CN106575528A - 用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术 - Google Patents

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Abstract

本文公开了核燃料结构和用于加工的方法。核燃料结构包括布置在所述结构中的多个纤维和在多个纤维中的至少一个纤维内的多层燃料区域。多层燃料区域包括由核燃料材料制成的内层区域和包围核燃料材料的外层区域。多个离散的多层燃料区域可沿至少一个纤维形成在芯区域上方，所述多个离散的多层燃料区域具有核燃料材料的相应的内层区域和包围核燃料材料的相应的外层区域。所述多个纤维可包裹在核燃料结构的内棒或管结构周围或外管结构的内部，提供核燃料结构的结构支撑和核燃料材料。

Description

用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术
相关申请的交叉参考
本申请涉及2014年6月23日提交、题为“An Additive Manufacturing Technologyfor the Fabrication and Characterization of Nuclear Reactor Fuel”的美国专利申请No.62/015,603，并且涉及2015年1月5日提交、题为“An Additive ManufacturingTechnology for the Fabrication and Characterization of Nuclear Reactor Fuel”的美国专利申请No.62/099,734，并且涉及2015年3月16日提交、题为“An AdditiveManufacturing Technology for the Fabrication and Characterization of NuclearReactor Fuel”的美国专利申请No.62/133,596，并且涉及2015年4月28日提交、题为“AnAdditive Manufacturing Technology for the Fabrication and Characterization ofNuclear Reactor Fuel”的美国专利申请No.62/153,715。在此通过引用将这些申请中的每一个全文并入本文中。
背景技术
核能继续成为美国和世界各地其他国家的重要能源，原因是核能能够在长时间周期上提供更大量的能量，而没有与化石燃料使用关联的许多问题，例如温室气体排放。使用和存储核燃料源方面的固有风险、对于确保核反应堆的安全操作的需要和滥用核燃料以制造武器的风险持续地驱动开发安全和可靠的核燃料技术方面的创新。
发明内容
在一个方面，通过提供一种核燃料结构而克服了现有技术的各种缺点并提供了额外优点，所述核燃料结构包括布置在核燃料结构中的多个纤维和在多个纤维中的至少一个纤维内的多层燃料区域。所述多层燃料区域包括具有核燃料材料的内层区域和包围核燃料材料的外层区域。
在另一方面，还提供了一种促进加工核燃料结构的方法，其中对加工的促进包括提供布置在核燃料结构中的多个纤维并在多个纤维中的至少一个纤维内形成多层燃料区域。形成的多层燃料区域包括具有核燃料材料的内层区域和包围核燃料材料的外层区域。
通过本发明的技术而实现了额外特征和优点。本文详细描述了本发明的其他实施例和方面，并且所述其他实施例和方面视作所请求保护发明的一部分。
附图说明
在本说明书的结尾，特别地指出并且清楚地在权利要求书中请求了本发明的一个或多个方面作为示例。根据结合附图理解下述详细描述，本发明的前述和其他目的、特征和优点将变得明了，其中：
图1描绘了核反应堆的示例性布局，一般地示意了核燃料结构在核反应堆操作中的使用；
图2A-2B描绘了包括多个核燃料棒结构和控制棒结构的示例结构，示意了用于包围并存储核燃料结构的一种可能结构；
图3A-3B描绘了根据本发明的一个或多个方面的核燃料结构或包覆结构的一部分的一个实施例；
图4A描绘了根据本发明的一个或多个方面的包括多层燃料区域的纤维的一个实施例；
图4B描绘了根据本发明的一个或多个方面的包括多层燃料区域的纤维的另一个实施例；
图4C描绘了根据本发明的一个或多个方面的包括多层燃料区域的纤维的横截面图；
图4D示意了根据本发明的一个或多个方面的包括多个离散的多层燃料区域的多个纤维或其多个支架纤维的一个实施例；
图5A描绘了根据本发明的一个或多个方面的包括多个纤维的核燃料结构的一部分的一个实施例，所述多个纤维具有多个离散的多层燃料区域和/或核毒物区域；
图5B-5E描绘了根据本发明的一个或多个方面的使用图5A的核燃料结构的核燃料组件的实施例的横截面图；
图6A-6E描绘了根据本发明的一个或多个方面的用于促进加工具有多层燃料区域的纤维的过程；
图7A-7E描绘了根据本发明的一个或多个方面的用于促进加工具有多层燃料区域的纤维的另一过程；
图8描绘了根据本发明的一个或多个方面的用于促进加工具有多个离散的燃料区域的多个纤维的设备的一个实施例；
图9描绘了根据本发明的一个或多个方面的用于形成多个纤维的过程的一个实施例；
图10描绘了根据本发明的一个或多个方面的可以通过数字喷丝头技术形成的多个支架纤维的一个实施例；以及
图11描绘了根据本发明的一个或多个方面的纳米多孔碳层的一个实施例。
具体实施方式
在下面参考在附图中示意的非限制性示例来更加全面地说明本发明的方面和其某些特征、优点和细节。省略了对周知材料、加工工具、处理技术等的描述以便不必要地使本发明在细节上模糊不清。然而，应当理解，详细描述和具体示例尽管指示了本发明的方面，但是仅通过示意的方式给出而不是以限制的方式。根据本公开，本领域技术人员将明了在根本的创造性构思的精神和/或范围内的各种替代、修改、添加和/或布置。
下面对附图进行参考，为了容易理解不按比例绘制附图，其中在不同附图各处使用的相同参考标号指代相同或相似部件。
在许多国家中核能生产继续是重要的以满足当前和预期的将来的能量需求。诸如铀和基于铀的化合物的核燃料材料具有比诸如化石燃料的其他能源大得多的能量密度，并且可具有超过例如汽油或煤燃料一百万倍的能量密度。如几个著名核反应堆事故(例如三里岛事故、切尔诺贝利灾难以及最近的福岛第一核电站熔毁)所表明，核燃料材料在核反应堆内的安全处置和存储以及防止核反应堆事故和熔毁继续成为核能生产中的重要问题。
图1是可作为核电厂的一部分的示例核反应堆100的简化示意图。在图1中描绘的核反应堆100包括包围在反应堆屏蔽壳110内部的反应堆容器105，反应堆容器105由混凝土或能够经受高温的其他材料制成，以使得在发生事故的情况下可包含反应堆屏蔽壳110内的材料。反应堆容器105包括芯120，核燃料棒130和控制棒140设置在芯120中。反应堆容器105还保持冷却剂材料150，例如水或重水，冷却剂材料150可通过冷却剂入口155吸入到反应堆105中。燃料棒130包括包围在金属合金燃料棒外壳或包覆(例如锆合金金属外壳)中的核燃料材料，通常为二氧化铀燃料盒。(许多核燃料棒利用以商标名Zircaloy的名义生产的锆合金包覆材料。)核燃料材料被轰击有中子，中子能在核燃料中引发裂变反应；所述反应使核燃料材料的原子核分裂，释放热能和随后继续裂变反应的附加中子。热能加热冷却剂160，之后可将冷却剂160经由冷却剂出口165从反应堆容器105泵出；被加热的冷却剂160可例如被用于生成蒸汽以驱动涡轮机，涡轮机转而生成电能(出于简化而未在图1中描绘)。芯120可由一种或多种慢化材料(例如石墨)制成，慢化材料能够将中子减速到中子更有可能与核燃料材料的原子核反应的速度。冷却剂材料150也可充当慢化材料以减速轰击燃料棒130的高速中子。控制棒140可用于可变地控制燃料棒130中核燃料材料的裂变率。控制棒140可由能够吸收中子而不经历裂变反应的一种或多种材料(例如，硼、银、镉和/或铟)制成。将控制棒140从反应堆容器105部分地或完全地抽出，较多的中子可成功地轰击燃料棒130中的核燃料材料并与之反应，增加能量输出；相反，通过将棒进一步或完全地插入到反应堆容器105中，则可吸收较多的中子并且减速核裂变反应以减少能量生产。在一些核反应堆中，完全地插入控制棒140可用于完全地停止燃料棒130中的裂变反应。
图2A和2B示意了可部署在核反应堆中的核燃料组件200的示例。一般地，在图1中描绘的核燃料棒130和控制棒140不是分离地部署在核反应堆中，而是，更通常地部署在核燃料组件(例如核燃料组件200)中。核燃料棒210可以与穿插在核燃料棒210当中的控制棒220一起排列，并且核燃料棒210和控制棒220通过一个或多个隔圈230而被捆绑。整个核燃料组件200可部署在核反应堆容器(例如图1的反应堆容器105)内，以使得核燃料组件被慢化材料(例如芯120)包围，并且冷却剂150可在燃料棒210和控制棒220周围流动。控制棒220可以与反应堆容器内或外部的控件联接以使得控制棒220可以可变地撤回或进一步插入到核燃料组件200中，如图2B所示。
再次参考图1，可以注意到冷却剂150可在核反应堆110内服务于几个目的。被由裂变反应生成的热量加热的冷却剂160从燃料棒130和芯120带走热量，并且冷却剂160的热能可转换成电能。另外，冷却剂150、160可充当慢化剂以将中子减速到它们更有可能成功地与核燃料材料反应的速度。在冷却剂丧失事故(LOCA)中，反应堆容器105内冷却剂水平会下降，以使得热能不再足够地传出到反应堆外部，使得热量在反应堆内积累并且潜在地毁坏燃料棒130，包括外壳材料。尽管冷却剂丧失可能还表示慢化材料的丧失，并且因此导致核燃料材料中裂变反应的减速，但是当放射性核燃料材料以及裂变反应的放射性副产物继续将热能辐射到反应堆时热能仍然可能快速地在反应堆容器中积累。三里岛灾难和福岛第一核电站灾难都是由于冷却剂丧失事故开始，导致锆合金包覆的熔毁和高度放热氧化，产生大量的氢气并导致进一步的热量积累和随后的堆芯熔毁。在熔毁中燃料棒的包覆一旦断裂或破裂，放射性核燃料及其放射性裂变副产物就会被暴露并且与由于熔毁而产生的其他气体混合，使得放射性材料逃逸到周围环境中。
诸如三里岛的事故已经促使对于能够取代锆合金包覆和其他包覆材料的替代且更安全的燃料棒包覆材料的研究。例如，碳化硅(SiC)可为这样一种替代包覆材料。尽管碳化硅是相对易碎的材料，但是可通过使用碳化硅纤维(SiCf)增强的碳化硅基质(SiCm)陶瓷基质复合物(CMC)结构来减轻其易碎性。图3A-3B示意了增强的SiCf-SiCm CMC结构的一个示例实施例。图3A描绘了包括管310(例如单块SiC管)的结构300的一个实施例，所述管310具有编织或缠绕在管310周围的SiC纤维或丝束340的多个增强条带320。增强条带可例如包括如一个条带320的一部分330的特写视图所示意的多个SiC纤维或丝束340。纤维或丝束340可包括碳硅化合物，例如SiCf。图3A示意了编织或缠绕条带320的过程和条带320的图案的一个示例，其中为了简化附图并更好地示意示例性图案而没有包括附加的交替线束。编织或缠绕条带的其他过程和图案也是可能的。例如，条带320还可以被编织在管310内部(为了示意的清楚起见，在图3A中未示出)。
图3B示意了具有包围管310的多层条带320并内嵌有覆盖条带320和管310的外层360的结构300。在外管包围多层条带320并且然后覆盖有内层310的情况下，310和360的作用可以颠倒。为了呈现的清楚，假设前者架构而不失一般性。在结构300可为SiCf-SiCm CMC结构的情况下，外层360也可包括SiC。外层360可例如通过化学气相渗透(CVI)过程和/或化学气相沉积(CVD)过程来提供。特写视图351示出了当径向上观察结构300所见到的多个纤维340的一部分的视图，示意了纤维340如何可以理想地被布置成理想的“交织”型图案以提供对结构300的增强同时提供开放的孔隙以促进CVD或CVI。特写视图352和353示出了多个纤维340的剖开部分的横截面图，示意了纤维340可以被理想地布置到管340上方的层的一种方式。仅出于示意目的，由图3B示意的示例性结构300描绘了在管310上方分层的八层条带320；实际上，可以在管310上方提供许多更多层的条带320用于结构增强，或者可以需要更少层的条带320。替代地，管310和基质360可以颠倒以反映在管310内部缠绕或编织条带320。
增强的CMC结构(例如由图3A-3B示意的示例性结构300)可具有能够与金属(例如锆合金)相比的韧性，但是具有对于高温要大得多的耐受性。例如，贝塔相化学计量碳化硅(β-SiC)CMC在辐照下在1500℃的温度下保持其强度。另外，β-SiC材料在高温下展现低氧化率，并且可以具有与核燃料化合物(例如二氧化铀(UO2))的相对低的反应性。然而，即便是增强的CMC结构也不是没有缺点。例如，尽管在建造福岛电站时SiC化合物已经被识别作为对于锆合金包覆的可能替换，但是碳化硅包覆的燃料棒的生产和使用仍然是昂贵的。不同于金属合金(金属合金可以容易地焊接以密封金属合金包覆内的燃料芯块)，SiC材料不容易熔融在一起，使得难以完全密闭地将核燃料芯块密封在碳化硅管内。另外，SiC CMC增强的包覆一般被制得相对厚，以便克服纯碳化硅的固有易碎性；然而，与SiC CMC包覆相比，当前的燃料棒的金属包覆能够被制得相对薄。这样，为了使得许多SiC CMC包覆燃料棒被用作对于当前的核反应堆中的金属合金包覆燃料棒的替代，SiC CMC包覆将必须被保持于类似于金属包覆的厚度，但是在这样的厚度下包覆可能不提供对于燃料棒的足够的结构增强。
三结构各向同性(TRISO)核燃料可解决这些缺点中的一些。TRISO核燃料将核燃料封装在多个球面层中，所述多个球面层封闭在SiC球面中。然而，球面设计提供相对低的核燃料体积分数比，需要较高的富集和较频繁的替换，从而增加了安全地存储用过的核燃料的负担。
另外，不是每一碳化硅CMC都适合用作包覆，而是合适的那些CMC也面临挑战和缺点。例如，当前被用于开发核燃料棒结构的少数用于增强CMC材料的SiCf丝束之一是Hi-Nicalon Type-S(HNS)，其是一种充分地接近化学计量并且在核反应堆中的使用过程中能够经受高剂量的中子轰击的市售β-SiCf化合物。然而，HNS纤维一般不形成如在图3B中描绘的特写视图351、353中示出的连续纤维的井然有序的布置。反而，HNS纤维趋向于扭曲和缠结，形成碳化硅的团簇并且在管310周围的编织丝束结构内留下空间或空隙。不管用于形成和沉积HNS纤维的特定过程——通过化学气相渗透(CVI)和/或化学气相沉积(CVD)、聚合物浸渍裂解(PIP)或熔体浸渗过程，都会发生这些问题。HNS纤维缠结和团簇的这种趋向性还可在管310周围编织的纤维结构的一些部分中减少产生的CMC 300纤维体积分数，使得那些部分较易于破裂。通过熔体浸渗过程形成HNS增强的CMC包覆还趋向于沿HNS纤维的一些部分形成硅凹陷；当硅一旦转变为固态而膨胀时，硅凹陷成为CMC中高度易于破裂的弱点。
这样，一般地说来，本文公开了一种核燃料结构或包覆结构，其包括提供布置在核燃料结构中的多个纤维和在多个纤维中的至少一个纤维内的多层燃料区域。所述多层燃料区域包括具有核燃料材料的内层区域和包围核燃料材料的外层区域。当在本文中使用时，术语“纤维”可指沿其可形成离散区域的任何细长的结构。这可包括但不限于(一个或多个)CMC结构、丝或丝状结构和本文公开类型的其他类似结构。丝状结构可例如包括绕螺旋盘绕或分叉成多个丝或纤维的结构。当被用作包覆时，多个纤维可不包含具有多层燃料结构的纤维。在任何情况下，多个纤维还可包含打算与核反应相互作用的元素，例如被包括作为可燃毒物的材料。
在一个实施例中，将多个纤维布置在核燃料结构中以给核燃料结构的至少一部分提供结构增强。所述核燃料结构可包括内棒或管结构，并且多个纤维可包裹在内棒或管结构周围以便于提供结构增强。由于多个纤维中的一个或多个纤维还可在所述一个或多个纤维内包括一个多层燃料区域或多个区域，所以借助多个纤维增强的CMC管可不仅充当独立的核燃料还可以充当包含附加的核燃料芯块的包覆。
在另一个实施例中，具有核燃料材料的内层区域可为第一内区域，并且在第一内层区域下面所述结构还可包括第二内层区域。第二内层区域可包括被选择为捕获在核燃料材料中发生的核裂变反应的副产物(例如气态副产物)的材料。如在图11中例示的，第二内层区域1102的材料在一个示例中可为沉积在支架丝1101上的纳米多孔碳。
在再另一个实施例中，多层燃料区域是沿至少一个纤维设置的多个离散的多层燃料区域中的一个多层燃料区域。多个离散的多层燃料区域可均具有核燃料材料的相应的内层区域和包围核燃料材料的相应的外层区域。多个离散的多层燃料区域可沿至少一个纤维的长度形成在芯丝的上方。
在再另一个实施例中，除了多层燃料区域或替代多层燃料区域，所述纤维可包括被选择成与核燃料材料相互作用的附加材料层以便慢化或延迟核裂变。在一个示例中，所述附加材料层可包括作为慢化剂的碳。在另一个示例中，所述附加材料层可包括作为核毒物或可燃毒物的硼或钆以延迟核裂变。
在另一方面，本文还公开了一种促进加工核燃料结构的方法，其中对加工的促进包括提供布置在核燃料结构中的多个纤维并在多个纤维中的至少一个纤维内形成多层燃料区域。形成的多层燃料区域包括具有核燃料材料的内层区域和包围核燃料材料的外层区域。在一个示例中，可通过化学气相沉积(CVD)过程来完成形成多层燃料区域的至少一个层。在另一个示例中，所述方法还可包括提供核燃料结构的内棒或管结构，以及布置多个纤维以包裹在内棒或管结构周围以使得多个纤维给核燃料结构提供结构增强。
图4A描绘了包括多层燃料区域420的纤维410的一个实施例。提供了多层燃料区域420的剖视图415以清楚地示出多层燃料区域420的多个层。多层燃料区域420具有包括核燃料材料(例如铀或铀化合物)的内层区域423和包围内层区域423的核燃料材料的外层区域424。内层区域423的核燃料材料可为二氧化铀(UO2)，因为在许多核燃料结构中二氧化铀可常常被用作核燃料。然而，由于内层区域423完全地被外层区域424密闭地密封，所以也可以使用铀、钚或具有比二氧化铀的裂变材料密度高的裂变材料密度的包含裂变材料的化合物，例如一氮化铀(UN)、碳化铀(UC)和硅化铀(U2Si3)。外层区域424可例如包括热解碳(PyC)，和/或可包括碳化硅。在图4A中描绘的示例性多层燃料区域中，内层区域423可被视为第一内层区域426，并且多层燃料区域420可包括设置在第一内层区域423下面的第二内层区域422。第二内层区域可包括被选择成捕获在内层区域423的核燃料材料中发生的核裂变反应的副产物(例如气态副产物)的材料，例如纳米多孔碳。
外层区域424可例如包括热解碳(PyC)，和/或可包括碳化硅。在一个实施例中，外层区域424可为第一外层区域424，并且多层燃料区域420可包括第二外层区域。第二外层区域可包括给纤维410添加进一步的功能的材料。例如，第二外层区域可包括可延迟内层区域423的核燃料材料的活性的核毒物材料，例如硼或钆。在另一个示例中，第二外层区域可包括充当内层区域423的核燃料材料的核裂变活性的慢化剂的材料，例如碳。在另一示例中，第二外层区域可包括用于与SiC基质结构结合的间相层。
多层燃料区域420可形成在芯区域421上方。芯区域421可例如为沿纤维410的长度的碳化硅丝，多层燃料区域420的多个层的一部分形成在其上方。芯区域421一般可包括陶瓷材料，例如碳化硅或碳化铪。最后，外覆层425进一步包围多层燃料区域420的多个层和芯区域421。外覆层425自身可为多层外覆体。外覆层425可包括陶瓷材料，例如碳化硅或碳化铪，并且可包括进一步使纤维功能化的附加外覆层。例如，附加层可为被应用为CMC间相层的热解碳(PyC)的层。在另一示例中，附加层可包括被应用以充当间相层和抑制核燃料材料423中的核裂变反应的可燃核毒物层的氮化硼。多层燃料区域420可为沿纤维410设置的多个离散的多层燃料区域420中的一个多层燃料区域，如图4A中所示。每个离散的多层燃料区域420可具有由核燃料材料制成的相应的内层区域423和包围核燃料材料的相应的外层区域424。多个离散的多层燃料区域可沿至少一个纤维410的长度设置在芯区域421的上方。外覆层425可包围多个离散的多层燃料区域420和芯丝421，产生完整的纤维410。在图4A中描绘的外覆层425沿纤维410的长度可具有基本上均匀的厚度。如图4A所示意的，多个离散的多层燃料区域420呈现为沿纤维410设置的“珠子”，原因是多个离散的多层燃料区域具有比纤维410的包括芯丝421和外覆体425而不带有多层燃料区域的区域大的厚度。
图4B描绘了包括多层燃料区域460的纤维450的替代实施例，其中纤维450具有基本上均匀的厚度，以使得多层燃料区域460呈现为被内置在纤维450内。在图4B的替代实施例中，第一内层区域463、第二内层区域462、外层区域464和外覆体465在多层燃料区域460的长度上可具有变化的厚度，其中层的厚度在多层燃料区域460的任一端处渐缩。在一个示例性实施例中，芯区域161在提供多层燃料区域460的层之前可被设置为具有可变的厚度。在另一个示例性实施例中，芯区域461可具有基本上均匀的厚度，并且多层燃料区域460可形成在芯区域461上方并且可初始具有如在图4A中描绘的柱子状外形，但是外覆层465在多层燃料区域460和芯区域461上方可被提供有可变的厚度，导致纤维450沿纤维450的长度具有基本上均匀的厚度。
在图4A和4B中描绘的纤维410和450的示例性实施例仅是包括多层燃料区域420、460和包括多个离散的多层燃料区域420、460的纤维的两个可能的实施例。描绘的示例以及替代的多层燃料区域的实施例的变化可为可能并且涵盖在本文公开的范围内。例如，诸如纤维410/450的纤维可具有通过涂覆或掺杂中的任一者或两者而添加的其他功能。特别地，纤维可内置打算或是临时地或是永久地增强或抑制核裂变反应的材料。在一个示例中，纤维可涂覆或掺杂有打算增强核反应的材料，其嬗变成自身可分裂的同位素。这样的同位素的示例为钍-232和铀-238。在另一示例中，纤维可涂覆或掺杂有抑制核反应的吸收中子的同位素。在称为“核毒物”的这样的同位素当中，有称为“可燃毒物”的临时抑制剂，例如硼和钆。其他元素为长期抑制剂，例如铪。在一个示例中，可以在加工过程中将掺杂剂添加到一个或多个纤维，并且或是作为填隙元素、取代元素或是在晶粒边界处集中，掺杂剂可成为纤维微观结构的一部分。在再另一个示例中，可以在纤维的整个长度上局部地涂覆功能涂层。还可以将涂覆层以化合物的形式施加到纤维，其中所述涂覆层可用于满足附加的功能需求。例如，可以以氮化硼的形式添加硼，添加硼还可作用陶瓷基质复合物中的润滑间相。硼还可以作为碳化硼被添加。类似地，铪可以作为碳化铪而被涂覆并且用作高温环境屏障。不失任何一般性，对图4A中描绘的纤维410和/或多层燃料区域420的任何参考也可以被认为可适用于在图4B中描绘的纤维450和/或多层燃料区域460，并且反之亦然。
图4C描绘了通过图4B的纤维450的多层燃料区域460的径向横截面图，示意了多层燃料区域460的不同层的示例性厚度。类似的横截面图和示例性厚度可适用于图4A的多层燃料区域420。芯区域461可为陶瓷材料丝，例如碳化硅丝，具有从芯区域461的中心径向测量的在约5μm到约10μm范围内的厚度461a(导致芯区域461具有约10μm到约20μm范围内的直径)。具有核燃料材料的第一内层区域463可具有约3μm到约30μm或更大的范围内的厚度463a。设置在核燃料材料463和芯区域461之间的第二内层区域462可具有约0.5μm到约1.5μm或更大的范围内的厚度462a。包围第一内层区域463的核燃料材料的外层区域424可具有约1μm到约2μm的范围内的厚度464a。如果需要，在多层燃料区域460上方的外覆层465可具有约1μm到约2μm或更大的范围内的厚度。外覆层465可在纤维450的不具有多层燃料区域的部分(即，纤维450的包括芯区域461和施加在芯区域461上方的外覆层465的部分的部分)上方可具有相似厚度，或者可在纤维450的这样的部分上方具有较大厚度。取决于为多层燃料区域460的层选择的厚度，当从芯区域461的中心到外覆层465的外表面径向测量时，多层燃料区域460可以从而具有在约10μm到约22μm或更大的范围内的总体厚度460a。
图4D可示意多个纤维410(例如，在图10中示意的例如多个支架纤维410)的一部分的一个实施例，并且还可示意包括多个离散的多层燃料区域420的多个纤维410，包括多个离散的多层燃料区域420的多个纤维410被排列为形成可包裹在核燃料结构的内棒结构周围的条带或丝束，这在下面进一步讨论并在图5A中进一步示意。为了清楚起见，在图4A中示意的纤维410和多层燃料区域420在图4D中被示出为清楚地示意沿纤维410设置的多个离散的多层燃料区域420，其中所述多个离散的多层燃料区域420被纤维410的不包含多层燃料区域的非燃料部分分离，但是要理解，在图4B中示意的多个纤维450可类似地排列成类似的条带或丝束。在多个离散的多层燃料区域420在纤维410的长度上基本上均匀地设置的示例性实施例中，多个离散的多层燃料区域420中的任一个可例如约5mm长，并且任一个非燃料部分430可例如约5mm长。所述多个离散的多层燃料区域420可从而覆盖多个纤维410中的一个纤维的总体长度的约一半或50％。所述长度尺寸仅通过举例的方式提供，因为多个离散的多层燃料区域可形成为具有更大或更小的长度，并且沿纤维410可以由更大或更小的非燃料部分430分离。例如，多层燃料区域420可形成为约6.5mm的长度，并且分离多个离散的多层燃料区域420的非燃料部分430长度可为约3.5mm。在该示例中，多个离散的多层燃料区域420可覆盖纤维410的长度的约65％或更多。
图5A描绘了具有例如在图4A-4B的示例中布置在核燃料结构500或包覆结构500内的多个纤维410/450的核燃料结构500或包覆结构500的一个实施例。类似于图3B的结构300，核燃料结构500具有内棒或管结构520和外层560，并且多个纤维410/450可布置成包裹在内棒或管结构520周围以便于向核燃料结构500提供结构支撑。与图3B的结构300类似，在多个丝410/450缠绕在外管560内部并且覆盖有内层520以向核燃料结构500提供结构支撑的情况下，可交换管520和外层560的相应作用。为了清楚和简洁起见，本文在下面假设内棒或管530和外层560的前者架构而不失一般性。因此，如在多个纤维410/450的一部分的特写横截面图530和550中更清楚地示意的，与图4A-4D的多层燃料区域420/460类似，多个纤维的多个纤维410/450包括多个离散的多层燃料区域420/460。这样，布置在核燃料结构500和包覆结构500中的多个纤维410/450可为核燃料芯块提供包覆和/或提供核燃料结构500的核燃料材料并且为核燃料结构500提供结构增强或包覆。如同如果沿包裹在内棒结构520周围的纤维纵向地切割会显现纤维那样，特写的横截面图530和550示出纤维430的没有燃料区域的部段与纤维的包括多层燃料区域460的部分交替的一个可能布置。然而，可以注意到，当纤维410/450不需要包裹在内棒结构520周围以便产生多层燃料区域460与非燃料区域的这样的对称、交替图案时，在图5A中描绘的交替图案可以不在核燃料结构500中的每个地方都发生。实际上，纤维410/450的横截面图530、550可具有与非燃料区域430一起排列的多层燃料区域460的任意图案。仅出于示意性目的，图5A示意的示例性核燃料结构500描绘了在内棒或管结构420上方分层的八层纤维410/450，并且可以理解，可以提供包括多层燃料区域的许多更多层的纤维410/450以在核燃料结构500内提供更多核燃料并且向核燃料结构500提供更大的结构增强。
再次参考图4A-4D和5A，图4A-4B的纤维410或纤维450可提供比在当前使用中可能用于核燃料棒的核燃料材料的体积大的用于核燃料结构500的核燃料材料的体积。能够被装填到核燃料结构500中的核燃料材料的体积可为是核燃料的纤维410/450的体积分数和被复合物(CMC)材料占据的纤维410/450的体积分数的问题。这些分别根据下面的方程式1和2获得，其中：
-uff和ff分别是纤维的燃料体积分数，以及复合物的纤维体积分数，
-dc和f分别是纤维芯和外直径，并且d和D是核燃料结构500的内和外直径，
-tn和tf分别是纳米多孔碳和燃料层的厚度，
-δi和δo是核燃料结构的单体SiC的相应内和外层厚度，
-n是编织体中层的数量，
-c是由燃料单元覆盖的纤维长度的分数，以及
-p是层中相邻丝的节距。
例如，考虑如在图4C的示例中示出的内嵌在30μm纤维中的燃料。如果假设燃料单元覆盖纤维长度的65％，则丝的由核燃料占据的体积分数为33％。这超过TRISO的燃料堆积密度的2.5倍。与TRISO燃料类似，由于燃料被完全密封在SiC中，因此通过内嵌UC、UN、U2Si3或甚至U作为核燃料，裂变材料含量相比于UO2可近乎翻倍。
再次参考图4A-4D和5A，可以检视本文描述的使用纤维的纤维堆积密度的问题。表1对照TRISO就对于管内径(“ID”)和外径(“OD”)的不同设计的燃料体积分数就纤维体积分数对替代设计进行比较。所述分析还假设在CMC管中密封有500μm厚的内和外单体SiC层，以及丝之间40μm的中心-中心层内节距。尽管到目前为止描述的实施例已经假设管设计，但是替代实施例可包括在单体SiC棒上方的编织，表1中的设计No.3表示这些替代实施例。
表1示出了相比于对于纤维体积分数和燃料体积分数的替代实施例或设计由在图3A-3B和5A中引入的条带架构提供的优越的纤维堆积密度。实际上，陶瓷丝束交织或编制很少能产生到达30％的纤维体积分数，这对于CMC的结构强度和韧性来说是重要的。在不加剧“迷宫效应(labyrinth effect)”的情况下取得了较高的纤维体积分数，“迷宫效应”一般阻碍基质的充分渗透并且在CMC中产生不希望的空隙。所讨论的示例建议的实现方式会在丝之间留下控制得很好的10μm的孔隙分布，使得在CMC的体积四处均匀地扩散基质前驱体。
对于核能应用更重要的是，所提出的方法允许燃料堆积密度高达TRISO球面燃料的3倍之多，还具有附加优点——呈现为管——热量能够从内和外表面对流地引出，因此加强了热传递。最后但是重要的评价是，包括管设计(例如在下面的表1中的管设计1和3)的实施例能够作为对于轻水反应堆(LWR)中Zircaloy燃料棒的直接替换。
表1：就纤维体积分数和燃料体积分数对核燃料结构的替代实施例进行比较。
参考图5A-5E，通过使用诸如核燃料结构500的核燃料结构，可以能够实现燃料体积分数超过约0.443576的环最小面积燃料载荷q的燃料组件设计。实现这样的燃料组件设计可特征化为铺设问题，其中可将铺设问题参数化为下述。
例如，如图5B部分地描绘的，可以假设整体的燃料管将呈正方形图案，具有中心到中心距离m。整体的燃料管的内和外直径分别为d和D并且管横截面中的区域燃料载荷为q。另外，ρ和μ分别指定为：
铺设问题可简化到单个铺片，其中由下面的方程式5给出区域燃料载荷：
UVFt＝(π/4)qρ2(1–μ2) (方程式5)
方程式5决定对于燃料组件的可行解决方案的设计空间。假设燃料组件铺设有这样的铺片，则铺片的区域燃料载荷与FA的区域燃料载荷相同。图5B描绘了包括燃料棒560的燃料组件501的示例横截面。对于在燃料组件501的214mmx214mm横截面上分布的示例5x5网格，如在图5B中描绘的，中心到中心距离563m＝42.8mm。另外，对于示例燃料组件501，内管与外管直径比μ≈1/3，以使得管的壁厚度为内直径的数量级。作为示意性示例，我们挑选了分别为12.6mm和41.9mm的环ID 562和OD 561，即，ρ＝0.978并且μ＝0.3。
下面的表示出超过q＝0.443576的需要的环区域燃料载荷的两个样本设计配置。所述设计仅在其构成纤维和对应的单体层方面不同。对于这些设计的燃料组件区域燃料载荷分别为30.88％和30.44％。两者都大于30.36％的基准区域燃料载荷。
表2：对具有q>0.443576的环区域燃料载荷的燃料组件的替代设计配置的比较。
当在功能上被分配给燃料的燃料组件横截面的份额增加时，与其他燃料组件设计相比，可减少分配给冷却剂流的横截面的份额。总对流周界还可以减少到4.28m，相比于其他设计45％的减少。这可能需要对流热传递的双重改进，这可以借助流增加、增加的操作温度或其组合来实现。幸运的是，在这种情况下，较高的操作温度不仅被材料允许，它们对于热效率来说也是可取的。还值得注意，对于当前的基于燃料芯块，由于UO2不佳的热导率，传导性热传递是限制因素。纤维中包含燃料的CMC的情况下传导性热传递不再限制，因为通过SiC基质和纤维，传导率增加了约两个数量级。
图5C-5E描绘了图5B中描绘的燃料组件的替代设计变型的横截面图。图5C-5E描绘的替代设计借助不同的对流周界可具有相似的燃料组件区域含量。
再次参考图5A，核燃料结构500的描述的实施例以及替代实施例中的任一个除了上述优点之外还可提供几个附加优点。在当前使用的燃料棒中，包覆或外壳中的结构破裂可面临暴露包含在燃料棒中的大量核燃料的风险，并且潜在地可能将所有放射性核燃料暴露于周围环境。由于核燃料结构500的核燃料材料内嵌在多个离散并且分离的多层燃料区域中的多个纤维410/450的内部，而不是被部署在管内部，所以核燃料结构500的结构中的任何破裂仅可能暴露总的核燃料材料的小量，最小化在发生事故的情况下可能逃逸到周围环境中的有害放射性材料的量。另外，从核燃料结构500回收核燃料材料以滥用于制造武器可能是极其困难和极其危险的，因为在内层区域423中的核燃料材料被内嵌在碳和碳化硅材料内并且还形成在碳和碳化硅材料上方。最后，由于在纤维被包裹在核燃料结构500的内棒结构420周围之前核燃料被内嵌并且密封在多个纤维内，所以可以不必提供盖来密封核燃料结构500。这可消除设法将碳化硅密封盖熔融到碳化硅燃料结构或包覆的端部的问题。
另外，纯化学计量β-SiC纤维在紧密接近核燃料的地方能够抵抗长的时间段(>8年)。至今，已经实现要求的化学计量和纯度的仅有的SiC纤维已经通过钨或碳芯丝上的CVD而被沉积。然而，这样的纤维仅以大的直径(90或140μm)的方式出现，大的直径不适用于本文公开的那种编织或交织，更不用说存在将不一定经受住核反应堆环境的异质芯丝。
如在先前讨论的，接近化学计量和纯度的SiCf丝束的源是HNS。存在两个与HNS关联的关键重要的问题：成分和异质寻求(foreign sourcing)。HNS纤维通过对陶瓷先驱体聚合物纺丝来制造，而必须耗费大量金钱和能量来处理先驱体聚合物以降低杂质水平。这些极端水平的处理将HNS的成本推到约$10,000/lb，但是仅将氧含量降低到0.2-0.7％，这对于长期的核应用来说几乎是不可接受的。氧含量的限制对于仅实现所述极限的纯度的化学过程来说是固有的。因此有可能将任何先驱体聚合物方法诉诸SiC。
异质寻求的问题长久以来也已经成为美国政府和行业的挫折。如本文公开的，CVD过程能够生产宽广范围的丝直径(10-100μm)而不需要芯丝。核燃料结构和用于制造核燃料结构的过程可包括在单个步骤中打印展现化学计量和纯度并且可不需要异质寻求的3C-βSiC丝。
再次参考图5A，在一个替代实施例中，多个纤维410/450可还包括多个感应纤维。多个感应纤维可以与包括多个离散的多层燃料区域的多个纤维一起布置。感应纤维可包括例如涂覆有二硼化锆(ZrB2)的碳化硅丝，并且作为另一示例可包括涂覆有二硼化铪(HfB2)的碳化硅丝。在一个实施例中，多个涂覆二硼化锆的纤维可以与多个涂覆二硼化铪的纤维编织在一起，其中二硼化锆纤维和二硼化铪纤维之间的每个重叠或接触点提供高温热耦。产生的编织体将形成内嵌能够映射结构四处的温度的热感受器的方阵。在示例性实施例中，二硼化锆和二硼化铪的硼包括11B同位素以确保纤维可以与核反应堆相容。
图6A-6E描绘了用于形成核燃料结构(例如核燃料结构500)的过程的一部分的一个示例，包括在多个纤维中的至少一个纤维内形成多层燃料区域。图6A-6E中描绘的过程可描述为通过在至少一个纤维的给定长度上点涂或沉积指定厚度的材料层来形成多层燃料区域。图6A描绘了包括芯丝610的纤维600的一部分。芯丝610可为如上所述的芯区域，并且可包括诸如碳化硅或碳化铪的陶瓷材料。在图6A描绘的示例中，芯丝610可具有基本上均匀的厚度。
图6B描绘了具有沉积在芯丝610的一部分上方的材料层620的图6A的芯丝610，其中材料层620包括被选择成吸收在核燃料材料中发生的核裂变反应的气态副产物的材料。材料层620可对应于在图4A的示例中描绘的第二内层区域422。在示例性实施例中，材料层620可包括纳米多孔碳。纳米多孔碳的材料层620可例如通过氯蚀刻芯丝610的一部分来提供。替代地，纳米多孔碳的材料层620可点涂到芯丝610上。
图6C描述了具有沉积在材料层620的长度的一部分上方的核燃料材料630的图6B的纤维600。核燃料材料可包括一种或多种裂变材料，例如铀、钚或相关的化合物，例如二氧化铀、一氮化铀和/或硅化铀。核燃料材料630可例如通过LCVD过程来提供，LCVD过程例如利用六氟化铀(UF6)作为前驱体用于形成核燃料材料层。替代地，六氟化铀(UF6)可以连同适当的前驱体(例如氨、甲烷或氯硅烷)被用作LCVD的前驱体用于形成UN、UC或U2Si3层630。图6C中的核燃料材料可对应于图4A的第一内层区域423。
图6D描绘了具有沉积在图4C的核燃料材料630和材料层620上方的外层区域640的图6C的纤维600。在示例性实施例中，外层区域640包围核燃料材料630以将核燃料密封在纤维600内。外层区域640可例如包括热解碳(PyC)，热解碳在一个实例中通过LCVD过程沉积。外层区域640和包括核燃料材料的内层区域630至少形成纤维600的多层燃料区域。
在一个实施例中，外层区域640可为第一外层区域640，并且可以包括第二外层区域。可以添加第二外层区域以给纤维600添加进一步的功能。例如，第二外层区域可包括可延迟内层区域630的核燃料材料的活性的核毒物材料，例如硼或钆。在另一个示例中，第二外层区域可包括充当核燃料材料630的核裂变活性的慢化剂的材料，例如碳。在另一示例中，第二外层区域可包括用于与SiC基质结构结合的间相层。
图6E描绘了具有沉积在纤维600上方覆盖芯丝610和多层燃料区域的外覆层650的图6D的纤维600。外覆层650可例如通过LCVD过程来提供。在图6E示意的示例实施例中，外覆层650在纤维600上可具有基本上均匀的厚度，导致具有“珠子状”外观的多层燃料区域，如图所示。在替代实施例中，外覆层可形成为在纤维600上具有可变的厚度，这可以导致在芯丝610上方较多地沉积外覆层650而在多层燃料区域上方较少地沉积外覆层650。在这样的替代实施例中，如在图7E中描绘的，产生的纤维600可具有均匀的外观。
图7A-7E描绘了图6A-6E示意的过程的替代实施例，其中在图7A中示出的纤维700的芯丝710在纤维700的长度上具有可变的厚度。例如，芯丝710在芯丝710的第一部分711上方可具有较小的厚度，而在芯丝710的第二部分712上方可具有较大的厚度。如在图7B-7E中示意的，多层燃料区域的层可形成在第一部分711上方以使得在最终形成时多层燃料区域具有基本上等于第二部分712的厚度的厚度。
图7B描绘了具有沉积在芯丝710的第一部分711上方的材料层720的图7A的芯丝710，其中材料层720包括被选择成吸收在核燃料材料中发生的核裂变反应的副产物的材料。材料层720可对应于在图4B的示例中描绘的第二内层区域462。在示例性实施例中，材料层720可包括纳米多孔碳。纳米多孔碳的材料层720可例如通过氯蚀刻芯丝710的一部分来提供。替代地，纳米多孔碳的材料层720可点涂来提供。
图7C描述了具有沉积在材料层720上方的核燃料材料730的图7B的纤维700。核燃料材料可包括一种或多种裂变材料，例如铀、钚或相关的化合物，例如二氧化铀、一氮化铀和/或硅化铀。核燃料材料730可例如通过LCVD过程来提供。核燃料材料630可通过LCVD过程来提供，LCVD过程例如利用六氟化铀(UF6)作为前驱体用于形成核燃料材料层。替代地，六氟化铀(UF6)可以连同适当的前驱体(例如氨、甲烷或氯硅烷)被用作LCVD的前驱体用于形成UN、UC或U2Si3层730。图7C的核燃料材料730可对应于图4B的内层区域463。
图7D描绘了具有沉积在图7C的核燃料材料730和材料层720上方的外层区域740的图7C的纤维700。在示例性实施例中，外层区域740包围核燃料材料730以将核燃料密封在纤维700内。外层区域可例如包括热解碳(PyC)，热解碳在一个实例中通过LCVD过程沉积。外层区域740和包括核燃料材料的内层区域730至少形成纤维700的多层燃料区域。纤维700的多层燃料区域现在可具有基本上等于芯丝710的第二部分712的厚度的厚度。
在一个实施例中，外层区域740可为第一外层区域740，并且可以包括第二外层区域。可以添加第二外层区域以给纤维700添加进一步的功能。例如，第二外层区域可包括可延迟内层区域730的核燃料材料的活性的核毒物材料，例如硼或钆。在另一个示例中，第二外层区域可包括充当核燃料材料730的核裂变活性的慢化剂的材料，例如碳。在另一示例中，第二外层区域可包括用于与SiC基质结构结合的间相层。
图7E描绘了具有沉积在纤维700上方覆盖芯丝710和多层燃料区域的外覆层750的图7D的纤维700。外覆层750可例如通过LCVD过程来提供。在提供外覆层750之后，产生的纤维700可在纤维700的长度上具有基本上均匀的厚度。纤维700的多层燃料区域从而可以内嵌在纤维700内。
在图6A-6E和图7A-7E中描绘的过程的实施例不仅可应用到一个纤维，而且还可以应用到在条带或丝束状结构中排列在一起的多个纤维，以使得一个纤维的多层燃料区域中的每个层还形成在其他多个纤维上方，如图8所示。层形成的每个步骤可在单独的沉积工具中实施，单独的沉积工具的示例在图8中描绘，并且多个纤维可从一个沉积工具传送到下一个沉积工具以沉积下一层。另外，可以控制所述沉积工具或多个沉积工具以自动停止或开始在多个纤维上方的沉积层，从而允许沿多个纤维的长度形成多个离散的多层燃料区域，同时还自动形成纤维的分离多个离散的多层燃料区域的非燃料区域。
图8描绘了沉积工具800的一个示例，沉积工具800可用于形成至少一个纤维的多层燃料区域的层，或者多个纤维的相应的多层燃料区域的相应的层。沉积工具800可例如为激光化学气相沉积(LCVD)工具。沉积工具800可通过传送器入口815将多个纤维830传送到沉积室830中。所述沉积室可包括可促进形成多层燃料区域的层的一种或多种前驱体气体。当多个纤维840被传送通过沉积室时，可通过聚焦透镜或窗825提供激光820，以入射在多个纤维840上。当激光820与多个纤维840和前驱体气体相互作用时，可在多个纤维845的一些部分上方沉积多层燃料区域的需要的层。在一个示例中，当多个纤维通过沉积工具800时可以以限定间隔开始和停止激光，从而控制在多个纤维845的一些部分上方形成多层燃料区域并留下未被处理的其他部分(例如，多个纤维的非燃料区域)。然后可将经处理的多个纤维845传送出沉积工具800。然后可将多个纤维845传送到另一沉积工具，在另一沉积工具中将形成离散的多层燃料区域的另一层，或者可完成多个纤维845并将其完全地传送出工具。产生的多个纤维然后可进一步被排列在核燃料结构(例如核燃料结构500)中，以待包裹在内棒结构周围，如本文所述。除了清楚起见，图8包括当多个纤维经受LCVD处理以沉积多层燃料区域的层时多个纤维840、845的特写视图810和815。
图9描绘了用于形成排列成格栅910的多个纤维的过程900的一个实施例。放大视图901和902描绘了丝格栅910，丝格栅910包括多个丝920，多个丝920在LCVD过程中经受多个激光束930的处理。多个激光束930诱导在多个丝920末梢周围的等离子体940，将材料添加到多个丝920以形成多个纤维。多个纤维可转而成为如上所述的图3A-8中的任一个中描绘的多个纤维。在一个示例中，可控制图9的LCVD过程以形成具有基本上均匀的厚度的多个纤维。在另一个示例中，可以可变地控制图9的LCVD过程以形成沿多个纤维长度的具有可变的厚度的多个纤维。例如，在形成多个纤维时，多个激光束930可具有可增加或减小的强度，导致添加到丝格栅900的多个丝920的材料的量的对应的增加或减少。图9中描绘了由(例如CVD)前驱体形成多个纤维的一种示例性方法和设备，包括适于产生多个单独的纤维的反应器；以及多个独立地可控制的激光器，多个激光器中的每一个激光器产生多个纤维中的相应的纤维。所述反应器和激光器可根据激光诱导的化学气相沉积来产生纤维。在一个实施例中多个激光器包括量子阱混杂(QWI)激光器。这种技术进一步在下列文献中讨论：作为PCT申请WO2013US22053 20130118提交、题为“HIGH STRENGTH CERAMIC FIBERS ANDMETHODS OF FABRICATION”、日期为2013-12-05的PCT公开WO2013180764(A1)；以及下列三(3)篇先前提交的美国临时专利申请：2012年1月20日提交、题为“METHOD AND APPARATUSFOR LARGE SCALE MANUFACTURING OF HIGH STRENGTH CERAMIC FIBERS USFNG APLURALITY OF CONTROLLABLE LASERS”的美国临时专利申请No.61/588,733；2012年1月20日提交、题为“NON-BRIDGING IN-SITU BORON NITRIDE COATING OF SILICON CARBIDEFIBERS IN CERAMIC MATRIX COMPOSITE MATERIALS”的美国临时专利申请No.61/588,765；以及2012年1月20日提交、题为“NANOCOATING SYSTEMS FOR HIGH PERFORMANCE FIBERSFOR DIRECTING MICRO-CRACKS AND ENDOWING MATRIX COMPOSITES WITH AN IMMUNERESPONSE TO MICRO-CRACKING AND OXIDATION”的美国临时专利申请No.61/588,788。在此通过引用将上述PCT和临时申请中的每一个全文并入本文中。
图10描绘了由激光束930的激光功率的变化产生的在格栅910中的图9的多个丝的示例性实施例。以最高水平的激光功率产生的丝部段1001具有最大厚度。当激光功率在丝的部段1002上方平滑减小时，以部段1003告终。当激光功率倒退增加时，丝厚度也增加直到其在部段1004中达到最大。
替代地，多个纤维可通过利用“数字喷丝头”(“DS”)来形成。这种技术也称为“纤维激光打印”。类似于图9中描绘的技术，DS技术通过大规模并行化的激光诱导的化学气相沉积(“LCVD”)来诱导平行的单丝的产生，其中以对基板的掠射角而发生激光入射。可通过这种方法产生的SiCf条带910的一个示例实施例在图10中示出。产生的丝可为颗粒尺寸分布从纤维中心向外变化的β-SiC 3C。在纤维边缘处的颗粒是等轴的。激光打印过程的各向异性自身在纤维的中心处显现，其中颗粒沿纤维的轴线是细长的，并且呈现出2-3或更大的纵横比，具有约25nm或更大的径向尺寸。所述颗粒分布可提供附加的韧性。
本文公开的核燃料结构500中的任一个或多个不仅适用于现有的核反应堆，并且还可直接替代金属合金包覆燃料棒，并且还适用于核热推进(NTP)应用。自从二十世纪五十年代末期以来，核热推进(NTP)已经成为美国联邦政府和NASA感兴趣的技术领域。核燃料结构500对于在航天器发动机中驾驭核裂变提供了几个优点，并且可提供等效于由火箭飞行器用核引擎(NERVA)计划开发的六边形燃料元素砌块的核燃料结构设计。可应用下列NERVA工程参数以确定使用诸如核燃料结构500的核燃料结构的纤维内燃料系统：a)铀燃料密度600mg/cc；b)六边形元素侧边长度0.753”；c)在六边形元素中找到的等效于19个通道的19个管口。
产生的碳化硅-碳化硅((SiC-SiC)管口几何形状将利用名义2毫米(mm)内直径/4mm外直径的SiC单体管心轴，并且每英寸管需要2米的纤维条带。由这种设计的纤维体积分数将为30％。借助覆盖纤维的长度的50％微封装的燃料单元，纤维燃料含量将为13.4％并且从而等效于NERVA的六边形燃料。缠绕条带的心轴结构随后将通过化学气相渗透或聚合物浸渍和裂解过程而被SiC基质渗透。以这种方式，将加工出SiCf-SiCm纤维内燃料的复合物管口结构。关于燃料层成分的一种有趣变体可为将钍(232Th)作为用于随后的中子激活和嬗变的增殖性物质沉积到铀种态(233U)。
使用核燃料结构500以部署在NTP中可具有多个优点。这些优点可包括：
1)制造容易—LCVD增材制造方法能够现场生产完全的纤维内燃料结构而不需要附加的后加工处理。通过这种方法存在可能的多层次的经济节约。本文公开的LCVD沉积系统相对简单、可容易地缩放，并且可以由比其他CVD和增材制造过程显著廉价的设备来构成，从而降低了用于设立高生产制造工作的资本支出要求。用于运转并维持这样的纤维生产系统的运营成本同样地较廉价，包括用于原材料和耗材的支出。
2)操作温度范围能力—沉积在基线纤维和外覆层中的高纯度材料(特别是在结构中没有氧和其他不利污染物)将能够经受住NTP发动机的2600K操作温度要求。
3)有利的SiC热导率—SiC的相对高的热导率增强了去除由在沿纤维长度的燃料层中发生的裂变过程生成的热量的能力。在室温下SiC热导率值范围一般在100-150瓦特/米-K，在温度高于1500C时下降到20-30瓦特/米-K。具有高热传导效率的SiCf-SiCm复合物管口的构思能够在NERVA NTP发动机构思中找到应用。纤维内燃料缠绕的SiC管口将位于通过石墨或(其他材料)块的带孔隙通路中，在其中对通过管内直径行进的H2推进剂加热。
4)捕获裂变气体副产物—在纤维内燃料设计中邻近沉积的燃料层的纳米多孔碳层可充当扭曲路径介质，其有效地陷捕裂变气体副产物，从而防止这些物质释放到推进剂流中。
5)氮化铀(UN)燃料的利用率—SiCf-SiCm管口的整体成一体的燃料封装将提供UN燃料层暴露到H2推进剂的屏障，从而最小化这种燃料材料的化学侵蚀和降解。UN燃料的优点包括较高的铀燃料密度，显著更高的熔点(在一个大气压下接近3000K)以及增强的热导率(约20W/m-K)。
6)安全性增强—核燃料安全的问题显而易见是需要被应对以使政府监管机构和一般民众满意的NTP技术实施的中心关注点。三个示例安全考量为：
a.在其中要保持燃料包装的完整性的事故/破碎耐受力。本文描述的核燃料结构500将产生增强的保护，原因是被封闭在大量物理上隔离的微单元中的燃料组分被外涂覆层保护并且内嵌在固态基质中。如果发生破裂，则仅能突破微小部分的单元，因此在发生破碎的情况下极大地限制了裂变材料的释放。
b.根据NERVA计划，由于具有UO2或UC2微粒的石墨块的氢气蚀刻，所以在测试过程中当将裂变材料喷射到推进剂流时出现大的问题。由于管口的结构以及使管口内嵌在固态石墨基质中，所以减轻了这种化学侵蚀和材料释放。
c.对于制备有增殖性核物质而不是裂变的管口来说，极大地减小了WMD转移的风险，并且未被使用的管将不表示高等级的核废料。
本文使用的术语仅用于描述特定实施例的目的而不打算对发明进行限制。当在本文中使用时，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一”、“一个”和“那个”旨在还包括复数形式。还将能够理解，词语“包括”(以及包括的任何形式，例如“会包括”和“包括有”)、“具有”(以及具有的任何形式，例如“有”和“具备”)、“包含”(以及包含的任何形式，例如“会包含”和“包含有”)以及“含有”(以及含有的任何形式，例如“会含有”和“含”)为开放式连系动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个步骤或元件拥有这些一个或多个步骤或元件，但是不限于仅拥有这些一个或多个步骤或元件。同样，方法的步骤或装置的元件“包括”、“具有”、“包含”或“含有”一个或多个特征拥有这些一个或多个特征，但是不限于仅拥有这些一个或多个特征。此外，以某个方式配置的装置或结构至少以该方式进行配置，但是可还以未列出的其他方式进行配置。
在下述权利要求中如果有任何的对应的结构、材料、动作和所有装置或步骤加功能元件的等价物，则它们旨在包括用于与权利要求具体请求的其他要求的元素结合的任何结构、材料或用于执行功能的动作。出于示意和描述的目的呈现了本发明的说明书，但是不打算其为穷尽性或其被限制到所公开形式的发明。在不背离发明的范围和精神的情况下，本领域技术人员将明了许多修改和变化。选择并描述了实施例以便最好地说明本发明的一个或多个方面的原理和实际应用，并且使得本领域其他普通技术人员理解本发明各个实施例的一个或多个方面，预期适于特定使用的各种修改。

Claims (27)

1.一种核燃料结构，包括：
布置在所述结构中的多个纤维；
在所述多个纤维中的至少一个纤维内的多层燃料区域，所述多层燃料区域包括：
包括核燃料材料的内层区域；以及
包围所述核燃料材料的外层区域。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多个纤维布置在所述核燃料结构中以给所述核燃料结构的至少一部分提供结构增强。
3.根据权利要求2所述的结构，其中，所述核燃料结构包括内棒结构，并且其中，所述多个纤维布置成包裹在所述内棒结构周围并且促进提供所述结构增强。
4.根据权利要求2所述的结构，其中，所述核燃料结构包括外管结构，并且其中，所述多个纤维布置成包裹在所述外管结构的内侧并且促进提供所述结构增强。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，包括所述核燃料材料的所述内层区域是第一内区域，并且所述结构进一步包括设置在所述第一内层区域下面的第二内层区域，所述第二内层区域包括被选择成捕获在所述核燃料材料中发生的核裂变反应的副产物的材料。
6.根据权利要求5所述的结构，其中，所述第二内层区域包括纳米多孔碳材料。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，包围所述核燃料的所述外层区域包括热解碳和/或碳化硅。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述外层区域是第一外层区域，并且所述结构进一步包括第二外层区域，所述第二外层包括被选择成抑制或慢化在所述核燃料材料中发生的核裂变反应的材料。
9.根据权利要求8所述的结构，其中，所述第二外层区域的所述材料抑制核裂变反应，并且所述材料包括硼、钆或铪中的一种或多种。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述多层燃料区域是沿所述多个纤维的所述至少一个纤维设置的多个离散的多层燃料区域中的一个多层燃料区域，所述多个离散的多层燃料区域包括相应的内层区域和相应的外层区域，所述内层区域包括所述核燃料材料并且所述外层区域包围所述核燃料材料。
11.根据权利要求10所述的结构，进一步包括沿所述纤维中的所述至少一个纤维的长度的芯区域，所述多个离散的多层燃料区域设置在所述芯区域上。
12.根据权利要求11所述的结构，其中，所述芯区域包括陶瓷材料。
13.根据权利要求11所述的结构，进一步包括沿所述纤维中的所述至少一个纤维的外覆层，所述外覆层进一步包围所述多个离散的多层燃料区域和所述芯区域。
14.根据权利要求13所述的结构，其中，所述外覆层包括多个外覆层。
15.根据权利要求14所述的结构，其中，所述多个外覆层中的至少一个附加的外覆层包括被选择成抑制在所述核燃料材料中发生的核裂变反应的材料。
16.根据权利要求10所述的结构，其中，所述多个离散的多层层区域的所述相应的内层区域包括所述多个纤维中的至少一个纤维的体积的至少33％。
17.根据权利要求10所述的结构，其中，所述至少一个纤维是包括多个离散的多层燃料区域的多个纤维中的一个纤维，所述多个纤维至少是所述多个纤维的子集，其中，所述多个纤维包括所述结构的体积的至少30％，并且其中，包括所述多个纤维的核燃料材料的所述相应的内层区域包括所述结构的所述体积的至少10％。
18.根据权利要求1所述的结构，其中，所述核燃料材料包括可裂变材料或其化合物。
19.根据权利要求1所述的结构，其中，所述核燃料材料包括具有比二氧化铀的裂变材料浓度高的裂变材料浓度的裂变材料。
20.根据权利要求19所述的结构，其中，所述包含铀的化合物包括铀、一氮化铀、碳化铀和/或硅化铀中的一种或多种。
21.一种方法，包括：
对加工核燃料结构进行促进，对加工的所述促进包括：
提供布置在所述结构中的多个纤维；
在所述多个纤维中的至少一个纤维内形成多层燃料区域，所述多层燃料区域包括：
包括核燃料材料的内层区域；以及
包围所述核燃料材料的外层区域。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，包括所述核燃料材料的所述内层区域是第一内区域，并且所述多层燃料区域进一步包括在形成所述第一内层区域之前形成的第二内层区域，所述第二内层区域包括被选择成捕获在所述核燃料材料中发生的核裂变反应的副产物的材料。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述外层区域是第一外层区域，所述多层燃料区域进一步包括第二外层区域，所述第二外层区域包括被选择成抑制或慢化在所述核燃料材料中发生的核裂变反应的材料。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，形成所述多层燃料区域的至少一层包括化学气相沉积过程。
25.根据权利要求21所述的方法，进一步包括沿所述多个纤维的所述至少一个纤维形成多个离散的多层燃料区域，其中，所述多层燃料区域是所述多个离散的多层燃料区域中的一个多层燃料区域，所述多个离散的多层燃料区域包括相应的内层区域和相应的外层区域，所述内层区域包括所述核燃料材料并且所述外层区域包围所述核燃料材料。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，对加工的所述促进还包括：
提供所述核燃料结构的内棒或管结构；
布置所述多个纤维以包裹在所述内棒结构周围以使得所述多个纤维给所述核燃料结构提供结构增强。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，对加工的所述促进还包括：
提供所述核燃料结构的外管结构；
布置所述多个纤维以包裹在所述外管结构的内侧以使得所述多个纤维给所述核燃料结构提供结构增强。
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