ES2881380T3

ES2881380T3 - Bolas de combustible nuclear y su método de fabricación

Info

Publication number: ES2881380T3
Application number: ES16715369T
Authority: ES
Inventors: Peter PAPPANO; Staden Martin Peter Van
Original assignee: X Energy LLC
Current assignee: X Energy LLC
Priority date: 2015-02-19
Filing date: 2016-02-18
Publication date: 2021-11-29
Anticipated expiration: 2036-02-18
Also published as: EP3259759B1; EP3855454B1; HUE056250T2; US9793010B2; CA2976389A1; CN107533868B; SMT202100412T1; LT3259759T; EP3855454A1; KR20180012735A; HRP20211095T1; EA201791844A1; US9786391B2; US20200027582A1; CA2976389C; CY1124559T1; US20160247583A1; US20170372803A1; EP3259759A1; PL3259759T3

Abstract

Método de fabricación de un elemento de combustible configurado para su uso en un núcleo de reactor refrigerado por gas de alta temperatura, comprendiendo el método formar una parte de base de grafito del elemento de combustible; formar una zona de combustible del elemento de combustible, que comprende: formar una primera capa de grafito sobre la parte de base de grafito; depositar una primera capa de partículas sobre la primera capa de grafito controlando la colocación de cada partícula dentro de la primera capa de partículas; formar una segunda capa de grafito sobre la primera capa de partículas; y depositar una segunda capa de partículas sobre la segunda capa de grafito controlando la colocación de cada partícula dentro de la segunda capa de partículas; y formar una parte de tapa de grafito del elemento de combustible, en el que las partículas de la primera capa de partículas y la segunda capa de partículas son una o más de partículas de combustible, partículas de veneno consumible y partículas de material fértil.

Description

DESCRIPCIÓN

Bolas de combustible nuclear y su método de fabricación

Antecedentes

Los reactores refrigerados por gas de alta temperatura (HTGR) ofrecen perspectivas muy prometedoras para la producción de energía eléctrica altamente eficiente e inherentemente segura. Los diseños de HTGR suelen incluir combustible aislado dentro de capas de moderador de grafito y formado con múltiples barreras físicas para minimizar la posibilidad de liberación de productos de fisión. Además, las características de reactividad de retroalimentación de temperatura negativa de combustible HTGR dan como resultado el apagado automático de la reacción en cadena de fisión nuclear cuando las temperaturas superan niveles seguros. Estas características inherentes de los HTGR permiten el diseño de reactores inherentemente seguros que se basan en sistemas mínimos de refrigeración del núcleo de emergencia.

Un tipo de HTGR se conoce como reactor de “lecho de bolas”. En este diseño de HTGR, el combustible fisible se encapsula dentro de partículas cerámicas multicapa que a su vez están encapsuladas dentro de esferas de grafito multicapa, denominadas “bolas”. La naturaleza esférica de las bolas de combustible permite que fluya gas entre las esferas para extraer calor del reactor, al tiempo que proporciona una estructura de núcleo que se autoensambla. Las bolas de combustible simplemente se cargan en una región de núcleo cilíndrica formada por bloques de grafito empaquetados sin apretar que proporcionan el soporte estructural para que las bolas permanezcan con una forma cilíndrica empaquetadas aleatoriamente. Durante el repostaje, el combustible gastado puede eliminarse simplemente mediante un dispositivo de descarga de bolas que extrae una bola cada vez antes de alimentar la bola de combustible gastado a un recipiente de combustible gastado utilizando únicamente la fuerza de la gravedad. Las bolas de combustible nuevo se cargan en la parte superior del barrilete de núcleo también utilizando un sistema de alimentación por gravedad.

Por el documento WO 2005/091306 se sabe que se puede fabricar un elemento de combustible nuclear a partir de núcleos recubiertos de partículas de combustible nuclear, que se distribuyen aleatoriamente en una matriz. No se contempla una colocación equidistante controlada de cada una de las partículas en la primera y la segunda capa.

Breve descripción

Realizaciones ejemplares proporcionan métodos de fabricación en serie de elementos de combustible configurados para su uso en un núcleo de reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR). Los métodos de fabricación de las realizaciones pueden incluir la formación de elementos de combustible usando métodos de fabricación aditiva de la parte de base similares a los métodos de impresión tridimensional (3D) que permiten la colocación precisa de partículas de combustible dentro de una zona de combustible de la estructura de elemento de combustible. Los métodos de las realizaciones permiten la fabricación eficiente y de alta calidad de elementos de combustible basados en grafito con una amplia variedad de formas y tamaños. Una aplicación particular de los métodos de las realizaciones es la fabricación de elementos de combustible esféricos, denominados “bolas”, para su uso en núcleos de HTGR de lecho de bolas.

En una realización particular, un método de fabricación puede incluir: formar una parte de base de grafito del elemento de combustible usando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D; formar una primera capa de grafito de uno de polvo de grafito, esferas de grafito o una combinación de polvo de grafito y esferas de grafito sobre la parte de base de grafito utilizando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D; depositar una primera capa de partículas de combustible sobre la parte de base de grafito usando un primer mandril de colocación; formar una segunda capa de grafito de uno de polvo de grafito, esferas de grafito o una combinación de polvo de grafito y esferas de grafito sobre la parte de base de grafito utilizando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D; depositar una segunda capa de partículas de combustible sobre la segunda capa de grafito usando un segundo mandril de colocación; y formar una parte de tapa de grafito del elemento de combustible y/o una capa de grafito final usando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D, en el que el primer mandril de colocación coloca partículas de combustible en ubicaciones particulares de la primera capa separadas sustancialmente la misma distancia, y el segundo mandril de colocación coloca las partículas de combustible en ubicaciones particulares de la segunda capa separadas sustancialmente la misma distancia y desplazadas verticalmente de las posiciones de las partículas de combustible en la primera capa.

En algunas realizaciones, la parte de base de grafito de una bola de combustible puede formarse formando de manera consecutiva capas de grafito con radios cada vez mayores utilizando técnicas fabricación aditiva/impresión 3D para formar una parte de una esfera. En algunas realizaciones, se puede formar una zona de combustible de una bola de combustible colocando de manera repetida capas que incluyen partículas de combustible a la manera de la primera y segunda capa utilizando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D y mandriles de colocación de diferentes geometrías para formar una zona de combustible más o menos esférica. En algunas realizaciones, la formación de una parte de tapa de grafito de la bola de combustible en la segunda capa de grafito se puede lograr formando una pluralidad de capas con radios gradualmente más pequeños utilizando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D.

Las diferentes realizaciones permiten el uso de partículas de combustible triestructurales isotrópicas (TRISO) que no tienen una capa de recubrimiento en los elementos de combustible. Realizaciones ejemplares incluyen elementos de combustible (p. ej., bolas de combustible) formados mediante el uso del método resumido anteriormente.

Realizaciones ejemplares de la presente publicación proporcionan una bola de combustible configurada para su uso en un núcleo de reactor refrigerado por gas de alta temperatura de lecho de bolas, comprendiendo la bola de combustible: capas de partículas de combustible; capas de grafito dispuestas entre las capas de partículas de combustible, en donde partículas de combustible adyacentes de al menos una de las capas de partículas de combustible están separadas entre sí sustancialmente la misma distancia.

Breve descripción de los dibujos

Los dibujos adjuntos, que se incorporan aquí y forman parte de esta memoria, ilustran realizaciones ejemplares de la invención, y junto con la descripción general dada anteriormente y la descripción detallada que se da a continuación, sirven para explicar las características de la invención.

La figura 1 es una vista en sección transversal de un reactor refrigerado por gas de alta temperatura de lecho de bolas adecuado para su uso con las diferentes realizaciones.

La figura 2 es una imagen en sección transversal de una bola de combustible según varias realizaciones.

La figura 3 es una imagen en sección transversal de una partícula de combustible nuclear recubierta con TRISO. La figura 4 es una tabla que enumera parámetros de configuración ejemplares para bolas y partículas de combustible adecuados para su uso con las diferentes realizaciones.

La figura 5A ilustra una vista en sección lateral de una bola de combustible de acuerdo con varias realizaciones de la presente publicación.

La figura 5B ilustra una vista en sección superior a lo largo de una capa de partículas de combustible de la bola de combustible de la figura 5A y muestra capas de partículas de combustible subyacentes.

La figura 5C es una vista en sección en perspectiva de una bola de combustible de acuerdo con varias realizaciones de la presente publicación.

La figura 5D es una vista en sección en perspectiva de una bola de combustible de acuerdo con varias realizaciones de la presente publicación.

La figura 6A es un organigrama de bloques que ilustra un método para formar una bola de combustible, de acuerdo con varias realizaciones de la presente publicación.

La figura 6B ilustra gráficamente las operaciones del método de 6A.

Las figuras 7A, 7B, 7C, 8A, 8B, 8C, 9A, 9B, 9C, 10A, 10B y 11 incluyen vistas ampliadas de operaciones incluidas en la figura 6B.

Descripción detallada

Las diferentes realizaciones se describirán en detalle con referencia a los dibujos adjuntos. Siempre que sea posible, se utilizarán los mismos números de referencia en todos los dibujos para hacer referencia a partes iguales o similares. Las referencias hechas a ejemplos e implementaciones particulares tienen fines ilustrativos y no pretenden limitar el ámbito de aplicación de la invención o las reivindicaciones.

Las diferentes realizaciones proporcionan métodos de producción en serie de elementos de combustible para su uso en un núcleo de reactor refrigerado por gas de alta temperatura (HTGR) que permiten niveles de producción más altos, menores costes y mayor calidad que los disponibles en los métodos de fabricación convencionales. Los métodos de las realizaciones incluyen la formación de elementos de combustible (p. ej., bolas de combustible) utilizando métodos de fabricación aditiva, tales como métodos de impresión tridimensional (3D) y la colocación precisa de partículas de combustible, de veneno consumible y/o de materiales fértiles dentro de una zona de combustible de la estructura de elemento de combustible.

Las partículas colocadas en la zona de combustible de elementos de combustible pueden incluir elementos de combustible (es decir, fisibles) (p. ej., U233, U235, Th231 y/o Pu239), elementos de material fértil (p. ej., U238 y Th232), venenos consumibles (p. ej., B, Hf, etc.), y combinaciones de elementos de combustible, de material fértil y de veneno consumible. Como es bien sabido, el combustible basado en uranio incluye una mezcla del isótopo fisible (U235) y el isótopo fértil (U238) de uranio. Además, durante la vida de un reactor, los elementos de material fértil/isótopos fértiles (p. ej., U238 y Th232) se transmutan en elementos fisibles (es decir, combustible) (p. ej., Pu239 y U233), y así las partículas de material fértil se convierten en partículas de combustible durante la operación. Además, algunos diseños de reactores pueden incluir venenos consumibles (por ejemplo, B, Th) mezclados con elementos de combustible. Por lo tanto, para facilitar la consulta, el término “partícula de combustible” se usa aquí para referirse en general a partículas que incluyen elementos de combustible (es decir, fisibles), elementos de material fértil (es decir, elementos que se transmutan en elementos fisibles al absorber un neutrón), elementos de veneno consumible y cualquier mezcla de estos.

El uso de la colocación precisa de partículas de combustible y de métodos de fabricación aditiva/impresión 3D para formar elementos de combustible permite controles más precisos de la composición de grafito en todo el elemento de combustible y la separación controlable de partículas de combustible/veneno/material fértil dentro de la zona de combustible (es decir, la “fracción de empaquetado” de combustible dentro de la zona de combustible) de la bola de combustible. En consecuencia, los métodos de las realizaciones permiten fabricar elementos de combustible de mayor calidad de lo que es factible con los métodos convencionales, al tiempo que reducen los costes de fabricación, aumentan los rendimientos y mejoran el proceso de control de calidad. El uso de métodos de fabricación aditiva/impresión 3D permite una fabricación eficiente y de alto rendimiento de elementos de combustible con geometrías complejas, tales como bolas de combustible esféricas. Además, los métodos de las realizaciones son adecuados para su ampliación a líneas de producción capaces de fabricar grandes volúmenes de elementos de combustible de forma rentable y con un estricto control de calidad.

La palabra “ejemplar” se usa en este documento para dar a entender “que sirve como ejemplo, muestra o ilustración”. Cualquier implementación descrita en el presente documento como “ejemplar” no debe interpretarse necesariamente como preferida o ventajosa con respecto a otras implementaciones.

Los diferentes métodos de las realizaciones son particularmente adecuados para fabricar bolas de combustible esféricas para su uso dentro de HTRG de lecho de bolas. En la figura 1 se ilustra un ejemplo de un reactor HTGR de lecho de bolas. Esta ilustración muestra la colocación de bolas de combustible dentro de la zona de combustible. El ejemplo ilustrado de una bola de combustible es una esfera con un diámetro de aproximadamente 6 cm (aproximadamente del tamaño de una pelota de béisbol), aunque las bolas de combustible pueden ser más grandes o pequeñas, por ejemplo, de aproximadamente 3 cm a aproximadamente 12 cm de diámetro. Las bolas de combustible se cargan dentro del barrilete de núcleo para crear el núcleo del reactor. En este diseño de realización, una vasija de presión de acero incluye dentro de ella un barrilete de núcleo que soporta bloques reflectores de grafito, que definen un espacio interior en el que se colocan las bolas de combustible para formar el núcleo del reactor cilíndrico. Las varillas de control entran en la vasija de presión y pasan a los bloques reflectores de grafito. El gas refrigerante fluye hacia la vasija de presión a través de una entrada de gas que atraviesa los bloques reflectores de grafito y el núcleo formado por las bolas de combustible y sale por una salida de gas (no se muestra en la figura 1). En el reactor de lecho de bolas ejemplar ilustrado en la figura 1, puede haber aproximadamente 170.000 bolas de combustible en el núcleo, cada una de las cuales puede incluir aproximadamente 9 gramos de combustible o cualquier carga de metales pesados que se desee.

Las bolas de combustible están hechas principalmente de grafito, que proporciona el moderador de neutrones para el reactor, así como el soporte estructural para partículas de combustible individuales. El calor de la fisión se conduce a través de la bola de combustible hasta su superficie, donde el gas de refrigeración elimina el calor (p. ej., helio o una mezcla de helio/argón), que fluye alrededor de las bolas de combustible y sale del núcleo al sistema de conversión de energía (no mostrado).

La figura 2 ilustra una bola de combustible convencional 200 de reactor de lecho de bolas en sección transversal. Una bola de combustible 200 está formada por una matriz de grafito 202 que encapsula un gran número de pequeñas partículas de combustible 204, que son visibles como pequeños puntos hacia el centro 206 de la bola de combustible 200 ilustrada en la figura 2. Se puede formar una superficie exterior de la bola de combustible con una carcasa sin combustible cerámica 208 o envuelta que proporcione rigidez estructural y proteja al grafito de la erosión y exposición al oxígeno. Los 0,5 cm exteriores de la bola de combustible 200 pueden ser una zona sin combustible que no contenga partículas de combustible 204 y esté formada únicamente por el material de matriz de grafito 202.

Las bolas de combustible convencionales 200 se fabrican mezclando partículas de combustible 204 en grafito que forma la matriz 202. Como se ilustra en la figura 2, tal proceso incontrolado puede derivar en una distribución desigual de partículas de combustible 204 dentro de la matriz 202. Dar cabida a la inevitable acumulación de partículas de combustible requiere reducir los límites de densidad de potencia y/o la quema que se permite que experimenten las bolas de combustible. Este proceso también es un proceso discontinuo manual, que restringe el nivel de producción de las bolas de combustible 200 y podría introducir una calidad desigual de la bola de combustible 200.

Como se ilustra en la figura 3, una partícula de combustible 204 tiene una estructura multicapa recubierta con un núcleo de combustible 212 rodeado por múltiples capas de materiales cerámicos y de grafito. En particular, el núcleo de combustible 212 puede incluir un óxido fisible (por ejemplo, UO2 o ThO2/UO2) o carburo, rodeado por una capa amortiguadora 213. La capa amortiguadora 213 puede incluir un material de carbono poroso tal como grafito. La capa amortiguadora 213 da cabida a la expansión del núcleo de combustible 212 y sirve como depósito de gases de fisión. La capa amortiguadora 213 está rodeada por una densa capa de carbono interna 214, p. ej., una capa de carbono pirolítico. La capa de carbono interna 214 sella la capa amortiguadora 213 y atenúa la migración de radionucleidos. La capa de carbono interna 214 está rodeada por una capa cerámica 216, p. ej., una capa de carburo de silicio o carburo de circonio. La capa cerámica 216 restringe productos de fisión (es decir, retiene productos de fisión dentro del núcleo), lo que evita que los productos de fisión migren fuera del núcleo y mejora la rigidez estructural. La capa cerámica 216 está cubierta por una capa de carbono externa 218 que también puede contener carbono pirolítico. La capa de carbono externa 218 actúa como una barrera adicional para la liberación de gas de fisión. Tales partículas de combustible 204 pueden denominarse partículas de combustible triestructurales isotrópicas (TRISO). La estructura multicapa de las partículas de combustible ha sido probada y definida bien en diseños anteriores de HTGR, y presenta muy buen rendimiento para retener productos de fisión en condiciones de temperaturas extremas.

Más detalles de una bola de combustible ejemplar y de sus partículas de combustible incluidas se enumeran en la tabla que se muestra en la figura 4. Esta tabla enumera diámetros ejemplares de los combustibles, espesores de la carcasa exterior sin combustible de grafito, diámetros y densidades de los núcleos de combustible, materiales ejemplares que componen las envueltas de las partículas de combustible y cargas de combustible ejemplares.

De manera convencional, las técnicas de formación de bolas de combustible de grafito implican procesos intensivos de mano de obra que requieren una serie de controles de calidad intermedios para garantizar que el error humano no dé como resultado bolas de mala calidad. Con referencia de nuevo a la figura 2, uno de los desafíos clave en la fabricación de una bola de combustible es asegurar que las partículas de combustible 204 estén distribuidas homogéneamente por toda la parte interior 206 de la matriz de grafito de la bola de combustible 200. Convencionalmente, la homogeneización se realiza mediante la mezcla aleatoria de la matriz de grafito antes de que se forme la bola de combustible.

Sin embargo, este proceso se basa en lograr una mezcla estadísticamente homogénea de las partículas recubiertas y el material de la matriz de grafito. Otra limitación de este proceso es el hecho de que no es adecuado para la producción en serie de bolas de combustible. Además, tales técnicas no son capaces de localizar con precisión partículas de combustible dentro de una bola.

Las técnicas convencionales de formación de bolas implican una etapa de prensado del núcleo y una etapa de prensado de la zona sin combustible. Debido a estas etapas de prensado, las partículas de combustible utilizadas en tales técnicas requieren una capa de recubrimiento adicional para resistir las altas presiones aplicadas durante las etapas de prensado y para asegurar una separación de partículas de combustible suficiente en una matriz aleatoria de partículas de combustible/grafito.

Para tratar estas limitaciones de los métodos convencionales, las diferentes realizaciones incluyen un método de formación de una bola de combustible que permite la colocación precisa de partículas de combustible al tiempo que simplifica la fabricación de la matriz que contiene las partículas de combustible y/o las partículas de veneno consumible dentro del núcleo y la carcasa sin combustible de grafito que rodea el núcleo. En particular, las diferentes realizaciones proporcionan un método de uso de métodos de fabricación aditiva/impresión 3D para formar bolas de combustible a partir de un polvo de grafito fino y/o partículas o esferas de grafito de aproximadamente el mismo tamaño que las partículas de combustible. Los elementos de combustible de diversas formas y tamaños, tales como bolas de combustible aproximadamente esféricas, se forman mediante el uso de técnicas de fabricación aditiva/impresión 3D para unir capas delgadas de grafito en discos de diferentes diámetros. Las bolas de combustible esféricas formadas se comprimen luego usando una prensa isostática de acuerdo con métodos de fabricación convencionales para formar la bola de combustible acabada.

Los diferentes métodos de las realizaciones permiten la colocación controlada de partículas de combustible y/o partículas de veneno consumible dentro de una zona de combustible formada con un formato capa por capa que puede controlar la distancia de separación entre partículas de combustible dentro de capas y entre capas. Este método también reduce el desperdicio ya que el polvo de soporte se retira y se reutiliza, a diferencia de los procesos de fabricación de bolas de combustible convencionales que requieren que la bola sea cortada a la medida con un torno después del prensado, lo que genera virutas de grafito desperdiciadas.

Además, al controlar la colocación de partículas de combustible, de veneno y de material fértil dentro de elementos de combustible (por ejemplo, bolas de combustible), los diferentes métodos de fabricación de las realizaciones no necesitan tener en cuenta las tensiones aplicadas a las partículas de combustible cuando dos o más partículas se tocan durante la aplicación de altas presiones involucradas en los procesos de formación de bolas. La eliminación de la posibilidad de tensiones locales elevadas debido a las partículas que se presionan unas contra otras elimina la necesidad de una capa de recubrimiento adicional sobre las partículas de combustible aplicada convencionalmente para proporcionar a las partículas de combustible una resistencia suficiente para resistir tales tensiones. Por lo tanto, en contraste con las técnicas convencionales de formación de bolas, las diferentes realizaciones pueden utilizar partículas de combustible que no incluyan una capa de recubrimiento, tales como las partículas de combustible TRISO no recubiertas descritas en el presente documento. Esto reduce una etapa en la fabricación de partículas de combustible TRISO, lo que disminuye así los costes y aumenta el rendimiento del proceso.

La figura 5A ilustra una vista en sección lateral de una bola de combustible 500 de acuerdo con varias realizaciones de la presente publicación. La figura 5B ilustra una vista en sección superior de una bola de combustible 500, tomada a lo largo de una capa de partículas de combustible 532D de la figura 5A y muestra capas de partículas de combustible subyacentes 532C-A. De nuevo, las diferentes realizaciones pueden usarse para fabricar elementos de combustible de una variedad de formas y tamaños y no se limitan a la fabricación de elementos de combustible esféricos.

Con referencia a las figuras 5A y 5B, una bola de combustible 500 incluye una zona de combustible 510 y una carcasa sin combustible 520 dispuesta alrededor de la zona de combustible 510. La zona de combustible 510 y la carcasa sin combustible 520 se forman depositando capas de grafito 550 con un aglutinante aplicado para mantener el grafito unido en una forma hasta el procesamiento final (p. ej., sinterización). Por ejemplo, la misma capa de grafito puede formar una capa de la zona de combustible 510 y una capa de la carcasa sin combustible 520. En consecuencia, a diferencia de las bolas de combustible convencionales, se utilizan los mismos procesos para formar la zona de combustible 510 y la carcasa sin combustible 520, lo que permite que se formen bolas de combustible (antes de la compresión y sinterización) en un único proceso continuo. Mediante el uso de métodos de fabricación aditiva/impresión 3D para aplicar el aglutinante a cada capa, se puede controlar la forma de la bola de combustible 500. En algunas realizaciones, como se ilustra en las figuras, la bola de combustible 500 puede ser esférica. De nuevo, los elementos de combustible fabricados de acuerdo con diferentes realizaciones no se limitan a ninguna forma o tamaño particular. Por ejemplo, los elementos de combustible fabricados según las diferentes realizaciones pueden ser ovoides, en forma de píldora, prismáticos, en forma de columna, cónicos o similares. Algunos elementos de combustible se pueden fabricar usando métodos de las realizaciones con conductos interiores para que el refrigerante fluya a través del elemento de combustible sin depositar grafito en las ubicaciones de los conductos interiores. En algunas realizaciones, la forma de la bola de combustible 500 puede seleccionarse de acuerdo con sus características correspondientes, tales como la velocidad de fisión y/o las características de convección de calor.

Además del combustible de metales pesados fisible y transmutable, la zona de combustible 510 puede cargarse con venenos consumibles para controlar la reactividad, como es bien sabido. Los venenos consumibles pueden incluirse en bolas de combustible de diferentes maneras, una de las cuales es en forma de partículas incluidas en la zona de combustible con partículas de combustible, y otra en forma de mezclas dentro de partículas de combustible. En tales realizaciones, las partículas de veneno consumible se pueden colocar dentro de capas de la zona de combustible 510 de la misma manera que las partículas de combustible. Por ejemplo, una o más capas de la zona de combustible 510 pueden incluir tanto partículas de combustible (p. ej., partículas fisibles) como partículas de veneno consumible. Un patrón en el que el combustible y las partículas de veneno consumible están dispuestos en una capa particular puede ser sustancialmente regular o puede variar dependiendo de la ubicación dentro de la zona de combustible 510. En otras realizaciones, la zona de combustible 510 también puede incluir partículas de material fértil, tales como partículas de material fértil de torio. Por lo tanto, para facilitar la descripción, todas las partículas colocadas en capas de la zona de combustible 510 se denominan en el presente documento “partículas de combustible”, independientemente de si las partículas incluyen o son sustancialmente sólo venenos consumibles o partículas de material fértil. Por tanto, las referencias a partículas de combustible en las descripciones de las realizaciones y las reivindicaciones no pretenden descartar la inclusión de venenos consumibles dentro de las partículas. Es decir, las referencias a partículas de combustible en las descripciones y reivindicaciones pretenden abarcar partículas que contienen solo combustible, partículas que contienen algo de combustible y algunos venenos consumibles, y partículas que contienen solo venenos consumibles.

La zona de combustible 510 incluye partículas de combustible 530 dispuestas entre y/o integradas en las capas de grafito 550. Las partículas de combustible 530 pueden ser similares a las partículas de combustible 204 descritas anteriormente. En algunas realizaciones, la bola de combustible 500 tendrá un diámetro de aproximadamente 5 cm a aproximadamente 7 cm, por ejemplo, aproximadamente 6 cm una vez completada, es decir, prensada y sinterizada. La carcasa sin combustible puede tener un espesor de aproximadamente 0,3 cm a aproximadamente 1,5 cm, por ejemplo, aproximadamente 1 cm. Sin embargo, las diferentes realizaciones no se limitan a ninguna dimensión particular de bola de combustible. El proceso permite la fabricación de cualquier diámetro de la zona de combustible 510 y la bola de combustible final 500.

Las partículas de combustible 530 están dispuestas en capas de partículas de combustible 532, que están separadas por, y/o integradas en, las capas de grafito 550. Con fines ilustrativos, solo se muestran cuatro capas de partículas de combustible 532 (capas 532A a 532D) en las figuras 5A y 5B. Sin embargo, la bola de combustible 500 puede comprender cualquier número de capas de partículas de combustible 532 suficientes para distribuir las partículas de combustible 530 por toda la zona de combustible 510. Por ejemplo, la zona de combustible 510 de la bola de combustible 500 puede incluir de 10 a 32 capas de partículas de combustible 532, de 12 a 30 capas de partículas de combustible 532, de 14 a 28 capas de partículas de combustible 532, es decir, aproximadamente 16 capas de partículas de combustible 532. También es posible variar los patrones de partícula de acuerdo con una densidad de potencia de combustible dada y, por tanto, varios patrones de partículas están dentro del ámbito de aplicación de la presente publicación.

Aunque la bola de combustible 500 se describe como fabricada en distintas capas de grafito 550, una vez que la bola de combustible se termina pasando por todas las etapas de fabricación, estas capas de grafito individuales 550 pueden no distinguirse entre sí en la bola de combustible 500. En concreto, los procesos de compresión y sinterización harán que las capas se fusionen. Es decir, las capas de grafito 550 pueden configurarse y procesarse de modo que queden formadas de manera eficaz en un solo cuerpo de grafito en el que se dispongan capas de partículas de combustible 532, particularmente después de que las bolas de combustible 500 se compriman y sintericen.

A fin de facilitar la explicación, la fabricación de una bola de combustible 500 se divide en una parte de base 560, una parte central 570 que incluye la zona de combustible, y una parte de tapa 580, aunque los procesos que forman las tres partes se pueden realizar en un solo proceso continuo. La parte de base 560 y la parte de tapa 580 abarcan las capas aplicadas que no incluyen partículas de combustible, mientras que la parte central 570 abarca capas compuestas de un anillo de grafito que formará la carcasa sin combustible y una capa circular central que incluye partículas de combustible que forma la zona de combustible. La parte de base 560 puede incluir una parte de la bola de combustible 500 dispuesta debajo de una primera capa de partículas de combustible 532A. Es decir, la parte de base 560 puede incluir partes de la carcasa sin combustible 520 y la zona de combustible 510 dispuesta debajo de una capa de partículas de combustible más baja 532A. La parte de base 560 también puede incluir una parte de la zona de combustible 510 en la que la primera capa de partículas de combustible 532A está integrada al menos parcialmente. La parte de tapa 580 incluye una parte correspondiente de la partícula de combustible 500 encima de una capa de partículas de combustible más alta 532 (no mostrada). La parte central 570 incluye una parte restante de la bola de combustible 500. La parte de base 560 y la parte de tapa 580 pueden tener una dimensión de cuerda igual al espesor de la carcasa sin combustible en la parte central 570.

Las partículas de combustible 530 en cada capa de partículas de combustible 532 se disponen en un patrón, por ejemplo, usando un mandril de colocación que coloca partículas de combustible individuales en una capa de grafito de manera que las partículas de combustible adyacentes 530 queden regularmente separadas entre sí una primera distancia. Además, las capas 532 también pueden quedar separadas regularmente entre sí por el espesor de la capa con partículas en cada capa desplazadas entre sí para proporcionar una segunda distancia de separación. La primera y la segunda distancia pueden ser iguales o diferentes. Las distancias primera y segunda pueden depender de la carga total de metales pesados de la bola de combustible 500. Las partículas de combustible 530 se pueden colocar en capas en un patrón regular tal como hexagonal o cuadrado para formar patrones de empaquetado tridimensional, con las distancias de separación y los patrones de empaquetado seleccionados para lograr los objetivos de diseño. En algunas realizaciones, las partículas de combustible 530 pueden disponerse de manera que una distancia mínima entre partículas de combustible adyacentes 530 en la misma capa 532, y entre las partículas de combustible adyacentes 530 en diferentes capas adyacentes 532, sea la misma.

Dicho de otra manera, las capas de partículas de combustible 532 pueden separarse y modelarse de manera que las partículas de combustible 530 queden separadas de partículas de combustible adyacentes 530 en tres dimensiones una distancia mínima que dependa de la carga total de metales pesados de la bola de combustible 500. Por ejemplo, cuando se ve desde la perspectiva de la figura 5B, las partículas de combustible 530 de la capa 532C pueden disponerse entre partículas de combustible 530 de la capa 532D. Es decir, las partículas de combustible de capas adyacentes, tales como las capas 532D y 532C, pueden disponerse de manera que no se superpongan entre sí en dirección vertical. La distribución y separación de las partículas de combustible dentro de los elementos de combustible no se limitan a los ejemplos ilustrados en las figuras. En varias realizaciones, las partículas de combustible se pueden colocar de acuerdo con una variedad de patrones de capa diferentes, particularmente patrones que permitan que las partículas de combustible 530 queden separadas regularmente de partículas de combustible adyacentes 530. Por ejemplo, las partículas de combustible se pueden colocar en elementos de combustible usando los métodos de las realizaciones en una de dos redes regulares que logren la densidad media más alta; cúbica centrada en las caras (fcc) (también denominada en apilamiento compacto cúbico) o en apilamiento compacto hexagonal (hcp). Ambas redes se basan en láminas de esferas (es decir, partículas de combustible en este caso) dispuestas en los vértices de un mosaico triangular, que se diferencian en cómo se apilan las láminas unas sobre otras. La red fcc también es conocida por los matemáticos como la generada por el sistema de raíces A3.

Sin embargo, en algunas realizaciones, las partículas de combustible 530 pueden disponerse dentro de bolas de combustible 500 en otros patrones. En concreto, las partículas de combustible pueden depositarse a diferentes densidades en diferentes regiones de la zona de combustible 510 de la bola de combustible. Por ejemplo, los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones pueden usarse para colocar partículas de combustible en ubicaciones específicas dentro de bolas de combustible de modo que a medida que aumente la distancia desde el centro de la zona de combustible 510, pueda también aumentar la densidad de las partículas de combustible 530. La fabricación de bolas de combustible de esta manera puede proporcionar beneficios de densidad de potencia, tales como ayudar a controlar la temperatura máxima en el centro de las bolas de combustible al tiempo que permite una mayor carga de partículas de combustible en las bolas de combustible. Tal cambio en la densidad de las partículas de combustible con la posición radial puede ser constante (p. ej., puede cambiar de forma lineal o exponencial con la distancia desde el centro de la zona de combustible 510). Por ejemplo, la densidad de partícula de combustible de la zona de combustible 510 puede aumentar desde el centro hasta su superficie exterior. En otras realizaciones, la densidad de partícula de la zona de combustible 510 puede escalonarse en función de la distancia desde el centro de la bola de combustible. Por ejemplo, los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones pueden usarse para formar una región central que tenga una densidad de partícula de combustible relativamente baja dentro de la zona de combustible 510, y una región periférica que rodee la región central que tenga una densidad de partícula de combustible relativamente alta. En otras realizaciones, los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones pueden usarse para formar la zona de combustible 510 con múltiples regiones periféricas concéntricas con diferentes densidades de partícula de combustible.

Las variaciones en la densidad de partícula de combustible dentro de las bolas de combustible se pueden lograr suprimiendo varias partículas de combustible 530 de una región particular de la zona de combustible 510, tal como la región central de la zona de combustible 510, aunque manteniendo de otro modo la separación de las partículas de combustible 530 en las capas de partículas de combustible. Como alternativa, la densidad de partícula de combustible se puede ajustar variando la separación entre partículas de combustible adyacentes 530 en diferentes regiones de la zona de combustible 510. Por ejemplo, la distancia entre las partículas de combustible 530 en la región central puede ser mayor que la de una o más regiones periféricas de la zona de combustible 510. La capacidad de los métodos de fabricación de diferentes realizaciones para colocar partículas de combustible en ubicaciones específicas dentro de las bolas de combustible permite utilizar una amplia variedad de configuraciones de carga de partículas de combustible.

La figura 5C ilustra una vista en sección en perspectiva de una bola de combustible que incluye una capa de partículas compuestas 533 fabricada de acuerdo con varias realizaciones. Con referencia a la figura 5C, la capa de partículas compuestas 533 puede incluir unas primeras partículas 535 y unas segundas partículas 537 dispuestas en un patrón. La primeras y segundas partículas 535, 537 pueden seleccionarse, por ejemplo, de entre partículas fisibles, partículas de veneno consumible y partículas de material fértil.

La densidad relativa de las primeras y segundas partículas 535, 537 dentro de la bola de combustible 501 puede seleccionarse dependiendo del tipo de partícula. Por ejemplo, una capa de partículas compuestas puede incluir un número relativamente grande de partículas fisibles y un número relativamente pequeño de partículas de veneno consumible. Como alternativa, una capa de partículas compuestas puede incluir un número relativamente grande de partículas de material fértil y un número relativamente pequeño de partículas fisibles. Las primeras partículas 535 pueden ser partículas fisibles y las segundas partículas 537 pueden ser.

Las bolas de combustible fabricadas de acuerdo con diferentes realizaciones pueden incluir capas de partículas compuestas que incluyen diferentes tipos de partículas, incluidas partículas fisibles, partículas de material fértil y partículas de veneno. Por ejemplo, cada capa de partículas de combustible de la bola de combustible puede incluir partículas fisibles y de veneno dispuestas en un patrón. La distribución de partículas de combustible (p. ej., partículas fisibles) y partículas de veneno también puede variar en la zona de combustible 510. Por ejemplo, la región central de la zona de combustible 510 puede incluir una mayor densidad de partículas de veneno consumible (p. ej., una mayor relación entre partículas de veneno consumible y partículas de combustible) que una o más regiones periféricas de la zona de combustible 510. Es decir, la una o más de las regiones periféricas pueden tener una mayor densidad de partículas fisibles que la región central. Tener una mayor densidad de partículas de combustible en la región periférica y/o tener una mayor relación entre veneno y partículas de combustible en la región central, puede proporcionar características mejoradas de transferencia de calor que permitan una mayor carga de combustible en cada bola y/o puede mejorar la utilización del combustible de una bola de combustible.

En algunas realizaciones, las primeras partículas 535 pueden ser partículas fisibles y las segundas partículas 537 pueden ser partículas de veneno consumible o partículas de material fértil.

A modo de ejemplo, la figura 5C ilustra cómo se pueden usar los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones para formar bolas de combustible con un volumen central V que tiene pocas o ninguna partícula de combustible/veneno. Tal configuración puede dar como resultado bolas de combustible que presenten perfiles de temperatura más planos durante las operaciones del reactor. Los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones también pueden usarse para controlar la densidad del grafito dentro del volumen central V, con el fin de proporcionar una región de menor resistencia en el centro para permitir la expansión hacia dentro a fin de aliviar presiones dentro de las bolas de combustible debido a los gases de fisión.

La figura 5D ilustra una vista en sección en perspectiva de una bola de combustible que incluye una capa de partículas compuestas modeladas 533 que mezcla partículas de combustible 530a con partículas de veneno o de material fértil 530b fabricada de acuerdo con diferentes realizaciones.

La figura 6A es un organigrama de proceso que ilustra un método 5 de formación de una bola de combustible, de acuerdo con varias realizaciones. La figura 6B ilustra gráficamente operaciones del método 5. Las figuras 7A, 7B, 7C, 8A, 8B, 9A, 9B, 9C, 10A, 10B y 11 incluyen vistas ampliadas de las operaciones ilustradas en la figura 6B.

Con referencia a las figuras 6A, 6B y 7A a 7C, en la operación 10, el método 5 incluye formar una parte de base de grafito 560 de una bola de combustible 500, como se muestra en la figura 5A. En particular, la operación 10 incluye depositar polvo de grafito sobre un sustrato 602 para formar una capa de grafito 600 (etapa 1). El polvo de grafito se puede depositar usando cualquier método adecuado, tal como, por ejemplo, mediante un aparato de revestimiento de ranura 610.

A continuación, se prensa la capa de grafito 600 (etapa 2). La capa de grafito 600 se puede prensar usando un rodillo 612. Sin embargo, se puede utilizar cualquier dispositivo de prensado adecuado, tal como una prensa vertical o similar. El prensado asegura que la capa de grafito 600 quede empaquetada uniformemente.

Puede aplicarse un aglutinante 700 a la capa de grafito 600 (etapa 3), por ejemplo, utilizando métodos de fabricación aditiva/impresión 3D. El aglutinante 700 puede ser un aglutinante líquido que se pueda imprimir sobre la capa de grafito 600 usando, por ejemplo, una impresora de chorro de tinta 710 o similar. En particular, el aglutinante 700 puede ser un aglutinante basado en alcohol o un aglutinante basado en agua. El aglutinante 700 se aplica en un patrón particular sobre la capa de grafito 600. Por ejemplo, el aglutinante 700 se puede aplicar en un patrón circular correspondiente a una parte en sección transversal de la bola de combustible 500.

La operación 10 (es decir, las etapas 1 a 3) se puede repetir varias veces para aumentar el espesor de la capa de grafito 600 teniendo cada capa un diámetro mayor (en el caso de un elemento de combustible esférico), de manera que la capa de grafito 600 forme una parte de base 560 en forma de una parte de una esfera que tenga una dimensión de cuerda aproximadamente igual al espesor de la carcasa sin combustible de bola. Por ejemplo, cada vez que se repite la operación 10, el espesor de la capa de grafito 600 puede aumentar de aproximadamente 0,05 mm a aproximadamente 0,2 mm, por ejemplo, aproximadamente 0,1 mm. Sin embargo, el espesor de la capa de grafito 600 puede depender del diámetro mínimo de las partículas de grafito de la capa de grafito 600.

Esta operación de formación de capa 10 puede repetirse de aproximadamente 50 a aproximadamente 100 veces para formar la parte de base 560, que en elementos de combustible esféricos es una parte de una esfera. Por ejemplo, la operación 10 puede repetirse, de modo que la parte de base 560 tenga un espesor de aproximadamente 0,3 cm a aproximadamente 1,5 cm (es decir, aproximadamente 1 cm), para que el espesor de la parte de base 560 corresponda al espesor de la carcasa sin combustible 520. Como se describe anteriormente, la parte de base 560 también puede incluir una parte de la zona de combustible 510 dispuesta debajo de la primera capa de partículas de combustible 532A. En consecuencia, el espesor de la parte de base 560 puede aumentar una cantidad adicional (o la parte de base puede incluir una primera capa de grafito para formar la parte central 570), tal como de aproximadamente 1 mm a aproximadamente 2 mm (es decir, aproximadamente 1,5 mm), de manera que la parte de base 560 incluya una parte de la zona de combustible 510, en la que puedan integrarse partículas de combustible 530, como se describe a continuación. Dicho de otro modo, la parte de base 560 puede tener un espesor de aproximadamente 3 mm a aproximadamente 12 mm, es decir, aproximadamente 11,5 mm para tipos de bolas de combustible típicas de elementos de combustible; más o menos para otras formas y tamaños de elementos de combustible.

La cantidad de polvo de grafito 600 depositado puede variar de acuerdo con las condiciones de procesamiento y las características de diseño de bolas de combustible. En consecuencia, el número de veces que se repite la operación 10 se puede aumentar o disminuir en consecuencia.

En algunas realizaciones, en lugar de, o además de, usar polvo de grafito para formar cada capa de grafito, el grafito puede tener forma de esferas de grafito, de aproximadamente el mismo tamaño que las partículas de combustible, que puede mezclarse con polvo de grafito. El grafito esférico puede ser particularmente beneficioso para formar la zona de combustible de un elemento de combustible cuando las esferas de grafito tienen un tamaño similar (p. ej., aproximadamente el mismo tamaño) al de las partículas de combustible. Un ejemplo de una forma adecuada de esferas de grafito se describe en la patente US 8.173.208, que da a conocer composiciones y métodos para fabricar esferas de grafito sin polvo. Tales esferas de grafito pueden estar formadas por polvo de grafito y una resina. Una ventaja de usar esferas de grafito es que las esferas que tienen aproximadamente el mismo tamaño que las partículas de combustible pueden soportar mejor las partículas de combustible en una capa que una capa de polvo de grafito fino debido a su tamaño y densidad similares. En algunas realizaciones, la capa de grafito 600 formada en las diferentes etapas de formación de capas puede ser una combinación de polvo de grafito y esferas de grafito. En algunas realizaciones, las capas de grafito 600 que no incluyen partículas de combustible (es decir, capas que forman la parte de base 560 y la parte superior de una bola de combustible) pueden formarse usando polvo de grafito fino, mientras que las capas de grafito que incluyen partículas de combustible (es decir, la zona de combustible del elemento de combustible) pueden formarse utilizando esferas de grafito o una mezcla de esferas de grafito y polvo de grafito. Además, las capas de grafito que incluyen partículas de combustible (la zona de combustible) pueden fabricarse depositando esferas de grafito en la parte de la zona de combustible central donde se deposita combustible y polvo de grafito en una parte circundante 550 (figura 5B) o 535 (figura 5D).

En la operación 20 ilustrada en las figuras 6B, 8A y 8B, se usa un aparato de deposición 800, tal como un mandril de colocación, para depositar una capa de partículas de combustible 530 sobre la parte de base 560 (etapa 4) o sobre una capa de grafito (p. ej., polvo de grafito, esferas de grafito o una combinación de polvo de grafito y esferas de grafito) formada sobre la parte de base 560. En particular, el aparato de deposición 801 puede incluir al menos un cabezal de deposición 820 configurado para recoger y controlar la colocación de partículas de combustible 530 sobre capas de grafito.

El cabezal de deposición 820 puede usar una variedad o una combinación de técnicas para recoger y retener partículas de combustible 530 que incluyen vacío y fuerzas electrostáticas.

En una realización, el cabezal de deposición 820 puede incluir una pluralidad de tubos de vacío 830 dispuestos en un patrón particular correspondiente a un patrón de deposición. En tal realización, se aplica vacío a los tubos de vacío 830 para recoger y retener las partículas de combustible 530 en el cabezal de deposición 820. Las partículas de combustible pueden liberarse cuando se presionan contra una capa de grafito liberando el vacío o aplicando presión a través de los tubos de vacío 830. Un cabezal de deposición 820 de tal realización puede denominarse “cabezal de deposición al vacío”.

En algunas realizaciones, uno o más de los cabezales de deposición 820 pueden usar fuerzas electrostáticas para recoger y retener partículas de combustible, lo que puede denominarse “cabezal de deposición electrostática”. Las partículas de combustible 530 pueden ser recogidas por un cabezal de deposición electrostática 820 mediante la aplicación de una tensión (positiva o negativa) al cabezal o por partes de retención de partícula para atraer partículas de combustible 530, tal como en poros de colocación, como se ilustra. Los cabezales de deposición 820 pueden disponerse o prensarse sobre la parte de base 560, y la carga aplicada a los cabezales de deposición 820 puede neutralizarse o invertirse la polaridad para liberar las partículas de combustible 530 sobre el grafito.

El cabezal de deposición 820 se prensa en la parte de base 560 para integrar las partículas de combustible 530 en una capa de grafito formada en la parte de base. Como se analiza anteriormente, esta capa de grafito puede ser una capa de polvo de grafito, de esferas de grafito o una combinación de polvo de grafito y esferas que se aplica sobre la parte base. Después de prensar las partículas de combustible 530 en la capa de grafito, se elimina el vacío para liberar las partículas de combustible 530. Después del prensado, las partículas de combustible 530 se prensan en la parte de base 560 y/o se comprime la capa de grafito, usando, por ejemplo, un rodillo 612 (etapa 5). De esta manera, se deposita la capa inferior de partículas de combustible 532A.

El aparato de deposición 810 puede incluir cualquier número de cabezales de deposición 820. Por ejemplo, el aparato de deposición 810 puede incluir un cabezal de deposición 820 para cada patrón diferente de partículas de combustible 530 en una capa de partículas de combustible 532. Como alternativa, el aparato de deposición 800 puede incluir uno o más conjuntos 840 de cabezales de deposición 820, teniendo los cabezales de deposición 820 de cada conjunto el mismo patrón, y diferentes conjuntos con diferentes patrones. De manera adicional o alternativamente, los tubos de vacío individuales pueden accionarse para variar el patrón de partículas de combustible recogidas y aplicadas en cada capa para formar un patrón. El aparato de deposición 800 puede incluir accionadores 850 para subir y bajar el conjunto 840.

Una vez que se deposita la capa de partículas de combustible 530, el método pasa a la operación 30, como se ilustra en las figuras 6B, 9A y 9B. En la operación 30, se forma una capa de grafito 550 depositando partículas de grafito sobre la parte de base 560. En particular, las partículas de grafito se depositan para formar una capa de grafito 600 que cubra las partículas de combustible 530 (etapa 6). En particular, la capa de grafito 600 puede funcionar para llenar orificios formados prensando las partículas de combustible 530 en la etapa 5. La capa de grafito 600 se puede prensar (etapa 7). El aglutinante 700 se aplica después (etapa 8).

La operación 30 (etapas 6 a 8) puede repetirse varias veces para aumentar el espesor de la capa de grafito 600, formándose así una capa de grafito 550 sobre la parte de base 560. Por ejemplo, la operación 30 puede repetirse de aproximadamente 10 a 30 veces, por ejemplo, aproximadamente 16 veces. Por lo tanto, la capa de grafito 600 puede tener un espesor que varíe de aproximadamente 1 a 3 mm. En consecuencia, la capa de grafito 550 puede ser más delgada que la parte de base 560.

En la operación 40, el proceso puede determinar si la deposición de capas de partículas de combustible se ha completado (es decir, si quedan por depositar capas adicionales de partículas de combustible 532). Si quedan por depositar capas adicionales de partículas de combustible 532, el método vuelve a la operación 20 y pueden depositarse capas adicionales de partículas de combustible 532 y capas de grafito 550. Si no quedan por depositar capas adicionales de partículas de combustible 532, el método pasa a la operación 50. La operación 40 es opcional ya que el proceso puede implementarse de manera que las capas se realicen de una manera definida obviando la necesidad de una determinación.

En la operación 50, como se muestra en la figura 6B, se forma la parte de tapa 580. En particular, la parte de tapa 580 se forma depositando una capa de partículas de grafito (etapa 9), prensando la capa de grafito (etapa 10) y luego depositando un aglutinante (etapa 11), de manera similar a la operación 10 descrita anteriormente. La operación 50 (etapas 9, 10 y 11) también se puede repetir varias veces, como se describe para la operación 10. Como resultado de ello, se forma la parte de tapa.

En la operación 60 ilustrada en las figuras 6B, 10A y 10B, se elimina el polvo de grafito suelto (etapa 12), dejando expuestos así los elementos de combustible, por ejemplo, bolas de combustible 500. A continuación, los elementos de combustible se procesan en una prensa isostática 1000 (etapa 13) que aplica presión a las pastillas de combustible 500. El prensado isostático puede dar lugar a una reducción de tamaño de los elementos de combustible. Por ejemplo, el diámetro de las bolas de combustible 500 puede reducirse de 6,5 cm a 6,0 cm mediante el prensado isostático.

En la operación 70 ilustrada las figuras 6B y 11, los elementos de combustible (por ejemplo, bolas de combustible 500) se sinterizan en un horno de alta temperatura 1100 (etapa 14). Los elementos de combustible se pueden sinterizar a una temperatura comprendida entre 1900 y 2100 °C, por ejemplo, 2000 °C. Después de la sinterización, el proceso de fabricación puede estar completo y los elementos de combustible pueden estar listos para controles de calidad.

En algunas realizaciones, se puede aplicar un aglutinante de sinterización a los elementos de combustible antes de la sinterización. En particular, se puede mezclar un aglutinante de sinterización con el polvo de grafito o se puede incluir en el aglutinante 700. En otras realizaciones, el aglutinante 700 puede ser un aglutinante de sinterización.

En varias realizaciones, el aglutinante 700 puede depositarse mediante fabricación aditiva/impresión 3D en las etapas 3, 8 y 11. En particular, el aglutinante 700 puede depositarse de manera que el elemento de combustible pueda formarse en tres dimensiones, a partir del polvo de grafito depositado, en un formato capa por capa. Nuevamente, el uso de la fabricación aditiva/impresión 3D para aplicar el aglutinante y acumular elementos de combustible en un formato capa por capa permite que el proceso de fabricación forme elementos de combustible en una variedad de tamaños y formas (p. ej., esféricos, como se ilustra, ovoides, en forma de píldora, prismáticos, en forma de columna y cónicos) en la misma línea de fabricación. Algunos elementos de combustible se pueden fabricar usando métodos de la realización con conductos interiores para que fluya refrigerante a través del elemento de combustible sin depositarse grafito en las ubicaciones de los conductos interiores.

La descripción anterior de los diferentes métodos de fabricación de las realizaciones se refiere a bolas de combustible como ejemplo de una forma de elemento de combustible que puede fabricarse utilizando las diferentes realizaciones. Las diferentes realizaciones se pueden utilizar para fabricar elementos de combustible de grafito con cualquier forma y configuración, incluidos bloques prismáticos, varillas, pastillas, etc. Por lo tanto, las referencias a “bolas de combustible” son para facilitar la descripción del proceso de fabricación y no se pretende que limiten el ámbito de aplicación de las reivindicaciones para la fabricación de bolas de combustibles o elementos de combustible esféricos a menos que se indique específicamente en las reivindicaciones.

El número de capas y configuraciones de cada capa puede variar dependiendo de una variedad de factores, incluida la densidad y/o la cantidad de grafito depositado en cada capa, la fracción de empaquetado del combustible dentro del elemento de combustible, la forma del elemento de combustible que se está formando, etc. Por tanto, la descripción de varias operaciones y repeticiones de fabricación de las realizaciones no pretende limitar el ámbito de aplicación de las reivindicaciones a un determinado número de capas o ciclos de operación a menos que se indique específicamente en las reivindicaciones.

En varias realizaciones, el método de fabricación puede implementarse usando robótica y tecnología de fabricación aditiva/impresión 3D, y puede implementarse mediante un proceso automatizado. Un proceso integrado de este tipo puede proporcionar un mayor rendimiento, una mayor calidad del producto y una mejor homogeneidad del producto, en comparación con los métodos convencionales de fabricación de elementos de combustible nucleares basados en grafito. Además, el método se puede implementar para producir en serie elementos de combustible (p. ej., bolas de combustibles), por ejemplo, formando una línea de producción por etapas para cada operación o para unas cuantas operaciones y moviendo una pluralidad de elementos de combustible de una etapa a otra para un procesamiento en paralelo. Además, pueden añadirse operaciones de inspección después de cada operación o de operaciones seleccionadas de las operaciones descritas anteriormente para evaluar la calidad de cada capa aplicada, y los parámetros de control de cada operación pueden ajustarse para mantener un nivel de calidad deseado o tolerancias de diseño para cada capa y la bola de combustible en su conjunto.

Además, los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones permiten colocar las partículas de combustible, de veneno y de material fértil en posiciones controladas dentro de capas de los elementos de combustible de modo que las partículas queden separadas dentro de los elementos de combustible, lo cual supone una mejora con respecto a las partículas de combustible colocadas aleatoriamente de la técnica convencional. En particular, los métodos de fabricación de las diferentes realizaciones permiten fabricar elementos de combustible con estructuras de empaquetado de partículas de combustible que garanticen que las partículas de combustible nunca entren en contacto entre sí.

Además, como se indica anteriormente, las diferentes realizaciones eliminan el riesgo de que dos o más partículas entren en contacto durante la aplicación de altas presiones involucradas en los procesos finales de fabricación de los elementos de combustible. Como resultado de ello, se elimina la posibilidad de que las partículas se aplasten entre sí durante el prensado. Por lo tanto, en contraste con las técnicas convencionales de formación de elementos de combustible de grafito, las diferentes realizaciones permiten el uso de partículas de combustible que no incluyan una capa de recubrimiento, tales como las partículas de combustible TRISO no recubiertas descritas anteriormente. Esto elimina una etapa de proceso y el coste de partículas de combustible, lo que da como resultado una fabricación de elementos de combustible más eficiente.

La descripción anterior de las realizaciones descritas se proporciona para permitir que cualquier persona experta en la técnica realice o utilice la presente invención. Varias modificaciones de estas realizaciones resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica, y los principios genéricos definidos en el presente documento pueden aplicarse a otras realizaciones.

Por tanto, no se pretende que la presente invención se limite a los aspectos y/o realizaciones mostradas en este documento, sino que se le concederá el ámbito de aplicación más amplio de acuerdo con las siguientes reivindicaciones y los principios y características novedosas que se describen aquí.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Método de fabricación de un elemento de combustible configurado para su uso en un núcleo de reactor refrigerado por gas de alta temperatura, comprendiendo el método

formar una parte de base de grafito del elemento de combustible;

formar una zona de combustible del elemento de combustible, que comprende:

formar una primera capa de grafito sobre la parte de base de grafito;

depositar una primera capa de partículas sobre la primera capa de grafito controlando la colocación de cada partícula dentro de la primera capa de partículas;

formar una segunda capa de grafito sobre la primera capa de partículas; y

depositar una segunda capa de partículas sobre la segunda capa de grafito controlando la colocación de cada partícula dentro de la segunda capa de partículas; y

formar una parte de tapa de grafito del elemento de combustible,

en el que las partículas de la primera capa de partículas y la segunda capa de partículas son una o más de partículas de combustible, partículas de veneno consumible y partículas de material fértil.

2. Método según la reivindicación 1, en el que:

la formación de la primera capa de grafito sobre la parte de base de grafito comprende formar la primera capa de grafito que comprende esferas de grafito; y

la formación de la segunda capa de grafito sobre la primera capa de partículas comprende formar la segunda capa de grafito que comprende esferas de grafito,

en el que las esferas de grafito y las partículas son de tamaño similar.

3. Método según la reivindicación 1, en el que:

la formación de la primera capa de grafito sobre la parte de base de grafito comprende depositar una mezcla de polvo de grafito y esferas de grafito; y

la formación de la segunda capa de grafito sobre la primera capa de partículas comprende depositar una mezcla de polvo de grafito y esferas de grafito,

en el que las esferas de grafito y las partículas son de tamaño similar.

4. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que

las partículas de la primera capa de partículas y de la segunda capa de partículas comprenden partículas de combustible triestructurales isotrópicas (TRISO) que tienen una capa de recubrimiento; o

las partículas de la primera capa de partículas y de la segunda capa de partículas comprenden partículas de combustible triestructurales isotrópicas (TRISO) que no tienen una capa de recubrimiento.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3

en el que el control de la colocación de cada partícula dentro de la primera capa de partículas comprende colocar partículas en la primera capa de partículas de manera que las partículas adyacentes de la primera capa de partículas queden separadas sustancialmente la misma distancia, y

en el que el control de la colocación de cada partícula dentro de la segunda capa de partículas separa las partículas adyacentes de la segunda capa una distancia sustancialmente igual.

6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la segunda capa de grafito se forma sobre la primera capa de partículas de manera que las partículas de la primera capa de partículas queden separadas de las partículas adyacentes de la segunda capa de partículas una distancia sustancialmente igual.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que al menos uno de depositar la primera capa de partículas y depositar la segunda capa de partículas comprende:

cargar partículas en posiciones controladas por un cabezal de deposición al vacío;

disponer el cabezal de deposición al vacío sobre la parte de base de grafito o la primera capa de grafito; liberar las partículas del cabezal de deposición al vacío; y

prensar las partículas en la parte de base de grafito o en la primera capa de grafito.

8. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que al menos uno de depositar la primera capa de partículas y depositar la segunda capa de partículas comprende:

cargar partículas en posiciones controladas por un cabezal de deposición electrostática;

disponer el cabezal de deposición electrostática sobre la parte de base de grafito o la primera capa de grafito; liberar las partículas del cabezal de deposición electrostática; y

9. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que al menos una de la formación de la parte de base de grafito y la formación de la parte de tapa, comprende:

A) depositar grafito;

B) prensar el grafito;

C) imprimir un aglutinante sobre el grafito prensado; y

repetir las operaciones A, B y C para formar al menos una de la parte de base de grafito y la parte de tapa.

10. Método según la reivindicación 9, en el que

las operaciones A, B y C se repiten hasta que al menos una de la parte de base de grafito y la parte de tapa tenga un espesor de entre 3 mm y 12 mm; y

la operación C comprende la impresión del aglutinante según un patrón que tenga la misma forma que una sección delgada del elemento de combustible.

11. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la formación de una primera capa de grafito y la formación de una segunda capa de grafito comprende:

depositar uno de grafito, esferas de grafito, o una combinación de grafito y esferas de grafito para formar la capa de grafito;

prensar la capa de grafito; e

imprimir un aglutinante sobre la capa prensada.

12. Método según la reivindicación 3, en el que el depósito de una mezcla de polvo de grafito y esferas de grafito comprende depositar esferas de grafito en una parte central de zona de combustible y depositar polvo de grafito en una parte circundante.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que

la primera capa de partículas está dispuesta en un primer plano;

la segunda capa de partículas está dispuesta en un segundo plano que es sustancialmente paralelo al primer plano; y

las partículas de la primera capa no se superponen a las partículas de la segunda capa en una dirección sustancialmente perpendicular a los planos primero y segundo.

14. Elemento de combustible formado mediante el método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en el que las partículas de la primera capa de partículas se colocan de manera que las partículas adyacentes de la primera capa de partículas queden separadas sustancialmente la misma distancia, y en el que las partículas de la segunda capa de partículas se colocan de manera que las partículas adyacentes de la segunda capa queden separadas sustancialmente la misma distancia.

15. El elemento de combustible según la reivindicación 14, en el que

el elemento de combustible es una bola de combustible esférica que tiene un diámetro que oscila entre aproximadamente 5,5 cm y aproximadamente 6,5 cm; y

la carcasa sin combustible tiene un espesor que oscila entre aproximadamente 0,3 cm y aproximadamente 1,5 cm.