EA041650B1 - METHOD FOR OBTAINING RESISTANT TO CHEMICAL INTERACTION BETWEEN FUEL AND SHELL OF A HEAT ELEMENT - Google Patents

Description

Область техникиTechnical field

При использовании в ядерных реакторах ядерное топливо обычно помещают в оболочку. Оболочка может быть выполнена таким образом, чтобы содержать топливо, предотвращать взаимодействие топлива с внешней средой и/или предотвращать загрязнение теплоносителя продуктами деления. Например, некоторые виды ядерного топлива вступают в химическую реакцию с теплоносителями или другими материалами, которые так или иначе могут контактировать с ядерным топливом без оболочки, действующей как сепаратор.When used in nuclear reactors, the nuclear fuel is usually encapsulated. The cladding can be configured to contain fuel, prevent fuel from interacting with the environment, and/or prevent contamination of the coolant with fission products. For example, some types of nuclear fuel chemically react with coolants or other materials that may otherwise come into contact with nuclear fuel without a jacket acting as a separator.

Оболочка может иметь форму трубки, сферы или удлиненного призматического сосуда, внутри которого содержится топливо. В любом случае, сочетания топлива и оболочки часто называют тепловыделяющим элементом, тепловыделяющим стержнем или тепловыделяющим прутком.The shell may be in the form of a tube, a sphere, or an elongated prismatic vessel containing fuel. In any case, fuel and cladding combinations are often referred to as a fuel element, fuel rod, or fuel rod.

Химическое взаимодействие между топливом и оболочкой (ХВТО) в металлических топливных системах означает химические реакции между ядерным топливом и компонентами оболочки вследствие внутренней диффузии одного или более компонентов. При более глубоком выгорании (>20%) внутренняя диффузия топлива и продуктов деления в оболочку (или к ней) или диффузия элементов сплава оболочки в топливо может привести к снижению прочности системы оболочка-топливо по одному из ряда механизмов, таких как химическое взаимодействие, охрупчивание, потеря прочности, образование нежелательных сплавов и т.д. Более конкретно, компоненты оболочки (железо и никель) могут мигрировать в топливо, образуя легкоплавкие интерметаллические соединения, как с ураном, так и с плутонием, в то время как продукты деления лантаноидов (неодим, церий и т.д.) мигрируют наружу в оболочку, образуя хрупкие интерметаллические соединения, которые также склонны к эвтектическим реакциям.Fuel-cladding chemical interaction (FCI) in metallic fuel systems refers to chemical reactions between nuclear fuel and cladding components due to internal diffusion of one or more components. At deeper burnup (>20%), internal diffusion of the fuel and fission products into (or to) the cladding or diffusion of cladding alloy elements into the fuel can lead to a decrease in the strength of the cladding-fuel system through one of a number of mechanisms, such as chemical interaction, embrittlement , loss of strength, formation of unwanted alloys, etc. More specifically, cladding components (iron and nickel) can migrate into the fuel, forming low-melting intermetallic compounds with both uranium and plutonium, while lanthanide fission products (neodymium, cerium, etc.) migrate outward into the cladding. , forming brittle intermetallic compounds, which are also prone to eutectic reactions.

В данном описании раскрыты стойкие к химическому взаимодействию между топливом и оболочкой (ХВТО) тепловыделяющие элементы ядерного реактора и способы их получения. Тепловыделяющие элементы ядерного реактора включают два или более слоев из разных материалов (т.е. смежные барьеры состоят из разных основных материалов), нанесенных на стальную оболочку для уменьшения влияния ХВТО между оболочкой и ядерным материалом. В зависимости от воплощения, слой может быть структурным элементом (т.е. слоем, достаточно толстым для обеспечения более 50% прочности всего компонента, состоящего из оболочки и барьеров) или может быть более подходящим образом описан как облицовка или покрытие, которое каким-либо образом наносят на поверхность конструкционного элемента (например, на оболочку или на топливо в форме конструкционного элемента).Disclosed herein are fuel-cladding chemical reaction (FCI) resistant nuclear reactor fuel elements and methods for their preparation. Nuclear reactor fuel elements include two or more layers of different materials (i.e. adjacent barriers are made of different base materials) deposited on a steel cladding to reduce the effect of CVTO between the cladding and nuclear material. Depending on the implementation, the layer may be a structural element (i.e., a layer thick enough to provide more than 50% of the strength of the entire sheath and barrier component) or may be more appropriately described as a lining or coating that is somehow is applied to the surface of the structural element (for example, to the shell or to the fuel in the form of a structural element).

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

На прилагаемых чертежах, которые являются частью данной заявки, проиллюстрирована описанная технология, и они не предназначены для ограничения объема заявленного изобретения, который определен формулой изобретения, прилагаемой к настоящему документу.The accompanying drawings, which form part of this application, illustrate the described technology and are not intended to limit the scope of the claimed invention, which is defined by the claims appended hereto.

На фиг. 1 представлен линейный участок оболочки, снабженной двойным барьером против химического взаимодействия между топливом и оболочкой (ХВТО), или снабженная барьером оболочка (СБО).In FIG. 1 shows a linear section of a cladding provided with a double barrier against chemical interaction between the fuel and cladding (FCI), or a cladding equipped with a barrier (CBO).

На фиг. 2 представлено поперечное сечение воплощения СБО, представленной на фиг. 1, в виде трубки.In FIG. 2 is a cross-sectional view of an embodiment of the PBO shown in FIG. 1 in the form of a tube.

На фиг. 3 представлена СБО, показанная на фиг. 1, в контакте с ядерным материалом, таким как ядерное топливо.In FIG. 3 shows the SBO shown in FIG. 1 in contact with nuclear material such as nuclear fuel.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение трубчатого элемента, показанного на фиг. 2, с ядерным материалом, содержащимся внутри трубчатой оболочки, снабженной двойным барьером.In FIG. 4 is a cross section of the tubular element shown in FIG. 2 with nuclear material contained within a tubular sheath provided with a double barrier.

На фиг. 5 представлено воплощение способа выбора материалов барьерного слоя для стойкой к ХОВТ СБО и тепловыделяющего элемента.In FIG. 5 shows an embodiment of a method for selecting barrier layer materials for a CVD-resistant PBO and a fuel element.

На фиг. 6 укрупненно представлено воплощение способа получения стойкого к ХВТО тепловыделяющего элемента.In FIG. 6 is an enlarged view of an embodiment of a process for producing a CVTO-resistant fuel element.

На фиг. 7 представлен вид в разрезе линейного участка оболочки, снабженной тройным ХВТО барьером.In FIG. 7 is a sectional view of a linear section of a shell provided with a triple XVTO barrier.

На фиг. 8 представлено поперечное сечение воплощения тройной СБО, показанной на фиг. 7, в виде трубки.In FIG. 8 is a cross-sectional view of the triple SBO embodiment shown in FIG. 7 in the form of a tube.

На фиг. 9 представлена тройная СБО, показанная на фиг. 7, в контакте с ядерным материалом, таким как ядерное топливо.In FIG. 9 is the triple SBO shown in FIG. 7 in contact with nuclear material such as nuclear fuel.

На фиг. 10 представлено поперечное сечение воплощения тройной СБО в виде трубки, показанной на фиг. 8, с ядерным материалом, содержащимся внутри трубчатой оболочки, снабженной тройным барьером.In FIG. 10 is a cross-sectional view of the tube embodiment of the triple SBO shown in FIG. 8 with nuclear material contained within a tubular sheath provided with a triple barrier.

На фиг. 11а представлено неполное изображение ядерной тепловыделяющей сборки, в которой используют один или более указанных выше тепловыделяющих элементов.In FIG. 11a is a partial view of a nuclear fuel assembly that uses one or more of the above fuel elements.

На фиг. 11b представлено неполное изображение тепловыделяющего элемента в соответствии с одним воплощением.In FIG. 11b is a partial view of a fuel element in accordance with one embodiment.

Описание изобретенияDescription of the invention

Перед подробным описанием стойких к ХВТО тепловыделяющих элементов ядерного реактора, следует отметить, что данное описание не ограничено конкретными конструкциями, стадиями способа или материалами, раскрытыми в данном документе, а распространяется на их эквиваленты, как это будетBefore describing in detail CVTO-resistant nuclear reactor fuel elements, it should be noted that this description is not limited to the specific designs, process steps, or materials disclosed herein, but is extended to their equivalents, as will be

- 1 041650 очевидно специалистам в данной области техники. Следует также отметить, что терминологию, используемую в настоящем документе, применяют только с целью описания конкретных воплощений, и она не является ограничением. Следует отметить, что в данном описании форма единственного числа включает множественное, если в контексте ясно не указано иное. Таким образом, например, ссылку на гидроксид лития не нужно рассматривать как количественное ограничение или ограничение источника, ссылка на стадию в единственном числе, может включать множество стадий, ссылку на получение или продукты реакции не следует рассматривать как все продукты реакции и ссылка на осуществление реакции может включать ссылку на одну или более стадии такой реакции. Таким образом, стадия осуществления реакции может включать многократные или повторяющиеся реакции подобных материалов с получением идентичных продуктов реакции.- 1 041650 is obvious to those skilled in the art. It should also be noted that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting. It should be noted that in this description, the singular form includes the plural, unless the context clearly indicates otherwise. Thus, for example, reference to lithium hydroxide should not be considered as a quantitative or source limitation, reference to a step in the singular may include multiple steps, reference to preparation or reaction products should not be considered as all reaction products, and reference to performing a reaction may include reference to one or more steps in such a reaction. Thus, the reaction step may involve multiple or repeated reactions of similar materials to produce identical reaction products.

В данном описании раскрыты стойкие к ХВТО тепловыделяющие элементы ядерного реактора и способы их получения. В воплощениях, описанных далее, тепловыделяющие элементы ядерного реактора включают два или более слоев из разных материалов (т.е. соседние барьеры выполнены из разных основных материалов), предусмотренных на стальной оболочке для снижения эффектов ХВТО между оболочкой и ядерным материалом. В зависимости от воплощения, слой может быть структурным элементом (т.е. слоем, имеющим достаточную толщину для обеспечения более 50% прочности всего компонента, состоящего из оболочки и барьеров) или может быть более подходящим образом описан как облицовка или покрытие, которое каким-либо образом наносят на поверхность структурного компонента (например, на оболочку или на топливо в форме конструкционного элемента). Слои далее называют ХВТО барьерами или просто барьерами, чтобы подчеркнуть их функцию предотвращения или сокращения ХВТО. Сочетание оболочки и ХВТО барьеров далее называют оболочкой (СБО), снабженной ХВТО барьером. Сочетание СБО и любого ядерного материала, содержащегося в СБО, далее называют тепловыделяющим элементом.This disclosure discloses CVTO-resistant nuclear reactor fuel elements and methods for their preparation. In the embodiments described below, the nuclear reactor fuel elements include two or more layers of different materials (i.e., adjacent barriers made of different base materials) provided on the steel cladding to reduce the effects of CVRT between the cladding and nuclear material. Depending on the embodiment, the layer may be a structural element (i.e., a layer having sufficient thickness to provide more than 50% of the strength of the entire sheath and barrier component) or may be more appropriately described as a lining or coating that somehow or applied in a manner to the surface of a structural component (eg, a shell or fuel in the form of a structural element). The layers are further referred to as HWTO barriers or simply barriers to emphasize their function of preventing or reducing HWTO. The combination of the shell and the HWTO barriers is hereinafter referred to as the shell (SBO) equipped with the HWTO barrier. The combination of the PBO and any nuclear material contained in the PBO is hereinafter referred to as a fuel element.

В определенных конфигурациях топлива и оболочки, таких как стальная оболочка с урановым ядерным топливом, можно использовать множество ХВТО барьеров, причем каждую границу раздела между барьерами выбирают таким образом, чтобы минимизировать любое одно или более из указанных выше взаимодействий. Кроме того, барьеры могут быть выбраны так, что взаимодействие между границами раздела барьеров сводится к минимуму или подавляется. В некоторых случаях барьер может состоять из сплава с одним или более составляющими химическими элементами, которые препятствуют взаимодействию топлива и оболочки. В других воплощениях сплавы могут быть получены таким образом, что концентрации компонентов их составляющих подобраны таким образом, чтобы преимущественно препятствовать взаимодействиям топлива и оболочки.In certain fuel and cladding configurations, such as a steel cladding with uranium nuclear fuel, multiple XWTO barriers may be used, with each barrier interface selected to minimize any one or more of the above interactions. In addition, the barriers can be chosen such that interaction between barrier interfaces is minimized or suppressed. In some cases, the barrier may consist of an alloy with one or more constituent chemical elements that prevent the fuel from interacting with the cladding. In other embodiments, the alloys may be prepared such that the concentrations of their constituents are chosen to advantageously inhibit fuel-cladding interactions.

Однако определенные сочетания материалов могут не подходить для глубокого выгорания топлива. Например, некоторые материалы барьеров могут обезуглероживать сталь при воздействии высоких температур в течение длительного периода времени. Другие материалы барьеров хорошо работают со сталью, но могут диффундировать в такие виды топлива, как уран. В данном изобретении описаны СБО и способы выбора материала, которые позволяют создать барьер со стороны топлива, стойкий к воздействию топлива и окруженный вторым барьером, стойким к оболочке. Барьеры также являются стойкими относительно друг друга при облучении. Раскрытые конфигурации множества ХВТО барьеров уменьшают вредные влияния на оболочку.However, certain combinations of materials may not be suitable for high burnup fuels. For example, some barrier materials can decarburize steel when exposed to high temperatures for an extended period of time. Other barrier materials work well with steel but can diffuse into fuels such as uranium. The present invention describes SBOs and material selection methods that provide a fuel-side barrier that is resistant to fuel attack and surrounded by a second barrier that is resistant to sheathing. The barriers are also resistant to each other when irradiated. The disclosed configurations of a plurality of XWTO barriers reduce detrimental effects on the shell.

Для целей настоящего описания, для сравнения, характеристику ХВТО определяют путем размещения двух материалов в контакте (прикрепленными друг к другу, как обсуждается далее) и выдержки при температуре 650°С в течение 2 месяцев в инертной атмосфере. Затем материалы осматривают, например, с помощью сканирующего электронного микроскопа, определяя расстояние внутренней диффузии одного или более интересующих химических элементов (например, урана, хрома и т.д.) в различные материалы. Например, слой ванадия можно соединить со слоем урана и выдерживать при температуре 650°С в течение 2 месяцев, а затем осмотреть, чтобы определить, насколько глубоко уран диффундировал в ванадий. Многие из описанных здесь материалов представляют собой сплавы, содержащие множество элементов в различных концентрациях. При обсуждении ниже, если не указано иное, когда говорят, что материал барьера или оболочки обладает лучшей характеристикой ХВТО или лучшим расстоянием внутренней диффузии, чем второй материал по отношению к третьему материалу, это означает, что расстояние внутренней диффузии основного элемента (элемента, который имеет самое высокое массовое процентное содержание в сплаве) первого материала меньше, чем расстояние внутренней диффузии основного элемента второго материала в третьем материале. Например, вышеуказанным способом было определено, что ZrN имеет лучшую характеристику ХВТО, чем ванадий по отношению к стали НТ9, т.е. наблюдали, что ZrN диффундировал на меньшее расстояние в НТ9, чем ванадий, диффундировавший в НТ9, после выдержки в контакте в течение 2 месяцев при температуре 650°С. Таким образом, как описано ниже, ZrN является хорошим материалом барьера для использования между слоями ванадия и НТ9, особенно если НТ9 является основным конструкционным слоем, a ZrN и ванадий являются тонкими покрытиями.For the purposes of this description, for comparison, the CVTO performance is determined by placing the two materials in contact (attached to each other, as discussed below) and holding at 650° C. for 2 months in an inert atmosphere. The materials are then examined, for example using a scanning electron microscope, to determine the internal diffusion distance of one or more chemical elements of interest (eg, uranium, chromium, etc.) into the various materials. For example, a layer of vanadium can be bonded to a layer of uranium and held at 650°C for 2 months and then examined to determine how deeply the uranium has diffused into the vanadium. Many of the materials described here are alloys containing many elements in various concentrations. In the discussion below, unless otherwise noted, when a barrier or shell material is said to have a better XWTO performance or a better internal diffusion distance than the second material relative to the third material, this means that the internal diffusion distance of the main element (an element that has the highest weight percentage in the alloy) of the first material is less than the internal diffusion distance of the main element of the second material in the third material. For example, by the above method, it was determined that ZrN has a better XVTO characteristic than vanadium with respect to HT9 steel, i.e. observed that ZrN diffused a shorter distance in HT9 than vanadium diffused in HT9 after being in contact for 2 months at a temperature of 650°C. Thus, as described below, ZrN is a good barrier material to use between vanadium and HT9 layers, especially if HT9 is the main structural layer and ZrN and vanadium are thin coatings.

Механическое соединение оболочки, барьеров и топливной системы снижает термическое сопротивление между топливом и оболочкой. Это позволяет исключить традиционные связующие материалы,The mechanical connection of the cladding, barriers and fuel system reduces the thermal resistance between fuel and cladding. This eliminates traditional bonding materials,

- 2 041650 такие как жидкий натрий. Если не указано иное, описанные в данном документе конкретные воплощения не содержат связующих материалов, например жидкого натрия между слоями. В альтернативном воплощении может быть сформирована металлургическая связь между слоями СБО, или тепловыделяющий элемент может быть сформирован, например, путем прессования (например, горячего изостатического прессования), чтобы уменьшить термическое сопротивление между топливом и оболочкой.- 2 041650 such as liquid sodium. Unless otherwise indicated, the specific embodiments described herein do not contain binders, such as liquid sodium between layers. In an alternative embodiment, a metallurgical bond may be formed between the SBO layers, or the fuel element may be formed, for example, by pressing (eg, hot isostatic pressing) to reduce thermal resistance between the fuel and the cladding.

В последующем обсуждении приходят к выводам, что соседние слои оболочки могут быть соединены механической связью, металлургической связью или диффузионной связью и в них не используют традиционный связующий материал. Механически связанные слои относят к слоям, в которых сопряженные поверхности находятся в физическом контакте. Детали, соединенные посадкой с натягом, являются примером механически соединенных слоев. В то время как механически связанные слои могут иметь пустоты и могут не находиться в идеальном контакте по всей поверхности контакта, непосредственная близость и физический контакт обеспечивают хорошую передачу тепловой энергии между слоями. Это можно использовать для того, чтобы устранить необходимость в материале определенного сорта для теплопередачи между слоями. Металлургически связанные слои дополнительно каким-либо образом обработаны для создания физической границы раздела между атомами на поверхности двух слоев, которая полностью или в значительной степени не содержит пустот, что приводит к дискретной границе раздела между слоями. Металлургические связи лучше передают тепловую энергию, чем механические связи, благодаря лучшему контакту, но все же сохраняют дискретную границу раздела, в которой по существу отсутствует внутренняя диффузия материала между слоями. Границы раздела, полученные горячим изостатическим прессованием или осаждением из паровой фазы, являются примерами слоев, соединенных металлургической связью. Наконец, слои могут быть диффузионно-связанными, при этом материалы двух слоев намеренно перемешивают для создания зоны диффузии на границе раздела. При диффузионном связывании нет четкой границы раздела между двумя слоями, а есть зона, в которой материал постепенно переходит из материала одного слоя в материал другого слоя. Диффузионная связь изменяет свойства материала в зоне диффузии, в то время как механические и металлургические связи, с другой стороны, не оказывают существенного влияния на свойства обоих слоев и сохраняют дискретную границу раздела между двумя слоями.In the discussion that follows, it is concluded that adjacent skin layers can be bonded by mechanical bonding, metallurgical bonding, or diffusion bonding and do not use conventional bonding material. Mechanically bonded layers are referred to as layers in which mating surfaces are in physical contact. Parts connected by an interference fit are an example of mechanically connected layers. While the mechanically bonded layers may have voids and may not be in perfect contact across the contact surface, close proximity and physical contact ensure good transfer of thermal energy between the layers. This can be used to eliminate the need for a particular grade of material for heat transfer between layers. The metallurgically bonded layers are further processed in some way to create a physical interface between the atoms on the surface of the two layers that is completely or largely free of voids, resulting in a discrete interface between the layers. Metallurgical bonds are better at transferring thermal energy than mechanical bonds due to better contact, but still maintain a discrete interface in which there is essentially no internal diffusion of material between the layers. Interfaces obtained by hot isostatic pressing or vapor deposition are examples of layers connected by a metallurgical bond. Finally, the layers can be diffusion-coupled, with the materials of the two layers deliberately mixed to create a diffusion zone at the interface. With diffusion bonding, there is no clear interface between the two layers, but there is a zone in which the material gradually passes from the material of one layer to the material of the other layer. Diffusion bonding changes the properties of the material in the diffusion zone, while mechanical and metallurgical bonds, on the other hand, do not significantly affect the properties of both layers and maintain a discrete interface between the two layers.

На фиг. 1 представлен вид в разрезе линейного участка или элемента стенки СБО, содержащей двухслойный или двойной ХВТО барьер. СБО 100 может быть частью любого оборудования, корпуса реактора или компонента, который отделяет ядерное топливо от внешней среды. Например, СБО 100 может быть частью стенки трубы, прямоугольной призмы, куба или любой другой формы корпуса реактора или контейнера для хранения ядерного топлива. В альтернативном воплощении вместо части стенки контейнера СБО может представлять собой готовые слои на поверхности твердого ядерного топлива, полученные каким-либо осаждением или по другой технологии получения, как описано далее. Если СБО содержит ядерный материал, СБО и ядерный материал вместе называют тепловыделяющим элементом.In FIG. 1 is a sectional view of a linear section or wall element of a SBO containing a two-layer or double HVTO barrier. SBO 100 may be part of any equipment, reactor vessel, or component that separates nuclear fuel from the outside. For example, the RSS 100 may be part of a pipe wall, a rectangular prism, a cube, or any other shape of a reactor vessel or nuclear fuel storage container. In an alternative embodiment, instead of part of the wall of the container, the SBO can be finished layers on the surface of solid nuclear fuel, obtained by any deposition or other production technology, as described below. If the SBO contains nuclear material, the SBO and the nuclear material are collectively referred to as a fuel element.

Независимо от применяемой технологии получения, СБО 100, представленная на фиг. 1, состоит из двух ХВТО барьеров 102, 104 из различных основных материалов и оболочки 106. Каждый из слоев СБО механически или металлургически соединен со своим соседним слоем (слоями) по границе раздела с этим слоем. Например, в трубчатом воплощении, таком как на фиг. 2, слои СБО механически или металлургически соединены между собой по границе раздела между слоями. Первый ХВТО барьер 102 называют барьером со стороны топлива. Барьер 102 со стороны топлива отделяет топливо или зону хранения, в которой размещают топливо, если топливо еще не используют, от второго ХВТО барьера 104. Второй ХВТО барьер 104, называемый барьером со стороны оболочки, расположен между барьером 102 со стороны топлива и оболочкой 106. Таким образом, барьер 102 со стороны топлива представляет собой слой материала с одной поверхностью, обращенной к топливу, и другой поверхностью, обращенной к барьеру 104 со стороны оболочки, при этом барьер 104 со стороны оболочки содержит поверхность, обращенную к барьеру со стороны топлива, и поверхность, соединенную с оболочкой 106.Regardless of the production technology used, the PBS 100 shown in FIG. 1 consists of two XWTO barriers 102, 104 of different base materials and a shell 106. Each of the SBO layers is mechanically or metallurgically connected to its adjacent layer(s) at the interface with this layer. For example, in a tubular embodiment such as in FIG. 2, the SBO layers are mechanically or metallurgically interconnected along the interface between the layers. The first XWTO barrier 102 is referred to as the fuel side barrier. The fuel side barrier 102 separates the fuel, or a storage area in which the fuel is placed if the fuel is not already in use, from the second XWTO barrier 104. The second XWTO barrier 104, referred to as the shell side barrier, is located between the fuel side barrier 102 and the shell 106. Thus, the fuel-side barrier 102 is a layer of material with one surface facing the fuel and the other surface facing the shell-side barrier 104, wherein the shell-side barrier 104 comprises a surface facing the fuel-side barrier, and surface connected to the shell 106.

Оболочка 106 находится в контакте с внешней средой по одной поверхности и барьером 104 со стороны оболочки по противоположной поверхности. Таким образом, оболочка 106 отделяет двойной ХВТО барьер от внешней среды.The shell 106 is in contact with the external environment on one surface and the barrier 104 from the side of the shell on the opposite surface. Thus, the sheath 106 separates the double XWTO barrier from the outside environment.

В одном воплощении оболочка 106 является конструкционным элементом СБО. Т.е. она обеспечивает прочность и жесткость для сохранения формы тепловыделяющего элемента при эксплуатации. В данном воплощении барьеры 102, 104 могут иметь любую толщину, походящую для предотвращения ХВТО. Толщина барьеров 102, 104 может быть, а может и не быть достаточной для придания большей части или какой-либо части механической поддержки конструкционной целостности СБО. В одном воплощении может быть установлена минимальная толщина барьера со стороны топлива 8 мкм. В некоторых случаях барьеры 102, 104 могут быть тонкими (например, толщиной менее 50 мкм) и приравнены к покрытию. В альтернативных воплощениях один или оба барьера 102, 104 могут быть толще (толщиной 50 мкм или более) и их рассматривают как облицовку. В различных воплощениях каждый из барьеров 102, 104, независимо, может иметь толщину от 1,0; 2,0; 2,5; 3,0 или 5,0 мкм по нижнему пределу интервала толщины и вплоть до 3,0; 5,0; 7,5; 10; 15; 20; 25; 30; 40; 50; 75; 100 или даже 150 мкм в качестве верхнего предела интервала толщины.In one embodiment, the shell 106 is a structural element of the BSS. Those. it provides strength and rigidity to maintain the shape of the fuel element during operation. In this embodiment, barriers 102, 104 may be of any thickness suitable to prevent CVTO. The thickness of the barriers 102, 104 may or may not be sufficient to provide most or some of the mechanical support for the structural integrity of the SBO. In one embodiment, a minimum fuel-side barrier thickness of 8 microns can be set. In some cases, the barriers 102, 104 may be thin (eg, less than 50 microns thick) and equate to a coating. In alternative embodiments, one or both of the barriers 102, 104 may be thicker (50 microns or more thick) and are considered to be lining. In various embodiments, each of the barriers 102, 104 independently may have a thickness between 1.0; 2.0; 2.5; 3.0 or 5.0 microns in the lower limit of the thickness range and up to 3.0; 5.0; 7.5; 10; 15; 20; 25; thirty; 40; 50; 75; 100 or even 150 µm as the upper limit of the thickness range.

- 3 041650- 3 041650

СБО 100, представленная на фиг. 1, содержит барьер 102 со стороны топлива из материала, выбранного для снижения влияний ХВТО как на свойства оболочки 106, так и на свойства хранящегося топлива, а также выбранного для снижения влияния вредных химических взаимодействий между двумя барьерами 102, 104.SBO 100 shown in FIG. 1 comprises a fuel side barrier 102 of a material selected to reduce the effects of the CVTO on both the properties of the envelope 106 and the properties of the stored fuel, and also selected to reduce the effects of detrimental chemical interactions between the two barriers 102, 104.

Как описано ниже, материалы, используемые для барьера со стороны оболочки и барьера со стороны топлива, выбирают на основе их совместимости с материалом оболочки и ядерным материалом, соответственно. При этом, потенциально подходящие материалы барьера со стороны оболочки включают тугоплавкие металлы (например, Nb, Mo, Та, W или Re и их сплавы) или металлы с подобными свойствами (например, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe или Ni и их сплавы), или тугоплавкую керамику (TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC). Потенциально подходящие материалы барьера со стороны топлива также включают тугоплавкие металлы (например, Nb, Mo, Та, W или Re и их сплавы) или металлы с подобными свойствами (например, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc или Ni и их сплавы), или тугоплавкую керамику (TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC). Хотя представлены одинаковые перечни для материалов-кандидатов для каждого слоя барьера, в одном воплощении во всех реализациях используют различные основные материалы для соответствующих слоев барьеров. Под основным материалом или основным химическим элементом подразумевают химический элемент, содержащийся в наибольшем массовом количестве в материале. Например, для сплава, который содержит более 50% одного химического элемента, основным материалом является химический элемент, который составляет более 50 мас.% сплава. Для элементарных материалов, таких как V, Zr, Mo и т.д., основным материалом является этот химический элемент.As described below, the materials used for the cladding side barrier and the fuel side barrier are selected based on their compatibility with the cladding material and nuclear material, respectively. However, potentially suitable sheath-side barrier materials include refractory metals (e.g., Nb, Mo, Ta, W, or Re and their alloys) or metals with similar properties (e.g., Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os , Ir, Sc, Fe or Ni and their alloys), or refractory ceramics (TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC). Potentially suitable fuel-side barrier materials also include refractory metals (e.g., Nb, Mo, Ta, W, or Re and their alloys) or metals with similar properties (e.g., Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir , Sc or Ni and their alloys), or refractory ceramics (TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC). Although the lists are the same for candidate materials for each barrier layer, in one embodiment, all implementations use different base materials for the respective barrier layers. Under the main material or the main chemical element is meant the chemical element contained in the largest mass amount in the material. For example, for an alloy that contains more than 50% of one chemical element, the base material is the chemical element that makes up more than 50% by weight of the alloy. For elemental materials such as V, Zr, Mo, etc., this chemical element is the base material.

СБО 100, представленная на фиг. 1, содержит барьер 104 со стороны оболочки из материала, содержащего в качестве основного материал, отличный от материала барьера со стороны топлива (например, барьер со стороны оболочки может представлять собой сплав Ti, а барьер со стороны топлива может представлять собой любой материал, который, не является главным образом Ti, такой сплав Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC или Ni). Опять же, материал барьера со стороны оболочки выбирают для снижения влияния ХВТО на свойства оболочки 106 и хранящегося ядерного материала, а также выбирают для снижения влияния вредных химических взаимодействий между двумя барьерами 102, 104.SBO 100 shown in FIG. 1 comprises a sheath-side barrier 104 of a material containing a material other than the fuel-side barrier material as a base material (for example, the sheath-side barrier may be a Ti alloy, and the fuel-side barrier may be any material that, is not mainly Ti, such alloy is Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, TiN, ZrN, VN, TiC, ZrC, VC or Ni) . Again, the cladding side barrier material is chosen to reduce the effect of the CVTO on the properties of the cladding 106 and stored nuclear material, and is also chosen to reduce the effect of detrimental chemical interactions between the two barriers 102, 104.

В одном воплощении, при исходном предположении, что двухслойный ХВТО барьер необходим для удовлетворения требований совместимости как топлива, так и оболочки, два различных способа получения могут наилучшим образом подходить для создания отдельных ХВТО барьеров. Применение различных способов получения различных слоев барьеров имеет дополнительные преимущества в снижении вероятности отказа системы из-за отказа одного элемента, поскольку вероятность совмещения дефектов обоих слоев, которые получают/наносят различными способами, должна быть чрезвычайно мала. Из-за подвижной и агрессивной природы продуктов деления лантаноидов это наличие альтернативных возможностей особенно привлекательно, поскольку любые дефекты в ХВТО барьерах в высокотемпературных (температура внутренней оболочки >550°С) областях тепловыделяющих элементов, как ожидают, приведут к точкам отказа в металлических топливных системах со стальной оболочкой.In one embodiment, assuming that a two-layer XTTO barrier is needed to meet both fuel and cladding compatibility requirements, two different preparation methods may be best suited to create separate XTTO barriers. The use of different methods for producing different barrier layers has the additional advantage of reducing the likelihood of system failure due to single element failure, since the probability of overlapping defects in both layers that are produced/applied in different ways should be extremely small. Due to the mobile and corrosive nature of the lanthanide fission products, this alternative capability is particularly attractive, as any defects in the HFTO barriers in the high temperature (inner cladding temperature >550°C) regions of the fuel elements are expected to lead to points of failure in metallic fuel systems with steel sheath.

Оболочка 106 может быть выполнена из любой походящей стали или известного материала оболочки. Примеры подходящих сталей включают мартенситную сталь, ферритную сталь, аустенитную сталь, нержавеющие стали, включая алюминийсодержащие нержавеющие стали, высококачественные стали, такие как сплавы FeCrAl, HT9, дисперсионная упрочненная оксидами сталь, сталь Т91, сталь Т92, сталь НТ9, сталь 316, сталь 304, АРМТ (Fe-22 мас.% Cr-5,8 мас.% Al) и сплав 33 (смесь железа, хрома и никеля, номинально 32 мас.% Fe-33 мас.% Cr-31 мас.% Ni). Сталь может иметь любой тип микроструктуры. Например, в одном воплощении по существу вся сталь в оболочке 106 содержит по меньшей мере одну фазу, выбранную из фазы отпущенного мартенсита, ферритной фазы и аустенитной фазы. В одном воплощении сталь представляет собой сталь НТ9 или модифицированную сталь НТ9.Sheath 106 may be made from any suitable steel or known sheath material. Examples of suitable steels include martensitic steel, ferritic steel, austenitic steel, stainless steels including aluminium-containing stainless steels, high quality steels such as FeCrAl alloys, HT9, precipitation hardened oxide steel, T91 steel, T92 steel, HT9 steel, 316 steel, 304 steel , ARMT (Fe-22 wt.% Cr-5.8 wt.% Al) and alloy 33 (a mixture of iron, chromium and nickel, nominally 32 wt.% Fe-33 wt.% Cr-31 wt.% Ni). Steel can have any type of microstructure. For example, in one embodiment, substantially all of the steel in the jacket 106 contains at least one phase selected from a tempered martensite phase, a ferritic phase, and an austenitic phase. In one embodiment, the steel is HT9 steel or modified HT9 steel.

В качестве альтернативы, оболочка 106 может быть изготовлена из материала или сплава, отличного стали, такого как молибден или сплав молибдена, цирконий или сплав циркония (например, любой из сплавов ZIRCALOY™, таких как Zircaloy-2 and Zircaloy-4), ниобий или сплав ниобия, сплавы цирконияниобия (например, М5 и ZIRLO), никель или сплав никеля (например, HASTELLOY™ N).Alternatively, sheath 106 may be made from a material or alloy other than steel, such as molybdenum or molybdenum alloy, zirconium or zirconium alloy (for example, any of the ZIRCALOY™ alloys such as Zircaloy-2 and Zircaloy-4), niobium, or niobium alloy, zirconium-niobium alloys (eg M5 and ZIRLO), nickel or nickel alloy (eg HASTELLOY™ N).

В одном воплощении модифицированная сталь НТ9 содержит 9,0-12,0 мас.% Cr; 0,001-2,5 мас.% W; 0,001-2,0 мас.% Мо; 0,001-0,5 мас.% Si; вплоть до 0,5 мас.% Ti; вплоть до 0,5 мас.% Zr; вплоть до 0,5 мас.% V; вплоть до 0,5 мас.% Nb; вплоть до 0,3 мас.% Та; вплоть до 0,1 мас.% N; вплоть до 0,3 мас.% С; и вплоть до 0,01 мас.% В; причем остальное составляет Fe и другие химические элементы, при этом сталь содержит не более 0,15 мас.% каждого из этих других элементов, и общее количество этих других элементов не превышает 0,35 мас.%. В других воплощениях сталь может иметь более узкий диапазон содержания Si от 0,1 до 0,3 мас.%. Сталь стального слоя 104 может включать одну или более карбидных фаз Ti, Zr, V, Nb, Та или В, нитридных фаз Ti, Zr, V, Nb или Та и/или карбонитридных фаз Ti, Zr, V, Nb или Та.In one embodiment, the modified steel HT9 contains 9.0-12.0 wt.% Cr; 0.001-2.5 wt.% W; 0.001-2.0 wt% Mo; 0.001-0.5 wt% Si; up to 0.5 wt% Ti; up to 0.5 wt% Zr; up to 0.5 wt% V; up to 0.5 wt% Nb; up to 0.3 wt% Ta; up to 0.1 wt% N; up to 0.3 wt% C; and up to 0.01 wt% B; and the rest is Fe and other chemical elements, while the steel contains no more than 0.15 wt.% of each of these other elements, and the total amount of these other elements does not exceed 0.35 wt.%. In other embodiments, the steel may have a narrower range of Si content from 0.1 to 0.3 wt.%. The steel of the steel layer 104 may include one or more Ti, Zr, V, Nb, Ta, or B carbide phases, Ti, Zr, V, Nb, or Ta nitride phases, and/or Ti, Zr, V, Nb, or Ta carbonitride phases.

В одном воплощении слои 102, 104, 106 завершенной СБО прикреплены без зазора или пространства между ними. Как более подробно описано далее, это является результатом либо механического спосо- 4 041650 ба присоединения (например, пилигримовая прокатка или установка по прессовой посадке) или способа осаждения.In one embodiment, the layers 102, 104, 106 of the completed SBO are attached with no gap or space between them. As described in more detail below, this is the result of either a mechanical attachment method (eg, pilgrim rolling or press-fitting) or a precipitation method.

На фиг. 2 представлено воплощение СБО, показанной на фиг. 1, в виде трубки. В представленном воплощении элемент 200 стенки выполнен в форме трубки с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, при этом барьер 202 со стороны топлива образует внутреннюю поверхность трубки, а оболочка 206 из стали образует внешнюю поверхность трубки. Между барьером 202 со стороны топлива и оболочкой 206 расположен барьер 204 со стороны оболочки. Область хранения топлива находится в центральной области трубки. Топливо, когда его размещают внутри трубки, защищено от реакционноспособной внешней среды, в то же время оболочка 206 отделена от топлива.In FIG. 2 shows an embodiment of the SBO shown in FIG. 1 in the form of a tube. In the embodiment shown, the wall member 200 is in the form of a tube with an inner surface and an outer surface, with the fuel side barrier 202 forming the inner surface of the tube and the steel sheath 206 forming the outer surface of the tube. Between the barrier 202 on the side of the fuel and the shell 206 is the barrier 204 on the side of the shell. The fuel storage area is located in the central area of the tube. The fuel, when placed inside the tube, is protected from the reactive external environment, while the shell 206 is separated from the fuel.

Общий термин элемент стенки используют в данном документе для понимания того, что трубка, призма или другая форма контейнера может иметь множество различных стенок или секций стенки, не все из которых являются СБО. Воплощения тепловыделяющих элементов включают такие, которые содержат один или более элементов стенки, которые выполнены из материалов, не являющихся СБО 100, как показано на фиг. 1, а также элементы стенки из СБО 100. Например, трубка может содержать цилиндрический элемент стенки из СБО 100, описанный на фиг. 2, но иметь концевые заглушки другой конструкции. Аналогично, конструкция многоугольного сечения, например прямоугольный (коробчатый) или шестиугольный призматический топливный контейнер, может иметь боковые стенки и нижнюю стенку, выполненную так, как показано на фиг. 1, но иметь верхнюю часть другой конструкции.The generic term wall element is used herein to understand that a tube, prism, or other form of container may have many different walls or wall sections, not all of which are CBOs. Fuel element embodiments include those that include one or more wall elements that are made from materials other than the FOS 100, as shown in FIG. 1, as well as the wall elements of the CBO 100. For example, the tube may include the cylindrical wall element of the CBO 100 described in FIG. 2, but have end caps of a different design. Similarly, a polygonal structure, such as a rectangular (box-shaped) or hexagonal prismatic fuel container, may have side walls and a bottom wall as shown in FIG. 1, but have a different top design.

На фиг. 3 показан элемент стенки, представленный на фиг. 1, но на этот раз в качестве тепловыделяющего элемента 300 с ядерным материалом 310, включающим, но не ограниченным этим, ядерное топливо, контактирующее с барьером 302 со стороны топлива. Барьер 302 со стороны топлива отделен от оболочки 306 барьером 304 со стороны оболочки. Барьеры 302, 304, опять же, могут быть любой толщины, от тонкого покрытия, как определено выше, вплоть до 50% от толщины основного конструкционного элемента, оболочки 306.In FIG. 3 shows the wall element shown in FIG. 1, but this time as fuel element 300 with nuclear material 310, including but not limited to nuclear fuel, in contact with the fuel-side barrier 302. The fuel-side barrier 302 is separated from the shell 306 by a shell-side barrier 304. Barriers 302, 304, again, can be of any thickness, from a thin coating as defined above, up to 50% of the thickness of the main structural element, shell 306.

В альтернативном воплощении, не показано, основным конструкционным элементом является один из барьеров (либо барьер 304 со стороны оболочки, либо барьер 302 со стороны топлива). В данном воплощении оболочка может представлять собой тонкий слой из стали.In an alternative embodiment, not shown, the main structural element is one of the barriers (either the shell-side barrier 304 or the fuel-side barrier 302). In this embodiment, the sheath may be a thin layer of steel.

Опять же, каждый из слоев СБО (т.е. оболочка 306, барьер 304 со стороны оболочки и барьер 302 со стороны топлива) механически или металлургически соединен со своим соседним слоем (слоями) по границе раздела с этим слоем. Например, в трубчатом воплощении, таком как показанный на фиг. 4, слои из СБО механически или металлургически соединены между собой по периметру границы раздела между слоями. В зависимости от воплощения, ядерный материал 310 может быть, а может и не быть механически или металлургически соединен с барьером 302 со стороны топлива, как описано более подробно далее.Again, each of the CBO layers (ie, sheath 306, sheath-side barrier 304, and fuel-side barrier 302) is mechanically or metallurgically coupled to its adjacent layer(s) at an interface with that layer. For example, in a tubular embodiment such as shown in FIG. 4, the SBO layers are mechanically or metallurgically connected to each other along the perimeter of the interface between the layers. Depending on the embodiment, the nuclear material 310 may or may not be mechanically or metallurgically coupled to the fuel side barrier 302, as described in more detail below.

На фиг. 4 аналогичным образом показано воплощение СБО, показанной на фиг. 2, в виде трубки, но на этот раз в качестве тепловыделяющего элемента 400, содержащего ядерный материал 410, включающий, но не ограниченный этим, ядерное топливо. Ядерный материал 410 расположен в полом центре СБО, в контакте с барьером 402 со стороны топлива. Барьер 402 со стороны топлива отделен от оболочки 406 барьером 404 со стороны оболочки. Барьеры 402, 404 опять же могут иметь любую толщину от тонкого покрытия, как указано выше, вплоть до 50% от толщины основного конструкционного элемента, оболочки 406.In FIG. 4 similarly shows an embodiment of the SBO shown in FIG. 2, in the form of a tube, but this time as a fuel element 400 containing nuclear material 410, including but not limited to nuclear fuel. The nuclear material 410 is located in the hollow center of the SBO, in contact with the fuel side barrier 402. The fuel-side barrier 402 is separated from the shell 406 by a shell-side barrier 404. The barriers 402, 404 can again be any thickness from the thin coating as above, up to 50% of the thickness of the main structural element, the shell 406.

Ядерный материал 410 может быть сплошным, как показано, или может быть материалом, выполненным в виде кольца, так что готовый тепловыделяющий элемент является полым в центре. В другом воплощении, тепловыделяющий элемент может иметь дольчатую форму или любое другое поперечное сечение, чтобы обеспечить пространство в центре тепловыделяющего элемента для расширения ядерного материала 410.Nuclear material 410 may be solid, as shown, or may be an annular material such that the finished fuel element is hollow in the center. In another embodiment, the fuel element may be lobed or any other cross section to provide space at the center of the fuel element for nuclear material 410 to expand.

Для целей настоящей заявки ядерный материал включает любой материал, содержащий актинид, независимо от того, может ли он быть использован в качестве ядерного топлива. Таким образом, любое ядерное топливо является ядерным материалом, но в более широком смысле любые материалы, содержащие следы или большее количество U, Th, Am, Np, и/или Pu являются ядерными материалами. Другие примеры ядерных материалов включают отработанное топливо, обедненный уран, урановый концентрат, диоксид урана, металлический уран, металлический уран с цирконием и/или плутонием, металлический уран с молибденом и/или плутонием, диоксид тория, торианит, хлоридные соли урана, такие как соли, содержащие тетрахлорид урана и/или трихлорид урана, и фторидные соли урана.For the purposes of this application, nuclear material includes any material containing actinide, whether or not it can be used as nuclear fuel. Thus, any nuclear fuel is nuclear material, but in a broader sense, any material containing traces or more of U, Th, Am, Np, and/or Pu is nuclear material. Other examples of nuclear materials include spent fuel, depleted uranium, uranium concentrate, uranium dioxide, uranium metal, uranium metal with zirconium and/or plutonium, uranium metal with molybdenum and/or plutonium, thorium dioxide, thorianite, uranium chloride salts such as containing uranium tetrachloride and/or uranium trichloride, and uranium fluoride salts.

С другой стороны, ядерное топливо включает любое делящееся вещество.On the other hand, nuclear fuel includes any fissile material.

Делящееся вещество включает любой нуклид, способный подвергаться делению при воздействии низкоэнергетических тепловых нейтронов или высокоэнергетических нейтронов. Кроме того, делящееся вещество включает любой делящийся материал, любой воспроизводящий материал или сочетания делящегося и воспроизводящего материалов. Сюда входят известные металлические, оксидные и смешанные оксидные формы ядерного топлива. Делящийся материал может содержать металл и/или металлический сплав. В одном воплощении топливом может быть металлическое топливо. Следует принять во внимание, что металлическое топливо позволяет обеспечить относительно высокие загрузки тяжелых металловFissile material includes any nuclide capable of undergoing fission when exposed to low energy thermal neutrons or high energy neutrons. In addition, fissile material includes any fissile material, any fertile material, or combinations of fissile and fertile materials. This includes known metallic, oxide and mixed oxide forms of nuclear fuel. The fissile material may contain a metal and/or a metal alloy. In one embodiment, the fuel may be a metallic fuel. It should be taken into account that metallic fuel allows for relatively high loads of heavy metals.

- 5 041650 и отличную экономию нейтронов, что является предпочтительным для процесса деления ядерного реактора на бегущей волне. В зависимости от области применения, топливо может включать по меньшей мере один элемент, выбираемый из U, Th, Am, Np и Pu. В одном воплощении топливо может включать по меньшей мере приблизительно 90 мас.% U, например по меньшей мере 95, 98, 99, 99,5, 99,9, 99,99 мас.% или более U. Топливо может дополнительно включать огнеупорный или высокотемпературный материал, который может включать по меньшей мере один элемент, выбранный из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os и Ir. В одном воплощении топливо может включать дополнительные выгорающие поглотители, такие как бор, гадолиний, эрбий или индий. Кроме того, металлическое топливо может быть легировано цирконием в количестве от приблизительно 3 до приблизительно 10 мас.% для обеспечения стабильности размеров при облучении.- 5 041650 and excellent neutron economy, which is preferable for the process of fission of a nuclear reactor on a traveling wave. Depending on the application, the fuel may include at least one element selected from U, Th, Am, Np and Pu. In one embodiment, the fuel may include at least about 90 wt.% U, for example, at least 95, 98, 99, 99.5, 99.9, 99.99 wt.% or more U. The fuel may further include refractory or a high temperature material which may include at least one element selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, and Ir. In one embodiment, the fuel may include additional burnable poisons such as boron, gadolinium, erbium, or indium. In addition, the metallic fuel may be doped with zirconium in an amount of from about 3 to about 10 wt.% to ensure dimensional stability upon irradiation.

Примеры агрессивных сред или материалов, от которых отделяют ядерные материалы, включают теплоносители реактора, такие как Na, NaK, сверхкритический СО2, свинец и свинцово-висмутовый эвтектический сплав, и NaCl-MgCl2.Examples of corrosive media or materials from which nuclear materials are separated include reactor coolants such as Na, NaK, supercritical CO2, lead and lead-bismuth eutectic alloy, and NaCl-MgCl2.

На фиг. 5 представлено воплощение способа выбора материалов барьерного слоя стойкой к ХВТО СБО и тепловыделяющего элемента. В представленном воплощении способ 500 начинают с определения ядерного материала, который вмещает тепловыделяющий элемент, на стадии 502 идентификации ядерного материала. Ядерный материал может быть выбран из любых известных материалов, или выбор вариантов может быть ограничен несколькими материалами или только одним материалом из-за доступности или других ограничений. Выше указан перечень некоторых возможных ядерных материалов.In FIG. 5 shows an embodiment of a method for selecting materials for a CVTO-resistant PBO barrier layer and a fuel element. In the present embodiment, the method 500 begins by determining the nuclear material that contains the fuel element, at the stage 502 identifying the nuclear material. The nuclear material may be selected from any of the known materials, or the choice of options may be limited to a few materials or only one material due to availability or other limitations. Above is a list of some possible nuclear materials.

Также определяют материал оболочки на стадии 504 идентификации оболочки.The shell material is also determined in step 504 of shell identification.

Материал оболочки может быть определен на основе одного или более факторов, таких как требования к прочности, требования к толщине, требования к нейтронам, доступность, стоимость, коррозионная стойкость к внешней среде, технологичность и долговечность, и это только небольшая часть. Перечень некоторых возможных материалов оболочки указан выше.The shell material can be determined based on one or more factors such as strength requirements, thickness requirements, neutron requirements, availability, cost, environmental corrosion resistance, processability and durability, to name but a few. A list of some possible sheath materials is listed above.

Независимо от того, какой материал оболочки выбран, он будет обладать определенными характеристиками химического взаимодействия по отношению к ядерному материалу. Эти характеристики будут определять, в какой степени ХВТО повредит материал оболочки, если он находится в непосредственном контакте с выбранным ядерным материалом.Regardless of which sheath material is chosen, it will have certain chemical interaction characteristics with respect to the nuclear material. These characteristics will determine the extent to which the CVTO will damage the containment material if it is in direct contact with the selected nuclear material.

При известном материале оболочки и ядерном материале, может быть выбран материал барьера со стороны топлива на стадии 506 выбора материала барьера со стороны топлива. На этой стадии 506 выбирают материал барьера со стороны топлива, который снижает или устраняет диффузию ядерного материала и продуктов ядерного деления через барьеры со стороны топлива в материал оболочки. Т.е. выбирают материал барьера со стороны топлива, который обладает лучшими свойствами химического взаимодействия с ядерным материалом, чем выбранный материал оболочки. В одном воплощении, например, материал барьера со стороны топлива обладает большей стойкостью к внутренней диффузии продуктов деления лантаноидов, чем материал оболочки. Толщина барьера также может быть определена на данной стадии 506.With the cladding material and nuclear material known, the fuel side barrier material can be selected at step 506 of selecting the fuel side barrier material. In this step 506, a fuel-side barrier material is selected that reduces or eliminates the diffusion of nuclear material and fission products through the fuel-side barriers into the cladding material. Those. selecting a fuel-side barrier material that has better chemical interaction properties with the nuclear material than the selected cladding material. In one embodiment, for example, the fuel side barrier material is more resistant to internal diffusion of lanthanide fission products than the cladding material. The barrier thickness can also be determined at this stage 506.

Эта стадия 506 выбора учитывает ожидаемую тепловую, физическую (например, давление и конфигурацию) и нейтронную среду, воздействию которой подвергается готовый ядерный тепловыделяющий элемент во время работы реактора. Например, в одном воплощении основным функциональным требованием ХВТО барьеров является выдерживание расчетного срока службы (40-60 лет) при повышенных температурах (550-625°С) с минимальным взаимодействием с топливом, продуктами деления и компонентами оболочки.This selection step 506 takes into account the expected thermal, physical (eg, pressure and configuration), and neutron environment that the finished nuclear fuel element is exposed to during reactor operation. For example, in one embodiment, the main functional requirement of the HWTO barriers is to maintain the design life (40-60 years) at elevated temperatures (550-625°C) with minimal interaction with fuel, fission products and cladding components.

Также, материал барьера со стороны оболочки выбирают на стадии 508 выбора материала барьера со стороны оболочки. На этой стадии 508 выбирают материал барьера со стороны оболочки, отличающийся своим основным материалом от материала барьера со стороны топлива, который снижает или устраняет вредные химические взаимодействия с материалом оболочки относительно выбранного материала барьера со стороны топлива. Т.е. выбранный материал барьера со стороны оболочки обладает лучшими характеристиками химического взаимодействия с оболочкой, чем материал барьера со стороны топлива. Например, выбранный материал со стороны оболочки может иметь повышенную стойкость к внутренней диффузии одного или более химических элементов из материала оболочки, чем материал барьера со стороны топлива. В качестве другого примера, в одном воплощении материал оболочки представляет собой углеродсодержащую сталь, а выбранный материал барьера со стороны оболочки демонстрирует меньшую степень обезуглероживания материала оболочки, чем материал барьера со стороны топлива. Известны другие характеристики химического взаимодействия, включая склонность к сплавлению с компонентами в материале оболочки. Кроме того, в одном воплощении материал барьера со стороны оболочки также выбирают по совместимости с материалом барьера со стороны топлива. Толщина барьера со стороны оболочки также может быть определена на этой стадии 508.Also, the shell-side barrier material is selected at the shell-side barrier material selection step 508 . In this step 508, a cladding-side barrier material is selected that differs in its base material from the fuel-side barrier material, which reduces or eliminates detrimental chemical interactions with the cladding material relative to the selected fuel-side barrier material. Those. the selected cladding-side barrier material has better cladding chemical interaction characteristics than the fuel-side barrier material. For example, the selected sheath-side material may have improved resistance to internal diffusion of one or more chemical elements from the sheath material than the fuel-side barrier material. As another example, in one embodiment, the sheath material is carbon steel and the chosen sheath-side barrier material exhibits less decarburization of the sheath material than the fuel-side barrier material. Other chemical interaction characteristics are known, including a tendency to fuse with components in the sheath material. In addition, in one embodiment, the sheath-side barrier material is also selected for compatibility with the fuel-side barrier material. The shell side barrier thickness can also be determined at this step 508.

Например, одним из наблюдаемых вредных химических взаимодействий с углеродсодержащими сталями является обезуглероживание стали с течением времени в ядерной среде. Может быть выбран материал барьера со стороны оболочки, отличающийся по основному материалу от материала барьера со стороны топлива, который показал способность снижать наблюдаемую степень обезуглероживания, при ожидаемой тепловой, физической (например, давление и конфигурация) и нейтронной среде, воздейст- 6 041650 вию которой подвергается готовый ядерный тепловыделяющий элемент в ходе работы реактора. Например, в конкретном воплощении, каждый из материалов барьера также выбирают таким образом, чтобы препятствовать диффузии присутствующих подвижных веществ.For example, one observed detrimental chemical interaction with carbon steels is the decarburization of the steel over time in a nuclear environment. A cladding-side barrier material may be selected that differs in base material from the fuel-side barrier material that has been shown to reduce the observed degree of decarburization under the expected thermal, physical (e.g., pressure and configuration), and neutron environment to which exposed to the finished nuclear fuel element during the operation of the reactor. For example, in a particular embodiment, each of the barrier materials is also chosen to inhibit diffusion of the mobile substances present.

Затем осуществляют проверку совместимости для подтверждения совместимости двух выбранных материалов барьера на стадии 510 анализа. На этой стадии 510 определяют совместимость двух выбранных материалов барьера при ожидаемых условиях эксплуатации. Если установлено, что материал барьера со стороны оболочки и материал барьера со стороны топлива недостаточно совместимы, тогда может быть изучено воплощение барьера с тремя или более слоями. Воплощение может включать выбор материала и толщины для среднего барьера, который совместим как с барьером со стороны топлива, так и с барьером со стороны оболочки. Дополнительные барьерные слои можно считать подходящими, при выборе для каждого слоя материала, толщины и способа нанесения, в отношении соседних барьеров, топлива и/или оболочки.A compatibility check is then performed to confirm the compatibility of the two selected barrier materials in analysis step 510. In this step 510, the compatibility of the two selected barrier materials under the expected operating conditions is determined. If it is determined that the sheath-side barrier material and the fuel-side barrier material are not sufficiently compatible, then an embodiment of the barrier with three or more layers may be explored. The embodiment may include selecting a material and thickness for the middle barrier that is compatible with both the fuel side barrier and the cladding side barrier. Additional barrier layers may be considered appropriate, with the choice for each layer of material, thickness and method of application, in relation to adjacent barriers, fuel and/or sheath.

На фиг. 6 укрупненно представлено воплощение способа получения стойкого к ХВТО тепловыделяющего элемента. Учитывая выбранный ряд материалов и толщины для каждого из четырех или более слоев, способ 600 позволяет получить готовый тепловыделяющий элемент.In FIG. 6 is an enlarged view of an embodiment of a process for producing a CVTO-resistant fuel element. Given a selected range of materials and thicknesses for each of the four or more layers, method 600 produces a finished fuel element.

В представленном воплощении способ 600 начинают с изготовления слоя исходного компонента тепловыделяющего элемента на стадии 602 изготовления. Слой может быть любым из слоев указанных выше, т.е. оболочкой, барьером со стороны оболочки, барьером со стороны топлива или топливом. Этот исходный компонент изготавливают на стадии 602 изготовления в качестве отдельного компонента заданной формы, к которому впоследствии могут быть присоединены другие слои.In the illustrated embodiment, method 600 begins by manufacturing a fuel element precursor layer at manufacturing step 602 . The layer can be any of the layers mentioned above, ie. sheath, sheath-side barrier, fuel-side barrier, or fuel. This initial component is fabricated in manufacturing step 602 as a separate shaped component to which other layers can subsequently be attached.

Например, в воплощении, в котором оболочка представляет собой сталь НТ9, стадия 602 изготовления может включать обычную ковку стали НТ9 и вытяжку ее с получением трубы или листа. Аналогичным образом, в воплощении, в котором барьер со стороны оболочки является исходным компонентом, стадия 602 изготовления может включать обычную ковку материала барьера со стороны оболочки и вытяжку его с получением трубы или листа для создания отдельного элемента. Также можно использовать трехмерную печать для изготовления исходного компонента.For example, in an embodiment where the sheath is HT9 steel, fabrication step 602 may include conventional forging of HT9 steel and drawing it into a tube or sheet. Similarly, in an embodiment where the shell side barrier is the original component, fabrication step 602 may include conventionally forging the shell side barrier material and drawing it into a tube or sheet to create a separate element. It is also possible to use 3D printing to manufacture the original component.

После изготовления исходного компонента, осуществляют стадию 604 присоединения второго слоя, на которой второй слой прикрепляют к исходному компоненту. На стадии 604 присоединения первый и второй слои механически или металлургически соединяют между собой по границе раздела слоев. Например, в трубчатом воплощении первый и второй слои механически или металлургически соединяют между собой по периметру границы раздела в двух слоев. В качестве конкретного примера, можно вытянуть трубку НТ9 и затем покрыть ее внутреннюю поверхность материалом барьера со стороны оболочки, выбранным из вышеприведенного перечня, с использованием любого из способов, описанных ниже.After the parent component is made, a second layer attachment step 604 is performed in which the second layer is attached to the parent component. At the joining step 604, the first and second layers are mechanically or metallurgically joined together along the interface between the layers. For example, in a tubular embodiment, the first and second layers are mechanically or metallurgically connected to each other along the perimeter of the interface in two layers. As a specific example, an HT9 tube can be drawn out and then coated on its inner surface with a sheath-side barrier material selected from the list above using any of the methods described below.

Используемый способ соединения будет зависеть от типа соединяемых материалов. Примеры способов соединения более подробно рассмотрены ниже. В результате получают двухслойный промежуточный компонент. Для тепловыделяющего элемента с двойным барьером двухслойный промежуточный компонент является одним из следующих компонентов: а) промежуточный компонент из оболочки и барьера со стороны оболочки, б) промежуточный компонент из барьера со стороны оболочки и барьера со стороны топлива или в) промежуточный компонент из барьера со стороны топлива и ядерного материала, в зависимости от того, каким был исходный компонент. В рамках этой стадии 604, второй слой может быть сначала изготовлен, а затем присоединен, или присоединение и изготовление можно выполнять одновременно, например, когда второй слой осаждают на исходный компонент.The joining method used will depend on the type of materials to be joined. Examples of connection methods are discussed in more detail below. The result is a two-layer intermediate component. For a double barrier fuel element, the two-layer intermediate component is one of the following: a) a cladding-side barrier intermediate component, b) an intermediate cladding-side barrier-fuel-side barrier component, or c) a cladding-side barrier intermediate component, or fuel and nuclear material, depending on what the original component was. Within this step 604, the second layer can be first made and then attached, or the joining and fabrication can be performed simultaneously, for example, when the second layer is deposited on the original component.

Затем осуществляют стадию 606 присоединения третьего слоя, соединяя третий слой с двухслойным промежуточным компонентом. В ходе стадии 606 присоединения третьего слоя, третий слой механически или металлургически соединяют с одним или двумя слоями двухслойного промежуточного компонента. Например, в трубчатом воплощении второй и третий слои механически или металлургически соединяют между собой по периметру границы раздела двух слоев. Это позволяет получить трехслойный промежуточный компонент. Для тепловыделяющего элемента с двойным барьером, трехслойный промежуточный компонент представляет собой либо СБО, либо промежуточный компонент из барьера со стороны оболочки, барьера со стороны топлива и ядерного материала, опять же, в зависимости от того, каким был исходный компонент и в каком порядке соединяли слои. Аналогично, в рамках данной стадии 606 третий слой может быть сначала изготовлен, а затем присоединен, или присоединение и изготовление можно выполнять одновременно, например, когда третий слой осаждают на двухслойный промежуточный компонент.A third layer joining step 606 is then carried out, joining the third layer to the two-layer intermediate component. During step 606 of joining the third layer, the third layer is mechanically or metallurgically connected to one or two layers of the two-layer intermediate component. For example, in a tubular embodiment, the second and third layers are mechanically or metallurgically connected to each other along the perimeter of the interface between the two layers. This allows you to get a three-layer intermediate component. For a double barrier fuel element, the three-layer intermediate component is either the SBO or the intermediate component of the cladding side barrier, fuel side barrier and nuclear material, again depending on what the original component was and in what order the layers were connected . Similarly, within this step 606, the third layer can be first made and then attached, or the joining and fabrication can be performed simultaneously, for example, when the third layer is deposited on a two-layer intermediate component.

В качестве конкретного примера, можно вытянуть трубку НТ9 и затем покрыть материалом барьера со стороны оболочки, затем можно изготовить трубку из материала барьера со стороны топлива и вставить ее в промежуточный компонент НТ9/барьер со стороны оболочки. Затем трехслойный промежуточный компонент можно подвергнуть горячей или холодной вытяжке, чтобы улучшить связь между барьером со стороны оболочки и барьером со стороны топлива.As a specific example, the HT9 tube can be drawn out and then coated with the sheath side barrier material, then the tube can be made from the fuel side barrier material and inserted into the HT9 intermediate component/sheath side barrier. The three-layer intermediate component can then be hot or cold drawn to improve the bond between the sheath-side barrier and the fuel-side barrier.

Затем завершают изготовление тепловыделяющего элемента с двухфазным ХВТО барьером на стадии 608 окончательного скрепления. На данной стадии последний слой, который является либо оболочкой, либо ядерным материалом, объединяют с трехслойным промежуточным компонентом с получениемThen complete the manufacture of fuel element with a two-phase XVTO barrier at the stage 608 final bonding. At this stage, the last layer, which is either the shell or the core material, is combined with the three-layer intermediate component to obtain

- 7 041650 готового тепловыделяющего элемента. Данная стадия может включать несколько операций обработки или скрепления для завершения скрепления всех слоев с получением готового продукта. Например, в одном воплощении стадия 608 окончательного скрепления включает процесс, в котором обеспечивают конечную металлургическую связь между одним или более слоями, которые предварительно были связаны механически на более ранней стадии.- 7 041650 finished fuel element. This stage may include several processing or bonding operations to complete the bonding of all layers to obtain the finished product. For example, in one embodiment, final bonding step 608 includes a process that provides a final metallurgical bond between one or more layers that were previously mechanically bonded at an earlier stage.

Стадия 608 окончательного скрепления также может включать прикрепление любых внешних соединительных деталей, необходимых в эксплуатации. Например, стадия 608 окончательного скрепления может включать установку одной или более концевых заглушек на тепловыделяющий элемент. Также может быть обеспечено любое дополнительное оборудование или элементы в рамках данной стадии 608.The final bonding step 608 may also include attaching any external fittings required in operation. For example, final bonding step 608 may include placing one or more end caps on the fuel element. Any additional equipment or items within this step 608 may also be provided.

Промежуточные отжиги можно выполнять в вакууме или восстановительных условиях, как требуется, в рамках любой из стадий способа 600. Также может быть выполнена окончательная термическая обработка, включающая нормализацию и отпуск, если требуется.Intermediate annealings may be performed under vacuum or reducing conditions, as desired, within any of the process steps 600. A final heat treatment may also be performed, including normalizing and tempering, if desired.

Как указано выше, исходный компонент может быть получен на стадии 602 изготовления любым традиционным способом. Последующие стадии 604, 606, 608 присоединения включают любые соответствующие технологические приемы для получения соответствующего слоя выбранного материала и его прикрепления к исходному или промежуточному компоненту. В одном воплощении оболочка и барьеры являются герметичными, чтобы предотвратить простую миграцию газообразных продуктов деления, без сквозных дефектов или трещин в стенке, образующихся в ходе изготовления. Кроме того, применение механических или металлургических связей между слоями СБО приводит к хорошей теплопроводности без использования термосвязующих материалов, таких как жидкий натрий. Примеры соответствующих технологических приемов, в зависимости от рассматриваемых материалов, включают в себя раздельное, традиционное изготовление, например холодную вытяжку или трехмерную печать, прикрепляемого слоя и простое механическое соединение, такое как вставка, прокатка, прессование, обжатие, совместная вытяжка, совместное экструзионное прессование или пилигримовая прокатка (холодная или горячая). Способы механического соединения могут включать повышенные температуры (например, горячая пилигримовая прокатка или горячее изостатическое прессование) для содействия в получении хорошего скрепления между слоями и получении слоев без каких-либо трещин или других деформаций.As indicated above, the original component can be obtained at stage 602 of manufacture in any conventional way. The subsequent steps 604, 606, 608 of joining include any appropriate techniques to obtain the appropriate layer of the selected material and attach it to the original or intermediate component. In one embodiment, the cladding and barriers are sealed to prevent simple migration of fission gases, without through defects or cracks in the wall formed during fabrication. In addition, the use of mechanical or metallurgical bonds between the CBO layers results in good thermal conductivity without the use of thermal bonding materials such as liquid sodium. Examples of relevant techniques, depending on the materials considered, include separate, conventional fabrication, such as cold drawing or 3D printing, of the bonded layer, and simple mechanical bonding such as insertion, rolling, pressing, crimping, co-drawing, co-extrusion pressing, or pilgrim rolling (cold or hot). Mechanical bonding methods may include elevated temperatures (eg, hot pilgrim rolling or hot isostatic pressing) to help obtain good bonding between layers and obtain layers without any cracks or other deformations.

В некоторых случаях использование разницы в термическом расширении при конструировании тепловыделяющего элемента возможно в рамках стадии 608 окончательного скрепления. Таким образом, барьеры и/или ядерный материал могут скользить в СБО и достигать желаемого состояния после выполнения заданных термических условий, таких как установившаяся рабочая температура реактора, температура перезагрузки топлива или температура, при которой топливо отгружают после изготовления. Таким образом, хотя воплощения, представленные на фиг. 1-4 и 7-10, иллюстрируют различные слои в виде полностью связанных между собой слоев, по их границам раздела в различных точках во время способа изготовления это может быть не так, особенно когда слои соединяют механически вместе. Кроме того, несмотря на идеальность, такое совершенное соединение во всех точках по границам раздела может быть недостижимо в реальности.In some cases, the use of the difference in thermal expansion in the design of the fuel element is possible within the stage 608 of the final bonding. Thus, the barriers and/or nuclear material can slide into the SBO and reach the desired state after predetermined thermal conditions are met, such as the steady state operating temperature of the reactor, the temperature at which the fuel is refueled, or the temperature at which the fuel is shipped after fabrication. Thus, although the embodiments shown in FIGS. 1-4 and 7-10 illustrate the various layers as fully bonded layers, along their interfaces at various points during the manufacturing process, this may not be the case, especially when the layers are mechanically joined together. In addition, although ideal, such a perfect connection at all points along the interfaces may not be achievable in reality.

Кроме того, барьеры можно получать и прикреплять путем осаждения слоев материала на целевой компонент. Это может быть достигнуто, например, с помощью электросаждения, химического осаждения из паровой фазы (ХОПФ), более конкретно, с помощью химического осаждения из паровой фазы металлорганического соединения (ХОПФМО), или физического осаждения из паровой фазы (ФОПФ) более конкретно, термического испарения, напыления, импульсного лазерного осаждения (ИЛО), катодно-дугового осаждения и электроискрового осаждения (ЭИО). Каждый из этих методов осаждения известен в технике.In addition, barriers can be obtained and attached by depositing layers of material on the target component. This can be achieved, for example, by electroplating, chemical vapor deposition (CVD), more specifically, metal organic chemical vapor deposition (CVD), or physical vapor deposition (PVD), more specifically, thermal evaporation. , sputtering, pulsed laser deposition (PLD), cathode-arc deposition and electrospark deposition (ESD). Each of these deposition methods is known in the art.

В некоторых воплощениях ядерный материал не обязательно должен быть нанесен на барьер со стороны топлива, а вместо этого он просто может содержаться внутри контейнера, сформированного, по меньшей мере, частично, с помощью СБО. Например, гранулированное ядерное топливо может быть просто загружено в СБО в форме закрытой трубки или сосуда какой-либо другой формы.In some embodiments, the nuclear material need not be applied to the fuel-side barrier, but instead may simply be contained within a container formed, at least in part, by the CBO. For example, granular nuclear fuel may simply be loaded into the SSC in the form of a closed tube or some other form of vessel.

В качестве альтернативы, между одним или более слоями могут быть созданы металлургические связи в ходе способа 600, например, посредством горячего прессования (например, горячего изостатического прессования). Например, в одном воплощении трехслойный промежуточный компонент, состоящий из трубчатой заготовки оболочки, барьера со стороны оболочки и барьера со стороны топлива, имеющий центральную полость, может быть получен механическим соединением отдельных трубок из материала, осаждением материалов или посредством сочетания обоих способов. Затем трехслойный промежуточный компонент можно подвергнуть горячему прессованию с использованием постоянного давления (горячее изостатическое прессование или ГИП) с получением металлургической связи между слоями трехслойного промежуточного компонента. Затем трехслойный промежуточный компонент можно экструдировать или подвергнуть пилигримовой прокатке (или сочетанию обоих способов) с последующей холодной прокаткой или вытяжкой в холодном состоянии до конечной формы.Alternatively, metallurgical bonds may be created between one or more layers during the process 600, for example, by hot pressing (eg, hot isostatic pressing). For example, in one embodiment, a three-layer intermediate component, consisting of a tubular shell blank, a shell-side barrier, and a fuel-side barrier having a central cavity, can be obtained by mechanically connecting individual tubes of material, depositing materials, or by a combination of both methods. The three layer intermediate component can then be hot pressed using constant pressure (hot isostatic pressing or HIP) to form a metallurgical bond between the layers of the three layer intermediate component. The three-layer intermediate component can then be extruded or pilgrim rolled (or a combination of both) followed by cold rolling or cold drawing to the final shape.

В альтернативном воплощении первая стадия способа также может быть горячей экструзией. Например, горячая экструзия с последующим ГИП и ГИП с последующей горячей экструзией является альтернативным способом для достижения металлургических связей.In an alternative embodiment, the first process step may also be hot extrusion. For example, hot extrusion followed by HIP and HIP followed by hot extrusion is an alternative way to achieve metallurgical bonds.

- 8 041650- 8 041650

Например, СБО может быть таким образом получена посредством сборки трубки из материала оболочки, материала барьера со стороны оболочки и материала барьера со стороны топлива и затем осуществления их горячего прессования с последующей экструзией и холодной прокаткой или вытяжкой с получением конечной формы для СБО. В альтернативном воплощении металлургического соединения промежуточный компонент можно сначала экструдировать или подвергать пилигримовой прокатке (или их сочетанию) и затем обрабатывать с получением конечной формы или формы, необходимой для последующих стадий технологической обработки.For example, a CBO can thus be obtained by assembling a tube from a sheath material, a sheath-side barrier material, and a fuel-side barrier material and then hot-pressing them, followed by extrusion and cold rolling or drawing, into the final shape for the CBO. In an alternative embodiment of the metallurgical compound, the intermediate component may first be extruded or pilgrim rolled (or a combination thereof) and then processed into the final shape or shape required for subsequent processing steps.

Далее в таблице представлены некоторые возможные воплощения способа получения тепловыделяющего элемента с двойным ХВТО барьером, включая различный порядок и разные возможные технологические приемы скрепления. Различные варианты способа на фиг. 6 включают, например, кольцевой тепловыделяющий элемент с покрытием, нанесенным с помощью ФОГФ (оба барьера) с оболочкой, опрессованной поверх промежуточного компонента из топлива, барьера со стороны топлива и барьера со стороны оболочки. Способ 600 также включает воплощения, в которых топливо может быть экструдировано, отлито, подвергнуто пилигримовой прокатке или сварено в виде трубки.The following table lists some possible embodiments of the method for producing a double XWTO barrier fuel element, including the different order and different possible bonding techniques. Various variants of the method in Fig. 6 include, for example, an FOFF-coated annular fuel element (both barriers) with a cladding molded over an intermediate fuel component, a fuel-side barrier, and a cladding-side barrier. Method 600 also includes embodiments in which the fuel may be extruded, cast, pilgrim rolled, or welded into a tube.

Более конкретно, способ на фиг. 6 включает воплощения, в которых барьеры и оболочка могут быть совместно экструдированы либо в завершение стадии 606 присоединения третьего слоя либо на стадии 608 окончательного скрепления. Например, стадия 606 присоединения третьего слоя может включать совместную экструзию или пилигримовую прокатку всех слоев СБО с получением конечной формы перед окончательной сборкой с ядерным материалом. Аналогичным образом, стадия 608 окончательного скрепления может включать стадию совместной экструзии или пилигримовую прокатку всех слоев, включая ядерный материал с получением готовой формы тепловыделяющего элемента.More specifically, the method of FIG. 6 includes embodiments in which the barriers and shell may be co-extruded either at the end of the third layer attachment step 606 or at the final bonding step 608. For example, the third layer attachment step 606 may include co-extrusion or pilgrim rolling of all of the CBO layers into their final shape prior to final assembly with the nuclear material. Similarly, the final bonding step 608 may include a co-extrusion step or pilgrim rolling of all layers, including the nuclear material, into a finished fuel element shape.

В качестве другого примера воплощения, способ 600 включает холодную вытяжку тонкого барьера со стороны топлива, нанесение на его наружную сторону ФОПФ покрытия из барьера со стороны оболочки и затем вставку двойного барьера внутрь оболочки и осуществление стадии холодного погружения/вытяжки для механического соединения слоев.As another embodiment, method 600 includes cold drawing a thin fuel-side barrier, coating its exterior with PVDF from the cladding-side barrier, and then inserting the double barrier into the cladding and performing a cold dip/stretch step to mechanically bond the layers.

В еще одном воплощении способа 600 (не показано) СБО или готовый тепловыделяющий элемент могут быть получены в рамках единственной стадии изготовления, где начальную стадию 602 изготовления и стадии 604, 606, 608 присоединения осуществляют одновременно, например, путем трехмерной печати всех слоев одновременно.In yet another embodiment of the method 600 (not shown), the POS or finished fuel element can be obtained within a single manufacturing step, where the initial manufacturing step 602 and the attachment steps 604, 606, 608 are carried out simultaneously, for example, by 3D printing all layers simultaneously.

Также могут быть использованы способы литья для получения топлива. В некоторых случаях литье также осуществляют непосредственно внутри тепловыделяющего прутка, расположенного внутри облицовки и/или оболочки. Литье также может быть выполнено с обеспечением внутренней конструкции для собора или транспортировки продуктов деления.Casting methods can also be used to produce fuel. In some cases, casting is also carried out directly inside the fuel rod located inside the lining and/or shell. Casting can also be done to provide an internal structure for collecting or transporting fission products.

Помимо воплощений двойных барьеров, указанных выше, в некоторых воплощениях также можно использовать три ХВТО барьера. Воплощения с тремя барьерами или тройным барьером включают обеспечение промежуточного слоя между барьером со стороны оболочки и барьером со стороны топлива для снижения взаимодействия между этими двумя барьерами, обеспечения лучшего скрепления между этими двумя барьерами или обеспечения дополнительной защиты от внутренней диффузии ядерного материала или продуктов деления во внешнюю среду. В остальном воплощения с тройным барьером подобны воплощениям с двойным барьером в том, что каждый барьер имеет основной материал, отличный от основного материала любого соседнего барьера или барьеров. Оболочка может быть основным структурным элементом или, в качестве альтернативы, одним из трех барьеров может быть основной структурный элемент.In addition to the dual barrier embodiments noted above, three XWTO barriers may also be used in some embodiments. Three-barrier or triple-barrier embodiments include providing an intermediate layer between the cladding-side barrier and the fuel-side barrier to reduce interaction between the two barriers, provide better bonding between the two barriers, or provide additional protection against internal diffusion of nuclear material or fission products into the external Wednesday. Otherwise, triple barrier embodiments are similar to double barrier embodiments in that each barrier has a different base material than any adjacent barrier or barriers. The shell may be the main structural element or, alternatively, one of the three barriers may be the main structural element.

На фиг. 7-10 представлено воплощение тройного барьера для СБО и стойкого к ХВТО тепловыделяющего элемента. На фиг. 7-10 отражено представление воплощений двойных барьеров, показанных на фиг. 1-4.In FIG. 7-10 show an embodiment of a triple barrier for SBO and a CVTO-resistant fuel element. In FIG. 7-10 are representations of the dual barrier embodiments shown in FIGS. 1-4.

На фиг. 7 показан вид в разрезе линейного участка или элемента стенки СБО, содержащей тройной ХВТО барьер. Опять же, СБО 700 может быть частью любого оборудования, корпуса реактора или компонента, который отделяет ядерное топливо от внешней среды. СБО 700 состоит из трех ХВТО барьеров 702, 704, 708 и оболочки 706. Барьер 702 со стороны топлива отделяет топливо или зону хранения, в которой размещают топливо, если топливо еще не используют, от промежуточного ХОВТ барьера 708. Промежуточный барьер 708 ХВТО находится между барьером 702 со стороны топлива и барьером 704 со стороны оболочки. Барьер 704 со стороны оболочки находится между промежуточным барьером 708 и оболочкой 706. Оболочка 706 находится в контакте с окружающей средой одной поверхностью и с барьером 704 со стороны оболочки противоположной поверхностью.In FIG. 7 shows a sectional view of a linear section or wall element of the SBO containing a triple XVTO barrier. Again, the SBO 700 may be part of any equipment, reactor vessel, or component that separates nuclear fuel from the outside. The SBO 700 consists of three XWTO barriers 702, 704, 708 and a shell 706. The fuel side barrier 702 separates the fuel, or a storage area in which the fuel is placed if the fuel is not yet used, from the intermediate XWTO barrier 708. The intermediate XWTO barrier 708 is located between a fuel side barrier 702 and a cladding side barrier 704. The shell side barrier 704 is between the intermediate barrier 708 and the shell 706. The shell 706 is in contact with the environment on one surface and with the shell side barrier 704 on the opposite surface.

ХВТО барьеры 702, 704, 708 могут быть выполнены из любых материалов, описанных выше со ссылкой на барьеры на фиг. 1-4. Однако в одном воплощении никакие два соседних барьеров не могут быть выполнены из одного и того же основного материала. Т.е. в данном воплощении барьер 702 со стороны топлива и барьер 704 со стороны оболочки могут быть выполнены из одного и того же основного материала, а промежуточный барьер 708 выполнен из материала, отличного как от основного материала барьера 702 со стороны топлива, так и от основного материала барьера 704 со стороны оболочки. Во всех других аспектах СБО 700 является такой же, как описано выше со ссылкой на фиг. 1.XWTO barriers 702, 704, 708 may be made from any of the materials described above with reference to the barriers of FIG. 1-4. However, in one embodiment, no two adjacent barriers may be made from the same base material. Those. in this embodiment, the fuel side barrier 702 and the shell side barrier 704 can be made of the same base material, and the intermediate barrier 708 is made of a material different from both the base material of the fuel side barrier 702 and the base material of the barrier. 704 from the shell side. In all other aspects, the FSS 700 is the same as described above with reference to FIG. 1.

- 9 041650- 9 041650

Воплощения способа изготовления тепловыделяющего элемента с двойным ХВТО барьеромEmbodiments of the method for manufacturing a fuel element with a double HVTO barrier

Исходны й №М№Е1СЕГГ Initial No.M#E1SEGG Дву хС. Юнн ы н промежуточный компонент Two xS. Yun s n intermediate component Способ прикреплении второго слоя How to attach the second layer Трехе, юн ны н промежуточный компонент Three, yun n n intermediate component СиОСОб прикреплсЕшя трегьегч слоя COSOB attaching a triangular layer 1 ОГОНЫ Н НрОДу кт 1 OGONY NRODU CT Способ СОСДНЕ1СЕ1ИЯ последнего слои Method of CONNECTING the last layers Оболочка Shell Оболочка н барьер со стороны обо.ючкн Sheath and barrier on the side of the sheath Изготовление н механическая сборка или нрн KpeiL ie нне. к 1ектроосйжде нне. ХОИФ нлнФОНФ Manufacturing n mechanical assembly or nr KpeiL ie nne. to 1ektroosijde nne. HOIF nlnFONF СБО SBO Изготовление и механическая сборка, k ie кзроосажденне. ΧΌΙΙΦ юнФСИФ Fabrication and mechanical assembly, k ie cross-deposition. ΧΌΙΙΦ unFSIF [спловы деллоши й ЮемеНГ [splovy delloshi i YuemeNG Изготовление и механическая сборка или прикрепление Fabrication and mechanical assembly or attachment Барьер со стороны оболочки Shell Side Barrier Оболочка н барьер со стороны оболочки Shell n shell side barrier Ичьююнленне н механическая сборка или прикрепление Ichyuynlenne n mechanical assembly or attachment СБО SBO ИчиУпчиенне н механическая сборка, зле кгроосаж дение. ΧΌΠΦ нлнФОПФ IchiUpchienne and mechanical assembly, earthing. ΧΌΠΦ nlnFOPF [fiL _ ЮЦЫ де. 1КЮЩН й ПСМСЕГГ [fiL _ Yutsy de. 1KYUSCHN i PSMSEGG ΜίίΟΤΟΗΠίΗΗΕ Н мехаЕшческая сборка ил и прикрепление ΜίίΟΤΟΗΠίΗΗΕ H mechanical assembly or attachment Барьер со СТОРОНЫ TOLL 1Η βύ Barrier SIDE TOLL 1Η βύ Барьер со стороны обо.ючкн Н барьер со стороны топлива Fuel Side Barrier H Fuel Side Barrier Изготовление и механическая сборка или прикрепление, пскт роосаждс ешс. ΧΟΙΙΦ илиФОНФ Fabrication and mechanical assembly or attachment, pskt roosazhds eshs. ΧΟΙΙΦ or FONF СБО SBO Изготовление и механическая сборка Fabrication and mechanical assembly Тепловыдел яюнги й ЪЛСМСНГ Heat dissipation yungi i ЪLSMSNG Изготовление и механическая сборки ИЛИ прикреплеЕ1№ Fabrication and mechanical assembly OR attach E1# Карьер со СТОрОЕ1Ы ТОПЛИВа Quarry with FUEL STORAGE [OLI-lHBO Н барьер со стороны топлива [OLI-lHBO H fuel side barrier ИчпУпТнленне н механическая сборка или прикрепление ICHPUPTnlenne n mechanical assembly or attachment Гогчиак барьер со стороны топлива и барьер со стороны обо.ючкн Gogchiak fuel side barrier and fuel side barrier Из тОтОн. ie ннё н механическая сборка, зле ктроосаж дснис. ΧΌΙΙΦ η,ιηΦΌΙΙΦ From that. ie no mechanical assembly, no hindsight dsnis. ΧΌΙΙΦ η,ιηΦΌΙΙΦ Теп. юны де. ι яющн й псмсегг Temp. young de. ι th psmsegg Ин'ОтОылённе н мехаЕшчсская сборка ил и прикрепление In'OtOylönne n furEschss assembly silt and attachment Топливо Fuel Барьер w СпоренЫ TOLLIHBJl Barrier w Spores TOLLIHBJl Изготовление и механнчесиая сборий η,ιη прикрепление, ллект роосажде ние. ХОПФ нлнФОПФ Fabrication and mechanical assembly of η, ιη attachment, collection and deposition. CVPF nlnFOPF Топливо. барьер со СпТрОНЫ toil ι Ина н барьер со стороны оболочки Fuel. barrier with SPTRONY toil ι Ina n barrier from the side of the shell Изготовление и механическая сборка, зле ктроосаж дение. χϋΐΐΦ η,ίηφόιφ Fabrication and mechanical assembly, earthing. χϋΐΐΦ η,ίηφόιφ Тепловыдел НЮК [И й иемеиг Heat dissipation NUK Изготовление и механическая: сборка ил и прикрепление Fabrication and mechanical: assembly or attachment

На фиг. 8 представлено воплощение тройной СБО, показанной на фиг. 7, в виде трубки. В представленном воплощении, элемент 800 стенки имеет форму трубки с внутренней поверхностью и внешней поверхностью, причем барьер 802 со стороны топлива образует внутреннюю поверхностью трубки, а оболочка 806 из стали образует внешнюю поверхность трубки. Между барьером 802 со стороны топлива и барьером 804 со стороны оболочки расположен промежуточный ХВТО барьер 808. Зона хранения топлива расположена в центральной области трубки. Топливо, когда его размещают внутри трубки, защищено от реакционноспособной внешней среды, в то же время оболочка отделена и защищена от химических взаимодействий с топливом. В свою очередь, общий термин элемент стенки используют для понимания того, что трубка или контейнер другой формы может содержать несколько различных стенок или секций стенки, не все из которых состоят из СБО.In FIG. 8 shows an embodiment of the triple SBO shown in FIG. 7 in the form of a tube. In the illustrated embodiment, the wall member 800 is in the form of a tube with an inner surface and an outer surface, with the fuel side barrier 802 forming the inner surface of the tube and the steel sheath 806 forming the outer surface of the tube. Between the fuel side barrier 802 and the sheath side barrier 804 is an intermediate XWTO barrier 808. The fuel storage area is located in the central region of the tube. The fuel, when placed inside the tube, is protected from the reactive external environment, while at the same time the shell is separated and protected from chemical interactions with the fuel. In turn, the general term wall element is used to understand that a tube or other shaped container may contain several different walls or wall sections, not all of which are composed of CBOs.

На фиг. 9 представлен элемент стенки с тройным барьером, показанный на фиг. 7, но на этот раз в виде тепловыделяющего элемента с ядерным материалом 910, включающим, но не ограниченным этим, ядерное топливо, в контакте с барьером 902 со стороны топлива. Барьер 902 со стороны топлива отделен от барьера 904 со стороны оболочки промежуточным барьером 908. В свою очередь, барьеры 902, 904, 908 могут иметь любую толщину, от тонкого покрытия до 50% толщины основного конструкционного элемента, оболочки 906.In FIG. 9 shows the triple barrier wall element shown in FIG. 7, but this time as a fuel element with nuclear material 910, including but not limited to nuclear fuel, in contact with the fuel side barrier 902. The fuel side barrier 902 is separated from the shell side barrier 904 by an intermediate barrier 908. In turn, the barriers 902, 904, 908 can be of any thickness, from a thin coating up to 50% of the thickness of the main structural element, the shell 906.

Аналогичным образом, на фиг. 10 представлено воплощение тройной СБО, показанной на фиг. 8, в вид трубки, но на этот раз в качестве тепловыделяющего элемента 1000, содержащего ядерный материал 1010, включающий, но не ограниченный этим, ядерное топливо. Ядерный материал 1010 находится в полом центре СБО, в контакте с барьером 1002 со стороны топлива. Барьер 1002 со стороны топлива отделен от барьера 1004 со стороны оболочки промежуточным барьером 1008 из другого материала. В свою очередь барьеры 1002, 1004, 1008 могут иметь любую толщину, от тонкого покрытия до 50% толщины основного конструкционного элемента, оболочки 1006. Во всех других аспектах, СБО 1000 является такой же, как описано выше со ссылкой на фиг. 3.Similarly, in FIG. 10 shows an embodiment of the triple SBO shown in FIG. 8 as a tube, but this time as a fuel element 1000 containing nuclear material 1010, including but not limited to nuclear fuel. The nuclear material 1010 is in the hollow center of the SBO, in contact with the fuel side barrier 1002. The fuel side barrier 1002 is separated from the shell side barrier 1004 by an intermediate barrier 1008 of a different material. In turn, the barriers 1002, 1004, 1008 may be of any thickness, from a thin coating up to 50% of the thickness of the main structural element, the shell 1006. In all other aspects, the BSS 1000 is the same as described above with reference to FIG. 3.

Ядерный материал 1010 может быть сплошным, как показано, или может представлять собой кольцо материала так, что готовый тепловыделяющий элемент является полым в центре. В другом воплощении тепловыделяющий элемент может иметь дольчатое или любое другое поперечное сечение, обеспечивающее пространство внутри тепловыделяющего элемента для расширения ядерного материала 1010. Во всех других аспектах тепловыделяющий элемент 1000 является таким же, как описано выше со ссылкой на фиг. 4.Nuclear material 1010 may be solid, as shown, or may be a ring of material such that the finished fuel element is hollow in the center. In another embodiment, the fuel element may have a lobed or any other cross section that provides space within the fuel element for expansion of nuclear material 1010. In all other aspects, fuel element 1000 is the same as described above with reference to FIG. 4.

Тройные тепловыделяющие элементы и СБО, показанные на фиг. 7-10, могут быть изготовлены с использованием способов, аналогичных способам, показанным на фиг. 5 и 6. Способ на фиг. 5 выбора материала модифицируют так, что он включает дополнительную операцию для выбора материала промежуточного барьера. Операция включает выбор материала, химически совместимого с материалом барьера со стороны оболочки и материалом барьера со стороны топлива. В одном воплощении материал промежуточного барьера обладает одной или более характеристиками химического взаимодействия с каждым из соседних барьеров, которые лучше, чем эти характеристики взаимодействия этих барьеров друг с другом.The triple fuel elements and SBOs shown in FIG. 7-10 can be manufactured using methods similar to those shown in FIGS. 5 and 6. The method in FIG. The material selection step 5 is modified to include an additional step for selecting the intermediate barrier material. The operation includes selecting a material that is chemically compatible with the cladding side barrier material and the fuel side barrier material. In one embodiment, the intermediate barrier material has one or more chemical interaction characteristics with each of the neighboring barriers that are better than those interaction characteristics of these barriers with each other.

Подобным образом, способ изготовления, показанный на фиг. 6, модифицируют так, что он включает дополнительную операцию прикрепления слоя. Конечно, добавление третьего барьера увеличивает матрицу на еще один компонент, и это означает, что существует много различных возможных порядков изготовления и присоединения различных слоев.Similarly, the manufacturing method shown in FIG. 6 is modified to include an additional layer attachment step. Of course, the addition of a third barrier increases the matrix by one more component, and this means that there are many different possible orders of fabrication and attachment of different layers.

Тепловыделяющие элементы и тепловыделяющие сборки.Fuel elements and fuel assemblies.

На фиг. 11а представлено неполное изображение ядерной тепловыделяющей сборки 10, в которойIn FIG. 11a is an incomplete view of a nuclear fuel assembly 10 in which

- 10 041650 используют один или более двойных или тройных СБО, описанных выше. Тепловыделяющая сборка 10, как показано, включает ряд отдельных тепловыделяющих элементов (или тепловыделяющие прутки или тепловыделяющие стержни) 11, удерживаемые внутри несущей конструкции 16 защитной оболочки реактора.- 10 041650 use one or more of the double or triple SBOs described above. The fuel assembly 10, as shown, includes a number of separate fuel elements (or fuel rods or fuel rods) 11 held within the supporting structure 16 of the reactor containment.

На фиг. 11b представлено неполное изображение тепловыделяющего элемента 11 в соответствии с одним воплощением. Как показано в данном воплощении, тепловыделяющий элемент включает двойную или тройную СБО 13, топливо 14 и, в некоторых примерах, по меньшей мере один зазор 15. Хотя и представленная в виде одного элемента, двойная или тройная СБО 13 состоит, полностью или, по меньшей мере, частично, из оболочек с двумя барьерами или тремя бартерами, описанных выше.In FIG. 11b is a partial view of a fuel element 11 according to one embodiment. As shown in this embodiment, the fuel element includes a double or triple FOS 13, a fuel 14, and, in some examples, at least one gap 15. at least in part from the two-barrier or three-barter shells described above.

Топливо герметизировано внутри полости, образованной внешней СБО 13. В некоторых примерах многочисленные топливные материалы могут быть наложены друг на друга в осевом направлении, как показано на фиг. 11b, но это не является обязательным. Например, тепловыделяющий элемент может содержать только один топливный материал.The fuel is sealed within a cavity defined by the outer BOS 13. In some examples, multiple fuel materials may be stacked on top of one another in the axial direction, as shown in FIG. 11b, but this is optional. For example, a fuel element may contain only one fuel material.

В одном воплощении зазор(ы) 15 могут присутствовать между топливным материалом и СБО, хотя зазор(ы) не обязательно должны присутствовать. В одном воплощении зазор заполнен атмосферой под давлением, такой как атмосфера гелия под давлением.In one embodiment, a gap(s) 15 may be present between the fuel material and the SBO, although the gap(s) need not be present. In one embodiment, the gap is filled with a pressurized atmosphere, such as a pressurized helium atmosphere.

В одном воплощении отдельные тепловыделяющие элементы 11 могут содержать тонкую проволоку 12 диаметром от приблизительно 0,8 мм до приблизительно 1,6 мм, спирально обернутую по окружности трубки оболочки, чтобы обеспечить пространство для теплоносителя и механическое разделение отдельных тепловыделяющих элементов 11 внутри корпуса тепловыделяющих сборок 10 (которые также служат каналом для теплоносителя). В одном воплощении двойная или тройная СБО 13 и/или проволочная обмотка 12 могут быть изготовлены из ферритно-мартенситной стали из-за ее поведения при облучении, как показано совокупностью эмпирических данных.In one embodiment, the individual fuel elements 11 may comprise a thin wire 12 with a diameter of from about 0.8 mm to about 1.6 mm, helically wrapped around the circumference of the sheath tube to provide space for the coolant and mechanical separation of the individual fuel elements 11 within the fuel assembly housing 10 (which also serve as a channel for the coolant). In one embodiment, the double or triple FSB 13 and/or wire wrap 12 may be made from ferritic/martensitic steel due to its irradiation behavior as shown by a body of empirical data.

Тепловыделяющий элемент может иметь любую геометрию, как внешнюю, так и для внутренней области хранения топлива. Например, в некоторых воплощениях, указанных выше, тепловыделяющий элемент является цилиндрическим и может принимать форму цилиндрического стержня. Кроме того, особенно эффективными могут быть некоторые геометрические формы призматоида. Например, тепловыделяющие элементы могут быть прямыми, наклонными или усеченными призмами, которые имеют три или более сторон и любую полигональную форму основания. Шестиугольные призмы, прямоугольные призмы, квадратные призмы и треугольные призмы - все это потенциально эффективные формы для укладки тепловыделяющей сборки.The fuel element can have any geometry, both external and for the internal fuel storage area. For example, in some of the embodiments above, the fuel element is cylindrical and may take the form of a cylindrical rod. In addition, certain geometries of the prismatoid may be particularly effective. For example, the fuel elements may be straight, oblique, or truncated prisms that have three or more sides and any polygonal base shape. Hexagonal prisms, rectangular prisms, square prisms, and triangular prisms are all potentially effective shapes for stacking a fuel assembly.

Тепловыделяющие элементы и тепловыделяющая сборка могут входит в состав энергетического реактора, который входит в состав атомной электростанции. Тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, используют для нагрева теплоносителя, находящегося в контакте с внешней поверхностью тепловыделяющих элементов. Затем это тепло извлекают и используют для приведения в действие турбин или другого оборудования полезного сбора энергии из извлеченного тепла.Fuel elements and fuel assembly may be part of a power reactor, which is part of a nuclear power plant. The heat released as a result of a nuclear reaction is used to heat the coolant in contact with the outer surface of the fuel elements. This heat is then recovered and used to drive turbines or other equipment for useful energy harvesting from the recovered heat.

Несмотря на прилагаемую формулу изобретения, сущность изобретения также определяется следующими пунктами.Notwithstanding the appended claims, the essence of the invention is also defined by the following paragraphs.

1) Способ получения стойкого к химическому взаимодействию между топливом и оболочкой (ХВТО) тепловыделяющего элемента, включающий: определение ядерного материала для использования в тепловыделяющем элементе в качестве топливного компонента; изготовление исходного компонента, выбираемого из оболочки, барьера со стороны оболочки, барьера со стороны топлива и топливного компонента; прикрепление второго слоя к исходному компоненту, с получением двухслойного промежуточного элемента; прикрепление третьего слоя к двухслойному промежуточному элементу с получением трехслойного промежуточного элемента и прикрепление последнего слоя к трехслойному промежуточному элементу с получением тепловыделяющего элемента, причем тепловыделяющий элемент содержит оболочку, барьер со стороны оболочки, барьер со стороны топлива и топливный компонент, где барьер со стороны оболочки расположен между оболочкой и барьером со стороны топлива, и барьер со стороны топлива расположен между барьером со стороны оболочки и топливным компонентом.1) A method for producing a fuel-cladding chemical interaction (FCI) resistant fuel element, comprising: determining a nuclear material to be used in a fuel element as a fuel component; manufacturing an initial component selected from the shell, the shell-side barrier, the fuel-side barrier, and the fuel component; attaching the second layer to the original component, with obtaining a two-layer intermediate element; attaching a third layer to the two-layer intermediate element to form a three-layer intermediate element; and attaching the last layer to the three-layer intermediate element to form a fuel element, wherein the fuel element comprises a shell, a shell-side barrier, a fuel-side barrier, and a fuel component, where the shell-side barrier is located between the cladding and the fuel side barrier, and the fuel side barrier is located between the cladding side barrier and the fuel component.

2) Способ по п.1, дополнительно включающий: выбор материала оболочки для использования в качестве оболочки тепловыделяющего элемента, причем ядерный материал характеризуется первым расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки, когда материал оболочки размещают в контакте с ядерным материалом в течение 2 месяцев и выдерживают при 650°С, и выбор материала барьера со стороны топлива для использования в качестве барьера со стороны топлива тепловыделяющего элемента, причем ядерный материал характеризуется вторым расстоянием внутренней диффузии в материал барьера со стороны топлива, когда материал со стороны топлива размещают в контакте с ядерным материалом в течение 2 месяцев и выдерживают при 650°С, при этом второе расстояние внутренней диффузии меньше, чем первое расстояние внутренней диффузии.2) The method of claim 1, further comprising: selecting a cladding material for use as a fuel element cladding, wherein the nuclear material is characterized by a first internal diffusion distance into the cladding material when the cladding material is placed in contact with the nuclear material for 2 months and kept at 650°C, and selecting a fuel-side barrier material for use as the fuel-side barrier of the fuel element, wherein the nuclear material has a second internal diffusion distance into the fuel-side barrier material when the fuel-side material is placed in contact with the nuclear material for 2 months and kept at 650°C, while the second internal diffusion distance is less than the first internal diffusion distance.

3) Способ по п.2, в котором по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны топлива характеризуется третьим расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки, при размещении в контакте с материалом оболочки в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С, и по меньшей3) The method of claim 2, wherein at least one chemical element in the fuel side barrier material has a third internal diffusion distance into the sheath material when placed in contact with the sheath material for 2 months and held at 650°C, and at least

- 11 041650 мере один химический элемент в материале барьера со стороны оболочки характеризуется четвертым расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки, при размещении в контакте с материалом оболочки в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С, причем третье расстояние внутренней диффузии больше, чем четвертое расстояние внутренней диффузии.- 11 041650 at least one chemical element in the barrier material on the shell side is characterized by a fourth internal diffusion distance into the shell material, when placed in contact with the shell material for 2 months and held at 650 ° C, with the third internal diffusion distance greater than the fourth distance internal diffusion.

4) Способ по любому из пп.1-3, в котором исходный компонент представляет собой оболочку, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива, и последний слой представляет собой топливный компонент.4) The method according to any one of claims 1 to 3, wherein the starting component is a cladding, the second layer is a cladding-side barrier, the third layer is a fuel-side barrier, and the last layer is a fuel component.

5) Способ по любому из пп.1-4, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны оболочки, второй слой представляет собой оболочку, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива3, и последний слой представляет собой топливный компонент.5) The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the starting component is a cladding-side barrier, the second layer is a cladding, the third layer is a fuel-side barrier3, and the last layer is a fuel component.

6) Способ по любому из пп.1-5, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой оболочку, и последний слой представляет собой топливный компонент.6) The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the starting component is a fuel side barrier, the second layer is a cladding side barrier, the third layer is a cladding, and the last layer is a fuel component.

7) Способ по любому из пп.1-6, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой топливный компонент, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.7) The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the starting component is a fuel-side barrier, the second layer is a fuel component, the third layer is a sheath-side barrier, and the last layer is a sheath.

8) Способ по любому из пп.1-7, в котором исходный компонент представляет собой топливный компонент, второй слой представляет собой барьер со стороны топлива, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.8) The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the starting component is a fuel component, the second layer is a fuel-side barrier, the third layer is a cladding-side barrier, and the last layer is a cladding.

9) Способ по любому из пп.2-8, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к оболочке посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на оболочку.9) A method according to any one of claims 2 to 8, wherein the shell-side barrier is attached to the shell by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the shell-side barrier material to the shell.

10) Способ по любому из пп.2-8, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к барьеру со стороны оболочки посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на барьер со стороны топлива.10) A method according to any one of claims 2 to 8, wherein the fuel-side barrier is attached to the shell-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the shell-side barrier material on the fuel barrier.

11) Способ по любому из пп.2-8, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к барьеру со стороны топлива посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на барьер со стороны оболочки.11) A method according to any one of claims 2 to 8, wherein the shell-side barrier is attached to the fuel-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the fuel-side barrier material on the shell side barrier.

12) Способ по любому из пп.2-8, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к топливному компоненту посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на топливный компонент.12) A method according to any one of claims 2 to 8, wherein the fuel side barrier material is attached to the fuel component by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor phase deposition of the fuel side barrier material onto the fuel component. .

13) Способ по любому из пп.2-8, в котором материал барьера со стороны оболочки выбирают из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.13) The method according to any one of claims 2 to 8, wherein the sheath-side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe , Ni, an alloy of any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics.

14) Способ по любому из пп.2-8, в котором материал барьера со стороны топлива выбирают из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.14) A method according to any one of claims 2 to 8, wherein the fuel side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe , Ni, an alloy of any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics.

15) Способ по любому из пп.9-14, в котором прикрепление осуществляют посредством химического осаждения из паровой фазы металлорганического соединения (ХОПФМО); термического испарения, напыления, импульсного лазерного осаждения (ИЛО), катодно-дугового осаждения и электроискрового осаждения (ЭИО).15) The method according to any one of claims 9 to 14, wherein the attachment is carried out by chemical vapor deposition from the vapor phase of an organometallic compound (CVD); thermal evaporation, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), cathode-arc deposition and electrospark deposition (ESD).

16) Способ по любому из пп.1-15, в котором тепловыделяющий элемент состоит из: оболочки, барьера со стороны оболочки, барьера со стороны топлива и топливного компонента, где барьер со стороны оболочки находится между оболочкой и барьером со стороны топлива, а барьер со стороны топлива находится между барьером со стороны оболочки и топливным компонентом.16) The method according to any one of claims 1 to 15, wherein the fuel element consists of: a cladding, a cladding-side barrier, a fuel-side barrier, and a fuel component, wherein the cladding-side barrier is between the cladding and the fuel-side barrier, and the barrier the fuel side is located between the cladding side barrier and the fuel component.

17) Способ по любому из пп.1-16, в котором исходный компонент, второй слой и третий слой совместно экструдируют.17) The method according to any one of claims 1 to 16, wherein the starting component, the second layer and the third layer are co-extruded.

18) Способ по любому из пп.2-17, в котором материал оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала оболочки, и по меньшей мере один химический элемент в материале оболочки является основным химическим элементом материала оболочки.18) The method according to any one of claims 2 to 17, wherein the shell material contains a major chemical element constituting more than 50% by weight of the shell material, and at least one chemical element in the shell material is the major chemical element of the shell material.

19) Способ по любому пп.2-18, в котором материал барьера со стороны топлива содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны топлива, и по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны топлива представляет собой основной химический элемент материала барьера со стороны топлива.19) The method according to any one of claims 2 to 18, wherein the fuel side barrier material comprises a major chemical element constituting more than 50% by weight of the fuel side barrier material, and at least one chemical element in the fuel side barrier material is the main chemical element of the fuel-side barrier material.

20) Способ по любому пп.2-19, в котором материал барьера со стороны оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны оболочки, и по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны оболочки представляет собой основной химический элемент материала барьера со стороны оболочки.20) The method according to any one of claims 2 to 19, wherein the shell-side barrier material comprises a major chemical element constituting more than 50% by weight of the shell-side barrier material, and at least one chemical element in the shell-side barrier material is the main chemical element of the barrier material on the shell side.

- 12 041650- 12 041650

21) Способ по любому из пп.2-17, в котором материал оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала оболочки, и по меньшей мере один химический элемент в материале оболочки отличается от основного химического элемента материала оболочки.21) The method according to any one of claims 2 to 17, wherein the shell material contains a major chemical element constituting more than 50% by weight of the shell material, and at least one chemical element in the shell material is different from the major chemical element of the shell material.

22) Способ по любому из пп.2-18, в котором материал барьера со стороны топлива содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны топлива, и по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны топлива отличается от основного химического элемента материала барьера со стороны топлива.22) The method according to any one of claims 2 to 18, wherein the fuel-side barrier material comprises a major chemical element constituting more than 50% by weight of the fuel-side barrier material, and at least one chemical element in the fuel-side barrier material is different from the main chemical element of the fuel-side barrier material.

23) Способ по любому из пп.2-19, в котором материал барьера со стороны оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны оболочки, и по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны оболочки отличается от основного химического элемента материала барьера со стороны оболочки.23) The method according to any one of claims 2 to 19, wherein the shell-side barrier material comprises a major chemical element constituting more than 50% by weight of the shell-side barrier material, and at least one chemical element in the shell-side barrier material is different from the main chemical element of the barrier material on the shell side.

24) Снабженная двойным барьером оболочка для удерживания ядерного материала, включающая: оболочку, выполненную из материала оболочки, выбранного из нержавеющей стали, сплавов FeCrAl, стали НТ9, дисперсионно-упрочненной оксидами стали, стали Т91, стали Т92, стали 316, стали 304, стали АРМТ, стали Alloy 33, молибдена, сплава молибдена, циркония, сплава циркония, ниобия, сплава ниобия, сплавов циркония и ниобия, никеля или сплава никеля; барьер со стороны топлива и барьер со стороны оболочки между барьером со стороны топлива и оболочкой, где барьер со стороны топлива представляет собой первый материал, а барьер со стороны оболочки представляет собой второй материал, содержащий основной химический элемент, отличный от основного химического элемента первого материала.24) Double-barriered nuclear material containment sheath, comprising: sheath made of sheath material selected from stainless steel, FeCrAl alloys, HT9 steel, oxide precipitation hardened steel, T91 steel, T92 steel, 316 steel, 304 steel, steel ARMT, Alloy 33 steel, molybdenum, molybdenum alloy, zirconium, zirconium alloy, niobium, niobium alloy, zirconium and niobium alloys, nickel or nickel alloy; a fuel-side barrier and a sheath-side barrier between the fuel-side barrier and the sheath, where the fuel-side barrier is a first material and the sheath-side barrier is a second material containing a base chemical element different from the main chemical element of the first material.

25) Снабженная двойным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.24, в которой первый материал характеризуется меньшей внутренней диффузией урана, чем второй материал, при помещении в контакт с ураном в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С.25) The double-barriered nuclear material containment sheath of claim 24, wherein the first material exhibits less internal diffusion of uranium than the second material when placed in contact with uranium for 2 months and held at 650°C.

26) Снабженная двойным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.24, в которой второй материал характеризуется меньшей внутренней диффузией первого материала, чем материал оболочки, при помещении в контакт в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С.26) The double-barrier nuclear material containment sheath of claim 24, wherein the second material has less internal diffusion of the first material than the sheath material when placed in contact for 2 months and held at 650°C.

27) Снабженная двойным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по любому из пп.24 и 25, в которой первый материал выбран из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC, и барьер со стороны топлива имеет от толщину 1,0 до 150,0 мкм.27) Double-barriered nuclear material containment sheath according to any one of claims 24 and 25, wherein the first material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir , Sc, Fe, Ni, an alloy of any of the listed materials, TiN ceramic, ZrN ceramic, VN ceramic, TiC ceramic, ZrC ceramic, or VC ceramic, and the fuel side barrier has a thickness of 1.0 to 150.0 µm.

28) Снабженная двойным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по любому из пп.24-26, в которой второй материал выбран из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC, и барьер со стороны оболочки имеет от толщину от 1,0 до 150,0 мкм.28) A double-barriered nuclear material containment sheath according to any one of claims 24-26, wherein the second material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir , Sc, Fe, Ni, an alloy of any of the above materials, TiN ceramic, ZrN ceramic, VN ceramic, TiC ceramic, ZrC ceramic, or VC ceramic, and the sheath-side barrier has a thickness of 1.0 to 150.0 µm.

29) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала, включающая: оболочку, выполненную из материала оболочки, выбранного из нержавеющей стали, сплавов FeCrAl, стали НТ9, дисперсионно-упрочненной оксидами стали, стали Т91, стали Т92, стали 316, стали 304, стали АРМТ, стали Alloy 33, молибдена, сплава молибдена, циркония, сплава циркония, ниобия, сплава ниобия, сплавов циркония и ниобия, никеля или сплава никеля; ХВТО барьер со стороны топлива и ХВТО барьер со стороны оболочки между ХВТО барьером со стороны топлива и оболочкой, и промежуточный ХВТО барьер между ХВТО барьером со стороны оболочки и ХВТО барьером со стороны топлива; в которой ХВТО барьер со стороны топлива представляет собой первый материал, промежуточный ХВТО барьер представляет собой второй материал из другого основного материала, отличного от основного материала первого материала, и ХВТО барьер со стороны оболочки представляет собой третий материал с основным химическим элементом, отличным от основного химического элемента второго материала.29) Triple barrier containment of nuclear material comprising: a sheath made of a sheath material selected from stainless steel, FeCrAl alloys, HT9 steel, oxide precipitation hardened steel, T91 steel, T92 steel, 316 steel, 304 steel, steel ARMT, Alloy 33 steel, molybdenum, molybdenum alloy, zirconium, zirconium alloy, niobium, niobium alloy, zirconium and niobium alloys, nickel or nickel alloy; XWTO fuel-side barrier and XWTO cladding-side barrier between XWTO fuel-side barrier and cladding, and intermediate XWTO barrier between XWTO cladding-side barrier and XWTO fuel-side barrier; wherein the XWTO fuel-side barrier is a first material, the intermediate XWTO barrier is a second material of a different base material than the base material of the first material, and the XWTO sheath-side barrier is a third material with a base chemical element different from the base chemical element of the second material.

30) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.29, в которой первый материал характеризуется меньшей внутренней диффузией урана, чем второй материал, при помещении в контакт в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С.30) The triple barrier nuclear material containment sheath of claim 29, wherein the first material has less internal uranium diffusion than the second material when placed in contact for 2 months and held at 650°C.

31) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.29, в которой второй материал характеризуется меньшей внутренней диффузией первого материала, чем третий материал, при помещении в контакт в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С.31) The triple barrier nuclear material containment sheath of claim 29, wherein the second material has less internal diffusion of the first material than the third material when placed in contact for 2 months and held at 650°C.

32) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.29, в которой третий материал характеризуется меньшей внутренней диффузией второго материала, чем материал оболочки, при помещении в контакт в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С.32) The triple barrier nuclear material containment sheath of claim 29, wherein the third material has less internal diffusion of the second material than the sheath material when placed in contact for 2 months and held at 650°C.

33) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по любому из пп.29-32, в которой первый материал выбран из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.33) A triple-barriered nuclear material containment sheath according to any one of claims 29-32, wherein the first material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir , Sc, Fe, Ni, any of the above materials, TiN ceramic, ZrN ceramic, VN ceramic, TiC ceramic, ZrC ceramic, or VC ceramic.

34) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по любому из пп.29-32, в которой второй материал выбран из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.34) The triple-barrier nuclear material containment sheath according to any one of claims 29-32, wherein the second material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir , Sc, Fe, Ni, any of the above materials, TiN ceramic, ZrN ceramic, VN ceramic, TiC ceramic, ZrC ceramic, or VC ceramic.

- 13 041650- 13 041650

35) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по п.34, в которой третий материал выбран из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.35) The triple barrier nuclear material containment sheath of claim 34, wherein the third material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe , Ni, an alloy of any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics.

36) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала по любому из пп.29-32 или 35, в которой каждый из барьера со стороны топлива, барьера со стороны оболочки и промежуточного ХВТО барьера имеет толщину от 1,0 до 150,0 мкм.36) A triple-barriered nuclear material containment sheath according to any one of claims 29-32 or 35, wherein each of the fuel-side barrier, the sheath-side barrier, and the intermediate XWTO barrier has a thickness of 1.0 to 150.0 µm.

37) Способ получения стойкого к ХВТО тепловыделяющего элемента, включающий: определение ядерного материала для использования в тепловыделяющем элементе в качестве топливного компонента; изготовление исходного компонента, выбираемого из оболочки, барьера со стороны оболочки, барьера со стороны топлива и топливного компонента; прикрепление второго слоя к исходному компоненту с получением двухслойного промежуточного элемента; прикрепление третьего слоя к двухслойному промежуточному элементу с получением трехслойного промежуточного элемента; и прикрепление последнего слоя к трехслойному промежуточному элементу с получением тепловыделяющего элемента, причем тепловыделяющий элемент содержит оболочку, барьер со стороны оболочки, барьер со стороны топлива и топливный компонент, где барьер со стороны оболочки расположен между оболочкой и барьером со стороны топлива, а барьер со стороны топлива расположен между барьером со стороны оболочки и топливным компонентом.37) A method for producing a CVTO-resistant fuel element, including: determining nuclear material for use in a fuel element as a fuel component; manufacturing an initial component selected from the shell, the shell-side barrier, the fuel-side barrier, and the fuel component; attaching the second layer to the original component to obtain a two-layer intermediate element; attaching a third layer to a two-layer intermediate element to obtain a three-layer intermediate element; and attaching the last layer to the three-layer intermediate element to obtain a fuel element, wherein the fuel element comprises a shell, a shell-side barrier, a fuel-side barrier, and a fuel component, where the shell-side barrier is located between the shell and the fuel-side barrier, and the barrier on the side fuel is located between the cladding-side barrier and the fuel component.

38) Способ по п.37, дополнительно включающий: выбор материала оболочки для использования в качестве оболочки тепловыделяющего элемента, причем материал оболочки имеет первую характеристику химического взаимодействия с ядерным материалом; выбор материала барьера со стороны топлива для использования в качестве барьера со стороны топлива тепловыделяющего элемента, который имеет первую характеристику химического взаимодействия с ядерным материалом, которая лучше, чем эта характеристика материала оболочки, и вторую характеристику химического взаимодействия с материалом оболочки, и выбор материала барьера со стороны оболочки для использования в качестве барьера со стороны оболочки тепловыделяющего элемента, который имеет вторую характеристику химического взаимодействия с материалом оболочки, которая лучше, чем эта характеристика материала барьера со стороны топлива.38) The method of claim 37, further comprising: selecting a sheath material for use as a fuel element sheath, the sheath material having a first characteristic of chemical interaction with nuclear material; selecting a fuel-side barrier material for use as a fuel-side barrier of a fuel element that has a first chemical interaction characteristic with nuclear material that is better than that characteristic of the cladding material and a second chemical interaction characteristic with the cladding material, and selecting a barrier material with cladding side for use as a cladding-side barrier of a fuel element that has a second chemical interaction characteristic with the cladding material that is better than that of the fuel-side barrier material.

39) Способ по п.37, в котором исходный компонент представляет собой оболочку, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива, и последний слой представляет собой топливный компонент.39) The method of claim 37, wherein the starting component is a cladding, the second layer is a cladding-side barrier, the third layer is a fuel-side barrier, and the last layer is a fuel component.

40) Способ по п.37, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны оболочки, второй слой представляет собой оболочку, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива, и последний слой представляет собой топливный компонент.40) The method of claim 37, wherein the starting component is the cladding side barrier, the second layer is the cladding, the third layer is the fuel side barrier, and the last layer is the fuel component.

41) Способ по п.37, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой оболочку, и последний слой представляет собой топливный компонент.41) The method of claim 37, wherein the starting component is the fuel side barrier, the second layer is the cladding side barrier, the third layer is the cladding, and the last layer is the fuel component.

42) Способ по п.37, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой топливный компонент, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.42) The method of claim 37, wherein the starting component is a fuel side barrier, the second layer is a fuel component, the third layer is a cladding side barrier, and the final layer is a cladding.

43) Способ по п.37, в котором исходный компонент представляет собой топливный компонент, второй слой представляет собой барьер со стороны топлива, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.43) The method of claim 37, wherein the starting component is a fuel component, the second layer is a fuel-side barrier, the third layer is a cladding-side barrier, and the last layer is a cladding.

44) Способ по п.37, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к оболочке посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы, экструзии в горячем состоянии, горячего изостатического прессования или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на оболочку.44) The method of claim 37, wherein the sheath-side barrier is attached to the sheath by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, hot extrusion, hot isostatic pressing, or physical vapor deposition of the barrier-side material. shell to shell.

45) Способ по п.37, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к барьеру со стороны оболочки посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы, экструзии в горячем состоянии, горячего изостатического прессования или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на барьер со стороны топлива.45) The method of claim 37, wherein the fuel-side barrier is attached to the shell-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, hot extrusion, hot isostatic pressing, or physical vapor deposition of the material. cladding-side barrier to fuel-side barrier.

46) Способ по п.37, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к барьеру со стороны топлива посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы, экструзии в горячем состоянии, горячего изостатического прессования или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на барьер со стороны оболочки.46) The method of claim 37, wherein the sheath-side barrier is attached to the fuel-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, hot extrusion, hot isostatic pressing, or physical vapor deposition of the material fuel-side barrier to cladding-side barrier.

47) Способ по п.37, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к топливному компоненту посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы, экструзии в горячем состоянии, горячего изостатического прессования или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на топливный компонент.47) The method of claim 37, wherein the fuel-side barrier is attached to the fuel component by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, hot extrusion, hot isostatic pressing, or physical vapor deposition of the barrier material with side of the fuel to the fuel component.

48) Способ по п.37, в котором материал барьера со стороны оболочки выбирают из Nb, Mo, Та, W,48) The method of claim 37, wherein the sheath-side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W,

--

Claims (13)

Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплавов любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, alloys of any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics. 49) Способ по п.37, в котором материал барьера со стороны топлива выбирают из Nb, Mo, Та, W,49) The method of claim 37, wherein the fuel side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплавов любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, alloys of any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics. 50) Способ по любому из пп.44-49, в котором прикрепление осуществляют посредством химического осаждения из паровой фазы металлорганического соединения (ХОПФМО), термического испарения, экструзии в горячем состоянии, горячего изостатического прессования, электроосаждения, импульсного лазерного осаждения (ИЛО), катодно-дугового осаждения или электроискрового осаждения (ЭИО).50) The method according to any one of claims 44 to 49, wherein the attachment is carried out by metal organic chemical vapor deposition (CVD), thermal evaporation, hot extrusion, hot isostatic pressing, electrodeposition, pulsed laser deposition (PLD), cathodic -arc deposition or electrospark deposition (ESD). 51) Способ по любому из пп.37-49, в котором тепловыделяющий элемент состоит из оболочки, барьера со стороны оболочки, барьера со стороны топлива и топливного компонента, где барьер со стороны оболочки расположен между оболочкой и барьером со стороны топлива, а барьер со стороны топлива расположен между барьером со стороны оболочки и топливным компонентом.51) The method according to any one of claims 37 to 49, wherein the fuel element is comprised of a cladding, a cladding-side barrier, a fuel-side barrier, and a fuel component, wherein the cladding-side barrier is located between the cladding and the fuel-side barrier, and the fuel-side barrier the fuel side is located between the cladding side barrier and the fuel component. 52) Снабженная тройным барьером оболочка для удерживания ядерного материала, включающая: оболочку, выполненную из материала оболочки, выбранного из нержавеющей стали, сплавов FeCrAl, стали НТ9, дисперсионно-упрочненной оксидами стали, стали Т91, стали Т92, стали 316, стали 304, стали АРМТ, стали Alloy 33, молибдена, сплава молибдена, циркония, сплава циркония, ниобия, сплава ниобия, сплавов циркония и ниобия, никеля или сплава никеля; ХВТО барьер со стороны топлива и ХВТО барьер со стороны оболочки между ХВТО барьером со стороны топлива и оболочкой, и промежуточный ХВТО барьер между ХВТО барьером со стороны оболочки и ХВТО барьером со стороны топлива; где ХВТО барьер со стороны топлива выполнен из первого материала, который обладает улучшенной характеристикой химического взаимодействия с ядерным материалом по сравнению с материалом оболочки, промежуточный ХВТО барьер представляет собой второй материал из основного материала, отличного от первого материала, и ХВТО барьер со стороны оболочки представляет собой третий материал с основным химическим элементом, отличным от основного химического элемента второго материала.52) Triple barrier containment of nuclear material comprising: a sheath made of a sheath material selected from stainless steel, FeCrAl alloys, NT9 steel, oxide precipitation hardened steel, T91 steel, T92 steel, 316 steel, 304 steel, steel ARMT, Alloy 33 steel, molybdenum, molybdenum alloy, zirconium, zirconium alloy, niobium, niobium alloy, zirconium and niobium alloys, nickel or nickel alloy; XWTO fuel-side barrier and XWTO cladding-side barrier between XWTO fuel-side barrier and cladding, and intermediate XWTO barrier between XWTO cladding-side barrier and XWTO fuel-side barrier; where the XWTO fuel-side barrier is made of a first material that has an improved chemical interaction characteristic with nuclear material compared to the cladding material, the intermediate XTHE barrier is a second material of a base material different from the first material, and the XTHE barrier on the cladding is a third material with a basic chemical element different from the main chemical element of the second material. Если не указано иное, все числа, выражающие количество компонентов, свойства, такие как молекулярная масса, условия реакции и т.д., используемые в описании и формуле изобретения, следует понимать как скорректированные во всех примерах термином приблизительно. Соответственно, если не указано иное, численные параметры, указанные в приведенном выше описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приближенными величинами, которые могут варьироваться в зависимости от заданных свойств, которые необходимо получить.Unless otherwise indicated, all numbers expressing the number of components, properties such as molecular weight, reaction conditions, etc., used in the description and claims, should be understood as corrected in all examples by the term approximately. Accordingly, unless otherwise indicated, the numerical parameters set forth in the above description and the appended claims are approximate values that may vary depending on the desired properties to be obtained. Несмотря на то, что численные диапазоны и параметры, определяющие широкий объем технологии, являются приближенными, численные значения, приведенные в конкретных примерах, указаны насколько возможно точно. Однако любое численное значение, по своей сути, содержит определенные ошибки, обязательно возникающие в результате стандартного отклонения, установленного в ходе соответствующих проверок измерений.Although the numerical ranges and parameters that define the broad scope of the technology are approximate, the numerical values given in the specific examples are given as accurately as possible. However, any numerical value inherently contains certain errors, necessarily resulting from the standard deviation established during the appropriate measurement checks. Очевидно, что системы и способы, описанные в данном документе, хорошо подходят для достижения отмеченных целей и преимуществ, так же как и других, им присущих. Специалисту в данной области понятно, что способы и системы в рамках данного описания могут быть реализованы различными способами, и сами по себе не ограничены приведенными выше примерами и воплощениями. В этом отношении, любое количество признаков различных воплощений, описанных в настоящем документе, может быть объединено в одно воплощение, и возможны альтернативные воплощения, содержащие меньшее или большее количество из всех признаков, описанных в настоящем документе.Obviously, the systems and methods described in this document are well suited to achieve the noted goals and benefits, as well as others inherent in them. One skilled in the art will appreciate that the methods and systems within the scope of this disclosure may be implemented in a variety of ways, and are not per se limited to the above examples and embodiments. In this regard, any number of features of the various embodiments described herein may be combined into one embodiment, and alternative embodiments containing less or more of all the features described herein are possible. Хотя для целей настоящего описания описаны различные воплощения, могут быть внесены различные изменения и модификации, которые вполне попадают в объем защиты настоящего изобретения. Могут быть сделаны другие изменения, которые легко придут в голову специалисту в данной области техники и которые не изменяют сущность данного изобретения.Although various embodiments have been described for the purposes of the present disclosure, various changes and modifications may be made which fall well within the protection scope of the present invention. Other changes may be made which are readily apparent to those skilled in the art and which do not alter the spirit of the present invention. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯCLAIM 1. Способ получения стойкого к химическому взаимодействию между топливом и оболочкой (ХВТО) тепловыделяющего элемента, включающий: определение ядерного материала (310, 410) для использования в тепловыделяющем элементе в качестве топливного компонента; выбор материала оболочки, при этом ядерный материал характеризуется первым расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки, когда материал оболочки размещают в контакте с ядерным материалом в течение 2 месяцев и выдерживают при 650°С, и выбор материала барьера со стороны топлива, при этом ядерный материал характеризуется вторым расстоянием внутренней диффузии в материал барьера со стороны топлива, когда материал барьера со стороны топлива размещают в контакте с ядерным материалом в течение 2 месяцев и выдерживают при 650°С, при этом второе расстояние внутренней диффузии меньше, чем первое расстояние внутренней диффузии; изготовление (602) исходного компонента; прикрепление (604) второго слоя к исходному компоненту с получением двухслойного промежуточного элемента; прикрепление (606) третьего слоя к двухслойному промежуточному элементу с получением трехслойного промежуточ-1. The method of obtaining resistant to chemical interaction between fuel and cladding (HVTO) fuel element, including: the definition of nuclear material (310, 410) for use in the fuel element as a fuel component; choice of cladding material, wherein the nuclear material is characterized by a first internal diffusion distance into the cladding material, when the cladding material is placed in contact with the nuclear material for 2 months and maintained at 650°C, and the selection of a fuel-side barrier material, wherein the nuclear material is characterized a second internal diffusion distance into the fuel-side barrier material when the fuel-side barrier material is placed in contact with nuclear material for 2 months and held at 650° C., the second internal diffusion distance being smaller than the first internal diffusion distance; manufacturing (602) the original component; attaching (604) the second layer to the original component to obtain a two-layer intermediate element; attaching (606) a third layer to a two-layer intermediate element to obtain a three-layer intermediate - 15 041650 ного элемента и прикрепление (608) последнего слоя к трехслойному промежуточному элементу с получением тепловыделяющего элемента, при этом исходный компонент, второй слой, третий слой и последний слой тепловыделяющего элемента представляют собой оболочку (106), состоящую из материала оболочки, барьер (104) со стороны оболочки, барьер (102) со стороны топлива, состоящий из материала барьера со стороны топлива, и топливный компонент, где барьер со стороны оболочки расположен между оболочкой и барьером со стороны топлива, а барьер со стороны топлива расположен между барьером со стороны оболочки и топливным компонентом, в котором прикрепление осуществляют посредством химического осаждения из паровой фазы металлорганического соединения (ХОПФМО); термического испарения, напыления, импульсного лазерного осаждения (ИЛО), катодно-дугового осаждения или электроискрового осаждения (ЭИО), и материал оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала оболочки, и по меньшей мере один другой химический элемент, который отличается от основного химического элемента материала оболочки, и/или материал барьера со стороны топлива содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны топлива, и по меньшей мере один другой химический элемент, который отличается от основного химического элемента материала барьера со стороны топлива, и/или материал барьера со стороны оболочки содержит основной химический элемент, составляющий более 50 мас.% материала барьера со стороны оболочки, и по меньшей мере один другой химический элемент, который отличается от основного химического элемента материала барьера со стороны оболочки.- 15 041650 and attaching (608) the last layer to the three-layer intermediate element to obtain a fuel element, while the original component, the second layer, the third layer and the last layer of the fuel element are a shell (106) consisting of a shell material, a barrier ( 104) on the cladding side, a fuel-side barrier (102) consisting of a fuel-side barrier material, and a fuel component, where the cladding-side barrier is located between the cladding and the fuel-side barrier, and the fuel-side barrier is located between the fuel-side barrier. shell and fuel component, in which the attachment is carried out by chemical vapor deposition from the vapor phase of an organometallic compound (CVDMO); thermal evaporation, sputtering, pulsed laser deposition (PLD), cathode arc deposition or electrospark deposition (ESD), and the shell material contains the main chemical element, constituting more than 50 wt.% of the shell material, and at least one other chemical element, which different from the main chemical element of the shell material, and/or the fuel-side barrier material contains a main chemical element that makes up more than 50 wt.% of the fuel-side barrier material, and at least one other chemical element that differs from the main chemical element of the barrier material on the fuel side and/or the sheath-side barrier material comprises a main chemical element constituting more than 50% by weight of the sheath-side barrier material and at least one other chemical element that is different from the main chemical element of the sheath-side barrier material. 2. Способ по п.1, в котором по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны топлива характеризуется третьим расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки при размещении в контакте с материалом оболочки в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С, и по меньшей мере один химический элемент в материале барьера со стороны оболочки характеризуется четвертым расстоянием внутренней диффузии в материал оболочки при размещении в контакте с материалом оболочки в течение 2 месяцев и выдержке при 650°С, причем третье расстояние внутренней диффузии больше, чем четвертое расстояние внутренней диффузии.2. The method of claim 1, wherein at least one chemical element in the fuel side barrier material has a third internal diffusion distance into the sheath material when placed in contact with the sheath material for 2 months and held at 650°C, and at least one chemical element in the shell-side barrier material has a fourth internal diffusion distance into the shell material when placed in contact with the shell material for 2 months and held at 650°C, the third internal diffusion distance being greater than the fourth internal diffusion distance. 3. Способ по п.1, в котором исходный компонент представляет собой оболочку, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива, и последний слой представляет собой топливный компонент.3. The method of claim 1, wherein the starting component is a cladding, the second layer is a cladding-side barrier, the third layer is a fuel-side barrier, and the final layer is a fuel component. 4. Способ по п.1, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны оболочки, второй слой представляет собой оболочку, третий слой представляет собой барьер со стороны топлива, и последний слой представляет собой топливный компонент.4. The method of claim 1, wherein the starting component is a cladding-side barrier, the second layer is a cladding, the third layer is a fuel-side barrier, and the final layer is a fuel component. 5. Способ по п.1, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой барьер со стороны оболочки, третий слой представляет собой оболочку, и последний слой представляет собой топливный компонент.5. The method of claim 1, wherein the starting component is a fuel side barrier, the second layer is a cladding side barrier, the third layer is a cladding, and the final layer is a fuel component. 6. Способ по п.1, в котором исходный компонент представляет собой барьер со стороны топлива, второй слой представляет собой топливный компонент, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.6. The method of claim 1, wherein the starting component is a fuel side barrier, the second layer is a fuel component, the third layer is a cladding side barrier, and the final layer is a cladding. 7. Способ по п.1, в котором исходный компонент представляет собой топливный компонент, второй слой представляет собой барьер со стороны топлива, третий слой представляет собой барьер со стороны оболочки, и последний слой представляет собой оболочку.7. The method of claim 1, wherein the starting component is a fuel component, the second layer is a fuel-side barrier, the third layer is a cladding-side barrier, and the final layer is a cladding. 8. Способ по п.3, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к оболочке посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на оболочку.8. The method of claim 3, wherein the sheath-side barrier is attached to the sheath by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the sheath-side barrier material to the sheath. 9. Способ по п.3, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к барьеру со стороны оболочки посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны оболочки на барьер со стороны топлива.9. The method of claim 3, wherein the fuel-side barrier is attached to the shell-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the material of the shell-side barrier to the fuel-side barrier. . 10. Способ по п.7, в котором барьер со стороны оболочки прикрепляют к барьеру со стороны топлива посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на барьер со стороны оболочки.10. The method of claim 7, wherein the cladding-side barrier is attached to the fuel-side barrier by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the fuel-side barrier material to the cladding-side barrier. . 11. Способ по п.7, в котором барьер со стороны топлива прикрепляют к топливному компоненту посредством одного способа из механического прикрепления, электроосаждения, химического осаждения из паровой фазы или физического осаждения из паровой фазы материала барьера со стороны топлива на топливный компонент.11. The method of claim 7, wherein the fuel side barrier is attached to the fuel component by one of mechanical attachment, electrodeposition, chemical vapor deposition, or physical vapor deposition of the fuel side barrier material to the fuel component. 12. Способ по п.1, в котором материал барьера со стороны оболочки выбирают из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.12. The method of claim 1, wherein the sheath-side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, alloy any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics. 13. Способ по п.1, в котором материал барьера со стороны топлива выбирают из Nb, Mo, Та, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, сплава любого из перечисленных материалов, керамики TiN, керамики ZrN, керамики VN, керамики TiC, керамики ZrC или керамики VC.13. The method of claim 1 wherein the fuel side barrier material is selected from Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Sc, Fe, Ni, alloy any of the listed materials, TiN ceramics, ZrN ceramics, VN ceramics, TiC ceramics, ZrC ceramics, or VC ceramics. --