ES2835778T3

ES2835778T3 - Combustible microencapsulado totalmente cerámico fabricado con veneno susceptible de quemarse como ayuda a la sinterización

Info

Publication number: ES2835778T3
Application number: ES16897455T
Authority: ES
Inventors: Francesco Venneri
Original assignee: Ultra Safe Nuclear Corp
Current assignee: Ultra Safe Nuclear Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2036-11-29
Also published as: KR20180121787A; RU2735243C2; EP3437107A4; WO2017171937A1; CN108885907B; EP3437107B1; ZA201806360B; PL3437107T3; CA3017939A1; US11101048B2; RU2018137808A; US20170287575A1; EP3437107A1; RU2018137808A3; CN108885907A; KR102590954B1

Abstract

Un método que comprende: proporcionar una pluralidad de partículas de combustible; mezclar las partículas de combustible con polvo cerámico y uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras para formar una mezcla precursora; y compactar la mezcla precursora a una presión y temperatura predeterminadas para formar un elemento combustible; caracterizado por que al menos uno de los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es Eu2O3.

Description

DESCRIPCIÓN

Combustible microencapsulado totalmente cerámico fabricado con veneno susceptible de quemarse como ayuda a la sinterización

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método mejorado para formar combustible nuclear mejorado. Más específicamente, la presente invención se refiere a un método de fabricación de un combustible tolerante a los accidentes conocido, el cual se conoce como combustible microencapsulado totalmente cerámico, que tiene un funcionamiento mejorado.

Referencia a aplicaciones relacionadas

Esta Solicitud reivindica el beneficio de la Solicitud provisional de los EE.UU. número 62/314.746, presentada el 29 de marzo de 2016.

Antecedentes

En la exposición de los antecedentes que sigue, se hace referencia a ciertas estructuras y/o métodos. Sin embargo, las referencias que siguen no deben interpretarse como una admisión de que estas estructuras y/o métodos constituyan la técnica anterior. El Solicitante se reserva expresamente el derecho de demostrar que tales estructuras y/o métodos no tienen la categoría de estado de la técnica.

Hay muchos tipos conocidos de combustible nuclear, tanto para la investigación como para los reactores nucleares de producción de energía. El ejemplo más común es la pastilla de óxido de uranio cerámico que está contenida dentro de una vaina metálica delgada. Ese esta vaina proporciona una estructura rígida para contener el combustible y sirve de barrera a la liberación del producto de fisión a la corriente de refrigerante. Un segundo ejemplo es un combustible de matriz inerte (IMF - “inert matrix fuel”-), en el que un material fisionable como (o que contiene) U-235 se dispersa en una matriz huésped inerte. Esa matriz inerte puede ser de SiC. En este caso, la matriz huésped puede contener el producto de fisión que se produce. Aún un tercer ejemplo es un combustible microencapsulado (tal como el combustible TRISO), de tal manera que la capa de SiC del combustible microencapsulado de pequeño diámetro proporciona una primera barrera contra la liberación del producto de fisión, y un gran número de estas bolitas de combustible se compactan, por lo común, en el seno de una matriz de grafito poroso. Un cuarto ejemplo es el combustible microencapsulado completamente cerámico (FCM - “fully ceramic microencapsulated”-), que se materializa como una pluralidad de partículas de TRISO compactadas en el seno de una matriz de carburo de silicio completamente denso. Este combustible ha sido desarrollado y descrito previamente como un combustible más robusto, por lo que la capa de SiC del combustible de ‘TRISO’ microencapsulado y la matriz de SiC cerámico denso en la que están contenidos proporcionan dos barreras a la liberación de los productos de fisión, además de cualquier revestimiento externo que pueda estar presente.

En comparación con el ejemplo común de las pastillas de óxido de uranio, el combustible FCM tiene una fracción relativamente pequeña de su volumen ocupada por combustible fisible. Específicamente, el uranio fisionable de la pastilla de dióxido de uranio convencional se distribuye uniformemente para un cierto grado de enriquecimiento por toda la cerámica (por ejemplo, para el 5% de enriquecimiento, el 5% de los sitios de la red de átomos de uranio del UO²están ocupados por U-235 fisionable). En contraste con ello, el volumen disponible para combustible físil en el FCM se limita al núcleo del TRISO. Como la fracción de volumen de la microencapsulación de TRISO que constituye el compacto de combustible es, por lo común, menor que el 45%, y el TRISO, en sí, está compuesto por el núcleo de combustible, rodeado por capas no combustibles de grafito y SiC, el espacio real disponible para el combustible dentro del FCM es, por lo común, menor del 20% del volumen total. De ese 20% nominal, la cantidad relativa de combustible fisible depende del enriquecimiento del "núcleo" de combustible de TRISO de forma similar al combustible de UO²convencional. Por esta razón, puede ser necesaria una mayor densidad de combustible fisible, lograda por un mayor enriquecimiento fisible o por formas alternativas de combustible fisible, para que el combustible de FCM alcance nominalmente la misma cantidad de contenido fisible por volumen de combustible.

El enriquecimiento relativo incrementado de U-235 en combustibles que contienen uranio tiene diversas consecuencias prácticas: reducción de la cantidad relativa de U-238, reducción de la absorción de neutrones parásita y de la reproducción de plutonio debido a la reducción de U-238, y una alta reactividad inicial del núcleo que disminuye rápidamente con quemado de combustible. Un cambio de reactividad tan grande es, por lo común, indeseable y en la mayoría de sistemas se adoptan medidas de mitigación para aplanar el perfil de reactividad en función del grado quemado del combustible. Esto a menudo se aborda mediante el uso de venenos de neutrones. Un veneno de neutrones, también conocido como absorbedor de neutrones o veneno nuclear, es una sustancia con una sección transversal de captura de neutrones extraordinariamente grande. Si bien estos materiales pueden considerarse indeseables en los reactores nucleares, se usan comúnmente para controlar la reactividad del núcleo en función del tiempo durante el ciclo del combustible nuclear, especialmente al principio del ciclo del combustible, cuando el combustible nuevo tiene una alta reactividad. Desde el punto de vista de su funcionamiento, estos venenos pueden adoptar diversas formas: venenos quemables, venenos no quemables y venenos solubles:

Venenos quemables: para controlar el exceso de reactividad del combustible nuevo, es deseable tener un material de alta sección transversal que capture un neutrón y se transmute a un material de sección transversal más baja, convirtiéndose así lentamente en un veneno menos efectivo. Idealmente, esta pérdida de eficacia (o disminución de la reactividad negativa) se corresponderá con la disminución de la reactividad positiva del combustible del reactor a medida que el núcleo del reactor produce energía. Idealmente, los isótopos del veneno quemable se agotan hasta casi desaparecer hacia el final de la vida útil del núcleo. Los venenos quemables fijos como el boro o el gadolinio se utilizan en el propio combustible, dentro de los reactores de producción de energía actuales, para este propósito.

Venenos no quemables: en contraste con un veneno quemable, un veneno no quemable tiene (prácticamente) un cambio despreciable en la reactividad negativa con el tiempo. No desaparece lentamente por quemado. Materiales como el hafnio que tienen múltiples isótopos, cada uno de los cuales tiene una gran sección transversal de captura de neutrones, son un ejemplo de veneno no quemable. Pueden usarse en varillas de control o palas que se insertan en, o se extraen de, el núcleo para controlar la reactividad del núcleo.

Venenos solubles: al disolver el veneno en refrigerante o combustible líquido (por ejemplo, solución acuosa en agua), puede distribuirse casi uniformemente a través del núcleo y proporcionar ciertos beneficios neutrónicos. Esto se logra mediante la inclusión de ácido bórico en el agua refrigerante de los reactores de agua a presión (PWR - “pressurized water reactor”-). Al aumentar o disminuir el contenido de ácido bórico dentro del núcleo del PWR, se puede controlar la reactividad, aunque la retroalimentación de control es un proceso bastante lento. Si bien este sistema no está muy extendido y tiene un efecto indeseable sobre el coeficiente de reactividad de temperatura del moderador, es de uso común para los PWR en los Estados Unidos.

La concentración de boro en el agua refrigerante de estos reactores empieza, por lo común, en valores cercanos a 2.000 ppm al comienzo del ciclo y disminuye hasta cero al final del ciclo.

Se conoce el combustible microencapsulado completamente cerámico, por ejemplo, por el documento de Patente de los EE. UU. US 2015/0170767 A1.

Compendio

Se constata que, cuando se utiliza combustible que incluye TRISO completamente microencapsulado en el seno de una cerámica completamente densa dentro del núcleo de un reactor de producción de energía, puede ser necesario gestionar la alta reactividad inicial causada por el inventario inicial de isótopos fisionables relativamente alto en comparación con el combustible de UO². Se ha descubierto que un proceso como se describe a continuación puede lograr la producción de un combustible que incluye TRISO completamente microencapsulado en el seno de una cerámica completamente densa y venenos quemables en el seno del cuerpo del combustible. Al hacerlo así, la gran reactividad positiva intrínseca al combustible que incluye TRISO totalmente microencapsulado en el seno de una cerámica totalmente densa, se ve mitigada como elemento de diseño del propio combustible, obviando así la necesidad de sistemas de control de reactores externos.

El método de acuerdo con la presente invención, que logra la producción de un combustible que incluye partículas de combustible completamente microencapsuladas en el seno de una cerámica completamente densa que incluye un veneno neutrónico, comprende: proporcionar una pluralidad de partículas de combustible; mezclar las partículas de combustible con polvo cerámico y venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras para formar una mezcla precursora, en la que al menos uno de los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es Eu2O3; y compactar la mezcla precursora a una presión y temperatura predeterminadas para formar un elemento combustible. En una realización de acuerdo con el método descrito anteriormente, las partículas de combustible son partículas de combustible isótropas triestructurales (TRISO).

Los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras pueden incluir óxidos de tierras raras que tienen propiedades neutrónicas y de tratamiento (eutécticas) deseables. Específicamente, las propiedades eutécticas pueden incluir la capacidad de suprimir la temperatura de sinterización del polvo cerámico por debajo de la temperatura crítica de daño del TRISO. Las propiedades neutrónicas pueden incluir una gran sección transversal de captura de neutrones para absorber neutrones a fin de aplanar el perfil de reactividad en función del grado de quemado del combustible. En algunos métodos anteriores de formación de un combustible que incluye TRISO totalmente microencapsulado en el seno de una cerámica totalmente densa, se utilizaron ayudas a la sinterización como alúmina y/o itria. Reemplazar parte o la totalidad de la ayuda de sinterización de alúmina y/o itria por venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras implica un coste mínimo o ningún coste adicional para el proceso de fabricación, al tiempo que reduce significativamente o elimina la necesidad y el coste asociado de los sistemas de reactor para la supervisión y el control del nivel del veneno en el seno del refrigerante.

En determinadas realizaciones, los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras adicionales se seleccionan del grupo que consiste en Gd2O3, Er2O3 y DY²O³, y combinaciones de los mismos.

En determinadas realizaciones, el método comprende, además, mezclar aditivos de sinterización adicionales con la mezcla precursora de polvo cerámico y venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras. Por ejemplo, los aditivos de sinterización adicionales pueden incluir alúmina, itria u otros óxidos de tierras raras, o combinaciones de los mismos. En otras realizaciones, los únicos aditivos de sinterización de óxidos en la mezcla precursora son uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras. En realizaciones más determinadas, la mezcla precursora consiste esencialmente en polvo cerámico y venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, el polvo cerámico comprende carburo de silicio (SiC).

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, la mezcla precursora incluye los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras en una cantidad de hasta el 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora. En realizaciones específicas, la cantidad de venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras está en un valor de entre el 0,5 y el 10 por ciento en peso, o, en realizaciones más específicas, entre el 1 y el 10 por ciento en peso, o, en realizaciones aún más específicas, del 2 al 10 por ciento en peso, o, incluso en realizaciones aún más específicas, del 6 al 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora. En realizaciones más particulares de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, la combinación de los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras y cualquier aditivo de sinterización adicional está en una cantidad de hasta el 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora, o, en realizaciones más específicas, de entre el 6 y el 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora. En determinadas realizaciones en las que están presentes aditivos de sinterización adicionales, los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras se incluyen en una cantidad de entre el 0,5 y el 6 por ciento en peso, o, en realizaciones más específicas, de entre el 1 y el 5 por ciento en peso, o, en realizaciones aún más específicas, de entre el 1 y el 3 por ciento en peso, o, incluso en realizaciones aún más específicas, de entre el 1 y el 2 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, la temperatura predeterminada es menor de 1.900°C o, en determinadas realizaciones, menor de 1.850°C, o, en realizaciones más específicas, de aproximadamente 1.800°C.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, la presión predeterminada es menor de 30 MPa, o, en ciertas realizaciones, menor de 20 MPa, o, en realizaciones más determinadas, de aproximadamente 10 MPa.

En una realización similar, la mezcla en polvo que incluye el veneno de tierras raras puede someterse a un proceso de sinterización rápida alternativo consistente con la producción en masa, tal como sinterización por corriente continua o plasma de chispa.

En una realización similar a la descrita anteriormente, la mezcla en polvo que incluye el veneno de tierras raras puede ser sinterizada o transformada hasta una densidad casi completa dentro de un tubo de cerámica o de grafito, manteniendo así una dimensión exterior fija durante todo el proceso de formación.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, el elemento combustible comprende SiC casi estequiométrico. En ciertas realizaciones, la matriz que rodea al TRISO en el elemento combustible tiene una porosidad baja, por ejemplo, de menos del 4%, menos del 3% o menos del 1%. En tales realizaciones, la matriz forma una barrera impermeable al gas que actúa como barrera secundaria a la difusión de productos de fisión / actínidos y otras liberaciones de radiactividad de las partículas de combustible. En ciertas realizaciones, la matriz tiene baja permeabilidad al helio, por ejemplo, de menos de 10-10 m2/s, o menos de 10-11 m2/ s.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, el polvo cerámico comprende SiC que tiene un tamaño medio de menos de 1 pm o, en ciertas realizaciones, de entre 15 nm y 60 nm o, en realizaciones más específicas, de entre 20 nm y 50 nm, o, en realizaciones aún más específicas, de aproximadamente 35 nm.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, el polvo cerámico comprende SiC que tiene un área superficial específica mayor que 20 m2/g.

En una realización de acuerdo con cualquiera de los métodos anteriores, cuando se mezclan las partículas de combustible, el polvo cerámico y los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, el polvo cerámico puede estar en una variedad de estados físicos (por ejemplo, polvo, líquido, lodo, etc.) dependiendo del método de mezcla utilizado.

El combustible nuclear de acuerdo con la presente invención y obtenido a partir de los métodos descritos anteriormente comprende: un elemento combustible que comprende una pluralidad de partículas de combustible entremezcladas en una matriz de carburo de silicio, de tal manera que la matriz de carburo de silicio separa al menos una de la pluralidad de partículas de combustible encastradas en el matriz de carburo de silicio, de las demás partículas de combustible encastradas en la matriz de carburo de silicio, de tal modo que la matriz de carburo de silicio es casi estequiométrica y tiene bolsas de porosidad de no más del 4%, y de forma que las bolsas incluyen venenos neutrónicos de óxido de tierras raras, y de tal modo que al menos uno de los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es Eu²O³.

En una realización del combustible anterior, las bolsas incluyen solo venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras y elementos de impurezas. En otra realización del combustible anterior, las bolsas incluyen únicamente venenos neutrónicos de óxido de tierras raras, aditivos de sinterización adicionales y elementos de impurezas, de tal manera que los aditivos de sinterización adicionales pueden incluir los mismos materiales anteriormente expuestos para aditivos de sinterización adicionales.

En una realización de cualquiera de los combustibles descritos anteriormente, los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras adicionales se seleccionan de entre el grupo consistente en Gd²O³, Er²O³y Dy²O³, así como combinaciones de los mismos.

En una realización de cualquiera de los combustibles anteriormente descritos, las partículas de combustible son partículas de combustible isótropas triestructurales.

En una realización de cualquiera de los combustibles descritos anteriormente, la matriz de carburo de silicio tiene bolsas de porosidad de no más del 3% o, en ciertas realizaciones, no más del 1%.

En una realización de cualquiera de los combustibles anteriormente descritos, la matriz de carburo de silicio tiene una baja permeabilidad al helio, por ejemplo, de menos de 10-10 m2/s, o de menos de 10-11 m2/s.

En una realización de cualquiera de los combustibles descritos anteriormente, la pluralidad de partículas de combustible comprende elementos transuránidos extraídos de un combustible gastado de un reactor de agua ligera. En una realización de cualquiera de los combustibles anteriormente descritos, la pluralidad de partículas de combustible comprende elementos transuránidos extraídos de un arma nuclear.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, se describirán realizaciones de la invención a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:

La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra una mezcla precursora de acuerdo con realizaciones de la invención, antes de su sinterización para formar un elemento combustible.

La Figura 2 consiste en un par de gráficos que ilustran la temperatura eutéctica y la sección transversal de veneno neutrónico de ciertos óxidos de tierras raras.

La Figura 3 es un gráfico que ilustra la sección transversal de absorción de neutrones para matrices destinadas a elementos combustibles proporcionados a modo de ejemplo, con y sin presencia de un veneno neutrónico de óxidos de tierras raras.

La Figura 4 es un gráfico que ilustra el impacto neutrónico de incluir venenos neutrónicos en grados de porcentaje en la reactividad del núcleo.

La Figura 5 es una serie de imágenes de SEM en las que la parte superior izquierda es un corte transversal pulido de una matriz cerámica tratada con un veneno de óxido de tierras raras (Gd2O3). La parte superior central es el mapa de rayos X característico del Gd; la parte superior derecha es el mapa de rayos X característico del Al; la parte inferior izquierda es el mapa de rayos X característico del Si; la parte inferior central es el mapa de rayos X característico del Y; y la parte inferior derecha es el mapa de rayos X característico del O.

La Figura 6 es un diagrama esquemático que ilustra la mezcla de precursores de acuerdo con realizaciones de la invención, destinada a ser tratada dentro de una matriz de múltiples combustibles.

Descripción detallada de realizaciones particulares

La siguiente descripción detallada puede leerse en relación con los dibujos adjuntos, en los que los mismos números designan elementos similares.

La Figura 1 es un diagrama esquemático que ilustra la formación y el tratamiento de combustible nuclear de acuerdo con los métodos descritos anteriormente. En la Figura 1, un elemento de combustible no tratado 1 incluye una pluralidad de partículas de combustible microencapsuladas 10, mezcladas con una matriz cerámica 3 dentro de una camisa de combustible cerámico 2. La pluralidad de partículas de combustible microencapsuladas 10 puede consistir en partículas de combustible isótropas triestructurales (TRISO). La expresión "partícula de combustible TRISO", como se usa en esta memoria, se refiere a cualquier tipo de micropartícula de combustible que comprenda un núcleo de combustible y una o más capas de materiales isótropos que rodean el núcleo de combustible. Sólo a modo de ejemplo, la partícula de combustible 10 puede tener un diámetro de aproximadamente 1 milímetro.

En la realización mostrada en la Figura 1, la partícula de combustible 10 incluye un núcleo de combustible 11 en su centro. El núcleo de combustible puede comprender materiales fisionables y/o fértiles (por ejemplo, uranio, plutonio, torio, etc.) en forma de óxido, carburo u oxicarburo. En una realización concreta, el núcleo de combustible 11 incluye uranio poco enriquecido (LEU) de cualquier grado de enriquecimiento adecuado.

Cuando el elemento combustible se utiliza con fines de mitigación y/o eliminación de desechos, el núcleo de combustible 11 puede incluir, alternativa o adicionalmente, transuránidos (TRU) y/o productos de fisión extraídos o reprocesados de otro modo a partir de combustibles gastados.

Por ejemplo, el elemento combustible puede usarse para la destrucción de residuos transuránidos generados, por ejemplo, a partir de reactores de agua ligera o armas nucleares desmanteladas. A tal efecto, el elemento combustible puede incluir núcleos de combustible 11 formados por elementos transuránidos extraídos de un combustible gastado de un reactor de agua ligera y/o de un núcleo de un arma nuclear. De acuerdo con una realización particular, un elemento combustible formado de conformidad con los métodos descritos puede usarse como combustible para un reactor de agua ligera, a fin de destruir los residuos transuránidos y, al mismo tiempo, generar energía a partir de ellos.

La partícula de combustible 10 ilustrada en la Figura 1 también incluye cuatro capas distintas dispuestas revistiendo el núcleo de combustible 11, a saber, (1) una capa de almacenamiento intermedio de carbono poroso 15; (2) una capa interna 14 de carbono pirolítico (PyC); (3) una capa cerámica 13; y (4) una capa exterior de PyC 12.

La capa de almacenamiento intermedio de carbono poroso 15 rodea el núcleo de combustible 11 y sirve como depósito para acomodar la acumulación de gases de fisión que se difunden fuera del núcleo de combustible 11, y cualquier deformación mecánica que el núcleo de combustible 11 pueda sufrir durante el ciclo del combustible.

La capa interna de PyC 14 puede estar hecha de un PyC relativamente denso y obtura la capa de almacenamiento intermedio de carbono 15.

La capa cerámica 13 puede estar hecha un material de SiC y sirve como barrera primaria para los productos de fisión y como recipiente a presión para el núcleo de combustible 11, al retener los productos de fisión gaseosos y metálicos en su interior. La capa cerámica 13 también proporciona integridad estructural general a la partícula de combustible 10.

En algunas realizaciones, el SiC en la capa cerámica 13 puede reemplazarse o complementarse con carburo de circonio (ZrC) o cualquier otro material adecuado que tenga propiedades similares a las del SiC y/o el ZrC.

La capa exterior de PyC 12 protege la capa cerámica 13 del ataque químico durante el funcionamiento y actúa como contención de difusión adicional para los productos de fisión. La capa exterior de PyC 12 también puede servir como sustrato para adherirse a la matriz cerámica 3 circundante.

La configuración y/o composición de la partícula de combustible 10 no está limitada por las realizaciones descritas anteriormente. Antes bien, debe entenderse que una partícula de combustible de conformidad con la presente invención puede incluir una o más capas adicionales, u omitir una o más capas, dependiendo de las propiedades deseadas de la partícula de combustible. Por ejemplo, en ciertas realizaciones, la partícula de combustible se recubre con una capa cerámica adicional (es decir, una capa de SiC) antes de mezclarla con el material de matriz cerámico.

En realizaciones particulares, la matriz cerámica 3 incluye polvo de SiC mezclado con venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, solos o en combinación con aditivos de sinterización adicionales, y puede darse en forma de un lodo a base de polvo, un lodo cerámico para fundición en cinta, o cualquier otro tipo de mezcla conocido en la técnica. Antes de la mezcla, las partículas de combustible 10 pueden recubrirse con un material de protección superficial adecuado. El polvo de SiC puede tener un tamaño medio de menos de 1 |um y/o un área superficial específica superior a 20 m2/g. A modo de ejemplo, el tamaño del polvo de SiC puede oscilar entre aproximadamente 15 nm y aproximadamente 51 nm, siendo el tamaño medio de partícula de aproximadamente 35 nm.

Durante la mezcla o previamente a esta, se añaden venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, individualmente o en combinación, al polvo de SiC y/o se disponen recubriendo la superficie del polvo de SiC. En ciertas realizaciones, la cantidad de venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es de hasta el 10% en peso, o, en realizaciones más específicas, del 1% al 10% en peso, o, en realizaciones aún más específicas, del 6% al 10% en peso sobre la base del peso total de la mezcla precursora.

Los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras se seleccionan basándose en una combinación de la eficacia del elemento en la captura de neutrones térmicos, y su compatibilidad con el procedimiento de fabricación y su capacidad para ayudar a este. La Figura 2 presenta un conjunto ordenado de posibles óxidos de tierras raras junto con los parámetros importantes, como la temperatura de reacción eutéctica con alúmina y la sección transversal de absorción de neutrones térmicos, en barnios. En el gráfico superior de la Figura 2, el cuadro sombreado representa un límite superior para la temperatura de tratamiento, representada por la temperatura eutéctica con alúmina. Este límite superior es de aproximadamente 1.800°C. La supresión de la temperatura de tratamiento también puede resultar beneficiosa a la hora de tratar combustibles de matriz inertes que incluyen especies volátiles, reduciendo así potencialmente la pérdida de especies durante el tratamiento. En el gráfico inferior de la Figura 2, el cuadro sombreado representa un límite inferior para la sección transversal del veneno neutrónico. Este límite inferior es aproximadamente 500 barnios. Como se observa por los compuestos en negrita presentados en la Figura 2, las tierras raras adecuadas incluyen Eu2Ü3, Gd2Ü3, Dy2Ü3 y Er2Ü3.

También durante la mezcla o previamente a esta, además de los venenos neutrónicos de óxido de tierras raras, se pueden añadir aditivos de sinterización adicionales. Aditivos de sinterización adicionales aceptables incluyen, por ejemplo, alúmina y otros óxidos de tierras raras, tales como el Y²O³. Los aditivos de sinterización adicionales pueden añadirse individualmente o en combinación al polvo de SiC y/o disponerse como revestimiento de la superficie del polvo de SiC. En ciertas realizaciones, la cantidad total de venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras y de aditivos de sinterización es de hasta el 10% en peso, o, en realizaciones más específicas, del 6% al 10% en peso, del peso total de la mezcla precursora. En determinadas realizaciones en las que están presentes aditivos de sinterización adicionales, los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras se incluyen en una cantidad de entre el 0,5 y el 6 por ciento en peso, o, en realizaciones más específicas, de entre el 1 y el 5 por ciento en peso, o, en realizaciones aún más específicas, entre el 1 y el 3 por ciento en peso, o, incluso en realizaciones aún más específicas, entre el 1 y el 2 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora.

La camisa de combustible cerámico 2 puede fabricarse, por ejemplo, a partir de SiC de grado similar al de la matriz cerámica, o de grafito de calidad nuclear. Alternativamente, la camisa de combustible cerámico puede incluir fibras de SiC o cuerpos verdes de densidad intermedia de nanopolvo de SiC. En el caso de que la camisa de combustible cerámica sea un cuerpo verde de densidad intermedia de nanopolvo de SiC, los constituyentes del nanopolvo contendrán cantidades similares de venenos neutrónicos de óxido de tierras raras y elementos de sinterización adicionales a las de la matriz cerámica. En ciertas realizaciones del nanopolvo de SiC de la camisa de combustible cerámico, el polvo de SiC es algo más grande que el polvo de SiC de la matriz cerámica con el fin de retardar el flujo durante la sinterización y, con ello, inhibir el movimiento del TRISO a través de esta pared exterior.

El espesor de la pared de la camisa de combustible cerámico se determina a partir de consideraciones estructurales del combustible y neutrónicas del reactor. En determinadas realizaciones, el grosor de la pared es de 0,5 mm o más. Cuando se desean estructuras más rígidas, el grosor de la pared se puede aumentar hasta tanto como 2 mm. El uso de la camisa de combustible cerámico ayuda a eliminar la necesidad de un mecanizado final.

En un procedimiento alternativo, la mezcla de partículas de combustible 10 y matriz cerámica 3, con o sin la camisa de combustible cerámico, puede colocarse dentro de un receptáculo 4 y, a continuación, se puede aplicar una corriente al receptáculo para sinterizar la mezcla por sinterización de corriente continua hasta obtener un elemento combustible. El receptáculo puede incluir más de una abertura en paralelo y el método puede incluir colocar una mezcla de partículas de combustible 10 y matriz cerámica 3 en cada una de las aberturas. El receptáculo puede comprender grafito.

La mezcla de partículas de combustible 10 y matriz cerámica 3 puede ser uniforme en toda su extensión o a modo de una estructura en capas en la que las capas superior e inferior de la mezcla carecen de partículas de combustible. Un ejemplo de esta estructura en capas se ilustra en la Figura 1 con el símbolo de referencia 3A, que se refiere a la región central del cuerpo verde o elemento de combustible sin procesar 1 que contiene partículas de combustible junto con los constituyentes del polvo de matriz cerámica, y el símbolo de referencia 3B, que se refiere a las áreas superior e inferior que no contienen partículas de combustible. En ciertas realizaciones, el grosor final nominal de las capas 3B es igual o similar al grosor de pared de la camisa de combustible cerámico. Por ejemplo, el espesor nominal de las capas 3B es de 0,5 mm a 2 mm.

En ciertas realizaciones, las capas 3B, si están presentes, funcionarán al modo de una capa que tiene grados variables y probablemente reducidos de aditivos de óxido de ayuda a la sinterización venenosos y no venenosos, para cuestiones de compatibilidad con el refrigerante del reactor. La cantidad de coadyuvante de sinterización en esta capa puede ser tan baja como cero. En ciertas realizaciones, las capas 3B, si están presentes, funcionan para proporcionar seguridad adicional al combustible aumentando la longitud del recorrido para que los productos de fisión migratorios alcancen la superficie libre del combustible.

La Figura 3 es un ejemplo de la sección transversal de absorción de neutrones o de la sección transversal de veneno neutrónico para la matriz cerámica, con y sin presencia de Gd2O3, el cual es un ejemplo de veneno neutrónico de óxido de tierra rara identificado anteriormente. Se muestra que, tras la adición del 1 por ciento en peso de gadolinia a la matriz cerámica, la probabilidad de absorción de neutrones de este medio aumenta más de 100 veces en la región térmica del espectro (energía de los neutrones ~0,025 eV).

La Figura 4 presenta el impacto de la incorporación de venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras en el seno del combustible cerámico, en el rendimiento neutrónico de un núcleo de reactor representativo. En estos ejemplos, se presenta un núcleo de reactor refrigerado por gas a alta temperatura (HTGR - “high-temperature-gas-cooled reactor”-). Se produce un rendimiento similar en otras plataformas alimentadas con FCM, como los reactores refrigerados por agua ligera y pesada. Se observa claramente una comparación de la gran reactividad inicial (curva superior de la FIG.

4: leyenda; FCM, U235 = 5,0 w/0, sin BP) con la de un núcleo de HTGR alimentado con combustible UO²convencional (curva justo por encima de la línea unitaria de la FIG 1: leyenda; UO²sólido, U235 = 0,712 w/o). Mediante la inclusión de diversas cantidades de veneno susceptible de quemarse, elegido en este ejemplo como combinaciones de Gd²O³y Er2O3 dentro del intervalo entre el 1,57 y el 2,07 por ciento en peso total, las curvas de reactividad están claramente aplanadas, acercándose al comportamiento neutrónico del UO²no envenenado.

La Figura 5 muestra una imagen de microscopía electrónica retrodispersada de una sección pulida de matriz cerámica fabricada con Gd2O3. En este ejemplo, el 1% en peso de este veneno reemplaza al ALO³y al Y²O³en el polvo de SiC para una adición total de óxido del 6 por ciento. Como se observa en la Figura 5, la matriz está compuesta por grandes cristalitos con baja porosidad, típicos del proceso de consolidación de FCM. La imagen de la figura es cualitativamente indistinguible de una imagen de un combustible FCM tratado con AbO3 y Y²O³. Al igual que con la matriz de FCM convencional formada con ALO³y Y²O³, el Gd2O3 reside en las uniones triples (bolsas brillantes en las micrografías), en lugar de como una capa continua a lo largo de los límites del grano de SiC, lo que garantiza la estabilidad de la irradiación. Esto también se muestra al hacer corresponder la señal de rayos X característica asociada con el Gd y otros constituyentes de la matriz FCM en esa misma figura.

Aunque se hayan ilustrado en figuras independientes, cualesquiera características ilustradas y descritas dentro de una figura o realización podrían ser sustituidas o añadidas en cualquiera de las otras realizaciones descritas anteriormente.

Aunque se haya descrito en relación con las realizaciones preferidas de la misma, los expertos en la técnica apreciarán que pueden realizarse adiciones y modificaciones no descritas específicamente sin apartarse del alcance de la invención, tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método que comprende:

proporcionar una pluralidad de partículas de combustible;

mezclar las partículas de combustible con polvo cerámico y uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras para formar una mezcla precursora; y

compactar la mezcla precursora a una presión y temperatura predeterminadas para formar un elemento combustible;

caracterizado por que al menos uno de los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es Eu2O3.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras incluyen óxidos de tierras raras que tienen una gran sección transversal de captura de neutrones y la capacidad de suprimir la temperatura de sinterización del polvo cerámico por debajo de la temperatura crítica de daño de las partículas de combustible.

3. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, mezclar aditivos de sinterización adicionales con la mezcla precursora de polvo cerámico y venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, en el que los aditivos de sinterización adicionales incluyen, preferiblemente, alúmina, itria u otros óxidos de tierras raras, o combinaciones de los mismos.

4. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que uno o más de los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras son los únicos aditivos de sinterización de óxido en la mezcla precursora.

5. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla precursora consiste esencialmente en polvo cerámico y venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras.

6. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el polvo cerámico comprende carburo de silicio (SiC).

7. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la mezcla precursora incluye los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras en una cantidad de hasta el 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora.

8. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la combinación de los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras y cualesquiera aditivos de sinterización adicionales está en una cantidad de hasta el 10 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 3, en el que los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras se incluyen en una cantidad de entre el 0,5 y el 6 por ciento en peso del peso total de la mezcla precursora.

10. El método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la temperatura predeterminada es inferior a 1.900°C.

11. Un combustible nuclear que comprende un elemento combustible que comprende una pluralidad de partículas de combustible entremezcladas en una matriz de carburo de silicio, en el que la matriz de carburo de silicio separa al menos una de la pluralidad de partículas de combustible encastradas en la matriz de carburo de silicio, de las demás partículas de combustible encastradas en la matriz de carburo de silicio, de tal manera que la matriz de carburo de silicio es casi estequiométrica y tiene bolsas de porosidad de no más del 4%, de tal modo que las bolsas incluyen uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, caracterizado por que al menos uno de los uno o más venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras es Eu2O3.

12. El combustible nuclear de acuerdo con la reivindicación 11, en el que bien las bolsas incluyen solo venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras y elementos de impurezas, o bien las bolsas incluyen solo venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras, aditivos de sinterización adicionales y elementos de impurezas.

13. El combustible nuclear de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 12, o el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que los venenos neutrónicos de óxidos de tierras raras adicionales se seleccionan del grupo que consiste en Gd2O3, Er2O3, Dy2O3, y combinaciones de los mismos.

14. El combustible nuclear de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 13, o el método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que las partículas de combustible son partículas de combustible isótropas triestructurales (TRISO).

15. El combustible nuclear de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, en el que la pluralidad de partículas de combustible comprende elementos transuránidos extraídos de un combustible gastado de un reactor de agua ligera y/o elementos transuránidos extraídos de un arma nuclear.