CN101821813A - 用于聚变-裂变发动机的固体空芯燃料 - Google Patents

用于聚变-裂变发动机的固体空芯燃料 Download PDF

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Abstract

一种用于聚变-裂变发动机的燃料卵石，包括缓冲材料和包围该缓冲材料的可转换或易裂变燃料壳。该燃料卵石还包括包围可转换或易裂变燃料壳的安全壳。该安全壳包括碳化硅。该燃料卵石还包括包围安全壳的复合材料层以及包围复合材料层的熔覆层。

Description

用于聚变-裂变发动机的固体空芯燃料
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年10月4日提交的美国临时专利申请号60/997,780，题为“Hybrid Fusion-Fission Reactor(混合聚变-裂变反应堆)”和2008年5月29日提交的美国临时专利申请号61/130,200，题为“Hybrid Fusion-Fission Reactor Using Laser InertialConfinement Fusion(使用激光惯性约束聚变的混合聚变-裂变反应堆)”在35U.S.C.§119(e)下的优先权，为了所有目的，上述各申请的公开内容特此通过引用并入。
关于在联邦资助研究或发展下的本发明权利的声明
根据美国能源部与劳伦斯利弗莫尔国家安全有限责任公司(Lawrence Livermore National Security，LLC.)之间的合同号为DE-AC52-07NA27344的合同，美国政府享有本发明的权利。
发明背景
由能源信息署和当前的政府间气候变化专门委员会(IPCC)设计的方案预测：全球电力需求从当前水平的约2太瓦电力(TWe)到2030年的4TWe增加一倍，且2100年将达到8-10TWe。他们还预测，在未来的30至50年，电力生产需求的大部分仍然将由以煤炭和天然气为代表的化石燃料提供。煤炭提供当今世界电能的41％，且预计到2030年将提供45％。此外，来自IPCC的最新报告已经把人造的CO2源排放到大气中将对地球气候产生重大影响的可能性定为90％。“照常营业”的底线方案表明，CO2排放可能为2050年现实水平的差不多2.5倍。当试图稳定和减少大气中CO2浓度并减轻随之而来的气候变化时，为了满足发达国家和发展中国家日益增长的能源需求，新技术和可替代能源比以往任何时候更是必不可少的。
核能，一种无碳排放的能源，自20世纪50年代以来，已经成为世界能源生产的重要组成部分，并且目前约占世界电力生产的16％，原则上，分数还可以继续增长。然而，有几个因素使其长期可持续增长具有困难。这些关注包括：核燃料的循环造成核材料和技术扩散的风险；长时间存在的放射性核废料的产生需要埋藏在深地质处置库中；当前依赖一次通过性的开式核燃料循环；以及低成本、低碳足迹铀矿的获取。仅在美国，核反应堆已经产生了超过55,000公吨(MT)的乏核燃料(SNF)。在不久的将来，我们将有大量的乏核燃料来填满尤卡山废物地质处置库70,000公吨的法定限制。
对于未来发电，核聚变是具有吸引力的能源选择，对于正在开发的核聚变电站有两个主要的方法。在第一种方法中，惯性约束聚变(ICF)利用激光器、重离子束或脉冲电源来快速地压缩装有氘(D)和氚(T)的混合物的胶囊。随着胶囊半径的减少和DT气体密度及温度的增加，DT聚变反应在压缩的胶囊中心的一个小点上发生。这些DT聚变反应产生α粒子和14.1MeV的中子。核聚变燃烧从该点向前传播，产生巨大的能量增益。第二种方法，磁聚变能(MFE)利用强大的磁场来约束DT等离子体，并产生需要维持燃烧等离子体并产生能量增益的条件。
在加利福尼亚利弗莫尔的劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)，正在开发用于ICF的重要技术，主要是国家点火装置(NIF)。在那里，实现热核聚变点火和燃烧所设计的基于激光的惯性约束聚变的项目利用1至1.3MJ的激光能。预计大约有10至20MJ的核聚变量。如果核聚变技术，其本身，被用于发电成本效益，在中央热点核聚变位置，预计需要超过200MJ的核聚变量。因此，重大的技术挑战仍然是如何实现以纯惯性约束聚变能为动力的经济。
发明概述
根据本发明，提供了涉及用于聚变-裂变核发动机(fusion-fissionnuclear engine)的燃料的技术，我们称之为激光惯性-约束聚变-裂变能(LIFE)。这种发动机将在我们通常指定的与本申请同时提交的共同待审的美国专利申请序列号______，题为“Control of a LaserInertial Confinement Fusion-Fission Power Plant(激光惯性约束聚变-裂变核电站的控制)”中更加详细说明，其内容通过引用并入。更具体地，本发明的实施方式提供了一种适合用于激光惯性约束聚变-裂变电站的强化燃料卵石(enhanced fuel pebble)。仅仅通过实施例的方式，本发明已经应用于设计和制造具有高燃耗能力的强劲的固体空芯燃料卵石(robust solid hollow core fuel pebble)。本文说明的方法和系统也适用于其他核电站的设计。
根据本发明的实施方式，提供了一种用于聚变-裂变发动机的燃料卵石。该燃料卵石包括缓冲材料(buffer material)(例如，多孔碳气凝胶)和在缓冲材料周围形成空壳的可转换或易裂变燃料。在具体的实施方式中，易裂变燃料壳包括铀氧-碳化物。该燃料卵石还包括包围可转换或易裂变燃料壳的安全壳(containment shell)。该安全壳包括碳化硅(SiC)。该燃料卵石还包含包围安全壳的复合材料层和包围复合材料层的熔覆层。该复合材料层包括高强度碳纤维包裹物(carbonfiber wrap)，其中在特定的实施方式中，碳纤维涂有比如碳化硅(SiC)之类的防护材料。
根据本发明的另一个实施方式，提供了一种制造用于聚变-裂变发动机的燃料卵石的方法。该方法包括：形成可转换或易裂变壳，并在该可转换或易裂变壳中装入缓冲材料。该方法还包括：形成包围可转换或易裂变壳的安全壳，并用复合材料层包裹安全壳。该方法还包括：形成包围复合材料层的一层耐磨且耐腐蚀的熔覆层。该熔覆层还有助于形成用于保持裂变气体的密封压力边界。
根据本发明的可选实施方式，提供了一种用于聚变-裂变核发动机的燃料卵石。该燃料卵石包括泡沫芯和包围该泡沫芯的可转换或易裂变壳。该燃料卵石还包括包围可转换或易裂变壳的安全壳和包围安全壳的复合材料层。该复合材料层包括具有防护涂层的碳纤维丝。该复合材料层的屈服应力大于碳化硅(SiC)的内在强度，对于特定的类型，测得的屈服应力约为450Mpa。该燃料卵石还包括包围复合材料层的熔覆层。
与常规技术相比，通过本发明实现了许多益处。例如，本技术提供了一种用于核反应堆的强劲的燃料，该燃料可实现可转换或易裂变材料的高燃耗而不会有燃料卵石的失效。另外，本发明的实施方式提供了一种具有高质量分数的可转换材料的燃料卵石。此外，与例如三结构同向性(tri-structural iso-tropic)(TRISO)燃料之类的常规燃料相比，本文说明的燃料卵石的壁应力被降低到与金属原子燃烧水平可以相比的最终量值。根据该实施方式，可以达到一个或多个这些效果。在下文中，上述和其他的有益效果将通过本说明书更详细和更具体地描述。
本发明的这些和其他目的和特征以及获取这些目的和特征的方式对于本领域的技术人员变得明显，并且通过参考下述的详细描述并结合附图阅读，本发明本身将被更好地理解。
附图简述
图1是根据本发明实施方式的固体空芯燃料卵石的简化示意图；
图2是根据本发明实施方式的固体空芯燃料卵石的应力随径向距离而变的简化图表；
图3是根据本发明实施方式的说明制造固体空芯燃料卵石的方法的简化流程图；以及
图4是根据本发明实施方式的说明可转换或易裂变燃料生产工艺的简化流程图。
具体实施方式详述
根据本发明，提供了涉及用于核发动机的燃料的技术。更具体地，本发明的实施方式提供了适合用于激光惯性约束聚变-裂变电站的强化燃料卵石。仅仅通过实施例的方式，本发明已经应用于设计和制造具有高燃耗能力的强劲的固体空芯(SHC)燃料卵石。本文说明的方法和系统也适用于其他核电站的设计。在题为“Control of a LaserInertial Confinement Fusion-Fission Power Plant(激光惯性约束聚变-裂变电站的控制)”的美国专利申请号______(代理人档案号027512-000400)和题为“TRISO Fuel for High Burn-Up NuclearEngine(用于高燃耗核发动机的TRISO燃料)”的美国专利申请号(代理人档案号027515-000600US)中，提供了涉及核聚变-裂变发动机的更多讨论，为了所有目的，上述申请的公开内容特此通过引用全部并入。
本发明人已经确定，在包括惰性材料的常规压紧中的可转换材料的质量分数由产生常规压紧的燃料颗粒的填充效率所限制。作为示例，在一些常规的TRISO颗粒中，利用不可转换或易裂变材料来提供用于颗粒消耗空间的机械结构，而其不可用于可转换材料。因此，当TRISO颗粒与惰性材料一起压紧以形成燃料卵石时，卵石中的可转换材料的质量分数受到限制。
另外，发明人已经确定，在一些燃料颗粒的设计中，从可转换或易裂变材料到冷却液的传热受到设置在可转换或易裂变材料和该冷却液之间的惰性材料所限制。作为示例，对于位于燃料卵石外表面处的冷却液，来自在可转换或易裂变材料中发生的裂变反应的热必须运输内核和冷却液之间的材料。在该示例中，传热性能随颗粒和卵石设计而变化，从而限制了理想的传热。
图1是根据本发明实施方式的固体空芯燃料卵石的简化示意图。在图1所描述的实施方式中，燃料卵石100被称为固体空芯(SHC)卵石，因为卵石的芯优选为多孔或纳米多孔泡沫材料。该卵石的空芯中的泡沫可以由碳、金属或陶瓷形成。参照图1，缓冲材料110(如，泡沫芯)存在于燃料卵石的中心。在下文中更充分说明的特定实施方式中，该缓冲材料包括注塑成型到可转换或易裂变燃料壳的芯中的金属泡沫。在一些实施方式中，这个泡沫材料提供牺牲碳化硅(SiC)的来源，并且还提供用于贮藏在可转换或易裂变内核120中经由泡沫表面上的化学吸附作用产生的裂变气体的区域。在图1所示的实施方式中，内核120为包围泡沫材料110的可转换铀氧-碳化物(UOC)壳。
由于泡沫芯位于可转换壳120内部，并且不会包围可转换或易裂变内核，所以该泡沫材料不会导致内核与燃料卵石外部的冷却液的隔离。这样，在裂变过程中，从内核产生的热向冷却液传输，而不会穿过泡沫芯。因此，与常规的设计相比，本发明的实施方式提供了改善的导热率，因为裂变过程中产生的热从内核向外部传输，且热必须穿过的隔离材料的量被减少。
在一个实施方式中，泡沫材料由多孔碳芯制成，其为裂变气体提供膨胀容积。除了这种多孔碳或其他的泡沫材料之外，上述芯还可包括牺牲碳化硅(SiC)材料。例如，牺牲碳化硅(SiC)材料可以与作为裂变副产品产生的钯反应以形成Pd5Si。芯中的钯的消耗防止钯反应，并从而使得碳化硅(SiC)安全壳降解，下文将更充分地说明。此外，在芯中使用牺牲碳化硅(SiC)将缓解燃料材料被裂变产物攻击。一个或多个热解碳层可以作为芯110的一部分被包括，并且可以作为缓冲材料和可转换或易裂变壳之间的过渡层，这在下文中将进行详细描述。
固体空芯燃料卵石还包括包围泡沫芯的可转换或易裂变壳120。该可转换或易裂变壳能包括多种材料，例如金属铀、二氧化铀(UO2)、碳化铀、铀氧-碳化物(UOC)、氮化铀及各种其他形式的铀；金属钚、二氧化钚(PuO2)、碳化钚、钚氧-碳化物(PuOC)、氮化钚及其他各种形式的钚；以及各种形式的钍或类似材料。该燃料材料可以源于武器级钚、高浓缩铀、用核燃料的轻水反应堆、贫铀、天然铀、天然钍矿，或类似材料。
在泡沫芯和可转换壳的界面处，有可能形成1∶3∶3∶5的U∶Pd∶Si∶C，作为可转换或易裂变壳中的钯和铀以及泡沫芯中的碳化硅(SiC)反应的结果。具有～1952℃的熔点的1∶3∶3∶5的U∶Pd∶Si∶C可用于消除裂变产物，即钯，并且是非常稳定的。在这个反应期间，其他的高熔点难熔化合物也可以形成，或任何其他的牺牲材料。
包围可转换壳的是包含一个或多个下列材料的多用途层或系列层130：碳化硅(SiC)、碳化锆和/或热解碳。碳化硅(SiC)将提供与例如钯之类的裂变产物反应的牺牲材料。以上讨论了包含碳化硅(SiC)的牺牲材料的使用。碳化锆层提供了扩散阻挡层(diffusion barrier)，该扩散阻挡层减少或阻止可转换或易裂变内核的裂变产物与碳化硅(SiC)安全壳140的直接接触。此外，ZrC可作为氧吸收剂，以减少由于来自例如UOC之类的游离氧的产生而引起的氧分压。位于空内核和碳化硅(SiC)安全壳之间的热解碳层可作为从内核到SiC壳的过渡层，这在下文将更充分地说明。该过渡层提供延长燃料卵石的实用性和寿命的界面利益。
碳化硅牺牲材料、碳化锆阻挡层和/或热解碳过渡层被形成，无论作为连续的一层或多层堆栈，其中的每一层，可以被称为子层，都可以一次或多次以周期或非周期的方式沉积。因此，例如，多层碳化锆阻挡层可以与其他子层共同沉积，以形成多用途“层”130。
碳化硅(SiC)安全壳140是包围内部层的环状壳，并且构成了用于容纳燃料卵石内的裂变气体的压力容器或结构的一部分。在本文说明的固体空芯燃料卵石的设计中，碳化硅(SiC)安全壳140不必承担由裂变气体造成的全部的压力，因为包围碳化硅(SiC)壳的附加层对裂变气体的容纳也有贡献。因此，本发明的实施方式不同于仅利用单层碳化硅(SiC)层来容纳裂变气体压力的一些常规设计。如下所述，图1所示的系列层既增加了燃料卵石的强度又增加了利用较少材料时的类似强度。通过利用较少量的惰性材料，可转换或易裂变材料的质量分数因此得到了预期的增加。
图1中示出一种高强度碳纤维卷绕物150，其中纤维涂有例如碳化硅(SiC)之类的防护材料。也可以是其他的防护涂层材料，包括但不限于碳化锆(ZrC)。在一些实施方式中，层150被称为碳纤维包裹。如对本领域的技术人员来说明显的，也被称为复合材料的碳纤维材料的特点是在GPa范围内测量的失效强度。因此，在一些实施方式中，SiC/SiC纤维包裹的使用提供了相比于SiC安全壳的强度的达到或超过5倍的强度的增加。
如图1所示，为了增加裂变气体安全壳结构的强度，使用碳纤维包裹碳化硅(SiC)安全壳140。在特定的实施方式中，该碳纤维通常为串状或丝的形式，其在壳140周围卷绕，以形成碳纤维卷绕球面压力容器。环氧树脂、树脂或其他合适的材料被利用以形成碳纤维卷绕物。如对于本领域的技术人员来说明显的，适用于制造碳丝卷绕压力容器的技术，例如由消防队员和其他急救队员使用的自给式呼吸器械、用于潜水员的SCUBA罐、用于医疗和飞机使用的氧瓶、用于可选择的燃料车的燃料储存以及类似物，也将应用于本发明的实施方式。本领域技术人员应该认识到许多变化、修改和替代。
部分地制造的燃料卵石在纤维包裹壳处的大小适合应用于许多碳纤维复合包裹技术。因此，该燃料卵石的相对较大的尺寸(～2至4cm)允许使用碳化硅(SiC)包裹，这导致非常强的压力容器。同样的技术可能不适用于或适合于较小尺寸的燃料。在一种包裹技术中，球形卵石在转台上连续不断地旋转，同时涂有碳化硅的碳的粘合剂应用在其表面，并且连续不断地输入到旋转卵石。
高强度复合材料包裹壳150被过渡层160包围，过渡层160提供了与纤维包裹层相比较光滑的表面，由于在包裹过程中使用的丝的尺寸，其通常会有变化。可利用各种材料来形成从纤维-熔覆过渡层160，包括：石墨碳化硅(SiC)、锆、碳化锆(ZrC)、难熔金属、难熔金属碳化物、铁素体钢，或类似材料。这些材料可用于单层或多层结构。
燃料卵石包括耐腐蚀熔覆层170，该耐腐蚀熔覆层170由与熔盐冷却液相容的材料制成，该材料包括但不限于，例如钨和钒之类的难熔金属。包括FLIBE(2LiF+BeF2＝Li2BeF4和FLINABE(LiNaBeF4)的熔盐冷却液可以攻击燃料卵石，从而减少该卵石的使用寿命。因此，熔覆层材料的特点是利用从燃料卵石去除热来阻止熔盐溶液的攻击。另外，行为就像氢氟酸的氚氟化物在熔盐冷却液中形成，导致中子轰击和随之而来的包含盐的锂的蜕变。因此，熔覆层170也被选作来阻止氢氟酸的攻击。相应地，本发明的实施方式利用包括例如钒和钨、难熔金属碳化物，以及类似物之类的难熔金属的熔覆层。
图2是根据本发明实施方式的固体空芯(SHC)燃料卵石的应力随径向距离而变化的简化图表。如图2所示，切向应力作为径向距离的函数被绘制成图，从泡沫芯110的中心开始，穿过空的可转换或易裂变内核120、多用途层130(为了清楚起见在图中没有标记)、碳化硅(SiC)安全壳140和包含复合材料包裹及熔覆层的外层。切向应力作为以每初始金属原子的裂变百分数(percent Fissions per InitialMetal Atom)(FIMA)测得的燃耗的函数在绘制成图。如图2所示，在整个燃耗循环中，泡沫芯经受最低的应力量，要么压缩要么拉伸。空内核120随着燃耗循环的进展而经受逐渐增加的压应力，在泡沫-芯/燃料-内核界面以99.9％的FIMA，最终达到大于-300MPa的水平。随着空内核以极高水平的燃耗开始断裂，这个压应力用于将断裂内核的弯曲片保持在一起，从而防止燃料卵石破坏。
随着燃耗循环继续进行到完全(例如，99.9％)燃耗，碳化硅(SiC)安全壳140受到增加的拉伸应力。虽然壁应力由于例如在可转换或易裂变内核中产生的氪85之类的放射性裂变气体而增加到约150MPa，但是该壁压力远低于在某些情况下约为450MPa的SiC的屈服应力。如所示，复合包裹层中的应力甚至低于SiC安全壳层中的应力，且远低于这种在GPa范围内的复合层的屈服应力。因此，本文说明的燃料卵石提供裂变气体的控制，而不会使卵石在整个燃耗循环，即，99.9％FIMA中破坏。
图3是根据本发明实施方式的说明制造固体空芯燃料卵石的方法的简化流程图。在图3说明的实施方式中，可转换或易裂变燃料从轻水反应堆(LWR)乏燃料(SNF)再循环310。使用DUPIC(直接使用CANDU反应堆中的废PWR燃料)工艺312处理LWR SNF，其中，移除来自燃料棒的熔覆层和裂变气体。随后使用OREOX(丰富的氧化物燃料的氧化，还原)工艺314来生产粉末形式的二氧化铀(UO2)316。然后，使用渗碳工艺318来生成粉末形式的铀氧-碳化合物(UOC)320。应当指出，在一些实施方式中，虽然利用UOC作为可转换或易裂变内核，但这不是本发明所要求的。在其他实施方式中，根据特定的应用利用其他的可转换或易裂变材料。因此，虽然从LWR SNF中产生UOC的工艺在步骤310-320中说明，但该特定的燃料工艺不被要求，且能在本文说明的固体空芯燃料卵石中产生和利用其他燃料。相应地，可以利用其他可转换或易裂变材料，包括武器级钚(WG-PU)、天然及贫铀(DU)、高浓缩铀(HEU)，及类似材料来形成用于各种实施方式中的可转换或易裂变内核。本领域技术人员会认识到许多变化、修改和替代。
图4是根据本发明实施方式的说明产生可转换或易裂变燃料的工艺的简化流程图。如图4所示，可能最合乎逻辑的固体燃料选择会促进尽可能多的DUPIC燃料循环。如文献所示，DUPIC燃料循环的关键工艺是PWR废氧化物燃料(被称为OREOX)的氧化和还原，以制备用于CANDU燃料制造的粉末。这是完全干的工艺，没有可转换或易裂变同位素从废PWR燃料中的任何分离。据推测，供给到OREOX工艺的PWR废氧化物燃料的组成由U、Pu、Np、Am、Cm和各种裂变产物组成。制造CANDU燃料的OREOX工艺留下的粉末的组成由U、Pu、Np、Am、Cm和各种裂变产物组成。这也是从用于制造本文说明的燃料的PWR SNF中可获得的干粉末的组成。
来自DUPIC燃料制造工艺的主要的废物流由来自废PWR燃料的金属成分、裂变气体和在处理过程中从燃料释放的半挥发性裂变产物组成。例如Kr和Xe之类的稀有气体在用于长期储存和腐坏的50升缸中压缩。氚和碳分别被捕获在分子筛和氢氧化钡中。然后将这些与黏合物混合，其被注入大桶中以便处理。将丢弃的熔覆层(壳)也与黏合物混合以便处理。放射性碘被捕获在银沸石和Cs上，且Ru固定在过滤器上，并被玻璃化以便处理。如关于图3所示，本发明人已经开发了用于固体空芯燃料的计算模型，以解释(尽可能地)材料辐照对材料应力和失效的影响。本发明人已经确定，对于本文说明的固体空芯燃料卵石，由于裂变气体的积累所带来的应力、热梯度和材料的辐照诱发的膨胀可以保持在低的水平，这能够导致图1所示的主要的碳化硅(SiC)压力容器或边界140的破坏。
再次参照图3，通常利用碳化硅(SiC)、聚乙二醇(PEG)或其他粘合剂和可转换或易裂变粉末的混合物来形成浆330。将浆注入到模型332中，并利用热等静压(HIP)334工艺来形成具有空中心区域的燃料的两个半球壳336。用柔性膜内包含的浆，可以静水压力的方式实现各向同性压缩。参照图1可以认识到，燃料内核壳将在随后的处理步骤中通过将两个半球部分与这两个部分之间的空芯连接在一起来制造。
为了形成燃料壳，将两个半球部分配合在一起340，并且在固体空芯燃料卵石的中心处使用注塑成型工艺来形成泡沫材料。作为示例，可以将间苯二酚甲醛(RF)或其他溶液注入空的可转换或易裂变燃料内核的中心，从而能够在加热和随后的热分解344中原位形成碳气凝胶，空内核中的小孔能够释放来自空芯中的热解气。碳气凝胶也可以由其他注塑成型工艺而置入空芯中。在用碳泡沫填充内核的空芯后，产生的部分被称为泡沫-芯/燃料-内核组合。虽然上述的实施方式形成了燃料壳并且然后将缓冲材料注入该燃料壳中，但这并不是本发明的实施方式所要求的。在其他的工艺流程中，形成缓冲材料，且然后将该燃料壳放置于该缓冲材料周围。本领域的技术人员将会认识到许多变化、修改和替代。例如，可以在组装成SHC内核之前，在两个内核半球中形成碳气凝胶泡沫。
为了形成多用途层130，将泡沫-芯/燃料-内核组合放置于化学气相沉积(CVD)反应器346中，其中，一层或多层膜可以被沉积。该CVD反应器可以使用降低的或大气压力、等离子增强或其它。
碳化硅(SiC)牺牲材料、碳化锆扩散阻挡层和/或热解碳过渡层被形成，无论作为连续的一层或多层堆栈，其中的每一层，可被称为子层，都一次或多次以周期或非周期的方式沉积。因此，例如，多层碳化锆扩散阻挡层可以与其他子层共同沉积，以形成多用途“层”。
利用相同或不同的CVD反应器348形成主要的碳化硅(SiC)安全壳，或压力边界140。在一些实施方式中，结构的不同层之间的界面在CVD工艺过程中不暴露在周边环境中，以提高燃料的性能。因此，在一些实施方式中，使用多气源，单一的CVD反应器被采用。在其他实施方式中，可以利用由负载锁真空接口(load-lock vacuuminterface)连接的多CVD反应器来实现类似于用单个反应器实现的结果。然后利用高强度碳纤维复合包裹或卷绕工艺360来形成复合包裹层150。在一个实施方式中，涂有例如碳化硅(SiC)之类的防护材料的高强度碳纤维或丝被用来形成卷绕压力容器。此外，其他的防护性涂层材料也可以用于纤维表面。
在卷绕工艺以后，利用碳化工艺362，其次是形成熔覆层364，通常使用难熔金属。如图3所示，利用物理气相沉积(PVD)工艺来沉积例如钨或钒之类的难熔金属。根据特定的待沉积材料，利用各种PVD工艺进行沉积，包括电子束蒸发、DC磁控溅射或类似工艺。本领域的技术人员将会认识到许多变化、修改和替代。例如，球形熔覆层可以由两个预先存在的独立的半球壳来形成。
应当认识到，图3所示的具体步骤提供了根据本发明的实施方式的制造固体空芯燃料卵石的特定方法。根据可选的实施方式，也可以执行随后的其他步骤。例如，本发明的可选择的实施方式可以以不同的顺序来执行上述概述的步骤。此外，图3所示的个别步骤可以包括多个可以以各种顺序酌情执行的上述个别步骤的子步骤。而且，根据特定的应用，可以增加或移除额外的步骤。本领域的技术人员将会认识到许多变化、修改和替代。
例如，一种变化为：燃料卵石可由可转换或易裂变材料的粉末填充，这些材料包括但不限于：铀、钍、钚；铀、钍和钚的氧化物；铀、钍和钚的碳化物；铀、钍和钚的氧-碳化物；铀、钍和钚的氮化物；以及铀、钍和钚的其他化学形态。在这样的实现时，在填充过程中可以使用振动，以在空芯压力边界内实现颗粒装载密度的最大化。这个实施方式有利于消除可转换或易裂变颗粒的固结和热等静压。另外，导热碳、金属或陶瓷粉末可以被添加以填充可转换或易裂变材料粉末之间的间隙空间，从而能够提高导热率和较高的传热速率。这些导热粉末的颗粒粒度分布典型地小于可转换或易裂变材料粉末的颗粒粒度分布，且在“燃料形成”或“燃料燃烧阶段”中被选择以实现燃料的原位烧结。在填充过程中可以使用振动，以在空芯压力边界内实现颗粒装载密度的最大化。
也可以理解，本文所述的实施例和实施方式仅用于说明目的，且本领域的技术人员可以想到对本发明的各种改进或变化，并且上述改进或变化应当包括于本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。

Claims (32)

1.一种用于聚变-裂变发动机的燃料卵石，所述燃料卵石包含：
缓冲材料；
包围所述缓冲材料的可转换或易裂变燃料壳；
包围所述可转换或易裂变燃料壳的安全壳，其中，所述安全壳包含碳化硅；
包围所述安全壳的复合材料层；以及
包围所述复合材料层的熔覆层。
2.如权利要求1所述的燃料卵石，其中，所述缓冲材料包含多孔碳材料。
3.如权利要求2所述的燃料卵石，其中，所述缓冲材料还包含碳化硅材料或热解碳材料中的至少一种。
4.如权利要求1所述的燃料卵石，其中，所述可转换或易裂变燃料壳包含铀氧-碳化物材料。
5.如权利要求1所述的燃料卵石，还包含包围所述可转换或易裂变燃料壳的扩散阻挡层。
6.如权利要求5所述的燃料卵石，其中，所述扩散阻挡层包含碳化锆材料。
7.如权利要求6所述的燃料卵石，其中，所述扩散阻挡层还包含碳化硅材料或热解碳材料中的至少一种。
8.如权利要求1所述的燃料卵石，其中，所述复合材料层包含碳纤维层，并且碳纤维涂有防护性SiC或ZrC中的至少一种。
9.如权利要求1所述的燃料卵石，其中，所述熔覆层包含难熔金属或金属碳化物材料中的至少一种。
10.一种制造用于聚变-裂变发动机的燃料卵石的方法，所述方法包含：
形成可转换或易裂变壳；
在所述可转换或易裂变壳内封装入缓冲材料；
形成包围所述可转换或易裂变壳的安全壳；
用复合材料层包裹安全壳；以及
形成包围所述复合材料层的熔覆层。
11.如权利要求10所述的方法，其中，在所述可转换或易裂变壳内封装入缓冲材料的步骤包含注塑成型泡沫材料。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述泡沫材料包含碳气凝胶材料。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述缓冲材料还包含牺牲碳化硅材料。
14.如权利要求10所述的方法，还包含在所述安全壳内部的位置处形成包围所述可转换或易裂变壳的牺牲层、扩散阻挡层或过渡层中的至少一种。
15.如权利要求10所述的方法，其中，形成所述安全壳的步骤包含使用化学气相沉积工艺沉积碳化硅。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述复合材料层包含涂有碳化硅的碳纤维。
17.如权利要求10所述的方法，其中，所述复合材料层包含涂有碳化硅(SiC)和碳化锆(ZrC)的组合的碳纤维。
18.如权利要求10所述的方法，其中，所述复合材料层包含涂有其他防护材料的碳纤维。
19.如权利要求16所述的方法，其中，所述复合材料层的屈服应力大于450MPa。
20.如权利要求10所述的方法，其中，形成所述熔覆层的步骤包含使用物理气相沉积工艺沉积所述熔覆层。
21.如权利要求18所述的方法，其中，所述熔覆层包含难熔金属。
22.如权利要求19所述的方法，其中，所述熔覆层包含防护陶瓷相。
23.一种用于聚变-裂变核发动机的燃料卵石，所述燃料卵石包含：
泡沫芯；
包围所述泡沫芯的可转换或易裂变壳；
包围所述可转换或易裂变壳的安全壳；
包围所述安全壳并且包含碳纤维丝的复合材料层，其中，所述复合材料层的屈服应力大于450MPa；和
包围所述复合材料层的熔覆层。
24.如权利要求23所述的燃料卵石，还包含布置在所述可转换或易裂变壳和所述安全壳之间的碳化锆扩散阻挡层。
25.如权利要求23所述的燃料卵石，其中，所述泡沫芯包含碳气凝胶。
26.如权利要求23所述的燃料卵石，其中，所述可转换或易裂变壳包含铀氧-碳化物。
27.如权利要求23所述的燃料卵石，其中，所述可转换或易裂变壳包含任何可转换或易裂变材料，包括但不限于：铀、钍、钚；铀、钍和钚的氧化物；铀、钍和钚的碳化物；铀、钍和钚的氧-碳化物；铀、钍和钚的氮化物；以及铀、钍和钚的其他化学形态。
28.如权利要求24所述的燃料卵石，其中，所述燃料卵石的特征在于可转换或易裂变材料的质量分数大于10％。
29.如权利要求23所述的燃料卵石，其中，易裂变材料和芯内的惰性材料的相对比例使得不能在压缩和碰撞时形成临界质量。
30.一种燃料卵石，其中，由碳纤维包裹和熔覆层形成的空压力边界用可转换或易裂变材料的粉末直接填充，包括但不限于：铀、钍、钚；铀、钍和钚的氧化物；铀、钍和钚的碳化物；铀、钍和钚的氧-碳化物；铀、钍和钚的氮化物；以及铀、钍和钚的其他化学形态。
31.如权利要求30所述的燃料卵石，其中，所述粉末通过振动压紧。
32.如权利要求30所述的燃料卵石，其中，导热碳、金属或陶瓷粉末被添加以填充可转换或易裂变粉末之间的间隙空间。
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