SE537113C2

SE537113C2 - Bränslekomponent och förfarande för framställning av en bränslekomponent

Info

Publication number: SE537113C2
Application number: SE1050189A
Authority: SE
Inventors: Lars Hallstadius; Karin Backman; Björn Rebensdorff; Hans Widegren
Original assignee: Westinghouse Electric Sweden
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2015-01-20
Also published as: SI2543042T1; KR20120139708A; WO2011108975A1; EP2543042B1; US20140153687A1; SE1050189A1; JP2013521494A; EP2543042A1; ES2654153T3; LT2543042T

Description

1G 537113 ment som sedan sätts in i reaktorhärden och bestrålas, varvid bränslekomponenterna alstrar energi och neutroner. Ett bräns- leelement bestrålas vanligen under fyra till sex år innan de er- sätts med ett nytt bränsleelement. Bestrålningen är uppdelad på ett flertal bränslecykler. Längden på en bränslecykel är vanligen cirka ett år, men kan även vara upp till två år.

Obestrålade bränslekomponenter har en högre producerad ef- fekt under den första bränslecykeln jämfört med de efterföljande bränslecyklerna, eftersom koncentrationen av den fissila sub- stansen är som högst vid inledningen av bestrålningen. Av sä- kerhetsskäl vill man begränsa den producerade effekten i bräns- lekomponenten till att inte överstiga en viss nivå. För att be- gränsa den producerade effekten använder man neutronabsor- batorer, vilka absorberar neutroner. Därmed dämpas fissions- processen och den producerade effekten minskar. Neutronab- sorbatorer kan vara inblandade i bränslekomponenten eller omge bränslekomponenten och ger en lokal reducering av effek- ten vid bränslekomponenten. För att begränsa den producerade effekten under den första bränslecykeln utan att inskränka den producerade effekten under de efterföljande bränslecyklerna an- vänder man så kallade brännbara neutronabsorbatorer, vilka har funktionen att de absorberar neutroner samtidigt som de om- vandlas till substanser med en lägre neutronabsorptionsförmå- ga. Exempel på brännbara neutronabsorbatormaterial är gadoli- nium och bor. Genom användande av brännbara neutronabsor- batorer kan den producerade effekten i bränslekomponenten begränsas under den första bränslecykeln medan påverkan från den brännbara neutronabsorbatorn på den producerade effekten under de efterföljande cyklerna är liten eller försumbar.

Bränslekomponenter med neutronabsorbatorer kan framställas genom att neutronabsorbatormaterialet antingen blandas in i bränslekomponenten eller genom att neutronabsorbatormateria- let appliceras som ett skikt på ytan av bränslekomponenten. ln- blandning av neutronabsorbatormaterialet är endast möjligt för 537113 vissa neutronabsorbatorer. Kända metoder för beläggning av neutronabsorbatormaterial på ytan av bränslekomponenter inne- fattar känsliga processer som kräver vakuum och är kostsamma.

Ett annat problem med ett skikt av ett absorbatormaterial är att säkerställa att skiktet av neutronabsormatormaterialet sitter kvar på ytan av bränslekomponenten. Vid bestrålningen av bränsle- elementet uppkommer höga temperaturer i bränslekomponenten.

För exempelvis kokvatten- och tryckvattenreaktorer uppkommer temperaturer på upp till 1500°C i bränslekomponenten under normala driftsförhållanden. Övergången från rumstemperatur till höga temperaturer mellan bränslecyklerna skapar spänningar mellan material med olika termiska och elastiska egenskaper, varvid skiktet av neutronabsorbatormaterialet kan spricka och falla av. Skiktet av neutronabsorbatormaterialet kan även av- flagna eller skavs bort vid eller innan införseln i kapslingsrören.

Om skiktet av neutronabsorbatormaterialet på bränslekompo- nenten helt eller delvis saknas eller om neutronabsorbatormate- rialet förflyttats inom kapslingsröret, exempelvis under reaktor- driften, påverkas den producerade effektfördelningen i bränsle- elementet, vilket innebär att den producerade effekten lokalt kan överstiga tillåtna värden. Det kan krävas att reaktorn stoppas och att bränsleelement med felande bränslekomponenter byts ut, vilket medför stora förluster i form av utebliven energiproduk- tion vid driftstoppet samt kostnader för reparation av bränsle- elementet.

Bränslekomponenter kan vid läckage hos kapslingsrören komma i kontakt med en yttre omgivning, så som lättvatten i tryck» och kokvattenreaktorer. Den yttre omgivningen kan reagera med bränslekomponenten vid så kallade bränsleskador, varvid mate- rialet i bränslekomponenten kontaminerar den yttre omgivningen i reaktorn och bränslekomponentens funktion upphör eller för- sämras. Vid mindre bränsleskador kontaminerar huvudsakligen gaser bildade under fissionsprocessen den yttre omgivningen.

En kontaminering av den yttre omgivningen kan medföra att un- derhållspersonal vid reaktorn exponeras för ökade stråldoser vid 537113 servicearbeten. Det kan även krävas att reaktorn stoppas och att bränsleelement med de läckande kapslingsrören byts ut.

Bränsleskador medför stora kostnader i form av utebliven pro- duktion vid driftstop samt genom kostnader för reparation av det felande bränsleelementet.

En teknik för behandling av utbränt kärnbränsle för vidare förva- ring beskrivs i EP-1249844. I dokumentet behandlas utbränt kärnbränsle med pulver av aluminium och bor som pressas ge- nom Cold šsostatic Pressing (CIP) och sedan sintras samman med hjälp av plasmasintring.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en bränsiekomponent med förbättrade egenskaper.

Detta ändamål upp-nås med den inledningsvis angivna kompo- nenten som innefattar de särdrag som anges i kravet 1 känne- tecknande del.

Bränslekomponenten uppnår ovan nämnda ändamål medelst det intermediära skiktet mellan kärnan och skiktet.

Med bränslekomponenten avses en komponent som är anpas- sad för att alstra energi och neutroner. Bränslekomponenten in- nefattar en kärna, vilken har till funktion att alstra energi och neutroner, samt ett skikt som åtminstone delvis innesluter kär- nan. Kärnan hos komponenten består av det första materialet, vilket innefattar en fissil substans. Med en fissil substans menas ett material som har förmågan att underhålla kärnreaktšonen i en fissionsreaktor. Den fissila substansen i bränslekomponenten aístrar energi och neutroner då den bestråias under reaktordrif- ten, varvid bränslekomponenten får en hög temperatur. Skiktet hos komponenten består av det andra materialet. 537113 Det intermediära skiktet är ett skikt mellan kärnan och skiktet som ger en övergång av egenskaperna från det första materialet till det andra materialet. Det intermediära skiktet innefattar en stegvis eller gradvis övergång av koncentrationen av det första och det andra materialet. Det intermediära skiktet här en mate- rialgradient, med vilket menas att koncentrationen av det första materialet och det andra materialet i det intermediära skiktet är större än noll. Materialgradienten innebär en koncentrationsför- ändring ijämförelse med kärnan och i jämförelse med skiktet.

Materialgradienten kan innefatta en homogen blandning av det första och det andra materialet. Materialgradienten kan också innefatta en förändring inom det intermediära skiktet av förhål- landet mellan koncentrationen av det första och det andra mate- rialet. Därigenom kan materialgradienten anpassas efter materi- alegenskaperna, exempelvis med avseende på temperaturex- pansion, hos det första och det andra materialet för att uppnå goda materialegenskaper hos bränslekomponenten. Genom ma- terialgradienten skapas en övergång mellan det första materialet i kärnan och det andra materialet i skiktet, vilket ger en stark vidhäftning mellan skiktet och kärnan. Materialgradienten i det intermediära skiktet medför att inre spänningar i komponenten skapade av termiska och elastiska skillnader melian det första och det andra materialet reduceras. Därmed uppkommer en för- bättrad vidhäftning av skiktet vid kärnan, viket ger komponenten en förbättrad funktionalitet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar materialgradi- enten en successiv minskning av koncentrationen av det första materialet från kärnan till skiktet och en successiv ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan till skiktet.

Därmed är materialgradienten utformad för att ge en gradvis övergång av egenskaperna från det första materialet till det andra materialet, och vice versa.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är bränsiekomponenten framställd genom sintring, vilket ger komponenten en god sam- 537113 mansintring av det första materialet med det andra materialet.

Sintringsförfarandet kan inbegripa eller kombineras med ett på- lagt tryck och/eller en förhöjd temperatur. Sintringsförfarandet säkerställer att ett flertal materialegenskaper, så som kornstor- lek och porositet, hos den sintrade komponenten kan styras inom ett brett intervall.

Enligt en utföringsform av uppfinningen består det första materi- alet av åtminstone en substans vald ur gruppen U, Pu, Th, UXOy, UXNy, UXCy, PuXOy, PuxNy, PuXCy, ThxOy, ThxNy, ThxCy, och blandningar därav, samt av eventuell balans.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är skiktet inrättat för att absorbera neutroner. Med neutronabsorptionsförmåga menas i detta sammanhang ett materials förmåga att, över tillämpligt ne- utronenergispektrum för en fissionsreaktor, fånga in neutroner, och därmed reducera reaktorns reaktivitet. Därmed kan den ut- vecklade effekten i bränslekomponenten begränsas.

Enligt en utföringsform av uppfinningen består skiktet hos bräns- lekomponenten av en substans vald ur gruppen Hf, B, ZrBZ, ln, Cd, Hg, Ag, Gd, Er, BxCy, BxNy, BXOy, blandningar därav, samt av eventuell balans. Substanser från denna grupp har neutron- absorberande egenskaper lämpade för bränslekomponenten.

Inom ramen för uppfinningen är det möjligt att kombinera vilken som helst av dessa neutronabsorberande substanser hos skiktet med vilken som helst av ovan nämnda substanser hos kärnan, exempelvis ett skikt av BXCy, så som B40, och en kärna av UOZ, ett skikt av ZrB2 och en kärna UO2, etcetera.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är skiktet inrättat för att skydda kärnan från en yttre omgivning. Därmed skyddas bräns- lekomponentens kärna från växelverkan med den yttre omgiv- ningen. Därigenom kan konsekvenserna vid kontakt mellan bränslekomponenten och den yttre omgivningen reduceras. Den skyddande funktionen hos bränslekomponentens skikt ger en 537113 redundans till kapslingsrörens skydd mot den yttre omgivningen.

Alternativ till det redundanta skyddet hos bränslekomponenten kan kraven på kapslingsrörens skyddande verkan minskas, ex- empelvis genom att reducera kapsiingsrörens godstjocklek.

Kapslingsrörens skyddande verkan kan 'alternativt helt ersätt-as av skiktets skydd. Därigenom uppnås en förbättrad värmeöverfö- ring från komponentens kärna till den yttre omgivningen, vilket medför att den uttagna effekten från fissionsreaktorn ökar.

Den yttre omgivningen utgörs av omgivningen kring bränsle- komponenten, vilket huvudsakligen innefattar ett modererande och ett kylande medium. Vid reaktordrift utgör den yttre omgiv- ningen en reaktiv miijö som vid kontakt reagerar med bränsle- komponenten.

Skyddet av kärnan gör att den yttre omgivningen, exempelvis moderatorn hos en lättvattenfissionsreaktor, inte kontamineras av det första materialet. Genom att hindra den yttre omgivningen från att kontamineras minskar underhållspersonalens expone- ring för stràldoser vid servicearbeten vid reaktorn. Kostnader för reaktorstopp och utbyte av läckande bränsleelement kan också undvikas.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är skiktet väsentligen ogenomträngligt för gasformiga substanser, åtminstone helium.

Genom att skiktet är väsentligen ogenomträngligt för gas kan gasformiga substanser som bildas i bränslekcmponenten kvar- hållas i det inre av bränslekomponenten. Därigenom sker ingen kontamination av den yttre omgivningen med gasformiga sub- stanser bildade i bränslekomponenten.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är skiktet väsentligen korrosionsbeständigt i en miljö hos en fissionsreaktor. Med vä- sentligen korrosionsbeständigt menas att skiktet är kemiskt inert, eller väsentligen kemiskt inert, och att dess skyddande ef- fekt därigenom bibehålls vid exponering mot den yttre omgiv- 537113 ningen i en fissionsreaktor. Genom skiktets korrosions- beståndighet skyddas kärnan hos bränslekomponenten från att påverkas av den yttre omgivningen. Därigenom säkerställs bränslekomponentens integritet och funktion.

Enligt en utföringsform av uppfinningen är porvolymen hos poro- siteten i skiktet hos bränslekomponenten avsevärt mindre än porvolymen hos porositeten i kärnan. Porositeten hos kärnan används för att åtminstone delvis kvarhålla bildade gaser inom kornen av materialstrukturen. Genom skiktets lägre porositet uppnås önskvärda materialegenskaper hos skiktet, så som en hög täthet, vilken ger skiktet en separerande effekt som skyddar kärnan från den yttre omgivningen och hindrar gasformiga sub- stanser bildade i kärnan från att tränga ut ur bränslekomponen- ten. Därigenom säkerställs bränslekomponentens integritet och funktion, samt risken minskas att den yttre omgivningen konta- mineras av det första materialet eller av gasformiga substanser bildade i kärnan.

Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar skiktet hos bränslekomponenten åtminstone ett av ett metalliskt material och ett keramiskt material. Vissa material från dessa grupper har egenskaper som är speciellt lämpliga i reaktormiljöer. Ex- empešvis har vissa keramiska material, så som SiC, en hög kor- rosionsbeständighet, en hög hårdhet och är värmebeständiga.

Exempelvis har vissa metalliska material, så som Zr, en hög kor- rosionsbeständighet och goda mekaniska egenskaper.

Enligt en utföringsform av uppfinningen består skiktet hos bräns- lekomponenten av åtminstone en substans vald ur gruppen Ti, Zr, Al, Fe, Cr, Ni, SiC, SiN, ZrO2, Al2O3, blandningar därav, samt av eventuell balans. Substanser från denna grupp har egenska- per som är fördelaktiga för skiktet hos bränslekomponenten. 3D 537113 Enligt en utföringsform av uppfinningen innesluter skiktet full- ständigt kärnan. Därigenom skyddas och separeras kärnan full- ständigt från den yttre omgivningen.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är också att tillhanda- hålla ett förfarande för framställning av en bränslekomponenten.

Detta ändamål uppnås genom ett förfarande så som definieras i kravet 14.

Ett sådant förfarande innefattar tillförsel av det första materialet och det andra materialet till ett utrymme hos ett verktyg på så sätt att det andra materialet åtminstone delvis innesluter det för- sta materialet, följt av sammansintring av det första och det andra materialet till bränslekomponenten, varvid det bildas ett intermediärt skikt mellan kärnan och skiktet, och varvid det in- termediära skiktet har en materialgradient som innefattar en minskning av koncentrationen av det första materialet från kär- nan till skiktet och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan till skiktet. Verktyget för förfarandet inne- fattar en verktygsdel med ett utrymme avsett att tillföras material för sintring.

Enligt en utföringsform av uppfinningen bildas det vid tillförseln av det första materialet och det andra materialet en intermediär zon mellan en inre del av utrymmet och en yttre del av utrym- met, och varvid den intermediära zonen innefattar en minskning av koncentrationen av det första materialet från den inre delen av utrymmet till den yttre delen av utrymmet och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från den inre delen av utrymmet till det yttre av utrymmet. Den intermediära zonen ut- gör ett område mellan den inre delen av utrymmet och den yttre delen av utrymmet bestående av det första materialet och det andra materialet. Den intermediära zonen innefattar en materi- algradient, vilket innebär att det första och det andra materialet stegvis eller gradvis övergår i varandra. Efter att materialen till- 537113 förts utrymmet sammanfogas det första materialet med det andra materialet genom sintring på så sätt att skiktet, kärnan och det intermediära skiktet bildas.

Enligt en utföringsform av uppfinningen vibreras utrymmet på så sätt att det första materialet och det andra materialet samman- förs och bildar den intermediära zonen. Utrymmet vibreras efter att det första materialet och det andra materialet tillförts utrym- met men före sintringen. Därmed uppstår en materialgradient av det första materialet och det andra materiatet mellan den inre delen av utrymmet och den yttre delen av utrymmet.

Enligt en utföringsform av uppfinningen tillförs det första materi- alet i pulverform. Med ett material i pulverform menas ett mate- rial i fast tillstånd innefattande ett stort antal partiklar med liten kornstorlek. Pulvret kan eventuellt flytta fritt, med vilket menas att pulvret deformeras lätt då det utsätts för mekaniska spän- ningar. Därigenom kan pulvret fylla ut utrymmet i verktyget för sintringen. Genom att använda ett material i pulverform under- lättas förfarandet då den intermediära zonen bildas.

Enligt en utföringsform av uppfinningen tillförs det andra materi- alet i pulverform.

Enligt en utföringsform av uppfinningen avdelas utrymmet av ett inre rör som innefattar en inre del, varvid utrymmet avdelas av ett yttre rör som innefattar en yttre dei, varvid en mellanliggande del bildas mellan det yttre röret och det inre röret. Den inre de- ten är anpassad för att tillföras det första materialet som efter sintring bildar bränslekomponentens kärna. Den yttre deten är anpassad för att tillföras det andra materialet som efter sintring bildar bränslekomponentens skikt. Den mellanliggande deien bildar efter sintring bränslekomponentens intermediära skikt.

Enligt en utföringsform av uppfinningen tillförs den metlanlig- gande delen en blandning av det första materialet och det andra 537113 materialet för skapande av den intermediära zonen. Materiaiet i den mellanliggande delen bildar efter sintring bränslekomponen- tens intermediära skikt.

Enligt en utföringsform av uppfinningen uppdelas den mel-lan|ig- gande delen i avdelningar av åtminstone ett mellaniiggande rör, varvid avdelningarna tillförs blandningar av olika förhållande mellan koncentrationen av det första materiaiet och det andra materialet. Genom att dela upp utrymmet mellan det inre röret och det yttre röret i två eller flera avdelningar kan sammansätt- ningen av det första och det andra materialet i avdelningarna påverkas så att det efter sintring bildade intermediära skiktet får en materialgradient som ger skiktet god vidhäftning vid kärnan.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen ska nu förklaras närmare genom beskrivning av olika utföringsformer av uppfinningen och med hänvisning tiil de bifogade ritningarna.

Fig. 1 visar ett tvärsnitt av en bränslekomponent enligt en utföringsform av uppfinningen i en vy sedd från sidan.

Fig. 2-5 visar diagram med olika exempet p-å materialkoncent- rationen hos ett tvärsnitt av bränslekomponenter.

Fig. 6 visar en perspektivvy av ett exempel på ett kapslings- rör inneslutande bränslekomponenter.

Fig. 7 visar ett tvärsnitt av ett verktyg för tillförsel av materi- al för sintring.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN Figur 1 visar ett exempel p en bränslekomponent 1, i det föl- jande benämnd komponenten, enligt en utföringsform av uppfin- ningen i ett tvärsnitts vy sedd från sidan. Komponenten 1 i figur 1 har en cylindrisk form, med centrum hos cylinderns bas i 0 och 11 537113 cylinderns mantelyta vid R, längs en x-axel. Även andra former på komponenten 1 är möjlig, så som rektangulär, kvadratisk, sfärisk etcetera.

Komponenten 1 är anpassad att användas i fiss-ionsreaktorer och innefattar en kärna 2 bestående av ett första material och ett skikt 3 bestående av ett andra material. Komponentens kärna 2 innefattar ett fissilt material avsett att alstra energi och neu- troner, på så sätt att kärnreaktionen i en fissionsreaktor kan un- derhållas. Komponentens skikt 3 innesluter i det i figuren 1 vi- sade exemplet fullständigt kärnan 2 och skyddar kärnan 2 från en yttre omgivning genom sina skyddande egenskaper, så som korrosionsbeständighet och täthet mot gasformiga substanser.

Skiktet 3 har även förmåga att absorbera neutroner, varigenom den alstrade energin i komponenten reduceras. Företrädesvis, utgörs skiktets 3 neutronabsorberande substans av en brännbar neutronabsorbator, så som bor eller gadolinium.

Komponenten 1 är framställd genom sintring på så sätt att ett intermediärt skikt 4 bildas mellan kärnan 2 och skiktet 3. Det in- termediära skiktet 4 innefattar både det första materialet och det andra materialet. Det intermediära skiktet 4 har en materialgra- dient, vitken innefattar en minskning av koncentrationen av det första materialet från kärnan 2 till skiktet 3 och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan 2 till skiktet 3. Det intermediära skiktet 4 bitdar en övergång mellan kärnan 2 och skiktet 3, så att materialegenskaperna hos det första mate- rialet övergår i egenskaperna hos det andra materialet, och vice versa. Därigenom skapas en god vidhäftning mellan kärnan 2 och skiktet 3.

Figur 2 till 5 visar exempel på materíalkoncentrationen hos ett tvärsnitt av en bränslekomponent. Figurernas x-axel är en di- mensionsaxel, där 0 anger komponentens centrum och R anger komponentens ytterperiferi. Figurernas y-axel anger material- koncentrationen för komponenten i procent för det första materi- 12 537113 alet, här med beteckning A och markerad med en streckad linje, och det andra materialet, här med beteckning B och markerad - med en heldragen linje. I figurerna är kärnan 2, det intermediära skiktet 4 och skiktet 3 utmärkta längs figurens x-axel.

Figur 2 visar ett exempel på en materialkoncentrationsvariation inom en bränslekomponent, där det intermediära skiktet 4 mel- lan kärnan 2 och skiktet 3 har en materialgradient som innefattar en stegvis minskning av koncentrationen av ett första material från kärnan 2 till skiktet 3, och en stegvis ökning av koncentra- tionen av ett andra material från kärnan 2 till skiktet 3. i exemp- let i figur 2 sker en minskning av koncentrationen av det första materialet från kärnan 2 till det intermediära skiktet 4 på ett stegvis sätt, där koncentrationen av det första materialet mins- kar från huvudsakligen 100 % i kärnan 2 till huvudsakligen 50 % i det intermediära skiktet 4. Koncentrationen av det första mate- rialet är konstant inom det intermediära skiktet 4. Vidare sker en minskning av koncentrationen av det första materialet från det intermediära skiktet 4 till skiktet 3 stegvis från huvudsakligen 50 % till huvudsakligen 0 %. På omvänt sätt sker en ökning av kon- centrationen av det andra materiatet från kärnan 2 till det inter- mediära skiktet 4 på ett stegvis sätt, där koncentrationen av det andra materialet ökar från huvudsakligen 0 % i kärna 2 till hu- vudsakligen 50 % i det intermediära skiktet 4. Koncentrationen av det andra materialet är konstant inom det intermediära skiktet 4. Vidare sker en ökning av koncentrationen av det andra mate- rialet från det intermediära skiktet 4 till skiktet 3 stegvis från hu- vudsakligen 50 % tilt huvudsakligen 100 %.

Figur 3 visar på samma sätt som figur 2 ett exempel på en steg- vis materialkoncentrationsvariation inom en bränslekomponent, med skillnaden att det intermediära skiktet 4 innefattar två kon- centrationsomräden, ett första koncentrationsområde 41 och ett andra koncentrationsområde. 42, med olika koncentrationer av det första materialet och det andra materialet. Koncentrationen av det första materialet och det andra materialet är konstant 13 537113 inom det första koncentrationsområdet 41 och det andra kon- centrationsområdet 42. I exemplet i figur 3 sker en minskning av koncentrationen av det första materialet från kärnan 2 tili det in- termediära skiktet 4 på ett stegvis sätt, där koncentrationen av det första materialet minskar från huvudsakligen 100 % i kärna 2 till huvudsakligen 70 % i det första koncentrationsområdet 41 hos det intermediära skiktet 4. inom det intermediära skiktet 4 sker en stegvis minskning av koncentrationen av det första ma- terialet från det första koncentrationsområdet 41 till det andra koncentrationsområdet 42, från huvudsakligen 70 % till huvud- sakligen 30 %. Det sker en stegvis minskning av koncentratio- nen av det första materialet från det andra koncentrationsomrä- det 42 hos det intermediära skiktet 4 till skiktet 3, från huvud- sakligen 30 % till huvudsakligen 0 %. På omvänt sätt sker en ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan 2 till det intermediära skiktet 4.

Figur 4 visar ett exempel på en materia!koncentrationsvariation inom en bränslekomponent, där det intermediära skiktet 4 mel- lan kärnan 2 och skiktet 3 har en materiaigradient som innefattar en successiv minskning av koncentrationen av ett första material från kärnan 2 till skiktet 3, och en successiv ökning av koncent- rationen av ett andra material från kärnan 2 till skiktet 3. inom det intermediära skiktet 4, från kärnan 2 till skiktet 3, sker en konstant proportionell minskning av koncentrationen av det för- sta materialet, från huvudsakligen 100 % till huvudsakligen 0 %.

På omvänt sätt sker en ökning av koncentrationen av det andra materialet inom det intermediära skiktet 4, från kärnan 2 till skik- tet 3, från huvudsakligen 0% till huvudsakligen 100 %.

Figur 5 visar ett exempel på en m.aterialkoncentrationsvariation inom en bränslekomponent, där det intermediära skiktet 4 meä- lan kärnan 2 och skiktet 3 har en materialgradient som innefattar en successiv minskning av koncentrationen av ett första material från kärnan 2 till skiktet 3, och en successiv ökning av koncent- rationen av ett andra material från kärnan 2 till skiktet 3. I ex- 14 537113 emplet i figur 5 sker en minskning av koncentrationen av det första materialet från kärnan 2 titl det intermediära skiktet 4 på ett successivt sätt. lnom det intermediära skiktet 4 sker en grad- vis minskning av koncentrationen av det första materialet, från huvudsakligen 100 % till huvudsakligen 0 %. Övergången mellan kärnan 2 och skiktet 3 kan exempelvis ske på ett ickelinjärt sätt.

På omvänt sätt sker en ökning av koncentrationen av det andra materialet från 'kärnan 2. I det visade exemplet utgör det inter- mediära skiktet 4 huvuddelen av komponenten, medan kärnan 2 och skiktet 3 utgör en mindre del av komponenten.

Figur 6 visar en perspektivvy av ett exempel på en bränslestav med ett kapslingsrör 10 inneslutande bränslekomponenter 1 av den här beskrivna typen. Bränslestavens kapslingsrörets 10 in- nefattar ett innanmäte som visas genom en avgränsad genomskärning. Ett flertal kapslingsrör 10 inneslutande bränsle- komponenter 1 placeras i en fixtur och bildar en bränslepatron, ej visade i figuren, anpassad för att bestrålas i en fissionsreak- tor. Kapslingsröret 10 består av en korrosionsbeständig legering med ett lågt neutronabsorptionstvärsnitt, så som en zírkonium- legering. Kapslingsröret 10 har till uppgift att innesluta bränste- komponenterna 1 och därmed hindra växelverkan mellan en ytt- re omgivning och den fissita substansen bränslekomponentens kärna 2. Kapslingsröret 10 kan vara trycksatt med en gas, så som helium, i syfte att öka värmeöverföringsförmågan mellan komponenterna 1 och kapslingsröret 10.

Figur 7 visar ett tvärsnitt av ett exempel på ett verktyg för fram- ställning av bränslekomponenten. Det visade verktyget kan an- vändas i något Eämpligt sintringsförfarande för framställning av bränslekomponenten. Exempel på lämpliga sintringsförfaranden som kan användas för uppfinningen är klassisk sintringsteknik, sintring vid atrnosfärstryck och förhöjd temperatur, Cold lsostatic Pressing, Hot lsostatic Pressing, Spark Plasma Sintering (gnist- plasmasintring) etc. 537113 Verktyget för förfarandet innefattar en verktygsdel med ett ut- rymme avsett att tillföras material för sintringen. Verktygsdelen innefattar ett omgivande element 91. Det omgivande elementet 91 innesluter ovan nämnda utrymme. Utrymmet hos verktyget avdelas av ett inre rör 98 vilket skapar en inre del 99, i vilket det första materialet tillförs som efter sintring bildar komponentens kärna 2. Utrymmet hos verktyget avdelas också av ett yttre rör 94 vilket skapar en yttre de! 93, i vilket det andra materialet till- förs som efter sintring bildar komponentens skikt 3. Mellan det yttre röret 94 och det inre röret 98 bildas en mellanliggande del 95, i vilket en blandning av det första materialet och det andra materialet kan tillföras som efter sintring bildar komponentens intermediära skikt 4. Med en sådan utformning av verktyget kan exempelvis en komponent med materialkoncentrationsvariatio- nen i figur 2 åstadkommas.

I exemplet i figur 7 uppdelas den mellanliggande delen 95 i av- delningar av ett mellanliggande rör 96. Avdelningarna i den mel- lanliggande delen 95 tillförs blandningar av' olika förhållanden mellan koncentrationen av det första materialet och det andra materialet. Blandningarna kan utformas på ett sådant sätt att det efter sintringen bildade skiktet 3 får en materialgradient som in- nefattar en minskning av koncentrationen av det första materia- let från kärnan .2 till skiktet 3 och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan 2 till skiktet 3, exempelvis så som visas i figur 3.

Genom den ovan nämnda vibreringen av det första och det andra materialet kan medelst verktygsutformningen som visas i figur 7 materialkoncentrationsvariationen som visas i figur 4 och figur 5 även åstadkommas.

I ett utföringsexempei av uppfinningen dras de visade rören 94, 96, 98 i figur 7 ut ur utrymmet hos verktyget, varpå elektroderna ansluts till den elektriska spänningskällan 100 och elektrisk ström leds genom det tillförda materialet i utrymmet hos verkty- 16 537113 get, vilket sammansintrar materialet i utrymmet hos verktyget till den bränslekomponenten. Alternativt kan materialet i utrymmet hos verktyget före sammansintringen ytterligare sammanföras genom att utrymmet hos verktyget vibreras.

I ett utföringsexempel av uppfinningen innefattar de visade rören 94, 96, 98 i figur 7 av ett materiai som förgasas vid sintringsför- farandet. Därigenom kan rören 94, 96, 98 vara kvar i utrymmet hos verktyget under sintringsförfarandet utan att de påverkar den kemiska sammansättningen av den bränslekomponenten.

I ett utföringsexempel av uppfinningen positioneras de visade rören 94, 96, 98 i figur 7 så att ett avstånd bildas till botten av utrymmet hos verktyget. Därigenom kan det andra materialet till- föras utrymmet hos verktyget så att det fullständigt innesluter det första materialet.

Uppfinningen är inte begränsad til! de visade utföringsformerna utan kan modifieras och varieras inom ramen för de efterföljan- de patentkraven. 17

Claims

10 15 20 25 30 35 537113 KRAV

1. Bränslekomponent (1) anpassad att användas i fissionsreak- torer, innefattande en kärna (2) bestående av ett första material, och ett skikt (3) bestående av ett andra material, varvid skiktet (3) åtminstone delvis innesluter kärnan (2) och sträcker sig till bränslekomponentens ytterperiferi, varvid det första materialet innefattar en fissil substans, varvid bränslekomponenten (1) in- nefattar ett intermediärt skikt (4) mellan kärnan (2) och skiktet (3), kännetecknad av att det intermediära skiktet består av en blandning av det första materialet och det andra materialet, att det intermediära skiktet (4) har en materialgradient, som in- nefattar en minskning av koncentrationen av det första materi- alet från kärnan (2) till skiktet (3) och en ökning av koncentrat- ionen av det andra materialet från kärnan (2) till skiktet (3), och att det andra materialet består av åtminstone en substans vald ur gruppen Hf, B, ZrB2, ln, Cd, Hg, Ag, Gd, Er, BXCy, BXNy, BXOy, och blandningar därav, samt av eventuell balans.

2. Bränslekomponent (1) enligt patentkrav 1, kännetecknad av att skiktet (3) är inrättat för att absorbera neutroner.

3. Bränslekomponent (1) anpassad att användas i fissionsreak- torer, innefattande en kärna (2) bestående av ett första material, och ett skikt (3) bestående av ett andra material, varvid skiktet (3) åtminstone delvis innesluter kärnan (2) och sträcker sig till bränslekomponentens ytterperiferi, varvid det första materialet innefattar en fissil substans, varvid bränslekomponenten (1) in- nefattar ett intermediärt skikt (4) mellan kärnan (2) och skiktet (3), kännetecknad av att det intermediära skiktet består av en blandning av det första materialet och det andra materialet, att det intermediära skiktet (4) har en materialgradient, som in- nefattar en minskning av koncentrationen av det första materi- 18 10 15 20 25 30 35 537113 alet från kärnan (2) till skiktet (3) och en ökning av koncentrat- ionen av det andra materialet från kärnan (2) till skiktet (3), och att skiktet (3) består av åtminstone en substans vald ur gruppen Ti, Zr, Al, Fe, Cr, Ni, SiC, SiN, ZrOz, AlzOa, och blandningar därav, samt av eventuell balans.

4. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att materialgradienten innefattar en successiv minskning av koncentrationen av det första materialet från kär- nan (2) till skiktet (3) och en successiv ökning av koncentration- en av det andra materialet från kärnan (2) till skiktet (3).

5. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att bränslekomponenten (1) är framställd ge- nom sintring.

6. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att det första materialet består av åtminstone en substans vald ur gruppen U, Pu, Th, UXOy, UXNy, UXCy, PuXOy, PuXNy, PuXCy, ThXOy, ThxNy, ThXCy, och blandningar därav, samt av eventuell balans.

7. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) är inrättat för att skydda kärnan (2) från en yttre omgivning.

8. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) är väsentligen ogenomträngligt för gasformiga substanser, åtminstone helium.

9. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) är väsentligen korrosionsbestän- digt i en miljö hos en fissionsreaktor.

10. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) har en porositet med en total 19 10 15 20 25 30 35 537113 porvolym som är större eller lika med noll, och att kärnan (2) har en porositet med en total porvolym som är större än noll, varvid porvolymen hos porositeten i skiktet (3) är avsevärt mindre än porvolymen hos porositeten i kärnan (2).

11. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) innefattar åtminstone ett av ett metalliskt material och ett keramiskt material.

12. Bränslekomponent (1) enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av att skiktet (3) fullständigt innesluter kärnan (2).

13. Förfarande för framställning av en bränslekomponent enligt något av kraven 1 - 12, varvid förfarandet innefattar stegen: tillförsel av det första materialet och det andra materialet till ett utrymme hos ett verktyg på så sätt att det andra materialet åtminstone delvis innesluter det första materialet, varvid det vid tillförseln av det första materialet och det andra materialet bil- das en intermediär zon mellan en inre del av utrymmet och en yttre del av utrymmet, och varvid den intermediära zonen inne- fattar en minskning av koncentrationen av det första materialet från den inre delen av utrymmet till den yttre delen av utrymmet och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från den inre delen av utrymmet till det yttre av utrymmet, sammansintring av det första och det andra materialet till bränslekomponenten, varvid det bildas ett intermediärt skikt mellan kärnan och skiktet, och varvid det intermediära skiktet har en materialgradient som innefattar en minskning av koncent- rationen av det första materialet från kärnan till skiktet och en ökning av koncentrationen av det andra materialet från kärnan till skiktet.

14. Förfarande enligt kravet 13, varvid utrymmet vibreras på så sätt att det första materialet och det andra materialet samman- förs och bildar den intermediära zonen. 20