用可燃毒物作为烧结助剂制成的全陶瓷微封装燃料
阅读：625发布：2020-05-08
专利汇可以提供用可燃毒物作为烧结助剂制成的全陶瓷微封装燃料专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了一种用于压缩包含 中子 毒物的某些核 燃料 的陶瓷基质的方法，由此这些毒物有助于反应器控制，同时有助于燃料制造。 中子毒物 是稀土 氧 化物，其易于形成抑制燃料制造 温度 的共晶体，对于全陶瓷微封装燃料形式和具有挥发性物质的燃料形式特别重要。，下面是用可燃毒物作为烧结助剂制成的全陶瓷微封装燃料专利的具体信息内容。
1.一种方法，包括：
提供多个燃料颗粒；
将所述燃料颗粒与陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物混合形成前体混合物；和在预设的压力和温度下压缩前体混合物以形成燃料元件。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(TRISO)。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物中子毒物包括具有大的中子俘获截面的稀土氧化物，并且具有将所述陶瓷粉末的烧结温度抑制到所述燃料颗粒的临界损伤温度以下的能力。
4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物中子毒物选自下组：Gd2O3、Er2O3、DY2O3和Eu2O3，及其组合。
5.如上述权利要求中任一项所述的方法，还包括将另外的烧结添加剂混合到陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物的前体混合物中。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述另外的烧结添加剂包括氧化铝，氧化钇或其他稀土氧化物，或其组合。
7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，一种或多种所述稀土氧化物中子毒物是前体混合物中唯一的氧化物烧结添加剂。
8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体混合物基本上由陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物组成。
9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述陶瓷粉末包括碳化硅(SiC)。
10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述前体混合物包含所述稀土氧化物中子毒物，占所述前体混合物总重量的高达10％(重量)。
11.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物中子毒物和任何另外的烧结添加剂的组合的量为所述前体混合物总重量的高达10％(重量)。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述稀土氧化物中子毒物的含量为所述前体混合物总重量的0.5至6％(重量)。
13.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述预设温度低于1900℃。
14.一种核燃料，包括燃料元件，所述燃料元件包括混合在碳化硅基质中的多个燃料颗粒，其中所述碳化硅基质将嵌入在所述碳化硅基质中的多个所述燃料颗粒中的至少一个与嵌入在所述碳化硅基质中的其他燃料颗粒分离，其中碳化硅基质是近化学计量比的并且具有孔隙率不大于4％的口袋，其中所述口袋包括稀土氧化物中子毒物。
15.如权利要求14所述的核燃料，其特征在于，所述口袋仅包括稀土氧化物中子毒物和杂质元素。
16.如权利要求14或15所述的核燃料，其特征在于，所述口袋仅包括稀土氧化物中子毒物、另外的烧结添加剂和杂质元素。
17.如权利要求14-16中任一项所述的核燃料，其特征在于，所述稀土氧化物中子毒物选自下组：Gd2O3，Er2O3，DY2O3和Eu2O3，及其组合。
18.如权利要求14-17中任一项所述的核燃料，其特征在于，所述燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒。
19.如权利要求14-18中任一项所述的核燃料，其特征在于，所述多个燃料颗粒包括从轻水反应堆的乏燃料中提取的超铀元素。
20.如权利要求14-19中任一项所述的核燃料，其特征在于，所述多个燃料颗粒包括从核武器提取的超铀元素。
用可燃毒物作为烧结助剂制成的全陶瓷微封装燃料
发明领域
[0001] 本公开涉及形成改进的核燃料的改进方法。更具体地，本公开涉及一种制造改进了功能的被称为全陶瓷微封装(microencapsulated)燃料的已知的事故耐受燃料的方法。
[0002] 相关申请的参考
[0003] 本申请要求于2016年3月29日提交的美国临时申请号为62/314,746的权益，其全部内容通过引用并入此文。
背景技术
[0005] 有许多已知类型的核燃料用于研究和产生动力的反应堆。最常见的例子是陶瓷氧化铀颗粒，它包含在薄金属包层内。该包层都提供了刚性结构以容纳燃料并且用作裂变产物释放到冷却剂流的屏障。第二个例子是惰性基质燃料(IMF)，其中诸如(或含有)U-235的裂变材料分散在惰性主体基质中。该惰性基质可以是SiC。在这种情况下，主基质可能含有产生的裂变产物。第三个例子是微封装燃料(例如TRISO燃料)，其中小直径微封装燃料的SiC层为裂变产物释放提供第一屏障，并且大量这些燃料珠通常在多孔石墨基质中压实。第四个例子是全陶瓷微封装(FCM)燃料，其由在完全致密的碳化硅基质内压实的多个TRISO颗粒实现。该燃料已被开发并且先前被描述为更稳健的燃料，其中微封装的“TRISO”燃料的SiC层和包含它们的致密陶瓷SiC基质提供除了可能存在的任何外部包层之外裂变产物释放的两个屏障。
[0006] 与氧化铀颗粒的常见实例相比，FCM燃料具有由裂变燃料占据的相对小的体积分数。具体而言，常规二氧化铀颗粒的裂变铀在整个陶瓷中的某些富集水平均匀分布(例如，在5％富集时，UO2的5％的铀原子晶格位置被裂变U-235占据。)相比之下，FCM中可用于裂变燃料的体积仅限于TRISO的核心。由于构成燃料压块的TRISO微封装的体积分数通常小于45％并且TRISO本身由被石墨和SiC的非燃料层包围的燃料芯核组成，因此FCM中可用于燃料的实际空间通常不到总体积的20％。在标称(nominal)的20％中，裂变燃料的相对量取决于TRISO燃料“核”的富集，其方式与标准UO2燃料类似。由于这个原因，可能需要通过更高的裂变富集或替代裂变燃料形式实现更高的裂变燃料密度，以使FCM燃料达到名义上相同数量的每体积燃料的裂变含量。
[0007] U-235在含铀燃料中的相对富集提高具有许多实际后果：由于U-238减少，且随着燃料燃耗，高初始核反应性迅速下降，U-238的相对量减少，寄生中子吸收减少和钚增殖减少。这种大的反应性摆动通常是不合需要的，并且在大多数系统中，采取缓解步骤将反应性曲线平坦化为燃料燃耗的函数。这通常通过使用中子毒物来解决。中子毒物，也称为中子吸收剂或核毒物，是具有特别大的中子俘获截面的物质。尽管在核反应堆中这些材料可能被认为是不合需要的，但它们通常用于在核燃料循环期间控制核心反应性相对于时间的函数(function)，特别是在燃料循环的早期新燃料具有高反应性时。在操作上，这些毒物可以采取多种形式：可燃毒物，不可燃毒物和可溶性毒物：
[0008] 可燃毒物：为了控制新燃料的过高反应性，需要具有高截面材料，该材料捕获中子并转化为较低的截面材料，从而慢慢变成不太有效的毒物。理想情况下，当反应堆堆芯产生动力时，这种有效性损失(或降低负反应性)将与反应堆燃料的正反应性降低相匹配。理想情况下，可燃性毒物同位素在核心寿命结束时消耗至接近不存在。为此目的，在当今的动力反应堆中，固定的可燃毒物如硼或钆被用于燃料本身。
[0009] 不可燃毒物：与可燃毒物相比，不可燃毒物(实际上)具有与时间的负反应性的可忽略的变化。它不会慢慢消失。像铪这样具有多个同位素的材料，每个同位素都具有大的中子俘获截面，这是不可燃的毒物的一个例子。它们可以用在插入核心或从核心移除的控制棒或叶片上以控制核心的反应性。
[0010] 可溶性毒物：通过将毒物溶解在液体冷却剂或燃料(例如水中的水溶液)中，它可以几乎均匀地分布在核心中并提供某些中子效益。这是通过在压水堆(PWR)的水冷却剂中加入硼酸来实现的。通过增加或减少PWR内的硼酸含量，可以控制核心反应性，尽管控制反馈是一个相当缓慢的过程。虽然该系统并不普遍并且对慢化剂温度反应性系数具有不良影响，但它在美国的PWR中是常用的。这些反应堆的水冷却剂中的硼浓度通常在循环开始时从接近2000ppm的值开始，并且在循环结束时降低至零。
发明内容
[0011] 人们认识到，当在动力反应堆的核心内使用包含完全微封装在完全致密陶瓷中包含TRISO的燃料时，可能需要管理由与典型的UO2燃料相比相对高的初始裂变同位素库存引起的高初始反应性。已经发现，如下所述的方法可以实现包括TRISO的燃料的生产，所述TRISO完全微封装在燃料体内的完全致密的陶瓷和可燃毒物中。在这样做时，包括完全微封装在完全致密陶瓷内的TRISO的燃料固有的大的正反应性被减轻为燃料本身的设计元素，因此不需要外部反应堆控制系统。
[0012] 一种实现燃料生产的方法，所述方法包括完全微封装在包括中子毒物的完全致密陶瓷内的燃料颗粒，包括：提供多个燃料颗粒；将燃料颗粒与陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物混合形成前体混合物；在预定的压力和温度下压缩前体混合物以形成燃料元件。
[0013] 在根据上述方法的实施方式中，燃料颗粒是三元结构-各向同性燃料颗粒(TRISO)。
[0014] 稀土氧化物中子毒物可包括具有所需中子和加工(共晶)性质的稀土氧化物。具体地，共晶特性可包括将陶瓷粉末的烧结温度抑制到低于TRISO的临界损坏温度的能力。中子特性可包括大的中子俘获横截面以吸收中子，从而使燃料燃耗的函数反应性曲线平坦化。在一些形成燃料的先前的方法中，所述燃料包括在完全致密的陶瓷内完全微封装的TRISO，使用诸如氧化铝和/或氧化钇的烧结助剂。用稀土氧化物中子毒物代替部分或全部的氧化铝和/或氧化钇烧结助剂，可以极少或不增加制造过程的成本，同时显著减少或消除反应堆系统中用于监测和控制冷却剂内的毒物水平的需要和相关成本。
[0015] 在某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物选自下组：Gd2O3，Er2O3，DY2O3和Eu2O3，及其组合。
[0016] 在某些实施方式中，该方法还包括将另外的烧结添加剂混合到陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物的前体混合物中。例如，另外的烧结添加剂可包括氧化铝，氧化钇或其他稀土氧化物，或其组合。在其他实施方式中，前体混合物中唯一的氧化物烧结添加剂是一种或多种稀土氧化物中子毒物。在更具体的实施方式中，前体混合物本质上由陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物组成。
[0017] 在根据上述方法中的任一个的实施方式中，陶瓷粉末包含碳化硅(SiC)。
[0018] 在根据上述方法中的任一个的实施方式中，前体混合物包含稀土氧化物中子毒物，占前体混合物总重量的高达10％(重量)。在某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物的量为0.5至10％(重量)，或者，在一些具体的实施方式中，为1至10％(重量)，或者，甚至在更具体的实施方式中，为2至10％(重量)，或在，甚至更具体的实施方式中，占前体混合物总重量的6至10％(重量)。在根据任何上述方法的更具体的实施方式中，稀土氧化物中子毒物和任何另外的烧结添加剂的组合的量占前体混合物总重量的高达10％(重量)，或者，在更具体的实施方式中，为前体混合物总重量的6至10％(重量)。在存在另外的烧结添加剂的某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物的含量为0.5至6％(重量)，或者在一些实施方式中，为1至5％(重量)，或者甚至在更具体的实施方式中，占前体混合物总重量的1至3％(重量)，或者甚至在某些实施方式中，占前体混合物总重量的1至2％(重量)。
[0019] 在根据任何上述方法的实施方式中，预设温度低于1900℃，或者，在某些实施方式中，低于1850℃，或者，在更具体的实施方式中，约1800℃。
[0020] 在根据任何上述方法的实施方式中，预设压力小于30MPa，或者，在某些实施方式中，小于20MPa，或者在更具体的实施方式中，为约10MPa。
[0021] 在类似的实施方式中，包含稀土毒物的粉末混合物可以经历与大规模生产一致的替代快速烧结过程，例如直流电或放电等离子体烧结。
[0022] 在如上所述的类似实施方式中，包含稀土毒物的粉末混合物可在陶瓷或石墨管内烧结或呈现出接近全密度，从而在整个成形过程中保持固定的外部尺寸。
[0023] 在根据上述方法的任一实施方式中，燃料元件包含接近化学计量的SiC。在某些实施方式中，围绕燃料元件中TRISO的基质具有低孔隙率，例如，小于4％，小于3％或小于1％。在这样的实施方式中，基质形成不透气的屏障，其充当裂变产物/锕系元素扩散和从燃料颗粒释放的其他放射性的二级屏障。在某些实施方式中，基质对氦的渗透性低，例如小于10-
10m2/s，或小于10-11m2/s。
10m2/s，或小于10-11m2/s。
[0024] 在根据上述方法的任一实施方式中，陶瓷粉末包含平均尺寸小于1μm的SiC，或者，在某些实施方式中，15nm至60nm，或者，在更具体的实施方式中，20nm至50nm，或者，在更具体的实施方式中，约35nm。
[0025] 在根据上述方法的任一实施方式中，陶瓷粉末包含比表面积大于20m2/g的SiC。
[0026] 在根据上述方法的任一实施方式中，当混合燃料颗粒、陶瓷粉末和稀土氧化物中子毒物时，陶瓷粉末可以处于各种物理状态(例如，粉末，液体，浆液等)，这取决于使用的混合方法。
[0027] 根据上述方法获得的一种核燃料包括：燃料元件，其包括混合在碳化硅基质中的多个燃料颗粒，其中碳化硅基质将嵌入碳化硅基质中的多个燃料颗粒中的至少一个与嵌入碳化硅基质中的其他燃料颗粒分离。其中碳化硅基质是近化学计量比的且具有孔隙率不大于4％的口袋，并且其中所述口袋包括稀土氧化物中子毒物。
[0028] 在上述燃料的一个实施方式中，所述口袋仅包括稀土氧化物中子毒物和杂质元素。在上述燃料的另一个实施方式中，所述口袋仅包括稀土氧化物中子毒物、另外的烧结添加剂和杂质元素，其中所述另外的烧结添加剂可包括与上述用于另外的烧结添加剂相同的材料。
[0029] 在上述燃料的任一个实施方式中，稀土氧化物中子毒物选自下组：Gd2O3，Er2O3，DY2O3和Eu2O3，及其组合。
[0030] 在上述燃料的任一个实施方式中，燃料颗粒是三元结构-各向同性的燃料颗粒。
[0031] 在上述燃料的任一个实施方式中，碳化硅基质具有孔隙率不大于3％的口袋，或者在某些实施方式中，不大于1％。
[0032] 在上述燃料的任一个实施方式中，碳化硅基质对氦的渗透性低，例如小于10-10m2/-11 2s，或小于10 m/s。
[0034] 在上述燃料的任一个实施方式中，其中所述多个燃料颗粒包含从核武器中提取的超铀元素。
[0036] 现在将以参考附图示例的方式描述本发明的实施例，附图中：
[0037] 图1表示在烧结形成燃料元件之前根据本发明实施方式的前体混合物的示意图。
[0038] 图2表示某些稀土氧化物的共晶温度和中子毒物截面的一对曲线图。
[0039] 图3表示具有和不具有稀土氧化物中子毒物的示例性燃料元件的基质的中子吸收截面的曲线图。
[0040] 图4表示包括百分比水平的中子毒物对核心反应性的中子影响的曲线图。
[0041] 图5为一系列扫描电镜(SEM)图，其左上角是用稀土氧化物毒物(Gd2O3)处理的陶瓷基质的抛光截面。上方中间为Gd的特征x-射线图；右上角是Al的特征x-射线图；左下角是Si的特征x-射线图，下方中间是Y的特征x-射线图；右下角是O的特征x-射线图。
[0042] 图6表示在多燃料模具内加工的根据本发明实施方式的前体混合物的示意图。
[0043] 具体实施方式的详细描述
[0044] 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。
[0045] 图1是根据上述方法说明核燃料的形成和处理的示意图。在图1中，未处理的燃料元件1包括与陶瓷燃料套筒2内的陶瓷基质3混合的多个微封装的燃料颗粒10。所述多个微封装燃料颗粒10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”是指任何类型的包含燃料芯核和围绕燃料芯核的一层或多层各向同性材料的微燃料颗粒。仅作为示例，燃料颗粒10可具有约1毫米的直径。
[0046] 在图1所示的实施方式中，燃料颗粒10在其中心包括燃料芯核11。燃料芯核可以包括氧化物、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)。在特定实施方式中，燃料芯核11包括任何合适的浓缩水平的低浓缩铀(LEU)。
[0047] 当燃料元件用于减少和/或处置废物的目的时，燃料芯核11可以可选地或另外包括从乏燃料中提取或以其他方式再加工的超铀元素(TRU)和/或裂变产物。
[0048] 例如，燃料元件可以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，燃料元件可包括由从轻水反应堆的乏燃料和/或核武器的核心中提取的超铀元素形成的燃料芯核11。根据一个具体实施方式，根据所述方法形成的燃料元件可用作轻水反应堆的燃料，在销毁超铀废物的同时产生动力。
[0050] 多孔碳缓冲层15围绕燃料芯核11并用作储集层，以适应性的承受从燃料芯核11扩散出来的裂变气体的累积以及燃料芯核11在燃料循环期间可能经历的任何机械变形。
[0051] 内PyC层14可由相对密实的PyC形成并且密封碳缓冲层15。
[0052] 陶瓷层13可由SiC材料形成并且用作燃料芯核11的主要裂变产物屏障和压力容器，在其中保留气体和金属裂变产物。陶瓷层13还提供了燃料颗粒10的整体结构完整性。
[0053] 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性质相似的任何其他合适的材料替换或补充。
[0054] 外部PyC层12保护陶瓷层13免受运行期间的化学侵蚀，并作为裂变产物的附加扩散边界。外部PyC层12也可以作为基板用于结合周围的陶瓷基体3。
[0055] 燃料颗粒10的结构和/或组成不限于上述实施方式。相反，应该理解的是，根据所需的燃料颗粒性质，与本公开一致的燃料颗粒可包括一个或多个附加层、或者省略一个或多个层。例如，在某些实施方式中，在与陶瓷基体材料混合之前，燃料颗粒用另外的陶瓷层(即，SiC层)涂覆。
[0056] 在特定实施方式中，陶瓷基质3包括单独或与另外的烧结添加剂组合的稀土氧化物中子毒物混合的SiC粉末，并且形式可以是粉末基浆料，用于流延成型的陶瓷浆料或任何本领域已知的其他混合物类型。在混合之前，燃料颗粒10可涂覆有合适的表面保护材料。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粉末的尺寸可以在约15nm至约51nm的范围内，平均粒径为约35nm。
[0057] 在混合期间或混合之前，将稀土氧化物中子毒物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。在某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物的量高达10％(重量)，或者，在一些实施方式中，为1至10％(重量)，或者在更具体的实施方式中，为6至10％(重量)，基于前体混合物的总重量。
[0058] 稀土氧化物中子毒物的选择基于捕获热中子元素的有效性的组合，以及它与制造过程的兼容性和辅助能力。图2显示了一系列潜在的稀土氧化物以及重要参数，如与氧化铝的共晶反应温度，以及以靶恩(barn)为单位的热中子吸收截面。在图2的上图中，阴影框表示由与氧化铝的共晶温度表示的加工温度的上限。该上限约为1800℃。抑制加工温度也可证明有利于加工包含挥发性物质的惰性基质燃料，因此可潜在的减少加工过程中的物质种类损失。在图2的下图中，阴影框表示中子毒物截面的下限。该下限约为500靶恩。如图2中粗体所示化合物，合适的稀土类包括Eu2O3，Gd2O3，DY2O3和Er2O3。
[0059] 同样在混合期间或混合之前，除了稀土氧化物中子毒物之外，还可以添加额外的烧结添加剂。可接受的另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。另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。在某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物和烧结添加剂的总量占前体混合物总重量的高达
10％(重量)，或者在更具体的实施方式中，为6至10％(重量)。在具有另外的烧结添加剂的某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物的含量为0.5至6％(重量)，或者在一些具体的实施方式中，为1至5％(重量)，或者，甚至在更具体的实施方式中，为1至3％(重量)，或者，甚至在更具体的实施方式中，占前体混合物总重量的1至2％(重量)。
10％(重量)，或者在更具体的实施方式中，为6至10％(重量)。在具有另外的烧结添加剂的某些实施方式中，稀土氧化物中子毒物的含量为0.5至6％(重量)，或者在一些具体的实施方式中，为1至5％(重量)，或者，甚至在更具体的实施方式中，为1至3％(重量)，或者，甚至在更具体的实施方式中，占前体混合物总重量的1至2％(重量)。
[0060] 陶瓷燃料套管2可以由，例如，与陶瓷基质类似的系谱的SiC或由核级石墨制成。或者，陶瓷燃料套管可包括SiC纤维或纳米粉末SiC的中密度生坯体。在陶瓷燃料套管是纳米粉末SiC的中密度生坯体的情况下，纳米粉末成分将含有相似量的稀土氧化物中子毒物和额外的烧结元素作为陶瓷基质。在陶瓷燃料套管的纳米粉末SiC的某些实施方式中，SiC粉末稍微大于陶瓷基质的SiC粉末，以阻止烧结过程中的流动，从而抑制TRISO通过该外壁的移动。
[0061] 陶瓷燃料套管的壁厚由燃料结构和反应堆中子因素决定。在某些实施方式中，壁厚为0.5mm或更大。在需要更刚性结构的情况下，壁厚可以增加到多达2mm。陶瓷燃料套管的使用有助于消除对最终加工的需要。
[0062] 在另一种方法中，可以将具有或不具有陶瓷燃料套管的燃料颗粒10和陶瓷基质3的混合物置于模具4中，然后可以将电流施加到模具上，以便通过直流烧结将混合物烧结成燃料元件。模具可包括一个以上的平行开口，并且该方法可包括将燃料颗粒10和陶瓷基质3的混合物放置在每个开口中。模具可包含石墨。燃料颗粒10和陶瓷基质3的混合物可以是整个均匀的或为分层结构，其中混合物的顶层和底层不含燃料颗粒。这种分层结构的一个例子在图1中以附图标记3A表示，该附图标记是指生坯或包含燃料颗粒以及陶瓷基质粉末成分的未加工燃料元件1的中心区域，附图标记3B所示的顶部和底部区域，不含燃料颗粒。在某些实施方式中，3B层的标称最终厚度等于或近似于陶瓷燃料套管的壁厚。例如，3B层的标称厚度为0.5至2mm。
[0063] 在某些实施方式中，3B层，如果存在的话，将起到具有可变且可能降低毒物和非毒性烧结助剂氧化物添加剂的水平的层的作用，用于反应堆冷却剂兼容性问题。该层中的烧结助剂的水平可以低至零。在某些实施方式中，3B层，如果存在的话，用于通过增加迁移裂变产物到达燃料的自由表面的路径长度来为燃料提供额外的安全性。
[0064] 图3是具有和不具有Gd2O3的陶瓷基质的中子吸收截面或中子毒物截面的实例，其是上述鉴定的稀土氧化物中子毒物的实例。结果表明，向陶瓷基质中加入1％(重量)氧化钆时，该介质的中子吸收概率在光谱的热区域(中子能量～0.025ev)增加超过100倍。
[0065] 图4显示了在陶瓷燃料中掺入稀土氧化物中子毒物对代表性反应堆堆芯的中子性能的影响。在这些实施例中，显示了高温气冷反应堆(HTGR)核心。其他FCM燃料平台(如轻水和重水冷却反应堆)也会出现类似的性能。比较大的初始反应性(图4的上部曲线：图例；FCM，U235＝5.0w/0，无BP)与标准UO2-燃料的HTGR核心(曲线恰好在图1的统一线上方：图例；固体UO2，U235＝0.712w/o)的对照清晰可见。通过包含不同量的可燃毒物，在实施例中选择Gd2O3和Er2O3在1.57至2.07总重量百分比范围内的组合，反应性曲线明显变平，接近非毒性UO2的中子行为。
[0066] 图5显示了用Gd2O3制造的陶瓷基质的抛光部分的背散射电子显微镜图像。在该实施例中，1wt％的这种毒物取代了SiC粉末中总氧化物添加量为6％的Al2O3和Y2O3。如图5所示，基质由FCM固结过程中典型的具有低孔隙率的大晶粒组成。该图的图像在质量上与用Al2O3和Y2O3处理的FCM燃料的图像无法区分。与由Al2O3和Y2O3形成的典型FCM基质一样，Gd2O3存在于三联点(显微照片中的亮袋)而不是沿着SiC晶界的连续层，确保了辐照稳定性。还在同一图中示出了绘制的与Gd和FCM基质的其他成分的相关的特征x-射线信号图像。
[0067] 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。
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