核燃料小球及其制造方法

摘要

一种制造核燃料元件的方法可包含：形成所述燃料元件的石墨基底；在所述基底部分上沉积第一石墨及/或石墨球层；在所述第一石墨及/或石墨球层上沉积第一燃料、可燃毒物及/或增殖颗粒层；在所述第一颗粒层上形成第二石墨及/或石墨球层；在所述第二石墨及/或石墨球层上沉积第二燃料、可燃毒物及/或增殖颗粒层；及形成所述燃料元件的石墨盖部分。所述第一层的邻近燃料、可燃毒物及/或增殖颗粒间隔开基本上相同距离，且所述第二层的邻近燃料、可燃毒物及/或增殖颗粒间隔开基本上相同距离。燃料元件可为球形燃料小球。燃料颗粒可为不具有外涂层的三重结构各向同性颗粒。

说明书

背景技术

高温气冷反应堆(HTGR)对电功率的高效且固有安全生产抱有极大期望。HTGR设计通常以在石墨慢化剂层内经隔离的燃料为特征，且与多个物理势垒一起经构造以最小化裂变产物释放的可能性。而且，HTGR燃料的负温度反馈反应性特性在温度超过安全水平时导致核裂变链式反应的自动关闭。HTGR的这些固有特性达成依赖于最少应急堆芯冷却系统的固有安全反应堆的设计。

一种类型的HTGR称为“球床”反应堆。在此HTGR设计中，可裂变燃料囊封于多层陶瓷颗粒内，所述多层陶瓷颗粒自身囊封于多层石墨球(称为“小球”)内。燃料小球的球形本质使气体能够在球之间流动以用于从反应堆提取热，同时提供为自组装的芯结构。燃料小球仅仅装载到圆柱形芯区域中，所述圆柱形芯区域由为所述小球提供结构支撑以保持处于随机堆积圆柱形状中的松散堆积石墨块形成。在加燃料期间，可仅仅通过小球卸载装置移除废燃料，所述小球卸载装置在仅使用重力将废燃料小球馈送到废燃料容器之前一次移除单个小球。还使用重力馈送系统将新鲜燃料小球装载到芯桶的顶部中。

发明内容

示范性实施例提供批量生产制造经配置以供在高温气冷反应堆(HTGR)芯中使用的燃料元件的方法。实施例制造方法可包含使用基底部分基底部分与达成燃料颗粒在燃料元件结构的燃料区内的精确放置的三维(3D)印刷方法相似的增材制造方法形成燃料元件。实施例方法达成具有各种形状及大小的石墨基燃料元件的高效且高质量制造。实施例方法的一个特定应用是制造供在球床HTGR芯中使用的球形燃料元件，称为“小球”。

在特定实施例中，一种制造方法可包含：使用3D印刷/增材制造方法形成燃料元件的石墨基底部分；使用3D印刷/增材制造方法在所述石墨基底部分上形成石墨粉末、石墨球或石墨粉末与石墨球的组合中的一者的第一石墨层；使用第一定位夹盘在所述石墨基底部分上沉积第一燃料颗粒层；使用3D印刷/增材制造方法在所述石墨基底部分上形成石墨粉末、石墨球或石墨粉末与石墨球的组合中的一者的第二石墨层；使用第二定位夹盘在所述第二石墨层上沉积第二燃料颗粒层；及使用3D印刷/增材制造方法形成所述燃料元件的石墨盖部分及/或最终石墨层，其中所述第一定位夹盘将燃料颗粒放置于所述第一层上的特定位置中使其间隔开基本上相同距离，且所述第二定位夹盘将燃料颗粒放置于所述第二层的特定位置中使其间隔开基本上相同距离且与燃料颗粒在所述第一层中的所述位置垂直偏移。

在一些实施例中，燃料小球的石墨基底部分可通过以下操作来形成：使用3D印刷/增材制造技术顺序地形成具有增加半径的石墨层以形成球的一部分。在一些实施例中，燃料小球的燃料区可通过以下操作来形成：使用3D印刷/增材制造方法以第一层及第二层的方式重复地搁置包含燃料颗粒的若干层且定位不同几何形状的夹盘以形成大致球形燃料区。在一些实施例中，可通过使用3D印刷/增材制造方法形成具有愈来愈小半径的多个层而完成在所述第二石墨层上形成所述燃料小球的石墨盖部分。

各种实施例使得能够在燃料元件中使用不具有外涂层的三重结构各向同性(TRISO)燃料颗粒。示范性实施例包含通过上文所概述的方法形成的燃料元件(例如，燃料小球)。

本发明的示范性实施例提供经配置以供在球床高温气冷反应堆芯中使用的燃料小球，所述燃料小球包括：燃料颗粒层；石墨层，其安置于所述燃料颗粒层之间，其中所述燃料颗粒层中的至少一者的邻近燃料颗粒彼此间隔开基本上相同距离。

附图说明

并入本文中且构成此说明书的一部分的附图图解说明本发明的示范性实施例，并与上文所给出的大体说明及下文所给出的详细说明一起用于阐释本发明的特征。

图1是适合于与各种实施例一起使用的球床高温气冷反应堆的横截面图。

图2是根据各种实施例的燃料小球的横截面图像。

图3是TRISO涂覆核燃料颗粒的横截面图像。

图4是适合于与各种实施例一起使用的列出燃料小球及燃料颗粒的实例性配置参数的表。

图5A图解说明根据本发明的各种实施例的燃料小球的侧视截面图。

图5B图解说明沿着图5A的燃料小球的燃料颗粒层的顶部截面图，且展示下伏燃料颗粒层。

图5C是根据本发明的各种实施例的燃料小球的透视截面图。

图5D是根据本发明的各种实施例的燃料小球的透视截面图。

图6A是根据本发明的各种实施例的图解说明形成燃料小球的方法的方块流程图。

图6B用图表图解说明6A的方法的操作。

图7A、7B、7C、8A、8B、8C、9A、9B、9C、10A、10B及11包含包含于图6B中的操作的放大图。

具体实施方式

将参考附图详细描述各种实施例。在任何可能的情况下，将贯穿图式使用相同参考编号来指代相同或相似部件。对特定实例及实施方案的提及是出于说明性目的，且并不打算限制本发明或权利要求书的范围。

各种实施例提供批量生产制造供在高温气冷反应堆(HTGR)芯中使用的燃料元件的方法，与常规制造方法中可用的相比，所述方法达成更高生产率、更低成本及更高质量。实施例方法包含：使用例如三维(3D)印刷方法的增材制造方法形成燃料元件(例如，燃料小球)；及将燃料、可燃毒物及/或增殖材料的颗粒精确放置于燃料元件结构的燃料区内。

放置于燃料元件的燃料区中的颗粒可包含燃料(即，可裂变)元件(例如，U233、U235、Th231及/或Pu239)、增殖元件(例如，U238及Th232)、可燃毒物(例如，B、Hf等)及燃料、增殖及可燃毒物元件的组合。如众所周知，铀基燃料包含铀的可裂变同位素(U235)及增殖同位素(U238)的混合物。进一步地，在反应堆的寿命期间，增殖元件/同位素(例如，U238及Th232)变成可裂变(即，燃料)元件(例如，Pu239及U233)，且因此增殖颗粒在操作期间成为燃料颗粒。而且，一些反应堆设计可包含与燃料元件混合的可燃毒物(例如，B、Th)。因此，为了便于参考，术语“燃料颗粒”在本文中用于一般是指包含燃料(即，可裂变)元件、增殖元件(即，在吸收中子后即刻变成可裂变元件的元件)、可燃毒物元件及其任何混合物的颗粒。

使用燃料颗粒的精确放置及3D印刷/增材制造方法来形成燃料元件达成对遍及燃料元件的组成物(石墨)的更精确控制及燃料小球的燃料区内的燃料/毒物/增殖颗粒的可控制分离(即，燃料区内的燃料的“敛集率”)。因此，实施例方法使得能够制造质量比关于常规方法可行的高的燃料元件，同时降低制造成本，增加良率，且改进质量控制过程。使用3D印刷/增材制造方法达成具有复杂几何形状的燃料元件(例如球形燃料小球)的高效且高良率制造。进一步地，实施例方法适合于扩大成若干生产线，所述生产线能够具成本效益地且以严格质量控制来制造大量燃料元件。

本文中使用词语“示范性”来意指“用作实例、例子或图解说明”。在本文中描述为“示范性”的任何实施方案未必解释为较其它实施方案更优选或有利。

各种实施例方法尤其适合用于制造供在球床HTRG内使用的球形燃料小球。图1中图解说明球床HTGR反应堆的实例。此图解说明展示燃料小球在燃料区内的放置。燃料小球的所图解说明实例为具有大约6cm(大约棒球的大小)的直径的球，尽管燃料小球在直径上可更大或更小，例如大约3cm到大约12cm。将燃料小球装载于芯桶内以便形成反应堆芯。在此实施例设计中，钢制压力器皿内包含支撑石墨反射层块的芯桶，所述芯桶界定燃料小球定位于其中以形成圆柱形反应堆芯的内部空间。控制棒进入压力器皿且穿进石墨反射层块中。冷却剂气体通过进气口流动到压力器皿中穿过石墨反射层块及由燃料小球形成的芯且向外穿过出气口(图1中未展示)。在图1中所图解说明的实例性球床反应堆中，芯中可存在大致170,000个燃料小球，所述燃料小球中的每一者可包含大致9克燃料或所期望的任何重金属装载。

燃料小球主要由石墨制成，石墨为反应堆提供中子慢化剂而且为个别燃料颗粒提供结构支撑。来自裂变的热通过燃料小球传导到其表面，在所述表面处由冷却气体(例如，氦或氦/氩混合物)移除热，所述冷却气体在燃料小球周围流动且从芯流出到达能量转换系统(未展示)。

图2在横截面中图解说明常规球床反应堆燃料小球200。燃料小球200由囊封大量小燃料颗粒204的石墨基质202构成，小燃料颗粒204作为朝向图2中所图解说明的燃料小球200的中心206的小点是可见的。燃料小球的外部表面可形成有提供结构刚性且保护石墨免受腐蚀及暴露于氧的陶瓷无燃料壳208或涂层。燃料小球200的外0.5cm可为不含有燃料颗粒204颗粒的无燃料区且由仅石墨基质202材料构成。

通过将燃料颗粒204掺合于形成基质202的石墨中而制造常规燃料小球200。如图2中所图解说明，此不受控制过程可导致燃料颗粒204在基质202内的不均衡分布。适应燃料颗粒的不可避免凝集需要降低对燃料小球被准许体验的功率密度及/或燃烧的限制。此过程也是手动批处理过程，所述手动批处理过程约束燃料小球200的生产率且可造成燃料小球200的不一致质量。

如图3中所图解说明，燃料颗粒204具有经涂覆多层结构，所述经涂覆多层结构具有由多个陶瓷及石墨材料层环绕的燃料芯核212。特定来说，燃料芯核212可包含由缓冲层213环绕的可裂变氧化物(例如，UO₂或ThO₂/UO₂)或碳化物。缓冲层213可包含多孔碳材料，例如石墨。缓冲层213适应燃料芯核212的扩展且用作裂变气体的贮器。缓冲层213由密集内碳层214(例如，热解碳层)环绕。内碳层214密封缓冲层213且衰减放射性核素的迁移。内碳层214由陶瓷层216(例如，碳化硅或碳化锆石层)环绕。陶瓷层216抑制裂变产物(即，将裂变产物保持在芯核内)，借此阻止裂变产物迁移出芯核，且改进结构刚性。陶瓷层216由也可含有热解碳的外碳层218覆盖。外碳层218充当裂变气体释放的进一步势垒。此些燃料颗粒204可称为三重结构各向同性(TRISO)燃料颗粒。燃料颗粒的多层结构已在较早HTGR设计中很好地经设计及表征，且展现非常良好性能以用于在极端温度条件下保持裂变产物。

在图4中所展示的表中列出实例燃料小球及其所包含燃料颗粒的其他细节。此表列出燃料用户的实例直径、外石墨无燃料壳的厚度、燃料芯核的直径及密度、构成燃料颗粒的涂层的实例材料及实例燃料装载。

照惯例，石墨燃料小球形成技术涉及需要若干个临时质量检验以便确保人为错误不导致不良质量小球的劳动密集型过程。再次参考图2，制造燃料小球中的关键挑战中的一者是确保燃料颗粒204遍及燃料小球200的内部部分206石墨基质同质地分布。照惯例，在形成燃料小球之前通过石墨基质的随机混合执行同质化。

然而，此过程依赖于实现经涂覆颗粒及石墨基质材料的统计同质混合物。此过程的又一限制是如下事实：其并不很好地适合于燃料小球的批量生产。另外，此些技术不能够将燃料颗粒精确地定位在小球内。

常规小球形成技术涉及芯压制步骤及无燃料区压制步骤。由于这些压制步骤，此些技术中所使用的燃料颗粒需要额外外涂层以耐受在压制步骤期间施加的高压力且确保随机燃料颗粒/石墨基质中的充足燃料颗粒间隔。

为解决常规方法的这些限制，各种实施例包含形成燃料小球的方法，所述方法达成燃料颗粒的精确放置同时简化将燃料颗粒及/或可燃毒物颗粒固持在芯及环绕芯的石墨无燃料壳内的基质的制作。特定来说，各种实施例提供如下方法：使用3D印刷/增材制造方法以由精细石墨粉末及/或与燃料颗粒大约相同大小的石墨颗粒或球形成燃料小球。通过以下操作形成各种形状及大小的燃料元件(例如大致球形燃料小球)：使用3D印刷/增材制造技术来将薄石墨层粘合到变化直径的圆盘中。接着根据常规制造方法使用等静压机压缩所形成球形燃料小球以形成成品燃料小球。

方法各种实施例方法达成燃料颗粒及/或可燃毒物颗粒在以逐层格式形成的燃料区内的受控定位，所述受控定位可控制层内的燃料颗粒之间及层之间的分离距离。与需要在压制之后通过车床将小球切割到某一大小从而导致浪费石墨刮削的常规燃料小球制造过程相比较，此方法还减少浪费，因为移除且重新使用支撑粉末。

另外，通过控制燃料、毒物及增殖颗粒在燃料元件(例如，燃料小球)内的放置，各种实施例制造方法不需要计及当两个或两个以上颗粒在施加小球形成过程中涉及的高压力期间接触时施加到燃料颗粒的应力。消除由颗粒彼此挤压引起的高局部应力的可能性会消除对燃料颗粒上的额外外涂层的需要，照惯例施加所述额外外涂层以赋予燃料颗粒充足强度以抵抗此些应力。因此，与常规小球形成技术相比较，各种实施例可利用不包含外涂层的燃料颗粒(例如本文中所描述的非外涂覆TRISO燃料颗粒)。此在制造TRISO燃料颗粒时减少一步骤，借此降低成本且增加过程良率。

图5A图解说明根据本发明的各种实施例的燃料小球500的侧视截面图。图5B图解说明沿着图5A的燃料颗粒层532D截取的燃料小球500的顶部截面图，且展示下伏燃料颗粒层532C到A。再次，各种实施例可用于制造各种形状及大小的燃料元件且不限于球形燃料元件的制造。

参考图5A及5B，燃料小球500包含燃料区510及安置在燃料区510周围的无燃料壳520。燃料区510及无燃料壳520两者均通过沉积石墨层550而形成，其中施加粘合剂以将石墨固持在一起成为一定形状直到最后处理(例如，烧结)为止。举例来说，相同石墨层可形成燃料区510的层及无燃料壳520的层。如此，与常规燃料小球相比较，使用相同过程来形成燃料区510及无燃料壳520，从而使得能够在单个连续过程中形成燃料小球(在压缩及烧结之前)。通过使用3D印刷/增材制造方法来将粘合剂施加到每一层，可控制燃料小球500的形状。在如各图中所图解说明的一些实施例中，燃料小球500可为球形的。再次，根据各种实施例制造的燃料元件不限于任一特定形状或大小。举例来说，根据各种实施例制造的燃料元件可为卵形的、药丸形、棱柱形、圆柱形、圆锥形或类似者。可与用于使冷却剂流动穿过燃料元件的内部通道(通过不在内部通道的位置处沉积石墨)一起使用实施例方法来制造一些燃料元件。在一些实施例中，可根据其对应特性(例如裂变速率及/或热约定特性)选择燃料小球500的形状。

除可裂变及可变质重金属燃料之外，燃料区510还可装载有可燃毒物以控制反应性，如众所周知。可燃毒物可以各种方式包含于燃料小球中，所述燃料小球中的一者呈与燃料颗粒一起包含于燃料区中的颗粒的形式，且所述燃料小球中的另一者呈在燃料颗粒内的混合物的形式。在此些实施例中，可燃毒物颗粒可以与燃料颗粒相同的方式放置于燃料区510的层内。举例来说，燃料区510的一或多个层可包含燃料颗粒(例如，可裂变颗粒)及可燃毒物颗粒两者。燃料及可燃毒物颗粒布置于特定层中的图案可为基本上规则的，或可根据在燃料区510内的位置而变化。在其它实施例中，燃料区510还可包含增殖颗粒，例如钍易裂变颗粒。因此，为了便于说明，放置于燃料区510的层中的所有颗粒在本文中称为“燃料颗粒”，而不管颗粒是包含还是基本上为仅可燃毒物或增殖颗粒。因此，在实施例说明及权利要求书中对燃料颗粒的提及不打算排除可燃毒物包含于颗粒内。换句话说，在说明及权利要求书中对燃料颗粒的提及打算囊括仅含有燃料的颗粒、含有一些燃料及一些可燃毒物的颗粒及仅含有可燃毒物的颗粒。

燃料区510包含安置于石墨层550之间及/或嵌入于石墨层550中的燃料颗粒530。燃料颗粒530可类似于上文所描述的燃料颗粒204。在一些实施例中，一旦完成(即压制及烧结)，燃料小球500便将具有从大约5cm到大约7cm(举例来说，大约6cm)的直径。无燃料壳可具有大约0.3cm到大约1.5cm(举例来说，大约1cm)的厚度。然而，各种实施例不限于任何特定燃料小球尺寸。过程允许制造任一直径的燃料区510及最终燃料小球500。

燃料颗粒530布置于燃料颗粒层532中，燃料颗粒层532通过石墨层550分开，及/或埋置于石墨层550中。出于图解说明目的，图5A及5B中展示仅四个燃料颗粒层532(层532A到532D)。然而，燃料小球500可包括足以遍及燃料区510分布燃料颗粒530的任何数目个燃料颗粒层532。举例来说，燃料小球500燃料区510可包含10到32个燃料颗粒层532、12到30个燃料颗粒层532、14到28个燃料颗粒层532，即，大约16个燃料颗粒层532。还可能根据给定燃料功率密度使颗粒图案变化，且因此各种颗粒图案在本发明的范围内。

虽然将燃料小球500描述为制作于不同石墨层550中，一旦用所有制造步骤完成燃料小球，这些个别石墨层550便可能并未在燃料小球500中彼此区分开。具体来说，压缩及烧结的过程将导致所述层融合。换句话说，石墨层550可经配置及处理，使得其尤其在压缩且烧结燃料小球500之后有效地形成燃料颗粒层532安置于其中的单个石墨主体。

为了阐释方便，将所制造的燃料小球500划分成基底部分560、包含燃料区的中央部分570，及盖部分580，尽管可在单个连续过程中执行形成三个部分的过程。基底部分560及盖部分580囊括不包含燃料颗粒的所施加层，而中央部分570囊括由如下两者构成的若干层：石墨环，其将形成无燃料壳；及包含燃料颗粒的中央圆形层，其形成燃料区。基底部分560可包含安置在第一燃料颗粒层532A下面的燃料小球500的一部分。换句话说，基底部分560可包含安置在最下部燃料颗粒层532A下面的无燃料壳520及燃料区510的若干部分。基底部分560还可包含第一燃料颗粒层532A至少部分地埋置于其中的燃料区510的一部分。盖部分580包含在最上部燃料颗粒层532(未展示)上面的燃料颗粒500的对应部分。中央部分570包含燃料小球500的剩余部分。基底部分560及盖部分580可具有与中央部分570中的无燃料壳厚度相等的线尺寸。

例如通过使用放置夹盘将每一燃料颗粒层532中的燃料颗粒530安置成一图案，所述放置夹盘将个别燃料颗粒定位于石墨层中使得邻近燃料颗粒530彼此规律地间隔开第一距离。另外，层532还可彼此规律地间隔开层厚度，其中每一层中的颗粒彼此偏移以提供第二分离距离。第一距离及第二距离可为相同或不同的。第一距离及第二距离可取决于燃料小球500的总重金属装载。可以规则图案(例如六边形或正方形)将燃料颗粒530放置于若干层中以形成三维堆积图案，其中分离距离及堆积图案经选择以实现设计目标。在一些实施例中，燃料颗粒530可经安置，使得相同层532中的邻近燃料颗粒530之间及不同邻近层532中的邻近燃料颗粒530之间的最小距离为相同的。

换种说法，燃料颗粒层532可间隔开且经图案化，使得燃料颗粒530在三个维度上与邻近燃料颗粒530分开最小距离，所述最小距离取决于燃料小球500的总重金属装载。举例来说，当从图5B中的视角观看时，层532C的燃料颗粒530可安置于层532D的燃料颗粒530之间。换句话说，邻近层(例如层532D及532C)的燃料颗粒可经安置以便不在垂直方向上直接彼此重叠。燃料元件内的燃料颗粒的分布及间隔不限于各图中所图解说明的实例。在各种实施例中，燃料颗粒可根据各种不同层图案、尤其是使燃料颗粒530能够与邻近燃料颗粒530规律地间隔开的图案来定位。举例来说，可使用实施例方法以实现最高平均密度的两个规则晶格(面心立方(fcc)(还称作立方密堆积)或六方密堆积(hcp))中的一者将燃料颗粒定位于燃料元件中。两个晶格均基于布置于三角形拼贴的顶点处的球(即，在此情形中为燃料颗粒)的薄片，不同之处在于所述薄片如何彼此上下地堆叠。数学家也知晓fcc晶格为由A₃根系产生的晶格。

然而，在一些实施例中，燃料颗粒530可以其它图案安置于燃料小球500内。特定来说，燃料颗粒可以不同密度沉积在燃料小球的燃料区510的不同区域中。举例来说，各种实施例的制造方法可用于将燃料颗粒放置于燃料小球内的特定位置中，使得随着距燃料区510的中心的距离增加，燃料颗粒530的密度也可增加。以此方式制造燃料小球可(例如)通过帮助控制燃料小球的中心处的峰值温度同时达成燃料小球中的更高燃料颗粒装载而提供功率密度益处。例如燃料颗粒密度随径向位置的改变可为一致的(例如，可随距燃料区510的中心的距离线性或指数地改变)。举例来说，燃料区510的燃料颗粒密度可从其中心到外表面而增加。在其它实施例中，燃料区510的颗粒密度可作为距燃料小球的中心的距离的函数而步进。举例来说，各种实施例的制造方法可用于形成在燃料区510内具有相对低燃料颗粒密度的中央区域及具有相对高燃料颗粒密度的环绕所述中央区域的外围区域。在其它实施例中，各种实施例的制造方法可用于形成具有带有不同燃料颗粒密度的多个同心外围区域的燃料区510。

可通过从燃料区510的特定区域(例如，燃料区510的中央区域)省略燃料颗粒530的数目但以其它方式维持燃料颗粒层中的燃料颗粒530的间隔而完成燃料小球内的燃料颗粒密度的变化。在替代方案中，可通过使燃料区510的不同区域中的邻近燃料颗粒530之间的间隔变化而调整燃料颗粒密度。举例来说，燃料区510的中央区域中的燃料颗粒530之间的距离可大于一或多个外围区域的燃料颗粒530之间的距离。各种实施例的制造方法将燃料颗粒放置于燃料小球内的特定位置中的能力使得能够使用各种燃料颗粒装载配置。

图5C图解说明根据各种实施例制造的包含复合颗粒层533的燃料小球的透视截面图。参考图5C，复合颗粒层533可包含安置成一图案的第一颗粒535及第二颗粒537。举例来说，第一颗粒535及第二颗粒537可选自可裂变颗粒、可燃毒物颗粒及增殖颗粒。

可根据颗粒类型来选择燃料小球501内的第一颗粒535及第二颗粒537的相对密度。举例来说，复合颗粒层可包含相对大数目个可裂变颗粒及相对小数目个可燃毒物颗粒。在替代方案中，复合颗粒层可包含相对大数目个增殖颗粒及相对小数目个可裂变颗粒。主要颗粒535可为可裂变颗粒且第二颗粒537可为

根据各种实施例制造的燃料小球可包含复合颗粒层，所述复合颗粒层包含不同类型的颗粒，包含可裂变颗粒、增殖颗粒及毒物颗粒。举例来说，燃料小球的每一燃料颗粒层可包含安置成一图案的可裂变及毒物颗粒。燃料颗粒(例如，可裂变颗粒)及毒物颗粒的分布也可在燃料区510中变化。举例来说，燃料区510的中央区域可包含密度高于燃料区510的一或多个外围区域的可燃毒物颗粒(例如，可燃毒物颗粒与燃料颗粒的较高比率)。换句话说，外围区域中的一或多者可具有密度高于中央区域的可裂变颗粒。在外围区域中具有较高密度的燃料颗粒及/或在中央区域中具有较高比率的毒物颗粒与燃料颗粒可提供经改进热转移特性从而达成每一小球中的较高燃料装载，及/或可改进燃料小球的燃料利用率。

在一些实施例中，第一颗粒535可为可裂变颗粒且第二颗粒537可为可燃毒物颗粒或增殖颗粒。

作为实例，图5C图解说明各种实施例的制造方法可如何用于形成具有中央体积V的燃料小球，所述中央体积V具有极少或不具有燃料/毒物颗粒。此配置可产生在反应堆操作期间展现较平坦温度分布曲线的燃料小球。各种实施例的制造方法还可用于控制中央空隙V内的石墨密度，例如以在中心处提供较低强度的区域以使向内扩展能够缓解由裂变气体引起的燃料小球内的压力。

图5D图解说明根据各种实施例制造的燃料小球的透视截面图，所述燃料小球包含将燃料颗粒530a与毒物或增殖颗粒530b混合的经图案化复合颗粒层533。

图6A是图解说明根据各种实施例的形成燃料小球的方法5的过程流程图。图6B用图表图解说明方法5的操作。图7A、7B、7C、8A、8B、9A、9B、9C、10A、10B及11包含图6B中所图解说明的操作的放大图。

参考图6A、6B及7A到7C，在操作10中，方法5包含形成燃料小球500的石墨基底部分560，如图5A中所展示。特定来说，操作10包含在衬底602上沉积石墨粉末以形成石墨层600(步骤1)。可使用任何适合方法(例如，通过狭缝涂覆设备610或类似者)沉积石墨粉末。然后按压石墨层600(步骤2)。可使用滚轴612按压石墨层600。然而，可使用任何适合按压装置，例如立式压机或类似者。所述按压确保石墨层600均匀地堆积。

可例如通过使用3D印刷/增材制造方法将粘合剂700施加到石墨层600(步骤3)。粘合剂700可为可使用(例如)喷墨打印机710或类似者印刷于石墨层600上的液体粘合剂。特定来说，粘合剂700可为醇基粘合剂或水基粘合剂。粘合剂700以特定图案施加于石墨层600上。举例来说，粘合剂700可以与燃料小球500的横截面部分对应的圆形图案来施加。

可重复操作10(即，步骤1到3)若干次以增加石墨层600的厚度，其中每一层具有较大直径(在球形燃料元件的情形中)，使得石墨层600以具有大致等于小球无燃料壳的厚度的线尺寸的球的一部分的形式形成基底部分560。举例来说，每当重复操作10时，石墨层600的厚度可增加大约0.05mm到大约0.2mm，举例来说，大约0.1mm。然而，石墨层600的厚度可取决于石墨层600的石墨颗粒的最小直径。

可重复此层形成操作10大约50次到大约100次以形成基底部分560，基底部分560在球形燃料元件中为球的一部分。举例来说，可重复操作10，使得基底部分560具有从大约0.3cm到大约1.5cm(即，大约1cm)的厚度，使得基底部分560的厚度对应于无燃料壳520的厚度。如上文所描述，基底部分560还可包含安置于第一燃料颗粒层532A下面的燃料区510的一部分。如此，基底部分560的厚度可增加例如大约1mm到大约2mm(即，大约1.5mm)的额外量(或基底部分可包含第一石墨层以形成中央部分570)，使得基底部分560包含燃料颗粒530可埋置于其中的燃料区510的一部分，如下文所论述。换句话说，基底部分560针对燃料元件的典型燃料小球类型可具有大约3mm到大约12mm(即，大约11.5mm)的厚度；针对其它形状及大小的燃料元件可具有更多或更少的厚度。

所沉积的石墨粉末600量可根据处理条件及燃料小球设计特性而变化。如此，重复操作10的次数可相应地增加或减少。

在一些实施例中，替代或除了使用石墨粉末来形成每一石墨层，石墨可呈与燃料颗粒(其可与石墨粉末混合)大约相同大小的石墨球的形式。当石墨球在大小上与燃料颗粒接近(例如，为大致相同大小)时，球形石墨在形成燃料元件的燃料区中可为尤其有益的。在第8,173,208号美国专利中揭示适合形式的石墨球的实例，所述美国专利揭示制成无尘石墨球的组合物及方法。此些石墨球可由石墨粉末及树脂形成。使用石墨球的优点在于：与燃料颗粒大约相同大小的球可由于其类似大小及密度而比精细石墨粉末层更好地支撑层中的燃料颗粒。在一些实施例中，在各种层形成步骤中形成的石墨层600可为石墨粉末与石墨球的组合。在一些实施例中，可使用精细石墨粉末形成不包含燃料颗粒的石墨层600(即，形成燃料小球的基底部分560及顶部部分的层)，同时可使用石墨球或石墨球与石墨粉末的混合物形成包含燃料颗粒的石墨层(即，燃料元件的燃料区)。进一步地，可通过在中央燃料区部分中沉积石墨球其中燃料且在周围部分550(图5B)或535(图5D)中沉积石墨粉末而制造包含燃料颗粒的石墨层(燃料区)。

在图6B、8A及8B中所图解说明的操作20中，使用例如定位夹盘的沉积设备800来将燃料颗粒530层沉积于基底部分560上(步骤4)或沉积于形成于基底部分560上的石墨(例如，石墨粉末、石墨球或石墨粉末与石墨球的组合)层上。特定来说，沉积设备801可包含经配置以拾取燃料颗粒530且控制将燃料颗粒530放置于石墨层上的至少一个沉积头部820。

沉积头部820可使用各种技术或技术组合(包含真空及静电力)来拾取且固持燃料颗粒530。

在实施例中，沉积头部820可包含配置成对应于沉积图案的特定图案的多个真空管830。在此实施例中，将真空施加到真空管830以拾取燃料颗粒530且将燃料颗粒530固持到沉积头部820。燃料颗粒可在压在石墨层上时通过如下操作经释放：通过真空管830释放真空或施加压力。此实施例沉积头部820可称为“真空沉积头部”。

在一些实施例中，沉积头部820中的一或多者可使用静电力来拾取且固持燃料颗粒，沉积头部820可称为“静电沉积头部”。可由静电沉积头部820通过以下操作拾取燃料颗粒530：将电压(正或负)施加到头部或颗粒固持部分以将燃料颗粒530吸引到(例如)定位孔中，如所图解说明。沉积头部820可安置于基底部分560上方或按压到基底部分560上，且施加到沉积头部820的电荷可为中性的或极性经颠倒以将燃料颗粒530释放到石墨上。

沉积头部820经按压到基底部分560中以将燃料颗粒530埋置到形成于基底部分上的石墨层中。如上文所论述，此石墨层可为石墨粉末、石墨球或石墨粉末与石墨球的组合的层，所述层施加于基底部分上方。在将燃料颗粒530按压到石墨层中之后，移除真空以释放燃料颗粒530。在按压之后，使用滚轴612(举例来说)将燃料颗粒530按压到基底部分560中及/或压缩石墨层(步骤5)。以此方式，沉积下部燃料颗粒层532A。

沉积设备810可包含任何数目个沉积头部820。举例来说，沉积设备810可针对燃料颗粒层532中的燃料颗粒530的每一不同图案包含一个沉积头部820。在替代方案中，沉积设备800可包含沉积头部820的一或多个阵列840，其中每一阵列的沉积头部820具有相同图案，且不同阵列具有不同图案。另外或替代地，可致动个别真空管以便使所拾取且施加于每一层中以便形成图案的燃料颗粒的图案变化。沉积设备800可包含致动器850以抬高及降低阵列840。

一旦沉积燃料颗粒530层，方法便继续进行到操作30，如图6B、9A及9B中所图解说明。在操作30中，通过在基底部分560上沉积石墨颗粒而形成石墨层550。特定来说，沉积石墨颗粒以形成覆盖燃料颗粒530的石墨层600(步骤6)。特定来说，石墨层600可操作以填充在步骤5中通过按压燃料颗粒530而形成的孔。可按压石墨层600(步骤7)。然后施加粘合剂700(步骤8)。

可重复操作30(步骤6到8)多次以便增加石墨层600的厚度，借此在基底部分560上形成石墨层550。举例来说，可重复操作30大约10次到30次，例如大约16次。因此，石墨层600可具有介于从大约1mm到3mm的范围内的厚度。如此，石墨层550可比基底部分560薄。

在操作40中，过程可确定燃料颗粒层沉积是否完成(即，额外燃料颗粒层532是否保持沉积)。如果额外燃料颗粒层532保持沉积，那么方法返回到操作20且可沉积额外燃料颗粒层532及石墨层550。如果额外燃料颗粒层532不保持沉积，那么方法继续进行到操作50。操作40是选用的，因为可实施过程使得以经定义方式执行所述层从而避免对确定的需要。

在操作50中，如图6B中所展示，形成盖部分580。特定来说，以类似于上文所描述的操作10的方式通过如下操作形成盖部分580：沉积石墨颗粒层(步骤9)；按压石墨层(步骤10)；及然后沉积粘合剂(步骤11)。还可重复操作50(步骤9、10及11)多次，如针对操作10所描述。因此，形成盖部分。

在图6B、10A及10B中所图解说明的操作60中，移除松散石墨粉末(步骤12)，借此暴露燃料元件，例如，燃料小球500。接着在将压力施加到燃料芯块500的等静压机1000中处理燃料元件(步骤13)。等静压制可导致燃料元件的大小的减小。举例来说，燃料小球500的直径可通过等静压制从6.5cm减小到6.0cm。

在图6B及11中所图解说明的操作70中，在高温炉1100中烧结燃料元件(例如，燃料小球500)(步骤14)。可在介于从1900℃到2100℃的范围内的温度(举例来说，2000℃)下烧结燃料元件。在烧结之后，制造过程可完成且燃料元件可准备好质量检验。

在一些实施例中，烧结粘合剂可在烧结之前施加到燃料元件。特定来说，烧结粘合剂可与石墨粉末混合或可包含于粘合剂700中。在其它实施例中，粘合剂700可为烧结粘合剂。

在各种实施例中，可在步骤3、8及11中经由3-D印刷/增材制造沉积粘合剂700。特定来说，可沉积粘合剂700，使得燃料元件可在三个维度上以逐层方式由所沉积石墨粉末形成。再次，使用3D印刷/增材制造来施加粘合剂且以逐层方式积累燃料元件使制造过程能够在相同制造线中以各种大小及形状(例如，如所图解说明的球形、卵形、药丸形、棱柱形、圆柱形及圆锥形)形成燃料元件。可与用于使冷却剂流动穿过燃料元件的内部通道(通过不在内部通道的位置处沉积石墨)一起使用实施例方法来制造一些燃料元件。

对各种实施例制造方法的前述说明将燃料小球称为可使用各种实施例制造的一种形式的燃料元件的实例。各种实施例可用于制造任一形状及配置(包含棱柱形块、棒、芯块等)的石墨燃料元件。因此，对“燃料小球”的提及是为了便于描述制造过程且不打算将权利要求书的范围限制于燃料小球或球形燃料元件的制造，除非权利要求书中具体陈述。

层数目及每一层的配置可取决于各种因素而变化，所述因素包含沉积于每一层中的石墨的密度及/或量、燃料元件内的燃料的敛集率、形成燃料元件的形状等。因此，对各种实施例制造操作及重复的说明不打算将权利要求书的范围限制于特定数目个层或操作循环，除非权利要求书中具体陈述。

在各种实施例中，制造方法可使用机器人及3D印刷/增材制造技术来实施，且可通过自动化过程来实施。与制造石墨基核燃料元件的常规方法相比较，此集成化过程可提供更高生产量、更高产品质量及更好产品一致性。进一步地，可实施所述方法以例如通过以下操作批量生产燃料元件(例如，燃料小球)：针对每一操作或几个操作形成阶段生产线及使多个燃料元件在各阶段间移动以进行并行处理。而且，可在上文所描述的操作中的每一操作或若干选定操作之后添加检验操作以评估每一所施加层的质量，且可调整每一操作的控制参数以便维持每一层的所要质量水平或设计容差且将燃料小球维持为整体。

进一步地，各种实施例的制造方法使得能够将燃料、毒物及增殖颗粒放置于燃料元件的层内的受控位置内，使得颗粒在燃料元件内间隔开，此为优于常规技术的随机放置的燃料颗粒的改进。特定来说，各种实施例的制造方法达成制造具有燃料颗粒堆积结构的燃料元件，所述燃料颗粒堆积结构确保燃料颗粒决不彼此接触。

而且，如上所述，各种实施例消除在施加在制造燃料元件的最后过程中涉及的高压力期间两个或两个以上颗粒彼此接触的风险。因此，消除在按压期间颗粒彼此挤压的可能性。因此，与常规石墨燃料元件形成技术相比较，各种实施例达成不包含外涂层的燃料颗粒(例如上文所描述的非外涂覆TRISO燃料颗粒)的使用。此消除燃料颗粒的过程步骤及成本，从而产生更高效燃料元件制造。

所揭示实施例的前述说明经提供以使所属领域的技术人员能够做出或使用本发明。所属领域的技术人员将易于明了对这些实施例的各种修改，且在本文中所定义的一般原理可在不背离本发明的精神或范围的情况下应用于其它实施例。因此，本发明并不打算限制于本文中所展示的方面及/或实施例，而是被赋予与本文中所揭示的所附权利要求书及原理以及新颖特征相一致的最宽广范围。