本申请要求于2016年3月29日提交的美国临时申请号62/314,705的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及裂变核燃料。更具体地，本发明描述了一种用于球形燃料块的改进的加工方法，所述球形燃料块包括微囊化的三元结构各向同性(triso)燃料。
背景技术
在随后背景的讨论中，参考某些结构和/或方法。然而，以下参考不应被解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留证明此类结构和/或方法不符合现有技术的权利。
有许多已知类型的用于研究和发电的核反应堆的核燃料。燃料可以是多种类型，包括铀、钚或钍的可裂变(裂变)同位素和裂变产生(增殖性)同位素，形成例如陶瓷碳化物、氧化物、氮化物或硅化物。随着当前一代轻水反应堆(lwr)在核电生产方面几乎完全占据的主导地位，二氧化铀(uo2)颗粒已成为事实上的标准核燃料。uo2颗粒被用于压水反应堆(pwr)和沸水反应堆(bwr)的配置，通过陶瓷加工途径大量生产：一旦达到适当纯度和裂变同位素富集的粉末，就将其按压，然后在氢存在下烧结并通过无中心研磨达到最终尺寸。一旦成品合格，将其置于锆合金管内并在惰性氦气环境中焊接密封。在正常的反应堆运行期间，该锆管提供许多功能，包括用于容纳放射性毒性裂变产物气体的集气室(屏障)。
核燃料的第二个例子是惰性基质燃料(imf)，其中诸如(或包括)u-235的裂变材料分散在惰性主体基质中。所述惰性基质可以是sic。在这种情况下，主体基质可含有产生的裂变产物。还有核燃料的第三个例子是微囊化燃料(例如triso燃料)，其用于在棱柱形和块床核心配置中的高温气冷(htgr)反应堆，存在于裂变研究和发电反应堆的混合物中，其中，小直径微囊化燃料的sic层为裂变产物释放提供了第一屏障，并且通常大量的这些燃料珠在多孔石墨基质中被压实。
为了形成刚性燃料体，将这些triso或替代的微囊化燃料与一些陶瓷基质前体混合，并作为示例形成用于模块化高温气冷反应堆(mhtgr)的圆柱形陶瓷或用于块床模块化反应堆(pbmr)的球体。历史上，用于mhtgr和pbmr燃料形式的将triso结合在一起的基质已经是石墨化的，尽管已经进行了一些研究和开发，其中石墨基质随后用薄的sic层涂覆以增加块强度和耐磨性。
最近，已开发出triso燃料的一种燃料形式，其在强而不可渗透的完全致密的碳化硅基质中被压实，而不是像在htgr的情况下在石墨基质中压实。该燃料已被开发并且先前被描述为更稳健的燃料，其中微囊化的“triso”燃料的sic层和包含它们的致密陶瓷sic基质除了可能存在的任何外部包层之外还提供裂变产物释放的两个屏障。裂变产物释放的第二屏障显著增强了核燃料的安全性，并减少了现代lwr的相关安全系统，并有益于气冷反应堆。
发明简述
本发明提供了一种用于将包含triso燃料的微囊化燃料压缩成用于核反应堆应用的球形燃料压块(块)的新制造方法。制造块的过程利用直流烧结(dcs)技术，在历史块制造路径上以最小的组合时间、温度和压力产生所需的基质微观结构和性质。已经证明了历史石墨基质的理想的压实基质微结构和微囊化完整性，以提供改进的燃料生产经济性。类似地，通过利用该工艺，实现了第一种坚固且不可渗透的sic基质块燃料，提供了工艺-经济效益和增强的燃料安全性。
一种实现块燃料生产的方法，包括：用陶瓷粉末涂覆燃料颗粒；将涂覆的燃料颗粒放入第一模具中；和向第一模具施加第一电流和第一压力，以通过直流烧结形成燃料块。
在一个实施方式中，根据上述方法，所述方法还包括从第一模具中取出燃料块，并将燃料块放入第二模具中的非燃料基质陶瓷床内；和向第二模具施加第二电流和第二压力，以形成复合燃料块。
在根据上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(triso)。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末包含石墨或碳化硅。所述非燃料基质陶瓷的组成可与所述陶瓷粉末相同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷粉末相同的成分，但含量不同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷粉末相同的主要成分，例如石墨或碳化硅，但具有不同的附加成分。所述非燃料基质陶瓷的组成还可包括与所述陶瓷粉末的成分完全不同的成分。
在根据上述方法的一个实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括石墨。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括酚醛树脂或其他树脂粘合剂。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括碳化硅。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括选自gd2o3、er2o3、dy2o3和eu2o3及其组合的稀土氧化物中子抑制剂。在更进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括选自al2o3和y2o3及其组合的烧结添加剂。在更进一步的实施方式中，所述稀土氧化物中子抑制剂和任何额外的烧结添加剂的组合的量为所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末、或每种非燃料基质陶瓷和陶瓷粉末的总的重量的至多10重量％、0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括在第二模具中的燃料块上方添加额外的非燃料基质陶瓷。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述涂覆燃料颗粒的步骤包括通过旋转蒸发器或流化床进行涂覆。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括加工燃料块或复合燃料块以使燃料块或复合燃料块的外表面平滑。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括在从第一模具取出之后并且在放入第二模具之前检查燃料芯。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述第一压力、第二压力或第一压力和第二压力中的每一个小于30mpa，或者在特定的实施方式中，小于20mpa，或者在更加特定的实施方式中，约10mpa。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述核燃料块包括接近化学计量的sic。在某些实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低孔隙度，例如，小于4％，小于3％或小于1％。在这样的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均形成不透气的屏障，其充当来自于燃料颗粒的裂变产物/锕系元素的扩散和其它放射性物质的释放的第二屏障。在某些实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低的氦渗透性，例如小于10-10m2/s，或小于10-11m2/s。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的平均尺寸小于1μm，或者在特定的实施方式中，为15nm至60nm，或者在更加特定的实施方式中，为20nm至50nm，或者在更加特定的实施方式中，约35nm。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的比表面积大于20m2/g。
由与上述方法类似的方法获得的核燃料块包括：内燃料块，其包括在全陶瓷基质内微囊化的燃料颗粒；和包围内燃料块的非燃料基质陶瓷。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述核燃料块包括形成所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者的近化学计量sic。在某些实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低孔隙度，例如，小于4％、小于3％或小于1％。在这样的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均形成不透气的屏障，其充当来自于燃料颗粒的裂变产物/锕系元素的扩散和其它放射性物质的释放的第二屏障。在某些实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低的氦渗透性，例如小于10-10m2/s，或小于10-11m2/s。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的平均尺寸小于1μm，或者在特定的实施方式中，为15nm至60nm，或者在更加特定的实施方式中，为20nm至50nm，或者在更加特定的实施方式中，约35nm。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的比表面积大于20m2/g。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(triso)。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质包含石墨或碳化硅。所述非燃料基质陶瓷的组成可与所述陶瓷基质相同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷基质相同的成分，但含量不同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷基质相同的主要成分，例如石墨或碳化硅，但具有不同的附加成分。所述非燃料基质陶瓷的组成还可包括与所述陶瓷基质的成分完全不同的成分。
在根据上述核燃料块的一个实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括石墨。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括酚醛树脂或其他树脂粘合剂。
在根据任何上述核燃料块的一个实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括碳化硅。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括选自gd2o3、er2o3、dy2o3和eu2o3及其组合的稀土氧化物中子抑制剂。在更进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括选自al2o3和y2o3及其组合的烧结添加剂。在更进一步的实施方式中，所述稀土氧化物中子抑制剂和任何额外的烧结添加剂的组合的量为所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质、或每种非燃料基质陶瓷和陶瓷基质的总的重量的至多10重量％、0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、陶瓷基质或两者均包括仅包括稀土氧化物中子抑制剂和杂质元素的囊(pockets)。在根据任何上述核燃料块的另一个实施方式中，所述囊仅包括稀土氧化物中子抑制剂、额外的烧结添加剂和杂质元素，其中所述额外的烧结添加剂可包括与以上讨论的用于额外的烧结添加剂的相同的材料。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述核燃料块还包括第二非燃料基质陶瓷层。所述第二非燃料基质陶瓷可包括用于非燃料基质陶瓷的以上讨论的任何材料。所述第二非燃料基质陶瓷可具有与所述非燃料基质陶瓷或所述陶瓷基质相同的组成。所述第二非燃料基质陶瓷可具有与所述非燃料基质陶瓷和所述陶瓷基质不同的组成。组成的差异可以仅在于组分的量、仅在一些组分中、或在所有组分中。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒包括从轻水反应堆的乏燃料中提取的超铀元素。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒包括从核武器中提取的超铀元素。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1是说明根据本发明的一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图。
图2是说明根据本发明的另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图；
图3是说明根据本发明的又另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图；和
图4是说明根据本发明的又另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图。
具体实施方式的详细描述
可以结合附图阅读以下详细描述，其中相同的数字表示相同的元件。
图1是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。在图1中，将多个微囊化的燃料颗粒10添加到涂覆站30中。所述涂覆站30可以是旋转蒸发器或流化床。所述多个微囊化燃料颗粒10中的每一个可以是三元结构-各向同性(triso)燃料颗粒。如本文所用，术语“triso燃料颗粒”是指任何类型的微燃料颗粒，其包含燃料核和围绕燃料核的一层或多层各向同性材料。仅作为示例，燃料颗粒10可具有约1毫米的直径。
在图1所示的实施方式中，燃料颗粒10在其中心包括燃料核11。所述燃料核可以包括氧化物、碳化物或碳氧化物形式的裂变和/或增殖性材料(例如，铀、钚、钍等)。在特定的实施方式中，燃料内核11包括任何合适富集水平的低浓铀(leu)。
当燃料元素用于废物减少和/或处置目的时，燃料核11可以替代地或另外地包括从乏燃料中提取或以其他方式再加工的超铀(tru)和/或裂变产物。
例如，燃料元素可用于销毁由例如轻水反应堆或退役核武器产生的超铀废物。为此目的，燃料元素可包括由从轻水反应堆的乏燃料和/或核武器的核心提取的超铀元素形成的燃料核11。根据特定的实施方式，根据所述方法形成的燃料元素可用作轻水反应堆的燃料以销毁超铀废物，同时从其发电。
图1中所示的燃料颗粒10还包括涂覆在燃料核11上的四个不同的层，即(1)多孔碳缓冲层15；(2)内部热解碳(pyc)层14；(3)陶瓷层13；和(4)外部pyc层12。
多孔碳缓冲层15围绕燃料核11并且被用作容器，用于容纳扩散出燃料核11的裂变气体的累积以及燃料核11在燃料循环期间可能经历的任何机械变形。
内部pyc层14可以由相对致密的pyc形成并密封碳缓冲层15。
陶瓷层13可以由sic材料形成并且用作主要裂变产物屏障和用于燃料核11的压力容器，在其中保留气态和金属裂变产物。陶瓷层13还提供燃料颗粒10的整体结构完整性。
在一些实施方式中，陶瓷层13中的sic可以用碳化锆(zrc)或具有与sic和/或zrc相似的性质的任何其他合适材料替换或补充。
外部pyc层12保护陶瓷层13在操作期间免受化学侵蚀，并且作为裂变产物的附加扩散边界。外部pyc层12还可以用作粘合到周围陶瓷基质的基板。
燃料颗粒10的构造和/或组成不限于上述实施方式。相反，应当理解，根据燃料颗粒的所需性质，符合本发明的燃料颗粒可包括一个或多个附加层，或省略一个或多个层。
在图1中，燃料颗粒10在步骤3中于涂覆站30中通过在基质组分混合站20中形成的陶瓷基质粉末进行涂覆。陶瓷基质粉末可包括石墨或碳化硅(sic)。
在特定的实施方式中，所述陶瓷基质粉末包括在步骤2中与单独的稀土氧化物中子抑制剂或与额外的烧结添加剂组合混合的的sic粉末。在混合之前，燃料颗粒10可以涂覆有合适的表面保护材料。所述sic粉末可具有小于1μm的平均尺寸和/或大于20m2/g的比表面积。举例来说，sic粉末的尺寸可以为约15nm至约51nm，平均粒度为约35nm。
稀土氧化物中子抑制剂的选择基于元素捕获热中子的有效性、以及它与制造过程的兼容性和辅助能力。合适的稀土的实例包括eu2o3、gd2o3、dy2o3、和er2o3。
除了稀土氧化物中子抑制剂之外，还可以添加额外的烧结添加剂。可接受的额外的烧结添加剂包括例如氧化铝和其他稀土氧化物，例如y2o3。额外的烧结添加剂可以单独地或组合地添加到sic粉末中和/或涂覆到sic粉末表面上。在特定的实施方式中，稀土氧化物中子抑制剂和烧结添加剂的总量为陶瓷基质粉末总重量的至多10重量％，或者在更加特定的实施方式中，为0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在某些实施方式中，所述陶瓷基质粉末包括石墨。在这样的实施方式中，所述陶瓷基质粉末还可包括天然粉末和人造粉末的混合物，以及占陶瓷基质粉末总重量的至多20重量％的酚醛树脂或其它树脂粘合剂。所选的树脂可以是热固性树脂。
过量涂覆在微囊上的陶瓷材料的量是根据反应堆中子因素和充当减速剂的陶瓷的已知最终密度和可能的抑制剂来计算的。在某些实施方式中，所述陶瓷材料的量使得triso体积分数为20至45％、25至42％、或30至35％。
此外，在图1中，在步骤4中将涂覆的燃料转移到第一直流烧结(dcs)压机40中。在压机40内，涂覆的燃料经受第一电流和第一压力，以在步骤5中形成燃料块25，其中第一电流通过第一dcs压机40产生特定温度。
在陶瓷基质粉末包括碳化硅的实施方式中，控制第一电流和第一压力以获得具有3.22g/cc包络密度(接近理论值)的燃料块25。在某些实施方式中，所述第一电流的量可产生1650至1900℃、1700至1850℃、或1800至1850℃的温度。在某些实施方式中，所述第一压力小于30mpa，或者在某些实施方式中，小于20mpa，或者在更加特定的实施方式中，为约10mpa。
在陶瓷基质粉末包括石墨的实施方式中，所述第一电流的量可产生700至1900℃的温度。在步骤5期间施加的第一压力取决于燃料的最终体积分数，并且随着温度历史而变化。
此外，在图1中，一旦形成球形燃料块25，其在步骤6中被检测出并被转移到比第一模具40大的第二dcs压机60中。在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将来自基质组分混合站20的陶瓷基质粉末添加到第二dcs压机60中，其量使得燃料块25可以放置在陶瓷基质粉末床的中心。在第二dcs压机60中压制之前，可以在燃料块25上方添加额外的陶瓷基质粉末。
在第二dcs压机60中压制燃料块以形成复合燃料块35的步骤7，包括使燃料块经受第二电流和第二压力，其中第二电流通过第二dcs压机60产生特定温度，以形成复合燃料块35。
此外，在图1中，一旦被从第二dcs压机60移除，复合燃料块35经历机械加工以使复合燃料块35的表面平滑。这种加工可包括车床。
图2是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了还包括两个基质组分混合站之外，图2所示的方法包括与图1中的方法相同的步骤和站。具体地，图2包括基质组分混合站20，在这里基质被混合，形成陶瓷基质粉末以涂覆在涂覆站30中的燃料颗粒10上。图2还包括第二基质组分混合站21，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到其中。第二基质组分混合站21也是额外的陶瓷基质粉末的来源，所述额外的陶瓷基质粉末可以在压入第二dcs压机60之前添加到燃料块25上方。
通过使用基质组分混合站20和第二基质组分混合站21，涂覆在燃料颗粒10上的陶瓷基质粉末和围绕燃料块25的非燃料基质陶瓷可形成为不同的组合物。所述组合物可以仅是不同量的相同组分，所述组合物可以含有部分不同的组分，或者所述组合物可以含有完全不同的组分。
所述陶瓷基质粉末和非燃料基质陶瓷的不同组合物的实例包括：(1)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷的不同石墨基质；(2)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷的sic基质；(3)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷的不同sic基质；和(4)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷的石墨基质。在特定的实施方式中，sic基质形成陶瓷基质粉末，且石墨基质形成非燃料基质陶瓷。
图3是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了在步骤6b和7b中还使用第三dcs压机80以在复合燃料块35上形成附加的非燃料基质陶瓷层，图3所示的方法包括与图2中的方法相同的步骤和站。具体地说，图3包括以与图1相同的方式连接到涂覆站30和第二dcs模压机60的基质组分混合站20，以便提供用于形成燃料块25的陶瓷基质粉末和复合燃料块35的非燃料基质陶瓷。
图3还包括连接到第三dcs模压机80的第二基质组分混合站21。类似于图1和2中的步骤6和7，图3中的步骤8和9包括，在将复合燃料块35放入第三dcs压机80中之前，将来自第二基质组分混合站21的非燃料基质陶瓷添加到第三dcs压机80中，所述非燃料基质陶瓷的量使得复合燃料块35可以放置在非燃料基质陶瓷床的中心。在第三dcs压机80中压制之前，可以在复合燃料块35上方添加额外的陶瓷基质粉末。在图3的实施方式中，被添加到第三dcs压机80的来自第二基质组分混合站21的非燃料基质陶瓷的量，少于添加到第二dcs压机60的来自基质组分混合站20的陶瓷基质粉末的量，因此围绕复合燃料块35的附加层比围绕燃料块25的层薄。
在特定的实施方式中，双壳燃料块45包括复合燃料块35，包括燃料块25，包括由厚石墨基质围绕的石墨基质，被薄的sic基质围绕。
基质组分混合站20和第二基质组分混合站21可以包括与图2中的那些混合站所描述的基质组成的相同差异。并且，与图3中所示的相反，基质组分混合站20可以仅连接到第二dcs压机60，并且基质组分混合站21可以连接到涂覆站30和第三dcs压机80，使得燃料块25的基质和围绕复合燃料块35的外层可以由相同的组成制成。
在第三dcs压机80中压制燃料块以形成双壳燃料块45的步骤9，包括使燃料块经受第三电流和第三压力，其中第三电流通过第三dcs压机80产生特定温度，以形成双壳燃料块45。
在某些实施方式中，燃料块25的直径在40到60mm之间，或者约为50mm。在特定的实施方式中，复合块35或双壳燃料块45的总直径在50和70mm之间，或约60mm。在某些实施方式中，复合块35或双壳燃料块45的外部区域或内壳的厚度为2至10mm，或约5mm。在更加特定的实施方式中，双壳燃料块45的外壳的厚度为100至200微米，或约150微米。特定实施方式包括双壳燃料块45，其具有厚度在5和10mm之间的石墨内壳和厚度在100和200微米之间的sic外壳。
图4是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了还包括三个基质组分混合站之外，图4所示的方法包括与图3中的方法相同的步骤和站。具体地，图4包括基质组分混合站20，在这里基质被混合，形成陶瓷基质粉末以涂覆在涂覆站30中的燃料颗粒10上。图4还包括第二基质组分混合站21，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到第二dcs压机60中。第二基质组分混合站21也是额外的陶瓷基质粉末的来源，其可以在压入第二dcs压机60之前添加到燃料块25上方。图4还包括第三基质组分混合站22，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将复合燃料块35放入第三dcs压机80中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到第三dcs压机80中。第三基质组分混合站22也是额外的陶瓷基质粉末的来源，其可以在压入第三dcs压机80之前添加到复合燃料块35上方。
通过组合使用基质组分混合站20、第二基质组分混合站21和第三基质组分混合站22，涂覆在燃料颗粒10上的陶瓷基质粉末、围绕燃料块25的非燃料基质陶瓷和围绕复合燃料块35的非燃料基质陶瓷可以形成为不同的组合物。所述组合物可以仅是不同量的相同组分，所述组合物可以含有部分不同的组分，或者所述组合物可以含有完全不同的组分。
所述陶瓷基质粉末和非燃料基质陶瓷的不同组合物的实例包括：(1)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的石墨基质；(2)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的sic基质；(3)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的sic基质；和(4)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的石墨基质。
图5是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了燃料块25没有增加附加层之外，图5所示的方法包括与图1中的方法相同的步骤和站。相反，核燃料块以与参照图1所示和所述的实施方式中的燃料块25相同的方式形成，即步骤2-5。一旦被从第一dcs压机40移除，复合燃料块25经历机械加工以使复合燃料块25的表面平滑。这种加工可包括车床。
尽管在单独的图中示出，但是在一个图或实施方式中示出和描述的任何特征可以替换或添加到上述任何其他实施方式中。
尽管结合其优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行未具体描述的添加、删除、修改和替换。
用于sic和石墨基质triso式块燃料的快速加工的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年3月29日提交的美国临时申请号62/314,705的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及裂变核燃料。更具体地，本发明描述了一种用于球形燃料块的改进的加工方法，所述球形燃料块包括微囊化的三元结构各向同性(triso)燃料。
背景技术
在随后背景的讨论中，参考某些结构和/或方法。然而，以下参考不应被解释为承认这些结构和/或方法构成现有技术。申请人明确保留证明此类结构和/或方法不符合现有技术的权利。
有许多已知类型的用于研究和发电的核反应堆的核燃料。燃料可以是多种类型，包括铀、钚或钍的可裂变(裂变)同位素和裂变产生(增殖性)同位素，形成例如陶瓷碳化物、氧化物、氮化物或硅化物。随着当前一代轻水反应堆(lwr)在核电生产方面几乎完全占据的主导地位，二氧化铀(uo2)颗粒已成为事实上的标准核燃料。uo2颗粒被用于压水反应堆(pwr)和沸水反应堆(bwr)的配置，通过陶瓷加工途径大量生产：一旦达到适当纯度和裂变同位素富集的粉末，就将其按压，然后在氢存在下烧结并通过无中心研磨达到最终尺寸。一旦成品合格，将其置于锆合金管内并在惰性氦气环境中焊接密封。在正常的反应堆运行期间，该锆管提供许多功能，包括用于容纳放射性毒性裂变产物气体的集气室(屏障)。
核燃料的第二个例子是惰性基质燃料(imf)，其中诸如(或包括)u-235的裂变材料分散在惰性主体基质中。所述惰性基质可以是sic。在这种情况下，主体基质可含有产生的裂变产物。还有核燃料的第三个例子是微囊化燃料(例如triso燃料)，其用于在棱柱形和块床核心配置中的高温气冷(htgr)反应堆，存在于裂变研究和发电反应堆的混合物中，其中，小直径微囊化燃料的sic层为裂变产物释放提供了第一屏障，并且通常大量的这些燃料珠在多孔石墨基质中被压实。
为了形成刚性燃料体，将这些triso或替代的微囊化燃料与一些陶瓷基质前体混合，并作为示例形成用于模块化高温气冷反应堆(mhtgr)的圆柱形陶瓷或用于块床模块化反应堆(pbmr)的球体。历史上，用于mhtgr和pbmr燃料形式的将triso结合在一起的基质已经是石墨化的，尽管已经进行了一些研究和开发，其中石墨基质随后用薄的sic层涂覆以增加块强度和耐磨性。
最近，已开发出triso燃料的一种燃料形式，其在强而不可渗透的完全致密的碳化硅基质中被压实，而不是像在htgr的情况下在石墨基质中压实。该燃料已被开发并且先前被描述为更稳健的燃料，其中微囊化的“triso”燃料的sic层和包含它们的致密陶瓷sic基质除了可能存在的任何外部包层之外还提供裂变产物释放的两个屏障。裂变产物释放的第二屏障显著增强了核燃料的安全性，并减少了现代lwr的相关安全系统，并有益于气冷反应堆。
发明简述
本发明提供了一种用于将包含triso燃料的微囊化燃料压缩成用于核反应堆应用的球形燃料压块(块)的新制造方法。制造块的过程利用直流烧结(dcs)技术，在历史块制造路径上以最小的组合时间、温度和压力产生所需的基质微观结构和性质。已经证明了历史石墨基质的理想的压实基质微结构和微囊化完整性，以提供改进的燃料生产经济性。类似地，通过利用该工艺，实现了第一种坚固且不可渗透的sic基质块燃料，提供了工艺-经济效益和增强的燃料安全性。
一种实现块燃料生产的方法，包括：用陶瓷粉末涂覆燃料颗粒；将涂覆的燃料颗粒放入第一模具中；和向第一模具施加第一电流和第一压力，以通过直流烧结形成燃料块。
在一个实施方式中，根据上述方法，所述方法还包括从第一模具中取出燃料块，并将燃料块放入第二模具中的非燃料基质陶瓷床内；和向第二模具施加第二电流和第二压力，以形成复合燃料块。
在根据上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(triso)。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末包含石墨或碳化硅。所述非燃料基质陶瓷的组成可与所述陶瓷粉末相同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷粉末相同的成分，但含量不同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷粉末相同的主要成分，例如石墨或碳化硅，但具有不同的附加成分。所述非燃料基质陶瓷的组成还可包括与所述陶瓷粉末的成分完全不同的成分。
在根据上述方法的一个实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括石墨。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括酚醛树脂或其他树脂粘合剂。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括碳化硅。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括选自gd2o3、er2o3、dy2o3和eu2o3及其组合的稀土氧化物中子抑制剂。在更进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末或两者均还包括选自al2o3和y2o3及其组合的烧结添加剂。在更进一步的实施方式中，所述稀土氧化物中子抑制剂和任何额外的烧结添加剂的组合的量为所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷粉末、或每种非燃料基质陶瓷和陶瓷粉末的总的重量的至多10重量％、0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括在第二模具中的燃料块上方添加额外的非燃料基质陶瓷。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述涂覆燃料颗粒的步骤包括通过旋转蒸发器或流化床进行涂覆。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括加工燃料块或复合燃料块以使燃料块或复合燃料块的外表面平滑。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述方法还包括在从第一模具取出之后并且在放入第二模具之前检查燃料芯。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述第一压力、第二压力或第一压力和第二压力中的每一个小于30mpa，或者在特定的实施方式中，小于20mpa，或者在更加特定的实施方式中，约10mpa。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述核燃料块包括接近化学计量的sic。在某些实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低孔隙度，例如，小于4％，小于3％或小于1％。在这样的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均形成不透气的屏障，其充当来自于燃料颗粒的裂变产物/锕系元素的扩散和其它放射性物质的释放的第二屏障。在某些实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低的氦渗透性，例如小于10-10m2/s，或小于10-11m2/s。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的平均尺寸小于1μm，或者在特定的实施方式中，为15nm至60nm，或者在更加特定的实施方式中，为20nm至50nm，或者在更加特定的实施方式中，约35nm。
在根据任何上述方法的实施方式中，所述陶瓷粉末、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的比表面积大于20m2/g。
由与上述方法类似的方法获得的核燃料块包括：内燃料块，其包括在全陶瓷基质内微囊化的燃料颗粒；和包围内燃料块的非燃料基质陶瓷。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述核燃料块包括形成所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者的近化学计量sic。在某些实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低孔隙度，例如，小于4％、小于3％或小于1％。在这样的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均形成不透气的屏障，其充当来自于燃料颗粒的裂变产物/锕系元素的扩散和其它放射性物质的释放的第二屏障。在某些实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均具有低的氦渗透性，例如小于10-10m2/s，或小于10-11m2/s。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的平均尺寸小于1μm，或者在特定的实施方式中，为15nm至60nm，或者在更加特定的实施方式中，为20nm至50nm，或者在更加特定的实施方式中，约35nm。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括sic，所述sic的比表面积大于20m2/g。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(triso)。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述陶瓷基质包含石墨或碳化硅。所述非燃料基质陶瓷的组成可与所述陶瓷基质相同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷基质相同的成分，但含量不同。所述非燃料基质陶瓷的组成可包括与所述陶瓷基质相同的主要成分，例如石墨或碳化硅，但具有不同的附加成分。所述非燃料基质陶瓷的组成还可包括与所述陶瓷基质的成分完全不同的成分。
在根据上述核燃料块的一个实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括石墨。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括酚醛树脂或其他树脂粘合剂。
在根据任何上述核燃料块的一个实施方式中，所述陶瓷基质、所述非燃料基质陶瓷或两者均包括碳化硅。在进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括选自gd2o3、er2o3、dy2o3和eu2o3及其组合的稀土氧化物中子抑制剂。在更进一步的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质或两者均还包括选自al2o3和y2o3及其组合的烧结添加剂。在更进一步的实施方式中，所述稀土氧化物中子抑制剂和任何额外的烧结添加剂的组合的量为所述非燃料基质陶瓷、所述陶瓷基质、或每种非燃料基质陶瓷和陶瓷基质的总的重量的至多10重量％、0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在根据任何上述核燃料块的实施方式中，所述非燃料基质陶瓷、陶瓷基质或两者均包括仅包括稀土氧化物中子抑制剂和杂质元素的囊(pockets)。在根据任何上述核燃料块的另一个实施方式中，所述囊仅包括稀土氧化物中子抑制剂、额外的烧结添加剂和杂质元素，其中所述额外的烧结添加剂可包括与以上讨论的用于额外的烧结添加剂的相同的材料。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述核燃料块还包括第二非燃料基质陶瓷层。所述第二非燃料基质陶瓷可包括用于非燃料基质陶瓷的以上讨论的任何材料。所述第二非燃料基质陶瓷可具有与所述非燃料基质陶瓷或所述陶瓷基质相同的组成。所述第二非燃料基质陶瓷可具有与所述非燃料基质陶瓷和所述陶瓷基质不同的组成。组成的差异可以仅在于组分的量、仅在一些组分中、或在所有组分中。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒包括从轻水反应堆的乏燃料中提取的超铀元素。
在根据任何上述核燃料块或任何上述方法的实施方式中，所述燃料颗粒包括从核武器中提取的超铀元素。
附图说明
现在将参考附图以示例的方式描述本发明的实施方式，其中：
图1是说明根据本发明的一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图。
图2是说明根据本发明的另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图；
图3是说明根据本发明的又另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图；和
图4是说明根据本发明的又另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图。
图5是说明根据本发明的又另一个实施方式的形成核燃料块的过程的步骤的示意图。
具体实施方式的详细描述
可以结合附图阅读以下详细描述，其中相同的数字表示相同的元件。
图1是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。在图1中，将多个微囊化的燃料颗粒10添加到涂覆站30中。所述涂覆站30可以是旋转蒸发器或流化床。所述多个微囊化燃料颗粒10中的每一个可以是三元结构-各向同性(triso)燃料颗粒。如本文所用，术语“triso燃料颗粒”是指任何类型的微燃料颗粒，其包含燃料核和围绕燃料核的一层或多层各向同性材料。仅作为示例，燃料颗粒10可具有约1毫米的直径。
在图1所示的实施方式中，燃料颗粒10在其中心包括燃料核11。所述燃料核可以包括氧化物、碳化物或碳氧化物形式的裂变和/或增殖性材料(例如，铀、钚、钍等)。在特定的实施方式中，燃料内核11包括任何合适富集水平的低浓铀(leu)。
当燃料元素用于废物减少和/或处置目的时，燃料核11可以替代地或另外地包括从乏燃料中提取或以其他方式再加工的超铀(tru)和/或裂变产物。
例如，燃料元素可用于销毁由例如轻水反应堆或退役核武器产生的超铀废物。为此目的，燃料元素可包括由从轻水反应堆的乏燃料和/或核武器的核心提取的超铀元素形成的燃料核11。根据特定的实施方式，根据所述方法形成的燃料元素可用作轻水反应堆的燃料以销毁超铀废物，同时从其发电。
图1中所示的燃料颗粒10还包括涂覆在燃料核11上的四个不同的层，即(1)多孔碳缓冲层15；(2)内部热解碳(pyc)层14；(3)陶瓷层13；和(4)外部pyc层12。
多孔碳缓冲层15围绕燃料核11并且被用作容器，用于容纳扩散出燃料核11的裂变气体的累积以及燃料核11在燃料循环期间可能经历的任何机械变形。
内部pyc层14可以由相对致密的pyc形成并密封碳缓冲层15。
陶瓷层13可以由sic材料形成并且用作主要裂变产物屏障和用于燃料核11的压力容器，在其中保留气态和金属裂变产物。陶瓷层13还提供燃料颗粒10的整体结构完整性。
在一些实施方式中，陶瓷层13中的sic可以用碳化锆(zrc)或具有与sic和/或zrc相似的性质的任何其他合适材料替换或补充。
外部pyc层12保护陶瓷层13在操作期间免受化学侵蚀，并且作为裂变产物的附加扩散边界。外部pyc层12还可以用作粘合到周围陶瓷基质的基板。
燃料颗粒10的构造和/或组成不限于上述实施方式。相反，应当理解，根据燃料颗粒的所需性质，符合本发明的燃料颗粒可包括一个或多个附加层，或省略一个或多个层。
在图1中，燃料颗粒10在步骤3中于涂覆站30中通过在基质组分混合站20中形成的陶瓷基质粉末进行涂覆。陶瓷基质粉末可包括石墨或碳化硅(sic)。
在特定的实施方式中，所述陶瓷基质粉末包括在步骤2中与单独的稀土氧化物中子抑制剂或与额外的烧结添加剂组合混合的的sic粉末。在混合之前，燃料颗粒10可以涂覆有合适的表面保护材料。所述sic粉末可具有小于1μm的平均尺寸和/或大于20m2/g的比表面积。举例来说，sic粉末的尺寸可以为约15nm至约51nm，平均粒度为约35nm。
稀土氧化物中子抑制剂的选择基于元素捕获热中子的有效性、以及它与制造过程的兼容性和辅助能力。合适的稀土的实例包括eu2o3、gd2o3、dy2o3、和er2o3。
除了稀土氧化物中子抑制剂之外，还可以添加额外的烧结添加剂。可接受的额外的烧结添加剂包括例如氧化铝和其他稀土氧化物，例如y2o3。额外的烧结添加剂可以单独地或组合地添加到sic粉末中和/或涂覆到sic粉末表面上。在特定的实施方式中，稀土氧化物中子抑制剂和烧结添加剂的总量为陶瓷基质粉末总重量的至多10重量％，或者在更加特定的实施方式中，为0.5至10重量％、1至10重量％、1至6重量％、或2至6重量％。
在某些实施方式中，所述陶瓷基质粉末包括石墨。在这样的实施方式中，所述陶瓷基质粉末还可包括天然粉末和人造粉末的混合物，以及占陶瓷基质粉末总重量的至多20重量％的酚醛树脂或其它树脂粘合剂。所选的树脂可以是热固性树脂。
过量涂覆在微囊上的陶瓷材料的量是根据反应堆中子因素和充当减速剂的陶瓷的已知最终密度和可能的抑制剂来计算的。在某些实施方式中，所述陶瓷材料的量使得triso体积分数为20至45％、25至42％、或30至35％。
此外，在图1中，在步骤4中将涂覆的燃料转移到第一直流烧结(dcs)压机40中。在压机40内，涂覆的燃料经受第一电流和第一压力，以在步骤5中形成燃料块25，其中第一电流通过第一dcs压机40产生特定温度。
在陶瓷基质粉末包括碳化硅的实施方式中，控制第一电流和第一压力以获得具有3.22g/cc包络密度(接近理论值)的燃料块25。在某些实施方式中，所述第一电流的量可产生1650至1900℃、1700至1850℃、或1800至1850℃的温度。在某些实施方式中，所述第一压力小于30mpa，或者在某些实施方式中，小于20mpa，或者在更加特定的实施方式中，为约10mpa。
在陶瓷基质粉末包括石墨的实施方式中，所述第一电流的量可产生700至1900℃的温度。在步骤5期间施加的第一压力取决于燃料的最终体积分数，并且随着温度历史而变化。
此外，在图1中，一旦形成球形燃料块25，其在步骤6中被检测出并被转移到比第一模具40大的第二dcs压机60中。在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将来自基质组分混合站20的陶瓷基质粉末添加到第二dcs压机60中，其量使得燃料块25可以放置在陶瓷基质粉末床的中心。在第二dcs压机60中压制之前，可以在燃料块25上方添加额外的陶瓷基质粉末。
在第二dcs压机60中压制燃料块以形成复合燃料块35的步骤7，包括使燃料块经受第二电流和第二压力，其中第二电流通过第二dcs压机60产生特定温度，以形成复合燃料块35。
此外，在图1中，一旦被从第二dcs压机60移除，复合燃料块35经历机械加工以使复合燃料块35的表面平滑。这种加工可包括车床。
图2是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了还包括两个基质组分混合站之外，图2所示的方法包括与图1中的方法相同的步骤和站。具体地，图2包括基质组分混合站20，在这里基质被混合，形成陶瓷基质粉末以涂覆在涂覆站30中的燃料颗粒10上。图2还包括第二基质组分混合站21，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到其中。第二基质组分混合站21也是额外的陶瓷基质粉末的来源，所述额外的陶瓷基质粉末可以在压入第二dcs压机60之前添加到燃料块25上方。
通过使用基质组分混合站20和第二基质组分混合站21，涂覆在燃料颗粒10上的陶瓷基质粉末和围绕燃料块25的非燃料基质陶瓷可形成为不同的组合物。所述组合物可以仅是不同量的相同组分，所述组合物可以含有部分不同的组分，或者所述组合物可以含有完全不同的组分。
所述陶瓷基质粉末和非燃料基质陶瓷的不同组合物的实例包括：(1)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷的不同石墨基质；(2)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷的sic基质；(3)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷的不同sic基质；和(4)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷的石墨基质。在特定的实施方式中，sic基质形成陶瓷基质粉末，且石墨基质形成非燃料基质陶瓷。
图3是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了在步骤6b和7b中还使用第三dcs压机80以在复合燃料块35上形成附加的非燃料基质陶瓷层，图3所示的方法包括与图2中的方法相同的步骤和站。具体地说，图3包括以与图1相同的方式连接到涂覆站30和第二dcs模压机60的基质组分混合站20，以便提供用于形成燃料块25的陶瓷基质粉末和复合燃料块35的非燃料基质陶瓷。
图3还包括连接到第三dcs模压机80的第二基质组分混合站21。类似于图1和2中的步骤6和7，图3中的步骤8和9包括，在将复合燃料块35放入第三dcs压机80中之前，将来自第二基质组分混合站21的非燃料基质陶瓷添加到第三dcs压机80中，所述非燃料基质陶瓷的量使得复合燃料块35可以放置在非燃料基质陶瓷床的中心。在第三dcs压机80中压制之前，可以在复合燃料块35上方添加额外的陶瓷基质粉末。在图3的实施方式中，被添加到第三dcs压机80的来自第二基质组分混合站21的非燃料基质陶瓷的量，少于添加到第二dcs压机60的来自基质组分混合站20的陶瓷基质粉末的量，因此围绕复合燃料块35的附加层比围绕燃料块25的层薄。
在特定的实施方式中，双壳燃料块45包括复合燃料块35，包括燃料块25，包括由厚石墨基质围绕的石墨基质，被薄的sic基质围绕。
基质组分混合站20和第二基质组分混合站21可以包括与图2中的那些混合站所描述的基质组成的相同差异。并且，与图3中所示的相反，基质组分混合站20可以仅连接到第二dcs压机60，并且基质组分混合站21可以连接到涂覆站30和第三dcs压机80，使得燃料块25的基质和围绕复合燃料块35的外层可以由相同的组成制成。
在第三dcs压机80中压制燃料块以形成双壳燃料块45的步骤9，包括使燃料块经受第三电流和第三压力，其中第三电流通过第三dcs压机80产生特定温度，以形成双壳燃料块45。
在某些实施方式中，燃料块25的直径在40到60mm之间，或者约为50mm。在特定的实施方式中，复合块35或双壳燃料块45的总直径在50和70mm之间，或约60mm。在某些实施方式中，复合块35或双壳燃料块45的外部区域或内壳的厚度为2至10mm，或约5mm。在更加特定的实施方式中，双壳燃料块45的外壳的厚度为100至200微米，或约150微米。特定实施方式包括双壳燃料块45，其具有厚度在5和10mm之间的石墨内壳和厚度在100和200微米之间的sic外壳。
图4是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了还包括三个基质组分混合站之外，图4所示的方法包括与图3中的方法相同的步骤和站。具体地，图4包括基质组分混合站20，在这里基质被混合，形成陶瓷基质粉末以涂覆在涂覆站30中的燃料颗粒10上。图4还包括第二基质组分混合站21，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将燃料块25放入第二dcs压机60中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到第二dcs压机60中。第二基质组分混合站21也是额外的陶瓷基质粉末的来源，其可以在压入第二dcs压机60之前添加到燃料块25上方。图4还包括第三基质组分混合站22，在这里基质被混合，形成非燃料基质陶瓷，在将复合燃料块35放入第三dcs压机80中之前，将形成的非燃料基质陶瓷添加到第三dcs压机80中。第三基质组分混合站22也是额外的陶瓷基质粉末的来源，其可以在压入第三dcs压机80之前添加到复合燃料块35上方。
通过组合使用基质组分混合站20、第二基质组分混合站21和第三基质组分混合站22，涂覆在燃料颗粒10上的陶瓷基质粉末、围绕燃料块25的非燃料基质陶瓷和围绕复合燃料块35的非燃料基质陶瓷可以形成为不同的组合物。所述组合物可以仅是不同量的相同组分，所述组合物可以含有部分不同的组分，或者所述组合物可以含有完全不同的组分。
所述陶瓷基质粉末和非燃料基质陶瓷的不同组合物的实例包括：(1)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的石墨基质；(2)形成陶瓷基质粉末的石墨基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的sic基质；(3)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的sic基质；和(4)形成陶瓷基质粉末的sic基质和形成非燃料基质陶瓷层的两种不同的石墨基质。
图5是说明根据上述方法形成和处理核燃料块的步骤的示意图。除了燃料块25没有增加附加层之外，图5所示的方法包括与图1中的方法相同的步骤和站。相反，核燃料块以与参照图1所示和所述的实施方式中的燃料块25相同的方式形成，即步骤2-5。一旦被从第一dcs压机40移除，复合燃料块25经历机械加工以使复合燃料块25的表面平滑。这种加工可包括车床。
尽管在单独的图中示出，但是在一个图或实施方式中示出和描述的任何特征可以替换或添加到上述任何其他实施方式中。
尽管结合其优选实施例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行未具体描述的添加、删除、修改和替换。