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課題

安全な動作温度を維持しつつ、より高い濃縮度核分裂性物質を使用することができる核燃料エレメントアッセンブリを提供する。

解決手段

アッセンブリは、ビレット焼結され、又は、鋳造され、らせん状で多葉性の形状に共押出される燃料エレメント20を含む。燃料カーネル100は、金属燃料物質金属非燃料物質金属合金、又は、金属非燃料マトリクスセラミック燃料であってもよい。燃料アッセンブリは、複数の従来のUO2燃料棒を含んでいてもよい。このUO2燃料棒は、燃料アッセンブリが従来の原子炉で必要とされた空間に準じるのに役に立つ。

概要

背景

本発明は、一般的に、原子炉炉心で使用される燃料アッセンブリに関連し、より具体
的には金属核燃料エレメントに関連する。

発明が解決しようとする課題
米国特許出願公開第2009/0252278号は、シード及びブランケットのサブア
センブリを含む燃料アッセンブリを開示しており,その全内容は参照により本明細書に
組み込まれる。ブランケットサブアッセンブリは、トリウムベースの燃料エレメントを
含む。シードアッセンブリは、中性子解放するために用いられるウラン及び/又はプル
トニウムの金属燃料エレメントを含む。中性子は、トリウムブランケットエレメントによ
って捕捉される。それにより、核分裂性のU−233(ウラン−233)を生成する。核
分裂性の U−233は、そのままで燃焼し、原子力発電所のために熱を解放する。

従来の原子力発電所は、典型的には、円筒状管酸化ウラン燃料を有する複数の燃料棒
含む燃料アッセンブリを使用する。

概要

安全な動作温度を維持しつつ、より高い濃縮度核分裂性物質を使用することができる核燃料エレメント、アッセンブリを提供する。アッセンブリは、ビレット焼結され、又は、鋳造され、らせん状で多葉性の形状に共押出される燃料エレメント20を含む。燃料カーネル100は、金属燃料物質金属非燃料物質金属合金、又は、金属非燃料マトリクスセラミック燃料であってもよい。燃料アッセンブリは、複数の従来のUO2燃料棒を含んでいてもよい。このUO2燃料棒は、燃料アッセンブリが従来の原子炉で必要とされた空間に準じるのに役に立つ。

目的

多葉性の燃料エレメントのらせん状リブは、燃料エレメントに構造
的なサポートを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

原子炉炉心で使用される燃料アッセンブリであって、炉心隔壁と、前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され、前記炉心隔壁に搭載された下部ノズルとを含むフレームと、前記フレームで支持される複数の燃料エレメントと、を備え、前記複数の燃料エレメントは、金属非燃料物質マトリクスに配置された核分裂性物質を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、冷却材減速材利用可能な前記炉心隔壁の全面積と、前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの前記燃料カーネルの全断面積との比率が2.4以下であり、前記カーネルは、δ相UZr2を有する、燃料アッセンブリ。

請求項2

前記冷却材/減速材で利用可能な前記炉心隔壁の全面積は、前記炉心隔壁の全断面積から、前記複数の燃料エレメントによって占められる断面積を引くことにより近似される、請求項1に記載の燃料アッセンブリ。

請求項3

前記複数の燃料エレメントは、複数の金属燃料エレメントを有し、前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物質のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、請求項1又は2に記載の燃料アッセンブリ。

請求項4

前記燃料物質は、前記金属非燃料物質の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する請求項1に記載の燃料アッセンブリ。

請求項5

前記複数の燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、請求項1から4のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項6

前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、請求項5に記載の燃料アッセンブリ。

請求項7

前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、請求項1から6のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項8

地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、請求項1から7のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項9

前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、請求項8に記載の燃料アッセンブリ。

請求項10

前記原子炉は重水炉を有する、請求項8又は9に記載の燃料アッセンブリ。

請求項11

前記地上の原子炉は、2010年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、請求項8から10のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項12

前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質とを焼結したものである、請求項1に記載の燃料アッセンブリ。

請求項13

前記複数の燃料エレメントの複数に関して、前記燃料カーネルの前記燃料物質は、U−235及び/又はU−233によって、20%以下に濃縮され、前記燃料カーネルの20〜30%の体積分率を有し、前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜80%の体積分率を有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項14

前記複数の燃料エレメントの複数に関して、前記燃料物質の濃縮は、15〜20%である、請求項13に記載の燃料アッセンブリ。

請求項15

前記複数の燃料エレメントの複数に関して、前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、請求項13又は14に記載の燃料アッセンブリ。

請求項16

前記複数の燃料エレメントの複数に関して、前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜97%の体積分率を有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項17

前記燃料物質は、ウラントリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項18

前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金接着されている、請求項1から17のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項19

前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項20

前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、1800℃より大きな融点を有する高融点金属を有する、請求項1から12のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項21

前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、請求項1から20のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項22

前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状にじれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、請求項1から21のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項23

前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、請求項22に記載の燃料アッセンブリ。

請求項24

前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、請求項22又は23に記載の燃料アッセンブリ。

請求項25

前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、請求項22から24のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項26

可燃性中性子吸収物質をさらに有する、請求項1から25のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項27

前記複数の燃料エレメントの少なくとも1つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、請求項26に記載の燃料アッセンブリ。

請求項28

前記フレームに支持された複数のUO2燃料エレメントをさらに有し、前記複数のUO2燃料エレメントのそれぞれは、UO2燃料を含む、請求項1から27のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項29

前記複数のUO2燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の燃料エレメントから横方向に外側に配置される、請求項28に記載の燃料アッセンブリ。

請求項30

前記炉心隔壁は、前記複数のUO2燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する、請求項29に記載の燃料アッセンブリ。

請求項31

前記UO2燃料は、15%のU−235濃縮より小さい、請求項28から30のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。

請求項32

原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、燃料エレメントを生成することによって、複数の燃料エレメントのそれぞれを製造し、炉心隔壁と、前記複数の燃料エレメントを前記燃料アッセンブリが備える前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され、前記炉心隔壁に搭載された下部ノズルとを含むフレームに搭載し、前記複数の燃料エレメントは、金属非燃料物質のマトリクスに配置された核分裂性物質を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、冷却材/減速材で利用可能な前記炉心隔壁の全面積と、前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの前記燃料カーネルの全断面積との比率が2.4以下であり、前記カーネルは、δ相UZr2を有する、燃料アッセンブリの製造方法。

請求項33

前記複数の燃料エレメントは、複数金属燃料エレメントを有し、前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、前記燃料カーネルは、前記金属非燃料物質のマトリクスと前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料カーネルを有する、請求項32記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項34

前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する請求項33に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項35

前記複数の燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、請求項32から34のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項36

共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、請求項32から35のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項37

前記焼結により制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、前記制御材を位置決めする、請求項32から36のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項38

前記燃料アッセンブリは、地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、請求項32から37のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

請求項39

さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、請求項38に記載の燃料アッセンブリの製造方法。

技術分野

0001

相互参照
本出願は、発明の名称を「金属燃料アッセンブリ」とし、2010年5月11日に出願
された米国特許仮出願第61/333,467号、2010年10月15日に出願された
米国特許仮出願第61/393,499号、2011年2月21日に出願された米国特許
仮出願第61/444,990号に基づく優先権を主張する。これらの出願は、全体とし
て参照により本明細書に組み込まれる。

背景技術

0002

本発明は、一般的に、原子炉炉心で使用される燃料アッセンブリに関連し、より具体
的には金属核燃料エレメントに関連する。

0003

発明が解決しようとする課題
米国特許出願公開第2009/0252278号は、シード及びブランケットのサブア
センブリを含む燃料アッセンブリを開示しており,その全内容は参照により本明細書に
組み込まれる。ブランケットサブアッセンブリは、トリウムベースの燃料エレメントを
含む。シードアッセンブリは、中性子解放するために用いられるウラン及び/又はプル
トニウムの金属燃料エレメントを含む。中性子は、トリウムブランケットエレメントによ
って捕捉される。それにより、核分裂性のU−233(ウラン−233)を生成する。核
分裂性の U−233は、そのままで燃焼し、原子力発電所のために熱を解放する。

0004

従来の原子力発電所は、典型的には、円筒状管酸化ウラン燃料を有する複数の燃料棒
含む燃料アッセンブリを使用する。

0005

従来の燃料棒の円筒状管の表面積は、燃料棒から第1冷却材へ移動することができる熱量
を制限する。熱流束除去用に制限された表面積の観点から燃料棒の過熱を避けるために、
酸化ウラン燃料棒又は混合酸化物プルトニウム及び酸化ウラン)燃料棒における核分裂
性物質の量は,従来,大きく制限されている。

0006

本発明の単数又は複数の実施形態は、酸化ウラン燃料棒を全ての金属性、多葉性、粉末
金共押出の燃料棒(燃料エレメント)で置換することにより、従来の酸化ウラン燃料棒の
様々な問題点を解決する。金属燃料エレメントは、酸化ウラン棒エレメントより非常に大
きな表面積を有しており、したがって、低温で燃料エレメントから第1冷却材への熱の移
動を充分容易にする。多葉性の燃料エレメントのらせんリブは、燃料エレメントに構造
的なサポートを提供する。燃料エレメントは、これまで必要とされていたスペーサグリ
ドの量の減少や削除を容易にすることができる。そのようなスペーサグリッドの量の減少
や削除は、冷却材の動水抵抗を減少させる効果があり、冷却材への熱の移動を改善できる
。金属燃料エレメントは、従来の酸化ウラン燃料棒の1つより比較的小型化できるので、
燃料アッセンブリによってさらに大きな空間が冷却材のために提供され、動水抵抗をさら
に減らし、冷却材への熱の移動を改善することができる。金属燃料棒から冷却材への熱の
移動は、同時に、燃料エレメントを、金属と酸化物との高い熱伝導で低動作温度に維持す
ることにより、より大きな熱(すなわち、電力)を発生することが可能であることを意味
する。従来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒は、典型的には、過熱のおそれのせいで、
約4〜5%の核分裂性物質しか搭載できないが、本発明の様々な実施形態による金属燃料
エレメントのより高い熱の移動の特性によって、安全な燃料性能を維持しながら大きな核
分裂性物質を搭載することが可能となる。結局、本発明の単数又は複数の実施形態による
金属燃料エレメントを使用することによって、従来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒を
使用する場合よりも、同じ炉心からより大きな電力を供給することができる。

0007

本発明の単数又は複数の実施形態による全金属燃料エレメントを使用することにより、従
来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒と同様に金属燃料エレメントが分裂ガス(核分裂ガ
ス)の第1冷却材への解放のリスクを減少させることができるので,燃料破損のリスクを
減少させるという有利な効果を奏する。

0008

本発明の単数又は複数の実施形態による全金属燃料エレメントの使用は、全金属設計は燃
料エレメントにおける熱の移動を増加させるので、燃料エレメントにおける温度のばらつ
き減らし、燃料エレメントの局所化された過熱のリスクを減らし、従来の酸化ウラン燃料
棒より安全なものとできる。

0009

本発明の単数又は複数の実施形態は、原子(力)炉(例えば、地上又は海の原子炉)の炉
心で使用するための燃料アッセンブリを提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構
造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを有するフレームと、フレームに支持
された複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを含む。複数の燃料エレメントのそれぞ
れは、金属燃料物質及び金属非燃料物質を有する金属燃料合金カーネルを含む。燃料物質
は、核分裂性物質を含む。各燃料エレメントは、また、燃料カーネルを囲む被覆材を含む
。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの核分裂性物質全体の
少なくとも70%を提供する。

0010

本発明の単数又は複数の実施形態は、原子(力)炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
を提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され
た下部ノズルをふくむフレームを含む。アッセンブリは、また、フレームで支持された複
数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメント含む。前記複数の燃料エレメントのそ
れぞれは、金属燃料物資及び金属非燃料物質を含む金属燃料合金カーネルを含む。燃料エ
レメントは、また、燃料カーネルを囲む被覆材を含む。金属燃料エレメントの一領域での
減速材と燃料との比率は2.5以下である。

0011

本発明の単数又は複数の実施形態は、原子(力)炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
の製造方法を提供する。その方法は、粉末金属燃料と粉末金属非燃料を混合し、複数の引
き伸ばされた金属燃料エレメントのそれぞれを製造することを含む。粉末金属燃料物質は
、核分裂性物質を含み、混合された粉末金属燃料と粉末金属非燃料を焼結し、燃料炉心ス
トック(fuel core stock)を生成する。その方法は、燃料炉心ストック
被覆材料囲み、燃料炉心ストック及び被覆材料を共押出して、燃料エレメントを生成
することを含む。その方法は、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを燃料アッセン
ブリのフレームに搭載することを含む。金属燃料エレメントの一領域での減速材と燃料の
比率は2.5以下であってもよい。その方法は、制御材(displacer)を含む燃
料炉心ストックを生成するように、前記焼結の前に、混合粉末金属燃料物質及び金属非燃
料物質において制御材を位置合わせすることを含んでいてもよい。燃料アッセンブリは、
地上の原子(力)炉に配置されてもよい。

0012

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、
燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総量の少なくとも60%を提供する。

0013

これら実施形態の単数又は複数によると、被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mm
である。

0014

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、地上の原子(力)炉での
動作のため、熱力学的に設計され、物理的に形成される。

0015

単数又は複数の実施形態において、燃料アッセンブリは、原子(力)炉との組み合わせで
使用されてもよい。燃料アッセンブリは、地上の原子(力)炉内に配置される。

0016

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数に関して、燃料カー
ネルの燃料物質は、U−235及び/又はU−233により20%以下に濃縮され、20
%〜30%の燃料カーネルの体積分率を有する、非燃料金属は、70%〜80%の燃料カ
ーネルの体積分率を有する。燃料エレメントのうち複数に関して、燃料物質の濃縮は、1
5%〜20%であってもよい。燃料カーネルの非燃料金属は、ジルコニウムを含んでいて
もよい。

0017

これら実施形態の単数又は複数によると、カーネルは、δ相UZr2。(δ−phase
UZr2)を含んでいる。

0018

これら実施形態の少なくとも一つにおいては、複数の燃料エレメントに関して、燃料カー
ネルの燃料物質は、プルトニウムを含み、燃料カーネルの非燃料物質(非燃料金属等)は
、ジルコニウムを含み、及び、燃料カーネルの非燃料金属は、70%〜97%の燃料カー
ネルの体積分率を含む。

0019

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、
プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み
合わせを含む。

0020

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、冶金により、燃
料カーネルに接着される。

0021

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、アルミニウム
含む。

0022

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、高融点金属を含
む。

0023

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数の被覆材は、ジルコ
ニウムを含む。

0024

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、燃料カーネルと
被覆材の共押出により製造される。

0025

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリ、その少なくとも1つの燃料
エレメント及び/又は少なくとも1つの燃料カーネルは、可燃性中性子吸収物質を含む。

0026

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、
燃料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも80%の量を提供する。

0027

これら実施形態の単数又は複数によると、地上の原子(力)炉は、2010年以前に使用
された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備える。フレームは、炉のための酸化ウラ
ン燃料アッセンブリに代わる地上の原子(力)炉に適合するように形成及び構成される。

0028

これら実施形態の単数又は複数によると、単数又は複数の燃料エレメントは、らせん状に
じられ、複数のらせん状リブを規定する多葉性の輪郭(profile)を有する。隣
接する複数の燃料エレメントのスペーサーリブは、燃料エレメントの軸の長さにわたって
、相互に周期的に接触する。この接触により、燃料エレメント間の空間を維持するのを助
ける。燃料アッセンブリは、少なくとも2.5又は2.5以下の減速材と燃料の比率を有
していてもよい。多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有していてもよい。

0029

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の金属燃料エレメントの各金属燃料合金カ
ーネルは、燃料物質と金属非燃料物質の焼結により形成される。

0030

これら実施形態の単数又は複数によると、多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉
の間の交差部を含む。被覆材は、交差部において、頂点より厚い。

0031

本発明の単数又は複数の実施形態は、地上の原子(力)炉の炉心で使用される燃料アッセ
ンブリの製造方法を提供する。この方法は、粉末金属燃料を粉末金属非燃料物質と混合す
ることにより、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントのそれぞれを製造する工程を含
む。粉末金属燃料物質は、核分裂性物質を含む。引き伸ばされた金属燃料エレメントを製
造する工程は、混合された粉末金属燃料と金属非燃料物質を焼結して燃料炉心ストックを
生成する工程、燃料炉心ストックを被覆材料で囲む工程、及び燃料炉心ストック及び被覆
材料を共押出して燃料エレメントを生成する工程を含む。この方法は、また、複数の引き
伸ばされた金属燃料エレメントを、地上の原子(力)炉に搭載するように形成され構成さ
れた下部ノズルを備える燃料アッセンブリのフレームに搭載する工程を含む。複数の引き
伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも70
%の量を提供する。燃料アッセンブリは、地上の原子(力)炉での動作のため、熱力学的
に設計され、物理的に形成される。

0032

これら実施形態の単数又は複数によると、この方法は、前記焼結の前に、混合粉末金属燃
料物質及び金属非燃料物質において減速材調整装を位置合わせして制御材を含む燃料炉心
ストックを生成する工程も含む。

0033

これら実施形態の単数又は複数によると、この方法は、燃料アッセンブリを原子(力)炉
に配置する工程も含む。

0034

本発明の単数又は複数の実施形態は、加圧重水炉及び加圧重水炉に配置された燃料アッセ
ンブリを含む原子炉を提供する。燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸ば
された金属燃料エレメントを含む。複数の燃料エレメントのそれぞれが、金属燃料物質及
び金属非燃料物質を含む粉末冶金金属燃料合金カーネルを含む。各燃料エレメントは、ま
た、燃料カーネルを囲む被覆材を含む。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃
料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも70%の量を提供する。燃料エレメントの
それぞれは、らせん状に捻じれ、複数のらせん状のスペーサーリブを規定する多葉性の輪
郭を有していてもよい。

0035

本発明の単数又は複数の実施形態は、加圧重水炉、及び加圧重水炉に配置される燃料アッ
センブリを含む原子炉を提供する。燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸
ばされた金属
燃料エレメントを含み、前記複数の燃料エレメントは、金属燃料物質及び金属非燃料物質
、核分裂性物質を備える燃料物質、及び燃料カーネルを囲む被覆材を備える金属燃料合金
カーネルを含む。金属燃料エレメントの一領域での減速材と燃料の比率は2.5以下であ
ってもよい。

0036

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、また、フレームによって
支持された複数のUO2燃料エレメント(酸化ウラン燃料エレメント)を含む。前記複数
のUO2燃料エレメントのそれぞれは、UO2燃料を含む。少なくとも複数の引き伸ばさ
れたUO2燃料エレメントのいくつかは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントから
横方向に外側に配置されてもよい。UO2燃料は、U−235で、15%未満に濃縮され
ていてもよい。

0037

これら実施形態の単数又は複数によると、炉心隔壁は、複数の引き伸ばされたUO2燃料
エレメントを通過する冷却材の流れを、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを通過
する冷却材の流れから分離する。

0038

本発明の単数又は複数の実施形態は、原子(力)炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
を提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構造に搭載されるように形成、構成され
た下部ノズルを備えるフレームを含む。アッセンブリは、フレームによって支持された複
数の引き伸ばされ、押出された金属燃料エレメント含む。前記複数の燃料エレメントのそ
れぞれは、金属燃料物質及び金属非燃料物質を備える金属燃料合金カーネルを含む。燃料
物質は、核分裂性物質及び燃料カーネルを囲む被覆材を含む。アッセンブリは、フレーム
に支持された複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを含む。燃料アッセンブリの断
面図に見られるように、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ば
され、押出された金属燃料エレメントを囲む単一燃料エレメント幅リングに配置されて
もよい。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの全燃料エレ
ントの総量の少なくとも60%を提供する。

0039

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは
、それぞれ、ペレット化されたUO2燃料を内部に備える中空棒を備える。

0040

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを
支持する燃料アッセンブリの一部は、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメン
トを支持する燃料アッセンブリの一部から分離できない。

0041

これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは
、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントから、ユニットとして分離不能で
ある。

0042

これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、17×17のパターン
位置を規定する複数の引き伸ばされ、押し出された金属燃料エレメントのそれぞれは、
前記パターンの1つに配置され、複数の引き伸ばされ、押し出された金属燃料エレメント
は、17×17のパターンの周囲には配置されず、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレ
メントのそれぞれは、17×17のパターンの周囲の異なる位置に配置される。

0043

上記実施形態のうち単数又は複数によると、カーネルは、金属燃料物質の代わりに、セラ
ミック燃料物質を備えていてもよい。そのような単数又は複数の実施形態において、燃料
物質は、金属非燃料物質の行列に配置されるセラミック燃料物質を備える。逆に、単数又
は複数の金属燃料の実施形態において、複数の引き伸ばされ、押し出された 燃料エレメ
ントは、複数の引き伸ばされ、押し出された金属燃料エレメントを備え、金属物質は、金
属燃料物質を備え、燃料カーネルは、金属燃料物質の合金及び金属非燃料物質のマトリ
ス(行列)を備える金属燃料合金カーネルを備える。

0044

本発明の種々の実施形態の上記及び上記以外の目的、構造の関連エレメント動作方法
び機能、各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説
明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれ
も本明細書の一部を構成する。ここで、同様の参照符号は種々の図における対応する部分
を表している。本発明の一実施形態において、本明細書に記載された構造成分は、正寸で
描かれた。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義と
して用いることは意図されていない。さらに、本明細書の実施形態のいずれかで示され又
は表された構造特徴は、その他の実施形態においても適用することができる。本明細書及
び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の「a」、「an」及び「the」には
複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によってそうでないことが明白である場合
はこの限りではない。

0045

添付の図面と共に詳細な説明を参照することにより、本発明の実施形態とその他の目的及
びさらなる特徴を理解することができる。

図面の簡単な説明

0046

本発明の一実施形態による燃料アッセンブリの自己空間平面(self−spacing plane)で切断する断面図である。

0047

図1の燃料アッセンブリの図1視点から燃料エレメントのねじれの1/8だけ切断面を移動させた断面図である。

0048

図1の燃料アッセンブリの軸方向に平行な面で切断した断面図である。

0049

図1の燃料アッセンブリの燃料エレメントの斜視図である。

0050

図3の燃料エレメントの断面図である。

0051

正多角形外接した図3の燃料エレメントの断面図である。

0052

別の実施形態による加圧重水炉で使用される燃料アッセンブリの端面図である。

0053

図7Aの燃料アッセンブリの部分側面図である。

0054

図7A及び7Bに示された燃料アッセンブリを使用する加圧重水炉の略図である。

0055

図3の燃料エレメントの断面図である。

0056

本発明の一実施形態による燃料アッセンブリの断面図である。

実施例

0057

図1〜3は、本発明の一実施形態による燃料アッセンブリ10を示す。図2に示すように
、燃料アッセンブリ10は、フレーム25によって支持される複数の燃料エレメント20
を備えている。

0058

図3に示されるように、フレーム25は、炉心隔壁30、ガイド管40、上部ノズル50
、下部ノズル60、下部タイプレート70、上部タイプレート80及び/又はアッセンブ
リ10が原子炉において燃料アッセンブリとして動作可能となるようなその他の構造を備
えている。種々の実施形態においては,フレーム25のこれらの構成要素うち単数又は複
数を、本発明の範囲から外れることなく省略できる。

0059

図3に示すように、炉心隔壁30は、上部ノズル50及び下部ノズル60が搭載される。
下部ノズル60(又は,アッセンブリ10のその他の適切な構造)は、アッセンブリ10
及び炉90の間に流体連結インターフェースを提供するように構築及び形成される。流体
連結インターフェースにはアッセンブリ10が配置され、冷却材がアッセンブリ10を介
し下部ノズル60を通って炉心に流れ込むようになっている。上部ノズル50は、加熱さ
れた冷却材がアッセンブリ10から発電所の(PWR(加圧水型原子炉)の)蒸気発生器
、(BWR沸騰水型原子炉)の)タービン等に流れるのを可能にする。ノズル50、6
0は、炉心内部構造に適切に結合するように特に設計された形状である。

0060

図3に示されるように、下部タイプレート70及び上部タイプレート80は、好ましくは
、しっかりと(例えば、溶接ボルトネジ等の適切な留め具によって)、炉心隔壁30
又は下部ノズル60に(及び/又はアッセンブリ10のその他の適切な構造物に)搭載さ
れている。

0061

エレメント20の軸方向の下端は、エレメント20を支持し、エレメント20間のスペ
スを維持できるように、下部タイプレート70の孔70aに適合するピン20aを形成す
る。ピン20aは、エレメント20がその軸周りで回転するのを防ぐ態様で、又は,下部
タイプレート70に対して軸方向に動くのを防ぐような態様で,孔70aに搭載される。
このような回転の規制は、隣接するエレメント20の全ての接触点がエレメント20に沿
って同じ軸上の位置で(例えば、後述する自己空間面において)確実に発生するのを助け
る。ピン20aと孔70aの結合は、溶接、相互作用適合(interference
fit)、回転を防止する非円筒状の特徴の一致(例えば、鍵穴及びスプライン(spl
ine))、及び/又は前記以外のエレメント20の下部タイプレート70に対する軸方
向及び/又は回転方向動きを規制する任意の機構によって実現することができる。下部
タイプレート70は、軸方向に伸びチャネル(例えば、開口グリッド(a grid
of openings))を含む。冷却材は、このチャネルを通り、エレメント20に
流れる。

0062

エレメント20の軸方向の上端は、エレメント20間の空間の維持を助けつつ、上部ピン
20aが、上部タイプレート80に対して、自由に軸方向上方に移動できるように、自由
に上部タイプレート80の孔80aに嵌るピン20aを形成する。その結果、エレメント
20は、核分裂時、軸方向に成長し、引き伸ばされたエレメント20は、自由に上部タイ
プレート80内に伸びることができる。

0063

図4に示されるように、ピン70aは、エレメント20の中心部に遷移する。

0064

図4及び5は、アッセンブリ10の個々の燃料エレメント/棒20を示す。図5に示され
るように、燃料エレメント20の引き伸ばされた中心部は、4つの分葉を持つ断面となる
。エレメント20の断面は、実質的に、エレメント20の長さ全体で、均一のままである
。各燃料エレメント20は、燃料カーネル100を有する。燃料カーネル100は、高融
点金属及び核分裂性物質を含む燃料物質を含む。

0065

高融点金属を備える制御材110は、燃料カーネル100の中心の長さ方向の軸に沿って
配置される。制御材110は、制御材110を設けない場合にかかる空間を占めることに
なる核分裂性物質を除去することによって,燃料エレメント20の最も肉厚な部分の中心
の温度を制限し,燃料エレメントの表面に沿った熱流束のばらつきを最小化する助けとな
る。種々の実施形態においては、制御材110を完全に除去してもよい。

0066

図5に示されるように、燃料カーネル100は、高融点金属被覆材120によって囲まれ
る。被覆材120は、好ましくは、カーネル100の放射線誘導性膨張に、欠陥なく(
カーネル100を被覆材120の外部環境露出することなく)耐えることができるほど
厚く、強く、柔軟である。単数又は複数の実施形態において、被覆材120全体は、少な
くとも0.3mm、0.4mm、0.5mm、及び/又は0.7mmの厚さである。単数
又は複数の実施形態において、膨張による欠陥、酸化による欠陥、及び/又は前記以外の
被覆材120の欠陥メカニズムの可能性を減らすため、被覆材120の厚みは、少なくと
も0.4mmである。

0067

被覆材120は、(図4に示されるように)カーネル100の軸方向/長さ方向の長さに
わたって、環方向に(すなわち、図5の断面図に示されるように、被覆材120の周囲に
)実質的に均一な厚みを有していてもよい。また、図5に示されるように、単数又は複数
の実施形態において、被覆材120は、分葉20b間の凹交差部/領域20cより、分葉
20bの頂点において厚い。例えば、単数又は複数の実施形態において、分葉20bの頂
点の被覆材120は、凹交差部/領域20cの被覆材120より、少なくとも10%、2
0%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%、125%
、及び/又
は150%厚い。分葉20bの頂点の被覆材120をより厚くすることにより、分葉20
bの頂点の摩擦抵抗を改良することができる。ここで、隣接する燃料エレメント20は、
後述する自己空間平面で互いに接触する。

0068

本発明の単数又は複数の実施形態において、制御材110で使用される高融点金属、燃料
カーネル100、及び被覆材120は、ジルコニウムを有する。本明細書で使用されるよ
うに、ジルコニウムという用語は、純ジルコニウム又はその他の合金物質と組み合わせた
ジルコニウムを意味する。しかしながら、本発明の範囲から外れることなく、その他の高
融点金属(例えば、ニオブモリブデンタンタルタングステンレニウム、チタニウ
ム、バナジウムクロム、ジルコニウム、ハフニウムルテニウム)を、ジルコニウムの
代わりに使用することができる。ここで使用されるように、「高融点金属」の用語は、金
属/合金のいずれかであって、1800℃(2073K)より大きな融点を有しているこ
とを意味する。

0069

さらに、ある実施形態においては、高融点金属は、アルミニウム等の前記以外の非燃料
金属とともに配置されていてもよい。しかしながら、非耐熱性の非燃料金属の使用は、低
温で動作する炉心(例えば、約1メートルの高さで、100MWe以下の小さな炉心)に
最も適している。高融点金属は、より高い動作温度で使用されることが好ましい。

0070

図5に示されるように、燃料カーネル100及び被覆材120の中心部は、らせん状の
スペーサーリブ130の四分葉の輪郭である。制御材110は、リブ130で外方に突出
するように形成されてもよい(例えば、四角形の制御材110の角がリブ130と一致す
るように形成される)。燃料エレメント20は、本発明の別の実施形態において、本発明
の範囲から外れることなく、これより多い数の又はより少ない数のリブ130を持ってい
てもよい。例えば、米国特許出願公開第2009/0252278号公報の図5において
一般的に示されるように、燃料エレメントは、好ましくは相互に等しく周辺に間隔をあけ
た3つのリブ/分葉を持っていてもよい。分葉/リブ130の数は、少なくとも部分的に
、燃料アッセンブリ10の形状に依存する。例えば、四分葉エレメント20は、(例えば
AP−1000で使用されえるように)四角の断面形状の燃料アッセンブリ10とよく
適合する(work well with)。これに対し、三分葉の燃料エレメントは、
(例えば、VVERで使用されるように)六角形の燃料アッセンブリとよく適合する。

0071

図9は、単数又は複数の実施形態による燃料エレメント20の各部の寸法を示す。単数
又は複数の実施形態において、後述のテーブルで特定される大きさ、パラメータ、及び/
又は範囲は、いずれも、本発明の範囲から外れることなく、5%、10%、15%、20
%、25%、30%、40%又は50%以上増加又は減少することができる。

0072

図4に示されるように、制御材110は、リブ130と位置合わせされる四角形の角を
有する真四角形の断面形状である。制御材110は、リブ130のらせん状に続くように
、燃料カーネル100の軸の長さに沿って、リブ130と位置合わせされながら、らせん
状を形成する。リブ130が多い又は少ない別の実施形態において、制御材110は、好
ましくは、エレメント20のリブに応じた辺を有する正多角形の形状を有する。

0073

図6に示されるように、エレメント20の中央部の断面積は、好ましくは、実質的に、
四角形200の面積より小さい。四角形200の一辺は、各リブ130の頂点の接線であ
る。より包括的に説明すると、リブを有するエレメント20の断面積は、好ましくはn個
の辺を有する正多角形の面積より小さい。ここで、各リブ130の頂点に、正多角形は接
線となる。種々の実施形態において、エレメント20の面積と四角形(又は、4つのリブ
130よりも多くの又は少ない数のリブを有するエレメント20の関連する正多角形)の
面積との比率は、0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3である。図1に示
されるように、この面積比率は、炉心隔壁30の利用可能なスペースが、燃料エレメント
20によってどれだけ占められるかを概算する。より低い面積比率は、冷却材がより大き
な空間で利用可能であることを意味する。冷却材は、中性子減速材として動作し、減速材
と燃料の比率(中性子に重要)は、水力学的抵抗(hydraulic drag)を減
らし、エレメント20から冷却材への熱の移動を増加させる。種々の実施形態において、
結果として生じる減速材と燃料の比率は、(従来の、円筒状の酸化ウラン棒が使用される
ときの1.96に対して)少なくとも、2.0、2.25、2.5、2.75、及び/又
は3.0である。同様に、種々の実施形態において、燃料アッセンブリ10の流量範囲
、円筒状の酸化ウラン棒を使用する単数又は複数の従来の燃料アッセンブリの使用に対し
て、16%大きく増加する。増加した流量範囲は、アッセンブリ10を通じて、(従来の
酸化ウランアッセンブりに比較して)冷却材の圧力の低下を減らすことができる。これは
、冷却材をアッセンブリ10を通じてくみ上げることに関して利点を有する。

0074

図4に示されるように、エレメント20は軸方向に引き伸ばされる。実施形態に示され
るように、各エレメント20は、全長(full−length)のエレメントであり、
下部タイプレート70は、アッセンブリ10の底部又はその周辺からアッセンブリ10の
又はその周辺の上部タイプレート80への全長に亘って伸びる。種々の実施形態又は原子
炉の設計において、このことは、どこにおいても1m(小さな原子炉))から4m以上の
長さのエレメント20を生じる。したがって、典型的な原子炉では、エレメント20は、
1〜5mの長さである。しかしながら、エレメント20は、本発明の範囲から外れること
なく、その他の大きさの原子炉に対応するように長くし又は短くすることができる。

0075

このエレメント20は全長であり、エレメント20は、また、複数の区画で全長エレメ
ントをなすように、区画されていてもよい。例えば、4つの1mのエレメント区画20は
、有効に全長エレメントを生成するように端から端まで位置合わせされていてもよい。追
加タイプレート70、80は、軸方向の空間を維持する区画と区画の配置の交差部におい
て提供される。

0076

単数又は複数の実施形態において、燃料カーネル100は、高融点金属/合金と燃料物
質の組み合わせを備える。高融点金属/合金は、ジルコニウム合金を備えていてもよい。
燃料物質は、低濃縮ウラン(例えば、U−235(ウラン−235)、U−233)、プ
ルトニウム、又は後述のような低濃縮ウランと組み合わされたトリウム及び/又はプルト
ニウムを備えていてもよい。ここで使用されるように、「低濃縮ウラン」という用語は、
20%未満の重量の核分裂性物質(例えば、U−235又はU−233)を含む全燃料物
質を意味する。種々の実施形態において実施形態において、ウラン燃料物質は、U−23
5の重量において、1%と20%の間、5%と20%の間、10%と20%の間、及び/
又は15%と20%の間の濃縮である。単数又は複数の実施形態において実施形態におい
て、燃料物質は、19.7%に濃縮されたU−235を備える。

0077

種々の実施形態において実施形態において、燃料物質は、体積分率が3〜10%、10
〜40%、15〜35%、及び/又は20〜30%の燃料カーネル100を備えていても
よい。種々の実施形態において、高融点金属は、60〜99%、60〜97%、70〜9
7%、60〜90%、65〜85%、及び/又は70〜80%の体積分率の燃料カーネル
100を備えていてもよい。単数又は複数の実施形態において、体積分率がこれらの範囲
の少なくとも一つ内にある場合に、特定の合金の構造の物質相ダイアフラムで定義される
有利な特性を有する合金が提供される。燃料カーネル100は、δ相UZr2又はδ相U
Zr2とa相Zrの組み合わせを備える、高合金燃料であるZr−U合金(すなわち、ウ
ラン成分より比較的高濃度の合金成分)を備えていてもよい。単数又は複数の実施形態に
おいて、U−Zrの二元合金系のδ相は、燃料カーネル100の約65−81体積%のジ
ルコニウム成分(約63〜80原子百分率)の範囲であってもよい。これらの実施形態の
単数又は複数においては、燃料エレメント20が低体積で(low volumetri
c)、その燃料エレメント20に対して放射線照射によって膨張が引き起こされる。単数
又は複数のそのような実施形態において、分裂ガスは、金属カーネル100に取り込まれ
る。燃料エレメント20の単数又は複数の実施形態は、従来の燃料エレメント20からの
ガスギャップを省略できる。単数又は複数の実施形態において、低合金(a相のみの)構
造が用いられた場合、そのような膨張が発生することは少ない(例えば、低合金a相U−
10Zr燃料が用いられた場合、単位原子百分率燃焼度ごとに少なくとも10%、20
%、30%、50%、75%、100%、200%、300%、500%、1000%、
1200%、1500%、又はこれ以上の体積百分率の減少となる)。本発明の単数又は
複数の実施形態において、燃料エレメント20又はカーネル100の放射線照射による膨
張は、単位原子百分率の燃焼度あたり,20体積%、15体積%、10体積%、5体積%
、4体積%、3体積%、及び/又は2体積%未満である。単数又は複数の実施形態におい
て、膨張は,単位原子百分率の燃焼度ごとに体積%で1程度であることが期待される。

0078

単数又は複数の本発明の別の実施形態において、燃料カーネルは、上述のU−Zr燃料
カーネル100と同じ又は類似の体積%のプルトニウム−ジルコニウム二元合金、又は、
上述のU−Zr燃料カーネル100とは異なる体積%のものに置き換えられる。例えば、
カーネル100におけるプルトニウム分率は、実質的に、対応するウランベースカーネル
100における対応するウラン分率より小さくてもよい。なぜなら、プルトニウムは、典
型的に、核分裂同位体(fissile isotopes)の約60〜70%の重量分
率を有しており、LEUウランは、核分裂性U−235同位体の20%以下の重量分率
有しているからである。種々の実施形態において、カーネル100におけるプルトニウム
体積分率は、隣接する高融点金属の体積分率で15%、10%及び/又は5%未満であっ
てもよい。

0079

本発明の単数又は複数の実施形態による高合金カーネル100の使用は、放射線照射時
の分裂ガスの有利な残留(advantageous retention)になること
がある。酸化燃料及び低合金金属燃料は、典型的に、充分な分裂ガスを放出するが,この
ガスの放出は、通常は燃料棒のプレナム(plenum)に放出された分裂ガスを含有さ
せることにより,で燃料構造によって調整される。これとは対照的に,本発明の単数又は
複数の実施形態による燃料カーネル100は、分裂ガスを開放しない。これは、燃料カー
ネル100の低動作温度,及び,分裂ガス原子(特に、Xe及びKr)が固体核分裂性物
のように振舞うという事実に少なくとも部分的に基づくものである。単数又は複数の実施
形態において、分裂ガスの気泡形成及び粒子境界に沿った燃料カーネル100外への移動
は起きない。単数又は複数の実施形態において、充分に高い温度で、小さな(数ミクロン
の径の)分裂ガスの気泡が形成される。しかしながら、本発明の単数又は複数の実施形態
において、これらの気泡は、燃料カーネル100内に隔離されており、分裂ガスの開放を
容易にする相互接続したネットワークを形成しない。燃料カーネル100と被覆材120
の冶金による接着は、分裂ガス開放の追加の障壁を提供する。

0080

種々の実施形態において、単数又は複数の燃料エレメント20の燃料カーネル100(
又は、被覆材120又は、燃料エレメント20のその他の適切な部分)は、ガドリニウム
ホウ素、エルビウム、その他の適切な中性子吸収物質のような可燃性中性子吸収物質と
合金化され、統合可燃性中性子吸収物質燃料エレメントを形成する。燃料アッセンブリ1
0の異なる燃料エレメント20は異なる可燃性中性子吸収物質及び/又は異なる量の可燃
性中性子吸収物質を利用する。例えば、燃料アッセンブリ10の燃料エレメント20の一
部(例えば、75%未満、50%未満、20%未満、1〜15%、1〜12%、2〜12
%等)は、25、20、及び/又は15重量%以下(例えば、1〜25重量%、1〜15
重量%、5〜15重量%等)のGdを有するカーネル100を含む。燃料アッセンブリ1
0のその他の燃料エレメント20(例えば、10〜95%、10〜50%、20〜50%
、Gdを利用する燃料エレメントより多くの燃料エレメント20)は、10又は5重量%
以下(0.1〜10.0重量%、0.1〜5.0重量%等)のErを有するカーネル10
0を含む。

0081

種々の実施形態において、カーネル100で可燃性中性子吸収物質を含まない燃料エレ
メント20に対して、可燃性中性子吸収物質は(高融点金属よりむしろ)燃料物質を置換
する。例えば、カーネル100が65体積%のジルコニウム及び35体積%のウランを含
み、可燃性中性子吸収物質を含まない燃料エレメント20の実施形態において、燃料エレ
メント20は、16.5体積%のGd、65体積%のジルコニウム、及び18.5体積%
のウランを含むカーネル100を含む。単数又は複数のその他の実施形態において、可燃
性中性子吸収物質は、燃料物質よりも高融点金属を置換する。単数又は複数のその他の実
施形態において、燃料カーネル100の可燃性中性子吸収物質は、高融点金属及び燃料物
質をその割合に応じて置換する。したがって、これらの種々の実施形態において、燃料カ
ーネル100の可燃性中性子吸収物質は、可燃性中性子吸収物質の存在によってこれらの
物質が配置されたUZr2合金又はZr合金の相を変化させないように、δ相のUZr2
又はa相のZrのなかに配置されていてもよい。

0082

可燃性中性子吸収物質を有するカーネル100を有する燃料エレメント20は、炉心で
使用される単数又は複数の燃料アッセンブリ10燃料エレメント20の一部をなす(例え
ば、0〜100%、1〜99%、1−50%等)。例えば,可燃性中性子吸収物質を有す
る燃料エレメント20は、動作サイクルの早い段階で、電力分配制御を提供するため、及
び、溶解ホウ素濃度を減らすため、可燃性中性子吸収物質を有さない燃料エレメント20
を含むアッセンブリ10の燃料アッセンブリ格子内の適した場所に配置されていてもよい
。同様に、可燃性中性子吸収物質を有する燃料エレメント20を含む選択燃料アッセンブ
リ10は、動作サイクルの早い段階で、電力分配制御を提供するため、及び、溶解ホウ素
濃度を減らすため、可燃性中性子吸収物質を有する燃料エレメント20を含まないアッセ
ンブリ10に対して、炉心の最適な場所に配置されていてもよい。かかる統合可燃性吸収
体を使用することによって、動作寿命を容易に延長することができるようになる。

0083

追加的に及び/又は代替的に、可燃性中性子吸収物質棒を有する分離非燃料は、(例え
ば、燃料エレメント20に隣接し、単数又は複数の燃料エレメント20に代わり、制御棒
受け付けない燃料アッセンブリ10のガイド管に挿入され)、燃料アッセンブリ10に
含まれていてもよい。単数又は複数の実施形態において、そのような非燃料可燃性中性子
吸収物質棒は、バブコックアンドウィルコックス(Babcock and Wilco
x)又はウェスティングハウス(Westinghouse)が設計した炉で使用される
ものに類似するスパイダーアッセンブリの形状に構成することができる(可燃性中性子吸
収物質棒アッセンブリ(BPRA)という)。これらは、制御棒ガイド管に挿入され、選
択燃料アッセンブリ10に固定される。ここで、反応制御の動作の最初のサイクルのため
制御バンク(banks)は存在しない。可燃性中性子吸収物質群が使用される場合、
燃料アッセンブリが次の燃料サイクル再配置されると、可燃性中性子吸収物質群は取り
除かれる。可燃性中性子吸収物質棒を有する分離非燃料が単数又は複数の燃料エレメント
20の代わりに配置される別の実施形態において、非燃料可燃性中性子吸収物質棒は、燃
料アッセンブリ10内に残り、燃料アッセンブリ10が利用不能となると、その他の燃料
エレメント20とともに排出される。

0084

燃料エレメント20は、粉末冶金共押出を通じて製造される。典型的に、燃料カーネル
100の粉末高融点金属及び粉末金属燃料物質(カーネル100に含まれる場合は、粉末
可燃性中性子吸収物質であってもよい)は混合され、制御材110の空白は、粉末の混合
内に配置され、粉末と制御材110の組み合わせは、(例えば、混合を焼結するために種
々の時間間隔で様々な温度に加熱された型のなかで)燃料炉心ストック/ビレット(bi
llet)に押圧され、焼結される。制御材110の空白は、最終的に形成される制御材
110と同じ又は類似の断面形状を有していてもよい。また、制御材110の空白は、押
出により、制御材110の意図される断面形状に変形するように設計された形状を有して
いてもよい。(制御材110及び焼結燃料カーネル100物質を含む)燃料炉心ストック
は、封止された管基部を有し、開口した他端部を有する中空被覆材120管に挿入される
。他端部の開口は、ビレットを形成するために、被覆材と同じ物質で製造された端部プラ
グによって封止される。ビレットは、円筒状に形成されてもよく、例えば、図5及び図9
に示されるように、エレメント20の最終的な断面積により近い形状に形成されてもよい
。ビレットは、最終的に形成されるカーネル100、被覆材110、及び制御材120を
含み、エレメント20を製造するためにセットされた型により、温度及び圧力のもと共押
出される。非円筒状の制御材110を利用する種々の実施形態において、ビレットは、制
御材110の角が燃料エレメント20の分葉20bと一致するように、押出プレス型に対
して適切に方向付けられてもよい。押出処理は、直接押出(すなわち、固定型を通じてビ
レットを動かす)又は非直接押出(すなわち、固定ビレットに対して、型を動かす)のど
ちらかで実行される。この処理により、燃料カーネル100と冶金接着された被覆材12
0が得られる。この被覆材120は、燃料カーネル100からの被覆材120の剥離のリ
スクを減らす。被覆材120の管と端部プラグは互いに冶金接着され、被覆材120の燃
料カーネル100を封止する。高融点金属の高い融点は、粉末冶金をこれら金属から加工
エレメントを選択する方法とすることを意図する燃料エレメント10で使用される。

0085

単数又は複数の別の実施形態において、燃料エレメント20の燃料炉心ストックは、焼
結の代わりに、鋳造によっても製造できる。粉末の又は一体の(monolithic)
高融点金属及び粉末の又は一体の燃料物質(カーネル100に含まれる場合は、粉末可燃
性中性子吸収物質であってもよい)は混合され、型に鋳造される。型は、鋳造カーネル1
00に制御材−空白−形成ボイドを生成する。制御材110の空白が、カーネル100が
鋳造されたあとに、押し出されるビレットを形成するように被覆材120が追加されるの
と同様に、挿入される。燃料エレメント20を製造する残りのステップは、鋳造の代わり
に焼結を利用する上述の実施形態と同じ又は類似のままでよい。後に続く押出により、制
御材110とカーネル100の間及びカーネル100と被覆材120の間の冶金接着が得
られる。

0086

単数又は複数の別の実施形態において、燃料エレメント20は、粉末金属燃料物質の代
わりに、粉末セラミック燃料物質を利用して製造される。残りの製造ステップは粉末金属
燃料物質を用いる実施形態に関する上述のものと同じであってよい。種々の金属燃料の実
施形態及びセラミック燃料の実施形態において、製造プロセスにより、金属非燃料物質の
マトリクスに配置された燃料物質を備える燃料カーネル100を得ることができる。単数
又は複数の金属燃料の実施形態において、結果物である燃料カーネル100は、金属燃料
物質の合金及び金属非燃料物質のマトリクス(例えば、ウラン−ジルコニウム合金)を備
える金属燃料合金カーネルを備える。単数又は複数のセラミック燃料の実施形態において
、カーネル100は、金属非燃料物質のマトリクスに(例えば、全体に分散され)配置さ
れる燃料物質を備える。種々の実施形態において、製造プロセスで使用されるセラミック
燃料物質は、粉末ウラン又は酸化プルトニウム、粉末ウラン又は窒化プルトニウム、粉末
ウラン又は炭化ルトニウム、粉末ウラン又は水素化プルトニウム、又はそれらの組み合わ
せを備えていてもよい。管にUO2ペレットが配置される従来のUO2燃料エレメントに
対して、本発明の単数又は複数の実施形態による製造方法により、非燃料物質の固体マト
クス(例えば、ジルコニウムマトリクス)に配置されるセラミック燃料を得ることがで
きる。

0087

図4に示すように、らせん状リブ130の軸方向のコイルピッチは、燃料エレメント断
面における対角距離に等しい間隔で配置された近接する燃料エレメント10の軸の配置の
状態に応じて選択され、燃料エレメントの長さの5%から20%である。一実施形態にお
いて、ピッチ(すなわち、分葉/リブが一回りする軸方向の長さ)は、約21.5cmで
あり、エレメント20の全活動長さは、約420cmである。図3に示されるように、底
部で下部タイプレート70によって、頂部で上部タイプレート80によって、及び炉心の
高さに対して、炉心隔壁30によって、燃料エレメント10は、縦方向の配置の安定性
提供される。図1に示されるように、燃料エレメント10は、隣接するいずれか2つの燃
料エレメント10が、少なくとも燃料エレメントの束のひとつの断面で、2つの隣接する
燃料エレメント10の軸を通過する対称な共通の面を有するように周方向の向きを有して
いる。

0088

図1に示されるように、燃料エレメント20のらせん状の捻じれは、その向きとともに
、単数又は複数の自己空間を確保する。図1に示されるように、そのような自己空間平面
において、隣接するエレメント20のリブは、相互に接触して、エレメント20間に適切
な空間を確保する。したがって、エレメント20の中心間の空間は、各エレメント20の
角間の幅とほぼ同じとなる(図5で示されたエレメントでは、12.6mmである)。各
燃料エレメント20の分葉20bの数と、燃料エレメント20のそれぞれの幾何学的配置
によって、全ての隣接する燃料エレメント20又は隣接する燃料エレメント20の一部だ
けが、接触することとなる。例えば、四分葉の実施形態に示されるように、各燃料エレメ
ント20は、各自己空間平面において、4つの全ての燃料エレメント20と接触する。し
かしながら、燃料エレメントが、亀甲に配列される三分葉の燃料エレメントの実施形態で
は、各燃料エレメントは、与えられた自己空間平面において、6つの隣接する燃料エレメ
ントのうち3つとだけ接触することとなる。三分葉の燃料エレメントは、次の軸方向の空
間の自己空間平面において(すなわち、先の自己空間平面からの回転オフセットの1/6
)、その他の3つの燃料エレメントと接触することとなる。

0089

n個の燃料エレメントが特定の燃料エレメント20に隣接するn分葉のエレメント20
において、自己空間平面は、1/nらせん回転毎に存在する。(例えば、4つの他の燃料
エレメントが隣接する四角形パターンに配置された四分葉エレメント20における1/4
らせん回転ごと、3つの他の燃料エレメントが隣接する3角形パターンに配置された三分
葉エレメント20における1/3らせん回転ごと(すなわち、燃料エレメントの周囲で1
20度ごと)である)。らせんのピッチは、燃料エレメント20の軸方向長さに亘って、
より多くの又はより少ない自己空間平面を生成するために変化してもよい。一実施形態に
おいて、各四分葉燃料エレメント 20は、燃料エレメント20の束の軸方向長さに亘っ
て複数の自己空間平面が存在するように、複数の捻じれを有する。

0090

ここで示された実施形態において、全てのエレメント20は同じ方向に捻じれている。
しかしながら、別の実施形態において、本発明の範囲から外れることなく、隣接するエレ
メント20は反対の方向に捻じれていてもよい。

0091

燃料棒に沿う自己空間平面数の式は以下のとおりである。

N=n*L/h

ここで、Lは、燃料棒の長さ、nは、分葉(リブ)の数及びある燃料エレメントに隣
接する燃料エレメントの数、hは、らせん捻じれのピッチである。 この式は、分葉の数
と隣接燃料エレメントの数が同じでない場合には、わずかに異なる。

0092

自己空間の結果、燃料アッセンブリ10は、アッセンブリ10の長さに沿って適切なエ
レメント空間を確保する必要があるスペーサグリッドを省略することができる。スペーサ
グリッドを無くすることにより、冷却材は、アッセンブリ10を、より自由に流れること
ができる。アッセンブリ10は、有利に、エレメント20から冷却材への熱移動を増加す
る。しかしながら、本発明の別の実施形態において、アッセンブリ10は、本発明の範囲
から外れることなく、スペーサグリッドを含む。

0093

図3に示されるように、炉心隔壁30は、燃料エレメント20の全長に沿って軸方向に
伸び、エレメント20を囲む管状シェルを形成する。しかしながら、本発明の別の実施形
態において、炉心隔壁30は、燃料エレメント20を囲む軸方向空間バンド(axial
ly−spaced bands)を有していてもよい。単数又は複数のそのようなバン
ドは、軸方向に、自己空間平面と一致する。軸方向に伸びる角支持部は、バンドを支持し
、バンドの位置を維持し、アッセンブリを強化するため、そのような軸方向の空間バント
の間に伸びてもよい。その代わり及び/それに加えて、孔が、支持のため、炉心隔壁30
が必要又は望まれていないような場所で、異なった管状/多角形状の炉心隔壁30に切り
込まれていてもよい。全炉心隔壁30の使用は、分離冷却材が各燃料アッセンブリ10を
流れるのに対してより優れた制御を容易に行うことができる。逆に、バンド又は孔を有す
る炉心隔壁の使用は、冷却材の隣接する燃料アッセンブリ10とよりよい混合を容易にす
ることができる。隣接する燃料アッセンブリ10間の冷却材の温度勾配を減らす効果があ
る。

0094

図1に示すように、炉心隔壁30の断面周囲は、アッセンブリ10が使用される炉を収
容する形状となっている。AP−1000のような四角形の燃料アッセンブリを使用する
炉において、炉心隔壁は、四角形の断面を有する。しかしながら、炉心隔壁30は、また
、使用される炉によって、適切などのような形状を有することもできる(例えば、VVE
R炉で使用される六角形状(例えば、米国特許出願第2009/0252278号の図1
に示される。))。

0095

ガイド管40は、炭化ホウ素(B4C)、銀‐インジウムカドミウム(Ag,In,
Cd)、チタン酸ジスプロシウム(Dy2O3・Ti02)又はその他の適切な合金又は
反応制御で使用される物質(不図示)及び炭化ホウ素、酸化ガドリニウム(Gd203)
又はその他の適切な物質(不図示)に基づき、制御吸収体の挿入を提供し、軸方向に弾性
変位可能な上部ノズル50に配置される。ガイド管40は、ジルコニウム合金を備える。
例えば、図1に示されるガイド管40の配置は、AP−1000炉で使用される配置であ
る(例えば、24個のガイド管が、17×17のグリッドに示される部分で2つの環状列
に配置される。)。

0096

フレーム25の形状、大きさ、特徴は、アッセンブリ10が使用される特定の炉心に依
存する。当業者は、適切な形状及び大きさとした燃料アッセンブリ10のフレームをどの
ように製造するのか理解できるであろう。例えば、フレーム25は、従来の発電所の炉心
の酸化ウラン又は混合酸化燃料アッセンブリに代わる炉心に適合するように形成され、構
成されてもよい。原子力発電所は、2010以前に実際に使用されていた炉心設計(例え
ば、2,3又は4−ループPWR、BWR−4)を備えることができる。また、原子力
電所は、特に燃料アッセンブリ10での使用のため全く新しい設計であってもよい。

0097

上述のように、説明された燃料アッセンブリ10は、AP−1000又はEPR炉で使
用するために設計される。アッセンブリは、燃料エレメント20の17×17配列を含み
、24個の燃料エレメント20は、上述の通り、EPRにおける合計265個の燃料エレ
メント20又はAP−1000における264個の燃料エレメント20のため、ガイド管
40と置換される(AP−1000においては、ガイド管と置換される24個の燃料エレ
メントに追加して、中央の燃料エレメントは、インストルメント管(instrumen
ted tube)と置換される。)。

0098

エレメント20は、好ましくは、燃料アッセンブリ10の全核分裂性物質の100%を
提供する。または、アッセンブリ10の核分裂性物質のいくつかは、エレメント20以外
の燃料エレメント(例えば、分葉を有しない燃料エレメント、酸化ウランエレメント、エ
レメント20とは異なる燃料比及び/又は濃縮を有するエレメント)により提供されても
よい。種々の別の実施形態において、燃料エレメント20は、燃料アッセンブリ10の全
核分裂の、少なくとも50%、60%、70%、75%、80%、85%、90%、及び
/又は95%の量を提供する。

0099

本発明の単数又は複数の実施形態による金属燃料エレメント20の使用は、ウェスティ
ングハウスが設計したAP−1000、AREVAが設計したEPR炉のような(沸騰水
型原子炉及び加圧水型原子炉を含む)軽水原子炉(LWR)で従来使用されていた酸化ウ
ラン又は混合酸化燃料を超えた利点をもたらす。例えば、単数又は複数の実施形態におい
て、現在既存のLWR又は新しいLWRで使用されている従来提案されていた標準的な酸
化ウラン燃料及び燃料アッセンブリの代わりに、全金属燃料エレメント20及び/又は燃
料アッセンブリ10を用いることにより、標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料で動作す
るLWRの電力定格は約30%までの割合で増加する。

0100

標準的な酸化ウラン燃料で動作するLWRの電力定格の増加の重要な制約のひとつは、
燃料が利用する円筒状の燃料エレメントの小さな表面積であった。円筒状の燃料エレメン
トは、どのようなタイプの燃料エレメント断面輪郭の体積の割合に対しても最も小さな表
面積を有している。標準的な酸化ウラン燃料のその他の制約は、燃料エレメントが許容可
能な燃料性能基準を満たしている間にも、おそらく達してしまう比較的低い燃焼性であっ
た。結果として、標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料に関連するこれらのエレメントは
、既存の炉の電力定格の増加の程度を大きく制限していた。

0101

全金属燃料エレメント20の単数又は複数の実施形態は、上記制限を克服する。例えば
、上述のとおり、スペーサグリッドを無くすことにより、水圧耐性を減少し、従って、エ
レメント20から第1冷却材への冷却材の流れと熱の流れを増加することができる。燃料
エレメント20のらせん状の捻じれは、冷却材の混合及び乱流を増加し、また、エレメン
ト20から冷却材への熱の流れも増加する。

0102

予備的中性子解析及び熱水力解析は、本発明の単数又は複数の実施形態による以下のこ
とを示す:
・LWR炉の熱出力定格は、30.7%以上の割合で増加可能である(例えば、EPR
炉の熱出力定格は4.59GWthから6.0GWthまで増加できる)。
・ウラン−ジルコニウム混合での25%のウラン体積分率及び19.7%U−235濃縮
で, 四分葉金属燃料エレメント20の構造を有するEPR炉心は、バッチ(batch
)毎に(18ヶ月に1度に)72個の燃料アッセンブリが置換されたら、増加した熱出力
定格6.0GWthで、約500〜520の定格出力運転日数(EFPD)動作でき、バ
ッチ(batch)毎に(18ヶ月に1度に)80個の燃料アッセンブリが置換されたら
、540〜560のEFPDとなる。
・多葉性の燃料エレメントの増加した表面積により、増加した電力定格である6.0GW
thであっても、多葉性の燃料エレメント平均的な表面の熱の流れは、4.59GWth
の熱出力定格で動作する円筒状の酸化ウラン燃料エレメントより4〜5%低く示される。
このことは、重大な熱の流れ(例えば、PWRでの核沸騰率からの増加した逸脱又はBW
Rでの重大な電力率を制限する最大分率)に関し、増加した安全率(safety ma
rgin)を提供する。さらに、このことは、可燃性中性子吸収物質を有する各アッセン
ブリの12個の燃料エレメントの使用を可能性とする。可燃性中性子吸収物質は、サイク
ルの始まりでの過度の反応又を取り除き、炉心の加熱時のドップラー効果(Dopple
r Effect)を増加させるために使用できる。
・ したがって、燃料アッセンブリ10は、従来の酸化ウラン又は混合酸化燃料アッセン
ブリより低い燃料動作温度で、より大きな熱出力を提供することができる。

0103

アッセンブリ10の増加した出力を利用するために、従来の発電所(例えば、より広い
及び/又は追加の冷却材ポンプ、蒸気発生器、熱交換器加圧器、タービン)は改善され
る。確かに、単数又は複数の実施形態において、この改善により、既存の発電所で、30
〜40%大きな電力を得ることができる。そのような可能性は、2つめの炉を建設する必
要を回避することができる。改修費用は、増加した電力出力により間もなく支払う(p
ay)ことができる。また、新しい発電所は、アッセンブリ10のより高い熱出力を扱い
、利用するのに適切な特徴を含むように建設することができる。

0104

さらに、本発明の単数又は複数の実施形態は、大きな改修を行うことなく、既存の炉シ
ステムを使用して標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料を用いた場合と同じ電力定格でL
WRが動作するのを可能にする。例えば、一実施形態において:
・EPRは、従来の酸化ウラン燃料が使用された場合と同じ電力出力を有することとな
る。
:4.59 GWt;
・ウラン−ジルコニウムでの25%のウラン体積分率及び約15%U−235濃縮で、四
分葉金属燃料エレメント20の構造を有するEPR炉心は、バッチ(batch)毎に7
2個の燃料アッセンブリが置換されたら、約500〜520の定格出力運転日数(EFP
Ds)動作でき、バッチ(batch)毎に80個の燃料アッセンブリが置換されたら、
540〜560のEFPDとなる。
・エレメント20の平均的な表面の熱の流れは、従来の酸化ウラン燃料の円筒状の棒に比
べて約30%の割合で減少する(例えば、39.94 v.57.34 W/cm2)。
アッセンブリ10を通じての冷却材の温度上昇(例えば、流入温度流出温度の違い)及
びアッセンブリ10を通る冷却材の流量は、従来の燃料アッセンブリとほぼ同じままであ
るので、減少した平均的な表面の熱の流れは、重大な熱の流れに関しての安全率の増加に
貢献する対応する燃料棒表面温度の減少となる(例えば、PWRでの核沸騰率からの増加
した逸脱i又はBWRでの重大な電力率を制限する最大分率)。

0105

それに加えて及び/又はそれの代わりに、本発明の単数又は複数の実施形態の燃料アッ
センブリ10は、段階的/はしご的に、従来の燃料アッセンブリの代わりの炉心となる。
その過渡期において、従来の燃料アッセンブリとして比較可能な(同等な)核分裂性/中
性子性/熱出力を有する燃料アッセンブリ10は、徐々に、そして発電所の動作パラメー
タは代えることなく、後に続く燃料の変更を経て、そのような従来の燃料アッセンブリと
取って代わることができる。したがって、燃料アッセンブリ10は、改造して、既存の炉
心に取り付けることができる。このことは、過渡期には重要である(すなわち、燃料アッ
センブリ10の可能性を有する炉心でスタートし、徐々に燃料アッセンブリ10の完全な
炉心に移行していく。)。

0106

さらに、アッセンブリ10の分裂性負荷は、発電所のオペレータ希望する特別な移行
にも対応することができる。例えば、各分裂性負荷は、炉の熱出力を増加するため、アッ
センブリ10が取って代わる従来の燃料アッセンブリの使用に対して0%〜30%いずれ
かの又はそれ以上の範囲で、適切に増加することができる。したがって、発電所のオペレ
ータは、改良時の種々のタイミングで、既存の発電所のインフラ又は発電所の能力に基づ
いて、特定の出力の改良を選択することができる。

0107

燃料アッセンブリ10及び燃料エレメント20の単数又は複数の実施形態は、本発明の
範囲から外れることなく、(軽水炉に対して)高速炉で使用することができる。高速炉に
おいて、燃料カーネル100の非燃料金属(非燃料物質)は、好ましくは、高融点金属、
例えば、モリブデン合金(例えば、純モリブデン又はモリブデンとその他の物質との組
み合わせ)であり、被覆材120は、好ましくは、ステンレス鋼(その種々の合金を含む
)又はそのような炉の冷却材で使用するのに適したその他の物質(例えば、ナトリウム
である。そのような燃料エレメント20は、上述の共押出処理で製造することができ、又
は、その他の適切な方法(例えば、真空しんくう}溶解)によって製造することも可能
である。

0108

図7A、7B、及び8で示されるように、本発明の単数又は複数の実施形態によって、
燃料アッセンブリ510は、CANDU炉のような加圧重水炉500(図8参照)で使用
することもできる。

0109

図7A及び7Bに示されるように、燃料アッセンブリ510は、フレーム520に搭載
される複数の燃料エレメント20を備える。フレーム520は、(例えば、via溶接
静合(interference fit)、エレメント20を下部タイプレート70
に取り付ける上述の種々の取り付け方法のいずれかによって)燃料エレメント20の対向
する軸方向端部を搭載する2つのエンドプレート520a、520bを備える。燃料アッ
センブリ510で使用されるエレメント20は、典型的に、アッセンブリ10で使用され
るエレメント20より大幅に短い。種々の実施形態及び炉500によると、炉500で使
用されるエレメント20及びアッセンブリ510は約45.72cm(18インチ)の長
さである。

0110

エレメント20は、自己空間平面がエレメント20に空間を維持するように、アッセン
ブリ10に関し上述した態様でアッセンブリ510で相互に関連して位置することができ
る。また、アッセンブリ510のエレメント20は、隣接するエレメント20が相互に接
触しないように、エレメント20の空間を維持するために、代わりに全体的にフレーム5
20に依存して、相互に空間を空けていてもよい。また、種々の位置で、隣接するエレメ
ント20に接触し、エレメント空間20を維持するために、エレメント20の軸方向長さ
に沿って、(例えば、棒空間を維持するために、スペーサが加圧重水炉の従来の燃料アッ
センブリの従来の燃料棒で使用されるのと類似の態様で、)スペーサがエレメント20又
はそのリブに取り付けられてもよい。

0111

図8に示されるように、アッセンブリ510は、炉500のカランドリア管500aに
送られる(当該技術分野において、カランドリア500と参照する場合もある)。炉50
0は、重水500bを減速材及び第1冷却材として用いる。第1冷却材500bは、管5
00aを通って、熱交換器まで、水平に循環する。熱交換器では、熱が、典型的にはター
ビンを介して、電力を生成するために使われる第2冷却材のループに移動させられる。燃
料アッセンブリ搭載機構(図示せず)は、燃料アッセンブリ510をカランドリア管50
0の一方に搭載し、管500aの反対側から使用済みアッセンブリ510を押し出す。こ
の動作は,典型的には、炉500を動作させながら行われる。

0112

燃料アッセンブリ510は、既存の従来の加圧重水炉(例えば、CANDU炉)の従来
の燃料アッセンブリ(当該技術分野では、燃料束として知られる)に直接取って代わるよ
うに設計されてもよい。このような一実施形態において、アッセンブリ510は従来のア
ッセンブリ/束に代わる炉500内に送られる。そのような燃料アッセンブリ510は、
取って代わられる従来のアッセンブリと類似の中性子/熱特性を有するように設計されて
もよい。また、燃料アッセンブリ510は、熱出力の改良を提供するよう設計されてもよ
い。そのような改良の実施形態において、新たな又は改善された炉500は、より高い熱
出力を収容できるように設計できる。

0113

本発明の種々の実施形態において、従来の原子炉の従来の燃料アッセンブリに代わるよ
うに、燃料アッセンブリ10は設計される。例えば、図1に示される燃料アッセンブリ1
0は、特に、UO2燃料棒の17×17の配列を利用する従来の燃料アッセンブリに代わ
るように設計される。アッセンブリ10のガイド管40は、従来の燃料アッセンブリで使
用されるのと全く同じ位置に残され、燃料エレメント20の全てが同じ大きさの場合、従
来のUO2燃料アッセンブリと燃料アッセンブリ10の単数又は複数の実施形態(例えば
、12.6mmピッチ)の間で燃料エレメント/棒間のピッチは変わらない。すなわち、
燃料エレメント20の長さ方向の軸は、従来のUO2燃料棒の長さ方向の軸が従来の比較
可能な(同等な)燃料アッセンブリ内にある場合と同じ位置に配置される。種々の実施形
態において、燃料エレメント20は、比較可能な(同等な)UO2燃料棒より大きな外接
径(典型的なUO2燃料棒の外径が9.5mmに対して、例えば、12.6mm)を有し
てもよい。結果として、図1に示される自己整合平面において、燃料エレメント20に占
められる空間の断面長さ及び幅は、従来の燃料アッセンブリの従来のUO2燃料棒のもの
よりやや大きくてもよい(例えば、燃料アッセンブリ10について214.2mm(例え
ば、17個の燃料エレメント20×燃料エレメントごとの外接径が12.6mm)、相互
に12.6mmピッチで離れた9.5mmのUO2燃料棒の17×17の配列を有する従
来のUO2燃料アッセンブリについて211.1mmである)。従来のUO2燃料アッセ
ンブリにおいて、スペーサグリッドは、燃料棒を囲み、従来の燃料アッセンブリ全体の断
面積のエンベロープ(envelope)を、214mm×214mmに増加させる。燃
料アッセンブリ10において、炉心隔壁30は、同様に、燃料アッセンブリ10の断面積
エンベロープを増加させる。炉心隔壁30は、適した厚みである(例えば、0.5mm又
は1.0mmの厚さ)。1.0mmの厚みの炉心隔壁30を利用する一実施形態において
、燃料アッセンブリ10の一実施形態の全断面積エンベロープは、216.2mm×21
6.2mmであってもよい(例えば、214mmは17個の12.6mm径の燃料エレメ
ント20に炉心隔壁30の1.0mmの厚みの2倍を追加する)。結果として、本発明の
単数又は複数の実施形態に従い、燃料アッセンブリ10は、典型的なUO2燃料アッセン
ブリ(214mm×214mm)より、わずかに大きくてもよい(例えば、216.2m
m×216.2mm)。このより大きな寸法によって、アッセンブリ10は,従来のUO
2燃料アッセンブリで使用するために設計された単数又は複数の従来の炉の燃料アッセン
ブリ位置に適合しにくくなる。このサイズの変化に対応するため、新しい炉は、本発明の
実施形態に従って、より大きな寸法の燃料アッセンブリ10を収容するように構成及び建
設される。

0114

本発明の別の実施形態において、全ての燃料エレメント20の外接径は、燃料アッセン
ブリ10の全体の断面積を減少するため、わずかに減少することができる。例えば、燃料
エレメント20の外接径は、燃料アッセンブリ10によって占められる空間の全断面積が
従来の214mm×214mm燃料アッセンブリに比較可能な(相当する)ままであるよ
うに、0.13mm〜12.47mmで減少することができる(すなわち、17個の燃料
エレメント20の12.47mmの径に2つの炉心隔壁の1.0mmの厚みを足し、合計
が約214mmとなる)。17×17の配列の大きさの減少は、従来の燃料アッセンブリ
でのガイド管位置に対して、燃料アッセンブリ10でのガイド管40の位置をわずかに変
える。管40の位置のわずかな変化を収容するため、対応する制御棒配列の位置及び炉に
おける制御棒駆動機構を、同様に、ガイド管40の位置の変化を収容するため移動させる
。また、充分なクリアランス公差が、従来の炉の制御棒に提供される。従来ように配置
される制御棒は、燃料アッセンブリ10の管40のわずかな移動に適切に適合できる。

0115

また、周辺の燃料エレメント20の径は、アッセンブリ10全体が従来の燃料アッセン
ブリのために設計された従来の炉に適合するように、わずかに減らすことができる。例え
ば外側の行の燃料エレメント20の外接径は、燃料アッセンブリの全体の大きさが214
mm×214mm(例えば、15個の12.6mmの燃料エレメント20に、2個の11
.5mmの燃料エレメント20と、2個の1.0mmの厚みの炉心隔壁30を足す。)と
なるように、1.1mmの割合で減らすことができる。また、燃料エレメント20の外側
の2行の外接径は、燃料アッセンブリ全体の大きさが214mm×214mm(例えば、
13個の12.6mmの燃料エレメント20に、4個の12.05mmの燃料アッセンブ
リと2個の1.0mmの厚みの炉心隔壁30を足す。)のままであるように、0.55m
mの割合で減らすことができる。それぞれの実施形態において、ガイド管40が従来の炉
の制御棒の配列及び制御棒駆動機構と一致するように、燃料エレメント20ガイド管40
の中央の13×13の配列のピッチと位置は変更されない。

0116

図10は、本発明の別の実施形態による燃料アッセンブリ610を示す。 種々の実施
形態において、燃料アッセンブリ610は、種々の従来のUO2燃料アッセンブリで使用
するように設計された炉の制御棒の位置を維持しつつ、従来の炉の従来のUO2燃料アッ
センブリに代わるように設計される。燃料アッセンブリ610は、通常、図1で示し、説
明された燃料アッセンブリ10に類似するが、制御棒の位置や制御棒駆動機構を変更する
ことなく、アッセンブリ610が単数又は複数の既存の炉の種類によりよく適合するのを
助けるように幾つかの相違を有する(例えば、17×17の配列のUO2棒を利用するウ
スティングハウスの燃料アッセンブリの設計を使用する炉)。

0117

図10に示されるように、燃料アッセンブリは、種別の17×17の配列を有する。中
央の15×15の配列は、図1に示す類似の燃料アッセンブリ10に関して上述したとお
り、200の燃料エレメント20及び25個のガイド管40によって占められる。特定の
炉の設計によって、中央のガイド管40は、炉の設計が中央管40を利用しないものであ
る場合、追加の燃料エレメント20に代えることもできる(すなわち、201個の燃料エ
レメント20と24個のガイド管40である)。ガイド管40の位置は、従来のUO2燃
料アッセンブリで使用するように設計された炉で使用されるガイド管の位置に対応する。

0118

燃料アッセンブリ610の17×17の配列/パターンの周辺位置(すなわち、横方向
に燃料エレメント20から外側に配置された位置)は、64個のUO2燃料エレメント/
棒650によって占められる。当該技術分野で知られているように、燃料棒650は、中
空棒に配置された標準的なUO2ペレット燃料を備えていてもよい。UO2ペレット燃料
は、U−235で、20%未満、15%未満、10%未満、及び/又は5%未満に濃縮さ
れてもよい。棒650は、従来のUO2燃料アッセンブリに配置された空間にアッセンブ
リ610がより適合するように、燃料アッセンブリ610の断面積寸法全体をわずかに減
少させる燃料エレメント20の外接径よりわずかに小さい径(例えば、9.50mm)を
有していてもよい 。

0119

ここで示された実施形態において、燃料棒/エレメント650は、UO2ペレット燃料
を備える。しかしながら、燃料棒/エレメント650は、代わりに、単数又は複数の核分
裂性及び/又は核原料物質(例えば、トリウム、プルトニウム、U−235、U−233
、それらのいずれかの組み合わせ)のその他の適切な組み合わせを利用してもよい。その
ような燃料棒/エレメント650は、金属及び/又は酸化燃料を有していてもよい。

0120

単数又は複数の別の実施形態において、燃料棒650は、64の周辺位置の全てより少
ない位置を占める。例えば、周囲の下の行及び右の列は燃料エレメント20に占められ、
燃料棒650は、周囲の上の行及び左の列を占めていてもよい。また、燃料棒650は、
燃料アッセンブリのその他の2辺を占めていてもよい。炉心隔壁30は、燃料アッセンブ
リ周辺の追加の燃料エレメント20を囲むために変更されてもよい。そのような変更され
た燃料アッセンブリは、相互に隣接するように配置されてもよい。ひとつのアッセンブリ
周辺の燃料エレメント650の行/列は、常に、隣接する燃料アッセンブリの燃料エレメ
ント20の行/列に隣接する。結果として、燃料アッセンブリの追加の空間が、隣接する
アッセンブリのインターフェースがわずかに燃料エレメント650をインターフェース側
の周辺に含むアッセンブリに向かって移動するという事実により提供される。そのような
変更は、燃料アッセンブリ610が提供するよりも、高い熱出力の燃料エレメント20の
より多くの使用を提供することができる。

0121

炉心隔壁30は、燃料エレメント20の配列を囲み、エレメント20をエレメント65
0から分離する。ノズル50、60、炉心隔壁30、それらの間に形成された冷却材の通
路、エレメント20及びエレメント650を通じての相対応力低下、及び/又はエレメン
ト650を囲む(後述する)スペーサグリッド660を通じての増加した圧力低下により
、炉心隔壁30外で比較的低い熱出力の燃料棒650を過ぎる流量に比べて、炉心隔壁3
0内でより高い熱出力の燃料エレメント20を通過するより高い冷却材の流量を得ること
ができる。通路及び/又は通路内通行口は、相対熱出力と設計された動作温度に基づい
て、エレメント20及び650を通過する冷却材の相対流量を最適化するために、設計す
ることができる。

0122

種々の実施形態において、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント20の減速材と燃
料の比率は、2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0,1.
9、及び/又は1.8以下である。ここで示された実施形態において、減速材と燃料の比
率は、(1)冷却材/減速材で利用可能な炉心隔壁30内の全面積(これは、例えば、(
ガイド管40が冷却材で満たされているとすると)炉心隔壁30の全断面積から、燃料エ
レメント20によって占められる断面積を引くことによりによって近似される。)と (
2)炉心隔壁30の燃料エレメント20のカーネル100の全断面積との比率と等しい。

0123

本発明の別の実施形態において、炉心隔壁30は、上述のように、単数又は複数の環状
のバンドで置換されてもよく、炉心隔壁30の孔と共に提供されてもよい。バンドや炉心
隔壁30を使用することにより、燃料エレメント20と燃料エレメント650の間の冷却
材の相互混合(cross−mixing)が容易になる。

0124

図10で示されたように、燃料エレメント650は、環状のスペーサグリッド660内
に配置される。通常は、従来のUO2燃料アッセンブリで使用されるスペーサグリッドの
外側部分に相当する。スペーサグリッド660は、炉心隔壁30に(例えば、溶接、ボル
ト、ネジ、その他の留め具によって)しっかりと連結することができる。スペーサグリッ
ド660は、好ましくは、燃料エレメント650と燃料エレメント20の間に、中央の燃
料エレメント20と同じピッチを提供するための大きさ(例えば、全燃料エレメント20
及び650の軸の12.6mmのピッチ)とする。そのような空間を提供するため、燃料
エレメント650は、炉心隔壁30及びスペーサグリッド660の内側より、スペーサグ
リッド660の外側の近くに配置することができる。燃料アッセンブリ610及びスペー
サグリッド660は、また、好ましくは、隣接する燃料アッセンブリの燃料エレメント6
50の間に同じピッチ(例えば、12.6mmのピッチ)を提供できるような大きさ及び
位置とされる。しかしながら、燃料エレメント20及び650のいずれかの間の空間は、
本発明の範囲から外れることなく、その他の燃料エレメント20、650の間の空間に対
して変化することができる。

0125

種々の実施形態において、燃料エレメント20は、少なくとも、燃料アッセンブリ61
0の核分裂性物質を含有する全ての燃料エレメント20、650の総体積の60%、65
%、70%、75%、及び/又は 80%を提供する。例えば、燃料アッセンブリ610
が、それぞれが約70mm2の断面積を有する201個の燃料エレメント20と、それぞ
れが9.5mmの径を有する64個の燃料エレメント650とを含む単数又は複数の実施
形態において、燃料エレメント20は、全燃料エレメント20、650の総体積の約75
.6%を提供する(201個の燃料エレメント20×70mm2=14070mm2;6
4個の燃料エレメント650×π×(9.5/2)2=4534mm;燃料エレメント2
0及び650の面積は、本質的に、燃料エレメントの体積に比例;(14070mm2/
(14070mm2+4534mm2)=75.6%))。

0126

燃料アッセンブリ610の高さは、アッセンブリ610と置換することができる同等の
従来の燃料アッセンブリの高さに一致する(例えば、ウェスティングハウス又はAREV
A炉の設計の標準的な燃料アッセンブリの高さ)。

0127

上述の燃料アッセンブリ610は、ウェスティングハウス4−ループ設計、API00
0、又はAREVAEPRのような17×17のPWRで使用できる。しかしながら、
燃料アッセンブリ610の設計は、種々のその他の炉の設計を収容するように変更できる
(例えば、内側の位置は燃料エレメント20、又は蒸留水炉、又は小さなモジュール炉に
よって占められ、六角形の外郭は、UO2棒によって占められるような六角形状の燃料ア
ッセンブリを利用する炉の設計である)。具体的な寸法は具体的な実施形態と関連して示
されるが、本発明の範囲から外れることなく、種々の炉又は炉の種別と関連付けて、種々
の別の寸法の燃料エレメント20、650及び燃料アッセンブリ10も使用することがで
きる。

0128

特定の炉の設計によって、燃料アッセンブリの追加の棒の位置は、UO2棒によって置
換される。例えば、燃料アッセンブリ610は、本発明の範囲から外れることなく、外周
の行のみで、UO2棒を有しながら、アッセンブリ610は、また、UO2棒を、外側の
2つの行で有することもできる。

0129

種々の実施形態において、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント650を支持する
部分は、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント20を支持する部分と分離不能である
。種々の実施形態において、(個々の燃料エレメント20及び650は、例えば、個々の
燃料エレメントの欠陥に基づき、アッセンブリ610から分離できるが)燃料エレメント
20は、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント650から、ユニットとして分離する
ことができない。同様に、ロック機構は存在しない。燃料アッセンブリの燃料エレメント
650部分を、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント20に選択的にロックする。種
々の実施形態において、燃料アッセンブリ610の燃料エレメント20及び燃料エレメン
ト650は、全燃料アッセンブリ610は、炉内で使用され、単一の使用済みユニットと
して取り除かれるように、同じように設計されたライフサイクルを有している。

0130

種々の実施形態において、燃料エレメント20の増加された燃料アッセンブリ610で
の熱出力は、アッセンブリ610と置換される従来の全てのUO2燃料棒アッセンブリに
対して電力の改良を提供できる。種々の実施形態において、電力の改良は、少なくとも、
5%、10%、及び/又は15%である。この改良は、種々の実施形態において、1〜3
0%、5〜25%、及び/又は10〜20%であってもよい。種々の実施形態において、
燃料アッセンブリ610は、18ヶ月の燃料サイクルを提供するが、24ヶ月以上又は3
6ヶ月以上の燃料サイクルへの移行も容易にする。図10に示されるエレメント20に関
連して例示された上述のパラメータを有する燃料エレメント20を使用するような燃料ア
ッセンブリ610の一実施形態において、アッセンブリ17は、従来のUO2燃料アッセ
ンブリに対して、下記テーブルで特定される動作パラメータのもと、17%の改良を提供
する。

0131

燃料アッセンブリ10、510、610は、好ましくは、地上の原子(力)炉90、5
00(例えば、(BWR及びPWRを含む)地上のLWRS、地上の高速炉、地上の重水
炉)での使用のため、熱力学的に設計され、物理的に形成される。ここで地上の原子(力
)炉90、500は、電力及び又は電力以外の目的(例えば、脱塩化学処理蒸気発生
等)で使用される熱を発生するように設計される。そのような地上の原子(力)炉90は
、その他うち、VVER、AP−1000、EPR、APR−1400、ABWR、BW
R−6、CANDU、BN−600、BN−800、Toshiba 4S、Monju
等を含む。しかしながら、本発明の別の実施形態において、燃料アッセンブリ10、51
0、610は、海上の原子炉(例えば、又は潜水艦の発電所、上で使用される電力(
例えば、電気)を発生する設計された浮遊発電所)、その他の原子炉への適用で使用され
るように設計され、使用されてもよい。

0132

前述の実施形態は、本発明の構造的及び機能的原理を示すために提供され、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の原理は、後述の請求の範囲の精神及び範囲内で、いずれの及び全ての変更、修正、及び/又は置換を網羅する。
項目1]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が2.5以下である、
燃料アッセンブリ。
[項目2]
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントは、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントを有し、
前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、
前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物資のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目3]
前記カーネルは、δ相UZr2を有する、
項目2記載の燃料アッセンブリ。
[項目4]
前記燃料物質は、前記金属非燃料物資の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目5]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目6]
前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目7]
地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目8]
前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、
項目7記載の燃料アッセンブリ。
[項目9]
前記地上の原子炉は、2010年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、
前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、
項目7記載の燃料アッセンブリ。
[項目10]
前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質の焼結によって形成される、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目11]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、U−235及び/又はU−233によって、20%以下に濃縮され、
前記燃料カーネルの20〜30%の体積分率を有し、
前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜80%の体積分率を有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目12]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料物質の濃縮は、15〜20%である、
項目11記載の燃料アッセンブリ。
[項目13]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、
項目11記載の燃料アッセンブリ。
[項目14]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜97%の体積分率を有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目15]
前記燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目16]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金的に接着される、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目17]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目18]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、高融点金属を有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目19]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目20]
前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目21]
前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、
この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、
項目20記載の燃料アッセンブリ。
[項目22]
前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、
項目20記載の燃料アッセンブリ。
[項目23]
前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、
前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、
項目20記載の燃料アッセンブリ。
[項目24]
可燃性中性子吸収物質をさらに有する、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目25]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントの少なくとも1つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、
項目24記載の燃料アッセンブリ。
[項目26]
前記フレームに支持された複数のUO2燃料エレメントをさらに有し、
前記複数のUO2燃料エレメントのそれぞれは、UO2燃料を含む、
項目1記載の燃料アッセンブリ。
[項目27]
前記複数の引き延ばされたUO2燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントから横方向に外側に配置される、
項目26記載の燃料アッセンブリ。
[項目28]
前記複数の引き伸ばされたUO2燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する炉心隔壁をさらに有する、
項目27記載の燃料アッセンブリ。
[項目29]
前記UO2燃料は、15%のU−235濃縮より小さい、
項目26記載の燃料アッセンブリ。
[項目30]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、
核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉心ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料で囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、前記燃料エレメントを生成することによって、複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれを製造し、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを前記燃料アッセンブリに搭載し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が2.5以下である、
燃料アッセンブリの製造方法。
[項目31]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを有し、
前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、
前記燃料炉心ストックは、前記金属非燃料物資と前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料炉心ストックを有する、
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目32]
前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目33]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目34]
共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目35]
前記焼結により前記制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、制御材を位置決めする、
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目36]
前記フレームは、地上の原子炉の炉心に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを有し、
前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目30記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目37]
さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、
項目36記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目38]
加圧重水炉と、
前記加圧重水炉に配置される燃料アッセンブリと、を備え、
前記燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸ばされた燃料エレメントを有し、
前記複数の燃料エレメントのそれぞれは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を含み、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が2.5以下である、
原子炉。
[項目39]
前記燃料エレメントは、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状スペーサーリブを規定する、
項目38に記載の原子炉。
[項目40]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、それぞれ、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、
前記フレームで支持される複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントと、を有し、
前記燃料アッセンブリの断面視において、前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを囲む単一の燃料エレメントの幅のリング内に配置され、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
燃料アッセンブリ。
[項目41]
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、それぞれ、ペレット化されたUO2燃料が中に配置された中空棒を有する、
項目40に記載の燃料アッセンブリ。
[項目42]
前記燃料アッセンブリの前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを支持する部分は、前記燃料アッセンブリの前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを支持する部分とは分離不能である、
項目40に記載の燃料アッセンブリ。
[項目43]
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントから、ユニットとして分離不能である。
項目40に記載の燃料アッセンブリ。
[項目44]
17×17のパターンの位置を規定し、
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのそれぞれは、前記位置の1つに配置され、
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのどれも、17×17のパターンの周辺の位置には配置されず、
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれは、前記17×17のパターンの周辺の位置の異なる1つに配置される、
項目40に記載の燃料アッセンブリ。
[項目45]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が2.5以下である、
燃料アッセンブリ。
[項目46]
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントは、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントを有し、
前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、
前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物資のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目47]
前記カーネルは、δ相UZr2を有する、
項目46記載の燃料アッセンブリ。
[項目48]
前記燃料物質は、前記金属非燃料物資の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目49]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目50]
前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、項目49に記載の燃料アッセンブリ。
[項目51]
前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目52]
地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目53]
前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、
項目51記載の燃料アッセンブリ。
[項目54]
前記原子炉は重水炉を有する、項目53に記載の燃料アッセンブリ。
[項目55]
前記地上の原子炉は、2010年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、
前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、
項目52記載の燃料アッセンブリ。
[項目56]
前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質の焼結によって形成される、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目57]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、U−235及び/又はU−233によって、20%以下に濃縮され、
前記燃料カーネルの20〜30%の体積分率を有し、
前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜80%の体積分率を有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目58]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料物質の濃縮は、15〜20%である、
項目57記載の燃料アッセンブリ。
[項目59]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、
項目55記載の燃料アッセンブリ。
[項目60]
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの70〜97%の体積分率を有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目61]
前記燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目62]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金的に接着される、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目63]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目64]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、高融点金属を有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目65]
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目66]
前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目67]
前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、
この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、
項目66記載の燃料アッセンブリ。
[項目68]
前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、
項目66記載の燃料アッセンブリ。
[項目69]
前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、
前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、
項目66記載の燃料アッセンブリ。
[項目70]
可燃性中性子吸収物質をさらに有する、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目71]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントの少なくとも1つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、
項目70記載の燃料アッセンブリ。
[項目72]
前記フレームに支持された複数のUO2燃料エレメントをさらに有し、
前記複数のUO2燃料エレメントのそれぞれは、UO2燃料を含む、
項目45記載の燃料アッセンブリ。
[項目73]
前記複数の引き延ばされたUO2燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントから横方向に外側に配置される、
項目72記載の燃料アッセンブリ。
[項目74]
前記複数の引き伸ばされたUO2燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する炉心隔壁をさらに有する、
項目73記載の燃料アッセンブリ。
[項目75]
(1)減速材に使用可能な前記炉心隔壁内の全面積と、(2)前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの複数のカーネルの全断面積との比率が、2.4以下である、項目74に記載の燃料アッセンブリ。
[項目76]
前記UO2燃料は、15%のU−235濃縮より小さい、
項目72記載の燃料アッセンブリ。
[項目77]
前記比率は、前記複数の燃料エレメントの縦軸に垂直であり、かつ、前記複数の燃料エレメントに広がる断面積内の面積比であり、前記比率は、(1)前記複数の燃料エレメントのための減速材の流れを利用可能な全面積と、(2)前記複数の燃料エレメントの複数の燃料カーネルの全面積との比率である、
項目45に記載の燃料アッセンブリ。
[項目78]
前記複数の燃料エレメントのうちの複数のウラン体積分率は25%以下である、項目45に記載の燃料アッセンブリ。
[項目79]
前記複数の燃料エレメントの減速材と燃料との比率は、2.4以下である、項目45に記載の燃料アッセンブリ。
[項目80]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、
核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉心ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料で囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、前記燃料エレメントを生成することによって、複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれを製造し、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを前記燃料アッセンブリに搭載し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が2.5以下である、
燃料アッセンブリの製造方法。
[項目81]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを有し、
前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、
前記燃料炉心ストックは、前記金属非燃料物資と前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料炉心ストックを有する、
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目82]
前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目83]
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目84]
共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも0.6mmである、
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目85]
前記焼結により前記制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、制御材を位置決めする、
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目86]
前記フレームは、地上の原子炉の炉心に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを有し、
前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目80記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目87]
さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、
項目86記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目88]
前記比率は、前記複数の燃料エレメントの縦軸に垂直であり、かつ、前記複数の燃料エレメントに広がる断面積内の面積比であり、前記比率は、(1)前記複数の燃料エレメントのための減速材の流れを利用可能な全面積と、(2)前記複数の燃料エレメントの複数の燃料カーネルの全面積との比率である、
項目79に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
[項目89]
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記第1の複数の燃料エレメントは、それぞれ、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、
前記フレームで支持される第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントと、を有し、
前記燃料アッセンブリの断面視において、前記第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを囲む単一の燃料エレメントの幅のリング内に配置され、
前記第1の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも60%の体積を提供する、
燃料アッセンブリ。
[項目90]
前記第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、それぞれ、ペレット化されたUO2燃料が中に配置された中空棒を有する、
項目89に記載の燃料アッセンブリ。
[項目91]
前記燃料アッセンブリの前記第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントを支持する部分は、前記燃料アッセンブリの前記第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを支持する部分とは分離不能である、
項目90に記載の燃料アッセンブリ。
[項目92]
前記第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントから、ユニットとして分離不能である。
項目84に記載の燃料アッセンブリ。
[項目93]
17×17のパターンの位置を規定し、
前記第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのそれぞれは、前記位置の1つに配置され、
前記第1の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのどれも、17×17のパターンの周辺の位置には配置されず、
前記第2の複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれは、前記17×17のパターンの周辺の位置の異なる1つに配置される、
項目89に記載の燃料アッセンブリ。
[項目94]
前記燃料アッセンブリは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、地上の原子炉に適合するように形成され、構成され、
前記地上の原子炉は、2010年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備える、
項目89に記載の燃料アッセンブリ。
[項目95]
前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、
項目89に記載の燃料アッセンブリ。

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