Тепловыделяющий элемент с многозначной эффективной плотностью топлива Российский патент 2020 года по МПК G21C1/02 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Приоритет настоящей заявки испрашивается по дате подачи предварительной заявки на патент США №62/210,609, озаглавленной «ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ С МНОГОЗНАЧНОЙ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ТОПЛИВА» и поданной 27 августа 2015 года, полное содержание которой включено в настоящий документ.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится в целом к системам и способам изготовления высокоэффективных тепловыделяющих элементов, таких как тепловыделяющие элементы для реакторов ядерного деления.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к реакторам ядерного деления и тепловыделяющим элементам, в частности, для быстрых реакторов, таких как реакторы на бегущей волне. В частности, настоящее изобретение относится к трубчатым тепловыделяющим элементам, в которых соотношение площади делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярном продольной оси, и общей площади внутреннего объема в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента (или эффективная плотность) изменяется в зависимости от положения вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента. Это продольное изменение может улучшить один или несколько рабочих профилей, распределение деформации и распределение выгорания относительно предела выгорания.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В последующем описании ссылка дается на определенные конструкции и/или способы. Однако последующие ссылки не должны толковаться как признание того, что эти конструкции и/или способы представляют собой предшествующий уровень техники. Заявитель нарочно оставляет за собой право продемонстрировать, что такие конструкции и/или способы не квалифицируются как предшествующий уровень техники в отношении настоящего изобретения.

В традиционных ядерных реакторах загрузка топлива в тепловыделяющих элементах обычно равномерна вдоль продольного направления тепловыделяющих сборок. Во время возбуждения в реакторе топливо расширяется за счет, например, производства продуктов деления и, в частности, продуктов деления в виде газа. Расширенное топливо расширяется в доступное пространство внутреннего диаметра оболочки отдельного тепловыделяющего элемента. Однако со временем и при более высоких значениях выгорания расширение топлива может деформировать оболочку, особенно там, где происходит удержание газа и когда продукты деления (газ или твердое вещество) начинают заполнять пустоты внутри топлива. На этом этапе деформация оболочки может стать пропорциональной выгоранию, при этом деформация оболочки быстро возрастает. Эта деформация, в конечном счете, ограничивает срок службы тепловыделяющих элементов в активной зоне реактора, поскольку расширение оболочки топлива приводит к уменьшенным (иногда неоднородным) областям потока теплоносителя, внешним по отношению к оболочке. Скорость деформации увеличивается благодаря постоянному воздействию радиационного излучения на конструкционный материал (оболочку и чехол тепловыделяющей сборки). Тепловыделяющие элементы могут расшириться настолько, чтобы создать дополнительную деформацию, действующую на стенку чехла соответствующих тепловыделяющих сборок, которые могут стать «смятыми» вместе из-за разбухания и/или прогибания тепловыделяющей сборки. Разбухание тепловыделяющего элемента может иногда вызывать образование трещин в оболочке, что может привести к неконтролируемому высвобождению продуктов деления и/или взаимодействию теплоносителя с топливом. По меньшей мере частично из-за образующейся деформации, максимальное выгорание любого конкретного тепловыделяющего элемента может определять полезный срок службы тепловыделяющего элемента и/или всей тепловыделяющей сборки.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Деформация, порождаемая в оболочке и тепловыделяющей сборке, влияет на верхний предел выгорания тепловыделяющих элементов. Высокая температура и высокая радиационная среда могут вызвать разбухание топлива, что, со временем, создает деформацию в оболочке. Время, давление и температурные условия, связанные с разрушением оболочки, создают предел деформации. Деформация иногда также аналогична «выгоранию», поскольку выгорание топлива создает высокие температуры и условия, которые способствуют разбуханию топлива. Пределы деформации и/или выгорания обычно определяются топливом, подверженному наибольшему нейтронному потоку.

Поток обычно принимает форму (как в продольном, так и в радиальном направлении), которая основана, по меньшей мере частично, на распределении топлива и поглотителя нейтронов в тепловыделяющем элементе. Распределение топлива в массе тепловыделяющих элементов традиционно равномерно, что приводит к формированию инвертированной косинусной или гауссовой формы распределения потока на равномерном распределении топлива в продольном направлении. Однако равномерное продольное распределение топлива с соответствующим продольным распределением потока недоиспользует топливо на продольных концах тепловыделяющего элемента.

Раскрытая технология обеспечивает точную регулировку локальных условий плотности топлива для выравнивания характеристик топлива вдоль продольной длины тепловыделяющих элементов, увеличивает среднее фактическое выгорание, увеличивает эффективный срок службы тепловыделяющего элемента в активной зоне реактора, выравнивает деформацию топлива и/или обеспечивает больший нейтронный вклад (и достижение большего числа реакций деления или «более высокого выгорания») от традиционно недоиспользуемых частей топлива, что приводит к повышению эффективности использования топлива.

Добавление большего количества топлива, отличного от продольного положения ожидаемого максимального выгорания (или деформации) в тепловыделяющем элементе (например, на продольных концах), может уменьшить неравномерное выгорание и уменьшить деформацию топлива. Добавление большего количества топлива между продольными концами и местом максимального выгорания и/или деформации может сглаживать и сдвигать распределение выгорания в продольном направлении внутри тепловыделяющего элемента, что может, в целом, сгладить распределение выгорания тепловыделяющего элемента за счет увеличения среднего выгорания и снижения деформации топлива. На этот процесс влияет изменение относительного количества топлива на единицу объема, поскольку продольное положение в тепловыделяющем элементе изменяется вдоль оси, ориентированной в продольном направлении, например, между первым концом и вторым концом тепловыделяющего элемента. Изменение этого соотношения (или эффективной плотности) с положением вдоль продольной (или аксиальной) оси может повторяться и/или изменяться для различных тепловыделяющих элементов, составляющих тепловыделяющую сборку, и, в конечном счете, реактора до тех пор, пока распределение выгорания не будет продольно распространяться при сохранении максимальной мощности активной зоны, критичности реактора и т.д. Результирующий эффект увеличивает среднее выгорание топлива и повышает эффективность конструкции реактора и/или работы.

Иллюстративный вариант выполнения тепловыделяющего элемента для реактора ядерного деления включает делимую композицию, содержащий делимое ядерное топливо, и может содержать один или несколько нетопливных материалов. Делимое топливо может содержать любое делящееся топливо и/или воспроизводящее топливо и может быть смешано, объединено или включено во внутренний объем тепловыделяющего элемента с другими подходящими материалами, включая поглотители нейтронов, нейтронные яды, нейтронно-прозрачные материалы и т.д. Делящийся материал может включать любой подходящий материал для ядерного деления или производства нейтронного потока, включая уран, плутоний и/или торий. Воспроизводящим ядерным топливом может быть любое подходящее воспроизводящее топливо, включая природный уран, необогащенный уран и т.д., которые можно воспроизвести до делящегося топлива.

Тепловыделяющий элемент в целом трубчатый и имеет продольную ось. Делимая композиция занимает по меньшей мере часть внутреннего объема трубчатого тепловыделяющего элемента. Делимая композиция может находиться в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью тепловыделяющего элемента. Соотношение площади делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси, и общей площади внутреннего объема в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента изменяется с положением вдоль продольной оси.

В одном аспекте указанное соотношение может быть выражено как процентная эффективная плотность, определяемая как:

где:

Area__Fuel=площадь делимого ядерного топлива в поперечном сечении тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси тепловыделяющего элемента, и

Area__{Interior Cross-Section}=площадь внутреннего объема оболочки в поперечном сечении тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси тепловыделяющего элемента.

Несмотря на то, что тепловыделяющие элементы и связанные с ними конструкции и способы, раскрытые в настоящем документе, будут в особенности описаны применительно к реактору на бегущей волне (TWR), тепловыделяющие элементы и связанные с ними конструкции и способы, раскрытые в настоящем документе, обычно применимы ко многим типам ядерных реакторов на твердом топливе и могут быть использованы в любом подходящем ядерном реакторе на твердом топливе, таком как ядерный реактор-самоед. Используемый в настоящем документе термин TWR означает тип ядерного реактора-самоеда и/или равновесного ядерного реактора-самоеда, в котором волны, которые размножаются и затем сжигаются, могут перемещаться относительно топлива и включают, без ограничения, реакторы на стоячей волне.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Последующее подробное описание предпочтительных вариантов выполнения может быть истолковано с учетом прилагаемых чертежей, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:

Фиг. 1А изображает иллюстративный реактор ядерного деления с быстрой активной зоной.

Фиг. 1В и 1С изображают виды в аксонометрии иллюстративных вариантов выполнения тепловыделяющего элемента, причем первый вариант выполнения имеет общую прямолинейную форму (Фиг. 1B), а второй вариант выполнения имеет общую цилиндрическую форму (Фиг. 1С).

Фиг. 2-6 изображают виды в разрезе по линиям, соответственно, А-А, В-В и С-С, тепловыделяющего элемента, показанного на Фиг. 1В.

Фиг. 7 изображает схематический вид в разрезе иллюстративного варианта выполнения топливной таблетки.

Фиг. 8 изображает схематический вид в разрезе части первого иллюстративного тепловыделяющего элемента, в котором плотность топливных таблеток изменяется вдоль продольной длины.

Фиг. 9 изображает схематический вид в разрезе второго иллюстративного тепловыделяющего элемента, в котором плотность топливных таблеток изменяется вдоль продольной длины.

Фиг. 10 схематически изображает иллюстративный вариант выполнения тепловыделяющего элемента с топливными таблетками с различной загрузкой делимого ядерного топлива, расположенного в разных слоях внутреннего объема, с образованием дискретных зон вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента.

Фиг. 11А-В и Фиг. 12А-В изображают объемные формы с иллюстративными характеристиками, которые могут быть включены индивидуально или в комбинации в варианты выполнения кольцевых блоков, которые содержат делимую композицию в массе кольцевого блока.

Фиг. 13А-В изображают схематические виды в разрезе тепловыделяющего элемента, показывающие кольцевые блоки, как те, что изображены на Фиг. 11А-В и Фиг. 12А-В, расположенные внутри стенок, составляющих оболочку.

Фиг. 14-18 изображают виды в разрезе, выполненные по линиям, соответственно, А'-А', В'-В' и С-С, тепловыделяющего элемента, показанного на Фиг. 1С.

Фиг. 19 иллюстрирует блок-схему последовательности операций иллюстративного способа определения выбранного изменения эффективной плотности по длине тепловыделяющего элемента.

Фиг. 20 иллюстрирует график эффективной плотности (%) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для иллюстративного варианта выполнения тепловыделяющего элемента.

Фиг. 21 иллюстрирует график эффективной плотности (фракции) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для другого иллюстративного варианта выполнения тепловыделяющего элемента.

Фиг. 22А-В иллюстрируют график эффективной плотности (фракции) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для нескольких других иллюстративных вариантов выполнения тепловыделяющего элемента.

Фиг. 23 иллюстрирует график, показывающий выгорание (в % FIMA) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для тепловыделяющего элемента с постоянной эффективной плотностью в зависимости от продольного положения.

Фиг. 24 иллюстрирует график, показывающий выгорание (в % FIMA) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для тепловыделяющего элемента с эффективной плотностью, которая изменяется в зависимости от продольного положения.

Фиг. 25 иллюстрирует график, показывающий деформацию в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для тепловыделяющего элемента с эффективной плотностью, которая изменяется в зависимости от продольного положения.

Фиг. 26 иллюстрирует блок-схему иллюстративного способа изготовления тепловыделяющего элемента с выбранным изменением эффективной плотности по длине тепловыделяющего элемента.

Фиг. 27 изображает иллюстративную систему, содержащую чехол тепловыделяющей сборки, с некоторым количеством отдельных тепловыделяющих элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

В нижеследующем подробном описании ссылка дается на прилагаемые чертежи, которые составляют часть настоящего документа. На чертежах использование похожих или одинаковых символов на разных чертежах обычно указывает на похожие или одинаковые элементы, если из контекста не следует иное.

Иллюстративные варианты выполнения, описанные в подробном описании, на чертежах и в формуле изобретения, не должны трактоваться как ограничивающие. Могут быть использованы другие варианты выполнения и могут быть сделаны другие изменения, не отступая от сущности или объема представленного в настоящем документе объекта изобретения.

Специалисту в данной области техники следует понимать, что описанные в настоящем документе элементы (например, операции), устройства, объекты и сопровождающие их обсуждения используются в качестве примеров для концептуальной ясности и что предполагаются другие различные модификации конфигурации. Следовательно, как используются в настоящем документе, конкретные изложенные примеры и сопровождающие обсуждения предназначены для представления их более общих классов. В целом, использование любого конкретного примера предназначено для представления его класса, а не включение конкретных элементов (например, операций), устройств и объектов не должно рассматриваться как ограничение.

В настоящей заявке для ясности представления используются формальные заголовки. Однако следует понимать, что заголовки приведены в целях представления, и что различные типы объектов изобретения могут обсуждаться во всей заявке (например, устройство (устройства) / конструкция (конструкции) могут быть описаны в процессе (процессах) / (и) операции и/или процессы (операции) могут обсуждаться после заголовков конструкции(ий) / процесса(ов), и/или описания отдельных тем могут охватывать два или более заголовков). Следовательно, использование формальных заголовков не должно никоим образом считаться ограничивающим.

Ниже раскрывается ряд способов повышения эффективности использования топлива в активной зоне ядерного реактора. Несмотря на то, что некоторые из этих способов особенно полезны в реакторах-самоедах, описанная технология также распространяется на другие типы реакторов ядерного деления на основе твердого топлива, включая, без ограничения, быстрые реакторы, реакторы-самоеды, реакторы с натриевым охлаждением, легководные реакторы, тяжеловодные реакторы и т.д.

Используемый в настоящем документе термин «выгорание», также называемый «% FIMA» (количество делений на один исходный атом тяжелого металла), относится к мере (например, проценту) деления, которое происходит в делящемся топливе. Например, выгорание 5% может указывать на то, что 5% топлива подверглось реакции деления. Из-за ряда факторов выгорание может происходить неравномерно по длине каждого отдельного тепловыделяющего элемента в тепловыделяющей сборке. Тепловыделяющий элемент считается истощенным, когда область тепловыделяющего элемента достаточно выгорела, чтобы достичь предела выгорания, также иногда называемого «пиковым выгоранием» или «максимальным выгоранием». Когда какое-либо одно место достигает предела выгорания, весь тепловыделяющий элемент считается отработавшим, несмотря на то, что только часть топлива внутри этого элемента фактически достигла предела эксплуатации. Поэтому из отдельного тепловыделяющего элемента можно получить больше энергии, когда среднее выгорание выше по всей длине тепловыделяющего элемента, чем когда среднее выгорание ниже. В отличие от пикового или максимального выгорания, термин «фактическое выгорание» используется в настоящем документе для обозначения количества выгорания, которое произошло в определенной области тепловыделяющей сборки во время, когда тепловыделяющий элемент считается отработавшим, поскольку по меньшей мере часть топлива в тепловыделяющем элементе достигла уровня, близкого к пределу выгорания.

На выгорание для определенного количества топлива могут влиять несколько факторов, в том числе, например, распределение нейтронного потока (например, области с высоким потоком, соответствующие областям с высоким выгоранием), распределение поглотителя нейтронов, температура, поток теплоносителя, тепловая мощность и т.д. Таким образом, ряд применений, раскрытых в настоящем документе, в целом относится к способам увеличения среднего фактического выгорания, наблюдаемого в каждом отдельном тепловыделяющем элементе тепловыделяющей сборки.

Несмотря на то, что нижеследующее описание описывает быстрый реактор с натриевым охлаждением, это предназначено исключительно для иллюстративных целей, и при этом любой подходящий реактор ядерного деления на твердом топливе может быть использован по мере необходимости. На Фиг. 1А изображен иллюстративный реактор 130 ядерного деления с активной зоной 132. Активная зона 132 ядерного реактора расположена в корпусе 140 реактора, окруженном защитной оболочкой. Активная зона 132 ядерного реактора обычно содержит теплоноситель, такой как бассейн теплоносителя (например, жидкого натрия) или контура, по которому теплоноситель может протекать по всему реактору 130 ядерного деления. Кроме того, активная зона 132 ядерного реактора содержит некоторое количество удлиненных тепловыделяющих сборок (например, тепловыделяющую сборку 136), которые могут содержать несколько тепловыделяющих элементов.

В различных применениях и/или рабочих состояниях тепловыделяющие сборки могут содержать делящиеся ядерные тепловыделяющие сборки (например, набор пусковых тепловыделяющих сборок и т.д.) и воспроизводящие ядерные тепловыделяющие сборки (например, набор питающих тепловыделяющих сборок и т.д.) и/или тепловыделяющие сборки, которые содержат как воспроизводящие, так и делящееся топливо.

Распределение нейтронов в активной зоне 132 ядерного реактора может быть описано профилем 104 нейтронного потока. График 104 профиля нейтронного потока показывает иллюстративную величину величины нейтронного потока в зависимости от вертикального положения в топливной области 110 активной зоны 132 ядерного реактора. Специфические характеристики этого профиля могут сильно отличаться от одной реализации к другой на основе характеристик реактора 130 ядерного деления и локальных условий в активной зоне 132 ядерного реактора.

На Фиг. 1А нейтронный поток наибольший в центральной области 112 и сходится при удалении от центральной области 112 к концевым областям 114 и 116 топливной области 110. Например, концевые области 114 и 116 могут соответствовать противоположным концам тепловыделяющего элемента или группы тепловыделяющих элементов в активной зоне 132 ядерного реактора. В проиллюстрированном примере эффект увеличенного нейтронного потока в центральной области 112 объясняется одним или несколькими факторами, влияющими на локальные проводимости, такими как поток и/или температура. Например, управляющие стержни, поглощающие нейтроны, такие как управляющий стержень 118, могут быть введены в топливную область 110 в направлении от верхнего конца активной зоны 132 ядерного реактора к центральной области 112. Как показано, это может иметь эффект уменьшения нейтронного потока на верхнем конце топливной области 110. В других реализациях управляющие стержни могут быть расположены по-другому, чтобы по-другому влиять на нейтронный поток с помощью тех же самых или подобных принципов.

Профиль 104 нейтронного потока также иллюстрирует неравный средний поток и неравные скорости нарастающего потока в концевых областях 114 и 116. В одном применении этот эффект обусловлен неодинаковыми локальными температурами в концевых областях, соответственно, 114 и 116. Как правило, выходная мощность пропорциональна массовому расходу, умноженному на разность температур между топливом и теплоносителем. Поэтому, если точка входа теплоносителя расположена, например, ближе к концевой области 116, а точка выхода теплоносителя расположена ближе к концевой области 114, то разница температуры может быть больше в точке входа теплоносителя, чем в точке выхода теплоносителя, тогда как массовый расход остается примерно одинаковым в обоих местах. Следовательно, нейтронный поток (например, выходная мощность) может быть больше вблизи концевой области 116 (например, у точки входа теплоносителя) и/или может увеличиваться быстрее в концевой области 116, чем в концевой области 114. Это неравномерное распределение потока способствует неравномерной деформации на отдельных тепловыделяющих элементах и может привести к локальному пиковому выгоранию в областях с наибольшим нейтронным потоком и/или деформацией. Следовательно, среднее выгорание по всей длине каждого тепловыделяющего элемента может быть значительно меньше пикового выгорания.

Если, однако, эффекты неравного потока и/или деформации могут быть компенсированы или уменьшены, то среднее выгорание по всей длине каждого тепловыделяющего элемента ближе к максимальному выгоранию и достигается более высокая эффективность использования топлива. В одной реализации это достигается путем манипулирования эффективной плотностью (например, соотношением делимого материала и площади поперечного сечения), внутренней по отношению к каждому тепловыделяющему элементу, для увеличения среднего выгорания во множестве положений вдоль продольной оси. Способы манипулирования эффективной плотностью для повышения эффективности использования топлива подробно описаны со ссылкой на следующие чертежи.

Тепловыделяющие элементы традиционно представляют собой длинные тонкие тела, содержащие тонкостенную наружную рубашку (также называемую оболочкой) и делимую композицию (включая делимое ядерное топливо) в оболочке. В зависимости от конструкции ядерного реактора, несколько тепловыделяющих элементов, как правило, размещают в пучке ТВС или в тепловыделяющей сборке, после чего множество тепловыделяющих сборок вставляют в ядерный реактор. Геометрическая форма тепловыделяющего элемента может быть любой подходящей формой, предназначенной для физических и конструктивных ограничений тепловыделяющей сборки и ядерного реактора.

Два иллюстративных варианта выполнения тепловыделяющих элементов показаны в аксонометрии на Фиг. 1В и 1С. Первый вариант выполнения тепловыделяющего элемента 10 имеет общую трубчатую форму (Фиг. 1В) с удлиненной продольной осью относительно радиальной оси. Трубчатая форма может быть сплошной на всем протяжении, как показано, или может иметь зазоры между оболочкой и делимой композицией, зазоры или промежуточные пространства между телами делимой композиции и/или одну или несколько полых пустот внутри тела делимой композиции (пустоты). В некоторых случаях тепловыделяющий элемент 10 имеет форму поперечного сечения, в плоскости, перпендикулярной продольной оси 20, которая является прямолинейной. На Фиг. 1В, прямолинейная форма представляет собой правильный многоугольник, такой как квадрат, но форма поперечного сечения может быть любой прямолинейной формой или соответствующей многоугольной формой, включая треугольную, шестиугольную, восьмиугольную, двенадцатиугольную и т.д. Продольная ось 20 ориентирована вдоль главной оси в целом трубчатой формы и проходит в продольном направлении на расстояние L1. Как правило, продольная ось будет проходить между первой стенкой или концом 30 и второй стенкой или концом 40 оболочки. В некоторых примерах боковые стенки 50 соединяют первый конец 30 со вторым концом 40, чтобы ограничивать внутренний объем, и образуют в целом трубчатую форму тепловыделяющей сборки 10.

Второй вариант выполнения тепловыделяющего элемента 100 имеет в целом трубчатую форму (Фиг. 1С) с удлиненной продольной осью относительно радиальной оси. Трубчатая форма может быть сплошной на всем протяжении, как показано, или может иметь зазоры между оболочкой и делимой композицией, зазоры или промежуточные пространства между телами делимой композиции и/или одну или несколько полых пустот внутри тела делимой композиции (пустоты). В некоторых случаях тепловыделяющий элемент 100 имеет форму поперечного сечения в плоскости, перпендикулярной центральной продольной оси 120, которая является криволинейной, вогнутой или выпуклой или ее комбинациями. На Фиг. 1С, криволинейная форма представляет собой круг, но формой поперечного сечения может быть любой эллипс с эксцентриситетом «е», который изменяется от 0 до менее чем 1, т.е. 0<е<1, в качестве альтернативы «е» равно или меньше 0,5, или любую сложную криволинейную форму, правильную криволинейную форму, такую как гиперболоид или форму, аппроксимирующую гиперболоид. Продольная ось 120 ориентирована вдоль главной оси общей трубчатой формы и проходит в продольном направлении на расстояние L2. Как правило, продольная ось будет проходить между первой стенкой или концом 130 и второй стенкой или концом 140 оболочки. В некоторых примерах боковая стенка 150 соединяет первый конец 130 со вторым концом 140, чтобы образовать внутренний объем и сформировать в целом трубчатую форму тепловыделяющей сборки 100. Несмотря на то, что примеры, показанные на Фиг. 1В-С, показывают сплошные стенки и концы, окружающие внутренний объем, следует понимать, что в некоторых случаях оболочка или другая конструкция, образующая внутренний объем тепловыделяющего элемента, могут быть частичными оболочками, сплошными частями тепловыделяющего элемента и т.д.

Оболочка тепловыделяющего элемента может быть любым подходящим материалом и может уменьшать коррозию топлива и/или высвобождение продуктов деления, а также иметь низкое сечение поглощения для нейтронов. В одном варианте выполнения слой оболочки может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики. В одном варианте выполнения оболочка может содержать огнеупорный материал, такой как тугоплавкий металл, содержащий по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. В другом варианте выполнения оболочка может содержать металлический сплав, такой как сталь, включая стали разных составов и микроструктуры. Неисчерпывающие примеры подходящих материалов для оболочки включают керамику, такую как карбид кремния (SiC) и титан или карбиды металлоидов (Ti₃AlC и Ti₃SiC₂) и металлы, такие как алюминий, нержавеющую сталь и циркониевые сплавы. При необходимости, могут использоваться другие материалы, подходящие для оболочки.

Оболочка может быть выполнена из двух или более слоев или областей или содержать одну или несколько футеровок из разных материалов. Примеры подходящей оболочки, включая футеровки, описаны в заявке на патент США №13/794,633, поданной 03/11/2013, озаглавленной «Ядерный тепловыделяющий элемент», которая включена в настоящий документ в качестве ссылки.

Делимая композиция может содержать делимое ядерное топливо и нетопливные материалы. Делимое ядерное топливо содержит по меньшей мере приблизительно 88% по массе делимого топлива, например, по меньшей мере 94% по массе, 95% по массе, 98% по массе, 99% по массе, 99,5% по массе, 99,9% по массе, 99,99% по массе делимого топлива или больше. При других обстоятельствах могут быть подходящими более низкие эффективные плотности, и в пределах объема изобретения эффективная плотность вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента может выборочно изменяться. Делимое ядерное топливо содержит делящееся ядерное топливо, воспроизводящее ядерное топливо (которое можно «воспроизвести» до делящегося топлива) и/или смесь делящихся и воспроизводящих композиций ядерного топлива. Делимое ядерное топливо делимой композиции может содержать любой нуклид, способный подвергнуться делению после захвата либо высокоэнергетических (быстрых) нейтронов, либо низкоэнергетических тепловых (медленных) нейтронов. Делимое топливо может иметь металлическую форму, оксидную форму или нитридную форму и может содержать металл и/или металлический сплав. Примеры подходящего делимого ядерного топлива включают один или несколько радиоактивных элементов (включая их изотопы), выбранные из группы, включающей уран, плутоний, торий, америций и нептуний, изотопы и их сплавы. В одном варианте выполнения топливо может содержать по меньшей мере приблизительно 88% по массе U, например, по меньшей мере 94% по массе, 95% по массе, 98% по массе, 99% по массе, 99,5% по массе, 99,9% по массе, 99,99% по массе U или больше.

Нетопливный материал (если присутствует) делимой композиции может содержать любой подходящий нетопливный материал, который может иметь любую характеристику, желательную для конструкции тепловыделяющего элемента, включая внутриядерную связь ядерного топливного материала, характеристики прозрачности или поглощающие характеристики для нейтронов, свойства теплоносителя, свойства теплопередачи и т.д. Например, нетопливный материал может включать огнеупорный материал, который может содержать по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir и Hf. В одном варианте выполнения нетопливный материал может содержать дополнительные выгорающие поглотители, такие как бор, гадолиний или индий.

Тепловыделяющие элементы, содержащие делимую композицию с использованием делимого ядерного топлива, могут иметь соотношение площади делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси, и площади внутренней части оболочки в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, которое изменяется с положением вдоль продольной оси. Такое соотношение может выборочно изменяться в нескольких разных местах вдоль продольной оси для выборочного проектирования профиля деформации для тепловыделяющего элемента, который достигается путем планирования ожидаемой деформации и/или выгорания для ожидаемого потока и перемещения тепловыделяющей сборки в топливных циклах в течение всего срока службы тепловыделяющей сборки. Профиль деформации может принимать во внимание или учитывать любое одно или несколько последствий работы ядерного реактора, таких как деформация материала, влияние температуры и давления, получение побочных продуктов реакции и фракций выделения газа в пределах конструктивной оболочки тепловыделяющего элемента, тепловыделяющей сборки и ядерного реактора, и дополнительно могут также учитывать или поддерживать выбранные характеристики активной зоны реактора, которые могут включать любую одну или несколько из: критичность активной зоны (k_eff>1), максимальную мощность активной зоны и т.д. Несмотря на то, что само выгорание недостаточно для достоверного определения деформации без дополнительной информации, включая рабочую температуру, побочный продукт реакции, геометрию компонентов и т.д., выгорание сильно коррелирует с деформацией и является потенциальным прокси-фактором для деформации. Специалисту следует понимать, что предел выгорания является подходящим прокси-фактором для деформации в некоторых случаях, и в некоторых случаях деформация является возможным прокси-фактором для пределов выгорания. Некоторые примеры ниже описаны с использованием пределов выгорания, а другие примеры описаны с использованием профилей деформаций. Специалисту следует понимать, что в качестве порога и/или профиля могут использоваться либо пределы выгорания, либо пределы деформации, либо любой другой подходящий параметр или характеристика активной зоны реактора, например, мера количества продуктов деления, мера деформации, температура и т.д. Как отмечено выше, выборочная регулировка эффективной плотности по длине тепловыделяющего элемента может адаптировать локальные области тепловыделяющего элемента к ожидаемым локальным условиям, которые могут включать одно или несколько из: выгорания, тепловой мощности, расхода теплоносителя и/или температуры, смещение на атом (DPA), динамику и/или скорость DPA и т.д. вдоль продольной длины тепловыделяющих элементов. Увеличение среднего фактического выгорания может увеличить эффективный срок службы тепловыделяющего элемента в активной зоне реактора, обеспечить эффективное использование ядерного топлива и/или позволить тепловыделяющему элементу иметь больший нейтронный вклад (и достичь более высокого выгорания) по сравнению с традиционными реакторами с недоиспользуемыми участками.

Соотношение делимого материала и площади поперечного сечения может изменяться в зависимости от положения вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента, что, как отмечено выше, может уменьшить пагубные последствия (выгорание и/или деформацию) и может увеличить использование топлива с течением времени вдоль продольной оси.

Соотношение может быть выражено как эффективная плотность тепловыделяющего элемента. Например, процент эффективной плотности может быть определен как:

где:

Area__Fuel=площадь делимого ядерного топлива в поперечном сечении тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси тепловыделяющего элемента, и

Area__{Interior Cross-Section}=площадь внутреннего объема оболочки в поперечном сечении тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси тепловыделяющего элемента.

В приведенном выше определении эффективной плотности делимое ядерное топливо означает любой материал, который способен претерпевать деление, включая делящийся ядерный материал и воспроизводимый ядерный материал, но не включая нетопливные материалы. Таким образом, эффективная плотность является функцией или соотношением количества делимого материала в определенной области, на который может влиять присутствие неделимого (нетопливного) материала, включая связующие материалы, пустоты в тепловыделяющем элементе, которые могут содержать существенный вакуум, газообразный неделимый материал и т.д. Эффективная плотность в приведенном выше уравнении выражается в процентах (%); эффективная плотность, в качестве альтернативы, может быть математически выражена как фракция, причем в этом случае она называется фракционной эффективной плотностью. В некоторых случаях эффективная плотность может изменяться по существу непрерывно, так что эффективная плотность в любом одном месте вдоль продольной длины может изменяться от непосредственной площади поперечного сечения, смежной с рассчитываемой эффективной плотностью. В некоторых случаях может быть целесообразным указать некоторую секционную или зональную объемную усредненную эффективную плотность с указанием скорости изменения эффективной плотности, а не представлять эффективную плотность в любой конкретной области поперечного сечения.

На Фиг. 2-6 показаны схематические виды в разрезе, выполненном по сечениям, соответственно, от А-А до Е-Е тепловыделяющего элемента 10, показанного на Фиг. 1А. Виды 200, 300, 400, 500, 600 в разрезе перпендикулярны продольной оси 20 тепловыделяющего элемента 10 и схематически изображают иллюстративное распределение делимой композиции, которая показана в виде таблетки. Интерстициальное расстояние между таблетками может необязательно содержать нетопливный материал, такой как связующий материал, существенный вакуум, газообразные материалы или любой подходящий материал. Виды в разрезе также графически иллюстрируют площадь делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярном продольной оси, и общую площадь внутреннего объема в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, которые могут быть использованы для определения соотношения этих двух площадей, которое изменяется с положением вдоль продольной оси. Соотношение, которое может быть выражено как эффективная плотность, в каждом из пяти указанных мест вдоль продольной оси 20 тепловыделяющего элемента 10, показано на указанных чертежах. Для иллюстративных целей сечения А-А и Е-Е расположены в продольных концах трубчатого тепловыделяющего элемента, а сечение С-С расположено вблизи продольного центра трубчатого тепловыделяющего элемента, сечения В-В и D-D расположены примерно на полпути между соответствующим продольным концевым сечением и продольным центральным сечением. Использование пяти сечений является иллюстративным и неограничивающим, при этом трубчатый тепловыделяющий элемент может иметь большее количество поперечных сечений с дискретными соотношениями (или эффективными плотностями), когда положения вдоль продольной оси подразделяются на все более тонкие и тонкие секции, что в результате создает ступенчатое изменение или по существу непрерывное изменение соотношения вдоль продольной оси.

На схематических видах на Фиг. 2-6 делимая композиция, включающая делимое ядерное топливо, сформирована в виде таблеток. На Фиг. 7 показан схематический вид в поперечном разрезе иллюстративного варианта выполнения топливной таблетки 700. Топливная таблетка 700 содержит делимую композицию 705, содержащую делимое ядерное топливо. Делимая композиция топливной таблетки может необязательно содержать нетопливный материал. Топливная таблетка 700 может необязательно содержать одно или несколько из наружного покрытия 710 и/или наполнителя 715. Наружное покрытие может быть любым подходящим материалом, а в некоторых случаях может включать материал, ограничивающий диффузию или взаимодействие между топливной композицией и любым из или обеими: охлаждающей жидкостью, оболочкой и т.д. Иллюстративные материалы наружного покрытия описаны ниже со ссылкой на футеровку оболочки. Материал наполнителя (как форма нетопливного материала) отличается от делимого ядерного топлива. Материал наполнителя может заполнять пустое пространство в конструкции топливного материала и/или распределяться или смешиваться с топливным материалом и может содержать газ, жидкость, твердый материал, вакуум, связующий материал, нейтронный яд или любой подходящий нетопливный материал для ядерного тепловыделяющего элемента.

Возвращаясь к видам в разрезе на Фиг. 2-6, топливные таблетки 210, 310, 410, 510, 610 распределены во внутреннем объеме трубчатого тепловыделяющего элемента. Топливные таблетки находятся в тепловом контакте друг с другом и с внутренней поверхностью оболочки. Пустоты, образованные между таблетками и между таблетками и оболочкой, обеспечивают объем для размещения, по меньшей мере первоначально, продуктов деления и, в частности, продуктов деления в виде газа, которые образуются во время облучения. В результате, пустоты способствуют уменьшению механических сил, в частности растягивающих сил, воздействующих на оболочку.

Топливные таблетки находятся в теплопередающем контакте с оболочкой. Например, механическая контактная связь позволяет передавать тепло, выделяемое в результате ядерных реакций, к оболочке, главным образом путем проводимости, либо непосредственно, либо через нетопливные материалы. Дополнительно или в качестве альтернативы, среда, такая как твердая или текучая среда (включая, например, жидкий металл или газ), может быть расположена в пространствах и может обеспечивать дополнительный путь проводимости для передачи тепла от таблетки к оболочке через твердое тело или даже жидкость, такой как связь с жидким металлом или связь с газом.

В дополнительных или в альтернативных вариантах выполнения оболочка тепловыделяющего элемента может содержать футеровку на внутренней поверхности оболочки, которая отделяет топливо (в форме таблетки, форме губки или другой форме) от наружного оболочечного материала. В некоторых случаях, особенно при высоких выгораниях, состав топлива и оболочки могут иметь тенденцию к диффузии, что вызывает нежелательное легирование и/или разрушение материала топлива и оболочки (например, путем делегирования содержимого слоя топлива и/или оболочки или формирования нового сплава с ухудшенными механическими свойствами). Футеровка может служить барьерным слоем между топливом и материалом оболочки для уменьшения такой межатомной диффузии. Например, одна или несколько футеровок оболочки могут быть использованы для уменьшения межатомной диффузии между элементами в делимой композиции топлива и материала оболочки, чтобы избежать, например, деградации материала топлива и/или оболочки. Футеровка может содержать один слой или несколько слоев. В случае, когда футеровка содержит несколько слоев, эти слои могут содержать одни и те же или разные материалы и/или иметь одинаковые или разные свойства. Например, в одном варианте выполнения, по меньшей мере, некоторые из слоев могут содержать один и тот же материал, тогда как некоторые из них содержат различные материалы.

В одном примере наружный оболочечный материал может содержать по меньшей мере один материал, выбранный из металла, металлического сплава и керамики. В одном варианте выполнения оболочка может содержать огнеупорный материал, такой как тугоплавкий металл, включающий по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Сг, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. Металлическим сплавом в слое оболочки может быть, например, сталь. Сталь может быть выбрана из мартенситной стали, аустенитной стали, ферритной стали, оксидно-дисперсной стали, стали Т91, стали Т92, стали НТ9, стали 316 и стали 304. Сталь может иметь любую микроструктуру. Например, сталь может содержать по меньшей мере одну из мартенситной фазы, ферритной фазы и аустенитной фазы. Оболочка может содержать первую футеровку, прилегающую к наружному материалу оболочки, и может содержать материал, выбранный для уменьшения межатомной диффузии и/или взаимодействия с наружной оболочкой и второй футеровкой. Вторая футеровка, расположенная рядом с первой футеровкой и образующая внутреннюю поверхность для содержания топливной композиции, может содержать материал, выбранный для уменьшения межатомной диффузии или взаимодействия с первой футеровкой и топливной композицией. Пример подходящего материала для использования в качестве футеровки включает один или несколько сплавов, включая Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Сг, Ru, Rh, Os, Ir, Nd и Hf. Футеровка оболочки может быть нанесена на внутреннюю поверхность наружного материала оболочки, может быть нанесена на наружную, обращенную к оболочке поверхность топливной композиции и/или может быть слоем материала, расположенным между наружным материалом оболочки и топливной композицией и/или любым подходящим способом.

В трехмерном тепловыделяющем элементе топливные таблетки занимают по меньшей мере часть внутреннего объема, ограниченного оболочкой. Однако на двумерных видах в разрезе на Фиг. 2-6 топливные таблетки 210, 310, 410, 510, 610 занимают часть внутренней области, ограниченной внутренними поверхностями 220, 320, 420, 520, 620 стенок 230, 330, 430, 530, 630, которые составляют оболочку 240, 340, 440, 540, 640, и между самими топливными таблетками и между топливными таблетками и внутренней поверхностью оболочки образуется промежуточное пространство 250, 350, 450, 550, 650. Обычно промежуточное пространство может занимать нетопливный материал, такой как связующий и/или охлаждающий материал, такой как твердое вещество или текучую среду, которая в некоторых случаях может содержать жидкий металл или газ, формирующий, соответственно, связь с жидким металлом или газовую связь. Еще одна характеристика иллюстрируемого тепловыделяющего элемента заключается в том, что существует теплопроводящий контакт (одна из форм теплопередачи) между по меньшей мере некоторыми из топливных таблеток 210, 310, 410, 510, 610 и стенками 230, 330, 430, 530, 630 как непосредственно с помощью топливной таблетки на оболочку (или топливной таблетки на футеровку), а также косвенно через связующий материал в пространствах 250, 350, 450, 550, 650.

На любом из видов в поперечном разрезе часть площади, занимаемой делимым материалом указанных топливных таблеток 210, 310, 410, 510, 610, представляет собой значение для Area_Fuel in в уравнении эффективной плотности, а площадь, ограниченная внутренними поверхностями 230, 330, 430, 530, 630 стенок 240, 240, 440, 540, 640, которые составляют оболочку 250, 350, 450, 550, 650, является значением для Area_{interior Cross-Section} в уравнении эффективной плотности. Если в оболочке имеется футеровка, то значение для Area_{interior Cross-Section} определяется с использованием самой внутренней поверхности футеровки, то есть поверхности, открытой во внутренний объем.

Соотношение площади поверхности делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярном продольной оси, и площади поверхности внутренней части оболочки в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента может изменяться с положением вдоль продольной оси с помощью любого подходящего средства и может быть выборочно выполнено или сформировано на основе наличия и количества любого неделимого материала, включая любой один или несколько из интерстициальных промежутков между топливными таблетками, пустоты внутри таблетки, другой нетопливный материал в таблетке, и т.д., или любым другим подходящим образом.

Например, продольное изменение может быть достигнуто путем изменения загрузки топлива делимой композиции. Делимая композиция, такая как в каждой таблетке, может изменяться (например, путем изменения относительных количеств одного или нескольких делимого материала и нетопливного материала). Нетопливный материал включает одно или несколько из интерстициальных промежутков, пустот в топливной композиции, наполнитель, связующий материал, теплоноситель и т.д. В этом примере количество нетопливного материала в топливной композиции может быть выборочно изменено для достижения требуемой загрузки топлива. Затем таблетки различной композиции могут быть расположены продольно в трубчатом тепловыделяющем элементе, чтобы установить требуемое продольное изменение указанного соотношения (или эффективной плотности).

В альтернативном или дополнительном примере продольное изменение может быть достигнуто путем изменения размера тел, содержащих делимую композицию. Геометрический размер топливной таблетки (или другой формы тела делимой композиции) может изменяться и может принимать форму любого одного или нескольких из порошков, частиц, блоков и т.д. Размер и форма таблетки могут быть рассчитаны и таблетки могут быть изготовлены на основе требуемой эффективной плотности, включая расчет как объема, так и площади поперечного сечения делимого материала и нетопливного материала, включая пустоты внутри таблетки, интерстициальные промежутки между таблетками, загрузку топлива и т.д., учитывая объем внутренней оболочки тепловыделяющего элемента, ее форму и размер. Такие таблетки затем могут быть загружены с большей или меньшей плотностью поперечного сечения в продольных положениях в трубчатом тепловыделяющем элементе, чтобы установить требуемое продольное изменение соотношения (или эффективной плотности). Кроме того, в зависимости от формы таблетки, более крупные таблетки могут уменьшать плотность загрузки, в результате контакта между таблетками, оставляя большую площадь или меньшую площадь для интерстициального пространства между таблетками. В связи с этим при плотности плотной упаковки для заданного размера сферических таблеток меньший сферический размер будет иметь тем меньшие промежутки между контактирующими таблетками, чем более крупный сферический размер.

В качестве альтернативного или дополнительного примера, комбинация размеров и/или форм может дополнительно выборочно уменьшать промежутки между контактирующими таблетками в результате использования соответствующего размера небольших таблеток, занимающих промежутки между контактирующими большими таблетками. Уплотнение или усадка таблеток (независимо от того, имеют ли они одинаковые или разные размеры и/или формы) в оболочке, может быть выполнена любым подходящим способом, включая, но не ограничиваясь этим, механическим (включая трамбовку, давление, продувку воздухом), вибрацию и т.д.

В дополнительных или альтернативных примерах нетопливный материал может быть смешан или распределен с делимым материалом внутри топливной таблетки и/или в отдельных таблетках может быть предусмотрен нетопливный материал. Таблетки нетопливного материала могут быть смешаны с таблетками делимой композиции, чтобы обеспечить требуемую эффективную плотность для этого конкретного места вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента. Дополнительно или в качестве альтернативы, пустоты (заполненные либо вакуумом, либо другим нетопливным материалом) внутри топливных таблеток могут обеспечивать механизм изменения загрузки топлива в тепловыделяющем элементе.

В следующем примере продольное изменение может быть достигнуто путем распределения таблеток в среде. Структура или материал в тепловыделяющем элементе может обеспечивать среду для распределения таблеток или других тел, содержащих делимую композицию. Для заполнения пространства между таблетками можно использовать достаточно плотный связующий материал или негазообразный связующий материал. Такой связующий материал можно использовать в подходящем количестве для изменения расстояния между таблетками (и между таблетками и внутренними поверхностями стенок) и, тем самым, получить более высокую или более низкую плотность поперечного сечения в продольных положениях трубчатого тепловыделяющего элемента, чтобы установить требуемое продольное изменение соотношения (или эффективной плотности).

Любой из вышеуказанных способов или комбинации одного или нескольких из вышеуказанных способов для достижения изменения может быть использован для достижения различных и/или более сложных градаций в продольном распределении соотношения или эффективной плотности. Например, изменение загрузки топлива таблетки может сочетаться с изменением размера тел, содержащих делимую композицию.

На Фиг. 2-6 графически представлен один пример, в котором эффективная плотность может изменяться в зависимости от положения вдоль продольной оси в одном тепловыделяющем элементе. Как видно из Фиг. 2-6, эффективная плотность варьируется в зависимости от плотности в любой из секции А-А, секции В-В, секции С-С, секции D-D и секции Е-Е и иллюстрирует соотношение (или эффективную плотность), изменяющуюся с положением вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента. В целом, в иллюстративных вариантах выполнения эффективная плотность может варьироваться в зависимости от положения вдоль оси между минимум 30%, в качестве альтернативы 50%, и максимум 100%, в качестве альтернативы 75% или 70%.

В качестве дополнительной или альтернативной модификации, эффективная плотность на каждом продольном конце трубчатого тепловыделяющего элемента может быть больше, чем эффективная плотность в продольном центре трубчатого тепловыделяющего элемента. На Фиг. 2-6 проиллюстрирован такой иллюстративный вариант выполнения, в котором при сравнении Фиг. 2 (вид в поперечном разрезе на первом продольном конце) и Фиг. 6 (вид в поперечном разрезе на втором продольном конце) с Фиг. 4 (вид в поперечном разрезе в продольном центре) можно легко убедиться, что площадь поверхности, занимаемая топливными таблетками 210, 610 на первом продольном конце и втором продольном конце, больше площади поверхности, занимаемой топливными таблетками 410 в продольном центре.

В дополнительной модификации эффективная плотность на первом продольном конце трубчатого тепловыделяющего элемента больше, чем эффективная плотность на втором продольном конце трубчатого тепловыделяющего элемента. На Фиг. 2-6 также проиллюстрирован этот иллюстративный вариант выполнения, в котором при сравнении Фиг. 2 (вид в поперечном разрезе на первом продольном конце) с Фиг. 6 (вид в поперечном разрезе на втором продольном конце) можно убедиться, что площадь поверхности, занимаемая топливными таблетками 210 на первом продольном конце, больше площади поверхности, занимаемой топливными таблетками 610 на втором продольном конце.

Фиг. 8-10 на виде в разрезе иллюстрируют часть тепловыделяющего элемента, изменение плотности топливных таблеток (топливных таблеток на единицу объема) вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента путем изменения относительного количества топливных таблеток (и их соответствующего количества топливной композиции с необязательными нетопливными материалами) и нетопливных компонентов (будь то связующие материалы, пустоты или другие неделимые материалы), используемые для заполнения внутреннего объема во время изготовления тепловыделяющего элемента. На схематических видах в разрезе топливные таблетки 810 расположены во внутреннем объеме тепловыделяющего элемента 800 между стенками 820 оболочки 830. Для достижения более низкой эффективной плотности, топливные таблетки могут быть распределены во внутреннем объеме так, что большинство топливных таблеток является дискретными топливными таблетками (что означает, что топливная таблетка непосредственно механически не контактирует с другой топливной таблеткой), несмотря на то, что некоторые топливные таблетки могут контактировать с другими топливными таблетками, как видно из Фиг. 8. Также как видно из Фиг. 8, топливные таблетки 810 могут либо находиться в контакте с внутренними поверхностями 840 стенок 820, либо находиться на расстоянии от внутренних поверхностей 840 стенок 820, или может иметь место комбинация таких положений. Связующий материал 850, такой как газообразный гелий или жидкий натрий или твердое вещество и/или любой другой подходящий нетопливный материал расположен в пространстве, окружающем топливные таблетки 810 и между ними, и расположен между топливными таблетками 810 и внутренними поверхностями 840 стенок 820. Связующий материал может обеспечивать, по меньшей мере частично, теплопередающий контакт между топливными таблетками и оболочкой.

Для достижения более высокой эффективной плотности топливные таблетки могут быть распределены во внутреннем объеме с большим соотношением топливных областей и нетопливных областей. Например, большинство топливных таблеток или, в качестве альтернативы, все топливные таблетки могут контактировать с соседней топливной таблеткой, несмотря на то, что могут быть некоторые промежутки, разделяющие смежные топливные таблетки, чтобы обеспечить структуру упаковки топливных таблеток во внутреннем объеме, как видно в тепловыделяющем элементе 800', изображенном на Фиг. 9. Также как показано на Фиг. 9, топливные таблетки 810 могут контактировать с внутренними поверхностями 840 стенок 820, несмотря на то, что некоторые топливные таблетки 810 могут находиться на расстоянии от внутренних поверхностей 840 стенок 820, и имеется комбинация таких положений. Контакт между соседними топливными таблетками 810 может быть обеспечен, например, с помощью вибрационных технологий, механических способов (таких как трамбовка, поток текучей среды и т.д.), хотя упакованные топливные таблетки необязательно находятся в положении с плотной упаковкой. На Фиг. 9 контакт между соседними топливными таблетками в первой области 860 является положением с плотной упаковкой, а контакт между соседними топливными таблетками во второй области 870 находится в упакованной конфигурации, но не с плотной упаковкой. Связующий материал 850, который может быть любым подходящим твердым или текучим связующим материалом, таким как жидкометаллический теплоноситель, такой как жидкий натрий, расположен в пространстве, окружающем топливные таблетки 810 и между ними, и расположен между топливными таблетками 810 и внутренними поверхностями 840 стенок 820.

В некоторых случаях размер и/или форма топливной таблетки и/или нетопливного материала могут быть выбраны для обеспечения правильной, предсказуемой установки в пределах заданного измерения (размера и формы) внутренней оболочки. Например, некоторые сферические и/или правильные многоугольники могут иметь предсказуемую и выбранную укладку или конструкцию при введении или размещении во внутреннем пространстве оболочки, например, показанной на Фиг. 10.

В дополнительном или альтернативном примере количество делимого ядерного топлива на единицу объема, то есть загрузка ядерного топлива, может варьироваться, а продольное изменение эффективной плотности может быть достигнуто с использованием таблеток с более высокой или более низкой загрузкой ядерного топлива. Загрузка делимого ядерного топлива может быть определена и выбрана, чтобы изменяться в продольном направлении по длине тепловыделяющего элемента дискретным или непрерывным образом в зависимости от способа изготовления таблеток с различной загрузкой ядерного топлива. Используя такие таблетки, может быть достигнуто изменение эффективной плотности путем размещения топливных таблеток с различной загрузкой ядерного топлива в разных местах или областях вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента. Например, таблетки с большей загрузкой делимого ядерного топлива могут быть расположены в продольных местах, которые должны иметь более высокие эффективные плотности, а таблетки с меньшей загрузкой делимого ядерного топлива могут быть расположены в продольных местах, которые должны иметь более низкие эффективные плотности. Фиг. 10 схематично изображает другой вариант выполнения тепловыделяющего элемента 800" с топливными таблетками 880а, 880b с разными загрузками делимого ядерного топлива, которые были загружены в разные слои внутреннего объема, чтобы, таким образом, сформировать дискретные области А, В вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента. В варианте выполнения, изображенном на Фиг. 10, топливные таблетки 880а имеют более низкую загрузку делимого ядерного топлива, чем топливные таблетки 880b, а область А имеет более низкую эффективную плотность, чем область В.

Несмотря на то, что в настоящем документе описаны некоторые примеры в виде таблетки, таблетка не ограничивается сферической геометрической формой, но может представлять собой любую объемную форму, включающую продолговатую, яйцевидную, цилиндрическую, стержнеобразную, коническую, прямолинейную или любую другую замкнутую объемную форму, если только делимая композиция в каждой такой геометрической форме может быть количественно определена и, при необходимости, выборочно модифицирована до любой подходящей формы. Например, в дополнительных или альтернативных вариантах выполнения делимая композиция может содержаться внутри тела, имеющего форму кольцевого блока. Фиг. 11А и 11В иллюстрируют такую форму на виде сверху (Фиг. 11А), если смотреть вдоль продольной оси, и на виде сбоку (Фиг. 11В), если смотреть вдоль радиальной оси. Кольцевой блок 900 имеет корпус 905 с наружными стенками 910, соединяющими продольно отделенную верхнюю поверхность 915 и нижнюю поверхность 920. Кольцевой блок 900 имеет центральный канал 925, проходящий от верхней поверхности 915 до нижней поверхности 920.

В варианте выполнения, показанном на Фиг. 11А-В, диаметр наружных стенок по существу постоянен вдоль продольной длины, а количество делимого материала вдоль продольной длины может варьироваться любым подходящим способом путем изменения загрузки топлива, количества нетопливного материала и/или путем регулировки пустот или интерстициального расстояния. В дополнительных или альтернативных вариантах выполнения, например, как показано на Фиг. 12А и 12 В, диаметр наружных стенок может изменяться. На Фиг. 12А и 12 В показан один вариант изменения наружной стенки корпуса. На Фиг. 12А и 12 В наружная стенка 910' корпуса 905' кольцевого блока 900' имеет, относительно продольного центра С, диаметр D', который уменьшается, когда наружная стенка 910' проходит в продольном направлении от верхней поверхности 915' и нижней поверхности 920' к средней области 930. Такие наружные стенки 910' могут быть прямолинейными или могут иметь вогнутость или выпуклость или иметь комбинацию таких поверхностей. Кроме того, наружные стенки 910' с уменьшающимся диаметром D' в средней области 930 могут придавать форму корпусу 905' вдоль продольной длины каждого блока. Например, тело может иметь наружную поверхность с уменьшенным центральным диаметром в центральной части по сравнению с первым диаметром тела на первой концевой части и по сравнению со вторым диаметром на второй концевой части. Такая форма в некоторых вариантах выполнения может быть формой гиперболоида или гиперболического параболоида. В дополнительных или альтернативных примерах наружная поверхность может изменяться не только вдоль продольной длины каждого тела, но, дополнительно или альтернативно, композитный эффект множества блоков, расположенных в тепловыделяющем элементе, может придать такую форму вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента. Изменение диаметра или ширины делимого материала в блоке обеспечивает другой механизм изменения загрузку делимого ядерного топлива вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента, используя блоки разной формы, выборочно расположенные вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента, чтобы придать требуемую форму, такую как форма гиперболоида или гиперболического параболоида.

Несмотря на то, что каналы 925, 925', показанные на Фиг. 11А-В и 12А-В, являются цилиндрическими и расположены симметрично относительно продольной оси корпуса, причем канал может иметь любую подходящую форму и быть расположен в любом положении в корпусе кольцевого блока, либо расположен не по центру продольной оси в радиальном направлении, расположен в виде нескольких каналов и/или расположен в некотором продольном объеме блока и отсутствовать в других продольных объемах блока. Следует понимать, что любое одно или несколько из предшествующего может использоваться по мере необходимости. Дополнительно или в качестве альтернативы, радиус канала 925, 925' может изменяться аналогично и/или отличаться от изменения радиуса наружной стенки 910, 910' блока.

Делимая композиция расположена внутри тела 905, 905' кольцевого блока 900, 900' и может иметь однородный состав по всему телу 905, 905' или может варьироваться в любом или обоих направлениях в продольном и радиальном направлениях. Несколько кольцевых блоков 900, 900' могут быть расположены, например, уложены во внутреннем объеме трубчатого тепловыделяющего элемента. Каналы 925, 925' пробок 900, 900' при укладке в тепловыделяющий элемент могут быть выборочно выровнены или смещены, в зависимости от того, что является подходящим. Размеры диаметра (D, D' стенок наружного диаметра и размеры диаметра (d, d') канала могут варьироваться. Кроме того, изменение одного или нескольких из этих размеров изменяет объем тела блока, а изменяя объем между несколькими блоками в трубчатом тепловыделяющем элементе, такое изменение объема тела может быть использовано для регулировки загрузки топлива для по меньшей мере части или всех требуемых продольных изменений указанного соотношения (или эффективной плотности). В качестве альтернативы или дополнительно, продольное изменение указанного соотношения (или эффективной плотности) может быть установлено путем изменения композиции в одном или нескольких телах или путем изменения размеров диаметров (D, d или D', d') в одном или нескольких телах. Несмотря на то, что блоки, показанные на Фиг. 11А-В и 12А-В, показывают концы блоков, по существу перпендикулярные продольной оси, следует понимать, что один или оба конца блока могут быть перпендикулярными продольной оси и/или может иметься любая подходящая форма, чтобы либо выборочно размещаться с соседними блоками и/или создать выбранные интерстициальные пространства для выборочной регулировки эффективной плотности.

Корпуса, имеющие форму кольцевого блока, могут быть расположены внутри тепловыделяющего элемента любым подходящим способом. Фиг. 13А-В представляют собой схематические виды в разрезе части тепловыделяющего элемента, показывающие кольцевые тела блоков, такие как показаны на Фиг. 11А-В и Фиг. 12А-В. В проиллюстрированном варианте выполнения корпуса 905, 905' находятся в уложенном в продольном направлении положении относительно стенок 930, 930' оболочки тепловыделяющего элемента. Между телами, например, топливным материалом и оболочкой, могут иметься один или несколько зазоров 935, 935', хотя зазоры и не требуются. В некоторых вариантах выполнения зазор заполнен нетопливным материалом. В одном варианте выполнения нетопливный материал представляет собой газ под давлением, такой как сжатый гелий; в другом варианте выполнения зазор заполнен жидким металлом, таким как натрий.

В некоторых случаях эффективная плотность может различаться между различными топливными таблетками или блоками. Несмотря на то, что следующий пример обсуждается в отношении блоков, имеющих форму таблетки, специалист в данной области техники поймет, что любая форма таблетки может использовать нижеприведенные способы. Например, эффективная плотность блока 905b, показанного на Фиг. 13А, может быть больше, чем эффективная плотность блока 905а. В некоторых случаях, если разница между эффективной плотностью соседних блоков превышает порог разности эффективной плотности, то в области или в области точки или плоскости контакта между двумя различными блоками (например, место 940 на Фиг. 13A) может возникнуть дополнительное количество деформации. В некоторых случаях минимальный порог эффективной плотности может использоваться для ограничения различных эффективных плотностей в соседних блоках. В качестве альтернативы и/или дополнительно, локализованная область одного или обоих блоков 905а, 905b, расположенных вблизи другого блока, может иметь меньшую слегка большую эффективную плотность (как в случае эффективной плотности блока 905а) и/или слегка меньшую (как в примере блока 905b). Дополнительные блоки могут быть добавлены между блоками 905а, 905b, чтобы влиять на альтернативные эффективные плотности и/или эффективная плотность в телах любом из или обоих блоках 905а, 905b может локально регулироваться либо непрерывно, либо в сегменте тела блока вблизи локализованного контакта с другим блоком. Такая локализованная корректировка может использоваться, если это необходимо для ограничения скорости изменения эффективной плотности и/или для ограничения локальной разницы между эффективными плотностями.

Изготовление блоков и/или таблеток может быть выполнено любым подходящим способом, включая любое одно или несколько из: экструзии, разрезания или дробления больших твердых частиц с образованием твердых частиц меньшего размера, формования, уплотнения порошка со спеканием или без него, удаления выбранных областей отформованных материалов (например, для пустот, формы, размера, кольцевых каналов и т.д.), например, механическими средствами, например, сверлением, механической обработкой, шлифованием и т.д., химическими средствами, например, растворением, взаимодействием, преобразованием, разложением и т.д., или их комбинацией.

На Фиг. 14-18 показаны схематические виды в поперечном разрезе, выполненные по сечениям, соответственно, А'-А', В'-В', С-С, D'-D' и Е'-Е', тепловыделяющего элемента 100, показанного на Фиг. 1С. Виды 1000, 1100, 1200, 1300, 1400 в поперечном разрезе перпендикулярны продольной оси 120 тепловыделяющего элемента 100 и схематически иллюстрируют распределение делимой композиции и пустот. Виды в поперечном разрезе также графически изображают площадь поверхности делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярном продольной оси, и общую площадь поверхности внутреннего объема в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, которые могут быть использованы для определения соотношения этих двух площадей поверхности, которые изменяются с положением вдоль продольной оси. Соотношение, которое может быть выражено как эффективная плотность, в каждом из пяти указанных мест вдоль продольной оси 120 тепловыделяющего элемента 100, показано на Фиг. 14-18. В иллюстративных целях секции А'-А' и Е'-Е' расположены в направлении продольных концов трубчатого тепловыделяющего элемента, секция С-С расположена вблизи продольного центра трубчатого тепловыделяющего элемента, секции В'-В' и D'-D' расположены примерно на полпути между соответствующими продольными концевыми секциями и продольной центральной секцией. Использование пяти секций является иллюстративным и неограничивающим, причем трубчатый тепловыделяющий элемент может иметь все гораздо большее количество поперечных сечений с дискретными соотношениями (или эффективными плотностями), по мере того как положения вдоль продольной оси подразделяются на все более тонкие и тонкие секции, что в результат приводит к ступенчатому изменению или непрерывному изменению соотношения вдоль продольной оси. Следует также принимать во внимание, что количество секций с подобными эффективными плотностями может включать одно или несколько отдельных тел (таких как блоков) с одинаковыми эффективными плотностями. Также следует понимать, что множество тел (таких как блоков) в секции с аналогичной эффективной плотностью может достигать эффективной плотности в любой одной или комбинаций описанных выше способов, таких как любое одно или несколько из: загрузки топлива, делимого материала, интерстициальных пространств, пустот в топливе, ширины блока и т.д.

На схематичных видах, показанных на Фиг. 14-18, делимое ядерное топливо находится в форме металлической губки. Металлическая губка 1010, 1110, 1210, 1310, 1410 содержит матрицу 1020, 1120, 1220, 1320, 1420 из делимого ядерного топлива (содержащую делимое ядерное топливо и нетопливный материал) и нетопливные области 1030, 1130, 1230, 1330, 1430 в матрице 1020, 1120, 1220, 1320, 1420. Нетопливные области обычно представляют собой нетопливный твердый материал и/или пустоты, которые по существу заполнены вакуумом или газом, например, гелием. В трехмерном тепловыделяющем элементе металлическая губка занимает по меньшей мере часть внутреннего объема, заключенного в оболочку. Однако, на двумерных видах в поперечном разрезе, показанных на Фиг. 14-18, металлическая губка 1010, 1110, 1210, 1310, 1410 занимает часть внутренней области, ограниченной внутренними поверхностями 1040, 1140, 1240, 1340, 1440 стенки 1050, 1150, 1250, 1350, 1450 оболочки 1060, 1160, 1260, 1360, 1460. Еще одна характеристика проиллюстрированного тепловыделяющего элемента заключается в том, что между по меньшей мере частью металлической губки 1010, 1110, 1210, 1310, 1410 и стенкой 1050, 1150, 1250, 1350, 1450 (или с футеровкой оболочки или с другим покрывающим слоем, если таковой имеется) существует теплопроводящий контакт (одна из форм теплопередачи). Такой теплопроводящий контакт может присутствовать на более чем 50%, альтернативно более чем 70%, более чем 80%, более чем 90% до 95%, 98% или 99% от периметра металлической губки 1010, 1110, 1210, 1310, 1410. Где металлическая губка не создает механического контакта, пространство между металлической губкой 1010, 1110, 1210, 1310, 1410 и стенкой 1050, 1150, 1250, 1350, 1450 (или футеровкой оболочки или другим покрывающим слоем, где присутствует) может быть занята нетопливным материалом, таким как жидкий металл или газ, формируя, соответственно, связь с жидким металлом или связь с газом. Несмотря на то, что Фиг. 14-18 показаны с постоянным диаметром без кольцевого канала, следует понимать, что для установления требуемого изменения эффективной плотности вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента с металлической губкой может быть дополнительно использована любая комбинация этих признаков и других признаков.

На любом виде в поперечном разрезе количество делимого ядерного топливного материала в топливной композиции в части площади поверхности, занимаемой матрицей 1020, 1120, 1220, 1320, 1420 металлической губки 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, представляет собой значение для площади Area_Fuei в уравнении эффективной плотности, а площадь, ограниченная внутренними поверхностями 1040, 1140, 1240, 1340, 1440 стенки 1050, 1150, 1250, 1350, 1450, образованной оболочкой 1060, 1160, 1260, 1360, 1460, является значением для Area_{Interior Cross-Section} в уравнении эффективной плотности. Как видно из Фиг. 14-18, эффективная плотность меняется между значением в любой из секций А'-А' и значением в секции Е'-Е', и иллюстрирует эффективную плотность, изменяющуюся с положением вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента.

На Фиг. 14-18 также проиллюстрирована модификацию, где эффективная плотность на каждом продольном конце трубчатого тепловыделяющего элемента больше, чем эффективная плотность в продольной центральной области трубчатого тепловыделяющего элемента. Сравнивая Фиг. 14 (поперечный разрез на первом продольном конце) и Фиг. 18 (поперечный разрез на втором продольном конце) с Фиг. 16 (поперечный разрез в продольной центральной области) можно легко убедиться, что площадь, занимаемая матрицей 1020, 1420 делимого ядерного топлива на первом продольном конце и втором продольном конце, больше площади, занимаемой матрицей 1220 делимого ядерного топлива в продольном центре.

Кроме того, Фиг. 14-18 иллюстрируют дополнительную или альтернативную модификацию, в которой эффективная плотность на первом продольном конце тепловыделяющего элемента больше, чем эффективная плотность на втором продольном конце тепловыделяющего элемента, причем оба конца имеют эффективная плотность, которая больше чем эффективная плотность центральной области. Сравнивая Фиг. 14 (вид в поперечном разрезе на первом продольном конце) с Фиг. 18 (вид в поперечном разрезе на втором продольном конце) можно легко убедиться, что площадь, занимаемая матрицей 1020 делимого ядерного топлива на первом продольном конце, больше площади, занимаемой матрицей 1420 делимого ядерного топлива на втором продольном конце.

В вариантах выполнения, в которых делимое ядерное топливо расположено либо внутри матрицы металлической губки, либо как часть металлической губки и расположено во внутреннем объеме тепловыделяющего элемента, либо и так и так, модификации эффективной плотности могут быть получены с помощью подходящих средств. Например, металлическая губка может быть сформирована с конкретной долей матрицы и пустоты, в которой матрица имеет номинально равномерное количество делимого ядерного топлива. В этом случае изменение эффективной плотности может быть достигнуто путем изменения доли между матрицей и пустотным пространством, по мере того, как заполняются различные участки внутреннего объема тепловыделяющего элемента вдоль его продольной длины. Для достижения более низкой эффективной плотности количество матрицы уменьшают и увеличивают количество пустот. Аналогично, для достижения более высокой эффективной плотности количество матрицы увеличивают и уменьшают количество пустот. Один способ изготовления для управления относительными количествами матрицы и пустоты в заданной области состоит в использовании способа инжекции газа, в котором материал матрицы пропускают через воздуходувку или другой инжектор и он захватывает газообразную среду. Газообразная среда может представлять собой инертный газ или газ, который может функционировать как газовая связь. Количество газообразной среды, захваченной на единицу объема матрицы, можно регулировать и корректировать для получения продольного изменения соотношения площади делимого ядерного топлива к общей площади внутреннего объема. Другие способы изготовления, которые могут быть использованы дополнительно или в качестве альтернативы, включают уплотнение порошка с процессом спекания для уплотнения и образования межчастичных металлургических связей (которые могут необязательно сопровождаться приложением внешнего давления), причем один или несколько процессов спекания могут удалять части исходного спеченного порошка благодаря различиями в точках плавления, или в процессе порошковой упаковки, формированию пустот в формах, высверливанию пустот в предварительно сформированном твердом теле или пене, гидрированию / дегидрированию и/или в процессе 3D-печати.

В целом, эффективная плотность может изменяться в зависимости от положения вдоль оси между минимум 30% и максимум 75%. В качестве альтернативы, эффективная плотность составляет от 50% до 70%. Топливо с более высокой эффективной плотностью может использоваться для компенсации долгосрочных эффектов поглотителя нейтронов на распределение выгорания. Нейтронные поглотители стремятся уменьшить поток, тогда как топливо с более высокой эффективной плотностью воспроизводит больше делимого топлива и, как правило, увеличивает поток. Кроме того, теплоноситель реактора, сначала поступающий в активную зону ядерного реактора, имеет тенденцию быть более холодным (и более плотным), чем теплоноситель, выходящий из активной зоны реактора, что приводит к более высокому поглощению нейтронов и более низкому потоку вблизи точки входа теплоносителя (обычно на одном конце тепловыделяющего элемента) и более низкому поглощению нейтронов и более высокому потоку вблизи точки выхода теплоносителя (как правило, на противоположном конце тепловыделяющего элемента). Кроме того, поскольку точка выхода теплоносителя обычно находится при более высокой температуре, чем точка входа теплоносителя, температурная ползучесть и другие температурные эффекты, воздействующие на тепловыделяющий элемент, могут быть более значительными и, следовательно, могут потребовать еще более низкого поток для управления этими эффектами. Кроме того, управляющие стержни, как правило, «толкают вниз» в направлении от одного продольного конца тепловыделяющего элемента к центральной области тепловыделяющего элемента. Эти эффекты могут быть учтены при определении ожидаемого нейтронного потока, а также учтены при расчете и выборе эффективной плотности для топлива в различных местах по длине тепловыделяющего элемента для компенсации или влияния на ожидаемое распределение потока по длине тепловыделяющего элемента. Основываясь на этих принципах, тепловыделяющий элемент с многозначной эффективной плотностью может иметь различные выбранные эффективные плотности в выбранных местах вдоль длины тепловыделяющего элемента, чтобы способствовать воспроизводству на одном конце тепловыделяющего элемента, вытягивая, тем самым, распределение потока в направлении или от одного или другого продольного конца тепловыделяющего элемента и/или уменьшая скорость изменения или увеличивая сглаживание распределения потока по длине тепловыделяющего элемента).

Многие переменные способствуют деформации тепловыделяющих элементов, такие как выгорание, статистика смещения на атом (DPА), статистика скорости DPА, высвобождение газообразных продуктов деления, эффективная плотность, статистика времени, материал оболочки, размеры оболочки и рабочие температуры, такие как линейная скорость нагрева, коэффициент теплоотдачи и даже различия эффективной плотности в разных точках. В различных вариантах выполнения, раскрытых в настоящем документе, топливо может быть выборочно определено на основании предела деформации для заданного выгорания в этом месте, а также с учетом температурной ползучести, потока и/или выгорания. Для варианта выполнения с дискретными топливными телами, будь то в форме топливных таблеток или в форме топливных блоков или в виде тела другой формы, могут использоваться разные диаметры (как внутренние, так и наружные диаметры в соответствующих случаях). Например, в случае топливных таблеток или стержней, диаметры топлива могут быть большими на первом продольном конце (т.е. вплоть до предела деформации или заданного выгорания в этом месте), более узкими в середине (область с наибольшим выгоранием) продольно ориентированного тепловыделяющего элемента, а затем расширяться на втором продольном конце (то есть до предела деформации или заданного выгорания в этом месте). Температурная ползучесть больше на конце тепловыделяющего элемента, который служит в качестве выхода для охлаждающей среды из-за более высоких температур в этой области, поэтому для более длительной эксплуатации фактические требования к выгоранию и конструкции, такие как эксплуатационная ползучесть, должны быть рассчитаны итерационно на компьютере, чтобы найти оптимальное значение. Аналогичные соображения могут быть применены для форм топлива, которое представляет собой кольцевое, вспененное топливо или упакованные таблетки с требуемой пористостью, загрузку топлива и т.д. Кроме того, исходное топливо может загружаться с различной пористостью (в дополнение или как альтернатива загрузке топлива с полной плотностью). Металлическое топливо, такое как в TWR, расширяется за счет твердых и газообразных продуктов деления. Металлическое топливо имеет тенденцию заполнять объем, в котором оно содержится, в пределах начального выгорания на пару процентов (в начале срока использования). Чтобы поддерживать перенос газообразных продуктов деления в тепловыделяющем элементе, первоначальная эффективная плотность, пористость и характеристика выгорания топлива могут рассматриваться в пределах расчетных пределов деформации формы топлива, агрегатных тепловыделяющих сборок и активной зоны в целом.

Фиг. 19 иллюстрирует иллюстративный способ уменьшения предела деформации и/или увеличения пределов выгорания топлива путем определения требуемого распределения потока и коррелированного распределения эффективной плотности. Несмотря на то, что способ представлен в виде последовательности этапов в иллюстративных целях, эта последовательность не ограничивает объем заявленных способов, при этом специалистам в данной области техники будут понятны модификации и изменения, которые могут быть сделаны для порядка, время и т.д. этой последовательности. На этом чертеже представлена последовательность этапов или блок-схем, иллюстрирующих реализации. Для простоты понимания этапы или блок-схемы организованы таким образом, что начальные этапы или блок-схемы представляют реализации в виде иллюстративной реализации, а последующие этапы или блок-схемы представляют другие реализации и/или развитие начальных этапов или блок-схем в виде подкомпонентных операций или дополнительных компонентных операций, основанных на одном или нескольких ранее представленных этапах или блок-схемах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что стиль представления, используемый в настоящем документе (например, начиная с представления этапа(ов) или блок-схем(ы), представляющих иллюстративную реализацию, и после этого представляя дополнения и/или дополнительные подробности на последующем этапе(ах) или блок-схеме(ах)), как правило, позволяет быстро и просто понять различные процессы. Кроме того, специалисты в данной области техники также поймут, что стиль представления, используемый в настоящем документе, также хорошо подходит для модульных и/или объектно-ориентированных парадигм разработки программ.

Определение нейтронного потока и эффективной плотности может быть выполнено с использованием любого подходящего способа. Как правило, коммерческое или государственное программное обеспечение может предоставлять базовую аналитику, необходимую для моделирования активной зоны реактора и определения потока. Например, средство моделирования переноса нейтронов может быть использовано для предоставления информации о том, где нейтроны находятся внутри активной зоны и тепловыделяющих элементов; средство моделирования изотопного преобразования нуклидов может быть использовано для определения того, как быстро размножаются (от воспроизводящего до делящегося материала) и сгорают (деление делимого материала) делимые атомы; модуль нейтронной кинетики может обеспечивать распределение тепловыделения, а вместе со средством моделирования термогидравлики может обеспечивать теплопроводность тепловыделяющего элемента и температурный профиль и определять максимальную деформацию и максимально допустимое выгорание для конкретного компонента, такого как тепловыделяющий элемент, и средство моделирования механического взаимодействия и программное обеспечение обратной связи по рабочей характеристики топлива могут быть необязательно использованы для определения других механических взаимодействий (таких как прогиб топлива и взаимодействие с каналами, которые могут влиять на нейтронную динамику и термогидравлику системы). Могут использоваться различные доступные компьютерные модули, включая, помимо прочего, SERPENT, доступный на http://montecarlo.vtt.fi/, MCNp6, доступный на https://mcnp.lanl.gov/, REBUS, доступный на http://www.ne.anl.gov/codes/rebus/, ERANOS, доступный на https://www.oecd-nea.org/tools/abstract/detail/nea-1683, DRAGON, доступный на http://www.polymtl.ca/nucleaire/en/logiciels/index.php, и тому подобное.

Как показано в иллюстративном способе 1500 на Фиг. 19, выбирают 1502 первоначальное распределение эффективной плотности по длине тепловыделяющего элемента. Первоначальное распределение эффективной плотности может быть любым подходящим первоначальным значением, которое может приближаться к однородной эффективной плотности или приблизительным или грубым распределением по длине тепловыделяющего элемента. На этапе 1504 эксплуатационные характеристики ядерного сердечника определяют, по меньшей мере частично, из эффективной плотности тепловыделяющего элемента, используя известные в настоящем или в будущем способы, такие как те, которые обсуждались выше в отношении коммерческих, государственных и открытых инструментов моделирования и анализа. Эксплуатационные характеристики включают такие переменные, как нейтронная динамика, термогидравлика, обратная связь по рабочей характеристики топлива, механические взаимодействия, нейтронная кинетика и распределение нейтронного потока и т.д., которые могут включать статистику выгорания, статистику смещения на атом (DPА), статистику скорости DPA, высвобождение газообразных продуктов деления, эффективную плотность, статистику времени, материал оболочки, размеры оболочки и рабочие температуры, такие как линейная скорость нагрева, коэффициент теплоотдачи и даже различия эффективной плотности в разных точках. Основываясь на определенных эксплуатационных характеристиках, может быть определен 1506 профиль топлива вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента. Например, операция 1506 определения может повлечь за собой определение деформации в выбранных областях тепловыделяющего элемента на основе распределения начальной эффективной плотности и определенных характеристик активной зоны ядерного реактора.

Затем может быть смоделирован 1508 профиль корректирующей эффективной плотности на основе профиля деформации топлива. В одной реализации профиль корректирующей эффективной плотности предназначен для смещения и «сглаживания» областей с высокой деформацией. Например, деформация может быть рассчитана для однородной эффективной плотности, а затем эффективная плотность может быть выборочно увеличена в областях с низкой деформацией и уменьшена в областях с высокой деформацией, чтобы сгладить корректирующий профиль деформации топлива. В результате, профиль 1508 корректирующей эффективной плотности может содержать области с повышенной эффективной плотностью, соответствующие областям с низкой деформацией в исходном профиле деформации, и области с уменьшенной эффективной плотностью в областях, соответствующие областям с высокой деформацией в исходном профиле деформации.

В одной реализации профиль корректирующей эффективной плотности строится на основе оценки область-за-областью смоделированной деформации. Например, деформация для каждой области тепловыделяющего элемента может быть определена (например, на основе характеристик активной зоны ядерного реактора, характерных для этой области), и эта локализованная деформация затем может быть сравнена с одним или несколькими пороговыми значениями, такими как пороговый максимум и/или минимум. Исходя из сравнения порога(ов) со смоделированной деформацией, начальная эффективная плотность для соответствующей области может быть модифицирована 1510 (например, увеличена или уменьшена), чтобы достичь корректирующей эффективной плотности для этой области. Эта корректирующая эффективная плотность формирует часть профиля корректирующей эффективной плотности тепловыделяющего элемента. Этот процесс может повторяться для каждой отдельной области для создания, путем итерации, профиля эффективной плотности, который компенсирует эффекты деформации топлива и/или неравномерного потока, что приводит к более высокой средней скорости выгорания по длине тепловыделяющего элемента.

Как было упомянуто выше, построение профиля 1508 корректирующей эффективной плотности может повлечь за собой сравнение локализованной деформации топлива с порогом деформации или набором пороговых значений по отношению к каждой из разных областей. В некоторых реализациях для оценки корректирующей деформации, которая должна быть применена в каждой отдельной области, обычно используют равномерный порог деформации или набор равномерных порогов деформации. В других вариантах выполнения порог(и) деформации индивидуально устанавливают для разных областей на основе структур, материалов и/или других компонентов активной зоны вблизи каждой из областей тепловыделяющего элемента.

Порог(и) деформации может быть любым подходящим порогом для удовлетворения расчетных характеристик системы (которые могут быть аппроксимированы распределением потока, пределом выгорания и т.д.). Когда деформация в выбранной области тепловыделяющего элемента нарушает порог деформации (либо выше максимального порога деформации, либо ниже минимального порога), первоначальная эффективная плотность для соответствующей области может быть модифицирована, например, уменьшена или увеличена, в зависимости от степени нарушения порога. Например, эффективная плотность может быть резко снижена в области с очень высокой деформацией, превышающей максимальный порог деформации. Аналогично, эффективная плотность может быть слегка увеличена в области с низкой деформацией, которая меньше минимального порога деформации. В результате профиль корректирующей эффективной плотности оказывает влияние на выравнивание распределения потока (например, уменьшая деформацию по длине тепловыделяющего элемента).

Вышеупомянутый процесс определения эффективной плотности (например, начальной эффективной плотности), моделирования деформации и корректировки эффективной плотности (например, корректирующей эффективной плотности) могут повторяться несколько раз в каждой области до тех пор, пока не будет определен профиль корректирующей деформации для удовлетворения некоторых подходящих критерии остановки. Другие соображения в рамках итерации определения корректирующей эффективной плотности в каждой области могут включать любое одно или несколько из: обеспечения k_eff>1 (обеспечения критичности активной зоны путем обеспечения достаточного количества делимого материала для поддержания критичности), пиковой мощности активной зоны, необходимой для поддержания и т.д. Любое одно или несколько из этих соображений могут накладывать дополнительные ограничения на итерацию и потенциальную оптимизацию профиля эффективной плотности топлива по длине тепловыделяющего элемента.

Как было отмечено выше при обсуждении иллюстративных вариантов выполнения, эффективная плотность может изменяться в зависимости от положения вдоль продольной оси между минимумом 30% и максимумом 100%. В качестве альтернативы, эффективная плотность составляет от 50% до 70% или от 50% до 75%. В одном варианте выполнения первый продольный конец тепловыделяющего элемента имеет эффективную плотность в 50%, а вторая часть тепловыделяющего элемента, такая как второй продольный конец, имеет другую (например, большую) эффективную плотность (например, 55%, 65%, 70%, 75% и т.п.). В другом варианте выполнения второй продольный конец тепловыделяющего элемента имеет эффективную плотность 50%, а вторая часть тепловыделяющего элемента, такая как первый продольный конец, имеет другую (например, большую) эффективную плотность (например, 55%, 65%, 70%, 75%, и т.п.). В еще одном дополнительном варианте выполнения центральная продольная часть тепловыделяющего элемента имеет эффективную плотность в 50%, а вторая часть тепловыделяющего элемента, такая как первый продольный конец и второй продольный конец, имеет другую (например, большую) (например, 55%, 65%, 70%, 75% и т.п.) эффективную плотность.

Примечательно, что на деформацию топлива могут влиять как эффективная плотность, так и толщина оболочки. Поэтому некоторые реализации могут обеспечивать эффект сглаживания профиля деформации топлива путем манипулирования толщиной оболочки, а не (или в дополнение к) эффективной плотностью. Например, некоторые реализации могут моделировать профиль корректирующей толщины оболочки вместо, или в дополнение к, профилю корректирующей эффективной плотности, описанному выше. Модификации тепловыделяющего элемента затем могут быть реализованы на толщине оболочки на основе профиля корректирующей толщины оболочки. Такие модификации могут быть выполнены отдельно или в сочетании с модификациями плотности топлива на основе профиля корректирующей эффективной плотности, как описано выше.

Фиг. 20 представляет собой график эффективной плотности (%) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для первого иллюстративного варианта выполнения тепловыделяющего элемента. На Фиг. 20 продольные положения показаны в диапазоне областей от одного до 12. Эффективная плотность существенно меняется от 70% в первой области до 52% в областях 6 и 7, а затем до 65% в областях 11 и 12. Изменение эффективной плотности, таким образом, может сгладить ожидаемое распределение потока (как правило, по существу гауссово распределение, если эффективная плотность топлива не изменяется), которое будет иметь тепловыделяющий элемент, и обеспечивать в целом более высокое выгорание топлива, из-за более высокой скорости горения, достигнутой в концевых областях 1-3 и 10-12.

Фиг. 21 представляет собой график фракционной эффективной плотности в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах) для второго иллюстративного варианта выполнения тепловыделяющего элемента. На Фиг. 21 продольные положения включают двенадцать областей 1601, 1602, 1603, 1604, 1605, 1606, 1607, 1608, 1609, 1610, 1611, 1612. Несмотря на то, что каждая из областей на Фиг. 21 имеет одинаковый размер, следует понимать, что области могут различаться вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента, по сравнению с другими областями. Фракционная эффективная плотность ступенчато изменяется от 0,70 в первой концевой области 1601 до 0,53 в центральных областях 1606 и 1607, а затем до 0,65 во вторых концевых областях 1611 и 1612.

Графики на Фиг. 20 и 21 являются типичными для продольного изменения эффективной плотности в тепловыделяющем элементе, где эффективная плотность на первом продольном конце, например в области 1601, больше, чем эффективная плотность на втором продольном конце, например в области 1612. Это может помочь сгладить ожидаемые изменения потока вдоль продольной оси из-за многих ключевых факторов, включая, например, теплоноситель, поступающий в область 1 и выходящий в области 12. Графики на Фиг. 20 и 21 также являются типичными для продольного изменения эффективной плотности в тепловыделяющем элементе, где эффективная плотность как на первом продольном конце, например в области 1601, так и на втором продольном конце, например в области 1612, больше, чем эффективная плотность в продольном центре удлиненного тепловыделяющего элемента, например, в областях 1606 и 1607.

Фиг. 22А и 22В представляют собой графики эффективной плотности (фракционной) в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах или областях) для нескольких других иллюстративных вариантов выполнения тепловыделяющего элемента. На Фиг. 22А и 22В продольные положения включают двенадцать областей, а эффективная плотность изменяется ступенчато. Контрольная линия (сплошная линия 1700) повторяет продольное изменение эффективной плотности, показанное на Фиг. 21. Показаны две вариации этой контрольной линии - первая вариация (V_1 на Фиг. 21 А, обозначенная длинной пунктирной линией 1710) и вторая вариация (V_2 на Фиг. 21 В, обозначенная короткой пунктирной линией 1750). Первая вариация (V_1) 1710 накладывается на контрольную линию 1700 в продольных положениях в областях 1711, 1712, 1713, 1714, 1715, 1716, 1717, но в областях 1718, 1719, 1720, 1721, 1722 эффективная плотность первой вариации (V_1) 1710 ниже, чем эффективная плотность для той же области в контрольной линии 1700, и меньше чем соответствующие значения эффективной плотности на первом конце в областях 1711, 1712, 1713, 1714, 1715 вариации V_1 1710. Кроме того, в первой вариации (V_1) 1710 минимум эффективной плотности наблюдается в продольном центре удлиненного тепловыделяющего элемента, который включает области 1716, 1717, 1718. В целом, эффективные плотности в областях 1719, 1720, 1721 в первой вариации (V_1) 1710 те же, что и в соответствующей нижней области в контрольной линии 1700 (Smear Density _{v_i, Zone(n)}=Smear Density _{baseline, zone(n-i)}), благодаря чему в первой вариации (V_1) 1710 распределение эффективной плотности в зонах 1719, 1720, 1721, 1722 тепловыделяющего элемента было изменено, чтобы соответствовать более низкому значению во втором продольном конце относительно контрольной линии 1700 (эффективная плотность конкретного положения во втором конце соответствует эффективной плотности соответствующего сегмента изменения контрольной линии, расположенного более по центру относительно конкретного сегмента во второй вариации) и, как результат, имеет тенденцию к дальнейшему распределению нейтронного потока в направлении второго конца, и имеет тенденцию к смещению нейтронного потока в направлении первого конца в целом. Вторая вариация (V_2) 1750 на Фиг. 21В накладывается на контрольную линию 1700 в некоторых продольных положениях, например, в областях 1751, 1753, 1754, 1756 и 1757, но в других областях эффективная плотность второй вариации (V_2) 1750 ниже, чем эффективная плотность для той же самой области в контрольной линии 1700. Кроме того, во второй вариации (V_2) 1750 минимум в эффективной плотности наблюдается в положении, смещенном от продольного центра удлиненного тепловыделяющего элемента ко второму продольному концу. Например, во второй вариации (V_2) 1750 минимальная эффективная плотность составляет 52% (или фракционная эффективная плотность 0,52) в области 1758. Как правило, изменения эффективной плотности во второй вариации (V_2) 1750 по сравнению с контрольной линией таковы, что эффективные плотности в первых продольных областях (1751, 1752, 1753) и во вторых продольных областях (1759, 1760, 1761, 1762) включают эффективные плотности, которые являются такими же или ниже, чем в соответствующих областях в контрольной линии 1700. Кроме того, во вторых концевых продольных областях эффективные плотности в областях 1760, 1761, 1762 те же, что и в соответствующих двух нижних областях в контрольной линии (Smear Density _{v_2, zone(n)}=Smear Density _{baseline, zone(n-i)}), благодаря чему распределение эффективной плотности во вторых концевых областях (9-12) тепловыделяющего элемента сместилось к более низкому значению во втором продольном конце относительно того же сегмента в контрольной линии и, как результат, имеет тенденцию к дальнейшему распределению нейтронного потока ко второму концу и имеет тенденцию к смещению потока в направлении первого конца в целом. Доля эффективной плотности в 50% (или фракционная эффективная плотность 0,50) показана на Фиг. 22А и 22В в качестве эталона.

Усовершенствования и преимущества продольного изменения эффективной плотности в тепловыделяющем элементе по сравнению с тепловыделяющими элементами, имеющими однородную эффективную плотность, можно продемонстрировать с использованием программных средств моделирования и анализа, описанных выше. В первом моделировании (показанном графически на Фиг. 23) тепловыделяющий элемент имел однородную фракционную эффективной плотности в зависимости от продольного положения. Тепловыделяющий элемент в этом первом моделировании имел по существу однородную эффективную плотность в 50% (фракционную эффективную плотность 0,5) с пределом выгорания приблизительно 30%. Во втором моделировании (показанным графически на Фиг. 24) тепловыделяющий элемент имел фракционную эффективную плотность, которая изменялась в зависимости от продольного положения. На Фиг. 24, фракция 1930 эффективной плотности представлена в виде подбора псевдокривой сегментированного изменения эффективной плотности вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента, и изменяется от приблизительно 70% в продольном положении 1 до приблизительно 50% вблизи продольного положения 4. Материал, геометрия и т.д. и другие характеристики тепловыделяющих элементов в первом моделировании (показано на Фиг. 23) и во втором моделировании (показанном на Фиг. 24) были практически одинаковыми и работали при практически одинаковых рабочих условиях и граничных условиях, и изменялись только в отношении продольного изменения фракции эффективной плотности. Соответственно, изменение предела выгорания и выгорания для каждого из тепловыделяющих элементов в моделированиях, а также разница в эффективности использования топлива могут быть объяснены различием в продольном изменении фракции эффективной плотности между двумя тепловыделяющими элементами в указанных двух моделированиях.

Фиг. 23 и 24 иллюстрируют предел выгорания, выгорание и фракцию эффективной плотности в зависимости от продольного положения (в произвольных единицах или областях) для двух моделирований (первое моделирование на Фиг. 23 и второе моделирование на Фиг. 24). Фиг. 23 иллюстрирует график распределения равновесного цикла топливных нуклидов, связанных с выгоранием (в % FIMA (делений на исходный атом металла)) в зависимости от продольного положения традиционных ядерных реакторов, в которых эффективная плотность номинально постоянна с положением вдоль продольной оси. Профиль 1830 иллюстрирует фракцию эффективной плотности в зависимости от продольного положения. Профиль 1800 представляет собой распределение выгорания по продольной длине тепловыделяющего элемента и имеет форму, по существу соответствующую форме инвертированного косинуса. Профиль 1800 является функцией физики системы с постоянной эффективной плотностью и интегрированным по времени потоком на топливе, который создает распределение с пиком в направлении продольного центра. Эталонный профиль 1810 иллюстрирует максимальный предел выгорания для системы. Разница между выгоранием в профиле 1800 и пределом выгорания в эталонном профиле 1810 (см. заштрихованную область 1820а и 1820b между профилем 1800 и профилем 1810) представляет собой количество доступного топлива, но не используемого, и в котором не достигается его предел выгорания в местах вблизи продольных концов, из-за того, что топливный материал в продольной центральной части тепловыделяющего элемента достигает предела выгорания и, следовательно, требует вывода тепловыделяющего элемента из эксплуатации, несмотря на доступное топливо в продольных концевых частях. Этот «ранний» вывод тепловыделяющего элемента из эксплуатации на Фиг. 22 относится к более низкой эффективности однородной эффективной плотности (как показано большей площадью между выгоранием и пределом выгорания, что указывает на то, что система менее эффективна в отношении использования топлива).

Фиг. 24 иллюстрирует график распределения равновесного цикла топливных нуклидов, связанных с выгоранием (в % FIMA (делений на исходный атом металла)) в зависимости от продольного положения ядерного реактора, в котором эффективная плотность в тепловыделяющих элементах изменяется с положением вдоль продольной оси. Профиль 1900 отображает косинусоподобное распределение фактического выгорания вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента с максимумом 25% FIMA при продольном положении около 5,5. Такое распределение выгорания вдоль продольной длины отражает изменяющуюся эффективная плотность на той же продольной длине, где области 1-3 имеют более высокую эффективная плотность, чем эффективная плотность областей 9-12, при этом области 9-12 имеют более высокую эффективная плотность, чем центральные области 4-8. По сравнению с эталонным профилем 1800 традиционного реактора с однородной эффективной плотностью, профиль 1900 имеет уменьшенное максимальное выгорание (25% FIMA по сравнению с 30% FIMA) и общий пониженный глобальный максимум. Также по сравнению с эталонным профилем 1800, показанным на Фиг. 23, профиль 1900, показанный на Фиг. 29, смещен в направлении первого продольного конца (1940 на Фиг. 24 и расположен в продольном положении 1, причем соответствующий первый продольный конец на Фиг. 23 обозначен 1840 и расположен в продольном положении 1), причем выгорание на первом продольном конце увеличено, а выгорание на втором продольном конце (1950 на Фиг. 24 и расположен в продольном положении 12, причем соответствующий второй продольный конец на Фиг. 23 обозначен 1850 и расположен в продольном положении 14) уменьшено и, как следствие, общее выгорание тепловыделяющего элемента увеличено и лучше соответствует общему потенциальному выгоранию всего тепловыделяющего элемента. Эталонный профиль 1810, показанный на Фиг. 23, иллюстрирует потенциальный или максимально допустимый предел выгорания для тепловыделяющего элемента. Разница между выгоранием в профиле 1800 и пределом выгорания в эталонном профиле 1810 представлена областями 1820а и 1820b и представляет собой количество доступного, но не использованного, топлива и относится к эффективности традиционного ядерного реактора (чем меньше площадь между выгоранием и пределом выгорания, тем эффективнее система). На Фиг. 24 разница между выгоранием в профиле 1900 и пределом выгорания в эталонном профиле 1910 представлена площадью 1920. Площадь 1920 уменьшена (относительно областей 1820а и 1820b, показанных на Фиг. 23), особенно в части тепловыделяющего элемента от первого продольного конца до места после продольного центра удлиненного тепловыделяющего элемента. Уменьшение разницы между выгоранием в профиле 1900 и пределом выгорания в эталонном профиле 1910 указывает на то, что ядерный реактор, в котором эффективная плотность в тепловыделяющих элементах изменяется с положением вдоль продольной оси, более эффективен при использовании топлива, чем традиционный ядерный реактор с однородной эффективной плотностью.

Следует понимать, что разница между фактическим выгоранием и пределом выгорания может быть рассчитана с использованием эффективной плотности, чтобы она по существу соответствовала во всех областях, оптимизировалась глобально по всем областям и/или оптимизировалась в подмножестве областей, например, на первом продольном конце и в центральных областях, оставляя некоторый неудовлетворительный предел выгорания на втором продольном конце из-за других конструктивных ограничений или требований, таких как запас прочности на втором продольном конце с более высокой температурой из-за близости выхода охлаждающей жидкости и т.д. Следует принимать во внимание, что выбор эффективной плотности для соответствия определенным требуемым и выбранным расчетным характеристикам тепловыделяющего элемента и/или активной зоны ядерного реактора при выполнении других конструктивных ограничений может быть использован с использованием общих способов, описанных в настоящем документе, включая оптимизацию для максимальной мощности, пиковую температуру, критичность, предел выгорания, деформацию, стабильность оболочки и т.д.

На Фиг. 24 также показано, что путем добавления большего количества топлива (например, увеличения эффективной плотности) выше и ниже положения ожидаемого пикового выгорания относительно центрального положения в традиционных системах (например, на или в направлении соответствующих продольных концов), пик выгорания уменьшается, а распределение выгорания сглаживается и смещается. Процесс продольно изменяющейся эффективной плотности, описанный в настоящем документе, может быть использован для продольного распространения распределения выгорания, уменьшения деформации на тепловыделяющем элементе и тепловыделяющей сборке и/или увеличения общего выгорания тепловыделяющего элемента, что позволяет эффективно использовать топливный материал в ядерном реакторе. Кроме того, изменение между профилем 1900 и эталонным профилем 1910 демонстрирует, что продольное изменение эффективной плотности значительно увеличивает эффективность использования топлива, предпочтительно повышает эффективность использования топлива на 10% или более.

В качестве дополнительного преимущества, продольное изменение эффективной плотности способствует преимуществам конструкции реактора. Например, общая продольная длина в тепловыделяющем элементе, представленном на Фиг. 24 меньше, чем общая продольная длина в тепловыделяющем элементе, представленном на Фиг. 23. Однако, несмотря на то, что тепловыделяющий элемент, представленный на Фиг. 24 короче, чем тепловыделяющий элемент, представленный на Фиг. 23, эффективность использования топлива больше в тепловыделяющем элементе, показанном на Фиг. 24, чем в тепловыделяющем элементе, показанном на Фиг. 23. В одном примере высота топливной колонны уменьшилась с 2,4 до 2,0 м, тогда как масса топлива уменьшилась на 2%. Таким образом, Фиг. 23 и 24 иллюстрируют сопутствующее преимущество конструкции реактора от включения продольного изменения эффективной плотности - более короткие тепловыделяющие элементы являются более эффективными в отношении использования топлива и могут способствовать более компактным и эффективным конструкциям реактора без снижения выходной мощности реактора. Кроме того, снижение высоты топливной колонны (в дополнение к механическим преимуществам реактора меньшего размера) может обеспечить снижение перепада давления в соответствующем теплоносителе на меньшей длине.

На Фиг. 25 показан предел деформации, деформация и фракционная эффективная плотность в зависимости от продольного положения (в нормированных единицах или областях) в тепловыделяющем элементе, в котором эффективная плотность изменяется с продольной длиной. Профиль 2000 иллюстрирует фракцию эффективной плотности как функцию продольного положения и показан как подбор псевдокривой сегментированной эффективной плотности в каждой области нормированного продольного положения. Профиль 2000 фракции эффективной плотности изменяется от приблизительно 45% до 50% в центральной части (в продольном положении 0,5) до приблизительно 70% на концевых участках (в продольном положении 0 и 1,0) и имеет форму, которая аппроксимируется инвертированным гауссовым распределением. Профиль 2010 иллюстрирует распределение деформации вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента и имеет форму, по существу соответствующую форме инвертированного косинуса. Профиль 2010 является функцией физики системы и выборочно изменяемой эффективной плотности и интегрированного во времени потока на топливе, что создает распределение с пиковой деформацией в направлении продольного центра. Эталонный профиль 2020 иллюстрирует максимальный предел деформации для системы. Разница между деформацией в профиле 2010 и пределом деформации в эталонном профиле 2020 (см. заштрихованную область 2030а и 2030b между профилем 2010 и профилем 2020) представляет собой величину запаса прочности в отношении деформации в местах, близких к краям, поскольку топливный материал в центральной части тепловыделяющего элемента достигает предела деформации. Несмотря на то, что на чертеже пример изображен как одно продольное положение топливной колонны с максимальной деформацией, одна или несколько секций топливной колонны могут достигать предела деформации и могут иметь другие кривые деформации или даже переменные значения пороговой деформации вдоль длины тепловыделяющего элемента.

На Фиг. 25 показан максимальный предел деформации для системы (эталонный профиль 2020) с постоянным значением в зависимости от продольного положения. Тем не менее, постоянный предел деформации, показанный на чертежах, является лишь примером, при этом также возможны другие пределы деформации, в том числе переменные пределы деформации, позволяющие обеспечить более высокую деформацию в некоторых местах и более низкие деформации в других местах. Специалист в данной области техники поймет, что описанное в настоящем документе топливо с многозначной эффективной плотностью может быть адаптировано для соответствия переменному пределу деформации и допускает наличия большей деформации в соответствующем месте более высоких пределов деформации.

На Фиг. 26 показан иллюстративный способ 2100 изготовления тепловыделяющего элемента с различной эффективной плотностью вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента. Выбранная эффективная плотность в каждой области тепловыделяющего элемента может быть определена 2110 любым подходящим способом, таким, как описано со ссылкой на Фиг. 19, 22 и 23 выше. Может быть предусмотрена 2112 оболочка, ограничивающая внутренний объем. Как отмечено выше, оболочка может содержать одну или несколько футеровок и может содержать любой подходящий материал для содержания топливной композиции и может содержать стенки трубчатой формы. Несмотря на то, что описанный ниже способ описан со ссылкой на 12 областей вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента и три общие секции (первый конец, центральная секция и второй конец), следует понимать, что любое количество областей и/или секций может быть использовано для достижения требуемых производственных и/или рабочих характеристик точности. Кроме того, каждая область и/или сечение могут иметь одинаковую длину и/или размер и форму с другими областями и/или секциями вдоль продольной длины тепловыделяющего элемента, но следует понимать, что области и/или секции могут иметь отличную длину от других областей и/или секций внутри одного и того же тепловыделяющего элемента, как подходит для определенного и выбранного профиля распределения эффективной плотности.

Первая делимая композиция, содержащая делимый ядерный топливный материал, может быть размещена 2114 в первой секции внутреннего объема оболочки вблизи первого продольного конца ядерного тепловыделяющего элемента. Первая делимая композиция может находиться в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью оболочки. Первая делимая композиция может иметь первую эффективная плотность. В пределах первой секции эффективная плотность может изменяться непрерывно, изменяться ступенчато, быть невариантной или быть комбинацией всего предыдущего, в зависимости от продольного положения вдоль длины тепловыделяющего элемента, для достижения определенной эффективной плотности для этой секции.

Размещение делимой композиции в оболочке может быть выполнено любым из способов, описанных выше, которые могут включать, без ограничения, вставление таблетки (или другой формы тела делимой композиции, например порошка, частиц, блока и т.д.) и может включать дополнительные этапы уплотнения или консолидации делимой композиции, такие как спекание, вибрация, выдувание, трамбовка и т.д.

Вторая делимая композиция, также содержащая делимый ядерный топливный материал, который может быть тем же самым или отличаться от первого делимого ядерного топливного материала, может быть размещена 2116 во второй секции внутреннего объема оболочки вблизи центральной секции. Вторая секция внутреннего объема оболочки может быть смежной и/или отстоять от первой секции на некоторое расстояние. Вторая делимая композиция может находиться в теплопередающем контакте с оболочкой и может иметь вторую эффективная плотность. Вторая эффективная плотность может отличаться от первой эффективной плотности. Чтобы сгладить профиль выгорания тепловыделяющего элемента, вторая эффективная плотность может быть меньше, чем первая эффективная плотность, а в некоторых случаях может компенсировать разницу в температуре теплоносителя (например, если первый продольный конец находится вблизи точки входа теплоносителя в тепловыделяющей сборке, а второй продольный конец находится вблизи точки выхода теплоносителя из тепловыделяющей сборки). Внутри второй секции эффективная плотность может изменяться непрерывно, изменяться ступенчато, быть невариантной или быть комбинацией всего предыдущего, в зависимости от продольного положения вдоль длины тепловыделяющего элемента для достижения определенной эффективной плотности для этой секции.

Третья делимая композиция, также содержащая делимый ядерный топливный материал, который может быть тем же самым или отличаться от первого и/или второго делимых ядерных топливных материалов, может быть размещена 2118 в третьей секции внутреннего объема оболочки вблизи второго продольного конца ядерного тепловыделяющего элемента. Третья секция внутреннего объема оболочки может быть смежной и/или отстоять от второй центральной секции на некоторое расстояние. Третья делимая композиция может находиться в теплопередающем контакте с оболочкой и может иметь третью эффективную плотность. Третья эффективная плотность может отличаться от первой и/или второй эффективной плотности. Чтобы сгладить профиль выгорания тепловыделяющего элемента, третья эффективная плотность может быть больше, чем вторая эффективная плотность. В некоторых случаях может оказаться целесообразным, чтобы третья эффективная плотность была меньше первой эффективной плотности. В пределах третьей секции эффективная плотность может изменяться непрерывно, изменяться ступенчато, быть невариантной или быть комбинацией всего предыдущего, в зависимости от продольного положения вдоль длины тепловыделяющего элемента для достижения определенной эффективной плотности для этой секции.

Первая секция, ближайшая к первому продольному концу, может быть разделена на любое количество областей, подходящих для выбранной точности распределения эффективной плотности, определенной в 2110. В одном примере первая секция может содержать две области. В этом примере первая область первой секции расположена вблизи первого продольного конца оболочки тепловыделяющего элемента, которая может содержать четвертую делимую композицию, имеющую четвертую эффективная плотность. Четвертая эффективная плотность может отличаться от первой эффективной плотности, а может быть той же самой, что и первая эффективная плотность. Вторая область первой секции может быть смежной с первой областью и может иметь расположенную в ней пятую делимую композицию, имеющую пятую эффективная плотность. Пятая эффективная плотность может быть такой же или отличной от первой эффективной плотности и/или четвертой эффективной плотности, а в некоторых случаях пятая эффективная плотность может быть меньше четвертой эффективной плотности. Среднее по объему от четвертой и пятой эффективных плотностей может быть равно первой эффективной плотности первого секции в целом.

Дополнительно и/или в качестве альтернативы, третья секция, ближайшая ко второму концу, может быть разделена на любое количество областей, подходящих для выбранной точности распределения эффективной плотности, определенной в 2110. В одном примере третья секция может содержать две области, при этом в соответствующих случаях количество областей в третьей секции может быть таким же, больше или меньше, чем количество областей в первой и/или во второй секциях. В этом примере четвертая область третьей секции (если первая секция имеет первую и вторую области, а вторая секция имеет одну область) расположена вблизи второй секции оболочки тепловыделяющего элемента и может содержать шестую делимую композицию, имеющую шестую эффективная плотность. Шестая эффективная плотность может отличаться от третьей эффективной плотности или быть такой же, что и третья плотность третьей секции. Пятая область третьей секции может быть смежной с четвертой областью и в ней может быть расположена седьмая делимая композиция, имеющая седьмую эффективную плотность. Седьмая эффективная плотность может быть такой же или отличной от третьей эффективной плотности и/или шестой эффективной плотности, а в некоторых случаях седьмая эффективная плотность может быть больше шестой эффективной плотности. Среднее по объему от шестой и седьмой эффективных плотностей может быть равно третьей эффективной плотности третьей секции в целом.

Чтобы обеспечить более высокую точность распределения или изменения эффективной плотности по длине тепловыделяющего элемента, могут быть реализованы дополнительные области и/или секции. В этом примере описывается тепловыделяющий элемент с тремя секциями и двенадцатью областями. Эффективные плотности первой, второй и третьей секций могут быть такими, как описано выше со ссылкой на Фиг. 26.

Первая секция, ближайшая к первому продольному концу, может быть разделена на любое количество областей, как подходит для выбранной точности распределения эффективной плотности в 2110. В этом примере первая секция может содержать пять областей. В этом примере первая область первой секции расположена вблизи первого продольного конца оболочки тепловыделяющего элемента, которая может содержать четвертую делимую композицию, имеющую четвертую эффективная плотность. Четвертая эффективная плотность может отличаться от первой эффективной плотности, или быть такой же, что и первая эффективная плотность. Вторая область первой секции может быть смежной с первой областью и может иметь расположенную в ней пятую делимую композицию, имеющую пятую эффективная плотность. Пятая эффективная плотность может быть такой же или отличаться от первой эффективной плотности и/или четвертой эффективной плотности, а в некоторых случаях пятая эффективная плотность может быть меньше четвертой эффективной плотности. Третья область первой секции может быть смежной со второй областью и может иметь расположенную в ней шестую делимую композицию, имеющую шестую эффективная плотность. Шестая эффективная плотность может быть такой же или отличаться от первой, четвертой и/или пятой эффективных плотностей, а в некоторых случаях шестая эффективная плотность может быть меньше пятой эффективной плотности. Четвертая область первой секции может быть смежной с третьей областью и может иметь расположенную в ней седьмую делимую композицию, имеющую седьмую эффективная плотность. Седьмая эффективная плотность может быть такой же или отличаться от первой, четвертой, пятой и/или шестой эффективных плотностей, а в некоторых случаях седьмая эффективная плотность может быть меньше шестой эффективной плотности. Пятая область первой секции может быть смежной с четвертой областью и может иметь расположенную в ней восьмую делимую композицию, имеющую восьмую эффективная плотность. Восьмая эффективная плотность может быть такой же или отличаться от первой, четвертой, пятой, шестой и/или седьмой эффективных плотностей, а в некоторых случаях восьмая эффективная плотность может быть меньше, чем седьмая эффективная плотность. Среднее по объему от четвертой, пятой, шестой, седьмой и восьмой эффективных плотностей может быть равно первой эффективной плотности первой секции в целом. Вторая центральная секция может быть разделена на любое количество областей, подходящих для выбранной точности распределения эффективной плотности, определенной в 2110. В этом примере вторая секция может содержать две области. В этом примере шестая область тепловыделяющего элемента во второй секции расположена рядом с первой секцией тепловыделяющего элемента и может содержать девятую делимую композицию, имеющую девятую эффективная плотность. Девятая эффективная плотность может отличаться от второй эффективной плотности второй секции или может быть той же самой. Седьмая область второй секции может быть расположена рядом с шестой областью и может иметь расположенную в ней десятую делимую композицию, имеющую десятую эффективная плотность. Десятая эффективная плотность может быть такой же или отличной от второй и/или девятой эффективных плотностей, а в некоторых случаях десятая эффективная плотность может быть такой же, как и девятая эффективная плотность. Среднее по объему от девятой и десятой эффективных плотностей может быть в целом равно второй эффективной плотности второй секции.

Кроме того и/или в качестве альтернативы, третья секция, ближайшая к второму продольному концу, может быть разделена на любое количество областей, подходящих для выбранной точности распределения эффективной плотности, определенной в 2110. В одном примере третья секция может содержать пять областей и, в зависимости от требований, количество областей в третьей секции может быть тем же самым или больше, чем количество областей в первой и/или во второй секциях. В этом примере восьмая область тепловыделяющего элемента в третьей секции расположена рядом со второй секцией тепловыделяющего элемента и может содержать одиннадцатую делимую композицию, имеющую одиннадцатую эффективная плотность. Одиннадцатая эффективная плотность может отличаться или быть такой же, что и третья эффективная плотность третьей секции, а в некоторых случаях может быть больше, чем вторая эффективная плотность второй центральной секции и/или десятая эффективная плотность восьмой области. Девятая область третьей секции может быть расположена рядом с восьмой областью и может иметь расположенную в ней двенадцатую делимую композицию, имеющую двенадцатую эффективная плотность. Двенадцатая эффективная плотность может быть такой же или отличной от третьей и/или одиннадцатой эффективной плотности, а в некоторых случаях двенадцатая эффективная плотность может быть больше, чем одиннадцатая эффективная плотность. Десятая область третьей секции и расположенная рядом с ней девятая область могут иметь расположенную в них тринадцатую делимую композицию, имеющую тринадцатую эффективная плотность. Тринадцатая эффективная плотность может быть такой же или отличной от третьей, одиннадцатой и/или двенадцатой эффективных плотностей, а в некоторых случаях тринадцатая эффективная плотность может быть больше, чем двенадцатая эффективная плотность. Одиннадцатая область третьей секции и расположенная рядом с ней десятая область могут иметь расположенную в них четырнадцатую делимую композицию, имеющую четырнадцатую эффективная плотность. Четырнадцатая эффективная плотность может быть такой же или отличной от третьей, одиннадцатой, двенадцатой и/или тринадцатой эффективной плотности, а в некоторых случаях четырнадцатая эффективная плотность может быть больше, чем тринадцатая эффективная плотность. Двенадцатая область третьей секции может быть расположена рядом с одиннадцатой областью и вблизи второго продольного конца тепловыделяющего элемента и может иметь расположенную в ней пятнадцатую делимую композицию, имеющую пятнадцатую эффективная плотность. Пятнадцатая эффективная плотность может быть такой же или отличной от третьей, одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой и/или четырнадцатой эффективной плотности, а в некоторых случаях пятнадцатая эффективная плотность может быть больше, чем четырнадцатая эффективная плотность. Среднее по объему значение от одиннадцатой, двенадцатой, тринадцатой, четырнадцатой и пятнадцатой эффективных плотностей может быть в целом равно третьей эффективной плотности третьей секции.

В этом примере в пределах одной или нескольких из первой по двенадцатую области эффективная плотность может изменяться непрерывно, изменяться ступенчато, быть неизменной или быть их комбинацией, в зависимости от продольного положения по длине тепловыделяющего элемента для достижения определенной эффективной плотности для этой области.

На Фиг. 27 показано иллюстративное устройство 2700, содержащее чехол 2706 тепловыделяющей сборки, содержащий несколько отдельных тепловыделяющих элементов (например, тепловыделяющий элемент 2702). Каждый из тепловыделяющих элементов содержит оболочку (например, оболочку 2704), ограничивающую трубчатый внутренний объем, который содержит делимую композицию (например, делимую композицию 2710) в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью оболочки. В одной реализации каждый тепловыделяющий элемент имеет профиль эффективной плотности, который выборочно изменяется с положением вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента. Как обсуждалось в отношении других реализаций выше, выборочное изменение эффективной плотности может быть разработано для компенсации точек естественной деформации в тепловыделяющем элементе. Например, области локально увеличенной эффективной плотности могут быть преднамеренно размещены так, чтобы совпадать с областями тепловыделяющего элемента 2702, которые, в противном случае, проявили бы локально уменьшенную деформацию. Аналогично, области с локально уменьшенной эффективной плотностью могут быть преднамеренно размещены так, чтобы совпадать с областями тепловыделяющего элемента 2702, которые, в противном случае, проявили бы локально повышенную деформацию.

В других реализациях тепловыделяющий элемент 2702 имеет профиль эффективной плотности вдоль продольной оси, предназначенный для получения высокой деформации в точках, которые традиционно зеркально отражают точки высокой деформации, естественным образом возникающие вдоль чехла 2706 тепловыделяющей сборки. Например, чехол 2706 тепловыделяющей сборки может иметь естественные точки деформации на разных высотах вдоль продольной оси, например, место 2712 с высокой деформацией. Например, разность давлений между внутренней и наружной стенками чехла 2706 тепловыделяющей сборки может создавать движущую силу, которая приводит к тому, что стенка чехла 2706 тепловыделяющей сборки испытывает натяжение и разбухает от внутренних тепловыделяющих элементов, расположенных рядом с одной или несколькими областями вдоль продольной оси (например, вблизи места 2712 с высокой деформацией). Это локализованное разбухание может привести к тому, что стенки чехла 2706 тепловыделяющей сборки отклоняются наружу, расширяя зазор между топливными элементами и стенками тепловыделяющей сборки. Этот эффект позволяет теплоносителю обходить центральные тепловыделяющие элементы, а не протекать между ними, вызывая термогидравлические потери.

В одной реализации тепловыделяющий элемент 2702 имеет одну или несколько точек локально усиленной деформации на некоторой высоте вдоль ее продольной оси, которая соответствует точке с повышенной деформацией чехла 2706 тепловыделяющей сборки. Как правило, точки с повышенной деформацией в чехле 2706 тепловыделяющей сборки можно определить, анализируя распределения потока и давления. Например, точки повышенной деформации могут коррелировать с областями, в которых произведение потока и давления является самым высоким. Как только области с высокой деформацией чехла 2706 тепловыделяющей сборки идентифицированы, в тепловыделяющем элементе 2702 могут быть созданы соответствующие области высокой деформации путем выборочного изменения эффективной плотности и/или толщины оболочки вдоль продольной оси чехла 2706 тепловыделяющей сборки.

Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано в связи с его вариантами выполнения, специалистам в данной области техники будет понятно, что добавления, удаления, модификации и замены, не описанные конкретно, могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

В связи с использованием в данном описании по существу любых терминов в множественном и/или в единственном числе, специалисты в данной области техники смогут переводить из множественного в единственное число и/или из единственного числа в множественное число, в соответствии с условиями контекста и/или применения. Различные перестановки из единственного числа во множественное число и наоборот явным образом не изложены в настоящем документе для ясности.

Описанный в настоящем документе объект изобретения иногда иллюстрирует различные компоненты, содержащиеся или соединенные с различными другими компонентами. Следует понимать, что такие изображенные построения являются исключительно иллюстративными, и что в действительности могут быть использованы многие другие построения, которые достигают той же функциональности. В концептуальном смысле любое расположение компонентов для достижения тех же функциональных возможностей эффективно «связано» так, что достигается требуемая функциональность. Следовательно, любые два компонента в настоящем документе, консолидированные для достижения конкретной функциональности, можно рассматривать как «связанные» друг с другом так, что требуемая функциональность достигается независимо от построения или промежуточных компонентов. Аналогично, любые два компонента, которые так связаны, также можно рассматривать как «функционально связанные» или «функционально соединенные» друг с другом для достижения требуемых функциональных возможностей, при этом любые два компонента, способные быть настолько связанными, также могут рассматриваться как «выполненные с возможностью функциональной связи» друг с другом для достижения требуемых функциональных возможностей. Конкретные примеры функциональной связи включают, но не ограничиваются этим, физически сочленяемые и/или физически взаимодействующие компоненты, и/или выполненные с возможностью взаимодействия посредством беспроводной связи, и/или взаимодействующие посредством беспроводной связи компоненты, и/или логически взаимодействующие, и/или выполненные с возможностью логического взаимодействия компоненты.

В некоторых случаях один или несколько компонентов могут упоминаться в настоящем документе как «выполненные с возможностью», «выполненные с возможностью работы», «выполненные с возможностью соответствия» и т.п. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что такие термины (например, «выполненные с возможностью») в общем случае может включать компоненты в активном состоянии и/или компоненты в неактивном состоянии и/или компоненты в состоянии режима ожидания, если только из контекста явным образом не следует иного.

Несмотря на то, что в настоящем документе были изображены и описаны конкретные аспекты настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что, исходя из изложенных в настоящем документе идей, в настоящем документе могут быть сделаны изменения и модификации, без отхода от объекта изобретения и его более широких аспектов и, следовательно, приложенная формула изобретения включает в свой объем все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах сущности и объема объекта изобретения, описанного в настоящем документе. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что, в целом, термины, используемые в настоящем документе, и особенно в приложенной формуле изобретения (например, в приложенной формуле изобретения), как правило, предназначены для понимания как «открытые» термины (например, термин «включающий» следует интерпретировать как «включающий, но не ограничиваясь этим», термин «имеющий» следует интерпретировать как «имеющий по меньшей мере», термин «содержит» следует интерпретировать как «содержит, но не ограничивается этим» и т.д.). Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что, если предназначено определенное число включенных элементов формулы изобретения, такое намерение будет явно указано в формуле изобретения, а при отсутствии такого указания такое намерение отсутствует. Например, в качестве помощи для понимания, последующая приложенная формула изобретения может содержать использование вводных фраз «по меньшей мере один» и «один или несколько» для введения элементов. Однако использование таких фраз не должно быть истолковано так, что введение элементов пункта формулы изобретения в единственном числе ограничивает любой пункт формулы изобретения, содержащий такой введенный элемент, пунктом, который содержит только один такой элемент, даже если тот же самый пункт имеет вводные фразы «один или несколько» или «по меньшей мере один», и неопределенные артикли, такие как «а» или «ап» (например, «а» или «ап», как правило, должны быть интерпретированы в значении «по меньшей мере один» и «один или несколько»); то же самое относится и к использованию определенных артиклей, используемых для введения элементов пунктов формулы изобретения. Далее, даже если определенное число введенных элементов явным образом указано, специалистам в данной области техники будет понятно, что такие элементы, как правило, должны быть истолкованы как по меньшей мере указанное число (например, простое указание «двух элементов» без других модификаторов обычно означает по меньшей мере два элемента, или два или большее количество элементов). Далее, в тех случаях, в которых используется фраза «по меньшей мере один из: А, В, С и т.д.», в целом такая конструкция предназначена в том смысле, что специалисту в данной области техники будет понятна фраза (например, «система, имеющая по меньшей мере один из: А, В и С » будет включать, но не ограничиваться системами, которые имеют только А, только В, только С, А и В вместе, А и С вместе, В и С вместе, и/или А, В и С вместе и т.д.). В тех случаях, когда используется фраза «по меньшей мере один из: А, В или С, и т.д.», в целом такая конструкция предназначена в том смысле, что специалисту в данной области техники будет понятна фраза (например, «система, имеющая по меньшей мере один из: А, В или С» будет включать, но не ограничиваться системами, которые имеют только А, только В, только С, А и В вместе, А и С вместе, В и С вместе, и/или А, В и С вместе и т.д.). Специалисту в данной области техники будет также понятно, что в целом дизъюнктивное слово и/или фразу, представляющую собой два или большее количество альтернативных терминов, будь то в описании, формуле изобретения или на чертежах, следует понимать как предусматривающую возможность включения одного из этих терминов, любого из этих терминов или оба термина, если из контекста явным образом не следует иное. Например, фразу «А или В» следует в целом понимать как включающую возможности «А» или «В» или «А и В».

В отношении приложенной формулы изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что указанные операции в целом могут быть выполнены в любом порядке. Далее, несмотря на то, что различные операции представлены в определенной последовательности, следует понимать, что различные операции могут быть выполнены в других последовательностях, чем те, которые проиллюстрированы, или могут выполняться одновременно. Примеры таких альтернативных последовательностей могут включать перекрытие, перемежение, прерывание, перемену мест следования, добавление, подготовку, дополнение, одновременность, обратный порядок или другой вариант упорядочения, если из контекста явным образом не следует иное. Далее, такие термины, как «в ответ на», «связанный с» или другие прилагательные в прошедшем времени, как правило, не предназначены для исключения таких вариантов, если из контекста явным образом не следует иное.

Специалистам в данной области техники будет понятно, что вышеупомянутые конкретные иллюстративные процессы и/или устройства и/или технологии являются репрезентативными для более общих процессов и/или устройств и/или технологий, описанных в другом месте настоящего документа, например, в заявленной формуле изобретения и/или в другом месте настоящей заявки.

Несмотря на то, что в настоящем документе раскрыты различные аспекты и варианты выполнения, для специалиста в данной области будут очевидны другие аспекты и варианты выполнения. Различные аспекты и варианты выполнения, раскрытые в настоящем документе, предназначены для иллюстрации и не предназначены для ограничения, причем истинный объем и сущность указаны в последующей формуле изобретения.

Изобретение относится к тепловыделяющему элементу ядерного реактора. Соотношение площади делимого ядерного топлива в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, перпендикулярного продольной оси, и общей площади внутреннего объема в поперечном сечении трубчатого тепловыделяющего элемента, изменяется с положением вдоль продольной оси. Соотношение может изменяться с положением вдоль продольной оси между минимумом 0,30 и максимумом 1,0. Увеличение соотношения выше и ниже пикового места выгорания, связанного с традиционными системами, уменьшает пиковое выгорание и сглаживает и сдвигает распределение выгорания, которое предпочтительно является гауссовым. Продольное изменение может быть реализовано в тепловыделяющих сборках с использованием тепловыделяющих элементов, таких как таблетки, стержни или кольца, или топлива в форме металлической губки. Техническим результатом является повышение эффективности использования топлива. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Тепловыделяющий элемент для тепловыделяющей сборки, имеющий трубчатый внутренний объем и содержащий делимую композицию в по меньшей мере части трубчатого внутреннего объема, причем делимая композиция находится в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью тепловыделяющего элемента и определяется профилем эффективной плотности, который выборочно изменяется с положением вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента и содержит по меньшей мере одну область с локально повышенной эффективной плотностью, расположенную так, чтобы соответствовать по меньшей мере одной области с локально уменьшенным нейтронным потоком,

причем тепловыделяющий элемент содержит по меньшей мере три секции, причем первая секция расположена рядом с первым продольным концом тепловыделяющего элемента, третья секция расположена рядом со вторым продольным концом тепловыделяющего элемента, и вторая секция расположена между первой и третьей секциями, причем средняя эффективная плотность первой секции больше, чем средняя эффективная плотность второй секции, а средняя эффективная плотность третьей секции больше, чем эффективная плотность второй секции,

при этом первая секция содержит по меньшей мере 2 области, а профиль эффективной плотности областей, указанной первой секции, изменяется в соответствии с уменьшающейся ступенчатой функцией, третья секция содержит по меньшей мере 2 области, а профиль эффективной плотности областей, указанной третьей секции, изменяется в соответствии с возрастающей ступенчатой функцией, и

при этом профиль эффективной плотности аппроксимируется инвертированной гауссовой формой.

2. Тепловыделяющий элемент по п.1, в котором профиль эффективной плотности в каждой из областей выбран таким, что разница между фактическим выгоранием и пределом выгорания по существу совпадает во всех указанных областях.

3. Тепловыделяющий элемент по п.1, в котором первая секция содержит по меньшей мере 5 областей, а профиль эффективной плотности областей, указанной первой секции, изменяется в соответствии с уменьшающейся ступенчатой функцией, третья секция содержит по меньшей мере 4 области, а профиль эффективной плотности областей, указанной третьей секции, изменяется в соответствии с возрастающей ступенчатой функцией.

4. Тепловыделяющий элемент по п.1, в котором профиль эффективной плотности содержит несколько областей с локально повышенной эффективной плотностью, соответствующих областям с локально уменьшенным нейтронным потоком.

5. Тепловыделяющий элемент по п.1, в котором профиль эффективной плотности больше на первом конце тепловыделяющего элемента, чем на втором, противоположном конце тепловыделяющего элемента.

6. Тепловыделяющий элемент по п.5, в котором первый конец тепловыделяющего элемента находится вблизи точки входа теплоносителя в тепловыделяющую сборку, а второй, противоположный конец тепловыделяющего элемента находится вблизи точки выхода теплоносителя из тепловыделяющей сборки.

7. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий:

моделирование деформации топлива вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента;

моделирование профиля эффективной плотности вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента для компенсации смоделированной деформации топлива так, что по меньшей мере одна область локально уменьшенной деформации соответствует области локально увеличенной эффективной плотности;

изготовление тепловыделяющего элемента с трубчатым внутренним объемом, содержащим делимую композицию, причем делимая композиция находится в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью тепловыделяющего элемента и имеет эффективную плотность, основанную на указанном смоделированном профиле эффективной плотности.

8. Способ по п.7, в котором профиль эффективной плотности увеличивает среднее выгорание во множестве положений вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента.

9. Способ по п.7, в котором смоделированная эффективная плотность аппроксимируется инвертированной гауссовой формой.

10. Способ по п.7, в котором эффективная плотность тепловыделяющего элемента больше на первом конце тепловыделяющего элемента, чем на втором, противоположном конце тепловыделяющего элемента.

11. Способ по п.10, в котором первый конец тепловыделяющего элемента находится рядом с точкой входа теплоносителя в тепловыделяющую сборку, а второй, противоположный конец тепловыделяющего элемента находится рядом с точкой выхода теплоносителя из тепловыделяющей сборки.

12. Способ по п.7, в котором тепловыделяющий элемент содержит по меньшей мере три секции, причем первую секцию размещают рядом с первым продольным концом тепловыделяющего элемента, третью секцию размещают рядом со вторым продольным концом тепловыделяющего элемента, и вторую секцию размещают между первой и третьей секциями, причем средняя эффективная плотность первой секции больше, чем средняя эффективная плотность второй секции, а средняя эффективная плотность третьей секции больше, чем средняя эффективная плотность второй секции.

13. Способ по п.7, в котором смоделированный профиль эффективной плотности включает области повышенной эффективной плотности, которые соответствуют областям уменьшенного нейтронного потока в тепловыделяющем элементе.

14. Способ по п.7, в котором при изготовлении тепловыделяющего элемента дополнительно изготавливают тепловыделяющий элемент с переменной толщиной оболочки вдоль продольной оси для компенсации смоделированной деформации топлива.

15. Способ по п.7, в котором тепловыделяющий элемент выполнен в соответствии с любым из пп.1-6.

16. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий:

использование оболочки;

размещение первой делимой композиции в первой концевой секции внутреннего объема оболочки и в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью оболочки, причем первая делимая композиция имеет первую среднюю эффективную плотность, причем эффективная плотность первой делимой композиции изменяется в соответствии с уменьшающейся ступенчатой функцией в первой концевой секции;

размещение второй делимой композиции в центральной секции внутреннего объема и в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью оболочки, причем вторая делимая композиция имеет вторую среднюю эффективную плотность, меньшую, чем первая средняя эффективная плотность;

размещение третьей делимой композиции во второй концевой секции внутреннего объема оболочки и в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью оболочки, причем третья делимая композиция имеет третью среднюю эффективную плотность, большую, чем вторая средняя эффективная плотность, причем эффективная плотность второй делимой композиции изменяется в соответствии с возрастающей ступенчатой функцией во второй концевой секции;

при этом эффективная плотность изменяется непрерывно по длине тепловыделяющего элемента и аппроксимируется инвертированной гауссовой формой.

17. Способ по п.16, в котором первая концевая секция и вторая концевая секция имеют одинаковую длину, а первая средняя эффективная плотность больше, чем третья средняя эффективная плотность.

18. Способ по п.16, в котором тепловыделяющий элемент выполнен в соответствии с любым из пп.1-6.

19. Способ изготовления тепловыделяющего элемента, включающий:

моделирование деформации топлива вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента;

моделирование профиля толщины оболочки вдоль продольной оси тепловыделяющего элемента для компенсации смоделированной деформации топлива так, что по меньшей мере одна область локально уменьшенной деформации соответствует области локально повышенной толщины оболочки;

изготовление тепловыделяющего элемента с трубчатым внутренним объемом, содержащим делимую композицию, причем делимая композиция находится в теплопередающем контакте с внутренней поверхностью тепловыделяющего элемента и имеет толщину оболочки, основанную на смоделированном профиле толщины оболочки.

20. Способ по п.19, в котором тепловыделяющий элемент выполнен в соответствии с любым из пп.1-6.

21. Способ изготовления тепловыделяющей сборки, включающий:

определение профиля деформации вдоль продольной оси чехла тепловыделяющей сборки, причем чехол тепловыделяющей сборки выполнен с возможностью удерживания множества тепловыделяющих элементов;

изготовление тепловыделяющего элемента, имеющего профиль деформации, который содержит области с локально повышенной деформацией, которые пространственно соответствуют областям с локально повышенной деформацией чехла тепловыделяющей сборки, когда тепловыделяющий элемент размещен внутри чехла тепловыделяющей сборки.

22. Способ по п.21, в котором при изготовлении тепловыделяющего элемента дополнительно изготавливают тепловыделяющий элемент, имеющий по меньшей мере одно из следующего: профиль переменной эффективной плотности и профиль переменной толщины оболочки вдоль продольной оси.

23. Способ по п.21, в котором тепловыделяющий элемент выполнен в соответствии с любым из пп.1-6.