЕДПОСЫЛКИ

[0002] Настоящее изобретение относится к тепловыделяющим элементам и способам, связанным с этим элементом.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0003] Раскрытые варианты выполнения описывают тепловыделяющие элементы, топливные каналы, тепловыделяющие сборки, способы их изготовления и использования.

[0004] Вышеуказанное является сущностью изобретения и, таким образом, может содержать упрощения, обобщения, включения и/или исключения из подробного описания; следовательно, специалистам в настоящей области техники будет понятно, что сущность изобретения является только иллюстративной и не предназначена вносить какие-либо ограничения. В дополнение к любым описанным в настоящем документе иллюстративным аспектам, вариантам выполнения и признакам, дополнительные аспекты, варианты выполнения и признаки станут очевидными при ссылке на чертежи и нижеследующее подробное описание. Другие аспекты, признаки и преимущества устройств и/или способов и/или других описанных в настоящем документе объектов изобретения станут очевидны из изложенных далее изобретательских идей.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0005] Специалисту в данной области техники будет понятно, что чертежи, прежде всего, предназначены для иллюстративных целей и не предназначены для ограничения объема описанного в настоящем документе объекта изобретения. Чертежи не обязательно выполнены в масштабе; в некоторых случаях для облегчения понимания различных функций различные аспекты раскрытого в настоящем документе изобретения могут быть показаны на чертежах преувеличенными или увеличенными. На чертежах одинаковые номера позиций в целом относятся к подобным признакам (например, функционально подобные и/или конструктивно подобные элементы).

[0006] Фиг. 1а-1b схематически изображают виды в аксонометрии в частичном разрезе иллюстративной (а) тепловыделяющей сборки ядерного топлива и (b) тепловыделяющего элемента в одном иллюстративном варианте выполнения.

[0007] Фиг. 2а-2b представляют собой виды в аксонометрии в частичном разрезе тепловыделяющего элемента (а) в аксонометрии, (b) в поперечном разрезе в одном иллюстративном варианте выполнения.

[0008] Фиг. 3 представляет собой частичную схематическую иллюстрацию тепловыделяющего элемента в качестве альтернативного иллюстративного варианта выполнения.

[0009] Фиг. 4 представляют собой схематическую иллюстрацию межатомной диффузии среди различных компонентов тепловыделяющего элемента в одном варианте выполнения.

[0010] Фиг. 5а-5b изображают схематическую иллюстрацию тепловыделяющей сборки с сепаратором 51, расположенным между первым тепловыделяющим элементом 52 и вторым тепловыделяющим элементом 53 в одном иллюстративном варианте выполнения; (а) показывает, что все компоненты находятся в контакте друг с другом; (b) показывает, что компоненты не находятся в контакте друг с другом (в целях иллюстрации).

[0011] Фиг. 6а и 6b-6е соответственно изображают блок-схему процесса изготовления тепловыделяющего элемента и иллюстративные подробности процесса в одном иллюстративном варианте выполнения.

[0012] Фиг. 7 представляет собой блок-схему последовательности процесса изготовления ядерного топлива в одном иллюстративном варианте выполнения.

[0013] Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций процесса изготовления ядерного топлива в одном альтернативном иллюстративном варианте выполнения.

[0014] Фиг. 9а и 9b-9e соответственно представляют собой блок-схемы процесса использования тепловыделяющей сборки и иллюстративные подробности процесса в одном иллюстративном варианте выполнения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Введение

[0015] В последующем подробном описании ссылки даются на прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего описания. Использование подобных или одинаковых символов на разных чертежах обычно указывает на подобные или идентичные элементы, если из контекста явным образом не следует иное.

[0016] Иллюстративные варианты выполнения, описанные в подробном описании, показанные на чертежах и заявленные в формуле изобретения, не предназначены быть ограничивающими. Могут быть использованы другие варианты выполнения и могут быть сделаны другие изменения, не отступая от сущности или объема представленного в настоящем документе изобретения.

[0017] Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что описанные в настоящем документе элементы (например, операции), устройства, объекты и сопровождающее их обсуждение используются в качестве примеров ради концептуальной ясности, и что также могут быть предусмотрены различные модификации конфигурации. Следовательно, как он используется в настоящем документе, конкретные изложенные в настоящем документе примеры и сопровождающее описание предназначены быть представителем более общих классов. В целом, использование конкретного примера предназначено быть представителем в своем классе, а не включение конкретных компонентов (например, операций), устройств, и объектов не должны быть восприняты как ограничение.

[0018] При описании настоящего изобретения для ясности изложения используются формальные заголовки разделов. Тем не менее, следует понимать, что заголовки разделов предназначены для представления изложения, и что различные типы объектов изобретения могут обсуждаться во всем описании (например, устройство(а)/конструкция(и) могут быть описаны в разделе процесс(ы)/операция(и), и/или процесс(ы)/операция(и) могут быть описаны в разделе конструкция(и)/процесс(ы); и/или описания отдельных тем может занимать два или большее количество разделов). Следовательно, использование формальных заголовков разделов не предназначено быть ограничивающим.

Обзор

[0019] В качестве обзора, в одном варианте выполнения предлагается изделие, содержащее: кольцевое ядерное топливо; прокладку, расположенную снаружи от кольцевого ядерного топлива; и слой оболочки, расположенный снаружи прокладки. Прокладка может содержать первую область, расположенную рядом с ядерным топливом и содержащую первый материал, и вторую область, расположенную рядом со слоем оболочки и содержащую второй материал, который отличается от первого материала.

[0020] В другом варианте выполнения предлагается ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий: кольцевое ядерное топливо; прокладку, расположенную снаружи ядерного топлива, причем прокладка содержит первый слой, контактирующий с ядерным топливом, и второй слой, и слой оболочки, расположенный снаружи прокладки, причем слой оболочки содержит по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики, при этом оболочка контактирует со вторым слоем прокладки.

[0021] В другом варианте выполнения предлагается ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий: первое и второе ядерное топливо, причем каждое из первого и второго ядерного топлива имеет первый конец и второй конец; и слой оболочку, расположенный снаружи по меньшей мере одного из первого и второго ядерного топлива; и сепаратор, расположенный между первым концом одного из первого и второго ядерного топлива, и вторым концом другого из первого и второго ядерного топлива; причем сепаратор содержит первую область, контактирующую с первым концом одного из первого и второго тепловыделяющих элементов, и вторую область, контактирующую со вторым концом другого из первого и второго тепловыделяющих элементов.

[0022] В другом варианте выполнения предлагается способ изготовления ядерной тепловыделяющей сборки, включающий: размещение кольцевого ядерного топлива и слоя оболочки снаружи ядерного топлива; размещение первого слоя прокладки снаружи ядерного топлива, причем первый слой контактирует с ядерным топливом; и размещение второго слоя прокладки снаружи слоя оболочки, причем второй слой контактирует со слоем оболочки.

[0023] В другом варианте выполнения предлагается способ использования тепловыделяющей сборки, включающий: размещение тепловыделяющей сборки, содержащей множество тепловыделяющих элементов, причем тепловыделяющие элементы содержат: кольцевое ядерное топливо; прокладку, расположенную снаружи кольцевого ядерного топлива; и оболочку, расположенную снаружи прокладки; генерацию энергии с использованием тепловыделяющей сборки; и ослабление межатомной диффузии между по меньшей мере одним из: (i) первым материалом и вторым материалом; (ii) первым материалом и ядерным топливом; и (iii) вторым материалом и слоем оболочки. Прокладка может содержать первую область, расположенную рядом с ядерным топливом и содержащую первый материал, и вторую область, расположенную рядом со слоем оболочки и содержащую второй материал, который отличается от первого материала.

[0024] В другом варианте выполнения предлагается ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий: кольцевое ядерное топливо; прокладку, расположенную снаружи от кольцевого топлива, причем прокладка содержит первый слой, контактирующий с ядерным топливом, и второй слой, и слой оболочки, расположенный снаружи прокладки, причем слой оболочки содержит по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики, при этом слой оболочки контактирует со вторым слоем прокладки; и переходный слой, расположенный между первым слоем и вторым слоем и имеющий толщину, меньшую или равную от приблизительно 2 микрон до приблизительно 5 микрон.

[0025] В другом варианте выполнения предлагается кольцевое ядерное топливо, которое способно к высокому выгоранию с несколькими барьерами, расположенных между ядерным топливом и оболочкой тепловыделяющего элемента, и изготовленное с минимальной необходимостью термосвязующих материалов.

Тепловыделяющая сборка

[0026] Фиг. 1а обеспечивает частичную иллюстрацию тепловыделяющей сборки 10, выполненной в соответствии с одним вариантом выполнения. Тепловыделяющая сборка может представлять собой делящуюся тепловыделяющую сборку или воспроизводящую тепловыделяющую сборку. Сборка может содержать тепловыделяющие элементы (или «топливные стержни» или «твэлы») 11. Фиг. 1b обеспечивает частичную иллюстрацию тепловыделяющего элемента 11, выполненного в соответствии с одним вариантом выполнения. Как показано в этом варианте выполнения, тепловыделяющий элемент 11 может содержать материал 13 оболочки, топливо 14 и, в некоторых случаях, по меньшей мере один зазор 15.

[0027] Топливо может быть герметично расположено внутри полости с помощью внешнего материала 13 оболочки. В некоторых случаях несколько топливных материалов могут быть уложены в осевом направлении, как показано на Фиг. 1b, но это не является обязательным. Например, тепловыделяющий элемент может содержать только один топливный материал. В одном варианте выполнения между топливным материалом и материалом оболочки может иметься зазор(ы) 15, однако это не является обязательным. В одном варианте выполнения зазор заполнен газом при повышенном давлении, например, гелием при повышенном давлении. В дополнительном варианте выполнения зазор может быть заполнен натрием.

[0028] Топливо может содержать любые способные к ядерному делению материалы. Способный к ядерному делению материал может содержать металл и/или металлический сплав. В одном варианте выполнения топливо может быть металлическим топливом. Должно быть понятно, что металлическое топливо имеет относительно высокую концентрацию тяжелых металлов и высокий коэффициент полезного использования нейтронов, который очень желателен для процессов на бегущей волне реактора ядерного деления. В зависимости от применения, топливо может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из U, Th, Am, Np и Pu. Термин «элемент», как представлено в настоящем документе химическим символом, может относиться к тому, что находится в Периодической Таблице Элементов, и его не следует путать с «элементом» «тепловыделяющего элемента». В одном варианте выполнения топливо может содержать по меньшей мере приблизительно 90% по массе U - например, по меньшей мере, 95% по массе, 98% по массе, 99% по массе, 99,5% по массе, 99,9% по массе, 99,99% по массе или более U. Топливо может дополнительно содержать огнеупорный материал, который может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir и Hf. В одном варианте выполнения топливо может содержать дополнительные выгорающие поглотители нейтронов, такие как бор, гадолиний или индий.

[0029] В одном варианте выполнения металлическое топливо может быть легировано цирконием от приблизительно 3% по массе до приблизительно 10% по массе, чтобы размерно стабилизировать сплав при облучении и предотвратить образование низкотемпературной эвтектики и коррозионное повреждение оболочки. Тепловая связь натрия заполняет зазор, который существует между сплавом топлива и внутренней стенкой трубки оболочки, чтобы обеспечить набухание топлива и эффективную передачу тепла, который может поддерживать низкой температуру топлива. В одном варианте выполнения отдельные тепловыделяющие элементы 11 могут иметь тонкую проволоку 12 диаметром от приблизительно 0,8 мм до приблизительно 1,6 мм, спирально обернутую по окружности трубки оболочки, чтобы обеспечить пространство для теплоносителя и механическое разделение отдельных тепловыделяющих элементов 56 внутри корпуса тепловыделяющих сборок 18 и 20 (которое также служат в качестве канала для теплоносителя). В одном варианте выполнения оболочка 13 и/или обернутая проволока 12 может быть изготовлена из ферритно-мартенситной стали, из-за эффективности ее облучения, как указано набором эмпирических данных.

Тепловыделяющий элемент

[0030] «Тепловыделяющий элемент», такой как элемент 10, показанный на Фиг. 1а-1b, в тепловыделяющей сборке энергетического реактора обычно может иметь форму цилиндрического стержня. Тепловыделяющий элемент может быть частью энергетического реактора, который является частью атомной электростанции. В зависимости от применения, тепловыделяющий элемент может иметь любые соответствующие размеры в отношении его длины и диаметра. Фиг. 2а-2b представляют собой различные виды схематических иллюстраций тепловыделяющего элемента. Тепловыделяющий элемент может содержать слой 21 оболочки, топливо 22, расположенное внутри слоя оболочки. В случае ядерного реактора топливо может содержать (или быть) ядерным топливом. В одном варианте выполнения ядерное топливо может представлять собой кольцевое ядерное топливо. Как показано на Фиг. 2а-2b, в одном варианте выполнения тепловыделяющий элемент может содержать прокладку 23, расположенную между ядерным топливом 22 и слоем 21 оболочки. Прокладка может содержать несколько слоев (например, 231 и 232).

[0031] Топливо может иметь любую геометрию. В одном варианте выполнения топливо имеет кольцевую геометрию. В таком варианте выполнения топливо в кольцевой форме может обеспечивать возможность достижения требуемого уровня плотности топлива после определенного уровня выгорания. Кроме того, такая кольцевая конфигурация может поддерживать силы сжатия между топливом и оболочкой, чтобы способствовать теплопередаче. Топливо может быть адаптировано к различным свойствам, в зависимости от применения. Например, топливо может иметь любой уровень плотности. В одном варианте выполнения желательно иметь более высокую плотность топлива, например, как можно ближе к теоретической плотности урана (в случае, в котором топливо содержит уран), насколько это возможно. В другом варианте выполнения низкая степень пористости может способствовать предотвращению образования дополнительных внутренних пустот во время облучения.

[0032] Материал оболочки для слоя оболочки может содержать любой подходящий материал, в зависимости от применения. В одном варианте выполнения слой оболочки может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики. В одном варианте выполнения оболочка может содержать огнеупорный материал, такой как тугоплавкий металл, включая по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.

[0033] Металлический сплав в слое оболочки может, в одном иллюстративном варианте выполнения, представлять собой сталь. Сталь может быть выбрана из аустенитной стали, ферритной-мартенситной стали, стали с дисперсными оксидами, стали Т91, стали Т92, стали НТ9, стали 316 и стали 304. Сталь может иметь любой тип микроструктуры. Например, сталь может содержать по меньшей мере одну фазу из мартенситной фазы, ферритной фазы и аустенитной фазы. В одном варианте выполнения по существу вся сталь имеет по меньшей мере одну фазу, выбранную из мартенситной фазы, ферритовой фазы и аустенитной фазы.

[0034] В некоторых случаях, особенно при высоком выгорании, элементы топлива и оболочки могут стремиться диффундировать, в результате чего происходит нежелательное легирование и, таким образом, ухудшается материал топлива и оболочки (например, путем де-легирования топлива и/или слоя оболочки, или формирования нового сплава с ухудшенными механическими свойствами). Прокладка может служить в качестве барьерного слоя между топливом и материалом оболочки, чтобы уменьшить такую межатомную диффузию элементов. Например, прокладка может быть использована для уменьшения межатомной диффузии между элементами топлива и материалом оболочки, чтобы избежать, например, деградацию топлива и/или материала оболочки инородными (и иногда нежелательными) элементами. Прокладка может содержать один слой или несколько слоев, например, по меньшей мере, 2, 3, 4, 5, 6 или большее количество слоев. В случае, когда прокладка содержит несколько слоев, эти слои могут содержать одинаковые или разные материалы и/или иметь одинаковые или различные свойства. Например, в одном варианте выполнения по меньшей мере некоторые из слоев могут содержать один и тот же материал, а некоторые содержать различные материалы.

[0035] В одном варианте выполнения прокладка может содержать первую область, расположенную рядом с топливом, и вторую область, расположенную рядом с материалом оболочки. Область, в одном варианте выполнения, может представлять собой слой или часть слоя, частично охватывающую подлежащий материал. На Фиг. 2а-2b, в одном варианте выполнения, прокладка 23 может содержать по меньшей мере два слоя 231 и 232. Первая область прокладки может быть расположена в первом слое 231, а вторая область прокладки может быть расположена во втором слое 232. Первая область может содержать первый материал, а вторая область может содержать второй материал. Первый материал может быть тем же самым, что и второй материал, или отличаться от второго материала. Также может быть использована дополнительная область (области) и/или слои, включая один (или несколько) между первой и второй областями.

[0036] Первый слой 231 и второй слой 232 могут имеет толщину; значения толщины могут быть одинаковыми или отличаться друг от друга. В одном варианте выполнения первый слой 231 может иметь толщину по меньшей мере приблизительно 20 микрон, например, по меньшей мере 30 мкм, 40 мкм, 60 мкм, 80 мкм, 100 мкм или более. Второй слой 232 может иметь толщину приблизительно 10 микрон, например, по меньшей мере 20 мкм, 40 мкм, 60 мкм, 80 мкм, 100 мкм или более. Возможны большие или меньшие значения. Толщины первого слоя 231 и второго слоя 232 могут быть одинаковыми или разными. Первый слой 564 может быть толще или тоньше, чем второй слой 232, или они могут иметь одинаковую толщину.

[0037] Как показано на Фиг. 3, в одном варианте выполнения прокладка 23 тепловыделяющего элемента 11 может содержать дополнительный переходный слой 233, расположенный между первым слоем 231 и вторым слоем 232. Переходный слой 233 может содержать по меньшей мере одно из: металл, сплав, керамику и полимер. В одном варианте выполнения переходный слой может содержать эпоксидную смолу или полимер. Переходный слой может быть тоньше, по сравнению с первым и/или вторым слоем. В одном варианте выполнения переходный слой может иметь толщину, меньшую или равную от приблизительно 1 до приблизительно 10 микрон, например, от приблизительно 2 до приблизительно 5 мкм, от приблизительно 3 до приблизительно 4 мкм.

[0038] Соответствующий материал области (слоя) может быть выбран с определенными свойствами. Например, первый материал (в случае, когда первая область расположена рядом с топливом) может быть выбран таким образом, что они адаптированы для ослабления межатомной диффузии между первым материалом и ядерным топливом. Как показано на Фиг. 4, атомы 411 ядерного топлива 41 и атомы 421 слоя 42 оболочки могут стремиться диффундировать наружу (см. стрелки). Аналогичным образом, атомы 4311 первого слоя 431 и атомы 4321 второго слоя 432 (прокладки 43) могут стремиться диффундировать наружу (см. стрелки).

[0039] В результате указанного ослабления в этом варианте выполнения, если и может быть образовано соединение из элементов первого слоя и топлива, то в очень небольшом количестве. Таким образом, область 44, которая содержит атомы 411 и 4311, как показано на Фиг. 4, может и не существовать вовсе; причем, если она все же существует, то ее толщина будет очень небольшой, например, меньшей или равной 20%, например, меньшей или равной 10%, 5%, 2%, 1%, 0,5%, или меньше от толщина ядерного топлива и/или слоя. В другом варианте выполнения первый материал и второй материал могут быть выбраны таким образом, что они адаптированы для ослабления межатомной диффузии между первым слоем 431 и вторым слоем 432. Таким образом, область 45, которая содержит атомы 4311 и 4321, как показано на Фиг. 4, может и не существовать вовсе; причем, если она все же существует, то ее толщина будет очень небольшой, например, такой как вышеупомянутый диапазон для области 44. В другом варианте выполнения второй материал может быть выбран таким образом, что он адаптирован для ослабления межатомной диффузии между вторым слоем 432 и слоем 42 оболочки. Таким образом, область 46, которая содержит атомы 4321 и 421, как показано на Фиг. 4, может и не существовать вовсе; причем, если она все же существует, то ее толщина будет очень небольшой, например, такой как вышеупомянутый диапазон для области 44.

[0040] Ослабление в настоящем документе может относиться к уменьшению и/или предотвращению, но не обязательно относится к полному устранению. В одном варианте выполнения, ослабление межатомной диффузии может относиться к предотвращению такой диффузии в такой степени, что можно наблюдать минимальную диффузию (или даже ее отсутствие). Одним из результатов такого ослабления является минимальное образование соединения, содержащего элементы, продиффундированные от различных компонентов, (в целом) наблюдаемые на границе раздела между компонентами. Хотя в некоторых случаях ослабление может описывать отсутствие наличия инородных элементов, в некоторых других случаях ослабление может охватывать минимальное наличие инородных элементов в материале, в результате диффузии из другого компонента (тепловыделяющего элемента). Соответственно, в одном варианте выполнения ослабление межатомной диффузии может относиться к наличию незначительного количество инородных элементов. Таким образом, как показано на Фиг. 4, в одном варианте выполнения первый слой 431 по существу свободен от атомов элементов, продиффундировавших из оболочки 42, а второй слой 432 по существу свободен от атомов элементов, продиффундировавших из топлива 42. В одном варианте выполнения тепловыделяющий элемент по существу свободен от натрия между топливом 41 и слоем 42 оболочки.

[0041] Тепловыделяющие элементы, описанные в настоящем документе, обеспечивают возможность ослабления межатомной диффузии между различными компонентами тепловыделяющего элемента. Как показано на Фиг. 4, в одном варианте выполнения по меньшей мере одно из: (i) первый материал в первом слое 431 и второй материал во втором слое 432; (ii) первый материал (в первом слое 431) и ядерное топливо 41; и (iii) второй материал (во втором слое 432) и слой 42 оболочки по существу свободно от межатомной диффузии между ними. В одном варианте выполнения по меньшей мере одно из: (i) топливо 41 и первый слой 431, и (ii) наружный слой 42 и второй слой 432, по существу свободно от межатомной диффузии между ними. Тепловыделяющие элементы, описанные в настоящем документе, могут быть по существу свободны от межатомной диффузии в широком диапазоне температур. Например, это может наблюдаться при температуре выше или равной комнатной температуре, например, по меньшей мере, 50°C, 95°C, 100°C, 150°C, 200°C, 250°C, 300°C, 350°C, 400°C, 450°C, 500°C, 550°C, 600°C, 650°C, 700°C, 750°C, 800°C или выше.

[0042] Как первый материал в первом слое 431, так и второй материал во втором слое 432 (или чаще в случае, когда имеются дополнительные материалы) может иметь свои собственные свойства материала, такие как химические свойства, тепловые свойств и т.п. Например, материал может быть выбран, поскольку он является инертным по отношению к компоненту, расположенному рядом с ним (топливо или оболочка). Например, любой из этих материалов может содержать по меньшей мере один огнеупорный материал. Огнеупорный материал может содержать тугоплавкий металл или сплав, который содержит материал, имеющий по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. В одном варианте выполнения первый материал содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из V и Cr. В одном варианте выполнения первый материал содержит V. В другом варианте выполнения второй элемент содержит Zr.

[0043] По меньшей мере в одном варианте выполнения описанные тепловыделяющие элементы могут и не содержать натрий. Несколько уже существующих методик используют Na в тепловыделяющем элементе для формирования слоя расплава между топливом и оболочкой, чтобы обеспечить тепловой контакт между топливом и оболочкой. Тем не менее, натрий в этих уже существующих методиках может паразитически поглощать нейтроны или рассеивать нейтроны. Тепловыделяющие элементы, описанные в настоящем документе, содержат прокладку, которая находится в контакте как с оболочкой, так и с топливом и, таким образом, нет необходимости в использовании натрия для содействия такому контакту. Хотя натрий и не требуется, натрий по-прежнему может быть использован в некоторых вариантах выполнения тепловыделяющих элементов, описанных в настоящем документе.

[0044] По меньшей мере некоторые из компонентов тепловыделяющих элементов могут быть связаны. Связь может быть физической (например, механической) или химической. В одном варианте выполнения ядерное топливо и оболочка механически соединены. В одном варианте выполнения первый слой и второй слой механически соединены. Способы связи описаны ниже.

Разделитель Тепловыделяющего Элемента

[0045] Тепловыделяющие элементы, описанные в настоящем документе, могут дополнительно содержать по меньшей мере один разделитель между ядерными топливами. Например, в одном варианте выполнения предусмотрен тепловыделяющий элемент, содержащий: первое и второе ядерное топливо, каждый из которых имеет первый конец и второй конец; и слой оболочки, расположенный по меньшей мере снаружи одного из первого и второго ядерного топлива; и разделитель, расположенный между первым концом одного из первого и второго ядерного топлива и вторым концом другого из первого и второго ядерного топлива. Разделитель может содержать первую область, контактирующую с первым концом одного из первого и второго тепловыделяющего элемента, и вторую область, контактирующую со вторым концом другого из первого и второго тепловыделяющего элемента. Тепловыделяющий элемент может быть любым из тех, что описан в настоящем документе. В этом одном варианте выполнения разделитель может быть расположен между первым концом одного из первого и второго тепловыделяющего элемента и вторым концом другого из первого и второго тепловыделяющего элемента.

[0046] Как показано на Фиг. 5, разделитель 51 может иметь любую конфигурацию и состав. Например, разделитель может быть выполнен с возможностью быть похожим на прокладку, описанную в настоящем документе. Другими словами, в случае, когда различные виды топлива 52 и 53 расположены аксиально, разделитель 51 может быть выполнен с возможностью ослабления расширения ядерного топлива в осевом направлении. Фиг. 5а-5b иллюстрируют схематические виды тепловыделяющего элемента с разделителем 51 между первым топливом 52 и вторым топливом 53. Фиг. 5а показывает все компоненты, когда они находятся в контакте друг с другом, а Фиг. 5b показывает их, когда они не находятся в контакте друг с другом (в целях иллюстрации). В этом варианте выполнения разделитель 51 может содержать первую область (например, в первом слое 511), контактирующую с первым концом 521 одного из первого и второго тепловыделяющего элемента, - в этом примере первого тепловыделяющего элемента 52. Разделитель 51 может содержать вторую область (например, в первом слое 512), контактирующую со вторым концом 431 другого из первого и второго тепловыделяющего элемента, - в этом примере второго тепловыделяющего элемента 53. В одном варианте выполнения разделитель 51 выполнен с возможностью ослабления межатомной диффузии между ядерным топливом и слоем оболочки, по меньшей мере в одном из первого конца 521 первого ядерного топлива 52 или второго конца второго ядерного топлива 53. Может использоваться более одного разделителя, когда в тепловыделяющем элементе может присутствовать более двух видов топлива. В одном варианте выполнения тепловыделяющий элемент может иметь расположенный проксимально по нижней поверхности цилиндрического тепловыделяющего элемента второй (или большее количество) дополнительный разделитель. Этот дополнительный разделитель может служить в качестве торцевой крышки тепловыделяющего элемента.

[0047] Как и в прокладке, описанной в настоящем документе, разделитель может иметь по меньшей мере первый слой 511, содержащий первую область, и второй слой 512, содержащий вторую область. В одном варианте выполнения первая область разделителя может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. В другом варианте выполнения вторая область разделителя может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.

Способы изготовления / использования тепловыделяющего элемента

[0048] Тепловыделяющий элемент и тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющий элемент, описанный в настоящем, могут быть изготовлены различными способами. Как показано на Фиг. 6a, в одном варианте выполнения представлен способ изготовления изделия, которое может представлять собой тепловыделяющий элемент. Способ может включать выбор ядерного топлива и слоя оболочки (этап 601); размещение первого слоя прокладки снаружи кольцевого ядерного топлива, причем первый слой контактирует с кольцевым ядерным топливом (этап 602); и размещение второго слоя прокладки внутри слоя оболочки, причем второй слой контактирует со слоем оболочки (этап 603). В одном варианте выполнения второй слой может быть расположен поверх первого слоя. Размещение может включать плакирование (например, электролитическим способом), осаждение из паровой фазы (например, химическое или физическое осаждение из паровой фазы) или другие подходящие способы. Например, могут быть использованы электрохимические покрытия.

[0049] Например, прокладка (которая может быть любой из описанных в настоящем документе) может быть расположен над топливом, например, снаружи по отношению к топливу. В другом варианте выполнения первый слой прокладки может быть расположен над топливом, а второй слой прокладки может быть расположен над оболочкой. Первый слой и второй слой в этом варианте выполнения могут впоследствии быть соединены вместе, с помощью, например, склеивания при нагревании. Также могут быть использованы и другие альтернативные порядки этапов формирования различных компонентов тепловыделяющего элемента, в зависимости от применения.

[0050] Могут быть использованы дополнительные этапы процесса. Как показано на Фиг. 6b, процесс может дополнительно содержать этап размещения второго слоя поверх первого слоя прокладки (этап 604). Как показано на Фиг. 6c, процесс может дополнительно включать связывание первого слоя и второго слоя (этап 605) прокладки. В одном варианте выполнения первый и второй слои прокладки, а также другие компоненты тепловыделяющего элемента, могут быть связаны, как описано выше. Связывание может быть химическим или физическим. Примером физического связывания может быть механическое соединение. В одном варианте выполнения механическое соединение может включать обжатие. Как показано на Фиг. 6d, обжатие может быть осуществлено для по меньшей мере двух из: кольцевого топлива, прокладки и оболочки (этап 606). В одном варианте выполнения обжатие применяют ко всем этим компонентам тепловыделяющего элемента. В одном варианте выполнения топливо, такое как кольцевое топливо, может быть покрыто прокладкой путем осаждения, например, осаждения из паровой фазы (физическое или химическое осаждение из паровой фазы), а оболочка обжата поверх него. Как показано на Фиг. 6е, в одном варианте выполнения способ может дополнительно включать выполнение на кольцевом ядерном топливе по меньшей мере одного процесса, выбранного из литья, экструзии, прокатки, сварки труб и бесшовной сварки (этап 607). В одном варианте выполнения слои прокладки могут быть ко-экструдированы поверх топлива. В другом варианте выполнения, прокладка и/или топливо может скользить в полость оболочки для создания контакта и образования тепловыделяющего элемента.

[0051] Способ может дополнительно включать способ изготовления топлива. Как показано на Фиг. 7, топливо может быть изготовлено путем сжатия и/или спекание частиц, содержащих топливо (которые могут быть любыми из описанных в настоящем документе) в требуемую форму (этап 701) - например, стержень. Топливо может быть дополнительно уплотнено (этап 702), чтобы ликвидировать внутренние пустоты и увеличить плотность близко к теоретической плотности топлива. После формирования топлива в форме стержня, стержень может быть отлит в форму с получением конечного продукта (этап 703). В этом варианте выполнения, который включает отливку, не обязательно использовать прессование и спекание. Процесс изготовления топлива может дополнительно включать по меньшей мере один процесс, выбранный из отливки, экструзии, прокатки, сварки труб и бесшовной сварки. Например, в одном варианте выполнения, отливка топлива может быть использована непосредственно в тепловыделяющем элементе внутри прокладки и/или оболочки.

[0052] В одном варианте выполнения, путем изменения рабочего параметра, может быть адаптирована микроструктура и, следовательно, свойства материала компонентов тепловыделяющих элементов. Рабочий параметр может относиться к температуре, давлению и т.д. Как показано на Фиг. 8, способы изготовления тепловыделяющего элемента, описанного в настоящем документе, могут дополнительно включать нагревание ядерного топлива до первой температуры, по меньшей мере температуры бета-перехода ядерного топлива (этап 801); и охлаждение кольцевого ядерного топлива до второй температуры, которая ниже, чем первая температура (этап 802). Охлаждение от температуры бета-перехода может быть достаточно быстрым, так что такое охлаждение считается бета-закалкой. В одном варианте выполнения, поскольку температура гамма-перехода гораздо выше, чем температура бета-перехода, то температура, до которой нагревают топливо, может включать (или даже превысить) температуру гамма-перехода. Изменение температуры и скорости такого изменения могут быть осуществлены, например, в условиях, способствующих формированию равноосных зерен. В одном варианте выполнения, применение бета-закалки может минимизировать образование преимущественных ориентацией в зерне, а вместо этого может содействовать изотропности зерна, включая по меньшей мере радиальную изотропность. В одном варианте выполнения, в котором топливо после экструзии содержит зерна с преимущественной ориентацией,