ЯДЕРНЫЙ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
NUCLEAR FUEL ELEMENT

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, подвергая топливо бета-закалке, можно свести к минимуму такую преимущественную ориентацию и вместо этого содействовать изотропности, например, равномерному распределению кристаллических фаз.
[0053] Тепловыделяющий элемент и тепловыделяющая сборка, содержащая тепловыделяющий элемент, описанный в настоящем документе, могут быть использованы в различных приложениях. Например, со ссылкой на Фиг. 9А, представленную для одного варианта выполнения, предлагается способ использования тепловыделяющей сборки. Способ может включать выбор тепловыделяющей сборки, содержащей множество тепловыделяющих элементов (этап 901); причем тепловыделяющие элементы могут быть любыми из тепловыделяющих элементов, описанных в настоящем документе, и облицовки, расположенной снаружи прокладки. Тепловыделяющая сборка может быть использована для получения энергии (этап 902). Тепловыделяющая сборка может быть использована для ослабления межатомной диффузии (этап 903) 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. Как показано на Фиг. 9b, прокладка может иметь по меньшей мере первый слой, содержащий первую область, и второй слой, содержащий вторую область (как часть этапа 904). В одном варианте выполнения 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.
[0054] В зависимости от области применения, условия в выполняемых этапах способа могут отличаться. Например, со ссылкой на Фиг. 9с, выработка энергии может быть осуществлена при температуре по меньшей мере 300°C (этап 905) - например, по меньшей мере 350°C, по меньшей мере 400°C, по меньшей мере 450°C, по меньшей мере 500°C или более. Как показано на Фиг. 9d, в результате ослабления характеристик прокладки тепловыделяющего элемента, описанного в настоящем документе, в одном варианте выполнения после выработки энергии первая область топлива по существу свободна от элементов из материала оболочки, а вторая область по существу свободна от элементов из кольцевого ядерного топлива (этап 906). Как показано на Фиг. 9е, в одном варианте выполнения топливо по существу не содержит натрия между кольцевым топливом и оболочкой (в составе этапа 907).
Выработка энергии
[0055] Как описано выше, тепловыделяющие сборки, описанные в настоящем документе, могут быть частью источника или генератора энергии, который может быть частью электростанции. Тепловыделяющая сборка может представлять собой тепловыделяющую сборку ядерного топлива. В одном варианте выполнения тепловыделяющая сборка может содержать топливо, множество тепловыделяющих элементов и множество топливных каналов, таких как те, что описаны выше. Указанные топливные каналы могут содержать указанное множество тепловыделяющих элементов, расположенных в них.
[0056] По меньшей мере некоторые из тепловыделяющих сборок, описанных в настоящем документе, могут содержать промежуточные пространства между указанным множеством топливных каналов. Промежуточные пространства могут быть определены как пространство между указанным множеством топливных каналов. По меньшей мере один из теплоносителя, инертного газа, топливного материала и устройства контроля может быть расположен в по меньшей мере некоторых из этих промежуточных пространств. Промежуточные пространства могут быть пустыми или могут содержать некоторые материалы. Например, в промежуточных пространствах может быть расположен по меньшей мере одно из: теплоноситель, инертный газ и топливный материал. Теплоноситель и/или топливный материал могут быть любыми из описанных выше. Инертный газ может быть любым из тех, которые известны в данной области техники, - например, азот, инертный газ (например, аргон, гелий и т.д.). В некоторых вариантах выполнения, промежуточные пространства могут содержать инструмент, такой как любой из тех, что был описан выше, который может быть расположен внутри первой полой структуры или в пространстве между первой и второй полыми структурами. В одном варианте выполнения инструмент представляет собой устройство мониторинга рабочих условий тепловыделяющей сборки.
2
2
2
2
2
2
[0057] Тепловыделяющая сборка, описанная в настоящем документе, может быть выполнена с возможностью получения пика плотности мощности по меньшей мере приблизительно 50 МВт/м, - например, по меньшей мере приблизительно 60 МВт/м, приблизительно 70 МВт/м, приблизительно 80 МВт/м, приблизительно 90 МВт/м, приблизительно 100 МВт/м, или выше. В некоторых вариантах выполнения тепловыделяющая сборка может быть подвергнута радиационному повреждению на уровне по меньшей мере приблизительно 120 смещений на атом («с.н.а.») - например, по меньшей мере, приблизительно 150 с.н.а., приблизительно 160 с.н.а., приблизительно 180 с.н.а., приблизительно 200 с.н.а. или выше.
[0058] Все указанные выше патенты США, публикации заявок на патент США, заявки на патент США, иностранные патенты, иностранные патентные заявки и непатентные публикации, указанные в настоящем описании и/или перечисленных в любом информационном листе заявки, включены в настоящий документ во всей их полноте посредством ссылки, в степени, не противоречащей настоящему описанию. В случае, если одна или несколько из включенных ссылок на литературу и аналогичные материалы отличается от настоящей заявки или ей противоречит, содержит, но не ограничиваясь определением терминов, использованием терминов, описанных методик, или тому подобное, это приложение имеет преимущественную силу.
[0059] Что касается использования в настоящем документе по существу терминов во множественном и/или единственном числе, специалисты могут легко перевести из множественного числа в единственное и/или из единственного числа в множественное, как это уместно, исходя из контекста и/или применения. Различные перестановки единственное число / множественное число не изложены в настоящем документе для ясности.
[0060] Описанный в настоящем документе предмет изобретения иногда иллюстрирует отличающиеся компоненты, содержащиеся внутри него, или связанные с ним, с помощью отличающихся других компонентов. Следует понимать, что такие изображенные конструкции являются исключительно иллюстративными, и что в действительности могут быть реализованы многие другие конструкции, которые дают аналогичную функциональность. В концептуальном смысле любое расположение компонентов для достижения той же функциональности эффективно «связано», так что нужная функциональность достигается. Следовательно, любые два компонента, объединенные в настоящем описании для достижения конкретной функциональности, можно рассматривать как «связанные» друг с другом таким образом, что желаемая функциональность достигается независимо от конструкции или промежуточных компонентов. Аналогично, любые два компонента, так связанные, также можно рассматривать как «функционально связанные» или «эффективно связанные» друг с другом для достижения желаемой функциональности, причем любые два компонента, способные быть так связанными, также можно рассматривать как «функционально связанные» друг с другом для достижения требуемой функциональности. Конкретные примеры эффективной связи включают, но не ограничиваются, физически сочленяемые и/или физически взаимодействующие компоненты, и/или взаимодействующие беспроводным образом и/или взаимодействующие беспроводным образом компоненты и/или логически взаимодействующие и/или логически взаимодействующие компоненты.
[0061] В некоторых случаях один или несколько компонентов может упоминаться в настоящем документе как «выполненный с возможностью», «настроенный на», «действующий / выполненный с возможностью», «адаптированный / выполненный с возможностью», «способный», «соответствующий / соответствует» и т.д. Специалистам в настоящей области техники будет понятно, что такие термины (например, «выполнен с возможностью») могут, как правило, относиться к компонентам в активном состоянии и/или к компонентам в неактивном состоянии и/или к компонентам в режиме ожидания, если контекст не диктует иное.
[0062] Несмотря на то, что выше были показаны и описаны отдельные варианты выполнения раскрытого настоящего предмета изобретения, специалистам в данной области техники следует понимать, что, основываясь на изобретательских идеях, представленных в настоящем документе, изменения и модификации могут быть сделаны без отступления от описанного в настоящем документе предмета изобретения и его более широких аспектов и, следовательно, приложенная формула изобретения охватывает в пределах своего объема все такие изменения и модификации, которые являются непротиворечивыми в пределах сущности и объема описанного в настоящем документе предмета изобретения. Специалистам в данной области техники следует иметь в виду, что, в целом, термины, используемые в настоящем документе, и особенно в формуле изобретения (например, в пунктах приложенной формулы изобретения), как правило, предназначены быть "открытыми" признаками (например, термин "включающий" следует интерпретировать как "включающий, но не ограниченный", термин "имеющий" следует интерпретировать как "имеющий по меньшей мере", термин "содержит" следует интерпретировать как "содержит, но не ограничивается этим", и т.д.). Специалистам в данной области техники следует также понимать, что если предназначено конкретное количество перечислений заявляемых свойств, такое намерение будет явным образом осуществлено в пункте формулы изобретения, а в отсутствие такого перечисления такой цели не преследуется. Например, в качестве помощи для понимания сказанного, следующая приложенная формула изобретения может содержать использование вводных фраз "по меньшей мере один" и "один или большее количество", чтобы ввести требование перечисления. Тем не менее, использование таких фраз не должно быть истолковано как намекающее на то, что введение перечислений заявляемых свойств путем использования неопределенных артиклей "a" или "an", ограничивающее какой-либо конкретный пункт формулы изобретения, содержащий такое перечисление заявляемых свойств, пунктом, который содержит только одно такое перечисление, даже когда тот же самый пункт содержит вводные фразы "один или большее количество" или "по меньшей мере один" и неопределенные артикли, такие как "a" или "an" (например, "a" и/или "an" как правило, должны быть интерпретированы в значении "по меньшей мере один" или "один или большее количество"); то же самое относится и к использованию определенных артиклей, используемых для перечисления заявляемых свойств. Кроме того, даже если определенное число введенных перечислений заявляемых свойств является явным, для специалистов в данной области будет понятно, что такое перечисление, как правило, должны истолковываться как по меньшей мере перечисленное количество (например, простое перечисление "двух перечислений", без других модификаторов, как правило, означает по меньшей мере два перечисления, или два или большее количество перечислений). Кроме того, в тех случаях, когда используется правило, аналогичное "по меньшей мере одно из А, В и С и т.д.", в целом такая конструкция предназначена в том смысле, что специалист в области техники поймет правило (например, "система, имеющая по меньшей мере одно из А, В и С" будет включать, но не ограничиваться системами, которые имеют только одно А, одно В, одно С, А и В вместе, А и С вместе, В и С вместе и/или А, В и С вместе, и т.д.). В тех случаях, когда используется правило, аналогичное "по меньшей мере одно из А, В или С, и т.д.", в целом такая конструкция предназначена в том смысле, что специалист в области техники поймет правило (например," система, имеющая по меньшей мере одно из А, В или С " будет включать, но не ограничиваться системами, которые имеют одно А, одно В, одно С, А и В вместе, А и С вместе, В и С вместе и/или А, В и С вместе, и т.д.). Специалист в области техники также поймет, что обычно дизъюнктивное слово и/или фраза, представляющая два и большее количество альтернативных терминов, будь то в описании изобретения, формуле изобретения или на чертежах, следует понимать как предусматривающая возможность включения одного из терминов, любого из терминов, или обоих терминов, если контекст не диктует иное. Например, фраза "А или В" будет обычно пониматься как возможности «А» или «В», или «А» и «В».
[0063] Что касается формулы изобретения, специалистам в данной области техники следует понимать, что описанные в формуле изобретения операции в целом могут быть выполнены в любом порядке. Кроме того, несмотря на то, что различные операционные потоки представлены в последовательности(ях), следует понимать, что различные операции могут совершаться в других порядках, чем те порядки, которые изображены на чертежах, или же они могут быть выполнены одновременно. Примеры таких альтернативных порядков могут включать перекрытия, чередование, прерывание, переставление местами, инкремент, подготовку, дополнение, одновременность, обратный порядок, или другой вариант упорядочения, если контекст не диктует иное. Кроме того, такие термины, как "выполненный с возможностью отклика на", "связанный с" или другие прилагательные прошедшего времени, как правило, не предназначены для исключения возможности такого варианта, если контекст не диктует иное.
[0064] Специалистам в данной области техники будет понятно, что приведенные выше конкретные иллюстративные процессы и/или устройства и/или технологии являются представителями более общих процессов и/или устройств и/или технологий, приведенных в настоящем документе, например, в формуле изобретения, поданной с настоящей заявкой, и/или в других частях настоящего описания.
[0065] Несмотря на то, что в настоящем документе были описаны различные варианты выполнения и аспекты, другие варианты выполнения и аспекты будут очевидны специалистам в данной области техники. Различные аспекты и варианты выполнения, описанные в настоящем документе, приведены в целях иллюстрации и не предназначены для ограничения, причем истинный объем и сущность изобретения указана в прилагаемой формуле изобретения.
[0066] Любая часть процессов, описанных в настоящем документе, может быть автоматизирована. Автоматизация может быть достигнута с участием по меньшей мере одного компьютера. Автоматизация может быть выполнена с помощью программы, которая хранится на по меньшей мере одном энергонезависимом машиночитаемом носителе. Носитель может представлять собой, например, CD, DVD, USB, жесткий диск и т.д. Выбор полых структур, включая сборки, также может быть оптимизирован с помощью компьютера и/или программного обеспечения.
[0067] Вышеописанные варианты выполнения изобретения могут быть реализованы в любом из многочисленных способов. Например, некоторые варианты выполнения могут быть реализованы с помощью аппаратных средств, программного обеспечения или их комбинации. Когда какой-либо из аспектов варианта выполнения реализуется, по меньшей мере частично, в программном обеспечении, программный код может быть выполнен на любом подходящем процессоре или процессорах, либо находящихся в одном компьютере, либо распределенных между несколькими компьютерами.
[0068] Кроме того, технология, описанная в настоящем документе, может быть воплощена как способ, по меньшей мере один пример которого был описан. Действия, выполняемые в рамках способа, могут иметь любой подходящий порядок. Соответственно, в вариантах выполнения действия могут быть выполнены в любом порядке, отличном от того, что был проиллюстрирован, причем может быть предусмотрено одновременное выполнение некоторых действий, несмотря на то, что они были показаны в иллюстративных вариантах выполнения как последовательные действия.
[0069] Все определения, как определено и используется в настоящем документе, следует понимать как имеющие преференцию перед словарными определениям, определениями в документах, приведенных в качестве ссылки и/или обычными значениями указанных терминов.
[0070] Все значения единственного числа признака, встречающегося первый раз в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, если явно не указано обратное, следует понимать в значении «по меньшей мере один».
[0071] Выражение «и/или», как используется в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, следует понимать в значении «один или оба» элементов, так соединенных, то есть элементов, которые конъюнктивно присутствуют в некоторых случаях и дизъюнктивно - в других случаях. Несколько элементов, перечисленных с помощью конструкции «и/или» следует толковать таким же образом, как «один или несколько» элементов, так соединенных. Другие элементы могут необязательно присутствовать, кроме элементов, специально определенных в конструкции «и/или», независимо от того, связаны они или не связаны с этими определенными элементами. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, ссылка на «А и/или В», когда используется в сочетании с неограничивающим пониманием, таким как «включающий», может, в одном варианте выполнения, пониматься как только А (возможно, включая другие элементы кроме В); в другом варианте - только В (возможно, включая другие элементы кроме А); в еще одном варианте выполнения - и к А, и к В (возможно, включая другие элементы); и т.д.
[0072] Как используется в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, «или» следует понимать как имеющее такое же значение, что и «и/или», как определено выше. Например, при разделении элементов в списке, «или» или «и/или» следует интерпретировать как включающие, то есть, включение по меньшей мере одного, но в т.ч. и более чем одного, из числа или списка элементов и, необязательно, дополнительных неуказанных элементов. Только термины, четко указывающие на обратное, такие как «только один из» или «точно один из» или, при использовании в формуле изобретения, «состоящий из», будут относиться к включению точно одного элемента из числа или списка элементов. В целом, термин «или», как используется в настоящем документе, будет означать только исключающие альтернативные варианты (т.е. «один или другой, но не оба»), когда им предшествуют исключающие конструкции, такие как «либо…либо», «один из», «только один из» или «точно один из». При использовании в формуле изобретения, конструкция «состоящий по существу из» должна иметь свой обычный смысл, используемый в области патентного права.
[0073] Как используется в настоящем документе в описании и в формуле изобретения, выражение «по меньшей мере один», со ссылкой на список из одного или нескольких элементов, следует понимать как по меньшей мере любой один элемент, выбранный из любого одного или нескольких элементов в списке элементов, но не обязательно включающее по меньшей мере один из каждого элемента, конкретно указанного в списке элементов, и не исключающее какие-либо комбинации элементов в списке элементов. Это определение также допускает, что элементы могут необязательно присутствовать, кроме элементов, специально определенных в перечне элементов, к которым относится фраза «по меньшей мере один», независимо от того, связаны они или не связаны с этими определенными элементами. Таким образом, в качестве неограничивающего примера, «по меньшей мере один из А и В» (или, что эквивалентно, «по меньшей мере один из А или В» или, что то же самое, «по меньшей мере один из А и/или В») может относиться, в одном варианте выполнения, к по меньшей мере одному, необязательно содержащим более чем один А, без В (и, возможно включая другие элементы, кроме В); в другом варианте выполнения - к по меньшей мере одному, возможно включая более одного, В, без А (и, возможно включая другие элементы, кроме А); в еще одном варианте выполнения - к по меньшей мере одному, необязательно включая больше чем один А, и к по меньшей мере одному, необязательно включая больше чем один, В (и, возможно включая другие элементы); и т.д.
[0074] Все диапазоны, указанные в настоящем документе, являются включающими. Термины «по существу» и «приблизительно», используемые в настоящем описании, используются для описания и учета малых флуктуации. Например, они могут ссылаться на значения, меньшие или равные ±5%, например, меньшие или равные ±2%, например, меньшие или равные ±1%, например, меньшие или равные ±0,5%, в частности, меньшие или равные ±0,2%, например, меньшие или равные ±0,1%, например, меньшие или равные ±0,05%.
[0075] В формуле изобретения, а также в приведенном выше описании все переходные фразы, такие как «включающий», «несущий на себе», «имеющий», «содержащий», «в том числе», «вмещающий», «составленный из», и т.п., следует понимать как неограничивающие, т.е., как включающий, но не ограниченный этим. Только переходные фразы «состоящий из» и «состоящий по существу из» должны быть замкнутыми или полузамкнутыми переходными фразами, соответственно, как изложено в Разделе 2111.03 Руководства по методике патентной экспертизы Патентного Ведомства Соединенных Штатов Америки.
[0076] Формулу изобретения не следует понимать как ограниченную описанным порядком или элементами, если только это явным образом не указано. Следует понимать, что специалист в данной области техники может сделать различные изменения в форме и деталях, без отступления от сущности и объема прилагаемой формулы изобретения. Все варианты выполнения, которые находятся в пределах сущности и объема прилагаемой формулы изобретения, являются ее эквивалентами.
[0077] Аспекты изобретения, описанного в настоящем документе, изложены в следующих пронумерованных параграфах:
[0078] 1. Изделие, содержащее:
кольцевое ядерное топливо;
прокладку, расположенную снаружи от кольцевого ядерного топлива; и
слой оболочки, расположенный снаружи прокладки;
причем прокладка содержит 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.
[0079] 2. Изделие по п. 1, в котором первый материал выполнен с возможностью ослабления межатомной диффузии между первым материалом и кольцевым ядерным топливом.
[0080] 3. Изделие по п. 1, в котором первый материал и второй материал выполнены с возможностью ослабления межатомной диффузии между первым и вторым материалом.
[0081] 4. Изделие по п. 1, в котором второй материал выполнен с возможностью ослабления межатомной диффузии между вторым материалом и оболочкой.
[0082] 5. Изделие по п. 1, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере одно топливо, выбранное из U, Th, Am, Np и Pu.
[0083] 6. Изделие по п. 1, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере один огнеупорный материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0084] 7. Изделие по п. 1, в котором слой оболочки содержит по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики.
[0085] 8. Изделие по п. 1, в котором слой оболочки содержит сталь, которая по существу вся имеет по меньшей мере одну фазу, выбранную из мартенситной фазы, ферритовой фазы и аустенитной фазы.
[0086] 9. Изделие по п. 1, в котором слой оболочки содержит по меньшей мере одну сталь, выбранную из мартенситной стали, ферритной стали, аустенитной стали, стали с дисперсными оксидами, стали Т91, стали Т92, стали НТ9, стали 316 и стали 304.
[0087] 10. Изделие по п. 1, в котором ядерное топливо, прокладка и слой оболочки механически связаны.
[0088] 11. Изделие по п. 1, в котором первая область прокладки расположена в первом слое, а вторая область прокладки расположена во втором слое.
[0089] 12. Изделие по п. 11, в котором первый слой и второй слой механически связаны.
[0090] 13. Изделие по п. 2, в котором по меньшей мере один из первого материала и второго материала содержит по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0091] 14. Изделие по п. 1, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере 90% по весу U.
[0092] 15. Реактор для выработки энергии, содержащий изделие по п. 1.
[0093] 16. Ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий:
кольцевое ядерное топливо;
прокладку, расположенную снаружи от ядерного топлива и содержащий первый слой, контактирующий с ядерным топливом, и второй слой, и
слой оболочки, расположенный снаружи прокладки, содержащий по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики, причем оболочка контактирует со вторым слоем прокладки.
[0094] 17. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере один огнеупорный материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0095] 18. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере 90% по весу U.
[0096] 19. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором слой оболочки содержит по меньшей мере, один материал, выбранный из Cr, C, Мо, Ni, Mn, V, W, Si, Cu, N, S и Р.
[0097] 20. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором слой оболочки содержит по меньшей мере одну сталь, выбранную из мартенситной стали, ферритной стали, аустенитной стали, стали с дисперсными оксидами, стали Т91, стали Т92, стали НТ9, стали 316 и стали 304.
[0098] 21. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой содержит по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0099] 22. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором второй слой содержит по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0100] 23. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой имеет толщину приблизительно 20 микрон.
[0101] 24. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором второй слой имеет толщину приблизительно 10 микрон.
[0102] 25. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором по меньшей мере один из (i) ядерного топлива и первого слоя и (ii) слоя оболочки и второго слоя по существу свободен от межатомной диффузии между указанными слоями при температуре, большей или равной комнатной температуре.
[0103] 26. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором по меньшей мере один из (i) ядерного топлива и первого слоя и (ii) слоя оболочки и второго слоя по существу свободен от межатомной диффузии между указанными слоями при температуре, большей или равной приблизительно 95°C.
[0104] 27. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой и второй слой по существу свободны от межатомной диффузии между указанными слоями при температуре, большей или равной 350°C.
[0105] 28. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой и второй слой по существу свободны от межатомной диффузии между указанными слоями.
[0106] 29. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, дополнительно содержащий переходный слой, расположенный между первым слоем и вторым слоем и имеющий толщину, меньшую или равную от приблизительно 2 до приблизительно 5 микрон.
[0107] 30. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой по существу не содержит атомов элементов, продиффундированных из оболочки.
[0108] 31. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором второй слой по существу не содержит атомов элементов, продиффундированных из топлива.
[0109] 32. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, в котором первый слой и второй слой содержат различные материалы.
[0110] 33. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16, по существу не содержащий натрия между ядерным топливом и слоем оболочки.
[0111] 34. Реактор для выработки энергии, содержащий ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16.
[0112] 35. Энергоустановка, содержащая ядерный тепловыделяющий элемент по п. 16.
[0113] 36. Ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий:
первое и второе ядерные топлива, каждый из которых имеет первый конец и второй конец; и
слой оболочки, расположенный снаружи по меньшей мере 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;
причем разделитель содержит первую область, контактирующую с первым концом одного из первого и второго элементов топлива, и вторую область, контактирующую со вторым концом другого из первого и второго элементов топлива.
[0114] 37. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, в которой разделитель выполнен с возможностью ослабления расширения по меньшей мере одного из первого и второго ядерного топлива в осевом направлении.
[0115] 38. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, дополнительно содержащий второй разделитель, расположенный проксимально над нижней поверхностью ядерного тепловыделяющего элемента.
[0116] 39. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, в котором по меньшей мере одна из первой области и второй области содержит по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0117] 40. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, в котором разделитель выполнен с возможностью ослабления межатомной диффузии между ядерным топливом и слоем оболочки по меньшей мере в одном из первого конца первого ядерного топлива или второго конца второго ядерного топлива.
[0118] 41. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, в которой разделитель содержит по меньшей мере первый слой, имеющий первую область, и второй слой, имеющую вторую область.
[0119] 42. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36, дополнительно содержащий прокладку, расположенный поверх по меньшей мере одного из первого и второго ядерного топлива;
причем прокладка содержит по меньшей мере первый слой, выполненный с возможностью контакта с по меньшей мере одним из первого и второго ядерного топлива, и второй слой, выполнен с возможностью контакта с оболочкой.
[0120] 43. Реактор для выработки энергии, содержащий ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36.
[0121] 44. Энергоустановка, содержащая ядерный тепловыделяющий элемент по п. 36.
[0122] 45. Способ изготовления ядерной тепловыделяющей сборки, включающий:
выбор 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 внутри слоя оболочки, причем второй слой контактирует со слоем оболочки.
[0123] 46. Способ по п. 45, в котором дополнительно обжимают по меньшей мере два из: ядерного топлива, прокладки и оболочки.
[0124] 47. Способ по п. 45, в котором дополнительно над ядерным топливом выполняют по меньшей мере один процесс, выбранный из литья, экструзии, прокатки, сварки труб и бесшовной сварки.
[0125] 48. Способ по п. 45, в котором дополнительно:
нагревают ядерное топливо до первой температуры по меньшей мере температуры бета-перехода ядерного топлива; и
охлаждают ядерное топливо до второй температуры, которая ниже, чем первая температура, при условии, которое способствует формированию равноосных зерен.
[0126] 49. Способ по п. 45, в котором размещение по меньшей мере одного из первого слоя и второго слоя включает по меньшей мере одно из: осаждение из паровой фазы и электрохимическое покрытие.
[0127] 50. Способ по п. 45, в котором дополнительно связывают первый слой и второй слой.
[0128] 51. Способ использования тепловыделяющей сборки, включающий:
выбор тепловыделяющей сборки, содержащей множество тепловыделяющих элементов, причем тепловыделяющие элементы содержат:
кольцевое ядерное топливо;
прокладку, расположенную снаружи от кольцевого ядерного топлива; и
оболочку, расположенную снаружи прокладки;
причем прокладка имеет 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;
выработку 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.
[0129] 52. Способ по п. 51, в котором прокладка содержит по меньшей мере первый слой, имеющий первую область, и второй слой, имеющий вторую область.
[0130] 53. Способ по п. 51, в котором указанную выработку осуществляют при температуре, равной по меньшей мере 300°C.
[0131] 54. Способ по п. 51, в котором после указанной выработки первая область является по существу свободной от элементов из слоя оболочки, а вторая область является по существу свободной от элементов из ядерного топлива.
[0132] 55. Способ по п. 51, в котором по меньшей мере один из тепловыделяющих элементов по существу не содержит натрия между ядерным топливом и оболочкой.
[0133] 56. Ядерный тепловыделяющий элемент, содержащий:
кольцевое ядерное топливо;
прокладку, расположенный снаружи от кольцевого топлива, содержащую первый слой, контактирующий с ядерным топливом, и второй слой, и
слой оболочки, расположенный снаружи прокладки, содержащий по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики, причем 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 мкм до приблизительно 5 мкм.
[0134] 57. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 56, в котором ядерное топливо содержит по меньшей мере 90% по весу U.
[0135] 58. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 56, в котором по меньшей мере один из первого слоя и второго слой содержит по меньшей мере один материал, выбранный из Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf.
[0136] 59. Ядерный тепловыделяющий элемент по п. 56, в котором слой оболочки содержит сталь, которая по существу вся имеет по меньшей мере одну фазу, выбранную из мартенситной фазы, ферритовой фазы и аустенитной фазы.
[0137] 60. Реактор для выработки энергии, содержащий ядерный тепловыделяющий элемент по п. 56.