用于制造具有受控数量核颗粒的核燃料元件的系统和方法与流程

本文公开的各种示例性实施例总体上涉及均匀分布在基体(matrix)中的核材料颗粒的核燃料元件的制备。

背景技术：

1、通常，核燃料元件由分布在基体中的核材料的颗粒组成。核燃料颗粒可以是铀化合物、钚化合物或钍化合物。在各种实施例中，核燃料颗粒核可以含有核金属的陶瓷内核。在铀的情况下，这种陶瓷内核可以包括氧化铀(uo2)、碳氧化铀(uco)、碳化铀(uc2或uc)或氮化铀(un)。核燃料颗粒可以包含裸露的内核，或用保护性的碳层或陶瓷层包覆的内核。在各种实施例中，核燃料颗粒可以含有铀陶瓷化合物内核，其涂覆有保护性陶瓷层或碳层。

2、核燃料元件可以是三结构各向同性(tri-structural isotropic，triso)燃料颗粒。这种triso颗粒包括不同厚度和不同化学组成(碳、sic或zrc)的多层。为了制造triso颗粒，将陶瓷核燃料内核依次用以下物质涂覆：

3、多孔碳层；

4、热解炭内层；

5、陶瓷层(例如碳化硅、碳化钨、碳化锆或氮化锆层)；以及

6、热解碳外层。

7、核燃料元件由均匀分布在基体中的核燃料内核的涂覆或非涂覆颗粒组成。包围燃料的基体可以是石墨、陶瓷(如sic或zrc)或树脂(如酚醛树脂)。燃料元件可以成形为球形、长方体形或圆柱形。燃料元件可以是：

8、总体上是同质的，具有均匀分布的核燃料颗粒；

9、非同质的，具有包含分散在基体材料中的燃料颗粒的内部核，以及不含核燃料的基体材料的外层；

10、非同质的，具有不含核燃料的基体材料的内部核和外层，以及在内部核与外层之间的含燃料的层；以及

11、非同质的，具有多层，每层包括不同类型或尺寸的燃料颗粒。

12、燃料元件可以包括基体材料中的可燃毒物，或者作为嵌入在基体材料内的不同颗粒。这种可燃毒物防止在燃料元件的寿命早期因核燃料过剩引起临界状态，同时随着核燃料的消耗而被中子吸收消耗。

13、含有triso颗粒的核燃料元件可用于产生核链式反应，其中，一个单个的核反应引起平均一个或多个随后的核反应。中子倍增因子k表示来自引起另一裂变的一个裂变反应的中子的平均数量，并且被定义为：

14、

15、通常，k的值决定核反应如何进行。具体地，

16、如果k大于1，链式反应是超临界的，中子数将指数增长；

17、如果k小于1，链式反应是亚临界的，中子数将指数衰减；

18、如果k＝1，则链式反应是临界的，中子数将保持恒定。

19、由于核燃料元件的基体材料内存在的可裂变材料的总量影响倍增因子k的值，因此值得期望的是一种用于制造具有可预测质量负荷的燃料元件的系统。为了达到一致性，燃料内核应均匀地分布在放射性燃料元件中。

技术实现思路

1、鉴于当前对提供具有核内核的受控分布的核燃料元件的改进方法的需要，给出了各种实施例的简要概述。在以下
技术实现要素：
中可以进行一些简化和省略，其旨在突出和介绍各种实施例的一些方面，而不是限制本发明的范围。

2、本文公开的各种实施例涉及一种用于制造具有已知体积的均匀分布的核材料的核燃料元件的方法，包括以下步骤：

3、沿着具有出口的通道供给核燃料颗粒，所述通道具有被配置成将所述核燃料颗粒输送到所述出口的输送器；

4、驱动所述输送器，直到目标数量的核燃料颗粒通过所述出口离开所述通道；以及

5、用光学计数器对通过所述通道的出口的核燃料颗粒的数量进行计数；

6、在所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道之后停止所述输送器；

7、将所述目标数量的核燃料颗粒供给到用于使核燃料元件成形的模具中；

8、用粒状基体材料填充含有所述目标数量的核燃料颗粒的模具，以便将所述目标数量的核燃料颗粒均匀地分布在所述粒状基体材料内；以及

9、将所述粒状基体材料转化成固体基体材料，其中，所述目标数量的核燃料颗粒中的核材料的体积是已知的。

10、根据本文公开的各种实施例，在将所述目标数量的核燃料颗粒供给到所述模具中之后，所述模具由足量体积的粒状基体材料填充，以填充任何空隙空间，使得所述核燃料颗粒中的核材料的体积与所述燃料元件中的固体基体材料的体积的比率是已知的。

11、在各种实施例中，驱动所述输送器可以包括驱动振动式输送器，所述振动式输送器具有沿着所述通道的长度延伸至所述出口的输送器表面，以及被配置成振动所述输送器表面的电机。

12、在各种实施例中，所述通道可以具有沿着所述通道的长度延伸至所述出口的管状或半圆柱形输送器表面，所述通道中具有带螺纹的螺旋钻(auger)。驱动所述输送器可以包括旋转所述螺旋钻以将所述螺旋钻的螺旋螺纹内的颗粒沿着所述输送器表面驱动到所述出口。电机被配置成使所述螺旋钻旋转。

13、在各种实施例中，所述通道可以具有沿着所述通道的长度延伸至所述出口的倾斜的金属输送器表面。所述输送器可以由重力进给(gravity feed)、被配置为振动所述输送器表面的电机或其组合所驱动。如果所述输送器由重力进给驱动，则停止所述输送器可以包括关闭在所述通道出口处的闸门。如果所述输送器由振动驱动，则停止所述输送器可包括停止所述电机。

14、在各种实施例中，驱动所述输送器可以包括驱动具有至少两个辊子和由至少两个所述辊子承载的环形带的输送器，所述环形带沿着所述通道的长度延伸至所述出口；并且，电机被配置成使至少两个所述辊子旋转。

15、在所公开的方法中，所述光学计数器可以包括：

16、激光器，定位在所述通道的出口处，其中所述激光器被配置成发射光束，其中每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时，所述光束被打断；

17、传感器，被配置成接收来自所述激光器的光束，其中所述传感器被配置成每当所述光束被打断时，发送第一信号；以及

18、控制电路，其中所述控制电路被配置为：

19、每当所述光束被打断时，接受来自所述传感器的第一信号，并且计算离开所述通道的核燃料颗粒的数量；以及

20、当所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道时，向驱动所述输送器的电机发送第二信号。

21、停止所述输送器的步骤包括，在所述电机接收到所述第二信号之后，停止驱动所述输送器的电机。

22、在所公开的方法中，所述光学计数器可以包括：

23、摄像头，定位在所述输送器的出口处，其中所述摄像头被配置成每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时，发送第一信号；以及

24、控制电路，其中所述控制电路被配置为：

25、每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时，接收来自所述摄像头的第一信号，并计算离开所述通道的核燃料颗粒的数量；以及

26、当所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道时，向驱动所述输送器的电机发送第二信号。

27、停止所述输送器的步骤包括，在所述电机接收到所述第二信号之后，停止驱动所述输送器的所述电机。

28、在所公开的方法中，所述光学计数器可以包括：

29、高功率led，定位在所述通道的出口处，其中所述led被配置成照射光线通过离开所述通道的颗粒所采取的路径；

30、数字摄像头，被配置为接收来自所述led的光线并记录图像序列；以及

31、控制电路，其中所述控制电路被配置为：

32、针对暗点分析所述图像序列中的每个图像，其中每个暗点对应于颗粒；

33、记录所述图像序列中的颗粒总数，直到达到目标数量的颗粒为止；以及

34、当达到所述目标数量的颗粒时，向驱动所述输送器的电机发送信号。

35、停止所述输送器的步骤包括，在所述电机接收到信号之后，停止驱动所述输送器的所述电机。

36、在本文公开的各种实施例中，将所述粒状基体材料转化成固体基体材料的步骤可以通过使所述模具内的核燃料颗粒和粒状基体材料经受热等静压、冷等静压、放电等离子烧结或单轴压制进行。所述模具内的所述粒状基体材料可以是石墨、酚醛树脂或金属碳化物(例如sic或zrc)。所述模具内的所述粒状基体材料还可包括聚合物粘合剂和/或可燃毒物。合适的可燃毒物包括钆、硼、铪和/或其化合物。

37、本文公开的各种实施例涉及一种用于制造具有已知量的均匀分布的核材料的核燃料元件的系统，包括：

38、具有出口的通道，所述通道被配置成接收核燃料颗粒；

39、输送器，被配置为沿着所述通道将所述核燃料颗粒输送到所述出口；

40、光学计数器，被配置为对通过所述通道的所述出口的核燃料颗粒的数量进行计数，并且当目标数量的核燃料颗粒离开所述通道时，发送第一信号；以及

41、电机，被配置为驱动所述输送器，直到所述目标数量的核燃料颗粒通过所述出口离开所述通道，并且在接收到来自所述光学计数器的所述第一信号之后，停止所述输送器。

42、所述系统还可以包括模具或在模具之前的中间容器，被配置成接收所述目标数量的核燃料颗粒和粒状基体材料，并且将所述目标数量的核燃料颗粒均匀地分布在所述粒状基体材料内。所述模具可以是石墨模具、金属模具、或聚合物或弹性体模具。在各种实施例中，通过在用所述核燃料颗粒和所述粒状基体材料填充模具的同时振动所述模具，实现所述目标数量的核燃料颗粒的均匀分布。

43、在所述系统的各种实施方式中，所述输送器是振动式输送器，所述振动式输送器具有输送器表面，所述输送器表面沿着所述通道的所述长度延伸至所述出口；以及被配置成振动所述输送器表面的电机。在系统的一些实施例中，所述输送器具有至少两个辊子和由至少两个所述辊子承载的环形带，所述环形带沿着所述通道的所述长度延伸至所述出口；以及被配置成使至少两个所述辊子旋转的电机。在系统的一些实施例中，所述输送器可以包括带螺纹的螺旋钻或倾斜的金属输送器。

44、所公开的系统中的所述光学计数器可以包括：

45、激光器，定位在所述输送器的所述出口处，其中所述激光器被配置成发射光束，其中

46、每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时，所述光束被中断；

47、传感器，被配置为接收来自所述激光器的所述光束，其中所述传感器被配置成每当所述光束被中断时，发送第二信号；以及

48、控制电路，其中所述控制电路被配置为：

49、每当所述光束被中断时，接收来自所述传感器的所述第二信号，并且计算离开所述通道的核燃料颗粒的数量；以及

50、当所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道时，将所述第一信号发送到所述电机。

51、所公开的系统中的所述光学计数器可以包括：

52、摄像头，定位在所述输送器的所述出口处，其中所述摄像头被配置成每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时发送第二信号；以及

53、控制电路，其中所述控制电路被配置为：

54、每当所述核燃料颗粒中的一个离开所述通道时，接收来自所述摄像头的所述第二信号；以及

55、当所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道时，将所述第一信号发送到所述电机。

56、本发明公开的各种实施例涉及一种用于制造具有可预测倍增因子k的核燃料元件的方法，所述方法包括沿着具有输送器的通道供给具有已知粒度的核燃料颗粒，所述输送器被配置为将所述核燃料颗粒输送到出口。驱动所述输送器，直到目标数量的核燃料颗粒通过所述出口离开所述通道。光学计数器用于对通过所述通道的所述出口的核燃料颗粒的数量进行计数。在所述目标数量的核燃料颗粒离开所述通道之后，停止所述输送器，并且用所述目标数量的核燃料颗粒和粒状基体材料填充模具。在填充步骤期间，振动所述模具以便使所述核燃料颗粒均匀地分布在所述粒状基体材料内。将所述粒状基体材料转化为固体基体材料。由于核(nuclear)内核(kernel)均匀地分布在所述基体材料内，并且所述核内核具有相似的粒度，因此所得的燃料元件具有倍增因子k的最小值。

技术特征：

1.一种用于制造具有已知体积的均匀分布核材料的核燃料元件的方法，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在将所述目标数量的核燃料颗粒供给到所述模具中之后，粒状基体材料的体积足以填充所述模具中的任何空隙空间，使得所述核燃料颗粒中的核材料的体积与所述燃料元件中的固体基体材料的体积的比率是已知的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中：

4.根据权利要求1所述的方法，其中：

5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述输送器是倾斜的金属输送器。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学计数器包括：

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光学计数器包括：

8.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述粒状基体材料转化成固体基体材料的步骤包括，使所述模具内的核燃料颗粒和粒状基体材料经受热等静压、冷等静压、放电等离子烧结或单轴压制。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒状基体材料包括石墨、酚醛树脂或金属碳化物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述金属碳化物包括sic或zrc。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述粒状基体材料还包含粘合剂。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粒状基体材料还包含选自由以下项组成的组的可燃毒物：钆、硼、铪及其化合物。

13.一种用于制造具有已知量的均匀分布的核材料的核燃料元件的系统，包括：

14.根据权利要求13所述的系统，还包括：

15.根据权利要求13所述的系统，其中：

16.根据权利要求13所述的系统，其中：

17.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光学计数器包括：

18.根据权利要求13所述的系统，其中，所述光学计数器包括：

19.根据权利要求13所述的系统，其中，所述模具是金属模具、石墨模具或橡胶模具。

20.一种用于制造具有可预测倍增因子k的核燃料元件的方法，包括：

技术总结
一种光学计数器，被用于制造具有已知体积的均匀分布的核材料的核燃料元件的方法和系统中。该方法包括沿着通道供给核燃料颗粒，该通道具有配置为将核燃料颗粒输送到出口的输送器；驱动输送器直到目标数量的核燃料颗粒通过出口离开通道；以及用光学计数器对通过通道的出口的核燃料颗粒的数量进行计数。在目标数量的核燃料颗粒离开通道之后，停止输送器。将目标数量的核燃料颗粒供给到用于使核燃料元件成形的模具中，并且用粒状基体材料填充模具中剩余的空隙空间，以便使目标数量的核燃料颗粒均匀地分布在粒状基体材料内。然后将粒状基体材料转化成固体基体材料。

技术研发人员：B·布勒姆
受保护的技术使用者：埃克斯能量有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5