ES2660458T3 - Montaje de combustible - Google Patents

Abstract

Un elemento (730, 740) combustible alargado axialmente para uso en un montaje (710) de combustible de un reactor (90) nuclear, el elemento (730, 740) de combustible comprende un núcleo (760) que comprende material fisionable; y un revestimiento (770) que encierra el núcleo, (760), el revestimiento (770) comprende una pluralidad de lados (770a) separados circunferencialmente; en el que una relación de una longitud axial del elemento (730, 740) de combustible a un diámetro circunscrito del elemento (730, 740) de combustible es de por lo menos 20:1, y en el que una línea (800) central axial del elemento (730, 740) de combustible está desplazada de un centro de masa axial del elemento de combustible, caracterizado porque el elemento (730, 740) de combustible tiene un perfil multilobulado que forma nervaduras (130) en espiral, en el que las nervaduras (130) en espiral comprenden material fisionable, y en el que uno o dos lados (770a) separados circunferencialmente están lateralmente reducidos con respecto a los otros lados separados circunferencialmente mediante la eliminación de una porción (770b) del revestimiento (770).

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DESCRIPCION

Montaje de combustible Referencia cruzada

Esta solicitud reivindica el beneficio de la prioridad de la Solicitud de los Estados Unidos No. 14/081,056, presentada el 15 de noviembre de 2013, y la Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 61/821,918, presentada el 10 de mayo de 2013.

Antecedentes de la invención

1. Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a montajes de combustible nuclear utilizados en el núcleo de un reactor nuclear, y se refiere más específicamente a elementos combustibles nucleares metálicos.

2. Descripción de la técnica relacionada

La Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 2009/0252278 A1, divulga un montaje de combustible nuclear que incluye submontajes de semillas y mantas. El submontaje de manta incluye elementos de combustible a base de torio. El submontaje de semillas incluye elementos de combustible de uranio y/o plutonio utilizados para liberar neutrones, que son capturados por los elementos de la manta de torio, creando así U-233 fisionable que se quema in situ y libera calor para la planta de energía nuclear.

La Publicación PCT No. WO2011/14329 (A1), divulga una variedad de montajes de combustible y elementos de combustible que utilizan elementos de combustible extruidos en espiral (es decir, helicoidalmente retorcidos) con combustible de metal o cerámica.

El documento EP 2 372 717 A1 divulga un montaje de combustible para un reactor nuclear de agua ligera con elementos de combustible, que tienen un perfil de cuatro lóbulos. Los lóbulos forman nervaduras separadoras en espiral. El patrón de barra comprende una región de manta que rodea una región de semillas.

Resumen de las realizaciones de la invención

El área superficial del tubo cilíndrico de las barras de combustible convencionales limita la cantidad de calor que se puede transferir desde la barra al refrigerante primario. Para evitar el sobrecalentamiento de la barra de combustible a la vista del área de superficie limitada para la eliminación de flujo de calor, la cantidad de material fisionable en estas barras de combustible de óxido de uranio u óxidos mixtos (plutonio y óxido de uranio) ha sido sustancialmente limitada de forma convencional.

Una o más realizaciones de la presente invención superan diversas desventajas de las barras de combustible de óxido de uranio convencionales al reemplazarlas por barras de combustible coextrusionadas pulvimetalurgia multilobulado, metálica (elementos de combustible). Los elementos combustibles metálicos tienen un área de superficie significativamente mayor que sus contrapartes de barras de óxido de uranio, y por lo tanto facilitan significativamente más transferencia de calor desde el elemento combustible al refrigerante primario a una temperatura más baja. Las nervaduras en espiral de los elementos de combustible multilobulares proporcionan soporte estructural al elemento de combustible, lo que puede facilitar la reducción en la cantidad o eliminación de rejillas separadoras que de otro modo podrían haberse requerido. La reducción en la cantidad o eliminación de tales rejillas separadoras reduce ventajosamente el arrastre hidráulico sobre el refrigerante, lo que puede mejorar la transferencia de calor al refrigerante. Debido a que los elementos de combustible metálico pueden ser relativamente más compactos que sus contrapartes de barras de combustible de óxido de uranio convencionales, se proporciona más espacio dentro del montaje de combustible para el refrigerante, lo que reduce el arrastre hidráulico y mejora la transferencia de calor al refrigerante. La mayor transferencia de calor desde las barras de combustible de metal al refrigerante significa que es posible generar más calor (es decir, potencia), mientras se mantienen simultáneamente los elementos de combustible a una temperatura operativa inferior debido a la conductividad térmica considerablemente más alta de los metales frente a los óxidos. Aunque las barras convencionales de óxido de uranio o de óxido mixto se limitan típicamente a una carga de material fisionable de alrededor de 4-5% debido a preocupaciones de sobrecalentamiento, las mayores propiedades de transferencia de calor de los elementos combustibles metálicos de acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención permiten que se utilicen cargas de material fisionable significativamente mayores mientras se mantiene el rendimiento de combustible seguro. Finalmente, el uso de elementos combustibles metálicos de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención puede proporcionar más potencia del mismo núcleo del reactor que la que es posible con barras de combustible de óxido mixto u óxido de uranio convencional.

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El uso de elementos combustibles completamente metálicos de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención puede reducir ventajosamente el riesgo de fallo de combustible debido a que los elementos combustibles metálicos reducen el riesgo de liberación de gas de fisión al refrigerante primario, como es posible en barras de combustible de óxido mixto u óxido de uranio convencional.

El uso de elementos de combustible totalmente metálicos de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención también puede ser más seguro que las barras de combustible de óxido de uranio convencionales porque el diseño completamente metálico aumenta la transferencia de calor dentro del elemento combustible, reduciendo así las variaciones de temperatura dentro del elemento combustible y reducir el riesgo de sobrecalentamiento localizado del elemento combustible. Un elemento de combustible de acuerdo con la invención se define en la reivindicación 1 independiente y un conjunto de combustible alternativo se define en la reivindicación 15 independiente.

Las realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.

Estos y otros aspectos de diversas realizaciones de la presente invención, así como los métodos de operación y funciones de los elementos de estructura relacionados y la combinación de partes y economías de fabricación, se harán más evidentes tras la consideración de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas con referencia a los dibujos adjuntos, todos los cuales forman parte de esta descripción, en donde los mismos números de referencia designan partes correspondientes en las diversas figuras. En una realización de la invención, los componentes estructurales ilustrados en el presente documento están dibujados a escala. Sin embargo, debe entenderse expresamente que los dibujos solo tienen fines de ilustración y descripción y no se pretende que sean una definición de los límites de la invención. Adicionalmente, debe apreciarse que las características estructurales mostradas o descritas en cualquiera de las realizaciones de la presente también se pueden utilizar en otras realizaciones. Tal como se utiliza en la memoria descriptiva y en las reivindicaciones, las formas singulares de “un”, “una” y “la” incluyen referencias plurales a menos que el contexto dicte claramente lo contrario

Breve descripción de los dibujos

Para una mejor comprensión de las realizaciones de la presente invención, así como de otros objetos y otras características de estos, se hace referencia a la siguiente descripción que se va a utilizar junto con los dibujos adjuntos, en los que:

La figura 1 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible, tomándose la sección transversal en un plano de autoseparación;

La figura 2 es una vista en sección transversal del montaje de combustible de la figura 1, siendo tomada la sección transversal en un plano que se desplaza 1/8 de giro de los elementos de combustible desde la vista en la figura 1;

La figura 3 es una vista en sección transversal del montaje de combustible de la figura 1, tomada en un plano que es paralelo a la dirección axial del montaje de combustible;

La figura 4 es una vista en perspectiva de un elemento de combustible del montaje de combustible de la figura 1;

La figura 5 es una vista en sección transversal del elemento de combustible en la figura 3;

La figura 6 es una vista en sección transversal del elemento de combustible en la figura 3, circunscrito dentro de un polígono regular;

La figura 7A es una vista desde un extremo de otro montaje de combustible, para uso en un reactor de agua pesada a presión;

La figura 7B es una vista lateral parcial del montaje de combustible de la figura 7A;

La figura 8 es un diagrama de un reactor de agua pesada presurizada que utiliza el montaje de combustible ilustrado en las Figs. 7A y 7B

La figura 9 es una vista en sección transversal del elemento de combustible en la figura 3;

La figura 10 es una vista en sección transversal de otro montaje de combustible;

Figs. 11 y 12 son vistas parciales en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización de la presente invención;

Figs. 13A y 13B son vistas en sección transversal de dos elementos de combustible del montaje de combustible en las Figs. 11 y 12;

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La figura 14 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización alternativa;

Las FIGS. 15-20 son vistas parciales en sección transversal del montaje de combustible de la figura 14;

La figura 21 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización alternativa;

La figura 22 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible que no hace parte de la presente invención;

Figs. 23-25 son vistas parciales en sección transversal de un montaje de combustible de la figura 22;

La figura 26 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización alternativa de la invención;

Figs. 27-30 son vistas parciales en sección transversal de un montaje de combustible de la figura 26;

Figs. 31-36 son vistas parciales en sección transversal de montajes de combustibles de acuerdo con realizaciones alternativas de la invención;

La figura 37 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización alternativa de la invención;

La figura 38 es una vista en sección transversal de un montaje de combustible de acuerdo con una realización alternativa de la invención;

Las figuras 39-44 proporcionan las especificaciones convencionales para un montaje de combustible 16x16. Descripción detallada de realizaciones de ejemplo de la invención

Las figuras 1-3 ilustran un montaje 10 de combustible que no hace parte de la presente invención. Como se muestra en la figura 3, el montaje 10 de combustible comprende una pluralidad de elementos 20 de combustible soportados por un marco 25.

Como se muestra en la figura 3, el marco 25 comprende una cubierta 30, tubos 40 de guía, una boquilla 50 superior, una boquilla 60 inferior, una placa 70 de unión inferior, una placa 80 de unión superior y/u otra estructura que permite que el montaje 10 opere como un montaje de combustible en un reactor nuclear. Uno o más de estos componentes del marco 25 pueden omitirse de acuerdo con diversas realizaciones sin desviarse del alcance de la presente invención, que se define en las reivindicaciones independientes.

Como se muestra en la figura 3, la cubierta 25 se monta en la boquilla 50 superior y la boquilla 60 inferior. La boquilla 60 inferior (u otra estructura adecuada del montaje 10) está construida y conformada para proporcionar una interfaz de comunicación de fluidos entre el montaje 10 y el reactor 90 en la que se coloca el montaje 10 para facilitar el flujo de refrigerante al núcleo del reactor a través el montaje 10 a través de la boquilla 60 inferior. La boquilla 50 superior facilita la dirección del refrigerante calentado desde el montaje 10 a los generadores de vapor de la planta de energía (para PWR), turbinas (para BWR), etc. Las boquillas 50, 60 tienen una forma que está específicamente diseñada para acoplarse adecuadamente con la estructura interna del núcleo del reactor.

Como se muestra en la figura 3, la placa 70 de unión inferior y la placa 80 de unión superior están preferiblemente montadas rígidamente (por ejemplo, mediante soldadura, sujetadores adecuados (por ejemplo, pernos, tornillos), etc.) a la cubierta 30 o a la boquilla 60 inferior (y/u otros componentes estructurales adecuados del montaje 10).

Los extremos axiales inferiores de los elementos 20 forman pasadores 20a que encajan en los orificios 70a en la placa 70 de unión inferior para soportar los elementos 20 y ayudan a mantener la separación apropiada del elemento 20. Los pasadores 20a se montan en los orificios 70a de una manera que impide que los elementos 20 giren alrededor de sus ejes o se muevan axialmente con relación a la placa de anclaje inferior 70. Esta restricción en la rotación ayuda a asegurar que los puntos de contacto entre los elementos adyacentes 20 ocurran todos en las mismas posiciones axiales a lo largo de los elementos 20 (por ejemplo, en los planos de autoseparación discutidos a continuación). La conexión entre los pasadores 20a y los agujeros 70a puede crearse mediante soldadura, ajuste de interferencia, características no cilíndricas coincidentes que evitan la rotación (por ejemplo, chavetero y estría), y/o cualquier otro mecanismo adecuado para restringir el movimiento axial y/o rotacional de los elementos 20 con relación a la placa de anclaje inferior 70. La placa 70 de unión inferior incluye canales que se extienden axialmente (por ejemplo, una rejilla de aberturas) a través de los cuales fluye el refrigerante hacia los elementos 20.

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Los extremos axiales superiores de los elementos 20 forman pasadores 20a que encajan libremente en los agujeros 80a en la placa 80 de unión superior para permitir que los pasadores superiores 20a se muevan axialmente hacia arriba a través de la placa 80 de unión superior mientras ayudan a mantener la separación entre los elementos 20. Como resultado, cuando los elementos 20 crecen axialmente durante la fisión, los elementos 20 de alargamiento pueden extenderse libremente más dentro de la placa 80 de unión superior.

Como se muestra en la figura 4, los pasadores 20a pasan a una parte central del elemento 20.

Las figuras 4 y 5 ilustran un elemento/barra 20 de combustible individual del montaje 10. Como se muestra en la figura 5, la porción central alargada del elemento 20 de combustible tiene una sección transversal de cuatro lóbulos. Una sección transversal del elemento 20 permanece sustancialmente uniforme a lo largo de la porción central del elemento 20. Cada elemento 20 de combustible tiene un núcleo de combustible 100, que incluye un metal refractario y material combustible que incluye material fisible.

Un desplazador 110 que comprende un metal refractario se coloca a lo largo del eje longitudinal en el centro del núcleo de combustible 100. El desplazador 110 ayuda a limitar la temperatura en el centro de la parte más gruesa del elemento 20 de combustible desplazando material fisionable que de otro modo ocuparía dicho espacio y minimizar las variaciones en el flujo de calor a lo largo de la superficie del elemento de combustible. De acuerdo con diversas realizaciones, el desplazador 110 puede eliminarse por completo.

Como se muestra en la figura 5, el núcleo 100 de combustible está encerrado por un revestimiento de metal refractario 120. El revestimiento 120 es preferiblemente lo suficientemente grueso, suficientemente fuerte y lo suficientemente flexible como para soportar el hinchamiento inducido por la radiación del núcleo 100 sin fallas (por ejemplo, sin exponer el núcleo 100 al entorno fuera del revestimiento 120). De acuerdo con una o más realizaciones, el revestimiento completo 120 tiene al menos 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm y/o 0.7 mm de espesor. De acuerdo con una o más realizaciones, el espesor del revestimiento 120 es de al menos 0,4 mm para reducir la posibilidad de fallo basado en hinchamiento, fallo basado en la oxidación y/o cualquier otro mecanismo de fallo del revestimiento 120.

El revestimiento 120 puede tener un espesor sustancialmente uniforme en la dirección anular (es decir, alrededor del perímetro del revestimiento 120 como se muestra en la vista en sección transversal de la figura 5) y sobre la longitud axial/longitudinal del núcleo 100 (como se muestra en la figura 4). Alternativamente, como se muestra en la figura 5, de acuerdo con una o más realizaciones, el revestimiento 120 es más grueso en las puntas de los lóbulos 20b que en la intersección/área cóncava 20c entre los lóbulos 20b. Por ejemplo, de acuerdo con una o más realizaciones, el revestimiento 120 en las puntas de los lóbulos 20b es al menos 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100%, 125% y/o 150% más grueso que el revestimiento 120 en las intersecciones/áreas cóncavas 20c. El revestimiento más grueso 120 en las puntas de los lóbulos 20b proporciona una resistencia al desgaste mejorada en las puntas de los lóbulos 20b donde los elementos de combustible adyacentes 20 se tocan entre sí en los planos de autoseparación (discutidos a continuación).

El metal refractario utilizado en el desplazador 110, el núcleo 100 de combustible y el revestimiento 120 comprende circonio de acuerdo con una o más realizaciones de la invención. Como se utiliza en el presente documento, el término circonio significa circonio puro o zirconio en combinación con otro(s) material(es) de aleación. Sin embargo, se pueden utilizar otros metales refractarios en lugar de circonio sin desviarse del alcance de la presente invención (por ejemplo, niobio, molibdeno, tántalo, tungsteno, renio, titanio, vanadio, cromo, zirconio, hafnio, rutenio, osmio, iridio, y/u otros metales). Como se utiliza en el presente documento, el término “metal refractario” significa cualquier aleación de metal que tenga un punto de fusión por encima de 1800 grados Celsius (2073 K).

Adicionalmente, en ciertas realizaciones, el metal refractario puede reemplazarse con otro metal no combustible, por ejemplo, aluminio. Sin embargo, el uso de un metal no combustible no refractario es el más adecuado para núcleos de reactor que operan a temperaturas más bajas (por ejemplo, núcleos pequeños que tienen una altura de aproximadamente 1 metro y una potencia eléctrica de 100 MWe o menos). Los metales refractarios son preferidos para usarse en núcleos con temperaturas de operación más altas.

Como se muestra en la figura 5, la porción central del núcleo 100 de combustible y el revestimiento 120 tiene un perfil de cuatro lóbulos que forma las nervaduras separadoras en espiral 130. El desplazador 110 también puede estar conformado para sobresalir hacia fuera en las nervaduras 130 (por ejemplo, las esquinas del desplazador 110 cuadrado están alineadas con las nervaduras 130). De acuerdo con realizaciones alternativas de la presente invención, los elementos 20 de combustible pueden tener un número mayor o menor de nervaduras 130 sin desviarse del alcance de la presente invención, que se define en las reivindicaciones independientes. Por ejemplo, como se ilustra en general en la figura 5 de la Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 2009/0252278 A1, un elemento de combustible puede tener tres nervaduras/lóbulos, que preferiblemente están separados circunferencialmente entre sí. El número de lóbulos/nervaduras 130 puede depender, al menos en parte, de la forma del montaje 10 de combustible. Por ejemplo, un elemento 20 de cuatro lóbulos puede funcionar bien con un montaje 10 de combustible de sección transversal cuadrada (por ejemplo, como se utiliza en el AP-1000). Por el contrario, un elemento de combustible de tres lóbulos puede funcionar bien con un montaje de combustible hexagonal (por ejemplo, como se utiliza en el VVER).

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La figura 9 ilustra diversas dimensiones del elemento 20 de combustible de acuerdo con una o más realizaciones. De acuerdo con una o más realizaciones, cualquiera de estas dimensiones, parámetros y/o intervalos, identificados en la siguiente tabla, puede aumentarse o reducirse hasta en un 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50% o más sin desviarse del alcance de la presente invención.

Parámetro de Elemento 20 de Combustible

Símbolo Valores de Ejemplo Unidad

Diámetro circunscrito

D 9-14 (por ejemplo, 12.3, 12.4, 12.5, 12.6) mm

Espesor de lóbulo

A 2.5-3.8 (por ejemplo, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5 ,3.6, 3.7, 3.8), variable mm

Espesor mínimo de revestimiento

8 0.4-1.2 (por ejemplo, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2) mm

Espesor de revestimiento en el lóbulo

gmax 0.4-2.2 (por ejemplo, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2), 1.58, 28, 2.58 mm

Espesor promedio de revestimiento

0.4 - 1.8 (por ejemplo, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8), por lo menos 0.4, 0.5, o 0.6 mm

Radio de curvatura de revestimiento en la periferia del lóbulo

r A/2, A/1.9, variable mm

Radio de curvatura de núcleo de combustible en periferia de lóbulo

rf 0.5-2.0 (por ejemplo, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0), (A-28)/2, variable mm

Radio de curvatura entre lóbulos adyacentes

R 2-5 (por ejemplo, 2, 3, 4, 5), variable mm

Lonngitud lateral de desplazador central

a 1.5-3.5 (por ejemplo, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9, 3.0, 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5) mm

Perímetro de elemento de combustible

25-60 (por ejemplo, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60) mm

Área de elemento de combustible

50-100 (por ejemplo, 50, 60, 70, 80, 90, 100) 2 mm2

Área de núcleo de combustible, mm2

30-70 (por ejemplo, 30, 40, 50, 60, 70) mm2

Enriquecimiento

< 19.7 p/o

Fracción U

< 25 v/o

Como se muestra en la figura 5, el desplazador 110 tiene una forma de sección transversal de un cuadrilátero cuadrado regular con las esquinas del cuadrilátero regular cuadrado alineadas con las nervaduras 130. El desplazador 110 forma una espiral que sigue la espiral de las nervaduras 130 de modo que las esquinas del desplazador 110 permanecen alineadas con las nervaduras 130 a lo largo de la longitud axial del núcleo de combustible 100. En realizaciones alternativas con más o menos nervaduras 130, el desplazador 110 tiene preferiblemente la forma de sección transversal de un polígono regular que tiene tantos lados como el elemento 20 tiene nervaduras.

Como se muestra en la figura 6, el área de sección transversal de la parte central del elemento 20 es preferiblemente sustancialmente menor que el área de un cuadrado 200 en el que la punta de cada una de las nervaduras 130 es tangente a un lado del cuadrado 200. En términos más genéricos, el área en sección transversal de un elemento 20 que tiene n nervaduras es preferiblemente más pequeña que el área de un polígono regular que tiene n lados en los que la punta de cada una de las nervaduras 130 es tangente a un lado del polígono. De acuerdo con diversas realizaciones, una relación del área del elemento 20 al área del cuadrado (o polígono regular relevante para los elementos 20 que tiene más o menos de cuatro nervaduras 130) es menor que 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.35, 0.3. Como se muestra en la figura 1, esta relación de área se aproxima a la cantidad de espacio disponible dentro de la cubierta 30 absorbida por los elementos 20 de combustible, de manera que una relación menor significa que hay más espacio disponible ventajosamente para el refrigerante, que también actúa como moderador de neutrones y que aumenta la relación de moderador a combustible (importante para la neutrónica), reduce el arrastre hidráulico y aumenta la transferencia de calor de los elementos 20 al refrigerante. De acuerdo con diversas realizaciones, la relación de moderador a combustible resultante es de al menos 2.0, 2.25, 2.5, 2.75 y/o 3.0 (a diferencia de 1.96 cuando se usan barras de óxido de uranio cilíndricas convencionales). De manera similar, de acuerdo con diversas realizaciones, el área de flujo del montaje 10 de combustible se incrementa en más del 16% en comparación con el uso de uno o más montajes de combustible convencionales que usan barras de óxido de uranio cilíndricas. El área de flujo aumentada puede disminuir la caída de presión de refrigerante a través del montaje 10 (en relación con los conjuntos de óxido de uranio convencionales), que puede tener ventajas con respecto al bombeo de refrigerante a través del montaje 10.

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Como se muestra en la figura 4, el elemento 20 está alargado axialmente. En la realización ilustrada, cada elemento 20 es un elemento de longitud completa y se extiende completamente desde la placa 70 de unión inferior en o cerca de la parte inferior del montaje 10 hasta la placa 80 de unión superior en o cerca de la parte superior del montaje 10. De acuerdo con diversas realizaciones y diseños de reactor, esto puede dar como resultado elementos 20 que tienen desde 1 metro de longitud (para reactores compactos) hasta más de 4 metros de longitud. Por lo tanto, para reactores típicos, los elementos 20 pueden tener entre 1 y 5 metros de largo. Sin embargo, los elementos 20 pueden alargarse o acortarse para acomodar cualquier otro reactor dimensionado sin desviarse del alcance de la presente invención.

Aunque los elementos 20 ilustrados son en sí mismos de longitud completa, los elementos 20 pueden ser segmentados alternativamente, de manera que los múltiples segmentos juntos forman un elemento de longitud completa. Por ejemplo, 4 segmentos individuales de elemento 20 de 1 metro pueden alinearse de extremo a extremo para crear de manera efectiva el elemento de longitud completa. Se pueden proporcionar placas 70, 80 de unión adicionales en las intersecciones entre segmentos para mantener la separación axial y la disposición de los segmentos.

De acuerdo con una o más realizaciones, el núcleo 100 de combustible comprende una combinación de un metal/aleación refractario y material de combustible. El metal/aleación refractaria puede comprender una aleación de zirconio. El material combustible puede comprender uranio poco enriquecido (por ejemplo, U235, U233), plutonio o torio combinado con uranio poco enriquecido como se define a continuación y/o plutonio. Como se utiliza en este documento, “uranio poco enriquecido” significa que el material combustible completo contiene menos de 20% en peso de material fisionable (por ejemplo, uranio-235 o uranio-233). De acuerdo con diversas realizaciones, el material de combustible de uranio se enriquece a entre 1% y 20%, 5% y 20%, 10% y 20%, y/o 15% y 20% en peso de uranio-235. De acuerdo con una o más realizaciones, el material combustible comprende un 19.7% de uranio enriquecido-235.

De acuerdo con diversas realizaciones, el material combustible puede comprender un 3- 10%, 10-40%, 15-35%, y/o 20-30% de fracción de volumen del núcleo de combustible 100. De acuerdo con diversas realizaciones, el metal refractario puede comprender una fracción en volumen de 60-99%, 60-97%, 70-97%, 60-90%, 65-85% y/o 70-80% del núcleo de combustible 100. De acuerdo con una o más realizaciones, las fracciones de volumen dentro de uno o más de estos intervalos proporcionan una aleación con propiedades beneficiosas tal como se define en el diagrama de fases del material para la composición de aleación especificada. El núcleo 100 de combustible puede comprender una aleación de Zr-U que es un combustible de alta aleación (es decir, una concentración relativamente alta del constituyente de la aleación con respecto al constituyente de uranio) compuesto por fase 8 UZr2 o una combinación de fase 8 UZr2 y una fase Zr. De acuerdo con una o más realizaciones, la fase 8 del sistema de aleación binaria U-Zr puede variar desde una composición de zirconio de aproximadamente 65-81 por ciento en volumen (aproximadamente 63 a 80 por ciento en átomos) del núcleo de combustible 100. Se ha encontrado que una o más de estas realizaciones da como resultado un hinchamiento volumétrico bajo, inducido por irradiación, del elemento 20 de combustible. De acuerdo con una o más de dichas realizaciones, los gases de fisión son arrastrados dentro del propio núcleo 100 de metal, de modo que una o más realizaciones del elemento 20 de combustible pueden omitir un espacio de gas convencional desde el elemento 20 de combustible. De acuerdo con una o más realizaciones, tal hinchamiento puede ser significativamente menor de lo que ocurriría si se utilizaran composiciones de baja aleación (solo fase a) (por ejemplo, al menos 10%, 20%, 30%, 50%, 75%, 100%, 200%, 300%, 500%, 1000%, 1200%, 1500%, o mayor reducción en el hinchamiento en porcentaje en volumen por el quemado en porcentaje de átomos que si se utilizara un combustible U-10Zr de fase a de baja aleación). De acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención, el hinchamiento inducido por irradiación del elemento 20 de combustible o núcleo 100 del mismo puede ser menor que 20, 15, 10, 5, 4, 3 y/o 2 por ciento en volumen por quemado en porcentaje de átomos. De acuerdo con una o más realizaciones, se espera que el hinchamiento esté alrededor de un volumen porcentual por quemado en porcentaje de átomos.

De acuerdo con una o más realizaciones alternativas de la presente invención, el núcleo de combustible se reemplaza por una aleación binaria de plutonio-zirconio con porcentajes de volumen iguales o similares a los núcleos 100 de combustible U-Zr discutidos anteriormente, o con porcentajes de volumen diferentes que con los núcleos 100 de combustible U-Zr discutidos anteriormente. Por ejemplo, la fracción de plutonio en el núcleo 100 puede ser sustancialmente menor que una fracción de uranio correspondiente en un núcleo 100 basado en uranio correspondiente porque el plutonio típicamente tiene aproximadamente 60-70% de fracción en peso de isótopos fisionables, mientras que el uranio uPe tiene 20% o menos fracción en peso de isótopos fisionables de U-235. De acuerdo con diversas realizaciones, la fracción de volumen de plutonio en el núcleo 100 puede ser inferior al 15%, inferior al 10% y/o inferior al 5%, ajustándose en consecuencia la fracción volumétrica del metal refractario.

El uso de un núcleo 100 de alta aleación de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención también puede dar como resultado la retención ventajosa de los gases de fisión durante la irradiación. Los combustibles de óxidos y los combustibles metálicos de baja aleación típicamente exhiben una liberación significativa de gas de fisión que típicamente se acomoda en el diseño del combustible, generalmente con un pleno dentro de la barra de combustible para contener los gases de fisión liberados. El núcleo 100 de combustible de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención, por el contrario, no libera gases de fisión. Esto se debe en parte a la baja

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temperatura de funcionamiento del núcleo 100 de combustible y al hecho de que los átomos de gas de fisión (específicamente Xe y Kr) se comportan como productos de fisión sólida. La formación y migración de burbujas de gas de fisión a lo largo de los límites de núcleo al exterior del núcleo 100 de combustible no se produce de acuerdo con una o más realizaciones. A temperaturas suficientemente altas de acuerdo con una o más realizaciones, se pueden formar burbujas de gas de fisión pequeñas (de unos pocos micrómetros de diámetro). Sin embargo, estas burbujas permanecen aisladas dentro del núcleo 100 de combustible y no forman una red interconectada que facilitaría la liberación de gas de fisión, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención. El enlace metalúrgico entre el núcleo 100 de combustible y el revestimiento 120 puede proporcionar una barrera adicional a la liberación de gas de fisión.

De acuerdo con diversas realizaciones, el núcleo 100 de combustible (o el revestimiento 120 u otra parte adecuada del elemento 20 de combustible) de uno o más de los elementos 20 combustibles puede alearse con un veneno consumible tal como gadolinio, boro, erbio u otro adecuado material absorbente de neutrones para formar un elemento de combustible venenoso quemable integral. Diferentes elementos 20 de combustible dentro de un montaje 10 de combustible pueden utilizar diferentes venenos combustibles y/o diferentes cantidades de veneno combustible. Por ejemplo, algunos de los elementos 20 de combustible de un montaje 10 de combustible (por ejemplo, menos de 75%, menos de 50%, menos de 20%, 1-15%, 1-12%, 2-12%, etc.) pueden incluyen núcleos 100 con 25, 20 y/o 15 por ciento en peso o menos de Gd (por ejemplo, 1-25 por ciento en peso, 1-15 por ciento en peso, 5-15 por ciento en peso, etc.). Otros elementos 20 de combustible del montaje 10 de combustible (por ejemplo, 10- 95%, 10-50%, 20-50%, un número mayor de elementos 20 de combustible que los elementos 20 de combustible que utilizan Gd) pueden incluir núcleos 100 con 10 o 5 por ciento en peso o menos Er (por ejemplo, 0.1-10.0 por ciento en peso, 0.1 a 5.0 por ciento en peso, etc.).

De acuerdo con diversas realizaciones, el veneno consumible desplaza el material combustible (en lugar del metal refractario) con relación a los elementos 20 combustibles que no incluyen veneno combustible en sus núcleos 100. Por ejemplo, según una realización de un elemento 20 de combustible cuyo núcleo 100 incluiría 65 por ciento en volumen de zirconio y 35 por ciento en volumen de uranio en ausencia de un veneno, el elemento 20 de combustible incluye un núcleo 100 que es 16.5 por ciento en volumen de Gd, 65 por ciento en volumen de zirconio y 18.5 por ciento en volumen de uranio. De acuerdo con una o más realizaciones diferentes, el veneno consumible desplaza, en cambio, el metal refractario, en lugar del material combustible. De acuerdo con una o más realizaciones adicionales, el veneno combustible en el núcleo 100 de combustible desplaza el metal refractario y el material de combustible proporcionalmente. En consecuencia, de acuerdo con varias de estas realizaciones, el veneno consumible dentro del núcleo 100 de combustible puede disponerse en la fase 8 de UZr2 o una fase a de Zr de modo que la presencia del veneno consumible no cambie la fase de la aleación UZr2 o Zr aleación en la que se elimina el veneno quemable.

Los elementos 20 combustibles con un núcleo 100 con un veneno combustible pueden constituir una porción (por ejemplo, 0-100%, 1-99%, 1-50%, etc.) de los elementos 20 de combustible de uno o más montajes 10 de combustible utilizados en un núcleo de reactor. Por ejemplo, los elementos 20 de combustible con veneno consumible pueden colocarse en ubicaciones estratégicas dentro del enrejado de montaje de combustible del montaje 10 que también incluye elementos 20 de combustible sin veneno quemable para proporcionar control de distribución de potencia y reducir las concentraciones de boro soluble temprano en el ciclo operativo. De forma similar, los montajes 10 de combustible seleccionados que incluyen elementos 20 combustibles con veneno combustible pueden colocarse en ubicaciones estratégicas dentro del núcleo del reactor con relación a los montajes 10 que no incluyen elementos 20 de combustible con veneno quemable para proporcionar control de distribución de energía y reducir las concentraciones solubles de boro en el ciclo operativo. El uso de tales absorbedores quemables integrales puede facilitar el diseño de ciclos operativos extendidos.

Alternativa y/o adicionalmente, se pueden incluir barras venenosas quemables que no contengan combustible en el montaje 10 de combustible (por ejemplo, adyacentes a elementos 20 combustibles, en lugar de uno o más elementos 20 combustibles, insertados en tubos guía en montajes 10 de combustible que no reciben barras de control, etc.). En una o más realizaciones, tales barras venenosas quemables no combustibles se pueden diseñar en un montaje de araña similar al que se utiliza en los reactores diseñados por Babcock y Wilcox o Westinghouse (denominados montajes de barras de veneno combustibles (BPRA)). Estos luego pueden insertarse en los tubos de guía de la barra de control y bloquearse en montajes de combustible seleccionados 10 donde no hay bancos de control para el ciclo inicial de operación para el control de la reactividad. Cuando se utiliza el grupo de venenos quemable, se puede eliminar cuando el montaje de combustible se reubique para el próximo ciclo de combustible. De acuerdo con una realización alternativa en la que las barras de veneno quemables que no llevan combustible separadas se colocan en lugar de uno o más elementos 20 de combustible, las barras venenosas no combustibles se mantienen en el montaje 10 de combustible y se descargan junto con otros elementos 20 combustibles cuando el montaje 10 de combustible alcanza su vida útil.

Los elementos 20 de combustible se fabrican mediante coextrusión de metalurgia en polvo. Típicamente, el metal refractario en polvo y el material combustible de metal en polvo (así como el veneno quemable en polvo, si está incluido en el núcleo 100) para el núcleo 100 de combustible se mezclan, el desplazador 110 se coloca dentro de la mezcla en polvo, y luego en la combinación de polvo y desplazador 110 se prensa y se sinteriza en material de

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reNeno/palanquilla de núcleo de combustible (por ejemplo, en un molde que se calienta en diferentes grados durante diversos períodos de tiempo para sinterizar la mezcla). La pieza elemental del desplazador 110 puede tener la misma forma de sección transversal o similar que el desplazador formado en última instancia 110. Alternativamente, la pieza inicial del desplazador 110 puede tener una forma que se diseña para deformarse en la forma de la sección transversal prevista del desplazador 110 tras la extrusión. El stock de núcleo de combustible (incluyendo el desplazador 110 y el material de núcleo de combustible sinterizado 100) se inserta en un tubo de revestimiento hueco 120 que tiene una base de tubo sellada y una abertura en el otro extremo. La abertura en el otro extremo se sella luego con un tapón final hecho del mismo material que el revestimiento para formar una palanquilla. La palanquilla puede tener forma cilíndrica o puede tener una forma que se asemeje más a la forma de sección transversal final del elemento 20, por ejemplo, como se muestra en las Figs. 5 y 9. La palanquilla se coextruye luego a temperatura y presión a través de un juego de matrices para crear el elemento 20, que incluye el núcleo 100 finalmente conformado, el revestimiento 110 y el desplazador 120. De acuerdo con diversas realizaciones que utilizan un desplazador no cilíndrico 110, la palanquilla puede orientarse adecuadamente con relación a la matriz de prensa de extrusión de manera que las esquinas del desplazador 110 se alinean con los lóbulos 20b del elemento 20 de combustible. El proceso de extrusión puede realizarse por extrusión directa (es decir, moviendo la palanquilla a través de una matriz estacionaria) o extrusión indirecta (es decir, moviendo la matriz hacia una palanquilla estacionario). El proceso da como resultado que el revestimiento 120 esté metalúrgicamente unido al núcleo de combustible 100, lo que reduce el riesgo de deslaminación del revestimiento 120 del núcleo de combustible 100. El tubo y el tapón de extremo del revestimiento 120 se unen metalúrgicamente entre sí para sellar el núcleo 100 de combustible dentro del revestimiento 120. Los altos puntos de fusión de los metales refractarios utilizados en los elementos combustibles 10 tienden a hacer que la metalurgia en polvo sea el método de elección para fabricar componentes a partir de estos metales.

De acuerdo con una o más realizaciones alternativas, la reserva de núcleo de combustible de los elementos 20 de combustible se puede fabricar por colada en lugar de sinterización. El metal refractario en polvo o monolítico y el material de combustible en polvo o monolítico (así como el veneno quemable en polvo, si está incluido en el núcleo 100) pueden mezclarse, fundirse y fundirse en un molde. El molde puede crear un vacío en forma de preforma de desplazador en el núcleo fundido 100 de modo que la pieza inicial del desplazador 110 pueda insertarse después de que el núcleo 100 se moldee, de la misma manera que el revestimiento 120 se agrega para formar la palanquilla a extrudir. Los pasos restantes para fabricar los elementos 20 de combustible pueden permanecer iguales o similares a la realización de la explicación anterior que utiliza sinterización en lugar de fundición. La extrusión posterior da como resultado una unión metalúrgica entre el desplazador 110 y el núcleo 100, así como entre el núcleo 100 y el revestimiento 120.

De acuerdo con una o más realizaciones alternativas, los elementos 20 de combustible se fabrican utilizando material de combustible de cerámica en polvo en lugar de material de combustible de metal en polvo. Las etapas de fabricación restantes pueden ser los mismos que los discutidos anteriormente con respecto a las realizaciones que usan material de combustible de metal en polvo. En diversas realizaciones de combustible metálico y realizaciones de combustible cerámico, el proceso de fabricación puede dar como resultado un núcleo 100 de combustible que comprende material de combustible dispuesto en una matriz de material metálico no combustible. En una o más realizaciones de combustible metálico, el núcleo de combustible resultante 100 comprende un núcleo de aleación de combustible metálico que comprende una aleación del material combustible metálico y la matriz de material metálico no combustible (por ejemplo, una aleación de uranio y zirconio). En una o más de las realizaciones de combustible cerámico, el núcleo 100 comprende material de combustible cerámico dispuesto en (por ejemplo, intercalado en su totalidad) la matriz de material metálico no combustible. De acuerdo con diversas realizaciones, el material de combustible cerámico utilizado en el proceso de fabricación puede comprender uranio en polvo o óxido de plutonio, uranio en polvo o nitruro de plutonio, uranio en polvo o carburo de plutonio, uranio en polvo o hidruro de plutonio, o una combinación de estos. En contraste con los elementos de combustible UO2 convencionales en los que se disponen pastillas de UO2 en un tubo, el proceso de fabricación de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención da como resultado que el combustible cerámico se disponga en una matriz sólida de material no combustible (por ejemplo, una matriz de zirconio).

Como se muestra en la figura 4, el paso de arrollamiento axial de las nervaduras en espiral 130 se selecciona de acuerdo con la condición de colocar los ejes de los elementos combustibles adyacentes 10 con un separado igual al ancho a través de las esquinas en la sección transversal de un elemento combustible y puede ser del 5% al 20 % de la longitud del elemento 20 de combustible. De acuerdo con una realización, el paso (es decir, la longitud axial sobre la cual un lóbulo/nervadura hace una rotación completa) es de aproximadamente 21.5 cm, mientras que la longitud activa total del elemento 20 es de aproximadamente 420 cm. Como se muestra en la figura 3, se proporciona la estabilidad de la disposición vertical de los elementos 10 de combustible: en la parte inferior - por la placa 70 de unión inferior; en la parte superior - por la placa 80 de unión superior; y relativo a la altura del núcleo - por la cubierta 30. Como se muestra en la figura 1, los elementos 10 de combustible tienen una orientación circunferencial tal que los perfiles lobulados de cualesquiera dos elementos 10 de combustible adyacentes tienen un plano de simetría común que pasa a través de los ejes de los dos elementos 10 de combustible adyacentes en al menos una sección transversal del grupo de elemento de combustible.

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Como se muestra en la figura 1, la torsión helicoidal de los elementos 20 de combustible en combinación con su orientación asegura que exista uno o más planos de autoseparado. Como se muestra en la figura 1, en tales planos de autoseparación, las nervaduras de los elementos adyacentes 20 se ponen en contacto entre sí para garantizar la separación apropiada entre dichos elementos 20. Por lo tanto, la separación de centro a centro de los elementos 20 será aproximadamente la misma que la anchura de esquina a esquina de cada elemento 20 (12.6 mm en el elemento ilustrado en la figura 5). Dependiendo del número de lóbulos 20b en cada elemento 20 de combustible y la disposición geométrica relativa de los elementos 20 de combustible, todos los elementos de combustible adyacentes 20 o solo una parte de los elementos combustibles adyacentes 20 entrarán en contacto entre sí. Por ejemplo, en la realización de cuatro lóbulos ilustrada, cada elemento 20 de combustible contacta los cuatro elementos de combustible adyacentes 20 en cada plano de autoseparación. Sin embargo, en una realización de elemento de combustible de tres lóbulos en la que los elementos de combustible están dispuestos en un patrón hexagonal, cada elemento de combustible solo contactará tres de los seis elementos de combustible adyacentes en un plano de autoseparación dado. El elemento de combustible de tres lóbulos contactará con los otros tres elementos de combustible adyacentes en el siguiente plano de autoseparación separado axialmente (es decir, 1/6 de un desplazamiento de giro desde el plano de autoseparación anterior).

En un elemento n-lobulado 20 en el que n elementos de combustible son adyacentes a un elemento 20 de combustible particular, existirá un plano de autoseparado cada vuelta helicoidal 1/n (por ejemplo, cada vuelta helicoidal 1/4 para un elemento de cuatro lóbulos 20 dispuestos en un patrón cuadrado tal que otros cuatro elementos 20 de combustible son adyacentes al elemento 20 de combustible; cada 1/3 giro helicoidal para un elemento de tres lóbulos en el que tres elementos de combustible están adyacentes al elemento de combustible (es decir, cada 120 grados alrededor el perímetro del elemento de combustible)). El paso de la hélice puede modificarse para crear más o menos planos de autoseparación en la longitud axial de los elementos 20 de combustible. De acuerdo con una realización, cada elemento de combustible de cuatro lóbulos 20 incluye múltiples giros, de manera que existen múltiples planos de autoseparación sobre la longitud axial del grupo de elementos 20 de combustible.

En la realización ilustrada, todos los elementos 20 giran en la misma dirección. Sin embargo, de acuerdo con una realización alternativa, los elementos adyacentes 20 pueden girar en direcciones opuestas sin desviarse del alcance de la presente invención.

La fórmula para el número de planos de separado automático a lo largo de la longitud de la barra de combustible es la siguiente:

N = n*L/h,

en el que:

L - Longitud de la barra de combustible

n - Número de lóbulos (nervaduras) y cantidad de elementos de combustible adyacentes a un elemento de combustible

h - Paso de giro helicoidal

La fórmula es ligeramente diferente si el número de lóbulos y el número de elementos de combustible adyacentes a un elemento de combustible no son los mismos.

Como resultado de tal autoseparación, el montaje 10 de combustible puede omitir rejillas separadoras que de otro modo podrían haber sido necesarias para asegurar la separación adecuada de los elementos a lo largo de la longitud del montaje 10. Al eliminar las rejillas separadoras, el refrigerante puede fluir más libremente a través del montaje 10, lo que aumenta ventajosamente la transferencia de calor desde los elementos 20 al refrigerante. Sin embargo, de acuerdo con realizaciones alternativas de la presente invención, el montaje 10 puede incluir rejilla(s) separadora(s) sin desviarse del alcance de la presente invención.

Como se muestra en la figura 3, la cubierta 30 forma una carcasa tubular que se extiende axialmente a lo largo de toda la longitud de los elementos 20 de combustible y rodea los elementos 20. Sin embargo, de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención, la cubierta 30 puede comprender bandas axialmente separadas, cada una de las cuales rodea los elementos 20 de combustible. Una o más de tales bandas pueden alinearse axialmente con los planos de separación automática. Los soportes de esquina que se extienden axialmente pueden extenderse entre tales bandas separadas axialmente para soportar las bandas, mantener la alineación de las bandas y fortalecer el montaje. Alternativamente y/o adicionalmente, se pueden cortar agujeros en el otro lado de cubierta tubular/poligonal 30 en lugares donde la cubierta 30 no se necesita o no se desea para el soporte. El uso de una cubierta completa 30 puede facilitar un mayor control de los flujos de refrigerante separados a través de cada montaje de combustible individual 10. Por el contrario, el uso de bandas o una cubierta con orificios puede facilitar una mejor mezcla de refrigerante entre los montajes 10 de combustible adyacentes, lo que puede reducir ventajosamente los gradientes de temperatura del refrigerante entre los montajes 10 de combustible adyacentes.

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Como se muestra en la figura 1, el perímetro de sección transversal de la cubierta 30 tiene una forma que acomoda el reactor en el que se utiliza el montaje 10. En reactores como el AP-1000 que utilizan montajes de combustible cuadrado, la cubierta tiene una sección transversal cuadrada. Sin embargo, la cubierta 30 puede tomar alternativamente cualquier forma adecuada dependiendo del reactor en el que se utiliza (por ejemplo, una forma hexagonal para uso en un reactor VVER (por ejemplo, como se muestra en la figura 1 de la Publicación de Solicitud de Patente de Estados Unidos No. 2009/0252278 A1).

Los tubos 40 de guía proporcionan la inserción de elementos de absorción de control basados en carburo de boro (B4C), cadmio de indio y plata (Ag, In, Cd), titanato de disrosio (Dy2O3-TiO2) u otras aleaciones o materiales adecuados utilizados para el control de la reactividad (no mostrado) y elementos absorbedores quemables basados en carburo de boro, óxido de gadolinio (Gd2O3) u otros materiales adecuados (no mostrados) y se colocan en la boquilla 50 superior con la capacidad de desplazamiento axial elástico. Los tubos 40 de guía pueden comprender una aleación de zirconio. Por ejemplo, el tubo guía 40 de disposición mostrada en la figura 1 está en una disposición utilizada en el reactor AP-1000 (por ejemplo, 24 tubos de guía dispuestos en dos filas anulares en las posiciones que se muestran en la rejilla 17x17).

La forma, el tamaño y las características del marco 25 dependen del núcleo específico del reactor para el que se va a utilizar el montaje 10. Por lo tanto, un experto en la materia entendería cómo hacer un marco de forma y tamaño apropiados para el montaje 10 de combustible. Por ejemplo, el marco 25 puede estar conformado y configurado para ajustarse en un núcleo de reactor de una central nuclear convencional en lugar de un montaje convencional de óxido de uranio u óxido mixto para el núcleo del reactor de esa planta. La planta de energía nuclear puede comprender un diseño de núcleo del reactor que estaba en uso real antes de 2010 (por ejemplo, PWR de 2, 3 o 4 circuitos, BWR-4). Alternativamente, la planta de energía nuclear puede ser de un diseño completamente nuevo que está específicamente diseñado para su uso con el montaje 10 de combustible.

Como se explicó anteriormente, el montaje 10 de combustible ilustrado está diseñado para uso en un reactor AP- 1000 o EPR. El montaje incluye una matriz 17x17 de elementos 20 de combustible, 24 de los cuales se reemplazan con tubos 40 de guía como se explicó anteriormente para un total de 265 elementos 20 de combustible en EPR o 264 elementos 20 de combustible en AP-1000 (en el AP-1000, en además de los 24 elementos de combustible que se sustituyen por los tubos de guía, un elemento de combustible central también se reemplaza por un tubo instrumentado).

Los elementos 20 proporcionan preferiblemente el 100% del material fisionable global del montaje 10 de combustible. Alternativamente, parte del material fisionable del montaje 10 puede proporcionarse mediante elementos de combustible distintos de los elementos 20 (por ejemplo, elementos combustibles no lobulados, elementos de óxido de uranio, elementos que tienen relaciones de combustible y/o enriquecimientos que difieren de los elementos 20). De acuerdo con varias de tales realizaciones alternativas, los elementos 20 de combustible proporcionan al menos 50%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% y/o 95% en volumen del material fisionable general del montaje 10 de combustible.

El uso de los elementos combustibles metálicos 20 de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención facilita varias ventajas sobre el óxido de uranio o el combustible de óxidos mixtos convencionalmente utilizados en reactores nucleares de agua ligera (LWR) (incluyendo reactores de agua en ebullición y reactores de agua a presión) tales como el AP-1000 diseñado por Westinghouse, los reactores EPR diseñados por AREVA o el ABWR diseñado por GE. Por ejemplo, de acuerdo con una o más realizaciones, el índice de potencia para un LWR que funciona con óxido de uranio estándar o combustible de óxido mixto podría aumentarse hasta aproximadamente 30% sustituyendo los elementos 20 combustibles totalmente metálicos y/o el montaje 10 de combustible para combustibles de óxido de uranio estándar actualmente utilizados en los tipos existentes de LWR o nuevos tipos de LWR que se han propuesto.

Una de las principales limitaciones para aumentar la potencia nominal de los LWR que funcionan con combustible de óxido de uranio estándar ha sido la pequeña superficie de los elementos de combustible cilíndricos que utiliza dicho combustible. Un elemento de combustible cilíndrico tiene la relación de área de superficie a volumen más baja para cualquier tipo de perfil de sección transversal de elemento de combustible. Otra restricción importante para el combustible de óxido de uranio estándar ha sido un quemado relativamente bajo que tales elementos de combustible podrían alcanzar sin dejar de cumplir los criterios aceptables de rendimiento de combustible. Como resultado, estos factores asociados con el óxido de uranio estándar o el combustible de óxidos mixtos limitan significativamente el grado en que se podría aumentar la potencia nominal del reactor existente.

Una o más realizaciones de los elementos 20 combustibles totalmente metálicos superan las limitaciones anteriores. Por ejemplo, como se explicó anteriormente, la falta de rejillas separadoras puede reducir la resistencia hidráulica, y por lo tanto aumentar el flujo de refrigerante y el flujo de calor desde los elementos 20 al refrigerante primario. La torsión helicoidal de los elementos 20 de combustible puede aumentar el entremezclado de refrigerante y la turbulencia, lo que también puede aumentar el flujo de calor desde los elementos 20 al refrigerante.

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Los análisis preliminares neutrónicos y termohidráulicos han mostrado lo siguiente de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención:

• El índice de potencia térmica de un reactor LWR podría aumentarse hasta en un 30,7% o más (por ejemplo, la potencia térmica de un reactor EPR podría incrementarse de 4.59 GWth a 6.0 GWth).

• Con una fracción de volumen de uranio-zirconio de 25% y enriquecimiento de uranio-235 de 19.7%, un núcleo de reactor EPR con una configuración de elemento de combustible metálico de cuatro lóbulos 20 podría funcionar durante aproximadamente 500-520 días de plena potencia efectiva (EFPDs) a la potencia térmica aumentada de 6.0 GWth si 72 montajes de combustible fueron reemplazados por lote (una vez cada 18 meses) o 540-560 EFPDs si 80 montajes de combustible fueron reemplazados por lote (una vez cada 18 meses).

• Debido al aumento de área de superficie en el elemento de combustible de múltiples lóbulos, incluso en la potencia nominal incrementada de 6.0 GWth, el flujo de calor superficial promedio del elemento de combustible de múltiples lóbulos se muestra un 4-5% más bajo que para los elementos de combustible cilíndrico de óxido de uranio que funcionan a la potencia térmica de 4.59 GWth. Esto podría proporcionar un aumento del margen de seguridad con respecto al flujo de calor crítico (por ejemplo, una mayor desviación del margen de ebullición nuclear en los PWR o una relación de potencia crítica que limita la fracción máxima en los BWR). Además, esto podría permitir la posibilidad de utilizar 12 elementos de combustible por conjunto con venenos combustibles. Los venenos quemables podrían usarse para eliminar el exceso de reactividad al comienzo del ciclo o para aumentar el efecto Doppler durante el calentamiento del núcleo.

• Por lo tanto, los montajes 10 de combustible pueden proporcionar una mayor salida de potencia térmica a una temperatura de funcionamiento de combustible más baja que los montajes de combustible de óxido de uranio u óxido mixto convencionales.

Para utilizar la salida de potencia incrementada del montaje 10, las plantas de potencia convencionales podrían actualizarse (por ejemplo, bombas de refrigerante más grandes y/o adicionales, generadores de vapor, intercambiadores de calor, presurizadores, turbinas). De hecho, de acuerdo con una o más realizaciones, la mejora podría proporcionar un 30-40% más de electricidad de un reactor existente. Tal posibilidad puede evitar la necesidad de construir un segundo reactor completo. El costo de modificación puede pagarse rápidamente a través de una mayor producción eléctrica. Alternativamente, las nuevas plantas de energía podrían construirse para incluir características adecuadas para manejar y utilizar el mayor rendimiento térmico de los montajes 10.

Además, una o más realizaciones de la presente invención podrían permitir que un LWR funcione con la misma potencia nominal que con el óxido de uranio estándar o el combustible de óxido mixto utilizando los sistemas de reactor existentes sin ninguna modificación importante del reactor. Por ejemplo, de acuerdo con una realización:

• Un EPR tendría la misma potencia de salida que si se utilizara combustible de óxido de uranio convencional: 4,59 GWt;

• Con una fracción de volumen de uranio-zirconio de 25% y enriquecimiento de uranio-235 de aproximadamente 15%, un núcleo de reactor EPR con configuración de elemento de combustible metálico de cuatro lóbulos 20 podría funcionar durante aproximadamente 500-520 días de plena potencia efectiva (EFPD) si se reemplazaron 72 montajes de combustible por lote o 540-560 EFPD si se reemplazaron 80 montajes de combustible por lote.

• El flujo de calor superficial promedio para los elementos 20 se reduce aproximadamente en un 30% comparado con el de barras cilíndricas con combustible de óxido de uranio convencional (por ejemplo, 39,94 v. 57.34 W/cm2). Debido a que el aumento de temperatura del refrigerante a través del montaje 10 (por ejemplo, la diferencia entre la temperatura de entrada y salida) y el índice de fluidez de refrigerante a través del montaje 10 permanece aproximadamente igual al de los montajes de combustible convencionales, el flujo de calor superficial reducido resulta en una reducción correspondiente en la temperatura de la superficie de la barra de combustible que contribuye a aumentar los márgenes de seguridad con respecto al flujo de calor crítico (por ejemplo, mayor desviación del margen de ebullición nuclear en PWR o fracción máxima que limita la relación de potencia crítica en BWR).

Adicionalmente y/o alternativamente, los montajes 10 de combustible de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención se pueden poner en fase/en escalera en un núcleo de reactor en lugar de montajes de combustible convencionales. Durante el período de transición, los montajes 10 de combustible que tienen salidas fisibles/neutrónicas/térmicas comparables como montajes de combustible convencionales pueden reemplazar gradualmente tales montajes de combustible convencionales por cambios secuenciales de combustible sin cambiar los parámetros operativos de la planta de energía. Por lo tanto, los montajes 10 de combustible se pueden adaptar a un núcleo existente que puede ser importante durante un período de transición (es decir, comenzar con un núcleo parcial con montajes 10 de combustible y pasar gradualmente a un núcleo completo de montajes 10 de combustible).

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Adicionalmente, la carga fisionable de los montajes 10 se puede adaptar a la transición particular deseada por un operador de planta. Por ejemplo, la carga de material fisionable puede aumentarse de forma apropiada para aumentar la producción térmica del reactor entre 0% y 30% o más superior, con respecto al uso de montajes de combustible convencionales que reemplazan los montajes 10. En consecuencia, el operador de la central eléctrica puede elegir la tasa de aumento de potencia específica deseada, en función de la infraestructura de la planta existente o las capacidades de la planta de energía en diversos momentos durante las actualizaciones.

Una o más realizaciones de los montajes 10 de combustible y los elementos 20 de combustible pueden usarse en reactores rápidos (a diferencia de los reactores de agua ligera) sin desviarse del alcance de la presente invención. En los reactores rápidos, el metal no combustible del núcleo 100 de combustible es preferiblemente un metal refractario, por ejemplo, una aleación de molibdeno (por ejemplo, molibdeno puro o una combinación de molibdeno y otros metales), y el revestimiento 120 es preferiblemente de acero inoxidable (que incluye cualquier variación de aleación de este) u otro material adecuado para utilizar con refrigerante en tales reactores (por ejemplo, sodio). Dichos elementos 20 de combustible se pueden fabricar mediante el proceso de coextrusión discutido anteriormente o se pueden fabricar mediante cualquier otro método adecuado (por ejemplo, fusión en vacío).

Como se muestra en las Figs. 7A, 7B y 8, los montajes de combustible 510 de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención se pueden utilizar en un reactor de agua pesada presurizada 500 (véase la figura 8) tal como un reactor CANDU.

Como se muestra en las Figs. 7A y 7B, el montaje de combustible 510 comprende una pluralidad de elementos 20 de combustible montados en un marco 520. El marco 520 comprende dos placas extremas 520a, 520b que se montan en extremos axiales opuestos de los elementos 20 de combustible (por ejemplo, mediante soldadura, ajustes de interferencia, cualquiera de los diversos tipos de métodos de fijación descritos anteriormente para unir los elementos 20 a la placa de anclaje inferior 70) Los elementos 20 utilizados en el montaje de combustible 510 son típicamente mucho más cortos que los elementos 20 utilizados en el montaje 10. De acuerdo con diversas realizaciones y reactores 500, los elementos 20 y los montajes 510 utilizados en el reactor 500 pueden tener aproximadamente 18 pulgadas de largo.

Los elementos 20 pueden colocarse uno con respecto al otro en el montaje 510, de modo que los planos de autoseparación mantengan el espacio entre los elementos 20 de la manera descrita anteriormente con respecto al montaje 10. Alternativamente, los elementos 20 del montaje 510 pueden estar tan separados entre sí que los elementos adyacentes 20 nunca se tocan entre sí, y en su lugar dependen completamente del marco 520 para mantener la separación del elemento 20. Además, los separadores pueden unirse a los elementos 20 o sus nervaduras en varias posiciones a lo largo de la longitud axial de los elementos 20 para contactar los elementos adyacentes 20 y ayudar a mantener la separación de los elementos 20 (por ejemplo, de manera similar a como se usan los separadores en combustible convencional barras de montajes de combustible convencionales para reactores de agua pesada presurizados para ayudar a mantener el espacio entre las barras).

Como se muestra en la figura 8, los montajes 510 se alimentan a los tubos de calandria 500a del reactor 500 (a veces denominado en la técnica como una calandria 500). El reactor 500 utiliza agua pesada 500b como moderador y refrigerante primario. El refrigerante primario 500b circula horizontalmente a través de los tubos 500a y luego a un intercambiador de calor donde el calor se transfiere a un circuito secundario de refrigerante que se utiliza típicamente para generar electricidad a través de turbinas. Los mecanismos de carga del montaje de combustible (no mostrados) se utilizan para cargar los montajes de combustible 510 en un lado de los tubos de calandria 500a y empujar los conjuntos gastados 510 fuera del lado opuesto de los tubos 500a, típicamente mientras el reactor 500 está funcionando.

Los montajes de combustible 510 pueden diseñarse para ser un sustituto directo de los montajes de combustible convencionales (también conocidos como grupos de combustible en la técnica) para reactores de agua pesada presurizados convencionales existentes (por ejemplo, reactores CANDU). En tal realización, los montajes 510 alimentan al reactor 500 en lugar de los montajes/grupos convencionales. Tales montajes de combustible 510 pueden diseñarse para tener propiedades neutrónicas/térmicas similares a los montajes convencionales que se reemplazan. Alternativamente, los montajes de combustible 510 pueden diseñarse para proporcionar un aumento de potencia térmica. En tales realizaciones superiores, los reactores 500 nuevos o mejorados se pueden diseñar para acomodar el mayor rendimiento térmico.

De acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención, el montaje 10 de combustible está diseñado para reemplazar un montaje de combustible convencional de un reactor nuclear convencional. Por ejemplo, el montaje 10 de combustible ilustrado en la figura 1 está específicamente diseñado para reemplazar un montaje de combustible convencional que utiliza una matriz de 17x17 de barras de combustible UO2. Si los tubos 40 de guía del montaje 10 se dejan en la misma posición exacta que la que se usaría con un montaje de combustible convencional, y si todos los elementos 20 de combustible son del mismo tamaño, entonces el paso entre elementos de combustible/barras permanece sin modificar entre el montaje de combustible UO2 convencional y una o más realizaciones del montaje 10 de combustible (por ejemplo, paso de 12.6 mm). En otras palabras, los ejes longitudinales de los elementos 20 de combustible pueden estar dispuestos en las mismas ubicaciones que los ejes longitudinales de barras de

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combustible UO2 convencionales en un montaje de combustible convencional comparable. De acuerdo con diversas realizaciones, los elementos 20 de combustible pueden tener un diámetro circunscrito mayor que las barras de combustible UO2 comparables (por ejemplo, 12.6 mm en comparación con un diámetro exterior de 9.5 mm para una barra de combustible UO2 típica). Como resultado, en el plano de autoalineación ilustrado en la figura 1, la longitud y anchura de la sección transversal del espacio ocupado por los elementos 20 de combustible puede ser ligeramente mayor que la ocupada por barras de combustible UO2 convencionales en un montaje de combustible convencional (por ejemplo, 214.2 mm para el montaje 10 de combustible (es decir, 17 elementos de combustible de diámetro circunscrito de 20 x 12.6 mm por elemento de combustible), a diferencia de 211.1 mm para un montaje de combustible de UO2 convencional que incluye una matriz de 17 x 17 de barras de combustible de UO2 de 9.5 mm separadas entre sí por un paso de 12.6 mm). En los montajes de combustible UO2 convencionales, una rejilla separadora rodea las barras de combustible, y aumenta la envolvente general de la sección transversal del montaje de combustible convencional a 214 mm x 214 mm. En el montaje 10 de combustible, la cubierta 30 aumenta de manera similar la envoltura de sección transversal del montaje 10 de combustible. La cubierta 30 puede tener cualquier espesor adecuado (por ejemplo, 0.5 mm o 1.0 mm de espesor). En una realización que utiliza una cubierta 30 de 1,0 mm de espesor, la envoltura transversal general de una realización del montaje 10 de combustible puede ser 216.2 mm x 216.2 mm (por ejemplo, los 214 mm ocupados por los 17 elementos 20 de combustible de 12.6 mm de diámetro más dos veces el espesor de 1.0 mm de la cubierta 30). Como resultado, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención, el montaje 10 de combustible puede ser ligeramente más grande (por ejemplo, 216.2 mm x 216.2 mm) que un montaje de combustible UO2 típico (214 mm x 214 mm). El tamaño más grande puede perjudicar la capacidad del montaje 10 para ajustarse adecuadamente en las posiciones del montaje de combustible de uno o más reactores convencionales, que se diseñaron para su uso con montajes de combustible UO2 convencionales. Para acomodar este cambio de tamaño, de acuerdo con una o más realizaciones de la presente invención, se puede diseñar y construir un nuevo reactor para acomodar el tamaño más grande de los montajes 10 de combustible.

De acuerdo con una realización alternativa, el diámetro circunscrito de todos los elementos 20 combustibles puede reducirse ligeramente a fin de reducir el tamaño total de la sección transversal del montaje 10 de combustible. Por ejemplo, el diámetro circunscrito de cada elemento 20 de combustible puede reducirse en 0.13 mm a 12.47 mm, de modo que el espacio total en sección transversal ocupado por el montaje 10 de combustible permanece comparable a un montaje de combustible convencional de 214 mm por 214 mm (por ejemplo, 17 elementos 20 de combustible de 12.47 mm de diámetro más dos de 1,0 mm de espesor de la cubierta, que suman unos 214 mm). Tal reducción en el tamaño del conjunto de 17 por 17 cambiará ligeramente las posiciones de los tubos 40 de guía en el montaje 10 de combustible con relación a las posiciones del tubo de guía en un montaje de combustible convencional. Para acomodar este ligero cambio de posición en las posiciones del tubo 40, las posiciones de la matriz de control correspondiente y los mecanismos de accionamiento de la barra de control en el reactor pueden desplazarse de manera similar para acomodar los tubos de guía recolocados 40. Alternativamente, si se proporcionan holguras y tolerancias suficientes para las barras de control en un reactor convencional, las barras de control posicionadas convencionalmente pueden ajustarse adecuadamente en los tubos 40 ligeramente desplazados del montaje 10 de combustible.

Alternativamente, el diámetro de los elementos combustibles periféricos 20 puede reducirse ligeramente de modo que el conjunto general 10 encaje en un reactor convencional diseñado para montajes de combustible convencionales. Por ejemplo, el diámetro circunscrito de la fila exterior de los elementos 20 de combustible puede reducirse en 1.1 mm de manera que el tamaño total del montaje de combustible sea 214 mm x 214 mm (por ejemplo, 15 elementos 20 de combustible de 12.6 mm más 2 elementos 20 de combustible de 11.5 mm de más de 2 grosores de 1.0 mm de la cubierta 30). Alternativamente, el diámetro circunscrito de las dos filas exteriores de elementos 20 de combustible se puede reducir en 0.55 mm cada una de manera que el tamaño total del montaje de combustible permanezca en 214 mm x 214 mm (por ejemplo, 13 elementos 20 de combustible de 12.6 mm más 4 montajes de combustible de 12.05 mm más 2 espesores de 1.0 mm de la cubierta 30). En cada realización, el paso y la posición de la matriz 13x13 central de elementos 20 de combustible y tubos 40 de guía permanece inalterada de modo que los tubos 40 de guía se alinean con la matriz de control y los mecanismos de accionamiento de la barra de control en un reactor convencional.

La figura 10 ilustra un montaje 610 de combustible de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención. De acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 610 de combustible está diseñado para reemplazar un montaje de combustible UO2 convencional en un reactor convencional mientras se mantiene el posicionamiento de la barra de control de los reactores diseñados para su uso con diversos montajes de combustible UO2 convencionales. El montaje 610 de combustible es generalmente similar al montaje 10 de combustible, que se describe anteriormente y se ilustra en la figura 1, pero incluye varias diferencias que ayudan al ensamblaje 610 a ajustarse mejor en uno o más tipos de reactores existentes (por ejemplo, Reactores que utilizan el diseño de ensamble de combustible de Westinghouse que utiliza una matriz 17 por 17 de barras UO2) sin modificar las posiciones de la barra de control o los mecanismos de accionamiento de la barra de control.

Como se muestra en la figura 10, el montaje de combustible incluye una serie de espacios de 17 por 17. La matriz central de 15 por 15 está ocupado por 200 elementos 20 de combustible y 25 tubos 40 de guía, como se describe anteriormente con respecto al montaje de combustible similar 10 ilustrado en la figura 1. Dependiendo del diseño del

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reactor específico, el tubo de guía central 40 puede reemplazarse por un elemento de combustible adicional 20 si el diseño del reactor no utiliza un tubo central 40 (es decir, 201 elementos 20 de combustible y 24 tubos 40 de guía). Las posiciones del tubo de guía 40 corresponden a las posiciones del tubo de guía utilizadas en reactores diseñados para utilizar montajes de combustible UO2 convencionales.

Las posiciones periféricas (es decir, las posiciones dispuestas lateralmente hacia fuera desde los elementos 20 de combustible) de la disposición/diseño de 17 por 17 del montaje 610 de combustible están ocupadas por 64 elementos/barras 650 de combustible U02. Como es sabido en la técnica, las barras 650 de combustible pueden comprender combustible estándar UO2 peletizado dispuesto en una barra hueca. El combustible UO2 pelletizado puede enriquecerse con U-235 en menos del 20%, menos del 15%, menos del 10% y/o menos del 5%. Las barras 650 pueden tener un diámetro ligeramente menor (por ejemplo, 9.50 mm) que el diámetro circunscrito de los elementos 20 de combustible, lo que reduce ligeramente las dimensiones de la sección transversal global del montaje 610 de combustible de modo que el montaje 610 se ajusta mejor al espacio asignado para un ensamble de combustible UO2 convencional.

En la realización ilustrada, las barras/elementos 650 de combustible comprenden combustible apelmazado UO2. Sin embargo, las barras de combustible/elementos 650 pueden alternativamente utilizar cualquier otra combinación adecuada de uno o más materiales fisionables y/o fértiles (por ejemplo, torio, plutonio, uranio-235, uranio-233, cualquier combinación de estos). Tales barras/elementos 650 de combustible pueden comprender combustible de metal y/u óxido.

De acuerdo con una o más realizaciones alternativas, las barras 650 de combustible pueden ocupar menos que todas las 64 posiciones periféricas. Por ejemplo, las barras 650 de combustible pueden ocupar la fila superior y la columna izquierda de la periferia, mientras que la fila inferior y la columna derecha de la periferia pueden estar ocupadas por elementos 20 de combustible. Alternativamente, las barras 650 de combustible pueden ocupar cualquier otro de los dos lados de la periferia del montaje de combustible. La cubierta 630 puede modificarse para encerrar los elementos de combustible adicionales 20 en la periferia del montaje de combustible. Dichos montajes de combustible modificados pueden colocarse adyacentes entre sí de forma que una fila/columna de elementos 650 de combustible periféricos en un conjunto esté siempre adyacente a una fila/columna de elementos 20 de combustible en el montaje de combustible adyacente. Como resultado, se proporciona espacio adicional para los montajes de combustible por el hecho de que la interfaz entre los montajes adyacentes se desplaza ligeramente hacia el montaje que incluye elementos 650 de combustible en el lado periférico de la interfaz. Dicha modificación puede proporcionar el uso de un mayor número de elementos de combustible de salida de calor superior 20 que los proporcionados por los montajes de combustible 610.

Una cubierta 630 rodea la matriz de elementos 20 combustibles y separa los elementos 20 de los elementos 650. Las boquillas 50, 60, cubierta 630, conductos de refrigerante formados entre ellos, la presión relativa cae a través de los elementos 20 y elementos 650 y/o la mayor caída de presión a través de la rejilla separadora 660 (discutida más adelante) que rodea los elementos 650 puede dar como resultado un mayor índice de fluidez de refrigerante dentro de la cubierta 630 y pasa la mayor parte de elementos 20 de combustible de salida caliente a diferencia del índice de fluidez fuera de la cubierta 630 y más allá de las barras de combustible de salida caliente relativamente más bajas 650. Los pasadizos y/u orificios en el mismo pueden diseñarse para optimizar los índices de fluidez de refrigerante relativos más allá de los elementos 20, 650 en función de sus respectivas salidas de calor y las temperaturas de funcionamiento diseñadas.

De acuerdo con diversas realizaciones, la relación de moderador: combustible para los elementos 20 de combustible del montaje 610 de combustible es menor o igual a 2.7, 2.6, 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9 y/o 1.8. En la realización ilustrada, la relación moderador: combustible es igual a una relación de (1) el área total dentro de la cubierta 630 disponible para refrigerante/moderador (por ejemplo, Aproximada por el área total de sección transversal dentro de la cubierta 630 menos el corte transversal total de área tomada por los elementos 20 de combustible (suponiendo que los tubos 40 de guía están llenos de refrigerante)) a (2) el área total de la sección transversal de los núcleos 100 de los elementos 20 de combustible dentro de la cubierta 630.

De acuerdo con una realización alternativa de la invención, la cubierta 630 puede ser reemplazada con una o más bandas anulares o puede estar provista con orificios en la cubierta 630, como se explicó anteriormente. El uso de bandas u orificios en la cubierta 630 puede facilitar la mezcla cruzada de refrigerante entre los elementos 20 de combustible y los elementos 650 de combustible.

Como se muestra en la figura 10, los elementos 650 de combustible están dispuestos dentro de una rejilla separadora anular 660 que es generalmente comparable a la parte exterior de una rejilla separadora utilizada en un montaje de combustible UO2 convencional. La rejilla separadora 660 puede conectarse rígidamente a la cubierta 630 (por ejemplo, a través de soldaduras, pernos, tornillos u otros sujetadores). La rejilla separadora 660 está preferiblemente dimensionada para proporcionar el mismo paso entre los elementos combustibles 650 y los elementos 20 combustibles que se proporciona entre los elementos combustibles centrales 20 (por ejemplo, paso de 12.6 mm entre los ejes de todos los elementos 20 combustibles, 650). Para proporcionar dicha separación, los elementos 650 de combustible pueden estar dispuestos más cerca del lado exterior de la rejilla separadora 660 que

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a la cubierta 630 y al lado interno de la rejilla separadora 660. El montaje 610 de combustible y la rejilla separadora 660 también se dimensionan y colocan preferiblemente de manera que se proporcione el mismo paso entre los elementos 650 de combustible de los montajes de combustible adyacentes (por ejemplo, paso de 12.6 mm). Sin embargo, la separación entre cualquiera de los elementos 20, 650 de combustible puede variar con relación a la separación entre otros elemento 20, 650 de combustible.

De acuerdo con diversas realizaciones, los elementos 20 de combustible proporcionan al menos 60%, 65%, 70%, 75% y/o 80% de un volumen total de todos los elementos de combustible que contienen material 20, 650 fisionable del montaje 610 de combustible. Por ejemplo, de acuerdo con una o más realizaciones en las que el montaje 610 de combustible incluye 201 elementos 20 de combustible, que tienen cada uno un área de sección transversal de aproximadamente 70 mm2, y 64 elementos 650 de combustible, teniendo cada uno un diámetro de 9.5 mm, los elementos 20 de combustible proporcionan aproximadamente el 75.6% de un volumen total de todos los elemento 20, 650 de combustible (201 elementos 20 de combustible x 70 mm2 es igual a 14070 mm2; 64 elementos combustibles 650 x n x (9.5/2)2 = 4534 mm2; las áreas del elemento 20, 650 de combustible son esencialmente proporcionales a los volúmenes del elemento de combustible; (14070 mm2/(14070 mm2 +4534 mm2 = 75.6%)).

La altura del montaje 610 de combustible coincide con la altura de un montaje un montaje de combustible convencional comparable que el montaje 610 puede reemplazar (por ejemplo, la altura de un montaje de combustible estándar para un diseño de reactor Westinghouse o AREVA).

El montaje de combustible ilustrado 610 se puede utilizar en un 17x17 PWR tal como el Diseño de 4 circuitos de Westinghouse, API 000 o AREVA EPR. Sin embargo, el diseño del montaje 610 de combustible también puede modificarse para acomodar una variedad de otros diseños de reactor (por ejemplo, diseños de reactor que utilizan un montaje de combustible hexagonal, en cuyo caso la periferia exterior del hexágono está ocupada por barras UO2, mientras que el interior las posiciones están ocupadas por elementos 20 de combustible, o reactores de agua en ebullición, o pequeños reactores modulares). Aunque se describen dimensiones particulares con respecto a realizaciones particulares, se puede utilizar una variedad de elementos 20, 650 de combustible dimensionados alternativamente y montajes 10 de combustible en conexión con una variedad de reactores o tipos de reactor.

Dependiendo del diseño específico del reactor, las posiciones adicionales de las barras de un montaje de combustible pueden ser reemplazadas por barras UO2. Por ejemplo, aunque el montaje 610 de combustible incluye barras UO2 solo en la fila periférica exterior, el montaje 610 podría incluir alternativamente barras UO2 en las dos filas exteriores.

De acuerdo con diversas realizaciones, la parte del montaje 610 de combustible que soporta los elementos 650 de combustible es inseparable de la parte del montaje 610 de combustible que soporta los elementos 20 de combustible. Según diversas realizaciones, los elementos 20 de combustible no son separables como una unidad de los elementos 650 de combustible del montaje 610 de combustible (incluso aunque los elementos 20, 650 de combustible individuales puedan ser retirados del montaje 610, por ejemplo, en base a la falla de elemento de combustible individual). De forma similar, no hay un mecanismo de bloqueo que bloquee selectivamente la parte del elemento de combustible 650 del montaje de combustible a la parte del elemento 20 de combustible del montaje 610 de combustible. De acuerdo con diversas realizaciones, los elementos 20 de combustible y los elementos 650 de combustible del montaje 610 de combustible tienen el mismo ciclo de vida diseñado, de manera que todo el montaje 610 de combustible se utiliza dentro del reactor, y luego se retira como una sola unidad gastada.

De acuerdo con diversas realizaciones, el aumento de calor generado de los elementos 20 de combustible dentro del montaje 610 de combustible puede proporcionar un aumento de potencia con respecto al conjunto de barra de combustible UO2 convencional que reemplaza el montaje 610. De acuerdo con diversas realizaciones, la subida de potencia es al menos del 5%, 10% y/o 15%. El aumento puede estar entre 1 y 30%, 5 y 25%, y/o 10 y 20% de acuerdo con diversas realizaciones. De acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 610 de combustible proporciona al menos un ciclo de combustible de 18 meses, pero también puede facilitar el movimiento a un ciclo de combustible de 24+ o 36+ meses. De acuerdo con una realización del montaje 610 de combustible, que utiliza elementos 20 combustibles que tienen los parámetros de ejemplo discutidos anteriormente con respecto al elemento 20 mostrado en la figura 10, el montaje 17 proporciona un aumento del 17% en relación con un montaje de combustible UO2 convencional bajo los parámetros operativos identificados en las tablas siguientes.

Parámetro de funcionamiento para reactor AREVA EPR

Valor Unidad

Potencia de reactor

5.37 GWt

Duración de ciclo de combustible

18 Meses

Tamaño de lote de carga

1/3 núcleo

Enriquecimiento de Elemento 20 de Combustible

< 19.7 Sin

Enriquecimiento de UO2 de las Barras 650

< 5 Sin

Índice de fluidez de refrigerante

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Parámetro de montaje de combustible

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Diseño de montaje de combustible

17x17

Paso de montaje de combustible

215 mm

Cubierta de montaje de combustible

214 mm

Altura de combustible activo

4200 mm

Número de barras de combustible

265

Paso 20 de elemento de combustible (es decir, separación eje a eje)

12.6 mm

Diámetro externo promedio de elemento 20 de combustible (diámetro circunscrito)

12.6 mm

Diámetro mínimo promedio de elemento 20 de combustible

10.44 mm

Índice moderador a combustible, región semilla (alrededor de elementos 20)

2.36

Índice moderador a combustible, manta (alrededor de elementos 650 de combustible)

1.9

Las Figs. 11-13 ilustran un montaje 710 de combustible de acuerdo con una realización de la presente invención. De acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 710 de combustible está diseñado para reemplazar un montaje de combustible UO2 convencional en un reactor convencional mientras se mantiene el posicionamiento de la barra de control basado en combustible UO2 convencional del reactor. El montaje 710 de combustible es generalmente similar o idéntico al montaje 610 de combustible, excepto que las barras 650 de UO2 en la fila periférica del montaje 610 de combustible se reemplazan con elementos 730, 740 de combustible de metal. Como se explica a continuación, los elementos 730, 740 de combustible están modificados para ayudar al ensamblaje 710 a ajustarse mejor en uno o más tipos de reactor existentes (por ejemplo, reactores que utilizan el diseño de montaje de combustible de Westinghouse que utiliza una matriz de UO2 de 17 por 17) sin modificar las posiciones de las barras de control, mecanismos de accionamiento de la barra de control o dimensiones externas del montaje de combustible. Los elementos 730, 740 de combustible definen un subgrupo de los elementos 20, 730, 740 de combustible generales del montaje 710 de combustible, en el que el submontaje está dispuesto a lo largo de una fila periférica exterior/perímetro/anillo de posiciones de rejilla del patrón de rejilla de 17 por 17 del montaje 710 de combustible.

La figura 11 es una vista en sección transversal parcial del montaje 710 de combustible mostrado en un plano de autoseparación. Los elementos 20, 730, 740 de combustible, están dispuestos de manera que sus ejes centrales están dispuestos en un patrón de rejilla de 17 por 17. En la realización ilustrada, la separación entre la línea central y la línea central entre dos elementos de combustible adyacentes 20, 730, 740 en el montaje 710 de combustible es preferiblemente el mismo (por ejemplo, 12.6 mm) y coincide con el diámetro circunscrito de los elementos 20 combustibles, 730, 740. Para encajar en la envolvente espacial disponible en reactores convencionales (por ejemplo, el AP-1000) con ubicaciones convencionales de tubo de guía 40, los lados exteriores de los elementos 730, 740 de combustible son de tamaño lateralmente reducido para ajustarse dentro de la cubierta 750. En la Fig. 11, el área de reducción lateral se ilustra con líneas de puntos.

Como se muestra en las Figs. 13A y 13B, los elementos 20, 730 de combustible son similares, y preferiblemente tienen el mismo diámetro circunscrito (por ejemplo, 12.6 mm), lo que facilita la autoseparación entre los elementos 20, 730 de combustible. El elemento 730 de combustible puede ser similar o idéntico al elemento 20 de combustible, excepto que: (1) el núcleo 760 de combustible del elemento 730 de combustible es más pequeño que el núcleo 100 de combustible del elemento 20 de combustible, (2) el revestimiento 770 del elemento 730 combustible es en promedio más grueso que el revestimiento 120 del elemento 20 combustible, y de acuerdo con la invención, (3) un lado circunferencial 770a del revestimiento 770 se ha reducido lateralmente con relación a otros lados circunferenciales para eliminar una porción 770b del revestimiento original 770.

Hacer que el núcleo 760 de combustible sea más pequeño y el revestimiento 770 más grueso permite que la porción 770b del revestimiento 770 se elimine mientras se asegura aún una capa de revestimiento 770 suficientemente gruesa alrededor del núcleo 760. De acuerdo con diversas realizaciones, el espesor del revestimiento 700 es al menos 0.4, 0.5 y/o 0.6 mm en todo el elemento de combustible 730.

La porción retirada 770b se retira preferiblemente después de que el elemento 730 de combustible se haya conformado en forma espiral, lobulada. La parte retirada 770b puede eliminarse de cualquier manera adecuada (por ejemplo, trituración, rectificado, fresado, etc.). Como resultado de la espiral, la parte retirada 770b se eliminará de las porciones alineadas circunferencialmente en una pluralidad de los lóbulos del elemento combustible 730. En otras palabras, las partes 770b de los lóbulos del revestimiento 770 se retiran en el área donde el lóbulo está dispuesto en el lado 770a del elemento 730 de combustible que estará adyacente y apoyado en la cubierta 750. Debido a la torsión helicoidal de los elementos de combustible 730, el revestimiento 770 no se separa uniformemente del elemento de combustible 730, sino solo en las puntas 770a de los lóbulos que inciden en el límite de la envolvente del conjunto 710, limitado por la cubierta 750. De acuerdo con diversas realizaciones, una distancia radial de acortamiento 780 de la parte retirada 770b puede ser al menos 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y/o 10%, y/o menos de 30, 20, y/o 15% del diámetro circunscrito D del elemento de combustible 730. De acuerdo con diversas realizaciones, la

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distancia de acortamiento radial 780 puede ser de al menos 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 y/o 1.3 mm, y/o menos de 4.0, 3.0, 2.0 y/o 1.5 mm.

De acuerdo con realizaciones alternativas, el elemento 730 de combustible puede formarse originalmente en su forma final de manera que las partes retiradas 770b nunca estuvieron presentes y no necesitan ser eliminadas.

Como se muestra en la figura 11, el elemento de combustible de esquina 740 puede ser esencialmente idéntico al elemento de combustible lateral 730 excepto que dos lados circunferencialmente separados 770a del revestimiento 770 del elemento de combustible 740 (en lugar de solo un lado 770a como se hace en el elemento de combustible 730) se han reducido lateralmente para eliminar porciones 770b de manera que el elemento de combustible 740 se ajusta apropiadamente en la posición de rejilla de esquina del montaje 710 de combustible y se apoya en los dos lados ortogonales de la cubierta 750.

Aunque, de acuerdo con algunas realizaciones no limitantes, los núcleos de combustible 760 de los elementos 730, 740 de combustible tienen un volumen (o área más pequeño como se ve en la sección transversal perpendicular a la dirección axial alargada del montaje de combustible) que los núcleos 100 de los elementos 20 de combustible, los núcleos de combustible 730, 740 conservan otros beneficios diversos proporcionados por la forma y diseño del elemento 20 de combustible, como se explica en otra parte de la presente. De acuerdo con varias realizaciones, la carga fisionable de los núcleos 760 puede aumentarse (por ejemplo, a través de uranio más enriquecido) con relación a los núcleos no periféricos 20 para compensar el volumen del núcleo 760 más pequeño.

Como se muestra en la figura 13B, la eliminación de la parte retirada 770b da como resultado una línea central axial geométrica 800 (es decir, el centro del círculo que circunscribe la forma helicoidalmente retorcida del elemento de combustible 730) de los elementos 730, 740 de combustible desplazados del centro axial de masa 810 de los elementos 730, 740 de combustible (y/o el centro axial de masa del revestimiento 770). De acuerdo con diversas realizaciones no limitativas, el desplazamiento puede ser al menos 0.1, 0.3, 0.4, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0 y/o 5.0% del diámetro D circunscrito, y/o menos de 30, 20, y/o 10% del diámetro circunscrito D. De acuerdo con diversas realizaciones no limitativas, un centro axial de masa del núcleo 760 (véase la figura 13B) permanece en la línea central axial 800 del elemento combustible 730.

De acuerdo con diversas realizaciones, los elementos 20, 730, 740 de combustible, tienen entre 1 y 5 metros de longitud (medidos en la dirección axial) y el diámetro circunscrito está entre 6 y 40 mm, entre 6 y 30 mm, entre 6 y 20 mm, entre 9 y 15 mm, y/o alrededor de 12.6 mm. De acuerdo con diversas realizaciones, una relación de la longitud axial de los elementos combustibles 730, 740 con su diámetro circunscrito D es al menos 10:1, 20:1, 30:1, 40:1, 50:1, 100:1, 200:1, y/o 300:1, y/o menos de 1000:1.

En el plano de autoseparación mostrado en la figura 11, los lados inferiores 770a lateralmente reducidos de los elementos 730, 740 de combustible hacen contacto con la cubierta 750 para facilitar el autoseparado de los elementos 20, 730, 740 de combustible.

La figura 12 es una vista en sección transversal del montaje 710 de combustible mostrado en un plano que está dispuesto axialmente (por ejemplo, a lo largo de la longitud alargada del montaje 710 de combustible) a medio camino entre dos planos de autoseparación. En este plano, ninguno de los revestimientos 770 ha sido retirado de los elementos 730, 740 de combustible porque los lóbulos de los elementos 730, 740 de combustible están suficientemente separados de la cubierta 750 de modo que los elementos 730, 740 de combustible encajan sin tener material 770b eliminado en esta posición axial de los elementos combustibles 730, 740.

Aunque los elementos 730, 740 de combustible y el montaje 710 de combustible se ilustran como diseñados para uso en un reactor que utiliza un montaje de combustible de patrón de rejilla cuadrado de 17 por 17 con un patrón de tubo de guía específico incrustado en él, el montaje 710 de combustible y los elementos 20, 730, 740 de combustible, pueden usarse alternativamente con una variedad de otros tipos de reactores (por ejemplo, reactores que utilizan patrones de rejilla de 16 por 16 o 14 por 14, reactores con patrones de rejilla de elemento de combustible hexagonal y conjuntos de combustible). Por ejemplo, si los elementos 20 de combustible no encajarían adecuadamente en un montaje de combustible para uso en un reactor diseñado para montajes de combustible hexagonal y patrones de rejilla, la fila periférica de la rejilla hexagonal de dicho montaje de combustible puede comprender elementos de combustible como los elementos 730, 740 de combustible que se han modificado de modo que su(s) lado(s) exterior(es) se muelen para encajar en la envoltura requerida particular, preferiblemente sin tener que reubicar las posiciones del tubo de guía del reactor.

Figs. 14-20 ilustran un montaje 910 de combustible de acuerdo con una realización alternativa de la presente invención. De acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 910 de combustible está diseñado para reemplazar un montaje de combustible UO2 convencional en un reactor convencional mientras se mantiene el posicionamiento de la barra de control del reactor convencional (por ejemplo, un reactor en uso a partir de 2012). El montaje 910 de combustible es generalmente similar o idéntico a los montajes 610, 710 de combustible, excepto que: (1) todos los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible del montaje 910 de combustible son preferiblemente geométricamente idénticos entre sí; (2) cuatro elementos de combustible se eliminan de la fila periférica; (3) las

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líneas 920a' centrales de los elementos combustibles 920a en la fila periférica no esquinera están desplazadas hacia adentro para formar triángulos equiláteros con líneas 920a' centrales de elemento(s) 920a adyacentes de combustible periférico no esquina y la(s) línea(s) 920c' central(es) de la fila más externa no periférica de elemento(s) de combustible 920c; y (4) la línea 920b' central de los elementos de combustible de esquina 920b periférica se desplaza hacia adentro con relación a los elementos de combustible 740, 650 de los montajes 610, 710 de combustible.

Como se muestra en la figura 14, todos los elementos 920, 920a, 920b, 920c de combustible pueden ser geométricamente idénticos entre sí, y todos pueden comprender elementos 20 de combustible como se discutió anteriormente. Sin embargo, la carga fisionable de diferentes elementos 920, 920a, 920b, 920c de combustible puede ser diferente (por ejemplo, para nivelar la carga de calor generada a través del montaje 910 de combustible). Cada uno de los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible tiene el mismo diámetro circunscrito (por ejemplo, 12.6 mm). De acuerdo con realizaciones alternativas, los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible no son geométricamente idénticos entre sí.

Al desplazar la fila/submontaje periférico exterior de los elementos 920a, 920b de combustible lateralmente hacia dentro, se proporciona espacio suficiente para que los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible con un diámetro circunscrito que sea el mismo que el eje entre el centro y la línea central entre los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible se pueden utilizar mientras se ajusta dentro de la envolvente del espacio provisto en los reactores convencionales discutidos anteriormente.

Como se muestra en la figura 14, el patrón central de 15 por 15 cuadrados de las posiciones de la rejilla para los elementos 920c, 920d de combustible central y los tubos 40 de guía coincide con el patrón central de 15 por 15 cuadrados y las posiciones de los montajes de combustible convencionales para el reactor.

La fila periférica exterior de los elementos 920a, 920c de combustible se desplazan lateralmente hacia dentro hacia el centro del montaje 910 de combustible. El desplazamiento hacia adentro ayuda al montaje 910 a ajustarse mejor en uno o más tipos de reactores existentes (por ejemplo, reactores utilizando el diseño de ensamble de combustible de Westinghouse que utiliza un conjunto de barras UO2 de 17 por 17) sin modificar las posiciones de barra de control/tubo guía 40, mecanismos de accionamiento de barra de control o dimensiones del montaje de combustible.

En la realización ilustrada en la figura 16, los elementos 920a de combustible de 12.6 mm de diámetro circunscrito de se desplazan lateralmente hacia dentro de manera que una distancia de centro a centro entre las líneas 920a' centrales de los elementos 920a de combustible y las líneas 920c' centrales de los elementos 920c de combustible se desfasan aproximadamente 10.9 mm como proyectado en la dirección de rejilla de fila/columna del patrón de rejilla central de 15 por 15. Si los elementos 920a de combustible mantuvieran las posiciones del patrón de rejilla convencional de 17 por 17, el desplazamiento habría sido de 12.6 mm, en lugar de 10.9 mm. El desplazamiento hacia adentro de los elementos 920a de combustible da como resultado un ancho total de hilera o columna de aproximadamente 211 mm (15 pasos totales de 12.6 mm más 2 pasos totales de 10.9 mm), que se ajusta dentro de la envoltura de fila y columna de 211 mm dentro de la cubierta 940. Cuando se agrega el espesor de la cubierta 940, el ancho total de la fila y columna del montaje 910 de combustible se ajusta dentro de la envoltura de 214 mm proporcionada por un ejemplo de reactor convencional en el que el montaje 910 de combustible está diseñado para ajustarse.

Se omiten cuatro elementos de combustible de la fila/anillo periférico exterior con relación a un montaje de combustible convencional para facilitar el desplazamiento hacia dentro de los elementos 920a 920b de combustible,. En la realización ilustrada en la figura 14, la fila periférica exterior/anillo de elementos de combustible incluye 56 elementos 920a de combustible y 4 elementos de combustible 920b para un total de 60 elementos de combustible. Como referencia, un montaje de combustible convencional de 17 por 17 incluiría 64 elementos de combustible en la fila/anillo periférico exterior de las posiciones de la rejilla.

Como se muestra en la figura 15, las líneas centrales axiales 920c' de los elementos 920c de combustible en la fila próxima a periférica y las líneas centrales axiales 920a' de los elementos de combustible de fila periférica no de esquina 920a forman triángulos equiláteros en los que las distancias de centro a centro son iguales en diámetro circunscrito de los elementos 920a, 920c de combustible.

Como se muestra en las Figs. 15-18, los elementos 920a, 920c de combustible y la cubierta 940 tienen una variedad de diferentes planos de autoseparación parcial en diferentes posiciones axiales a lo largo del montaje 910 de combustible. En la sección transversal mostrada en las Figs. 15 y 16, los elementos 920a de combustible hacen tope y se autoseparan entre sí y la cubierta 940. En las secciones transversales mostradas en las Figs. 17 y 18, cada elemento 920a de combustible se apoya y se autosepara con uno de los elementos de combustible 920c. En total, como se ve en la orientación mostrada en la figura 15, cada elemento 920a de combustible tiene un punto de autoseparación a: 0 grados con la cubierta 940 (mostrada en la figura 15); 90 grados y 270 grados con elementos 920a de combustible adyacentes (mostrados en la figura 15); 150 grados con un elemento de combustible interno 920c (mostrado en la figura 18); y 210 grados con otro elemento de combustible interno 920c (mostrado en la figura

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17). Esta combinación de planos de autoseparación parcial se combina para proporcionar un separado automático adecuado de los elementos 920a de combustible.

Como se muestra en las Figs. 14 y 15, la pluralidad de elementos 920, 920a, 920c de combustible están dispuestos en un patrón de rejilla mixto que comprende: (1) un primer patrón de rejilla (el medio 15 por 15 montaje de elementos 920c, 920d de combustible) hecho de filas dispuestas en ángulo recto y columnas que tienen una distancia de línea central a centro entre las filas y columnas que es igual al diámetro D circunscrito común de los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible, y (2) un segundo patrón de rejilla (las dos filas periféricas externas constituyen los elementos 920a, 920c de combustible,) formados por triángulos equiláteros en los que una longitud de cada lado de cada triángulo (es decir, la línea central a la línea central entre elementos de combustible adyacentes que definen las esquinas de cada triángulo) es el diámetro común circunscrito D de los elementos 920a, 920b, 920c, 920d combustibles . Por lo tanto, el segundo patrón de rejilla triangular es diferente del patrón de rejilla primero/cuadrado. De acuerdo con realizaciones alternativas, también se podrían utilizar patrones de rejilla adicionales y/o alternativos (por ejemplo, patrones de rejilla rectangulares, patrones de triángulos isométricos, patrones de paralelogramos, otros patrones de repetición regulares) sin desviarse del alcance de la presente invención, que se define en las reivindicaciones independientes.

Los elementos 920a, 920b, 920c, 920d de combustible incluyen primeros submontajes no superpuestos (elementos de combustible 920d), segundo (elementos 920a de combustible), tercero (elementos de combustible 920c) y cuarto (elementos de combustible 920b). El primer submontaje (los elementos de combustible 920d) están dispuestos dentro de las respectivas posiciones de rejilla definidas por el primer patrón de rejilla/cuadrado. El segundo submontaje (los elementos 920a de combustible) están dispuestos dentro de las respectivas posiciones de rejilla definidas por el segundo patrón de rejilla triangular. El tercer submontaje (los elementos de combustible 920c) están dispuestos dentro de posiciones de rejilla superpuestas respectivas que caen dentro del patrón de rejilla primero/cuadrado y el segundo patrón de rejilla triangular. El cuarto submontaje (los elementos de combustible 920b) no están dispuestos dentro de ninguna de las posiciones de rejilla definidas por el primer o segundo patrón de rejilla.

Como se muestra en la figura 19, los elementos de combustible de esquina periférica 920b tienen una línea central 920b'-a-línea central 920c' distancia de aproximadamente 8,9 mm, según se proyecta en la dirección de fila y columna. Como se muestra en la figura 20, para un elemento 920b de combustible circunscrito de 12.6 mm, esto proporciona un plano de autoseparación parcial entre el elemento 920b de combustible y el elemento de combustible adyacente interior 920c en la posición de 225 grados del elemento de combustible 920b. Como se muestra en la figura 19, la esquina de la cubierta 940 puede estar conformada para proporcionar un plano de autoseparación parcial de dos puntos entre el elemento de combustible 920c y la cubierta 940 a aproximadamente las posiciones de 0 y 90 grados del elemento de combustible 920b. Esta combinación de planos de autoseparación parcial se combina para proporcionar un autoseparación apropiado de los elementos de combustible 920b.

Aunque se describen varios diámetros ejemplares, separado de centro a centro, tamaños de rejilla y otras dimensiones con respecto al montaje 910 de combustible, estos valores a modo de ejemplo son no limitativos. Por el contrario, los expertos en la técnica entenderían que se podrían utilizar una variedad de valores alternativos sin desviarse del alcance de la presente invención.

La figura 21 ilustra un montaje 1010 de combustible, que es generalmente similar al montaje 910 de combustible, excepto que los cuatro elementos de combustible de esquina exterior 920b presentes en el montaje 910 de combustible se omiten y/o se reemplazan por tubos 1020, 1030 de guía.

Figs. 22-38 ilustran diversas realizaciones de los montajes de combustible 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 que se puede utilizar en lugar de los montajes de combustible 16x16

convencionales/estándar del tipo descrito en las Figs. 39-44. Varias realizaciones de estos montajes 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 están diseñados para reemplazar un montaje de combustible UO2 de Ingeniería de Combustión (CE) 16x16 convencional en un reactor PWR de agua ligera convencional mientras se mantiene el posicionamiento de la barra de control del reactor CE convencional (por ejemplo, un reactor en uso a partir de 2012).

La figura 22 ilustra un montaje de combustible 1110 de acuerdo con una realización alternativa que está dirigida hacia un diseño de montaje de combustible 16x16. El montaje 1110 comprende 236 elementos combustibles 1120, que pueden ser similares o idénticos a los elementos 20 discutidos anteriormente, de manera que se omite una discusión redundante de los aspectos comunes de los elementos 20, 1120. De acuerdo con diversas realizaciones, todos los elementos 1120 de combustible del montaje de combustible 1110 son geométricamente idénticos entre sí. En el espacio del reactor disponible para un montaje 1110 que reemplaza un montaje convencional de 16x16 (por ejemplo, como se describe en las figuras 39-44), hay un espacio de agua inicial relativamente grande entre los montajes de combustible adyacentes (por ejemplo, 5.3 mm), un paso del montaje de combustible de 207.8 mm. Como resultado, de acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 1110 puede comprender elementos combustibles idénticos o sustancialmente idénticos 1120 dispuestos en una matriz/disposición cuadrada en todas las 16 filas sin cambiar la posición existente de los tubos de guía colocados convencionalmente y mientras se mantiene el paso existente de barra a barra de, por ejemplo, 0,506 pulgadas (12,852 mm). De acuerdo con diversas

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realizaciones, el montaje 1110 incluye una cubierta 1130 que es generalmente similar a la cubierta 940, pero está dimensionada para un montaje de combustible de 16x16. De acuerdo con diversas realizaciones, el espesor de la cubierta está entre 0.1 y 2.0 mm, entre 0.2 y 0.8 mm, entre 0.3 y 0.7 mm, y/o aproximadamente 0.48 mm. La cubierta 1130 relativamente delgada proporciona una separación suficiente para los elementos de combustible 1120 y el espacio de agua, mientras permanece adecuadamente adaptada para su uso en lugar de los montajes de combustible 16x16 convencionales. De acuerdo con una o más realizaciones, el montaje 1110 cabe dentro de un reactor que permite una envolvente/ancho máximo de montaje de combustible de 8.134 pulgadas (206.6 mm), con un espacio de agua de 1.2 mm. Por ejemplo, de acuerdo con una o más de tales realizaciones en las que el paso y el ancho del elemento de combustible es 12.852 mm y la cubierta 130 es de 0.48 mm de espesor, el ancho del montaje de combustible 1110 es 206.95 mm ((12.852 mm/elemento x 16 elementos) + (2 x 0.48 mm/lado de la cubierta)), que se ajusta dentro de una envolvente de 206.6 mm.

Como se muestra en la figura 22, el montaje 1110 incluye cinco tubos de guía 1140 para barras de control. Como se muestra en la figura 23, cada tubo de guía 1140 comprende una porción de tubo 1140a de guía interior y una porción de anillo 1140b separador externo. Las partes 1140a, 1140b interna y externa pueden estar formadas integralmente, o pueden estar formadas por separado y unidas entre sí. De acuerdo con diversas realizaciones, un diámetro interno de la porción de tubo 1140a de guía interior es ligeramente mayor que el diámetro exterior del tubo de barra de control que se va a insertar en el mismo. Por ejemplo, de acuerdo con diversas realizaciones, el diámetro interno de la porción de tubo 1140a de guía interior es de aproximadamente 0.9 pulgadas, y está configurado para acomodarse en una barra de control que tiene un diámetro exterior de 0.816 pulgadas y contiene absorbente quemable/material venenoso (por ejemplo, que tiene un diámetro de 0.737 pulgadas).

Como se muestra en la figura 23, la porción de anillo 1140b separador externo tiene un diámetro externo que se apoya en los círculos (mostrados en la figura 23) definidos por el diámetro exterior de los elementos 1120 de combustible y define las extensiones exteriores de los elementos 1120 de combustible sobre el giro en espiral de los elementos 1120 de combustible. Por ejemplo, en una realización en la que los elementos 1120 de combustible tienen un diámetro exterior de 0.506 pulgadas y el tubo 1140 guía tiene un diámetro exterior de 1.094 pulgadas, los círculos circunscritos tienen un diámetro de 0.506 pulgadas y están centrados en la posición de la línea central de la posición de rejilla/matriz de los respectivos elementos 1120 de combustible. En consecuencia, los ocho elementos 1120 de combustible que están en las filas y columnas adyacentes al tubo 1140 guía limitan con el tubo 1140 guía en una variedad de posiciones a lo largo de la longitud axial de cada elemento 1120 combustible (por ejemplo, un punto de contacto de elemento de combustible a tubo guía para cada una de las cuatro nervaduras para cada giro completo de 360 grados del elemento de combustible 1120). Figs. 24 y 25 ilustran las secciones transversales en las que diferentes combinaciones de cuatro elementos de combustible adyacentes 1120 limitan con el tubo de guía 1140. Si la sección transversal ilustrada en la figura 23 se considera una posición de inicio o de 0 grados, la FIG. 24 ilustra una sección transversal en un plano en el que los elementos de combustible 120 se giran en el sentido de las agujas del reloj en aproximadamente 18° (es decir, un plano que está desplazado del plano de posición inicial/0 en aproximadamente 1/20 de un giro completo de 360° del elemento 1120). De manera similar, la figura 25 ilustra una sección transversal que está desplazada del plano de posición inicial/0 mediante un giro de 72° de los elementos 1120 y aproximadamente 1/5 de un giro completo de 360° del elemento 120.

Figs. 26-30 ilustran un montaje de combustible 1210 de acuerdo con una realización alternativa de acuerdo con la invención. El montaje 1210 comprende una matriz 14x14 central de elementos de combustible 1220c, 1220d y tubos 1240 de guía que son similares o idénticos a la posición, forma y estructura del conjunto 14x14 central de los elementos 1120 de combustible y los tubos de guía 1140 del montaje 1110. Sin embargo, el número y las posiciones del anillo periférico más externo (es decir, en las filas 1 y 16 y las columnas 1 y 16) de los elementos de combustible 1220a en el montaje 1210 difieren del montaje 1110. En lugar de estar dispuestos en posiciones de rejilla dentro de un conjunto cuadrado de 16x16, el anillo periférico exterior de los elementos de combustible 1220, los elementos de combustible 1220a están dispuestos para formar triángulos equiláteros con los elementos de combustible 1220c de la misma manera que se describe anteriormente para el montaje 910 de combustible 17x17 comparable. También como en el conjunto 910, como mejor se ilustra en la figura 30, el montaje 1210 incluye elementos de combustible de esquina 1220b y una cubierta 1230 que están posicionados con respecto a los otros elementos de combustible de modo que los elementos de combustible 1220b contactan con la cubierta 1230 en al menos dos posiciones diferentes (o un arco continuo) y contactan una esquina de los elementos de combustible 1220c para proporcionar tres puntos de contacto para mantener los elementos de combustible 1220b en sus posiciones apropiadas.

Como se muestra en la figura 26, cada uno de los elementos de combustible 1220a, b, c, d puede ser idéntico o sustancialmente idéntico entre sí de acuerdo con diversas realizaciones no limitativas, y puede ser idéntico o sustancialmente idéntico a los elementos 20 de combustible. Como se muestra en la figura 26, de acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 1210 comprende 232 elementos 1220a, b, c, d de combustible.

Si el plano de sección transversal ilustrado en la figura 27 se considera un plano de inicio/0°, la sección transversal ilustrada en la figura 28 corresponde a un plano de sección transversal que está desplazado del plano de inicio/0° por 30° de giro en los elementos 1220 (es decir, 1/12 de un giro completo de 360° de los elementos 1220). De manera similar, la figura 29 corresponde a un plano de sección transversal que está desplazado del plano inicial/0° por 60° de giro en los elementos 1220 (es decir, 1/6 de un giro completo de 360° de los elementos 1220). De manera

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similar, la figura 30 corresponde a un plano de sección transversal que está desplazado del plano inicial/0° por 45° de giro en los elementos 1220 (es decir, 1/8 de un giro completo de los elementos 1220).

De acuerdo con diversas realizaciones, el uso de una rejilla triangular a lo largo del perímetro exterior del montaje 1210 facilita el uso de (a) una cubierta más gruesa, más fuerte 1230 que es posible de acuerdo con diversas realizaciones en las que todos los elementos están dispuestos en una rejilla/matriz cuadrada de 16x16 (por ejemplo, una o más realizaciones del montaje 1110 ilustrado en la figura 22), y/o (b) un espacio de agua más grande. De acuerdo con diversas realizaciones, un espesor de la cubierta 1230 está entre 0.4 y 4 mm, entre 0.4 y 3 mm, entre 0.5 y 2.5 mm, entre 1 y 2 mm, y/o aproximadamente 2 mm.

De acuerdo con diversas realizaciones, todos los elementos de combustible 1220a, b, c, d del montaje de combustible 1210 son geométricamente idénticos entre sí, y pueden ser idénticos o sustancialmente idénticos a los elementos 20.

La figura 31 ilustra un montaje de combustible 1310 que es generalmente idéntico al montaje de combustible 1210, excepto que una estructura de esquina 1350 está dispuesta fuera y unida a la cubierta 1230. Como se muestra en la figura 31, la estructura de esquina 1350 tiene una forma de sección transversal que generalmente sigue el contorno curvado de la esquina de la cubierta 1230 y se ajusta dentro de un cuadrado que se definiría por la cubierta 1230 si las esquinas de la cubierta 1230 no estuvieran curvadas. De acuerdo con diversas realizaciones, la estructura de esquina 1350 se extiende sobre la longitud axial completa del montaje de combustible 1310 (o una longitud axial completa de los elementos de combustible 1220 y/o la carcasa 1230). Alternativamente, la estructura de esquina 1350 puede ser axialmente más corta que el montaje 1310, la cubierta 1230 y/o los elementos de combustible 1220 (incluyendo los elementos de combustible 1220a, b, c y d). La estructura de esquina 1350 puede retener la forma de sección transversal ilustrada en la figura 31 en toda su longitud axial, o la forma de la sección transversal puede variar a lo largo de la longitud axial de la estructura de esquina 1350.

El uso de la estructura de esquina 1350 puede permitir que el montaje de combustible 1310 aproveche el espacio disponible dispuesto fuera de la cubierta 1230.

La figura 32 ilustra un montaje de combustible 1410 que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1310, excepto que una estructura de esquina 1450 del montaje 1410 está dispuesta dentro de una cubierta 1430 del montaje 1410, en oposición al exterior de la cubierta 1230 como se muestra con respecto al montaje 1310. La estructura de esquina 1450 está unida a la esquina interna de la cubierta 1430. La cubierta 1430 es generalmente similar a la cubierta 1230, excepto que las esquinas de la cubierta 1430 son más agudas (es decir, menos curvadas/achaflanadas) que en la cubierta 1230.

Como se muestra en la figura 32, un contorno interior de la estructura de esquina 1450 es parcialmente cilíndrico para limitar con el elemento 1220b de combustible en múltiples lugares (o continuamente sobre un arco definido por el cilindro parcial). De acuerdo con diversas realizaciones, la forma parcial del cilindro cubre aproximadamente un arco de 90 grados y tiene un radio que coincide con el radio del elemento 1220b de combustible para mantener el elemento 1220b de combustible en su posición correcta.

El uso de la estructura de esquina 1450 permite que el montaje de combustible 1310 aproveche el espacio disponible dispuesto dentro de una o más de las esquinas de la cubierta 1430.

La figura 33 ilustra un montaje de combustible 1510 que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1410, excepto que una superficie interna parcialmente cilíndrica una estructura de esquina 1550 del montaje 1410 se extiende sobre un arco A más grande que la estructura de esquina 1450 del montaje 1410. De acuerdo con diversas realizaciones, el arco A está entre 90° y 310° grados, entre 120° y 310° grados, entre 150° y 310° grados, entre 180° y 310° grados y/o aproximadamente 270°. Como se muestra en la figura 33, de acuerdo con diversas realizaciones, la estructura de esquina 1450 también limita con los elementos 1220a de combustible adyacentes para mantener los elementos de combustible 1220a en sus posiciones correctas.

El uso de la estructura de esquina 1550 puede permitir que el montaje de combustible 1510 aproveche el espacio disponible dispuesto dentro de una o más de las esquinas de la cubierta 1430.

La figura 34 ilustra un montaje de combustible 1610 que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1510, excepto que los elementos de combustible de esquina en el perímetro exterior se omiten por completo (por ejemplo, se omite el elemento de combustible 1220b presente en el montaje 1510), y la estructura de esquina 1650 se expande para ocupar el espacio que de otro modo sería tomado por dicho elemento de combustible de esquina 1220b. Como se muestra en la figura 34, la estructura de esquina 1650 se apoya en dos elementos 1220a de combustible adyacentes y el elemento de combustible adyacente 1220c para mantener estos tres elementos 1220a, c en sus posiciones correctas.

El uso de la estructura de esquina 1650 puede permitir que el montaje de combustible 1610 aproveche el espacio disponible dispuesto dentro de una o más de las esquinas de la cubierta 1430.

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La figura 35 ilustra un montaje de combustible 1710 que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1210, excepto que el elemento de combustible de esquina 1220b del montaje 1210 se reemplaza con una estructura de esquina 1750. De acuerdo con diversas realizaciones, la estructura 1750 es tubular y tiene un diámetro (por ejemplo, 15 mm) que hace que apoye múltiples puntos en la cubierta 1230 y el elemento de combustible de esquina 1220c para mantener el elemento de combustible de esquina 1220c en su posición correcta. La estructura de esquina 1750 puede comprender un tubo que está envuelto helicoidalmente con un alambre tal que está unido al tubo (por ejemplo, a través de soldadura) para que la estructura de esquina mantenga los elementos de combustible adyacentes en su posición correcta de la misma manera o similar que los giros en espiral de los elementos de combustible adyacentes lo hacen, como se discutió anteriormente.

El uso de la estructura de esquina 1750 puede permitir que el montaje de combustible 1710 aproveche el espacio disponible dispuesto dentro de una o más de las esquinas de la cubierta 1230.

La figura 36 ilustra un montaje 1810 de combustible que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1610, excepto que la estructura de esquina 1850 tiene tres superficies cóncavas, parcialmente cilíndricas, una haciendo tope con cada uno de los elementos 1220a de combustible adyacentes y el elemento 1220c de combustible de esquina adyacente. Un radio y posición de las tres superficies cóncavas, parcialmente cilíndricas, coincide con los radios y posiciones de los elementos 1220a, 1220c de combustible coincidentes de manera que la estructura de esquina 1810 limita con los elementos 1220a, 1220c combustibles sobre los arcos extendidos A, B, C. los arcos extendidos A, B, C de contacto mantienen los elementos 1220a, 1220c de combustible contiguos en sus posiciones correctas.

Como se muestra en la figura 36, la estructura de esquina 1850 puede definir una esquina de la cubierta 1830. Por ejemplo, la cubierta 1830 puede comprender placas 1830a cuyos extremos se conectan a las estructuras de esquina 1850. Alternativamente, la cubierta 1830 puede ser similar o idéntica a la cubierta 1230, y la estructura de esquina 1850 puede estar dispuesta dentro y montada en la cubierta 1830.

El uso de la estructura de esquina 1850 puede permitir que el montaje 1810 de combustible aproveche el espacio disponible dispuesto dentro de una o más de las esquinas 1810 del montaje.

De acuerdo con diversas realizaciones, una estructura de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 está dispuesta en cada una de las cuatro esquinas del montaje de combustible 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810. Sin embargo, de acuerdo con realizaciones alternativas, la estructura de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 puede estar dispuesta en solo 1, 2 y/o 3 de las 4 esquinas del montaje 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810.

De acuerdo con diversas realizaciones, la estructura de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 puede comprender uno o más de un veneno combustible, acero, aleaciones o cerámicas de zirconio, y/o uranio, y/o plutonio, y/o torio y/o ninguno de estos materiales. De acuerdo con diversas realizaciones, la estructura de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 puede ser sólida. De acuerdo con diversas realizaciones, la estructura de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 puede comprender una estructura hueca (por ejemplo, hecha de acero tubular y/o metales o aleaciones de zirconio) que puede ser (1) abierta y vacía para permitir el flujo a su través, (2) cerrado y vacío, y/o (3) cerrado y parcialmente o totalmente lleno de material (por ejemplo, combustible de óxido, veneno combustible, etc. en forma de gránulos u otra forma)).

Aunque las estructuras de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 y las cubiertas asociadas 1230, 1430, 1830 se ilustran con respecto a los montajes de combustible 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810 que están diseñados para su uso en lugar de convencionales Los montajes de combustible 16x16, tales estructuras de esquina 1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850 y configuraciones de cubierta asociadas podrían aplicarse alternativamente a los montajes de combustible 910, 1010 discutidos anteriormente que están diseñados para usarse en lugar de montajes de combustibles convencionales 17x17 sin desviarse del alcance de la presente invención.

La figura 37 ilustra un montaje de combustible 1910 que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1210, excepto que tanto el anillo exterior de elementos de combustible 1920a como el segundo anillo exterior de elementos 1920b de combustible (en lugar de solo el anillo exterior como en el conjunto 1210) están desplazados hacia adentro en una matriz de rejilla triangular equilátera con el tercer anillo exterior de elementos 1920c. El tercer anillo más exterior de los elementos 1920c y la matriz 10x10 central de los elementos 1920d (colectivamente una matriz 12x12 central de elementos 1920c, 1920d) están dispuestos en una rejilla/matriz cuadrada.

Como se muestra en la figura 37, se omiten elementos de combustible de las esquinas del anillo exterior de elementos de combustible 1920a (es decir, omitiendo cuatro elementos de combustible con relación al número de elementos de combustible en un montaje en el que cada posición de rejilla dentro del anillo más exterior está ocupada por un elemento de combustible, por ejemplo, como se ilustra en la figura 22 con respecto al montaje 1110). De manera similar, se omiten cuatro elementos combustibles del segundo anillo exterior de los elementos 1920b con respecto al número de elementos combustibles en un conjunto en el que cada posición de rejilla dentro del segundo anillo exterior está ocupada por un elemento combustible (por ejemplo, como se ilustra en la figura 22

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con respecto al montaje 1110). Un elemento de combustible restante 1920b' del segundo anillo más exterior de elementos de combustible 1920b está dispuesto en cada una de las esquinas del segundo anillo más exterior de elementos de combustible 1920b.

De acuerdo con diversas realizaciones, se pueden añadir separadores y/o estructuras de esquina para ayudar a mantener las posiciones correctas de los elementos de combustible 1920a que están adyacentes a las esquinas y los elementos 1920b' de combustible.

De acuerdo con diversas realizaciones, el uso de la separación triangular equilátero en dos anillos exteriores de elementos (a diferencia de un solo anillo como en el montaje de la figura 26) proporciona espacio adicional dentro de la cubierta disponible para el montaje de combustible 1910. Tal espacio puede usarse, por ejemplo, para un recubrimiento más grueso 1930 o un espacio de agua más grande.

De acuerdo con diversas realizaciones, todos los elementos 1920a, 1920b, 1920b', 1920c, 1920d de combustible del montaje de combustible 1910 son geométricamente idénticos entre sí, y pueden ser idénticos o sustancialmente idénticos a los elementos 20. Como se muestra en la figura 37, de acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 1910 comprende 228 elementos 1920a, b, b', c, d de combustible.

La figura 38 ilustra un montaje 2010 de combustible que es sustancialmente similar al montaje de combustible 1910, excepto que se utiliza un elemento 2020a' de combustible de esquina único en el anillo más exterior de los elementos 2020a, en lugar de los dos elementos 1920a de combustible que están dispuestos adyacentes a la esquina en el montaje 1910 ilustrado en la figura 37. Como resultado, el montaje de combustible 2010 tiene cuatro elementos de combustible menos que los presentes en el montaje de combustible 1910. Como se muestra en la figura 38, de acuerdo con diversas realizaciones, el montaje 2010 comprende 224 elementos 2020a, a', b, b', c, d de combustible.

De acuerdo con diversas realizaciones, todos los elementos 2020a, 2020a', 2020b, 2020b', 2020c, 2020d de combustible del montaje 2010 de combustible son geométricamente idénticos entre sí, y pueden ser idénticos o sustancialmente idénticos a los elementos 20.

Aunque se ilustran varias dimensiones en varias de las figuras, debe entenderse que tales dimensiones son solo ejemplares, y no limitan el alcance de la invención. Por el contrario, estas dimensiones pueden modificarse de varias maneras (más grandes o más pequeñas, o cualitativamente diferentes) sin desviarse del alcance de la invención.

Los montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible, preferiblemente están diseñados termodinámicamente y configurados físicamente para su uso en un reactor de energía nuclear basado en tierra 90, 500 (por ejemplo, LWRS terrestre (incluyendo BWR y PWR), reactores rápidos basados en tierra, reactores de agua pesada basados en tierra) que es diseñado para generar electricidad y/o calor que se utiliza para un fin distinto a la electricidad (por ejemplo, desalinización, procesamiento químico, generación de vapor, etc.). Tales reactores de potencia nuclear basados en tierra 90 incluyen, entre otros, WER, AP-1000, EPR, APR-1400, ABWR, BWR-6, CANDU, BN-600, BN-800, Toshiba 4S, Monju, CE, etc. Sin embargo, de acuerdo con realizaciones alternativas de la presente invención, los montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible, pueden diseñarse para su uso y uso en reactores nucleares de origen marino (por ejemplo, plantas de energía naval o submarina, plantas de energía flotante diseñadas para generar energía (por ejemplo, electricidad) para uso en tierra) u otras aplicaciones de reactores nucleares.

Los montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible y los núcleos de reactor asociados están diseñados y configurados para que los montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible estén dispuestos directamente adyacente a otros montajes de combustible que tienen envolventes geométricos coincidentes (por ejemplo, una pluralidad de montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible directamente adyacentes). De acuerdo con diversas realizaciones, una pluralidad de montajes 10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010 de combustible están dispuestos adyacentes entre sí en el patrón de rejilla de montaje de combustible definido por el núcleo del reactor (por ejemplo, en un patrón cuadrado para un núcleo de reactor diseñado para aceptar montajes de combustible cuadrado (por ejemplo, AP-1000, CE), en un patrón triangular/hexagonal para un núcleo de reactor diseñado para aceptar montajes de combustible hexagonal (por ejemplo, VVER)).

Las realizaciones ilustradas anteriores se proporcionan para ilustrar los principios estructurales y funcionales de la presente invención y no se pretende que sean limitativas. Por el contrario, los principios de la presente invención pretenden abarcar todos y cada uno de los cambios, alteraciones y/o sustituciones dentro del espíritu y alcance de las siguientes reivindicaciones.

Claims (21)

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   REIVINDICACIONES

   1. Un elemento (730, 740) combustible alargado axialmente para uso en un montaje (710) de combustible de un reactor (90) nuclear, el elemento (730, 740) de combustible comprende

   un núcleo (760) que comprende material fisionable; y

   un revestimiento (770) que encierra el núcleo, (760), el revestimiento (770) comprende una pluralidad de lados (770a) separados circunferencialmente;

   en el que una relación de una longitud axial del elemento (730, 740) de combustible a un diámetro circunscrito del elemento (730, 740) de combustible es de por lo menos 20:1, y

   en el que una línea (800) central axial del elemento (730, 740) de combustible está desplazada de un centro de masa axial del elemento de combustible,

   caracterizado porque el elemento (730, 740) de combustible tiene un perfil multilobulado que forma nervaduras (130) en espiral, en el que las nervaduras (130) en espiral comprenden material fisionable, y en el que uno o dos lados (770a) separados circunferencialmente están lateralmente reducidos con respecto a los otros lados separados circunferencialmente mediante la eliminación de una porción (770b) del revestimiento (770).
2. 2. El montaje de combustible de la reivindicación 1, en el que el perfil multilobulado comprende áreas cóncavas entre lóbulos adyacentes.
3. 3. Elemento de combustible de acuerdo con la reivindicación 1, en el que por lo menos un lado circunferencial del revestimiento está lateralmente reducido en relación con por lo menos otro lado circunferencial del revestimiento.
4. 4. El elemento de combustible de la reivindicación 1, en el que un centro de masa axial del núcleo está dispuesto en la línea central axial, y en el que un centro de masa axial del revestimiento está desplazado de la línea central axial.
5. 5. Un montaje de combustible para uso en un núcleo de un reactor de energía nuclear, el montaje comprende:

   un marco que comprende una boquilla inferior que está conformada y configurada para montarse a la estructura del núcleo interno del reactor nuclear; y

   una pluralidad de elementos de combustible alargados axialmente de la reivindicación 1 soportados por el marco, cada uno de dicha pluralidad de elementos de combustible que se extruye,

   en el que el núcleo comprende material combustible dispuesto en una matriz de material metálico no combustible, el material combustible comprende material fisible;

   en el que la pluralidad de elementos de combustible proporciona todo el material fisible del montaje de combustible,

   en el que cada uno de la pluralidad de elementos combustibles está dispuesto en una posición de rejilla diferente de un patrón de rejilla definido por el marco de modo que un submontaje de la pluralidad de elementos combustibles están dispuestos a lo largo de un perímetro externo de la rejilla patrón,

   en el que por lo menos un lado externo del revestimiento sobre por lo menos algunos de los elementos de combustible dispuestos a lo largo de un perímetro exterior del patrón de rejilla se acorta lateralmente
6. 6. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que:

   el marco comprende una cubierta tal que toda la pluralidad de elementos combustibles está dispuesta dentro de la cubierta, y

   los lados exteriores acortados lateralmente del revestimiento hacen contacto con la cubierta.
7. 7. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que, en una sección transversal del montaje de combustible que es perpendicular a una dirección axial de los elementos de combustible, un área de cada uno de los núcleos de combustible de por lo menos algunos de los elementos de combustible dispuestos a lo largo de un perímetro exterior del patrón de rejilla es más pequeño que un área de por lo menos uno de los núcleos de combustible en el resto de la pluralidad de elementos de combustible.
8. 8. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que:

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   cada uno de los elementos de combustible de pluralidad se separa de los elementos de combustible adyacentes a una distancia de la línea central a línea central común, y

   en el que un diámetro circunscrito de cada uno de la pluralidad de elementos de combustible es igual a la distancia entre la línea central y la línea central.
9. 9. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que el material combustible comprende material de combustible cerámico dispuesto en la matriz de material metálico no combustible.
10. 10. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que el revestimiento tiene un grosor de por menos 0.4 mm en cada uno de la pluralidad de elementos de combustible.
11. 11. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que:

    el montaje de combustible se diseña termodinámicamente y tiene una forma física para funcionar en un reactor de energía nuclear terrestre convencional de una central nuclear convencional que tiene un diseño de reactor que estaba en uso real antes de 2013; y

    el marco está conformado y configurado para encajar en el reactor de energía nuclear basado en tierra en lugar de un montaje de combustible de óxido de uranio convencional para dicho reactor.
12. 12. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que las nervaduras en espiral de elementos adyacentes de la pluralidad de elementos de combustible entran en contacto periódicamente entre sí sobre la longitud axial de los elementos combustibles, dicho contacto ayuda a mantener la separación de los elementos combustibles uno con respecto al otro.
13. 13. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que una parte del montaje de combustible que soporta el submontaje de los elementos de combustible alargados es inseparable de una parte del montaje de combustible que soporta el resto de la pluralidad de elementos de combustible.
14. 14. El montaje de combustible de la reivindicación 5, en el que:

    el patrón de rejilla define un patrón de rejilla de 17x17 posiciones; y

    los tubos de guía ocupan las posiciones de la rejilla en la fila, las posiciones de la columna: 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; y 15.12.
15. 15. Un montaje (910) de combustible para uso en un núcleo de un reactor (90) de energía nuclear, el montaje (910) comprende:

    un marco (25) que comprende una boquilla (60) inferior que está conformada y configurada para montarse en la estructura interna del núcleo el reactor nuclear; y

    una pluralidad de elementos (920a-d) de combustible alargados soportados por el marco (25), cada uno de dicha pluralidad de elementos (920a-d) de combustible comprende material fisible, cada uno de los elementos combustibles tiene un perfil multilobulado que forma nervaduras (130) en espiral;

    en el que como se observa en una sección transversal que es perpendicular a una dirección axial del montaje (910) de combustible, la pluralidad de elementos (920a-d) de combustible están dispuestos en un patrón de rejilla mixto que comprende un primer patrón de rejilla y un segundo patrón de rejilla, el segundo patrón de rejilla es diferente del primer patrón de rejilla, en el que cada uno de la pluralidad de elementos (920a-d) de combustible tiene un diámetro circunscrito común, y

    caracterizado porque:

    el primer patrón de rejilla comprende un patrón de filas y columnas cuadradas,

    la distancia de la línea central a la línea central entre las filas y columnas es el diámetro circunscrito común, el segundo patrón de rejilla comprende un patrón de triángulos equiláteros, y una longitud de cada lado de cada triángulo es el diámetro común circunscrito.
16. 16. El montaje de combustible de la reivindicación 15, en el que:

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    25

    30

    35

    la pluralidad de elementos de combustible incluye primeros, segundos y terceros submontajes no superpuestos, cada subconjunto incluye una pluralidad de los elementos de combustible,

    la pluralidad de elementos de combustible del primer submontaje se dispone dentro de las respectivas posiciones de rejilla definidas por el primer patrón de rejilla,

    la pluralidad de elementos de combustible del segundo submontaje se dispone dentro de las respectivas posiciones de rejilla definidas por el segundo patrón de rejilla

    la pluralidad de elementos de combustible del tercer submontaje están dispuestas dentro de las respectivas posiciones de rejilla superpuestas, las posiciones de rejilla superpuestas caen dentro del primer patrón de rejilla y el segundo patrón de rejilla.
17. 17. El montaje de combustible de la reivindicación 15, que comprende adicionalmente elementos de combustible adicionales soportados por el marco, en el que los elementos combustible adicionales no están dispuestos dentro de ninguna de las posiciones de rejilla definidas por el primer o segundo patrón de rejilla.
18. 18. El montaje de combustible de la reivindicación 15, en el que:

    el marco comprende una cubierta tal que toda la pluralidad de elementos combustibles está dispuesta dentro de la cubierta, y el montaje de combustible comprende al menos una estructura de esquina dispuesta en una esquina del montaje de combustible y se une a la cubierta.
19. 19. El montaje de combustible de la reivindicación 18, en el que por lo menos una estructura de esquina comprende un veneno quemable.
20. 20. El montaje de combustible de la reivindicación 19, en el que por lo menos una estructura de esquina limita con por lo menos uno de la pluralidad de elementos de combustible alargados.
21. 21. El montaje de combustible de la reivindicación 15, en el que: cada uno de la pluralidad de elementos combustibles comprende:

    un núcleo de combustible que comprende material de combustible dispuesto en una matriz de material metálico no combustible, el material combustible comprende material fisible, y

    un revestimiento que rodea el núcleo de combustible.