CN105453184A - 燃料组件 - Google Patents

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Abstract

核燃料组件(710)包括非对称燃料元件(730)，该非对称燃料元件在其外侧向侧部具有减小的侧向尺寸，该侧向尺寸便于将核燃料组件(710)装配到常规核反应堆的预定封壳尺寸以及引导管位置和图案中。可替代地，核燃料组件(910)包括混合格栅图案，该混合格栅图案将基本相似的燃料元件(920)定位成紧凑配置，该紧凑配置便于将核燃料组件(910)装配到常规核反应堆中。

Description

燃料组件
交叉引用
本申请要求2013年11月15日提交的美国申请号14/081,056和2013年5月10日提交的美国临时申请号61/821,918的优先权权益，这两个申请的全部内容通过引用结合在此。
发明背景
1.发明领域
本发明总的来说涉及用于核反应堆的堆芯中的核燃料组件，并且更具体地涉及金属核燃料元件。
2.相关技术的描述
美国专利申请公开号2009/0252278A1公开了包括种子和再生区(blanket)子组件的核燃料组件，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。再生区子组件包括钍基燃料元件。种子子组件包括用于释放中子的铀和/或钚金属燃料元件，所释放的中子被钍再生区元件捕获，从而产生可裂变的U-233，其在原位燃烧并释放热量用于核电站。
PCT公开号WO2011/143293(A1)公开了各种燃料组件和利用带有金属或陶瓷燃料的挤出的螺旋状(螺旋形扭转的)燃料元件，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。
发明实施方式的概述
常规燃料棒的圆柱形管的表面积限制了可以从所述棒传递给主冷却剂的热量大小。考虑到热通量去除的表面积有限，为了避免燃料棒过热，通常充分地限制了这些氧化铀燃料棒中或混合氧化物(氧化钚和氧化铀)燃料棒中的裂变材料的量。
通过将常规氧化铀燃料棒替换为全金属的、多叶形的、粉末冶金共挤出的燃料棒(燃料元件)，本发明的一个或多个实施方式克服了常规氧化铀燃料棒的各种缺点。金属燃料元件与其氧化铀燃料棒的对应元件相比具有显著更大的表面积，因此促进了在较低温度下从燃料元件到主冷却剂的显著更多的热传递。多叶形燃料元件的螺旋肋为燃料元件提供了结构支撑，其可以促进减少在其它情况下可能需要的隔离格栅的数量或消除这样的隔离格栅。这些隔离格栅的数量减少或这些隔离格栅的消除有利地减小了对冷却剂的水力阻力，从而可以改善到冷却剂的热传递。因为金属燃料元件可以比它们的常规氧化铀燃料棒的对应元件相对更紧凑，所以燃料组件内提供了更多的空间用于冷却剂，而这又减少了水力阻力并改善了到冷却剂的热传递。从金属燃料棒到冷却剂的更高的热传递意味着其可能产生更多的热量(即，动力)，同时由于金属相对于氧化物具有显著更高的热导率而使燃料元件保持在较低的工作温度下。虽然由于过热问题，常规氧化铀或混合氧化物燃料棒通常把裂变材料载荷限制在4-5％左右，但是根据本发明的各种实施方式，金属燃料元件的较高的热传递性能使得能够使用显著更大的裂变材料载荷，同时仍维持安全的燃料性能。最终，对于相同的反应堆堆芯，使用根据本发明的一个或多个实施方式的金属燃料元件比常规氧化铀或混合氧化物燃料棒可以提供更多的动力。
因为金属燃料元件降低了裂变气体释放到冷却剂的危险，所以使用根据本发明的一个或多个实施方式的全金属燃料元件可以有利地降低燃料失效的危险，而这在常规氧化铀或混合氧化物燃料棒中是可能存在的。
使用根据本发明的一个或多个实施方式的全金属燃料元件还比常规氧化铀燃料棒更安全，因为全金属设计增加了燃料元件内的热传递，从而降低了燃料元件内的温度变化并降低了燃料元件局部过热的危险。
一个或多个实施方式提供了一种用于核反应堆的燃料组件中的轴向伸长的燃料元件。该燃料元件包括：包括可裂变材料的内核；和围绕内核的包壳。燃料元件的轴向长度与燃料元件的外接直径之间的比率为至少20∶1。燃料元件的轴向中心线偏离燃料元件的轴向质心。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓，其中，螺旋肋包括可裂变材料。
根据这些实施方式中的一个或多个，多叶形轮廓包括在相邻的突叶之间的凹入区域。
根据这些实施方式中的一个或多个，包壳的至少一个圆周侧部相对于包壳的至少一个其它圆周侧部在尺寸上侧向地减小(例如缩短)。
根据这些实施方式中的一个或多个，内核的轴向质心设置在轴向中心线处，并且其中，包壳的轴向质心偏离轴向中心线。
一个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件。该燃料组件包括：框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆芯结构；和由所述框架支撑的多个伸长的、挤出的燃料元件。所述多个燃料元件中的每一个都包括燃料内核和围绕该燃料内核的包壳，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料，所述燃料材料包括裂变材料。每个燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓。所述多个燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料。所述多个燃料元件中的每一个都设置在由所述框架限定的格栅图案的不同格栅位置中，使得所述多个燃料元件中的子集沿着格栅图案的外周设置。在沿着格栅图案的外周设置的燃料元件中的至少一些燃料元件上的包壳的至少一个外侧部在尺寸上侧向减小。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件全部设置在所述围板内部，并且包壳的侧向减小的外侧部接触所述围板。
根据这些实施方式中的一个或多个，在垂直于燃料元件的轴向方向的燃料组件的横截面上，在沿着格栅图案的外周设置的燃料元件中的所述至少一些燃料元件的每个燃料内核的面积小于所述多个燃料元件中的其余燃料元件的燃料内核中的至少一个燃料内核的面积。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件通过共同的中心线至中心线距离与相邻的燃料元件分开，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件的外接直径等于该中心线至中心线距离。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料基体中的陶瓷燃料材料。
根据这些实施方式中的一个或多个，遍及所述多个燃料元件中的每一个燃料元件，所述包壳的厚度为至少0.4毫米。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件在热动力学上被设计成以及在实体上被成形为用于在具有2013年之前已实际使用的反应堆设计的常规核电站的常规陆基核能反应堆中操作。所述框架被成形并构造成装配到陆基核能反应堆中代替用于所述陆基核能反应堆的常规氧化铀燃料组件。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的相邻的燃料元件的螺旋肋在燃料元件的轴向长度上周期性地彼此接触，所述接触有助于保持燃料元件相互之间的间隔。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件的支撑所述伸长的燃料元件的子集的部分与燃料组件的支撑所述多个燃料元件的其余燃料元件的部分不分开。
根据这些实施方式中的一个或多个，格栅图案限定了17×17的格栅位置图案，引导管占据下列行、列位置处的格栅位置：3,6；3,9；3,12；4,4；4,14；6,3；6,15；9,3；9,15；12,3；12,15；14,4；14,14；15,6；15,9；和15,12。
一个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆的堆芯中的燃料组件。该燃料组件包括：框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆芯结构；和由所述框架支撑的多个伸长的燃料元件，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件包括裂变材料。在垂直于燃料组件的轴向方向的横截面上观察，所述多个燃料元件被布置到包括第一格栅图案和第二格栅图案的混合格栅图案中。第二格栅图案不同于第一格栅图案。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件包括不重叠的第一子集、第二子集和第三子集，每个子集包括所述燃料元件中的复数个燃料元件。第一子集的复数个燃料元件设置在由第一格栅图案限定的相应格栅位置内。第二子集的复数个燃料元件设置在由第二格栅图案限定的相应格栅位置内。第三子集的复数个燃料元件设置在相应的重叠格栅位置内，所述重叠格栅位置落在第一格栅图案和第二格栅图案两者内。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件具有共同的外接直径。
根据这些实施方式中的一个或多个，第一格栅图案包括正方形行和列的图案。所述行和列之间的中心线至中心线距离是共同的外接直径。第二格栅图案包括等边三角形的图案。每个三角形的每个边的长度是共同的外接直径。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件还包括由框架支撑的另外的燃料元件。所述另外的燃料元件不设置在由第一或第二格栅图案所限定的任何格栅位置内。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的每一个燃料元件包括：燃料内核，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料，燃料材料包括裂变材料；和围绕燃料内核的包壳。每个燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓。
本发明的一个或多个实施方式提供了一种用于核能反应堆(例如陆基或海基核反应堆)的堆芯中的燃料组件。该燃料组件包括：框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆芯结构；和由所述框架支撑的多个伸长的金属燃料元件。所述多个燃料元件中的每一个燃料元件包括金属燃料合金内核，所述金属燃料合金内核包括金属燃料材料和金属非燃料材料。燃料包括裂变燃料。每个燃料元件还包括围绕燃料内核的包壳。所述多个伸长的金属燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件在热动力学上被设计成以及在实体上被成形为用于在陆基核能反应堆中操作。
根据一个或多个实施方式，燃料组件可以与陆基核能反应堆组合使用，其中，燃料组件设置在陆基核能反应堆内。
根据这些实施方式中的一个或多个，就所述多个燃料元件中的复数个而言：所述燃料内核的燃料材料富含20％或更少的铀-235和/或铀-233并包括燃料内核的20％到30％体积分数；非燃料金属包括燃料内核的70％到80％体积分数。就所述多个燃料元件中的所述复数个而言，燃料材料富集度可以为15％到20％。燃料内核的非燃料金属可以包括锆。
根据这些实施方式中的一个或多个，内核包括δ相UZr2。
根据这些实施方式中的一个或多个，就所述多个燃料元件中的复数个而言：燃料内核的燃料材料包括钚；燃料内核的非燃料金属包括锆；燃料内核的非燃料金属包括燃料内核的70％到97％体积分数。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料材料包括下列的组合：铀和钍；钚和钍；或者铀、钚和钍。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的包壳被冶金结合到燃料内核。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的非燃料金属包括铝。
所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的非燃料金属包括一高熔点金属。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件的包壳包括锆。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个燃料元件中的复数个燃料元件经由共挤出燃料内核和包壳来制造。
根据这些实施方式中的一个或多个，燃料组件、一个或多个其燃料元件、和/或一个或多个其燃料内核包括可燃毒物。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述多个伸长的金属燃料元件提供了燃料组件的全部裂变材料的以体积计的至少80％。
根据这些实施方式中的一个或多个，陆基核能反应堆是具有2013年之前已实际使用的反应堆设计的常规核电站。所述框架可以被成形并构造成装配到陆基核能反应堆中代替用于所述陆基核能反应堆的常规氧化铀燃料组件。
根据这些实施方式中的一个或多个，内核可以包括代替金属燃料材料的陶瓷燃料材料。在一个或多个这样的实施方式中，所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料基体中的陶瓷燃料材料。相反地，在一个或多个金属燃料实施方式中，多个伸长的、挤出的燃料元件包括多个伸长的、挤出的金属燃料元件；燃料材料包括金属燃料材料；燃料内核包括金属燃料合金内核，所述金属燃料合金内核包括金属燃料材料合金和金属非燃料材料基体。
根据这些实施方式中的一个或多个，所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件全部设置在所述围板内部，燃料组件包括设置在燃料组件的拐角处并附接至围板的至少一个拐角结构。根据这些实施方式中的一个或多个，所述至少一个拐角结构包括可燃毒物。根据这些实施方式中的一个或多个，所述至少一个拐角结构抵接所述多个伸长的燃料元件中的至少一个燃料元件。
本发明的各种实施方式的这些和其它方面、相关的结构元件和部件组合的操作方法和功能以及制造的经济性，将在考虑下面的参照附图的描述和所附权利要求后变得更加显而易见，所有的附图形成了本说明书的一部分，其中在各图中相同的附图标记指定相应的部件。在本发明的一个实施方式中，在此示出的结构部件按比例绘制。但是，应当清楚地理解，附图仅为图示说明和描述目的，并不意欲作为本发明的限制的定义。另外应该理解的是，在本文中的任何一个实施方式中示出或描述的结构特征也可以用于其它实施方式中。如在说明书和权利要求中使用的，单数形式的"一"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚地相反指示。
附图简要说明
为了更好的理解本发明的实施方式以及它们的其它目标和进一步的特征，可以参考下述描述，其与附图结合使用，其中：
图1是燃料组件的横截面视图，所述横截面在自间隔平面中剖取；
图2是图1的燃料组件的横截面视图，所述横截面在从图1的视图的燃料元件扭转偏移1/8的平面中剖取；
图3是图1的燃料组件的横截面视图，其在平行于燃料组件的轴向方向的平面中剖取；
图4是图1的燃料组件的燃料元件的透视图；
图5是图3中燃料元件的横截面视图；
图6是图3中燃料元件的横截面视图，被外接在正多边形中；
图7A是用于加压重水反应堆中的另一燃料组件的端视图；
图7B是图7A的燃料组件的局部侧视图；
图8是使用图7A和7B中所示的燃料组件的加压重水反应堆的示图；
图9是图3中燃料元件的横截面视图；
图10是另一燃料组件的横截面视图；
图11和12是根据本发明的实施方式的燃料组件的局部横截面视图；
图13A和13B是图11和12中燃料组件的两个燃料元件的横截面视图；
图14是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图15-20是图14的燃料组件的局部横截面视图；
图21是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图22是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图23-25是图22的燃料组件的局部横截面视图；
图26是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图27-30是图26的燃料组件的局部横截面视图；
图31-36是根据替换实施方式的燃料组件的局部横截面视图；
图37是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图38是根据替换实施方式的燃料组件的横截面视图；
图39-44提供了用于16×16燃料组件的常规技术规范。
本发明实施方式的详细描述
图1-3示出了根据本发明实施方式的燃料组件10。如图3所示，燃料组件10包括由框架25支撑的多个燃料元件20。
如图3所示，框架25包括围板30、引导管40、上接管50、下接管60、下固定板70、上固定板80、和/或其它结构，这些其它结构使得组件10能够在核反应堆中作为燃料组件进行操作。根据本发明的各种实施方式，可以摒弃框架25的这些部件中的一个或多个，而不脱离本发明的范围。
如图3所示，围板25安装至上接管50和下接管60。下接管60(或组件10的其它合适的结构)被构造和成形为在组件10和在其中放置有组件10的反应堆90之间提供流体连通界面，以促进冷却剂经由下接管60通过组件10流进反应堆堆芯中。上接管50促进了加热的冷却剂从组件10流向发电站的蒸汽发生器(用于PWR)和汽轮机(用于BWR)等。接管50、60具有专门设计成正确地匹配反应堆堆芯内部结构的形状。
如图3所示，下固定板(tieplate)70和上固定板80优选牢固地安装(例如，通过焊接、合适的紧固件(例如，螺栓，螺钉)，等)到围板30或下接管60(和/或组件10的其它合适的结构部件)。
燃料元件20的轴向下端形成销20a，该销装配到下固定板70中的孔70a中以支撑燃料元件20并有助于保持燃料元件20间隔开。销20a以防止燃料元件20围绕其轴线旋转或相对于下固定板70轴向运动的方式安装到孔70a。这种对于旋转的限制有助于保证在相邻的燃料元件20之间的接触点都出现在沿燃料元件20的相同轴向位置处(即下面讨论的自间隔平面处)。销20a和孔70a之间的连接，可以经由焊接、干涉配合、防止旋转的匹配非圆柱形特征(例如，键槽和花键)、和/或任何其它合适的用于限制燃料元件20相对于下固定板70轴向运动和/或旋转运动的机构建立。下固定板70包括轴向延伸的通道(例如，开口格栅)，冷却剂通过该通道流向燃料元件20。
燃料元件20的轴向上端形成可自由地装配到上固定板80的孔80a中的销20a，以容许上销20a可自由地轴向向上移动直到上固定板80，同时有助于保持燃料元件20之间的间隔。其结果是，当燃料元件20在裂变期间轴向生长时，伸长的燃料元件20可以自由地进一步延伸到上固定板80中。
如图4所示，销20a经过燃料元件20的中央部分。
图4和5示出了燃料组件10的独立燃料元件/燃料棒20。如图5所示，燃料元件20的伸长的中央部分具有四叶形横截面。燃料元件20的横截面在燃料元件20的中央部分的长度上保持大体均匀。每个燃料元件20具有燃料内核100，其包括高熔点金属和包括裂变材料的燃料材料。
包括高熔点金属的置换器110沿纵向轴线被放置在燃料内核100的中心。置换器110通过置换否则将占据该空间的裂变材料，有助于限制燃料元件20的最厚部分的中心中的温度，并且有助于最小化沿着燃料元件的表面的热通量变化。根据各种实施方式，置换器110可被完全消除。
如图5所示，燃料内核100被高熔点金属包壳120包围。包壳120优选是足够厚、足够强、且足够柔性以承受辐射导致的内核100的膨胀且不失效(例如，使内核100不暴露于包壳120以外的环境)。根据一个或多个实施方式，整个包壳120的厚度为至少0.3毫米、0.4毫米、0.5毫米、和/或0.7毫米。根据一个或多个实施方式，包壳120的厚度为至少0.4毫米，以便减小包壳120的基于膨胀的失效、基于氧化的失效、和/或任何其它机制的失效的可能性。
在环形方向(即，围绕如图5的横截面视图所示的包壳120的周边)上以及在内核100的轴向/纵向长度上(如图4所示)，包壳120可以具有大体均匀的厚度。可替代地，如图5所示，根据一个或多个实施方式，包壳120在突叶20b的末端处比在突叶20b之间的凹入交叉处/凹入区域20c处要厚。例如，根据一个或多个实施方式，突叶20b的末端处的包壳120要比凹入交叉处/凹入区域20c处的包壳120厚至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％、125％、和/或150％。在突叶20b的末端处的较厚的包壳120提供了突叶20b在末端处的改进的耐磨性能，在此处相邻的燃料元件20在自间隔平面(下面讨论)处彼此接触。
根据本发明的一个或多个实施方式，置换器110、燃料内核100和包壳120中使用的高熔点金属包括锆。如本文所使用的，术语锆是指纯锆或锆与其它合金材料的组合。然而，可以使用其它高熔点金属代替锆而不脱离本发明的范围(例如，铌、钼、钽、钨、铼、钛、钒、铬、锆、铪、钌、锇、铱、和/或其它金属)。如本文所使用的，术语"高熔点金属"是指任何熔点高于1800摄氏度(2073K)的金属/合金。
此外，在某些实施方式中，高熔点金属可以替换为另一种非燃料金属，例如铝。非耐熔的非燃料金属是最适合用于较低温度下操作的反应堆堆芯(例如，具有高度为约1米和电功率为100兆瓦或更少的小堆芯)。高熔点金属优选用于具有较高操作温度的堆芯。
如图5所示，燃料内核100的中央部分和包壳120具有四叶形轮廓形成的螺旋间隔肋130。置换器110也可以被成形以在肋130处向外突出(例如，正方形置换器110的拐角与肋130对准)。根据本发明的替换实施方式，燃料元件20可以具有更多或更少数量的肋130而不脱离本发明的范围。例如，如在美国专利申请公开号2009/0252278A1的图5中所大体示出的，燃料元件可以具有三个肋/突叶，这些肋/突叶优选彼此相等地周向间隔开。肋/突叶130的数量可以至少部分地取决于燃料组件10的形状。例如，四叶形元件20可以较好地适用于具有正方形横截面的燃料组件10(例如，在AP-1000中使用的)。相反，三叶形燃料元件可以较好地适用于六边形燃料组件(例如，在VVER中使用的)。
图9示出了根据一个或多个实施方式的各种尺寸的燃料元件20。根据一个或多个实施方式，下表中指定的任何这些尺寸、参数和/或范围，可以增加或减少高达5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、或更多而不脱离本发明的范围。
如图5所示，置换器110具有正方形的正四边形横截面形状，其中正方形的正四边形的拐角与肋130对准。置换器110形成了跟随肋130的螺旋的螺旋，使得置换器110的拐角沿着燃料内核100的轴向长度与肋130保持对准。在带有更多或更少的肋130的替换实施方式中，置换器110优选具有正多边形的横截面形状，所述正多边形具有与燃料元件20具有的肋同样多的边。
如图6所示，燃料元件20的中央部分的横截面面积优选明显小于正方形200的面积，其中每个肋130的末端与正方形200的一个边相切。在更上位的术语中，具有n个肋的元件20的横截面面积优选小于具有n个边的正多边形的面积，其中每个肋130的末端与该正多边形的一个边相切。根据各个实施方式，元件20的面积与正方形面积(或具有多于或少于4个的肋130的元件20的相应正多边形)的比率小于0.7、0.6、0.5、0.4、0.35、0.3。如图1所示，该面积比率接近于围板30内的可用空间被燃料元件20占据的多少，这样较低的比率意味着更多的空间可有利地用于冷却剂，该比率还起到中子慢化剂的作用并且增加了慢化剂与燃料比(对中子来说是重要的)、降低了水力阻力、并增加了从元件20到冷却剂的热传递。根据各个实施方式，所得到的慢化剂与燃料比为至少2.0、2.25、2.5、2.75、和/或3.0(与使用常规圆柱形氧化铀棒时的1.96形成对照)。同样，根据各个实施方式，与使用一种或多种使用圆柱形氧化铀棒的常规燃料组件相比，燃料组件10的流动面积增加了16％以上。增加的流动面积可以降低冷却剂通过组件10的压降(相对于常规氧化铀组件)，这相对于将冷却剂泵送通过组件10的情况而言可具有优势。
如图4所示，燃料元件20是轴向伸长的。在所示的实施方式中，每个元件20是全长度的元件并且从组件10的底部处或附近的下固定板70延伸整个路径到组件10的顶部处或附近的上固定板80。根据各个实施方式和反应堆设计，这可能会导致元件20的长度都为从1米(用于紧凑型反应堆)到超过4米中的任何数值。因此，对于典型反应堆而言，元件20的长度可以是1到5米。然而，元件20可被延长或缩短以适应任何其它尺寸的反应堆而不脱离本发明的范围。
虽然所示的元件20本身是全长度的，但是可替代地，元件20可以被分段，这样多个段共同制成全长度元件。例如，4个独立的1米元件段20可以首尾相连地对齐，以有效地建立全长度元件。另外的固定板70、80可以设置在段之间的交叉处以维持段的轴向间隔和布置。
根据一个或多个实施方式，燃料内核100包括高熔点金属/合金和燃料材料的组合。该高熔点金属/合金可以包括锆合金。燃料材料可包括低浓缩铀(例如U235、U233)、钚、或钍与如下所定义的低浓缩铀和/或钚的组合。如本文所使用的，"低浓缩铀"是指整个燃料材料包含少于20％重量的裂变材料(例如，铀-235或铀-233)。根据各个实施方式，铀燃料材料富集了以重量计的1％到20％、5％到20％、10％到20％、和/或15％到20％之间的铀-235。根据一个或多个实施方式，燃料材料包括19.7％的浓缩铀-235。
根据各个实施方式，燃料材料可以包含燃料内核100的3％至10％、10％至40％、15％至35％、和/或20％至30％体积分数。根据各个实施方式，高熔点金属可以包含燃料内核100的60％至99％、60％至97％、70％至97％、60％至90％、65％至85％、和/或70％至80％体积分数。根据一个或多个实施方式，这些范围中的一个或多个范围内的体积分数提供了具有有益性质的合金，所述有益性质由指定的合金组成的材料相图所限定。燃料内核100可以包括高合金燃料的(即，相对于铀成分而言的相对高浓度的合金成分)Zr-U合金，其由δ相UZr2，或δ相UZr2与α相Zr的组合所构成。根据一个或多个实施方式，该δ相U-Zr二元合金体系的范围可以为燃料内核100的约65到81体积百分比(约63至80原子百分比)的锆组成。这些实施方式中的一个或多个已发现会导致燃料元件20的低体积的、辐射诱导的膨胀。根据一个或多个这样的实施方式，裂变气体被夹带在金属内核100本身中，使得燃料元件20的一个或多个实施方式可以从燃料元件20省略常规的气隙。根据一个或多个实施方式，这种膨胀可能显著低于在使用低合金(只有α相)组成的情况下将发生的膨胀(例如，与使用低合金的α相的U-10Zr燃料的情况相比，每原子百分比燃耗至少降低10％、20％、30％、50％、75％、100％、200％、300％、500％、1000％、1200％、1500％、或更大的体积膨胀百分比)。根据本发明的一个或多个实施方式，燃料元件20或其内核100的辐射诱导的膨胀可以每原子百分比燃耗小于20、15、10、5、4、3、和/或2体积百分比。根据一个或多个实施方式，预计膨胀是每原子百分比燃耗约1体积百分比。
根据本发明的一个或多个替换实施方式，所述燃料内核可被替换为具有与上面讨论的U-Zr燃料内核100的相同或相似体积百分比的钚-锆二元合金，或替换为具有与上面讨论的U-Zr燃料内核100不同的体积百分比的钚-锆二元合金。例如，内核100中的钚分数可明显小于相应的铀基内核100中的相应的铀分数，这是因为钚典型具有约60％至70％重量分数的裂变同位素，而LEU铀具有20％或更少重量分数的裂变U-235同位素。根据各个实施方式，内核100中的钚的体积分数可以小于15％、小于10％、和/或小于5％，同时相应地调整高熔点金属的体积分数。
使用根据本发明的一个或多个实施方式的高合金内核100也可以导致在辐射期间裂变气体的有利的保留。氧化物燃料和低合金金属燃料典型表现出显著的裂变气体释放，该裂变气体释放典型地通过燃料设计来收容，通常在燃料棒内具有气室以容纳释放的裂变气体。相比之下，根据本发明的一个或多个实施方式的燃料内核100不释放裂变气体。这部分地是由于燃料内核100的低操作温度以及裂变气体原子(具体地为氙Xe和氪Kr)的行为类似固体裂变产物的事实。根据一个或多个实施方式，不会发生裂变气泡沿粒子边界向燃料内核100外部的形成和迁移。根据一个或多个实施方式，在足够高的温度下，小(几微米直径)的裂变气泡可能会形成。然而，根据本发明的一个或多个实施方式，这些气泡在燃料内核100内保持隔离并且没有形成将促进裂变气体释放的相互连接的网络。燃料内核100和包壳120之间的冶金结合可以提供对裂变气体释放的额外屏障。
根据各个实施方式，一个或多个燃料元件20的燃料内核100(或包壳120或燃料元件20的其它合适部分)可以与可燃性毒物如钆、硼、铒或其它合适的中子吸收材料形成合金以形成一体的可燃毒物燃料元件。燃料组件10中不同的燃料元件20可以利用不同的可燃毒物和/或不同量的可燃毒物。例如，燃料组件10中的一些燃料元件20(例如，小于75％、小于50％、小于20％、1至15％、1至12％、2至12％等)可以包括25、20、和/或15重量百分比或更少的钆Gd(如1至25重量百分比、1至15重量百分比、5至15重量百分比等)的内核100。燃料组件10的其它燃料元件20(含有比利用钆Gd的燃料元件20更大数量的燃料元件20，例如10至95％、10至50％、20至50％)可以包括具有10或5重量百分比或更少的铒Er(例如，0.1至10.0重量百分比，0.1至5.0重量百分比等)的内核100。
根据各个实施方式，可燃性毒物替换了与燃料元件20有关的燃料材料(而不是高熔点金属)，所述燃料元件20在它们的内核100中不包括可燃性毒物。例如，根据其内核100在没有毒物的情况下还含有65体积百分比的锆和35体积百分比的铀的燃料元件20的一个实施方式，该燃料元件20包括具有16.5体积百分比的钆Gd、65体积百分比的锆和18.5体积百分比的铀的内核100。根据一个或多个其它实施方式，可燃性毒物改为替换高熔点金属，而不是燃料材料。根据一个或多个其它实施方式，内核100中的可燃性毒物按比例替换了高熔点金属和燃料材料。因此，根据这些实施方式的各种实施方式，燃料内核100中的可燃性毒物可被设置在UZr2的δ相或Zr的α相中，以使可燃性毒物的存在不改变其中设置了可燃性毒物的UZr2合金或Zr合金的相。
内核100中含有可燃性毒物的燃料元件20可组成用于反应堆堆芯中的一个或多个燃料组件10的燃料元件20的一部分(例如，0至100％、1至99％、1至50％等等)。例如，带有可燃性毒物的燃料元件20可被定位在组件10的燃料组件格子中的重要位置(该组件10还包括没有可燃性毒物的燃料元件20)，以便在操作周期的早期提供配电控制和减少可溶硼的浓度。同样地，选择包括带有可燃性毒物的燃料元件20的燃料组件10可以定位在反应堆堆芯内相对于组件10(该组件10不包括带有可燃性毒物的燃料元件20)的重要位置上，以便在操作周期的早期提供配电控制和减少可溶硼的浓度。使用这种一体的可燃吸收体可以促进延长的操作周期的设计。
可替代地/和另外地，燃料组件10中可包括单独的非燃料承载的可燃毒物棒(例如，与燃料元件20相邻的，代替一个或多个燃料元件20的，插入到不接收控制棒的燃料组件10中的引导管中的，等等)。在一个或多个实施方式中，这种非燃料的可燃毒物棒可以被设计成类似于在Babcock和Wilcox或Westinghouse设计的反应堆中使用的蛛状组件(称作可燃毒物棒组件(BPRA))。这些可燃毒物棒然后可以被插入到控制棒引导管中并被锁定到选择的燃料组件10中，在这里没有对于反应性控制的初始操作循环的控制组。当使用可燃毒物簇时，该簇在燃料组件移往下一个燃料循环时可以被去除。根据其中单独的非燃料承载的可燃毒物棒被定位以取代一个或多个燃料元件20的替换实施方式，非燃料的可燃毒物棒保持在燃料组件10中并且在燃料组件10达到其使用寿命时，与其它燃料元件20一起被排出。
燃料元件20通过粉末冶金共挤出制造。典型地，用于燃料内核100的粉末状高熔点金属和粉末状金属燃料材料(以及粉末状可燃毒物，如果包含于内核100中)被混合，置换器110的坯件被定位在粉末混合物中，然后压制该粉末和置换器110的组合并烧结成燃料芯料/坯段(billet)(例如，在模具中在不同的时间周期内被加热到不同程度以烧结该混合物)。置换器110的坯件可具有与最终形成的置换器110相同或相似的横截面形状。可替代地，置换器110的坯件可具有被设计成在挤出时可变形为置换器110的预定横截面形状的形状。燃料芯料(包括置换器110和烧结的燃料内核100的材料)被插入到包壳120的中空管中，该中空管具有密封的管座和在另一端的开口。然后，另一端的开口通过用与包壳相同的材料制成的端塞密封，以形成坯段。坯段可以是圆柱形的，或者可以具有更接近类似于元件20的最终横截面形状的形状，例如，如图5和9所示。然后将坯段在温度和压力下通过模具共挤出，以形成包括最终形状的内核100、包壳110、和置换器120的元件20。根据利用非圆柱形置换器110的各个实施方式，坯段可以相对于挤压模具被正确定位，使得置换器110的拐角与燃料元件20的突叶20b对准。挤出过程可通过直接挤出(即，移动坯段通过固定模具)或间接挤出(即，朝固定坯段移动模具)进行。该过程导致包壳120被冶金结合到燃料内核100上，这降低了包壳120从燃料内核100脱层的危险。包壳120的管和端塞彼此冶金结合，以将燃料内核100密封在包壳120内。燃料元件10中使用的高熔点金属的高熔点趋向于粉末冶金地进行用于由这些金属制造部件的选定方法。
根据一个或多个替换实施方式，燃料元件20的燃料芯料可通过铸造而不是烧结制造。粉末状或整体式高熔点金属和粉末状或整体式燃料材料(以及粉末状可燃毒物(如果包括在内核100中))可以混合、熔化并铸入模具中。模具可以在铸造的内核100中形成置换器-坯件形式的空隙，使得置换器110的坯件可以在内核100铸造后以与包壳120被加入而形成待挤出的坯段相同的方式被插入。制造燃料元件20的其余步骤可以与利用烧结而不是铸造的上述讨论的实施方式保持相同或类似。随后的挤出导致置换器110和内核100之间以及内核100和包壳120之间冶金结合。
根据一个或多个替换实施方式，燃料元件20是使用粉末状陶瓷燃料材料代替粉末状金属燃料材料制造的。其余制造步骤可以与上面所讨论的关于使用粉末状金属燃料材料的实施方式相同。在各种金属燃料实施方式和陶瓷燃料实施方式中，该制造方法可能会产生包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料的燃料内核100。在金属燃料实施方式中的一个或多个实施方式中，所形成的燃料内核100包括含有金属燃料材料和金属非燃料材料基体的合金(例如，铀-锆合金)的金属燃料合金内核。在陶瓷燃料实施方式中的一个或多个实施方式中，内核100包括在金属非燃料材料基体中设置(例如，散布在整个中)的陶瓷燃料材料。根据各个实施方式，在制造过程中使用的陶瓷燃料材料可以包括粉末状的铀或钚的氧化物、粉末状的铀或钚的氮化物、粉末状的铀或钚的碳化物、粉末状的铀或钚的氢化物、或其组合。与其中二氧化铀(UO2)芯块被设置在管中的常规二氧化铀燃料元件相比，根据本发明的一个或多个实施方式的制造方法产生了设置在非燃料材料的固体基体(例如，锆基体)中的陶瓷燃料。
如图4所示，螺旋肋130的轴向螺旋节距根据将相邻燃料元件10的轴线以与燃料元件的横截面中的对角宽度相等的间隔进行放置的情况选择并且可以是燃料元件20的长度的5％至20％。根据一个实施方式，节距(即，突叶/肋完成完整旋转的轴向长度)为约21.5厘米，而元件20的有效全长度为约420厘米。如图3所示，提供了燃料元件10的竖直布置的稳定性：在底部-由下固定板70提供；在顶部-由上固定板80提供；以及相对于堆芯的高度-由围板30提供。如图1所示，燃料元件10具有周向定向，使得任何两个相邻的燃料元件10的叶形轮廓具有共同的对称平面，该对称平面通过燃料元件束的至少一个横截面上的两个相邻的燃料元件10的轴线。
如图1所示，燃料元件20的螺旋形扭转与它们的方向共同确保存在一个或多个自间隔平面。如图1所示，在这样的自间隔平面中，相邻元件20的肋彼此接触以确保这些元件20之间适当间隔。因此，元件20的中心到中心的间隔将与每个元件20的拐角到拐角的宽度大致相等(在图5中示出的元件中为12.6毫米)。取决于每个燃料元件20中的突叶20b的数量以及燃料元件20的相对几何排列，所有相邻的燃料元件20或仅一部分相邻燃料元件20将彼此接触。例如，在所示的四叶形实施方式中，每个燃料元件20都与所有四个相邻的燃料元件20在每个自间隔平面处相接触。然而，在其中燃料元件被布置成六边形图案的三叶形燃料元件的实施方式中，在给定的自间隔平面中，每个燃料元件将只接触六个相邻燃料元件中的三个。三叶形燃料元件将在下一个轴向隔开的自间隔平面内接触其它三个相邻的燃料元件(即从前述的自间隔平面偏移1/6圈)。
在其中n个燃料元件与特定的燃料元件20相邻的n叶形元件20中，在每1/n的螺旋形圈内将存在自间隔平面(例如，对于四叶形元件20，每1/4螺旋圈布置在正方形图案中，使得四个其它燃料元件20与该燃料元件20相邻；对于三叶形元件20，每1/3螺旋圈使得三个燃料元件与该燃料元件相邻(即，即，围绕燃料元件周边的每120度))。可修改螺旋的节距以在燃料元件20的轴向长度上形成更多或更少的自间隔平面。根据一个实施方式，每个四叶形燃料元件20包括多个扭转，以使在燃料元件20的束的轴向长度上具有多个自间隔平面。
在所示的实施方式中，所有的元件20都沿相同的方向扭转。然而，根据替换实施方式，相邻的元件20可以沿相反的方向扭转而不脱离本发明的范围。
沿着燃料棒长度的自间隔平面的数量的公式如下：
N＝n*L/h，其中：
L-燃料棒长度
n-突叶(肋)的数量和与一燃料元件相邻的燃料元件的数量
h-螺线扭转节矩
如果突叶的数量和与一燃料元件相邻的燃料元件的数量不同时，该公式略有不同。
作为这样的自间隔的结果，燃料组件10可以省略隔离格栅，否则这样的隔离格栅可能是确保沿组件10的长度适当元件间隔所必需的。通过消除隔离格栅，冷却剂可以更自由地流过组件10，这有利地增加了从元件20到冷却剂的热传递。然而，根据本发明的替换实施方式，组件10可以包括隔离格栅或多个隔离格栅而不脱离本发明的范围。
如图3所示，围板30形成了沿着燃料元件20的整个长度轴向延伸并围绕元件20的管状外壳。然而，根据本发明的替换实施方式，围板30可以包括轴向间隔开的条带，每个条带都围绕燃料元件20。一个或多个这样的条带可与自间隔平面轴向对准。轴向延伸的拐角支撑件可以在这些轴向间隔开的条带之间延伸，以支撑条带，保持条带的对准，并加强组件。可替代地/和另外地，在围板30不需要或不期望被支撑的地方，可以在其它的管状/多边形的围板30中切割出孔。使用全围板30可促进流经每个独立燃料组件10的单独的冷却剂流的更好控制。相反，使用条带或带孔的围板可促进相邻的燃料组件10之间的更好的冷却剂混合，这可以有利地降低相邻燃料组件10之间的冷却剂温度梯度。
如图1所示，围板30的横截面周边具有容纳其中使用组件10的反应堆的形状。在使用正方形燃料组件的反应堆、例如AP-1000中，围板具有正方形横截面。然而，可替代地，围板30可以采取其它任何合适的形状，这取决于使用它的反应堆(例如，用于VVER反应堆中的六边形形状(例如，如美国专利申请公开号2009/0252278A1的图1所示))。
引导管40提供了基于碳化硼(B4C)、银铟镉(Ag、In、Cd)，钛酸镝(Dy2O3·TiO2)或其它用于反应性控制的合适的合金或材料的控制性吸收体元件(未示出)和基于碳化硼、氧化钆(Gd2O3)或其它合适的材料的可燃性吸收体元件(未示出)的插入，并且被放置在具有弹性轴向位移能力的上接管50中。引导管40可以包括锆合金。例如，图1中显示的引导管40的布置就是用于AP-1000反应堆的布置(例如，在17×17格栅中所示的位置处24根引导管布置成两个环形排)。
框架25的形状、尺寸和特性取决于要使用组件10的特定反应堆堆芯。因此，本领域普通技术人员将能理解如何制作用于组件10的适当形状和尺寸的框架。例如，框架25可以被成形并构造成装配到常规核电站的反应堆堆芯中以代替用于核电站的反应堆堆芯的常规氧化铀或混合氧化物燃料组件。核电站可以包括2010年之前已实际使用的(例如，2、3或4回路PWR；BWR-4)反应堆堆芯设计。可替代地，核电站可以具有专门为使用燃料组件10所定制的全新设计。
如上所解释的那样，所示的燃料组件10被设计用于AP-1000或EPR反应堆中。该组件包括17×17阵列的燃料元件20，如上所解释的那样，对于EPR中总共265个燃料元件20或对于AP-1000中总共264个燃料元件20，其中24个被引导管40所替换(在AP-1000中，除了24个燃料元件被引导管替换外，中央的燃料元件也被测试管所替换)。
优选地，元件20提供了燃料组件10的总裂变材料的100％。可替代地，组件10的某些裂变材料可以由除燃料元件20之外的燃料元件提供(例如，非叶形燃料元件、氧化铀元件、具有不同于元件20的燃料比和/或富集度的元件)。根据各个这样的替换实施方式，燃料元件20提供了燃料组件10中总裂变材料的以体积计的至少50％、60％、70％、75％、80％、85％、90％、和/或95％。
根据本发明的一个或多个实施方式的金属燃料元件20的使用促进了与常规用于轻水核反应堆(LWR)(包括沸水反应堆和加压水反应堆)、如Westinghouse设计的AP-1000、AREVA设计的EPR反应堆、或GE设计的ABWR中的氧化铀或混合氧化物燃料相比的各种优点。例如，根据一个或多个实施方式，通过用全金属的燃料元件20和/或燃料组件10代替目前在现有类型的LWR或已提出的新型LWR中使用的标准氧化铀燃料和燃料组件，基于标准氧化铀或混合氧化物燃料操作的LWR的额定功率可以增加高达约30％。
用于提高以标准氧化铀燃料操作的LWR的额定功率的主要限制之一是这种燃料所使用的圆柱形燃料元件的表面积小。对于任何类型的燃料元件的横截面轮廓，圆柱形燃料元件的表面积与体积比率最小。对于标准氧化铀燃料的另一个主要限制是在满足可接受的燃料性能标准的同时，这样的燃料元件可能会达到相对低的燃耗。结果，与标准氧化铀或混合氧化物燃料相关的这些因素显著限制了现有的反应堆的额定功率可以增加的程度。
全金属燃料元件20的一个或多个实施方式克服了上述限制。例如，如上所解释的，隔离格栅的缺乏可能会降低水力阻力，并因此增加冷却剂流动和从元件20到主冷却剂的热通量。燃料元件20的螺旋扭转可以增加冷却剂的掺混和湍流，这也可以增加从元件20到主冷却剂的热通量。
根据本发明的一个或多个实施方式，初步的中子和热水力分析已经表明了以下几点：
·LWR反应堆的热额定功率可提高高达30.7％或更多(例如，EPR反应堆的热额定功率可以从4.59GWth提高至6.0GWth)。
·对于铀体积分数为25％的铀-锆混合物和19.7％的铀-235富集度，具有四叶形金属燃料元件20构造的EPR反应堆堆芯可以在提高的热额定功率为6.0GWth下运行约500到520有效满功率天(EFPD)(如果每批次替换72个燃料组件(每18个月一次))或者运行约540-560有效满功率天(EFPD)(如果每批次替换80个燃料组件(每18个月一次))。
·由于多叶形燃料元件的表面积增加，即使在增加的额定功率为6.0GWth下，多叶形燃料元件的平均表面热通量显示为比在热额定功率为4.59GWth下操作的圆柱形氧化铀燃料元件低4至5％。相对于临界热通量，这可以提供增加的安全裕量(例如，增加PWR的偏离泡核沸腾裕量或BWR的最大分数限制临界功率比率)。此外，这将允许每个组件可以使用12个具有可燃毒物的燃料元件。可燃毒物可用于除去在循环开始时过量的反应性或可用于增加堆芯加热期间的多普勒效应。
·因此，与常规氧化铀或混合氧化物燃料组件相比，燃料组件10可在较低的燃料操作温度下提供更大的热功率输出。
为了利用组件10的增加的功率输出，常规电站可以升级(例如，更大和/或额外的冷却剂泵、蒸汽发生器、热交换器、加压器、汽轮机)。事实上，根据一个或多个实施方式，所述升级可从现有的反应堆中提供30％至40％的更多的电力。这种可能性可避免建造完整的第二个反应堆的需要。通过增加的电力输出可以很快偿还改造成本。可替代地，可以建造包括足够特征的新发电站，以处理和利用组件10的更高的热输出。
此外，本发明的一个或多个实施方式可以允许LWR在与使用标准氧化铀或混合氧化物燃料相同的额定功率下，使用没有任何大的反应堆改造的现有反应堆系统进行操作。例如，根据一个实施方式：
·EPR将具有与使用常规氧化铀燃料相同的功率输出：4.59GWt；
·对于铀体积分数为25％的铀-锆混合物和约15％的铀-235富集度，具有四叶形金属燃料元件20构造的EPR反应堆堆芯可以运行约500到520有效满功率天(EFPD)(如果每批次替换72个燃料组件)或者运行约540-560有效满功率天(EFPD)(如果每批次替换80个燃料组件)。
·与具有常规氧化铀燃料的圆柱形棒相比(例如，39.94对57.34W/cm2)，元件20的平均表面热通量减少了约30％。因为通过组件10的冷却剂的温度上升(例如，在入口和出口温度之间的差异)和通过组件10的冷却剂的流动速率相对于常规燃料组件大致保持相同，所以减少的平均表面热通量导致燃料棒表面温度的相应降低，这有助于增加临界热通量的安全裕量(例如，增加PWR中的偏离泡核沸腾裕量或BWR的最高分数限制的临界功率比率)。
另外地/和可替代地，根据本发明的一个或多个实施方式的燃料组件10可以分阶段/阶梯地加入到反应堆堆芯中以替换常规燃料组件。在过渡期间，具有与常规燃料组件相当的裂变/中子/热输出的燃料组件10可以经过连续的燃料变化逐步取代这样的常规燃料组件，无需改变电站的运行参数。因此，燃料组件10可改装到现有的堆芯中，这在过渡期间可能是很重要的(即从使用燃料组件10的部分堆芯开始，逐步过渡到燃料组件10的完整堆芯)。
此外，组件10的裂变载荷可以调整到工厂操作员所期望的特定过渡。例如，相对于使用组件10所替换的常规燃料组件，裂变载荷可以适当增加，以使反应堆的热输出增加0％到30％中的任何数值或更高。因此，电站操作员可以基于现有工厂设施或电站在升级期间的各个时间的能力，选择所需的特定提高功率。
燃料组件10和燃料元件20的一个或多个实施方式可以用于快中子反应堆(相对于轻水反应堆)中而不脱离本发明的范围。在快中子反应堆中，燃料内核100的非燃料金属优选是高熔点金属，例如钼合金(例如，纯钼或钼和其它金属的组合)，包壳120优选是不锈钢(包括其任何合金变体)或适合在这样的反应堆中与冷却剂一起使用的其它材料(例如，钠)。这样的燃料元件20可以通过上面讨论的共挤出方法制造或通过任何其它适当的方法(例如，真空熔制)制造。
如图7A、7B和8所示，根据本发明的一个或多个实施方式的燃料组件510可用于加压重水反应堆500(参见图8)、例如CANDU反应堆中。
如图7A和7B所示，燃料组件510包括安装至框架520的多个燃料元件20。框架520包括安装到燃料元件20的相对轴向两端的两个端板520a、520b(例如，通过焊接、干涉配合、和上述的用于将元件20附接到下固定板70的各种不同附接方法中的任何方法)。燃料组件510中所使用的元件20典型地比组件10中所使用的元件20要短得多。根据各个实施方式和反应堆500，反应堆500中所使用的元件20和组件510可以为大约18英寸长。
元件20可相对于彼此定位在组件510中，以使自间隔平面按照上面描述的关于组件10的方式保持元件20之间的间隔。可替代地，组件510中的元件20可以这样彼此间隔以使相邻的元件20从不相互接触，而不是完全依赖框架520来保持元件20的间隔。此外，可以在沿元件20的轴向长度上的不同位置处，在元件20或其肋上附接隔离件以接触相邻的元件20并有助于保持元件20间隔(例如，以隔离件使用在用于加压重水反应堆的常规燃料组件中的常规燃料棒上以帮助保持棒间隔的方式类似的方式)。
如图8所示，组件510被进给至反应堆500的排管500a中(在本领域中有时称为排管500)。反应堆500使用重水500b作为慢化剂和主冷却剂。主冷却剂500b水平地循环通过排管500a，然后到达热交换器，在这里，热量被传递到通常用于通过涡轮机发电的二级冷却剂回路。使用燃料组件加载机构(未示出)将燃料组件510加载到排管500a的一侧并将耗尽的组件510推出排管500a的相对一侧，通常同时反应堆500在运行。
对于现有的、常规的加压重水反应堆(例如，CANDU反应堆)，燃料组件510可以被设计成常规燃料组件(在本领域中也被称为燃料束)的直接替代品。在这样的实施方式中，组件510被进给到反应堆500中以替代常规的组件/束。这种燃料组件510可以被设计为具有与被替换的常规组件类似的的中子/热性能。可替代地，燃料组件510可被设计为提供热功率提升。在这样的提升实施方式中，可以设计新的或升级的反应堆500以适应更高的热输出。
根据本发明的各个实施方式，燃料组件10被设计成代替常规核反应堆的常规燃料组件。例如，图1中示出的燃料组件10是专门设计成取代利用17×17阵列的二氧化铀燃料棒的常规燃料组件。如果组件10的引导管40保留在与常规燃料组件可能使用的完全相同的位置上，并且如果所有的燃料元件20具有相同的尺寸，那么常规二氧化铀燃料组件和一个或多个实施方式中的燃料组件10之间的燃料元件/棒之间的心距保持不变(例如，12.6毫米的心距)。换句话说，燃料元件20的纵向轴线可以设置在与相当的常规燃料组件中常规UO2燃料棒的纵向轴线将处的位置相同的位置。根据各个实施方式，燃料元件20可以具有比相当的UO2燃料棒更大的外接直径(例如，12.6毫米相比于典型二氧化铀燃料棒外径9.5毫米)。结果，在图1所示的自对准平面中，燃料元件20所占据的空间的横截面长度和宽度可以比常规燃料组件中的UO2燃料棒所占据的空间稍大(例如，燃料组件10为214.2毫米(即，17个燃料元件20×12.6毫米(每个燃料元件的外接圆直径)，与之相对的是常规UO2燃料组件为211.1毫米，其包括彼此由12.6毫米心距分开的9.5毫米的二氧化铀燃料棒的17×17阵列)。在常规UO2燃料组件中，隔离格栅围绕燃料棒并将常规燃料组件的总横截面封壳增加至214毫米×214毫米。在燃料组件10中，围板30同样也增加了燃料组件10的横截面封壳。围板30以是任何合适的厚度(例如，0.5毫米或1.0毫米厚)。在采用1.0毫米厚的围板30的实施方式中，燃料组件10的实施方式的整个横截面封壳可以是216.2毫米×216.2毫米(例如，由17个直径为12.6毫米的燃料元件20所占据的214毫米，加上两倍的围板30的1.0毫米的厚度)。结果，根据本发明的一个或多个实施方式，燃料组件10可以稍微大于(例如，216.2毫米×216.2毫米)典型UO2燃料组件(214毫米×214毫米)。较大的尺寸可能会削弱组件10正确地装配到一个或多个被设计用于与常规UO2燃料组件一起使用的常规反应堆的燃料组件位置中的能力。为了适应这种尺寸的变化，根据本发明的一个或多个实施方式，可以设计并建造新的反应堆以适应燃料组件10的更大的尺寸。
根据本发明的替换实施方式，所有燃料元件20的外接直径可以稍微降低，以便降低燃料组件10的总体横截面尺寸。例如，每个燃料元件20的外接直径可以减少0.13毫米到12.47毫米，以使燃料组件10所占据的空间的总体横截面与常规214毫米×214毫米的燃料组件保持相当(例如，17个直径为12.47毫米的燃料元件20加2个1.0毫米厚的围板厚度，共约214毫米)。相对于常规燃料组件中的引导管位置，这样的17×17阵列的尺寸减小将会略微改变燃料组件10中引导管40的位置。为了适应引导管40位置的这种略微的位置变化，反应堆中相应的控制棒阵列和控制棒驱动机构的位置也可以类似的移位，以适应重新定位的引导管40。可替代地，如果给常规反应堆中的控制棒提供足够的间隙和公差，则常规定位的控制棒可以充分适合燃料组件10的略微移位的引导管40。
可替代地，燃料元件20的外周直径可以略有减小，以使整个组件10装配到为常规燃料组件设计的常规反应堆中。例如，外排的燃料元件20的外接直径可以减少1.1毫米，以使燃料组件的总尺寸为214毫米×214毫米(例如，15个12.6毫米的燃料元件20加2个11.5毫米的燃料元件20加2个厚度为1.0毫米的围板30)。可替代地，外两排的燃料元件20的外接直径可以每个减小0.55毫米，以使燃料组件的总尺寸保持为214毫米×214毫米(例如，13个12.6毫米的燃料元件20加4个12.05毫米的燃料组件加2个厚度为1.0毫米的围板30)。在每个实施方式中，燃料元件20和引导管40的中央13×13阵列的心距和位置保持不变，以使常规反应堆中引导管40与控制棒阵列和控制棒驱动机构对准。
图10示出了根据本发明的替换实施方式的燃料组件610。根据各个实施方式，燃料组件610被设计成代替常规反应堆中的常规UO2燃料组件，同时保持控制棒在设计成与各种常规UO2燃料组件一起使用的反应堆中的定位。通常，燃料组件610类似于燃料组件10(这在上面描述过并示于图1中)，但包括几个不同，这些不同帮助组件610更好地装配到一个或多个现有的反应堆类型(例如，使用利用17×17阵列的UO2棒的Westinghouse燃料组件设计的反应堆)中，而不改变控制棒位置或控制棒驱动机构。
如图10所示，燃料组件包括17×17阵列的空间。中央的15×15阵列由200个燃料元件20和25个引导管40占据，如上有关图1中示出的类似的燃料组件10所描述的那样。取决于特定的反应堆设计，如果在反应堆设计没有利用中央管40(即，201个燃料元件20和24个引导管40)，中央引导管40可以由额外的燃料元件20取代。引导管40的位置对应于在设计成使用常规UO2燃料组件的反应堆中使用的引导管位置。
燃料组件610的17×17阵列/图案的外周位置(即，从燃料元件20侧向向外设置的位置)由64个UO2燃料元件/棒650所占据。正如本领域中已知的，燃料棒650可以包括设置在空心棒中的标准UO2芯块状燃料。UO2芯块状燃料中富集的U-235可以小于20％，小于15％，小于10％，和/或小于5％。棒650可以具有比燃料元件20的外接直径稍微更小的直径(例如，9.50毫米)，这稍微降低了燃料组件610的总体横截面尺寸，从而使组件610更好地装配到为常规UO2燃料组件所分配的空间中。
在所示的实施方式中，燃料棒/元件650包括UO2芯块状燃料。然而，燃料棒/元件650可以可替代地利用任何其它合适的一种或多种裂变和/或能产生裂变材料的材料(如钍，钚，铀-235，铀-233，它们的任意组合)的组合。这种燃料棒/元件650可包括金属和/或氧化物燃料。
根据一个或多个替换实施方式，燃料棒650可以占据少于所有64个外周位置。例如，燃料棒650可以占据外周的顶行和左列，而外周底行和右列可以由燃料元件20占据。可替代地，燃料棒650可以占据燃料组件外周的任何其它两边。围板630可以被修改以便包围燃料组件外周中的另外的燃料元件20。这种修改的燃料组件可以彼此相邻定位，使得在一个组件中的外周燃料元件650的行/列始终与相邻的燃料组件中的燃料元件20的行/列相邻。结果，相邻组件之间的界面稍微朝向包括位于外周界面侧中的燃料元件650的组件移位，这一事实给燃料组件提供了额外的空间。这样的修改提供了比燃料组件610所提供的更多数量的更高热量输出的燃料元件20的使用。
围板630包围燃料元件20的阵列并将元件20与元件650分开。相对于围板630外及流经相对较低热量输出的燃料棒650的流速，接管50、60、围板630、在其间形成的冷却剂通道、通过元件20和元件650的相对压降、和/或通过围绕元件650的隔离格栅660(下面讨论)的增大的压降可能在围板630内及流经更高热量输出的燃料元件20产生更高的冷却剂流速。基于相应的热量输出和所设计的操作温度，可以设计其中的通路和/或孔以优化流经元件20、650的相对冷却剂流速。
根据各个实施方式，燃料组件610的燃料元件20的慢化剂与燃料比率小于或等于2.7、2.6、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、和/或1.8。在所示的实施方式中，慢化剂与燃料比率等于(1)围板630内可用于冷却剂/慢化剂的总面积(例如，近似于围板630内总横截面面积减去由燃料元件20所占据的总横截面积(假设引导管40填充了冷却剂))与(2)围板630内燃料元件20的内核100的总横截面面积之比。
根据本发明的替换实施方式，如上所述，围板630可以被一个或多个环形带所替换或在围板630内可以设置孔。在围板630中带和孔的使用可以促进冷却剂在燃料元件20和燃料元件650之间交叉混合。
如图10所示，燃料元件650被设置在环状的隔离格栅660中，该隔离格栅660基本上与常规UO2燃料组件中使用的隔离格栅的外部分相当。隔离格栅660可紧密地连接至围板630(例如，通过焊接、螺栓、螺钉或其它紧固件)。隔离格栅660的尺寸优选设计成在燃料元件650和燃料元件20之间提供与中央的燃料元件20之间所提供的相同的心距(例如，所有燃料元件20、650的轴线之间的心距为12.6毫米)。为提供这样的间隔，相比围板630和隔离格栅660的内侧，燃料元件650被设置成更靠近隔离格栅660的外侧。燃料组件610和隔离格栅660的尺寸和位置也优选设计成使得相邻燃料组件的燃料元件650之间具有相同的心距(例如，心距为12.6毫米)。然而，任何的燃料元件20、650之间的间隔可以相对于其它燃料元件20、650之间的间距变化而不脱离本发明的范围。
根据各个实施方式，燃料元件20提供了燃料组件610中所有含裂变材料的燃料元件20、650的总体积的至少60％、65％、70％、75％、和/或80％。例如，根据其中燃料组件610包括201个每个均具有约70平方毫米的横截面面积的燃料元件20和64个每个均具有9.5毫米的直径的燃料元件650的一个或多个实施方式，燃料元件20提供了所有燃料元件20、650的总体积的约75.6％(201个燃料元件20×70平方毫米等于14070平方毫米；64个燃料元件650×π×(9.5/2)2＝4534平方毫米；燃料元件20、650的面积基本上正比于燃料元件的体积(14070平方毫米/(14070平方毫米+4534平方毫米)＝75.6％))。
燃料组件610的高度与组件610可以替换的相当的常规燃料组件的高度相匹配(例如，为Westinghouse或AREVA反应堆设计的标准燃料组件的高度)。
所示的燃料组件610可以用于17×17PWR中，例如Westinghouse4回路设计、AP1000或AREVAEPR。然而，燃料组件610的设计也可以被修改，以适应各种其它反应堆设计(例如，使用六边形燃料组件的反应堆设计，在这种情况下，该六边形的外周由UO2棒所占据，而内部位置由燃料元件20或沸水反应堆或小型模块化反应堆所占据)。虽然对于特定的实施方式描述了特定尺寸，但是，可以结合各种反应堆或反应堆类型使用具有各种可替代尺寸的燃料元件20、650和燃料组件10而不脱离本发明的范围。
取决于特定反应堆设计，燃料组件的附加棒的位置可替换为UO2棒。例如，虽然燃料组件610仅在外周行中包括UO2棒，但是组件610在外侧两行中可以可替代地包括UO2棒而不脱离本发明的范围。
根据各个实施方式，燃料组件610的支撑燃料元件650的部分与燃料组件610的支撑燃料元件20的部分是不可分开的。根据各个实施方式，燃料元件20作为一个单元不能与燃料组件610的燃料元件650分开(虽然可从组件610中移除各个独立的燃料元件20和650，例如，基于各个独立的燃料元件的故障而移除)。同样，没有选择性地将燃料组件的燃料元件650的部分锁定到燃料组件610的燃料元件20的部分的锁定机构。根据各个实施方式，燃料组件610的燃料元件20和燃料元件650具有相同的设计生命周期，使得整个燃料组件610被用于反应堆内，然后作为单个耗尽单元移除。
根据各个实施方式，相对于组件610所取代的常规全UO2燃料棒组件，燃料组件610内的燃料元件20的增加的热量输出可以提供功率提升。根据各个实施方式，功率提升为至少5％、10％、和/或15％。根据各种实施方式，功率提升可以在1到30％、5到25％、和/或10到20％之间。根据各个实施方式，燃料组件610提供至少18个月的燃料循环，但也可以促进而使燃料循环延长到24个月以上或36个月以上。根据燃料组件610的实施方式，其使用具有上面讨论的有关图10中所示的元件20的示例参数的燃料元件20，在下表中确定的运行参数下，组件17提供了相对于常规UO2燃料组件17％的提升。
AREVA EPR反应堆的操作参数 值 单位
反应堆功率 5.37 GWt
燃料周期长度 18 月
再装载的批量大小 1/3 堆芯
燃料元件20的富集度 ＜19.7 w/o
棒650的UO2富集度 ≤5 w/o
冷却剂流速 117％ rν
rν＝参考值
图11-13示出了根据本发明的替换实施方式的燃料组件710。根据各个实施方式，燃料组件710设计成替换常规反应堆中的常规UO2燃料组件，同时保持该反应堆的基于常规UO2燃料的控制棒位置。燃料组件710基本上与燃料组件610类似或相同，区别在于，位于燃料组件610的外周行中的UO2棒650被替换为金属燃料元件730、740。如下面所解释的，燃料元件730、740被改变以帮助组件710较好地装配到一种或多种现有的反应堆类型中(例如，利用了Westinghouse燃料组件设计的反应堆，其使用了17×17阵列的UO2棒)，无需改变控制棒位置、控制棒驱动机构或燃料组件的外尺寸。燃料元件730、740限定了燃料组件710的全部燃料元件20、730、740的子集，其中，该子集沿着燃料组件17的17×17格栅图案的外周行/外周边/外环的格栅位置设置。
图11是显示在自间隔平面中的燃料组件710的局部横截面视图。燃料元件20、730、740布置成使得它们的中心轴线设置在正方形17×17格栅图案中。在所示的实施方式中，燃料组件710中任何两个相邻的燃料元件20、730、740之间的中心线到中心线间隔优选是相同的(例如，12.6毫米)并且与燃料元件20、730、740的外接直径相匹配。为了装配到带有常规引导管40部位的常规反应堆(例如，AP-1000)中可利用的空间封壳中，燃料元件730、740的外侧的尺寸侧向地减小以便装配到围板750内。在图11中，侧向减小的区域用点线示出。
如图13A和13B所示，燃料元件20和730是类似的并且优选地具有相同的外接直径(例如，12.6毫米)，其有利于燃料元件20、730之间的自间隔。燃料元件730可以与燃料元件20类似或相同，不同之处在于：(1)燃料元件730的燃料内核760小于燃料元件20的燃料内核100，(2)燃料元件730的包壳770平均比燃料元件20的包壳120厚，并且(3)包壳770的一个圆周侧部770a已经相对于其它圆周侧部在侧向上减小，以移除原始包壳770的一部分770b。
通过使该燃料内核760更小并且使该包壳770更厚，使得包壳770的该部分770b能够被移除，同时确保包壳770围绕内核760的层足够厚。根据各个实施方式，在整个燃料元件730上，包壳700的厚度为至少0.4毫米、0.5毫米、和/或0.6毫米。
被移除的部分770b优选在燃料元件730成形为螺旋叶型形状之后被移除。被移除的部分770b可以以任何适合的方式被移除(例如，研磨、珩磨、铣等等)。由于该螺旋的缘故，被移除的部分770b将从燃料元件730的突叶中的多个突叶上的周向对齐部分移除。换句话说，包壳770的突叶的部分770b在这样的区域被移除，在该区域中，突叶设置在燃料元件730的将邻近并抵接围板750的侧部770a处。由于燃料元件730的这种螺旋扭转，包壳770没有从燃料元件730均匀地移除，而是仅在紧密接触由围板750限定的组件710的封壳边界的突叶的末端770a处被移除。根据各个实施方式，被移除的部分770b的径向缩短距离780可以为燃料元件730的外接直径D的至少2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％和/或10％，和/或小于燃料元件730的外接直径D的30％、20％和/或15％。根据各个实施方式，该径向缩短距离780可以为至少0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2和/或1.3毫米，和/或小于4.0、3.0、2.0和/或1.5毫米。
根据替换实施方式，燃料元件730可以原始就成形为其最终形状，使得被移除的部分770b从来就不存在，因而不需要被移除。
如图11所示，拐角的燃料元件740可以与侧部的燃料元件730本质上相同，不同之处在于，燃料元件740的包壳770的两个周向间隔开的侧部770a(而不是如燃料元件730中那样仅仅一个侧部770a)已经被侧向减小以移除部分770b，使得燃料元件740合适地装配到燃料组件710的拐角格栅位置中并抵接围板750的这两个正交侧部。
虽然根据一些非限制性实施方式，燃料元件730、740的燃料内核760的体积(或者在垂直于燃料组件的伸长的轴向方向的横截面上观察的面积)比燃料元件20的内核100小，但是燃料内核730、740保持了由燃料元件20的形状和设计所提供的各种其它优点，正如本文中其它地方所解释的那样。根据各个实施方式，内核760的裂变载荷相对于非外周内核20可以增加(例如，通过更多的高浓缩铀)以补偿内核760的较小体积。
如图13B所示，被移除的部分770b的移除导致燃料元件730、740的几何轴向中心线800(即，外接燃料元件730的螺旋扭转形状的圆的圆心)偏离燃料元件730、740的轴向质心81(和/或包壳770的轴向质心)。根据各个非限制性实施方式，偏移量可以为外接直径D的至少0.1％、0.3％、0.4％、0.5％、1.0％、2.0％、3.0％、4.0％和/或5.0％，和/或小于外接直径D的30％、20％和/或10％。根据各个非限制性实施方式，内核760的轴向质心(参见图13B)保持在燃料元件730的轴向中心线800处。
根据各个实施方式，燃料元件20、730、740的长度在1到5米之间(沿轴向方向测量)，外接直径在6到40毫米之间、在6到30毫米之间、在6到20毫米之间、在9到15毫米之间、和/或为约12.6毫米。根据各个实施方式，燃料元件730、740的轴向长度与它们的外接直径D的比率为至少10∶1、20∶1、30∶1、40∶1、50∶1、100∶1、200∶1、和/或300∶1，和/或小于1000∶1。
在图11所示的自间隔平面中，燃料元件730、740的侧向减小的侧部770a接触围板750，以促进燃料元件20、730、740的自间隔。
图12是在轴向设置在两个自间隔平面之间的一半处的(即，沿着燃料组件710的伸长的长度设置的)平面中显示的燃料组件710的横截面视图。在该平面中，因为燃料元件730、740的突叶与围板750充分间隔开使得燃料元件730、740适合没有材料770b在燃料元件730、740的该轴向位置移除的情况，所以全部包壳770都还没有从燃料元件730、740移除。
虽然所示的燃料元件730、740和燃料组件710设计成用于在利用其中嵌入有特定引导管图案的17×17正方形格栅图案的燃料组件中使用，但是燃料组件710和燃料元件20、730、740可替代地与各种其它类型的反应堆一起使用(例如，利用16×16或14×14格栅图案的反应堆，带有六边形燃料元件格栅图案和燃料组件的反应堆)。例如，如果燃料元件20不适当地装配到在为六边形燃料组件和格栅图案设计的反应堆中使用的燃料组件中，则这样的燃料组件的六边形格栅的外周行可以包括类似燃料元件730、740的燃料元件，这些燃料元件已经被修改，使得它们的外侧部(或多个外侧部)被磨削以装配到特定的所要求的封壳中，优选不用重新定位反应堆的引导管位置。
图14-20示出了根据本发明的替换实施方式的燃料组件910。根据各个实施方式，燃料组件910设计成替换常规反应堆中的常规UO2燃料组件，同时保持该常规反应堆的控制棒位置(例如，到2012年为止在使用的反应堆)。燃料组件910基本上与燃料组件610、710类似或相同，不同之处在于：(1)燃料组件910的所有燃料元件920a、920b、920c、920d在几何结构上优选彼此相同；(2)四个燃料元件被从外周行移除；(3)非拐角外周行中的燃料元件920a的中心线920a'向内移位，以与相邻的非拐角外周的燃料元件(或多个燃料元件)920a的中心线920a'以及最外面的非外周行的燃料元件(或多个燃料元件)920c的中心线920c'形成等边三角形；和(4)外周拐角燃料元件920b的中心线920b'相对于燃料组件610、710的燃料元件740、650向内移位。
如图14所示，所有燃料元件920、920a、920b、920c在几何结构上可以彼此相同，并且都可以包括如上所述的燃料元件20。但是，燃料元件920、920a、920b、920c中的不同燃料元件的裂变载荷可以不同(例如，以使燃料组件910产生的热载荷达到平衡)。燃料元件920a、920b、920c、920d中的每个燃料元件具有相同的外接直径(例如，12.6毫米)。根据替换实施方式，燃料元件920a、920b、920c、920d在几何结构上彼此不相同。
通过侧向向内移位燃料元件920a、920b的外周行/子集，提供了足够的空间，使得具有与燃料元件920a、920b、920c、920d之间的中心线至中心线间隔相同的外接直径的燃料元件920a、920b、920c、920d可以装配到上述常规反应堆中设置的空间封壳内而使用。
如图14所示，用于中央燃料元件920c、920d和引导管40的中央15×15正方形图案的格栅位置与用于反应堆的常规燃料组件的中央15×15正方形图案和位置相匹配。
外周行的燃料元件920a、920c朝着燃料组件910的中央向内侧向移位。该向内移位帮助组件910更好地装配到一个或多个现有的反应堆类型中(例如，利用Westinghouse燃料组件设计的反应堆，其使用了17×17阵列的UO2棒)，不用改变控制棒/引导管40位置、控制棒驱动机构、或燃料组件尺寸。
在图16所示的实施方式中，外接直径为12.6毫米的燃料元件920a被侧向向内移位，使得燃料元件920a的中心线920a'和燃料元件920c的中心线920c'之间的中心至中心距离在沿着中央15×15格栅图案的行/列格栅方向投影时偏移约10.9毫米。倘若燃料元件920a保持常规17×17格栅图案的位置，则偏移量将是12.6毫米，而不是10.9毫米。燃料元件920a的向内移位导致总的行宽度或列宽度为约211毫米(总共15个12.6毫米心距加总共2个10.9毫米心距)，这装配在围板940中的约211毫米的行和列封壳内。当围板940的厚度增加时，燃料组件910的总的行和列宽度适合在由该燃料组件910被设计成所装配的示例性常规反应堆所提供的214毫米的封壳内。
相对于常规燃料组件，从外周行/外环摒弃了四个燃料元件，以便促进燃料元件920a、920b的向内移位。在图14所示的实施方式中，外周行/外环的燃料元件包括56个燃料元件920a和4个燃料元件920b，总共60个燃料元件。供参考，常规17×17燃料组件在外周行/外环格栅位置上将包括64个燃料元件。
如图15所示，紧挨外周的行中的燃料元件920c的轴向中心线920c'和非拐角外周行的燃料元件920a的轴向中心线920a'形成等边三角形，其中，中心至中心距离等于燃料元件920a、920c的外接直径。
如图15-18所示，燃料元件920a、920c和围板940在沿着燃料组件910的不同轴向位置处具有各种不同的局部自间隔平面。在图15和16所示的横截面中，燃料元件920a彼此抵接和自间隔并且抵接围板940并与之自间隔。在图17和18所示的横截面中，每个燃料元件920a与燃料元件920c中的一个抵接并自间隔。总之，当沿图15所示的取向观察时，每个燃料元件920a在0度与围板940(图15中示出)具有自间隔位置；在90度和270度与相邻的燃料元件920a(图15中示出)具有自间隔位置；在150度与一个内部的燃料元件920c(图18中示出)具有自间隔位置；以及在210度与另一个内部的燃料元件920c(图17中示出)具有自间隔位置。这些局部自间隔平面的组合共同提供了燃料元件920a的合适的自间隔。
如图14和15所示，所述多个燃料元件920、920a、920c被布置到混合格栅图案中，该混合格栅图案包括：(1)第一格栅图案(中间15×15阵列的燃料元件920c、920d)，其由成正方形布置的行和列构成，行和列之间的中心线至中心线距离等于燃料元件920a、920b、920c、920d的共同的外接直径D；和(2)第二格栅图案(由燃料元件920a、920c组成的两个外周行)，其由等边三角形组成，其中，每个三角形的各边的长度(即，限定每个三角形的拐角的相邻燃料元件之间的中心线到中心线距离)是燃料元件920a、920b、920c、920d的共同的外接直径D。因此，第二/三角形格栅图案不同于第一/正方形格栅图案。根据替换实施方式，也可以使用另外的和/或可替代的格栅图案(例如长方形栅格图案、等轴三角形(isometrictriangle)图案、平行四边形图案、其它规则重复图案)而不脱离本发明的范围。
燃料元件920a、920b、920c、920d包括不重叠的第一子集(燃料元件920d)、第二子集(燃料元件920a)、第三子集(燃料元件920c)和第四子集(燃料元件920b)。第一子集(燃料元件920d)设置在由第一/正方形格栅图案限定的相应格栅位置内。第二子集(燃料元件920a)设置在由第二/正方形格栅图案限定的相应格栅位置内。第三子集(燃料元件920c)设置在相应的重叠格栅位置内，每个重叠格栅位置均落在第一/正方形格栅图案和第二/三角形格栅图案两者内。第四子集(燃料元件920b)不设置在由第一格栅图案或第二格栅图案所限定的任何格栅位置内。
如图19所示，当投影到行和列方向时，外周拐角的燃料元件920b的中心线920b'到中心线920c'距离为约8.9毫米。如图20所示，对于外接直径为12.6毫米的燃料元件920b来说，这提供了燃料元件920b与在该燃料元件920b的225度位置处的内部相邻的燃料元件920c之间的局部自间隔平面。如图19所示，围板940的拐角可以成形为提供在燃料元件920c与围板940之间在燃料元件920b的大约0度位置和大约90度位置处的两位置局部自间隔平面。这些局部自间隔平面的组合共同提供了燃料元件920b的合适的自间隔。
虽然描述了关于燃料组件910的各种示例性直径、中心到中心间隔、格栅大小及其它尺寸，但是这些示例性值是非限制性的。相反，本领域普通技术人员应当明白，可以使用各种替代值而不脱离本发明的范围。
图21示出了燃料组件1010，其基本上类似于燃料组件910，不同之处在于，燃料组件910中存在的四个外部拐角的燃料元件920b被摒弃和/或替代为引导管1020、1030。
图22-38示出了可以代替图39-44中所述类型的常规/标准16×16燃料组件使用的燃料组件1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010的各个实施方式。这些组件1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010的各个实施方式设计成替换常规轻水PWR反应堆中的常规16×16CombustionEngineering(CE)UO2燃料组件，同时保持该常规CE反应堆(例如，到2012年为止在使用的反应堆)的控制棒位置。
图22示出了根据替换实施方式的燃料组件1110，其目的在于16×16燃料组件设计。该燃料组件1110包括236个燃料元件1120，燃料元件1120可以与上述元件20类似或相同，因而省略元件20、1120的共同方面的重复的论述。根据各个实施方式，燃料组件1110的全部燃料元件1120在几何形状上彼此相同。在可用于替换常规16×16组件(例如，如图39-44所述)的组件1110的反应堆空间中，相邻燃料组件之间设有较大的初始水间隙(例如，5.3毫米)，其中燃料组件心距为207.8毫米。结果，根据各个实施方式，组件1110可以包括相同或大体相同的燃料元件1120，这些燃料元件布置在总共16行的正方形阵列/配置中，不会改变常规定位的引导管的现有位置，同时保持了现有的棒至棒心距，例如0.506英寸(12.852毫米)。根据各个实施方式，组件1110包括围板1130，该围板基本上类似于围板940，但是其大小是用于16×16燃料组件的。根据各个实施方式，围板厚度在0.1到2.0毫米之间，在0.2到0.8毫米之间，在0.3到0.7毫米之间，和/或为约0.48毫米。较薄的围板1130为燃料元件1120和水间隙提供了充分的间隔，同时保持恰当地适用于代替常规16×16燃料组件使用。根据一个或多个实施方式，组件1110装配在容许最大燃料组件封壳/宽度为8.134英寸(206.6毫米)且水间隙为1.2毫米的反应堆内。例如，根据其中燃料元件的心距和宽度为12.852毫米且围板1130的厚度为0.48毫米的一个或多个这样的实施方式，燃料组件1110的宽度为206.95毫米((12.852毫米每个元件×16个元件)+(2×0.48毫米每个围板侧部))，其装配在206.6毫米的封壳内。
如图22所示，组件1110包括五个用于控制棒的引导管1140。如图23所示，每个引导管1140包括内引导管部分1140a和外隔离环部分1140b。内引导管部分1140a和外引导管部分1140b可以一体形成，或者可以分开形成并彼此附接。根据各个实施方式，内引导管部分1140a的内径比待插入其中的控制棒管的外径稍大。例如，根据各个实施方式，内引导管部分1140a的内径为约0.9英寸，并且内引导管部分构造成在其中容置外径为0.816英寸并包含可燃吸收体/毒物材料(例如，直径为0.737英寸)的控制棒。
如图23所示，外隔离环部分1140b的外径抵接由燃料元件1120的外径限定的圆(图23中示出)，该圆限定了燃料元件1120相对于燃料元件1120的螺旋扭转的外伸程度。例如，在其中燃料元件1120的外径为0.506英寸且引导管1140的外径为1.094英寸的实施方式中，外接圆具有0.506英寸的直径并且中心在相应燃料元件1120的格栅/阵列位置中的中心线位置上。因此，位于邻近引导管1140的行和列中的八个燃料元件1120在沿着每个燃料元件1120的轴向长度的各个位置处抵接引导管1140(例如，对于燃料元件1120的每个全360度扭转，四个肋中的每个肋对应一个燃料元件与引导管接触位置)。图24和25示出了其中四个相邻燃料元件1120的不同组合抵接引导管1140的横截面。如果将图23中所示的横截面作为起始或0度位置，图24示出了在其中燃料元件120被顺时针旋转/扭转约18度的平面中的横截面(即，该平面从起始/0度位置平面偏移元件1120的全360度扭转的约1/20)。同样，图25示出了从起始/0度位置平面偏移元件1120的72度扭转和元件1120的全360度扭转的约1/5的横截面。
图26-30示出了根据本发明的替换实施方式的燃料组件1210。该组件1210包括中央14×14阵列的燃料元件1220c、1220d和引导管1240，这些部件与组件1110的中央14×14阵列的燃料元件1120和引导管1140的位置、形状和结构类似或相同。但是，组件1210中最外周环(即，行1、16和列1、16)的燃料元件1220a的数量和位置与组件1110不同。代替布置在正方形16×16阵列内的格栅位置中，外周环的燃料元件1220即燃料元件1220a布置成以与上述对于相当的17×17燃料组件910相同的方式与燃料元件1220c形成等边三角形。并且与组件910中的情况相同，如图30中清楚地示出的，组件1210包括拐角燃料元件1220b和围板1230，拐角燃料元件和围板相对于其它的燃料元件定位成使得燃料元件1220b在至少两个不同的位置(或连续圆弧)处接触围板1230并接触燃料元件1220c中的拐角燃料元件，以便提供三个接触位置将燃料元件1220b保持在其合适位置中。
如图26所示，根据各个非限制性实施方式，燃料元件1220a、b、c、d中的每个燃料元件可以彼此相同或大体相同，并且可以与燃料元件20相同或大体相同。如图26所示，根据各个实施方式，组件1210包括232个燃料元件1220a、b、c、d。
如果将图27中所示的横截面作为起始平面/0度平面，则图28示出的横截面对应于从该起始/0度平面偏移元件1220中扭转的30度的横截面(即，偏移元件1220的全360度扭转的1/12)。类似地，图29对应于从该起始/0度平面偏移元件1220中扭转的60度的横截面(即，偏移元件1220的全360度扭转的1/6)。类似地，图30对应于从该起始/0度平面偏移元件1220中扭转的45度的横截面(即，偏移元件1220的完全扭转的1/8)。
根据各个实施方式，通过沿着组件1210的外周使用三角形栅格，有利于下列部件的使用：(a)比根据其中全部元件都设置在正方形16×16格栅/阵列中的各个实施方式(例如图22示出的组件1110的一个或多个实施方式)可能的围板更厚、更坚固的围板1230；和/或(b)更大的水间隙。根据各个实施方式，围板1230的厚度在0.4到4毫米之间，在0.4到3毫米之间，在0.5到2.5毫米之间，在1到2毫米之间，和/或为约2毫米。
根据各个实施方式，燃料组件1210的全部燃料元件1220a、b、c、d在几何形状上彼此相同，并且可以与元件20相同或大体相同。
图31示出了燃料组件1310，其与燃料组件1210基本上相同，不同之处在于，拐角结构1350设置在围板1230外部并附接至围板。如图31所示，拐角结构1350具有基本上遵循围板1230的拐角的弯曲轮廓的横截面形状，并且如果围板1230的拐角不弯曲，则装配到将由围板1230限定的正方形内。根据各个实施方式，拐角结构1350在燃料组件1310的全轴向长度上延伸(或在燃料元件1220和/或围板1230的全轴向长度上延伸)。可替代地，拐角结构1350在轴向上可以短于组件1310、围板1230、和/或燃料元件1220(包括燃料元件1220a、b、c、和d)。拐角结构1350可以在其全轴向长度上保持图31所示的横截面形状，或者该横截面形状可以在拐角结构1350的轴向长度上变化。
拐角结构1350的使用可以使得燃料组件1310能够利用设置在围板1230外部的可用空间。
图32示出了燃料组件1410，其与燃料组件1310基本上类似，不同之处在于，组件1410的拐角结构1450设置在组件1410的围板1430内部，这与有关组件1310所示的围板1230的外部相对。拐角结构1450附接至围板1430的内拐角。围板1430基本上类似于围板1230，不同之处在于，围板1430的拐角比围板1230更锐利(即，较小弯曲/倒角)。
如图32所示，拐角结构1450的内轮廓为局部圆筒形的，以便在多个位置抵接燃料元件1220b(或在由局部圆筒形限定的圆弧上连续地抵接)。根据各个实施方式，局部圆筒形形状覆盖约90度圆弧，其半径与燃料元件1220b的半径相匹配，以便将燃料元件1220b保持在它的正确位置中。
拐角结构1450的使用使得燃料组件1410能够利用设置在围板1430的拐角中的一个或多个拐角内部的可用空间。
图33示出了燃料组件1510，其与燃料组件1410基本上类似，不同之处在于，组件1510的拐角结构1550的局部圆筒形内表面比组件1410的拐角结构1450延伸更大的圆弧A。根据各个实施方式，圆弧A在90度到310度之间，在120度到310度之间，在150度到310度之间，在180度到310度之间，和/或为约270度。如图33所示，根据各个实施方式，拐角结构1450还抵接相邻的燃料元件1220a以便将燃料元件1220a保持在它们的正确位置中。
拐角结构1550的使用可以使得燃料组件1510能够利用设置在围板1430的拐角中的一个或多个拐角内部的可用空间。
图34示出了燃料组件1610，其与燃料组件1510基本上类似，不同之处在于，外周中的拐角燃料元件全部摒弃(例如，存在于组件1510中的燃料元件1220b被摒弃)，拐角结构1650扩大至占据否则会被这样的拐角燃料元件1220b占据的空间。如图34所示，拐角结构1650抵接相邻的两个燃料元件1220a和相邻的燃料元件1220c以将这三个元件1220a、c保持在它们的正确位置中。
拐角结构1650的使用可以使得燃料组件1610能够利用设置在围板1430的拐角中的一个或多个拐角内部的可用空间。
图35示出了燃料组件1710，其与燃料组件1210基本上类似，不同之处在于，组件1210的拐角燃料元件1220b被替换为拐角结构1750。根据各个实施方式，该结构1750是管状的，其具有的直径(例如，15毫米)使之抵接围板1230上的多个位置和拐角燃料元件1220c，以将拐角燃料元件1220c保持在其正确位置中。拐角结构1750可以包括管，所述管由诸如附接至管(例如经由焊接)的线材的材料螺旋形地缠绕，使得拐角结构以如上所述的相邻燃料元件的螺旋扭转的相同或类似的方式将相邻的燃料元件保持在其正确位置中。
拐角结构1750的使用可以使得燃料组件1710能够利用设置在围板1230的拐角中的一个或多个拐角内部的可用空间。
图36示出了燃料组件1810，其与燃料组件1610基本上类似，不同之处在于，拐角结构1850具有三个凹入的、局部圆筒形的表面，一个表面抵接相邻燃料元件1220a和相邻拐角燃料元件1220c中的每一个。这三个凹入的、局部圆筒形的表面的半径和位置与匹配燃料元件1220a的半径和位置相配合，使得拐角结构1810在延伸的圆弧A、B、C上抵接燃料元件1220a、1220c。接触的延伸的圆弧A、B、C将抵接的燃料元件1220a、1220c保持在它们的正确位置中。
如图36所示，拐角结构1850可以限定围板1830的拐角。例如，围板1830可以包括板1830a，所述板的端部连接至拐角结构1850。可替代地，围板1830可以与围板1230类似或相同，拐角结构1850可以设置在围板1830内部并安装至围板1830。
拐角结构1850的使用可以使得燃料组件1810能够利用设置在组件1810的拐角中的一个或多个拐角内部的可用空间。
根据各个实施方式，拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850设置在燃料组件1310、1410、1510、1610、1710、1810的四个拐角中的每个拐角处。但是，根据替换实施方式，拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850可以仅设置在燃料组件1310、1410、1510、1610、1710、1810的四个拐角中的一个拐角、两个拐角和/或三个拐角处。
根据各个实施方式，拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850可以包括可燃毒物，钢，铀和/或钚和/或钍和/或锆和/或没有这些材料的合金或陶瓷中的一种或多种。根据各个实施方式，拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850可以是实心的。根据各个实施方式，拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850可以包括中空结构(例如，由管状钢和/或锆金属或合金制成)，其可以是：(1)端部敞口的且空的，以容许流过其中；(2)端部封闭的且空的；和/或(3)端部封闭的且部分地或完全地填充有材料(例如，芯块状或其它形式的氧化物燃料、可燃毒物等等)。
虽然拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850及相联的围板1230、1430、1830是针对设计成用于代替常规16×16燃料组件使用的燃料组件1310、1410、1510、1610、1710、1810而示出的，但是这样的拐角结构1350、1450、1550、1650、1750、1850及相联的围板构造可替代地应用于上述设计成用于代替常规17×17燃料组件使用的燃料组件910、1010而不脱离本发明的范围。
图37示出了燃料组件1910，其与燃料组件1210大体类似，不同之处在于，最外环的燃料元件1920a和第二最外环的燃料元件1920b(而不是像组件1210中那样仅仅外环)被向内移位而与第三最外环的元件1920c形成等边三角形格栅阵列。第三最外环的元件1920c和中央的10×10阵列的元件1920d(一起形成中央12×12阵列的元件1920c、1920d)布置在正方形格栅/阵列中。
如图37所示，燃料元件从略从最外环的燃料元件1920a的拐角摒弃(即，相对于其中最外环内的每个格栅位置都被燃料元件占据的组件(例如，如图22有关组件1110所示的)中的燃料元件的数量而言，摒弃了四个燃料元件)。相对于其中第二最外环内的每个格栅位置都被燃料元件占据的组件(例如，如图22有关组件1110所示的)中的燃料元件的数量而言，从第二最外环的元件1920b中类似地摈弃了四个燃料元件。最外环的燃料元件1920b中的其余燃料元件1920b'设置在最外环的燃料元件1920b的拐角中的每个拐角处。
根据各个实施方式，可以添加隔离和/或拐角结构以帮助保持邻近拐角和燃料元件1920b'的燃料元件1920a的正确位置。
根据各个实施方式，通过在两外环的元件(与像图26的组件中仅仅一个环的情况相对)中使用等边三角形间隔，为燃料组件1910提供了在封壳内的额外的可用空间。这样的空间可以用于例如更厚的围板1930或更大的水间隙。
根据各个实施方式，燃料组件1910的所有燃料元件1920a、1920b、1920b'、1920c、1920d在几何结构上彼此相同，并且可以与元件20相同或大体相同。如图37所示，根据各个实施方式，组件1910包括228个燃料元件1920a、b、b'、c、d。
图38示出了燃料组件2010，其与燃料组件1910大体类似，不同之处在于，在最外环的元件2020a中，使用了单个拐角燃料元件2020a'，而不是图37中所示的临近组件1910中的拐角设置的两个燃料元件1920a。因此，燃料组件2010的燃料元件比燃料组件1910中存在的燃料元件少四个。如图38所示，根据各个实施方式，组件2010包括224个燃料元件2020a、a'、b、b'、c、d。
根据各个实施方式，燃料组件2010的所有燃料元件2020a、2020a'、2020b、2020b'、2020c、2020d在几何结构上彼此相同，并且可以与元件20相同或大体相同。
虽然在这些图的各个图中示出了各种尺寸，但是应当明白这样的尺寸仅仅是示例性的，不对本发明的范围进行限制。而是，这些尺寸可以以各种方式改变(更大或更少、或者定性上不同)而不脱离本发明的范围。
燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010优选被热动力学设计并物理成形为用于陆基核能反应堆90、500(例如陆基LWRS(包括BWR和PWR)、陆基快中子反应堆、陆基重水反应堆)，陆基核能反应堆被设计用来发电和/或用于电以外目的的加热(例如，脱盐、化学处理、产生蒸汽等等)。这样的陆基核能反应堆90尤其包括VVER、AP-1000、EPR、APR-1400、ABWR、BWR-6、CANDU、BN-600、BN-800、Toshiba4S、Monju、CE等等。但是，根据本发明的替换实施方式，燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010可以设计用于和已用于海基核反应堆(例如，船舶或潜艇发电站；设计用来产生能量(例如，电力)供陆上使用的水上发电站)或其它核反应堆的应用。
燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010及相联的反应堆被设计并构造成使得燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010直接邻近具有匹配几何结构的封壳的其它燃料组件设置(例如，多个直接相邻的燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010)。根据各个实施方式，多个燃料组件10、510、610、710、910、1010、1110、1210、1310、1410、1510、1610、1710、1810、1910、2010彼此相邻地设置在由反应堆堆芯限定的燃料组件格栅图案中(例如，设置在用于设计成接收正方形燃料组件的反应堆堆芯(例如，AP-1000、CE)的正方形图案中，设置在用于设计成接收六边形燃料组件的反应堆堆芯(例如，WER)的三角形/六边形图案)。
所提供的前述示出的实施方式用来说明本发明的结构和功能原理，而不是为了进行限制。与此相反，在下面的权利要求的精神和范围之内，本发明的原理旨在包含任何及所有的改变、变形和/或替换。

Claims (24)

1.一种在核反应堆的燃料组件中使用的轴向伸长的燃料元件，所述燃料元件包括：
包括可裂变材料的内核；和
围绕内核的包壳，
其中，所述燃料元件的轴向长度与所述燃料元件的外接直径之间的比率为至少20∶1，并且
其中，所述燃料元件的轴向中心线偏离所述燃料元件的轴向质心。
2.如权利要求1所述的燃料元件，其中，所述燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓，其中所述螺旋肋包括可裂变材料。
3.如权利要求2所述的燃料组件，其中，多叶形轮廓包括在相邻的突叶之间的凹入区域。
4.如权利要求1所述的燃料元件，其中，所述包壳的至少一个圆周侧部相对于所述包壳的至少一个其它圆周侧部侧向地减小。
5.如权利要求1所述的燃料元件，其中，所述内核的轴向质心设置在所述轴向中心线处，并且其中，所述包壳的轴向质心偏离所述轴向中心线。
6.一种在核能反应堆的堆芯中使用的燃料组件，所述燃料组件包括：
框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆芯结构；和
由所述框架支撑的多个伸长的、挤出的燃料元件，所述多个燃料元件中的每个燃料元件包括：
燃料内核，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料，所述燃料材料包括裂变材料；和
围绕所述燃料内核的包壳，
其中，所述燃料元件中的每个燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓，所述多个燃料元件提供了所述燃料组件的全部裂变材料，
其中，所述多个燃料元件中的每个燃料元件均设置在由所述框架限定的格栅图案的不同格栅位置中，使得所述多个燃料元件中的子集沿着格栅图案的外周设置，
其中，在沿着格栅图案的外周设置的燃料元件中的至少一些燃料元件上的包壳的至少一个外侧部侧向地缩短。
7.如权利要求6所述的燃料组件，其中：
所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件全部设置在所述围板内部，并且
所述包壳的侧向地缩短的外侧部接触所述围板。
8.如权利要求6所述的燃料组件，其中，在垂直于所述燃料元件的轴向方向的所述燃料组件的横截面上，在沿着格栅图案的外周设置的所述燃料元件中的所述至少一些燃料元件的每个燃料内核的面积小于所述多个燃料元件中的其余燃料元件的燃料内核中的至少一个燃料内核的面积。
9.如权利要求6所述的燃料组件，其中：
所述多个燃料元件中的每个燃料元件通过共同的中心线至中心线距离与相邻的燃料元件分开，并且
其中，所述多个燃料元件中的每个燃料元件的外接直径等于该中心线至中心线距离。
10.如权利要求6所述的燃料组件，其中，所述燃料材料包括设置在金属非燃料材料基体中的陶瓷燃料材料。
11.如权利要求6所述的燃料组件，其中，对于所述多个燃料元件中的每个燃料元件，所述包壳在整个燃料元件上的厚度为至少0.4毫米。
12.如权利要求6所述的燃料组件，其中：
所述燃料组件在热动力学上被设计成以及在实体上被成形为用于在具有2013年之前已实际使用的反应堆设计的常规核电站的常规陆基核能反应堆中操作；并且
所述框架被成形并构造成装配到陆基核能反应堆中代替用于所述陆基核能反应堆的常规氧化铀燃料组件。
13.如权利要求6所述的燃料组件，其中，所述多个燃料元件中的相邻的燃料元件的螺旋肋在燃料元件的轴向长度上周期性地彼此接触，这样的接触有助于保持所述燃料元件相互之间的间隔。
14.如权利要求6所述的燃料组件，其中，所述燃料组件的支撑所述伸长的燃料元件的该子集的部分与所述燃料组件的支撑所述多个燃料元件的其余燃料元件的部分是不可分离的。
15.如权利要求6所述的燃料组件，其中：
格栅图案限定了17×17的格栅位置图案；并且
引导管占据下列行、列位置处的格栅位置：3,6；3,9；3,12；4,4；4,14；6,3；6,15；9,3；9,15；12,3；12,15；14,4；14,14；15,6；15,9；和15,12。
16.一种在核能反应堆的堆芯中使用的燃料组件，所述燃料组件包括：
框架，所述框架包括下接管，所述下接管被成形并构造成安装至核反应堆内部堆芯结构；和
由所述框架支撑的多个伸长的燃料元件，所述多个燃料元件中的每个燃料元件包括裂变材料，
其中，在垂直于所述燃料组件的轴向方向的横截面上观察，所述多个燃料元件被布置到包括第一格栅图案和第二格栅图案的混合格栅图案中，所述第二格栅图案不同于所述第一格栅图案。
17.如权利要求16所述的燃料组件，其中：
所述多个燃料元件包括不重叠的第一子集、第二子集和第三子集，每个子集包括所述多个燃料元件中的复数个燃料元件，
所述第一子集的复数个燃料元件设置在由所述第一格栅图案限定的相应格栅位置内，
所述第二子集的复数个燃料元件设置在由所述第二格栅图案限定的相应格栅位置内，
所述第三子集的复数个燃料元件设置在相应的重叠格栅位置内，所述重叠格栅位置落在所述第一格栅图案和所述第二格栅图案两者内。
18.如权利要求16所述的燃料组件，其中所述多个燃料元件中的每个燃料元件具有共同的外接直径。
19.如权利要求18所述的燃料组件，其中：
所述第一格栅图案包括正方形的行和列的图案，
所述行和列之间的中心线至中心线距离是该共同的外接直径，
所述第二格栅图案包括等边三角形的图案，并且
每个所述三角形的每个边的长度是该共同的外接直径。
20.如权利要求16所述的燃料组件，还包括由所述框架支撑的另外的燃料元件，其中所述另外的燃料元件不设置在由所述第一格栅图案或所述第二格栅图案所限定的任何格栅位置内。
21.如权利要求16所述的燃料组件，其中：
所述框架包括围板，使得所述多个燃料元件全部设置在所述围板内部，并且
所述燃料组件包括设置在所述燃料组件的拐角处并附接至所述围板的至少一个拐角结构。
22.如权利要求21所述的燃料组件，其中，所述至少一个拐角结构包括可燃毒物。
23.如权利要求22所述的燃料组件，其中，所述至少一个拐角结构抵接所述多个伸长的燃料元件中的至少一个燃料元件。
24.如权利要求16所述的燃料组件，其中：
所述多个燃料元件中的每个燃料元件包括：
燃料内核，所述燃料内核包括设置在金属非燃料材料基体中的燃料材料，所述燃料材料包括裂变材料；和
围绕所述燃料内核的包壳，
每个所述燃料元件具有形成螺旋肋的多叶形轮廓。
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