CN104956446A - 核燃料元件 - Google Patents
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Abstract
燃料组件制品包括环形核燃料；布置于环形核燃料的外部的衬层；以及布置于衬层的外部的覆层。衬层可包括布置为邻近核燃料且包括第一材料的第一区域，和布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料的第二区域。燃料可包括至少约90wt％U以及难熔材料，该难熔材料可包括选自以下的至少一种元素：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf。燃料可包括另外的可燃毒物，比如硼、钆或铟。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月28日提交的美国临时申请第61/747,073号以及2013年3月11日提交的美国实用新型申请第13/794,633号的权益，其通过引用以其整体并入本文。
背景
本专利申请涉及燃料元件(fuel element)，以及关于该燃料元件的方法。
概述
公开的实施方案包括燃料元件、燃料导管、燃料组件以及制造和使用该燃料元件、燃料导管、燃料组件的方法。
前述内容是概述，并且因此可以包含细节的简化、概括、包含和/或省略；因此，本领域技术人员将认识到，本概述仅是说明性的并且不意图以任何方式是限制性的。除了本文描述的任何说明性的方面、实施方案和特征以外，通过参考附图和以下的详细描述，另外的方面、实施方案和特征也将变得明显。本文描述的装置和/或方法和/或其他主题的其他方面、特征和优势在提出的教导中将变得明显。
附图简述
技术人员将理解的是，附图主要是为了说明性的目的，且不意图限制本文描述的发明主题的范围。附图不一定是按比例的；在某些情况下，本文公开的发明主题的各个方面在附图中可能被夸张地或放大地示出，以帮助理解不同的特征。在附图中，相同的参考符号通常指的是相同的特征(例如，功能上相似的和/或结构上相似的元件)。
图1a-1b提供了在一个示例性实施方案中的例证性的(a)核燃料组件和(b)燃料元件的示意性形式的局部剖面透视图。
图2a-2b提供了在一个示例性实施方案中的燃料元件的(a)透视图(b)横截面图的局部示意图。
图3提供了在可选的例证性实施方案中的燃料元件的局部示意图。
图4提供了在一个示例性实施方案中的燃料元件的不同部件间的原子间扩散的示意图。
图5a-5b图示了在一个示例性实施方案中在第一燃料元件52和第二燃料元件53之间具有分离器51的燃料组件的示意图；(a)示出了所有部件彼此接触；(b)示出了部件没有彼此接触(为了说明目的)。
图6a和图6b-6e分别提供了在一个示例性实施方案中制造燃料元件的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
图7提供了在一个示例性实施方案中制造核燃料的过程的流程图。
图8提供了在一个可选的例证性实施方案中制造核燃料的过程的流程图。
图9a和图9b-9e分别提供了在一个示例性实施方案中使用燃料组件的过程以及该过程的说明性细节的流程图。
详细描述
简介
在以下的详细描述中，参考形成说明书一部分的附图。在附图中，除非上下文另外规定，否则相似的或同样的符号在不同附图中的使用通常表示相似或相同的物品。
详细描述中所描述的例证性实施方案、附图和权利要求不意味着是限制性的。可以使用其他的实施方案，且可以作出其他的改变，而不偏离此处所呈现的主题的精神或范围。
本领域技术人员将认识到，为了概念清楚起见，本文描述的部件(例如操作)、装置、物体以及伴随它们的讨论被用作例子，并且预期各种构型修改。因此，如本文所使用的，所提出的具体实施例和伴随的讨论意图是它们较一般的类别的代表。一般来说，任何具体实施例的使用意图是其类别的代表，并且具体部件(例如操作)、装置和物体的未包括内容不应该被认为是限制性的。
为了陈述的清楚起见，本申请使用形式大纲标题。然而，应理解，大纲标题是为了陈述的目的，并且不同类型的主题可以在整个申请中被讨论(例如，装置/结构可以在过程/操作标题下被描述，和/或过程/操作可以在结构/过程标题下被讨论；和/或对单个主题的描述可能跨越两个或更多个主题标题)。因此，形式大纲标题的使用并不意图以任何方式是限制性的。
综述
通过综述，在一个实施方案中提供了制品，该制品包括：环形核燃料；布置于环形核燃料的外部的衬层；以及布置于衬层的外部的覆层。衬层可以包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料。
在另一个实施方案中提供了核燃料元件，该核燃料元件包括：环形核燃料；布置于核燃料的外部的衬层，该衬层包括第二层和接触核燃料的第一层；以及布置于衬层的外部的覆层，该覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，该覆层接触衬层的第二层。
在另一个实施方案中提供了核燃料元件，该核燃料元件包括：第一核燃料和第二核燃料，第一核燃料和第二核燃料中的每种均具有第一端和第二端；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的至少一种的外部的覆层；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的一种的第一端与第一核燃料和第二核燃料中的另一种的第二端之间的分离器；分离器包括第一区域和第二区域，所述第一区域接触第一燃料元件和第二燃料元件中的一种的第一端，所述第二区域接触第一燃料元件和第二燃料元件中的另一种的第二端。
在另一个实施方案中提供了制造核燃料组件的方法，方法包括：提供环形核燃料及核燃料的外部的覆层；将衬层的第一层布置于核燃料的外部，该第一层接触核燃料；以及将衬层的第二层布置于覆层的内部，该第二层接触覆层。
在另一个实施方案中提供了使用燃料组件的方法，方法包括：提供包括多个燃料元件的燃料组件，燃料元件包括：环形核燃料、布置于环形核燃料的外部的衬层、以及布置于衬层的外部的覆层；使用燃料组件产生能量；以及减轻以下中的至少一种之间的原子间扩散：(i)第一材料和第二材料；(ii)第一材料和核燃料；以及(iii)第二材料和覆层。衬层可以包括布置为邻近核燃料且包括第一材料的第一区域，以及布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料的第二区域。
在另一个实施方案中提供了核燃料元件，核燃料元件包括：环形核燃料；布置于环形燃料的外部的衬层，衬层包括第二层和接触核燃料的第一层；以及布置于衬层的外部的覆层，覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，覆层接触衬层的第二层；以及布置于第一层和第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度的过渡层。
在另一个实施方案中提供了环形核燃料，环形核燃料能够高度燃耗，其中多重屏障布置于核燃料和燃料覆层之间，并且环形核燃料用最小需求的热粘结材料生产。
燃料组件
图1a提供了根据一个实施方案的核燃料组件10的局部图示。燃料组件可以是可裂变核燃料组件或增殖性核燃料组件。组件可以包括燃料元件(或“燃料棒”或“燃料针”)11。图1b提供了根据一个实施方案的燃料元件11的局部图示。如在本实施方案中所示，燃料元件可以包括覆层材料13、燃料14，以及在某些情况下至少一个空隙15。
燃料可以通过外部覆层材料13密封于腔内。在某些情况下，如图1(b)中所示，多种燃料材料可以轴向地堆放，但是并不需要是这种情况。例如，燃料元件可以仅含有一种燃料材料。在一个实施方案中，空隙15可以存在于燃料材料和覆层材料之间，尽管空隙不需要存在。在一个实施方案中，空隙填充有加压的气氛，比如加压的氦气气氛。在另一个实施方案中，空隙可以填充有钠。
燃料可以含有任何可裂变材料。可裂变材料可以含有金属和/或金属合金。在一个实施方案中，燃料可以是金属燃料。可以理解的是，金属燃料可以提供相对高的重金属载量以及优良的中子经济性，其对于核裂变反应堆的增殖和燃烧过程是令人满意的。根据应用，燃料可以包括选自U、Th、Am、Np以及Pu的至少一种元素。如本文通过化学符号表示的术语“元素”可以指的是存在于周期表中的元素-这不应当与“燃料元件”的“元件”混淆。在一个实施方案中，燃料可以包括至少约90wt％U-例如至少95wt％、98wt％、99wt％、99.5wt％、99.9wt％、99.99wt％或更高的U。燃料还可以包括耐火材料，所述耐火材料可以包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir和Hf的至少一种元素。在一个实施方案中，燃料可以包括另外的可燃毒物，比如硼、钆或铟。
在一个实施方案中，金属燃料可以与约3wt％至约10wt％的锆成合金以在辐射期间在尺寸上稳定合金，且以抑制覆层的低温共熔以及腐蚀损害。钠热结合填充存在于合金燃料和覆层管内壁之间的空隙，以允许燃料膨胀且以提供有效的热转移，这可以保持燃料温度是低的。在一个实施方案中，各个燃料元件11可以具有从约0.8mm直径至约1.6mm直径的细线12，该细线12围绕覆层管的周边螺旋缠绕，以提供冷却剂空间以及各个燃料元件56在燃料组件18和20(其还充当冷却剂导管)的壳体内的机械分离。在一个实施方案中，由于如通过大量经验数据所指示的辐射性能，覆层13和/或绕线12可以由铁素体-马氏体钢制造。
燃料元件
“燃料元件”，比如图1a-1b中所示的、在发电反应堆的燃料组件中的元件10，通常可采取圆柱棒形式。燃料元件可以是发电反应堆的一部分，所述发电反应堆为核电设备的一部分。根据应用，燃料元件可以具有关于其长度和直径的任何适宜的尺寸。图2a-2b提供了燃料元件的示意图的不同视图。燃料元件可以包括覆层21、布置于覆层的内部的燃料22。在核反应堆的情况下，燃料可以含有(或是)核燃料。在一个实施方案中，核燃料可以是环形核燃料。参照图2a-2b，在一个实施方案中，燃料元件可以包括布置于核燃料22和覆层21之间的衬层23。衬层可以含有多个层(例如，231和232)。
燃料可以具有任何几何形状。在一个实施方案中，燃料具有环形的几何形状。在这样的实施方案中，呈环形形式的燃料可以允许在一定水平的燃耗之后实现期望水平的燃料密度。另外，这样的环形构型可以维持燃料和覆层之间的压缩力以促进热运输。根据应用，燃料可以被调整以具有各种性质。例如，燃料可以具有任何水平的密度。在一个实施方案中，期望具有高密度的燃料，比如尽可能接近理论密度铀的密度(在含有铀的燃料的情况下)。在一个实施方案中，具有低水平的孔隙率可以防止辐射期间内部腔的形成。
根据应用，用于覆层的覆层材料可以包括任何适宜的材料。在一个实施方案中，覆层可以包括选自金属、金属合金以及陶瓷的至少一种材料。在一个实施方案中，覆层可以含有耐火材料，比如耐火金属，耐火金属包括选自Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd以及Hf的至少一种元素。
覆层中的金属合金可以是例如钢。钢可以选自马氏体钢、奥氏体钢、铁素体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢及304钢。钢可以具有任何类型的微观结构。例如，钢可以包括马氏体相、铁素体相和奥氏体相中的至少一种。在一个实施方案中，钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相中的至少一种相。
在某些情况下，特别是在高度燃耗时，燃料的元件及覆层可以倾向于扩散，从而引起不需要的合金化且因此使燃料和覆层的材料劣化(例如，通过燃料和/或覆层的去合金化，或形成具有劣化的机械性质的新合金)。衬层可以充当燃料与覆层材料之间的屏障层以减轻元件的这种原子间扩散。例如，衬层可以用于减轻燃料元件与覆层材料之间的原子间扩散，以通过外来(且有时是不需要的)元件避免(例如)燃料和/或覆层材料的劣化。衬层可以含有一层或多层-例如至少2层、3层、4层、5层、6层或更多层。在衬层含有多层的情况下，这些层可以含有相同或不同的材料和/或具有相同或不同的性质。例如，在一个实施方案中，层中的至少一些可以包括相同的材料，而一些包括不同的材料。
在一个实施方案中，衬层可以包括布置为邻近燃料的第一区域以及布置为邻近覆层材料的第二区域。在一个实施方案中，该区域可以是部分覆盖下方材料的层或层的一部分。参考图2a-2b，在一个实施方案中，衬层23可以包括至少两个层231及232。衬层的第一区域可以布置于第一层231中，且衬层的第二区域可以布置于第二层232中。第一区域可以包括第一材料，且第二区域可以含有第二材料。第一材料可以与第二材料相同或不同。还可以采用另外的区域和/或层，包括第一区域与第二区域之间的一个(或更多个)区域和/或层。
第一层231和第二层232可各自具有厚度；厚度值可以彼此相同或不同。在一个实施方案中，第一层231可以具有至少约20微米的厚度-例如，至少30微米、40微米、60微米、80微米、100微米或更大。第二层232可以具有约10微米的厚度-例如，至少20微米、40微米、60微米、80微米、100微米或更大。更大或更小的值是可能的。第一层231和第二层232的厚度可以是相同或不同的。第一层564可以比第二层232厚或薄，或它们可以具有相同的厚度。
参考图3，在一个实施方案中，燃料元件11的衬层23可以包括布置于第一层231与第二层232之间的另外的过渡层233。过渡层233可以包括金属、合金、陶瓷及聚合物中的至少一种。在一个实施方案中，过渡层可以包括环氧树脂或聚合物。过渡层相对于第一层和/或第二层可以是较薄的。在一个实施方案中，过渡层可以具有小于或等于约1微米至约10微米-例如，约2微米至约5微米、约3微米至约4微米的厚度。
区域(或层)的相应材料可以被选择为具有某些性质。例如，第一材料(在第一区域邻近燃料的情况下)可以被选择为使得使其适合于减轻第一材料与核燃料之间的原子间扩散。参考图4，核燃料41的原子411及覆层42的原子421可以倾向于向外扩散(见箭头)。类似地，(衬层43的)第一层431的原子4311及第二层432的原子4321可以趋于向外扩散(见箭头)。
在此实施方案中，作为减轻的结果，非常少(如果有的话)的化合物可以由来自第一层和燃料的元素形成。因此，在图4中含有原子411和4311的区域44可能根本不存在；且若区域44存在，则其厚度将是非常小的，比如小于或等于核燃料和/或层的厚度的20％-例如，小于或等于10％、5％、2％、1％、0.5％或更小。在另一个实施方案中，第一材料和第二材料可以被选择为使得其适合于减轻第一层431与第二层432之间的原子间扩散。因此，在图4中含有原子4311和4321的区域45可能根本不存在；且若区域45存在，则其厚度将是非常小的，比如前述的区域44的范围。在另一个实施方案中，第二材料可以被选择为使得其适合于减轻第二层432与覆层42之间的原子间扩散。因此，在图4中含有原子4321和421的区域46可能根本不存在；且若区域46存在，则其厚度将是非常小的，比如前述的区域44的范围。
本文的减轻可以指减少和/或防止但是不一定指的是全部消除。在一个实施方案中，原子间扩散的减轻可以指将此种扩散防止到可以观察到最少的(或甚至没有)扩散的程度。此减轻的一个结果是在部件之间的界面处(大体上)观察到含有从不同部件扩散的元素的化合物的最少形成。尽管在某些情况下，减轻可以描述外来元素的存在的缺乏，但在某些其他情况下，减轻可以涵盖由从(燃料元件的)另一个部件的扩散造成的材料中的外来元素的最少存在。因此，在一个实施方案中，本文的原子间扩散的减轻可以指没有显著量的外来元素。因此，如图4中所示，在一个实施方案中，第一层431大体上不含从覆层42扩散的元素的原子，且第二层432大体上不含从燃料42扩散的元素的原子。在一个实施方案中，燃料元件在燃料41与覆层42之间大体上不含钠。
本文描述的燃料元件允许燃料元件的不同部件间的原子间扩散的减轻。如图4中所示，在一个实施方案中，其中，(i)第一层431中的第一材料和第二层432中的第二材料；(ii)第一材料(在第一层431中)和核燃料41；及(iii)第二材料(在第二层432中)和覆层42中的至少一种大体上没有其间的原子间扩散。在一个实施方案中，(i)燃料41和第一层431，及(ii)覆层42和第二层432中的至少一种大体上没有其间的原子间扩散。本文描述的燃料元件在大范围的温度下可以展示出大体上没有原子间扩散。例如，这可以在大于或等于室温-例如，至少50℃、95℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃或更高的温度下观察到。
第一层431中的第一材料和第二层432中的第二材料(或在另外的材料存在的情况下的更多种材料)各自可以具有其自身的材料性质，比如化学性质、热性质及类似性质。例如，材料可以因为其相对于邻近其的部件(燃料或覆层)是惰性的而被选择。例如，这些材料中的任一种可以包括至少一种难熔材料。难熔材料可以包括难熔金属或难熔合金，所述难熔金属或难熔合金包括具有选自以下的至少一种元素的材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf。在一个实施方案中，第一材料包括选自V和Cr的至少一种元素。在一个实施方案中，第一材料包括V。在另一个实施方案中，第二材料包括元素Zr。
在至少一个实施方案中，描述的燃料元件不需要在其中含有钠。几个已有技术在燃料元件中采用Na以在燃料与覆层之间形成熔化层，以提供燃料与覆层之间的热接触。然而，这些已有技术中的钠可以依附性地吸收中子或分散中子。本文描述的燃料元件包括衬层，该衬层与覆层和燃料二者相接触，且因此不需要含有钠以促进这种接触。尽管不需要钠，但是在本文描述的燃料元件的某些实施方案中仍然可以采用钠。
燃料元件的部件中的至少一些可以被结合。结合可以是物理的(例如机械的)或化学的。在一个实施方案中，核燃料、衬层和覆层被机械地结合。在一个实施方案中，第一层和第二层被机械地结合。下文进一步描述结合技术。
燃料元件分离器
本文描述的燃料元件可以在核燃料之间另外含有至少一个分离器。例如，在一个实施方案中提供了燃料元件，该燃料元件包括：第一核燃料和第二核燃料，第一核燃料和第二核燃料中的每种均具有第一端和第二端；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的至少一种的外部的覆层；以及布置于第一核燃料和第二核燃料中的一种的第一端与第一核燃料和第二核燃料中的另一种的第二端之间的分离器。分离器可以包括接触第一燃料元件和第二燃料元件中的一种的第一端的第一区域，以及接触第一燃料元件和第二燃料元件中的另一种的第二端的第二区域。燃料元件可以是本文描述的那些燃料元件中的任一种。在这个实施方案中，分离器可以布置于所述第一燃料元件和第二燃料元件中的一种的第一端与第一燃料元件和第二燃料元件中的另一种的第二端之间。
参考图5，分离器51可以具有任何构型和组成。例如，分离器可以被配置为与本文描述的衬层相似。换句话说，在其中不同燃料52和53被轴向地布置的情况下，分离器51可以适合于减轻核燃料在轴向方向上的膨胀。图5a-5b图示了在第一燃料52与第二燃料53之间具有分离器51的燃料元件的示意图。图5a示出了当部件彼此相接触时的所有部件，且图5b示出了部件没有接触(为了说明的目的)的所有部件。在这个实施方案中，分离器51可以包括接触第一燃料元件和第二燃料元件中的一种的第一端521的第一区域(例如在第一层511中)-在此实例中，其是第一燃料元件52。分离器51可以包括接触第一燃料元件和第二燃料元件中的另一种的第二端431的第二区域(例如在第一层512中)-在此实例中，其是第二燃料元件53。在一个实施方案中，分离器51适合于在第一核燃料52的第一端521或第二核燃料53的第二端中的至少一端处减轻核燃料与覆层之间的原子间扩散。可以使用多于一个的分离器，正如在燃料元件中可以存在多于两种燃料。在一个实施方案中，燃料元件可以具有近侧地布置于圆柱形燃料元件的底部表面上的第二(或更多)另外的分离器。此另外的分离器可以充当燃料元件的端帽。
与本文描述的衬层相似，分离器可以至少包括含有第一区域的第一分离器层511以及含有第二区域的第二层512。在一个实施方案中，分离器的第一区域可以包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf。在另一个实施方案中，分离器的第二区域可以包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd及Hf。
制造/使用燃料组件的方法
燃料元件及包括本文描述的燃料元件的燃料组件可以通过多种技术来制造。参考图6a，在一个实施方案中提供的是制造制品的方法，所述制品可以是燃料元件。方法可以包括：提供核燃料及覆层(步骤601)；将衬层的第一层布置于环形核燃料的外部，该第一层接触环形核燃料(步骤602)；以及将衬层的第二层布置于覆层的内部，该第二层接触覆层(步骤603)。在一个实施方案中，第二层可以布置于第一层上。布置可以包括镀敷(例如电镀)、气相沉积(vapor deposition)(例如化学气相沉积或物理气相沉积)或其他适合的方法。例如，可以采用电化学涂覆。
例如，衬层(其可以是本文描述的那些衬层中的任一种)可以布置于燃料上，比如燃料的外部。在另一个实施方案中，衬层的第一层可以布置于燃料上，且衬层的第二层可以布置于覆层上。在此实施方案中，第一层和第二层可以通过例如经由加热的结合随后连接在一起。根据应用，也可以采用形成燃料元件的不同部件的步骤的其他可选顺序。
可以采用另外的处理。参考图6b，过程还可以包括将第二层布置于衬层的第一层上(步骤604)。参考图6c，过程还可以包括结合衬层的第一层和第二层(步骤605)。在一个实施方案中，如上文所描述的，可以结合衬层的第一层和第二层、以及燃料元件的其他部件。结合可以是化学结合或物理结合。物理结合的实例可以是机械结合。在一个实施方案中，机械结合可以包括型锻。参考图6d，可以对环形燃料、衬层及覆层中的至少两种进行型锻(步骤606)。在一个实施方案中，型锻应用于燃料元件的这些部件的全部。在一个实施方案中，燃料，比如环形燃料，可以由衬层通过比如气相沉积(物理气相沉积或化学气相沉积)的沉积来涂覆，其中覆层被型锻在衬层上。参考图6e，在一个实施方案中，方法还可以包括对环形核燃料执行选自以下的至少一个过程：铸造、挤压、皮尔格轧制、管焊接及无缝焊接(步骤607)。在一个实施方案中，衬层的层可以共同挤压于燃料上。在另一个实施方案中，衬层和/或燃料可以滑入覆层的腔中以产生接触，并且以制造燃料元件。
方法还可以包括制造燃料的方法。参考图7，燃料可以通过按压和/或烧结含有燃料(其可以是本文描述的那些燃料中的任一个)的颗粒来形成为期望的形状(步骤701)-例如，棒。燃料可以被另外地压实(步骤702)以避免内部腔，且以使密度增大到接近燃料的理论密度。在棒状燃料形成之后，该棒可以被铸造到模具中以形成最终产品(步骤703)。在包括铸造的此实施方案中，不需要采用按压及烧结。制造燃料的过程还可以包括选自以下的至少一个过程：铸造、挤压、皮尔格轧制、管焊接及无缝焊接。例如，在一个实施方案中，燃料的铸造可以在衬层和/或覆层的内部的燃料元件内直接地采用。
在一个实施方案中，通过改变处理参数，燃料元件的部件的微观结构以及由此材料性质可以被调整。处理参数可以指温度、压力等。参考图8，本文描述的制造燃料元件的方法还可以包括将核燃料加热至核燃料的至少β-转变温度的第一温度(步骤801)；以及将环形核燃料冷却至低于第一温度的第二温度(步骤802)。从β-转变温度的冷却可以是足够快的，使得这样的冷却被认为是β-淬灭。在一个实施方案中，由于γ转变温度高于β-转变温度，因此燃料被加热到的温度可以包括(或甚至超过)γ-转变温度。例如，可以在促进等轴颗粒形成的条件下进行温度变化及其速率。在一个实施方案中，β-淬灭的使用可以使颗粒中优选的方向的形成最小化，反而可以促进颗粒的各向同性，至少包括径向的各向同性。在其中燃料在挤压后含有颗粒的优选方向的一个实施方案中，使燃料经历β-淬灭可以使该优选方向最少化，反而促进了各向同性-例如，晶体相的均匀分布。
燃料元件及包括本文描述的燃料元件的燃料组件可以在多种应用中采用。例如，参考图9a，在一个实施方案中提供了使用燃料组件的方法。方法可以包括提供包括多个燃料元件的燃料组件(步骤901)；燃料元件可以是本文描述的燃料元件中的任一种，且覆层布置于衬层的外部。燃料组件可用于产生能量(步骤902)。燃料组件可用于减轻以下中的至少一种之间的原子间扩散：(i)第一材料和第二材料；(ii)第一材料和核燃料；及(iii)第二材料和覆层。参考图9b，衬层可以至少包括含有第一区域的第一衬层，以及含有第二区域的第二衬层(作为步骤904的一部分)(步骤903)。在一个实施方案中，衬层可以包括布置为邻近核燃料且包括第一材料的第一区域，以及布置为邻近覆层且包括不同于第一材料的第二材料的第二区域。
根据应用，方法中包括的步骤中的条件可以变化。例如，参考图9c，能量的产生可以在至少300℃-例如，至少350℃、至少400℃、至少450℃、至少500℃或更大的温度下进行(步骤905)。参考图9d，在一个实施方案中，由于本文描述的燃料元件的衬层的减轻能力，在产生能量之后，燃料的第一区域大体上不含来自覆层材料的元素，且第二区域大体上不含来自环形核燃料的元素(步骤906)。参考图9e，在一个实施方案中，燃料在环形燃料和覆层之间大体上不含钠(作为步骤907的一部分)。
发电
如上文描述的，本文描述的燃料组件可以是功率发生器或能量发生器的一部分，所述功率发生器或能量发生器可以是发电设备的一部分。燃料组件可以是核燃料组件。在一个实施方案中，燃料组件可以包括燃料、多个燃料元件及多个燃料导管，比如上文描述的那些。燃料导管可以包括布置于其中的多个燃料元件。
本文描述的燃料组件中的至少一些可以包括多个燃料导管间的间隙空间。间隙空间可以被界定为多个燃料导管之间的空间。冷却剂、惰性气体、燃料材料及监测装置中的至少一种可以布置于这些间隙空间的至少一些中。间隙空间可以是空的或者可以包括某些材料。例如，在间隙空间中的可以是冷却剂、惰性气体及燃料材料中的至少一种。冷却剂和/或燃料材料可以是上文描述的那些中的任一种。惰性气体可以是本领域中已知的那些中的任一种-例如，氮气、稀有气体(例如氩气、氦气等)。在某些实施方案中，间隙空间可以包括仪器，比如上文描述的可以存在于第一空心结构的内部或第一空心结构和第二空心结构之间的空间中的那些仪器中的任一种。在一个实施方案中，仪器是监测燃料组件的操作条件的监测装置。
本文描述的燃料组件可以适合于产生至少约50MW/m2-例如至少约60MW/m2、约70MW/m2、约80MW/m2、约90MW/m2、约100MW/m2或更高的峰值面积功率密度。在某些实施方案中，燃料组件可以经历至少约120位移/原子(“DPA”)-例如至少约150DPA、约160DPA、约180DPA、约200DPA或更高的水平的辐射损害。
在本说明书中提及的和/或在任何申请数据表中列出的上述美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利公布中的全部，随本文在某种程度上不矛盾地通过引入以其整体并入本文。在包含的文献和相似材料中的一篇或多篇与本申请不同或矛盾的情况下，包括但不限于界定的术语、术语使用、描述的技术或类似情况，以本申请为准。
关于本文中实质上任何的复数和/或单数的术语的使用，本领域技术人员可与上下文和/或应用相适应地从复数转换为单数和/或从单数转换为复数。为了清楚的目的，各种单数/复数置换在本文中不作特别阐述。
本文描述的主题有时示出了包含在不同的其他部件内或与不同的其他部件相连接的不同的部件。应当理解，这样描绘的构造仅仅是示例性的，并且事实上，可以实施实现相同的功能的许多其他的构造。在概念意义上，实现相同的功能的部件的任何布置都是有效地“相关联的”，使得期望的功能得以实现。因此，本文中被组合以实现特定的功能的任何两个部件都可以被视为彼此“相关联”，使得期望的功能得以实现，而不管构造或中间部件如何。同样地，如此相关联的任何两个部件也可以被视为是彼此“可操作地连接的”或“可操作地耦合的”以实现期望的功能，并且能够如此相关联的任何两个部件也可以被视为是彼此“可操作地可耦合的”以实现期望的功能。可操作地可耦合的具体的例子包括但不限于物理地可配对和/或物理地相互作用的部件，和/或无线地可相互作用和/或无线地相互作用的部件，和/或逻辑地相互作用和/或逻辑地可相互作用的部件。
在某些情况下，一个或多个部件在本文中可以被称为“被配置为”、“被配置”、“可被配置为”、“可操作来/操作来”、“适合/可适合”、“能够”、“可符合/符合”等。本领域技术人员将认识到，除非上下文另外要求，否则这些术语(例如“被配置为”)可以通常包括活动状态的部件和/或非活动状态的部件和/或备用状态的部件。
虽然已经示出和描述了本文所描述的当前主题的特定方面，但是对于本领域技术人员将明显的是，基于本文的教导可以做出变化和修改，而不偏离本文所描述的主题及其更宽的方面，并且因此所附的权利要求在它们的范围内包括所有这样的变化和修改，如在本文所描述的主题的真实精神和范围内的一样。本领域技术人员将理解，一般地，本文所使用的术语，且尤其是在所附的权利要求(例如，所附的权利要求的主体)中所使用的术语，一般意指“开放的”术语(例如，术语“包括(including)”应被理解为“包括但不限于”，术语“具有”应被理解为“至少具有”，术语“包括(includes)”应被理解为“包括但不限于”等)。本领域技术人员还将理解，如果所引用的权利要求叙述的具体编号被引用，那么这一意义将在该权利要求中被明确引用，且在缺乏这样的叙述时，此意义就不被呈现。例如，作为对理解的帮助，以下所附的权利要求可包含引导性短语“至少一个”和“一个或多个”的使用，以引入权利要求叙述。然而，这样的短语的使用不应该被解释为意味着权利要求叙述通过不定冠词“一(a)”或“一(an)”的引入将含有这样引入的权利要求叙述的任何具体的权利要求限制为含有仅仅一个这样的叙述的权利要求，即使当同一个权利要求包括引导性的短语“一个或多个”或“至少一个”和诸如“一(a)”或“一(an)”的不定冠词(例如“一(a)”和/或“一(an)”通常应该被解释为意指“至少一个”或“一个或多个”)时；这也适用于用于引入权利要求叙述的定冠词的使用。另外，即使被引入的权利要求叙述的具体数字被明确引用，本领域技术人员将认识到，这样的叙述应通常被理解为意思是至少所引用的数字(例如，“两个叙述”的没有其他修饰语的纯叙述，通常意思是指至少两个叙述，或者是指两个或更多个叙述)。另外，在使用与“A、B和C等中的至少一个”相似的惯例的那些情况下，一般地，这样的结构在意义上意图是本领域中技术人员在惯例中所理解的意思(例如，“具有A、B和C中的至少一个的系统”可能包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。另外，在使用与“A、B和C等中的至少一个”相似的惯例的那些情况下，一般地，这样的结构在意义上意图是本领域中技术人员在惯例中所理解的意思(例如，“具有A、B或C中的至少一个的系统”可能包括但不限于只具有A、只具有B、只具有C、具有A和B一起、A和C一起、B和C一起、和/或A、B和C一起等的系统)。本领域技术人员将进一步理解，除非上下文另外指示，否则通常表示两个或更多个可选的术语的分离的词语和/或短语无论在说明书、权利要求还是附图中都应该被理解为设想包括术语中的一个、术语中的任一个或两个术语的可能性。例如，短语“A或B”将通常被理解为包括“A”或“B”或“A和B”的可能性。
关于所附的权利要求，本领域技术人员将认识到其中所引用的操作通常可以以任何顺序被执行。此外，虽然在一个顺序中存在各种操作流程，但是应当理解，各种操作可以按除所示的顺序之外的其他顺序执行，或可以并行地执行。除非上下文另外规定，否则这样的交替的排序的实施例可包括重叠、交错、中断、重新排序、递增、预备、补充、同时、反转，或其他的变化的排序。此外，除非上下文另外规定，否则诸如“响应于”、“关于”或其他过去时态的形容词的术语通常并不意图排除这样的变化形式。
此外，本领域技术人员将认识到，上述的具体的示例性过程和/或装置和/或技术代表在本文中其它地方例如在同此一起提交的权利要求中和/或在本申请的其它地方教导的更一般的工艺和/或装置和/或技术。
虽然本文中公开了各个方面和实施方案，但是其他的方面和实施方案对于本领域技术人员来说将是明显的。本文所公开的各个方面和实施方案是为了说明的目的且不意为是限制性的，真实的范围和精神由以下的权利要求来指示。
本文所描述的过程的任何部分可以是自动化的。自动化可以通过包括至少一个计算机来完成。自动化可以通过储存于至少一个非暂时性计算机可读介质中的程序来执行。介质可以是，例如CD、DVD、USB、硬盘驱动器等。燃料元件结构(包括组件)的选择和/或设计还可以通过使用计算机和/或软件程序来优化。
上文描述的本发明的实施方案可以以许多方式中的任一种方式来实施。例如，某些实施方案可以使用硬件、软件或其组合物来实施。当实施方案中的任一方面至少部分在软件中被实施时，软件代码可以在无论是提供在单个计算机中还是分布在多个计算机间中的任何适宜的处理器或处理器集上执行。
此外，本文描述的技术可以作为方法来体现，其中已经提供了至少一个实施例。作为方法的一部分来执行的行为可以以任何适宜的方式排序。因此，实施方案可以被创立，其中行为可以以不同于图示的任何顺序进行，其可以包括同时地进行一些行为，即使在例证性实施方案中作为连续的行为示出。
如在本文中所定义的和所使用的所有定义应当被理解为控制在词典定义、通过引用并入文件中的定义，和/或定义的术语的普通含义内。
如本文在说明书和权利要求中所使用的不定冠词“一(a)”和“一(an)”，除非清楚地指示为相反，否则应当被理解为意指“至少一个”。
如本文在说明书和权利要求中所使用的短语“和/或”，应当被理解为意指如此连接的要素的“任一个或二者”，即在某些情况下结合地存在的并且在其他情况下分离地存在的要素。用“和/或”列出的多个要素应当以相同的方式解释，即如此连接的要素的“一个或多个”。其他要素可以可选择地存在，除了“和/或”条目明确地确定的要素，无论与这些明确地确定的要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，提及“A和/或B”，当与开放的语言比如“包括”共同地使用时，在一个实施方案中，可以指仅A(可选择地包括除了B的要素)；在另一个实施方案中，是指仅B(可选择地包括除了A的要素)；在又一个实施方案中，是指A和B二者(可选择地包括其他要素)等。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，“或”应当被理解为和上文定义的“和/或”具有相同的含义。例如，当分隔列表中的项时，“或”或“和/或”应当被解释为是包括性的，即，包括要素的数量或列表的至少一个，而且包括多于一个，以及，可选择地，包括另外的未列出的项。仅术语清楚地指示为相反，比如“中的仅一个”或“中的精确的一个”，或，当在权利要求中使用时，“由...组成”，将是指包括要素的数量或列表的精确的一个要素。通常，当排他性的术语，比如“任一个”、“中的一个”、“中的仅一个”或“中的精确的一个”在前时，如本文使用的术语“或”应当仅被解释为指示排他性的替代形式(即“一个或另一个但不是两者”)。“基本上由...组成”当在权利要求中使用时，应当具有如在专利法的领域中所使用的普通含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，词组“至少一个”在引用一个或多个要素的列表时，应当被理解为意指选自要素的列表中的要素中的任何一个或多个要素的至少一个要素，但是不一定包括要素的列表内具体地列出的每一个要素的至少一个，且不排除要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许要素可以可选择地存在，该要素不同于在要素的列表内的为短语“至少一个”具体地确定的要素，无论与这些特别地确定的要素相关还是不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一个”(或等价地，“A或B中的至少一个”，或等价地，“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施方案中指至少一个，可选择地包括多于一个A，其中B不存在(且可选择地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，是指至少一个，可选择地包括多于一个B，A不存在(且可选择地包括除了A的要素)；在又一个实施方案中，是指至少一个，可选择地包括多于一个A，以及至少一个，可选择地包括多于一个B(且可选择地包括其他要素)；等等。
本文引用的任何范围是首尾包括性的。整个本说明书中所使用的术语“大体上”和“约”用于描述和说明小的波动。例如，它们可以指小于或等于±5％，比如小于或等于±2％、比如小于或等于±1％、比如小于或等于±0.5％、比如小于或等于±0.2％、比如小于或等于±0.1％、比如小于或等于±0.05％。
在权利要求中，以及在上文的说明书中，所有过渡短语比如“包括”、“承载”、具有“”、“含有”、“涉及”、“容纳”、“包括(composed of)”及类似短语将被理解为开放性的，即理解为包括但不限于。仅过渡态短语“由...组成”和“基本上由...组成”应当分别是封闭式的或半封闭式的过渡短语，如在美国专利局的专利审查程序手册第2111.03章节中所提出的。
权利要求不应当被理解为限于所描述的顺序或要素，除非声明是这种效果。应理解，本领域普通技术人员可以作出形式和细节上的各种改变，而在不偏离所附的权利要求的精神和范围。要求保护在以下的权利要求和与其等同的精神和范围内的所有实施方案。
本文所描述的主题的各个方面在以下编号的项目中被提出：
1.一种制品，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形核燃料的外部；以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部；
其中所述衬层包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近所述核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近所述覆层且包括不同于所述第一材料的第二材料。
2.如项目1所述的制品，其中所述第一材料适合于减轻所述第一材料与所述环形核燃料之间的原子间扩散。
3.如项目1所述的制品，其中所述第一材料和所述第二材料适合于减轻所述第一材料和第二材料之间的原子间扩散。
4.如项目1所述的制品，其中所述第二材料适合于减轻所述第二材料与所述覆层之间的原子间扩散。
5.如项目1所述的制品，其中所述核燃料包括选自U、Th、Am、Np和Pu的至少一种燃料。
6.如项目1所述的制品，其中所述核燃料包括选自以下的至少一种难熔材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
7.如项目1所述的制品，其中所述覆层包括选自金属、金属合金和陶瓷的至少一种材料。
8.如项目1所述的制品，其中所述覆层包括钢，所述钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。
9.如项目1所述的制品，其中所述覆层包括选自以下的至少一种钢：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。
10.如项目1所述的制品，其中所述核燃料、所述衬层和所述覆层被机械地结合。
11.如项目1所述的制品，其中所述衬层的所述第一区域布置于第一层中，且所述衬层的所述第二区域布置于第二层中。
12.如项目11所述的制品，其中所述第一层和所述第二层被机械地结合。
13.如项目2所述的制品，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一种包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
14.如项目1所述的制品，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
15.一种发电反应堆，包括项目1所述的制品。
16.一种核燃料元件，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述核燃料的外部，所述衬层包括第二层和接触所述核燃料的第一层，以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部，所述覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，所述覆层接触所述衬层的所述第二层。
17.如项目16所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括选自以下的至少一种难熔材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
18.如项目16所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
19.如项目16所述的核燃料元件，其中所述覆层包括选自以下的至少一种材料：Cr、C、Mo、Ni、Mn、V、W、Si、Cu、N、S和P。
20.如项目16所述的核燃料元件，其中所述覆层包括选自以下的至少一种钢：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。
21.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
22.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第二层包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
23.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层具有约20微米的厚度。
24.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第二层具有约10微米的厚度。
25.如项目16所述的核燃料元件，其中(i)所述核燃料和所述第一层，以及(ii)所述覆层和所述第二层中的至少一种在大于或等于室温的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
26.如项目16所述的核燃料元件，其中(i)所述核燃料和所述第一层，以及(ii)所述覆层和所述第二层中的至少一种在大于或等于约95的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
27.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层在大于或等于350℃的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
28.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层大体上没有其间的原子间扩散。
29.如项目16所述的核燃料元件，还包括过渡层，所述过渡层布置于所述第一层和所述第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度。
30.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层大体上不含从所述覆层扩散的元素的原子。
31.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第二层大体上不含从所述燃料扩散的元素的原子。
32.如项目16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层包括不同的材料。
33.如项目16所述的核燃料元件，其中所述核燃料元件在所述核燃料和所述覆层之间大体上不含钠。
34.一种发电反应堆，包括项目16所述的核燃料元件。
35.一种发电设备，包括项目16所述的核燃料元件。
36.一种核燃料元件，包括：
第一核燃料和第二核燃料，所述第一核燃料和所述第二核燃料中的每种均具有第一端和第二端；以及
覆层，所述覆层布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种的外部；以及
分离器，所述分离器布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的一种的第一端与所述第一核燃料和所述第二核燃料中的另一种的第二端之间；
所述分离器包括第一区域和第二区域，所述第一区域接触所述第一燃料元件和所述第二燃料元件中的一种的所述第一端，所述第二区域接触所述第一燃料元件和所述第二燃料元件中的另一种的所述第二端。
37.如项目36所述的核燃料元件，其中所述分离器适合于减轻所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种在轴向方向上的膨胀。
38.如项目36所述的核燃料元件，还包括第二分离器，所述第二分离器近侧地布置于所述核燃料元件的底部表面上。
39.如项目36所述的核燃料元件，其中所述第一区域和所述第二区域中的至少一个包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
40.如项目36所述的核燃料元件，其中所述分离器适合于在所述第一核燃料的所述第一端或所述第二核燃料的所述第二端中的至少一端处减轻所述核燃料与所述覆层之间的原子间扩散。
41.如项目36所述的核燃料元件，其中所述分离器至少包括包含所述第一区域的第一分离器层以及包含所述第二区域的第二层。
42.如项目36所述的核燃料元件，还包括布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种之上的衬层；
所述衬层包括适合于接触所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种的第一层，以及适合于接触所述覆层的第二层。
43.一种发电反应堆，包括项目36所述的燃料元件。
44.一种发电设备，包括项目36所述的燃料元件。
45.一种制造核燃料组件的方法，包括：
提供环形核燃料和所述核燃料的外部的覆层；
将衬层的第一层布置于所述核燃料的外部，所述第一层接触所述核燃料；以及
将所述衬层的第二层布置于所述覆层的内部，所述第二层接触所述覆层。
46.如项目45所述的方法，还包括型锻所述核燃料、所述衬层和所述覆层中的至少两种。
47.如项目45所述的方法，还包括对所述核燃料进行选自以下的至少一种过程：铸造、挤压、皮尔格轧制、管焊接和无缝焊接。
48.如项目45所述的方法，还包括：
将所述核燃料加热至所述核燃料的至少β-转变温度的第一温度；
以及在促进等轴颗粒形成的条件下将所述核燃料冷却至低于所述第一温度的第二温度。
49.如项目45所述的方法，其中布置所述第一层和布置所述第二层中的至少一种包括气相沉积和电化学涂覆中的至少一种。
50.如项目45所述的方法，还包括使所述第一层和所述第二层结合。
51.一种使用燃料组件的方法，所述方法包括：
提供包括多个燃料元件的燃料组件，所述燃料元件包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形核燃料的外部；以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部；
其中所述衬层包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近所述核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近所述覆层且包括不同于所述第一材料的第二材料；
使用所述燃料组件产生能量；以及
减轻(i)所述第一材料和所述第二材料；(ii)所述第一材料和所述核燃料；以及(iii)所述第二材料和所述覆层中的至少一种之间的原子间扩散。
52.如项目51所述的方法，其中所述衬层至少包括包含所述第一区域的第一衬层以及包含所述第二区域的第二衬层。
53.如项目51所述的方法，其中产生在至少300℃的温度下进行。
54.如项目51所述的方法，其中在产生之后，所述第一区域大体上不含来自所述覆层的元素，且所述第二区域大体上不含来自所述核燃料的元素。
55.如项目51所述的方法，其中所述燃料元件中的至少一个在所述核燃料和所述覆层之间大体上不含钠。
56.一种核燃料元件，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形燃料的外部，所述衬层包括第二层和接触所述核燃料的第一层，以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部，所述覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，所述覆层接触所述衬层的所述第二层；以及
过渡层，所述过渡层布置于所述第一层和所述第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度。
57.如项目56所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
58.如项目56所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层中的至少一个包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
59.如项目56所述的核燃料元件，所述覆层包括钢，所述钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。
60.一种发电反应堆，包括项目56所述的核燃料元件。
Claims (60)
1.一种制品，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形核燃料的外部；以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部；
其中所述衬层包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近所述核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近所述覆层且包括不同于所述第一材料的第二材料。
2.如权利要求1所述的制品，其中所述第一材料适合于减轻所述第一材料与所述环形核燃料之间的原子间扩散。
3.如权利要求1所述的制品，其中所述第一材料和所述第二材料适合于减轻所述第一材料和所述第二材料之间的原子间扩散。
4.如权利要求1所述的制品，其中所述第二材料适合于减轻所述第二材料与所述覆层之间的原子间扩散。
5.如权利要求1所述的制品，其中所述核燃料包括选自U、Th、Am、Np和Pu的至少一种燃料。
6.如权利要求1所述的制品，其中所述核燃料包括选自以下的至少一种难熔材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
7.如权利要求1所述的制品，其中所述覆层包括选自金属、金属合金和陶瓷的至少一种材料。
8.如权利要求1所述的制品，其中所述覆层包括钢，所述钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。
9.如权利要求1所述的制品，其中所述覆层包括选自以下的至少一种钢：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。
10.如权利要求1所述的制品，其中所述核燃料、所述衬层和所述覆层被机械地结合。
11.如权利要求1所述的制品，其中所述衬层的所述第一区域布置于第一层中，且所述衬层的所述第二区域布置于第二层中。
12.如权利要求11所述的制品，其中所述第一层和所述第二层被机械地结合。
13.如权利要求2所述的制品，其中所述第一材料和所述第二材料中的至少一种包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
14.如权利要求1所述的制品，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
15.一种发电反应堆，包括权利要求1所述的制品。
16.一种核燃料元件，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述核燃料的外部，所述衬层包括第二层和接触所述核燃料的第一层，以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部，所述覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，所述覆层接触所述衬层的所述第二层。
17.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括选自以下的至少一种难熔材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
18.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
19.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述覆层包括选自以下的至少一种材料：Cr、C、Mo、Ni、Mn、V、W、Si、Cu、N、S和P。
20.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述覆层包括选自以下的至少一种钢：马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢、氧化物分散的钢、T91钢、T92钢、HT9钢、316钢和304钢。
21.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
22.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第二层包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
23.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层具有约20微米的厚度。
24.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第二层具有约10微米的厚度。
25.如权利要求16所述的核燃料元件，其中(i)所述核燃料和所述第一层，以及(ii)所述覆层和所述第二层中的至少一种在大于或等于室温的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
26.如权利要求16所述的核燃料元件，其中(i)所述核燃料和所述第一层，以及(ii)所述覆层和所述第二层中的至少一种在大于或等于约95的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
27.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层在大于或等于350℃的温度下大体上没有其间的原子间扩散。
28.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层大体上没有其间的原子间扩散。
29.如权利要求16所述的核燃料元件，还包括过渡层，所述过渡层布置于所述第一层和所述第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度。
30.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层大体上不含从所述覆层扩散的元素的原子。
31.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第二层大体上不含从所述燃料扩散的元素的原子。
32.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层包括不同的材料。
33.如权利要求16所述的核燃料元件，其中所述核燃料元件在所述核燃料和所述覆层之间大体上不含钠。
34.一种发电反应堆，包括权利要求16所述的核燃料元件。
35.一种发电设备，包括权利要求16所述的核燃料元件。
36.一种核燃料元件，包括：
第一核燃料和第二核燃料，所述第一核燃料和所述第二核燃料中的每种均具有第一端和第二端；以及
覆层，所述覆层布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种的外部；以及
分离器，所述分离器布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的一种的第一端与所述第一核燃料和所述第二核燃料中的另一种的第二端之间；
所述分离器包括第一区域和第二区域，所述第一区域接触所述第一燃料元件和所述第二燃料元件中的一种的所述第一端，所述第二区域接触所述第一燃料元件和所述第二燃料元件中的另一种的所述第二端。
37.如权利要求36所述的核燃料元件，其中所述分离器适合于减轻所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种在轴向方向上的膨胀。
38.如权利要求36所述的核燃料元件，还包括第二分离器，所述第二分离器近侧地布置于所述核燃料元件的底部表面上。
39.如权利要求36所述的核燃料元件，其中所述第一区域和所述第二区域中的至少一个包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
40.如权利要求36所述的核燃料元件，其中所述分离器适合于在所述第一核燃料的所述第一端或所述第二核燃料的所述第二端中的至少一端处减轻所述核燃料与所述覆层之间的原子间扩散。
41.如权利要求36所述的核燃料元件，其中所述分离器至少包括包含所述第一区域的第一分离器层以及包含所述第二区域的第二层。
42.如权利要求36所述的核燃料元件，还包括布置于所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种之上的衬层；
所述衬层包括适合于接触所述第一核燃料和所述第二核燃料中的至少一种的第一层，以及适合于接触所述覆层的第二层。
43.一种发电反应堆，包括权利要求36所述的燃料元件。
44.一种发电设备，包括权利要求36所述的燃料元件。
45.一种制造核燃料组件的方法，包括：
提供环形核燃料和所述核燃料的外部的覆层；
将衬层的第一层布置于所述核燃料的外部，所述第一层接触所述核燃料；以及
将所述衬层的第二层布置于所述覆层的内部，所述第二层接触所述覆层。
46.如权利要求45所述的方法，还包括型锻所述核燃料、所述衬层和所述覆层中的至少两种。
47.如权利要求45所述的方法，还包括对所述核燃料进行选自以下的至少一种过程：铸造、挤压、皮尔格轧制、管焊接和无缝焊接。
48.如权利要求45所述的方法，还包括：
将所述核燃料加热至所述核燃料的至少β-转变温度的第一温度；
以及在促进等轴颗粒形成的条件下将所述核燃料冷却至低于所述第一温度的第二温度。
49.如权利要求45所述的方法，其中布置所述第一层和布置所述第二层中的至少一种包括气相沉积和电化学涂覆中的至少一种。
50.如权利要求45所述的方法，还包括使所述第一层和所述第二层结合。
51.一种使用燃料组件的方法，所述方法包括：
提供包括多个燃料元件的燃料组件，所述燃料元件包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形核燃料的外部；以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部；
其中所述衬层包括第一区域和第二区域，所述第一区域布置为邻近所述核燃料且包括第一材料，所述第二区域布置为邻近所述覆层且包括不同于所述第一材料的第二材料；
使用所述燃料组件产生能量；以及
减轻(i)所述第一材料和所述第二材料；(ii)所述第一材料和所述核燃料；以及(iii)所述第二材料和所述覆层中的至少一种之间的原子间扩散。
52.如权利要求51所述的方法，其中所述衬层至少包括包含所述第一区域的第一衬层以及包含所述第二区域的第二衬层。
53.如权利要求51所述的方法，其中产生在至少300℃的温度下进行。
54.如权利要求51所述的方法，其中在产生之后，所述第一区域大体上不含来自所述覆层的元素，且所述第二区域大体上不含来自所述核燃料的元素。
55.如权利要求51所述的方法，其中所述燃料元件中的至少一个在所述核燃料和所述覆层之间大体上不含钠。
56.一种核燃料元件，包括：
环形核燃料；
衬层，所述衬层布置于所述环形燃料的外部，所述衬层包括第二层和接触所述核燃料的第一层，以及
覆层，所述覆层布置于所述衬层的外部，所述覆层包括选自以下的至少一种材料：金属、金属合金和陶瓷，所述覆层接触所述衬层的所述第二层；以及
过渡层，所述过渡层布置于所述第一层和所述第二层之间且具有小于或等于约2微米至约5微米的厚度。
57.如权利要求56所述的核燃料元件，其中所述核燃料包括至少90wt％的U。
58.如权利要求56所述的核燃料元件，其中所述第一层和所述第二层中的至少一个包括选自以下的至少一种材料：Nb、Mo、Ta、W、Re、Zr、V、Ti、Cr、Ru、Rh、Os、Ir、Nd和Hf。
59.如权利要求56所述的核燃料元件，所述覆层包括钢，所述钢的大体上全部具有选自马氏体相、铁素体相和奥氏体相的至少一种相。
60.一种发电反应堆，包括权利要求56所述的核燃料元件。
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