JP2009505047A - マクロ構造を有する燃料ペレット要素 - Google Patents

Abstract

新しい核燃料要素は、特に中性子の高速流れを利用して動作する第四世代の気体熱交換式の原子炉で利用するために設計された。複合的なプレート構造によって、本発明における要素（１）は、セル（８）から成る網状部、より好ましくはハニカム構造部を備えている。核燃料ペレット（１０）は各セル内に載置されている。径方向の間隙及び軸方向の間隙が、プレート（１）の動作に特有な核分裂材料と構造材料との相違する膨張を補償するために各セル（８）内に設けられている。

Description

本発明は、原子炉で利用される燃料ペレット要素、特に第四世代原子炉のために新たに開発された燃料ペレットプレートの技術分野に関するものである。

特に、本発明装置は、高温領域で運転する設備、すなわち原子炉出力側における冷却材の温度が約８００℃となる高温原子炉（ＨＴＲ）のために設計されるものである。より具体的には、このような高速原子炉は、気体によって冷却される中性子の高速流を利用して運転する気体の熱交換炉、又はＧＦＲ（“ガス冷却高速炉”）である。

本発明は、改善された性能を付与し提供する運転条件に適した要素設計、特にＧＦＲの仕様に適合し、マクロ構造を有する複合的な燃料“プレート要素”を提供するものである。

核分裂反応からエネルギを製造するためのステーションは、熱の形態をした力を解放する核分裂が発生する燃料要素を利用する。このような力は、燃料要素を冷却する熱伝導液体と熱交換することによって燃料要素から生み出される。

この目的を達成するために、基本的な燃料要素を規定するための一般的な原則は、燃料の挙動及び運転の条件に起因するストレスに耐える一方で、
核分裂する原子を中性子の動作条件及び反応容積の単位容積当たりの出力密度に適合させること、
燃料材料と熱伝導性液体との間で熱伝達することができること、及び
燃料によって解放された固体状の核分裂生成物と気体状の核分裂生成物とを閉じ込めること、
を機能的に有していることを目的とする。

言うまでもなく、燃料炉内の核分裂反応は、固体状の核分裂生成物及び気体状の核分裂生成物を発生させ、これにより材料の構造が膨張し、熱によって活性化する現象が発生するので、燃料材料の外側に核分裂気体を放出するための構造が実現される。燃料材料を覆うことによって、燃料要素の一体性を失うことなく、これらの歪みを吸収することができる。

燃料要素内における核分裂の密度は、外装板を通じて熱交換器に排出される出力密度と直接的な相関性を有している。従って、熱源と熱交換器との間の熱抵抗は、燃料要素の最大温度とこの熱流が奏する効果、言い換えれば燃料材料内の温度勾配、及び燃料要素と外装板との膨張の差を制御するために最小でなくてはならない。

反応容積内における核分裂材料の密度は、基本的に燃料要素の形状に依存する。形状は、最大充填率を目標とする一方で、熱交換器が許容範囲内の負荷の損失を踏まえて燃料要素によって生み出される出力を保証するために必要な透過率を付与すると共に、所定の容積内に配置される核分裂材料の収容能力を決定する。

原子力発電所では、従来、３つの基本的な燃料要素、すなわちプレート状燃料要素（任意の形状）、自身の軸線に沿って延在する円柱状燃料要素（円状又は円環状の断面を有している）、及び小さな粒子の形態をした球状燃料要素（約１ミリメートルの直径を有している）が利用されていた。球状の粒子は、バレット（bullet）、プレート、及びコンパクト（compact）な上述の３つの形態で起こり得る複合的な燃料要素を製造するために不活性マトリックス内に閉じ込められている。燃料要素の各タイプは、上記問題に対する異なる解決策を組み合わせ、作業現場に基づいた妥協策を提案する。

例えばプレートにおいて、外装板は大きな縦横比（シェルの自由長と厚さとの比）を有したシェルのように機能する。自身の展延性（malleability）によって、外装板の材料は、自身の形状を燃料要素の中心部の形状に適合させる。これにより横方向において非常に低い応力度で燃料材料の相違する歪み（膨張及び延伸）を吸収可能とされる。しかしながら、このプレート構造は、プレートの平面に対して垂直な外装板の剛性が非常に低いので、厚さ方向における歪みをほとんど吸収することができない。このような自由によって、燃料要素は異方性を有して歪み、より好ましくは厚さ方向において歪む。この構造は、平面内に圧縮力が作用し、全体的又は局所的（例えばホットポイント（hot point）で）であるか問わず座屈した場合、特に燃料要素の中心が外装板に接触していないが、その接触が弱い場合には不安定となる。

これら欠点を鑑みて、実際には、プレート要素は低温、すなわち燃料材料が気体状の生成物を解放せず、適度な出力密度を有する温度範囲における燃料のみのために利用されている。最適化パラメータは、一般に意図された出力密度の大きさを得るために、外装板の厚さ及び燃料ペレットと外装板との接触の程度、外装板の腐食を制御すること、並びに運転中における延び特性を保つことに対して適用される。実際に、外装板を崩壊させる（ruining）ための主な方法は、外装板が歪む際に延性を強制的に失わせること（放射による腐食又は硬化に起因する損傷）、又は燃料要素と熱交換器との間における熱抵抗を増加させること（例えば外装板上の抵抗性を有する腐食領域や外装板の局所的な座屈によって間隙が形成された状態における燃料ペレットと外傷板との分離）である。これにより核分裂気体及び外装板の内部圧力を解放し、外装板の歪みによる不安定性によって破損する状態で、燃料ペレットが加熱される。

円筒状の要素は、例えば黒鉛ガス炉のためのカートリッジ、加圧水炉（ＲＥＰ）のためのペンシル（pencil）、又は高速中性子炉（ＲＮＲ）のためのニードル（needle）とされる。この場合には、ペレットの形態をした燃料とこれらを閉じ込める外装板との間に径方向の間隙が形成されているので、燃料材料と外装板との相違する歪みを吸収することができる。この間隙によって、前記要素に作用する力が大きくなった場合に相違する膨張、及びクリープによって吸収することができない燃料の膨張の分配を補償し、内部キャビティの密度を再び高めることが少なくとも可能となる。実際に、燃料材料は、自身の歪みを吸収するための自身の機構が動作可能となる温度で機能しなければならず、結論として核分裂気体の一部を解放する。第２の膨張体積は、前記要素内の圧力を制限するために、外装板内で積重ねられた燃料ペレットの端部に配置されている。熱は、気体が充填された燃料ペレットと外装板との間の径方向の間隙及び外装板の厚さに基づいた熱抵抗に従って、燃料ペレットと熱交換器と間において移送される。前記要素の全寿命を通じて前記熱抵抗を制御することによって、温度限界が確実に燃料の許容範囲内とされる。従って、前記要素の構成では、膨張チャンバーは調整された気体用シールを通じて熱移送される、熱移送の方向に対して横方向の方向に配置されている。

これら円筒状の要素のための基本的な最適化パラメータは、燃料ペレットと外装板との間における初期の径方向の間隙、燃料ペレットと外装板とを熱結合させる液体のタイプ（気体シールや溶融金属シール）、外装板の断面内における燃料の有効充填密度（径方向の間隙、多孔率、例えば燃料ペレットの端部における中央の穴やレンズ状の穴のような不連続部の存在）、外装板の剛性（厚さ）、外装板の材料及び燃料の挙動の規則性（膨張及びクリープ）、及び外装板の材料及び燃料の機械的特性（強度及び延性）である。

しかしながら、間隙が燃料と外装板との間に存在することによって、運転中において様々な熱抵抗が発生する（核分裂気体が存在することに起因して、間隙が変化し導電性が低下する）。従って、あらゆる運転状況に置いて燃料材料の溶融点に到達しないように燃料の最大温度を制御することは複雑である。第二に、このような要素のための“加圧チャンバー”として運転することには、圧力が作用した状態で（同時に及び／又は遅れて）突発故障が発生することなく、要素の機械的強度を確保可能な材料の利用方法が含まれている。このためには、最も良好な耐圧性を有している円状の断面が最も頻繁に適用される。燃料と外装板とが機械的に相互作用する場合に、燃料は周方向の引張力によって著しく補強された剛性に抵抗し、外装板が燃料に作用させる周方向の圧力は自己再配置機構を動作させる。

外装板のための材料を選定することは、意図された動作温度、可塑領域及び熱クリープにおける延性、及び適切な強度（一般に＞２０ＭＰａ・√ｍ）に適合した耐破損性を有していなければならないという点において重大な意味を有している。この選定（降伏点に達する瞬間及びクリープ状態）及び燃料材料のための選定（溶融点）は、燃料要素のための運転条件の限界（温度及び出力密度）を決定する。このタイプの燃料要素に関連する残留崩壊の主要な方法は、（出力が上記運転モード又は燃料温度が外装板の歪みを自動的に吸収するための機構を作動させない運転モードよりも大きくなった場合において）外装板の歪み限界（distortion capability）を超えた、燃料と外装板との瞬間的な機械的相互作用である。

球状の燃料要素に関しては、相違する囲み層が中心に位置する核分裂核種（fissile core）上に堆積しているので、空間が核分裂核種及び中間緩衝層内部に、非常に高い多孔率で多孔状に形成される。これにより核分裂核種と外装板との初期の連続性が確保される。燃料ペレットと外装板との相違する歪みを吸収すること、言い換えれば被覆層（cladding layer）が間隙を充填すること、すなわち運転中に中間緩衝層の密度を徐々に高め、これにより核分裂核種と外装板とが強く機械的相互作用することを防止することが優位である。さらに、外装板内部の自由体積は核分裂材料によって解放される核分裂気体を保持する。従って、シースの形状が球状とされる場合には、シースは高まる内部圧力に抗するように適合されている。基本的な粒子のための最適化パラメータは、基本的に材料（タイプ、構造、特性、所定温度における中性子流れの挙動）及び層の厚さを選定するために用いられる。

これらの燃料要素は、高温で動作するガス冷却式高温炉のみに利用される。残留崩壊の基本モードは核分裂核種と外装板（外装板の歪みによって圧力が作用する）との強い相互作用に対応するので、閉じ込める外装板が破断する場合がある。このような観点から、外装板の形態をした球状部分は、機械的な相互作用に関して理想的であるが、（外装板の内部容積によって静水圧が働く状態で作用する）相互に作用する力を低減させるために、（最大密度を越えた）燃料材料のいかなる方向に歪みも除去しないことが少なくとも望ましい。

球状の燃料要素は、反応容積内における核分裂材料の体積率（volumic fraction）が低い状態で（数％）、熱交換器に確実に移送するために、マトリックス状に粒子を分布させた様々な形状の複合要素の一部として利用される。

複合的な燃料要素は、燃料要素が破損した場合には、破断開始した後に解放される核分裂生成物の量を可能な限り低減するように、主熱交換回路の汚染の危険性を低減するように構成されている。特に、マクロ構造を有するプレートの形態をした燃料要素は、燃料粒子を規則的に配置し、及び／又は意図した用途の体積率に相当する粒子密度を求めることができるので、一の解決策として考えられている。いかなる場合においても、プレート全体に亘って良好且つ一様な導電性を得るためには、燃料のマトリックス状の分布及び金属材料から成る外装板が意図された分野に利用される。

例えばヘリウムのような熱交換気体を含んでいるＧＦＲは、炉の出口で、大きな電力生産（例えば直接サイクル）又は水素生産の用途に適合するのに十分な高温に到達し、１（オーバージェネレーション（over-generation））よりも大きな変換比に達し、及び／又は浪費（核分裂生成物と及びマイナーアクチニド（minor actinide））を改善可能とするために高速で運転しなければならないことがわかる。従って、運転中に安全性及び信頼性のレベルが、上述の発電システムで既に到達可能なレベルに対する要件に適合することが望ましい。

ＧＦＲの仕様に適合する燃料要素を有するために解決すべき問題は、以下の４つの点である。
１）マトリックス状の燃料の体積率が高いこと。
２）各セルが燃料によって解法された核分裂気体の内部圧力に抗する機械的強度を有すること。
３）燃料とセルの構造とが強く相互作用しないこと。
４）プレートのコアにおける温度及び構造物に作用するストレスを制御するために、プレート全体に亘る良好な導電性によって熱交換器に生成された出力を出すこと。

特にＧＦＲの炉心の中性子の特性を得るために、バランスが不活性なマトリックスであるので、燃料の体積率はプレート要素の複合的なコア内の燃料の体積摩擦が５０％よりも大きい。複合的なコアの出力密度が数百ＭＷ／ｍ^３に達するので、熱交換器に移送される熱は外装板（プレート要素と熱交換器とが熱交換するための表面）とプレートの複合的なコアとの大きな温度差を生み出す。高温（熱交換器の温度が８５０°以上）における運転の場合には、中性子に対する相当する熱伝達特性及び機械的強度、特に金属及び耐火性を有する合金又はセラミックを有している外装板の材料とプレート要素の材料に置き換えることもできる。

第二に、燃焼速度が高く到達することによって、燃料が著しく膨張し（数％）、ガス状の核分裂生成物が解放される。従って、燃料温度が高まることによって状況がさらに悪化する。燃料プレートの各基本的なセルは、可能であれば自身が破損せずプレートが過度に歪むことなく、これらストレスを吸収可能とされていなければならない。従って、プレート要素同士の間で熱移送をするために断面は影響を受けるだろう。燃料ペレットとマトリックス状の壁との間の各セル内に設けられた膨張容積によって、確実に強い機械的相互作用を受けず、燃料要素のあらゆる動作状況（通常時、故障時、又は事故時）において外装板の機械的強度に適合する核分裂気体の内部圧力を維持される。

この問題は、動作温度の大きさが燃料要素がプレート形状であることを示している場合に、低い延性及び強度の材料を利用可能となることを特に困難にする。これにより燃料要素の構造は、燃料と構造との相互作用（相違する延伸と熱膨張）と同様に、例えば熱膨張勾配や材料内部の膨張のような歪みが生じる負荷に対して特に感度が高くなる。

これら基準に適合する理想的な構造は存在しない。

特に特許文献１は、ＧＦＲの動作温度の範囲をカバーする燃料粒子を含むセルの形状を提案している。プレートの構造材料は、意図した温度に適合しない。特にマトリックス状の壁及び燃料ペレットはマトリックス状の壁の内部で高密度の燃料に接触している。さらに、自由空間が燃料粒子の周囲に存在しないので、燃料によって解放され、これによりプレートの厚さ内部に入った核分裂気体及び相違する燃料／マトリックス状の壁の歪みにとって許容範囲内の圧力で同時に吸収することができない。

特許文献２に開示されるプレートは、ＧＦＲの動作条件には全く適合しない。この場合におけるプレートは、仕切り付き中心コア（compartmented central core）から成り、各コンパートメントは金属燃料又はセラミック燃料を収容し、プレート状の外装板の両側面が密閉されている。意図された標的が水炉であるので、燃料は冷水であって、燃料に接続されていない金属構造体の薄板（アルミニウム、ステンレス鋼、ジルコニウム、ジルコニウム合金）は同一グレードから成るように規定されている。

特許文献３は、球状の燃料粒子のための整列された網状部に基づいたプレート状の構造を開示している。当該特許文献の目的は、複合体内の燃料の分散及び体積摩擦の制御と、高い燃焼速度を達成することを目的とする沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）及び加圧水型原子炉（ＰＷＲ又はＲＥＰ）に関する。従って、球状の燃料粒子は、円柱状の内に貫通した状態で金属のプレート内に配置され（各プレートの厚さ及び穴の開口部の直径は球状の燃料粒子の直径に等しい）、これにより膨張体積が核分裂気体を収容する各球状の燃料粒子が解放され、燃料の形状的膨張が可能となる。両側の２つの金属の外装板は、燃料要素の漏出を防止する。プレートの中心マトリックスの燃料材料の充填密度は２０％〜２５％に到達する。大きな出力密度を有する体積率及び動作温度については説明しない。
米国特許第３，０９７，１５２号明細書 米国特許第３，０７０，５２７号明細書 米国特許第３，８５５，０６１号明細書

従って、新しい第四世代の原子炉の開発は、既存の構造の欠点を解消する新しい燃料要素の設計によって達成されることが望ましい。

このように、本発明は、ＧＦＲ型原子炉で動作可能な核燃料の構成を提案するが、この用途に限定される訳ではない。

より具体的には、本発明は、セルを形成する壁から成り、好ましくはハニカム構造の形態とされる網状部が形成され、優位にはプレートと一体とされる外装板と、セル内に径方向の間隙を形成する少なくとも１つの局所的な核燃料ペレットとを備えている燃料要素に関する。燃料要素の核燃料ペレットは例えば円柱状の回転体の形態とされ、少なくとも１つの対向する面が湾曲していることが優位であって、より好ましくは中心で、言い換えれば初期の軸方向の間隙が燃料ペレットとセルとの間に形成されるように外方に面した状態で突出している。

本発明における燃料要素は、セルが閉じられるように適合した第１の外装板とした壁の網状部が設けられた第２の外装板を備えている。蝋付け、接着や溶接することによって、セルが密閉される。各セルは、例えばヘリウムのような不活性気体及び燃料ペレットで充填されていることが望ましい。

本発明におけるプレート及びセルの壁は、耐火性金属、セラミック、モノリシック繊維、例えば性質が同一であるか相違するかを問わず、炭化ケイ素繊維のような強化繊維で作られている。特にセラミック製プレートの場合には、金属層が、核分裂生成物を完全に閉じこめるために、セル内で燃料ペレットと壁との間に配置されている。

プレート及び燃料ペレットの大きさは、原子炉に適合し最適化されている。より詳しくは、燃料ペレットによって代表される核分裂段階は、反応環境（コア）に体積において２０％以上大きくなる。すなわちプレート要素の複合的なコアの体積においては５０％、燃料ペレットの体積においては４０％以上大きくなる。

本発明の特徴及び利点は、発明の詳細な説明及び添付の図面から理解されるが、図面によって本発明は限定的に解釈されるべきではない。

本発明のおける燃料要素の主たる特徴を理解するために、本発明における燃料要素が初期に設計されたＧＦＲ型原子炉で発生する現象についての従来の分析によって、他の適用が存在しても、起こり得るストレスを推測することができた。

高速炉は、コア内に核分裂材料の高い体積率を有する燃料要素を必要とする。高温で燃料を燃焼させるためには、解放された核分裂気体を集めることができる膨張容積を燃料要素内に有していることが必要とされる。熱交換機の流体の通路が付加を限定することを要する空間は妥当な値に減少し、他のコア構造が占有する容積、他のコア構造のために残っている容積、及び燃料要素の膨張容積は小さい。従って、本発明は、燃料と該燃料を収容するセルとの間の膨張容積と共に十分な量の燃料を得るために、燃料要素内の構造的容積（外装板及びマトリックス）を最大限に低減することを含んでいる。

特にＧＦＲが中性子の動作条件の許容範囲内に到達するように、反応環境（コア）内の燃料材料の体積率は、燃料の核分裂材料の密度及び濃縮をすることによって少なくとも２０％〜２５％とされる。コアの体積力密度は１００ＭＷ／ｍ^３程度であり、許容範囲内の負荷損失及びＴ＞８５０℃の目標に適合する熱交換機の温度で冷却するために必要な熱交換によって占められる体積率は少なくとも４０％である。核分裂材料の体積力の平均は、４００ＭＷ／ｍ^３〜５００ＭＷ／ｍ^３、すなわちコアの流れ分布に従って最大値６００ＭＷ／ｍ^３〜７５０ＭＷ／ｍ^３に達する。構造体を構成する他の材料は、残りの体積率３０％〜３５％（あらゆる間隙を排除して）を占めるので、（強度及び分布において）流れを減退させないために中性子を透過させる。

最後に、破損が生じた場合における熱交換機の主回路が汚染される危険性を低減するために、解放される核分裂生成物の量は燃料要素の複合的な形状によって低減される。

従って、ＧＦＲのためのプレートの形態をした新しい燃料要素の設計原則は、
それぞれが良好な信頼性を有している（破損しない限りは密閉され安全マージンが確保されている）基本セル内で燃料が分散し、燃料の動作温度で解放されたガス状の核分裂生成物を密閉し、且つ、セルが過度に歪むことなく、燃料とセルの構造体との相違する延伸及び熱膨張を吸収すること、
コア内の核分裂生成物の体積率に対応するように基本的なセルを配置すること、
燃料の動作温度が放射中に一のセルから他のセルに遷移する範囲を狭くするために熱伝達によってセルを一様に冷却すること、
動作温度の大きさ、中性子の透過性、及び中性子が減速しないことに適合して材料を利用すること、
燃料要素の全体的に良好な機械的強度に適合する細長比（要素の最大長さに対する厚さ又は直径の比）が、コアの構造（燃料の振動に対する強度及び転置しないこと）において所定の値を確実に維持していること、及び
燃料要素の形状が、応力の大きさが機械的強度に適合して生じる状態で、動作条件（温度や中性子の流れ）の傾斜によって作用するひがみを吸収すること、
である。

図１は、各燃料ペレットためのセルそれぞれを形成するマクロ構造を成したプレートの形態をした複合的な要素が設けられた適切な構造の好ましい形態を表わす。マクロ構造の複合的なプレート要素１は、２つの外装板２，４の間に挟み込まれたパネルに基づいて構成されている。コアは、外装板２，４の面に略垂直に載置され、ハニカム状に整列されたセル８から成る網状部とされる。

ハニカム状の構造６は、
所定位置にセル８を最大に最小化し、これにより網状部６内の燃料ペレット１０を載置するための最大自由容積を得ること、
所定位置に燃料要素１が等方性を有した状態で機械的な挙動をすること、
燃料要素１が良好な曲げ剛性を有していること、及び
所定位置で圧縮された際に高い耐座屈性を有していること
を特徴とする網状部である。

しかしながら、規則正しいか（四角形状のラム）不規則（例えば八角形状のラムと四角形状のラムを混成した構造）であるかにかかわらず、環境に従ってセルから成る他の網状部に適合可能とされる。

同様に、網状部６を形成する壁が各セル８について同一の厚さから成り、構造体１の平面に対して垂直とされることが望ましい。しかしながら、特に構造の理由から変形も考えられる。

壁６によって区分けされ、プレート要素１の側面２，４によって自身の端部で閉じられているセル８それぞれは、上述の設計原理（design principle）に従って作られた基本セルを構成しており、これにより核分裂気体（fission gas）のための膨張容積を管理するために、熱が前記セル内部に配置された燃料ペレット１０と熱交換器によって冷却された外装板２，４の側面との間で伝達され、セル構造内における応力水準（stress level）が低い状態で、燃料ペレット１０と外装板２，４との機械的な相互作用を促進させることができる。

六角形状に区切られたセル８は、円柱状の形態をした燃料ペレット１０を収容可能であるか、又は優位には収容している。この燃料ペレット１０は、（図２に表わすように）燃料ペレット１０から前記間隙を通じて、全エネルギが確実に伝達されることを目的として、燃料要素１を利用する全期間を通じて燃料ペレットのコアにおける温度を調整するために較正された、燃料ペレット１０と外装板２，４との間に設けられた軸方向の間隙１２（例えば数十ｐｍ）と、前記セル内に必要な膨張容積を形成し、燃料ペレット１０とセル８との周方向における機械的な相互作用を防止するような大きさとされた、燃料ペレット１０とセル８の壁６との間に設けられた径方向の間隙１４と、を有している。

事実上の膨張容積は、周縁の間隙１４及び内側が六角形状に形成されたセル８と六角形状の内側に内接した円柱状の燃料ペレット１０との間の間隙から成る。径方向の間隙１４は、燃料ペレット１０とセル８の壁６とが熱的に分離される程度に大きい（例えば数百ｐｍ）ことが望ましい。このようにして、セルの壁を介した径方向の熱交換が回避されるか、又は少なくとも最小限度に抑えられるので、外装板２，４の温度に等しい平均温度に壁６を維持し、これにより外装板２，４と前記プレート要素の中央構造部６との膨張に差が生じることを回避することができる。

初期の間隙を調整し、特にセル８が中央部から周辺に向かって徐々に接触するように湾曲した端部断面を有する燃料ペレット１０を利用することによって、燃料ペレット１０と外装板２，４との軸方向における機械的な相互作用が制御可能となる（任意の他の突起であっても良いが、この湾曲形状は、その製造が容易ではないが、対称性、及び力の広範囲に亘る分布を得ることができる）。燃料ペレットによって外装板２，４に作用する曲げによる変形（binding distortion）は、（以下に示すように径方向に変形される）燃料ペレット１０自身によって吸収される一方で、外装板によって曲げられた際に、セル８の構造に起因する応力を最小限度に抑えるように適合された外装板の剛性（外装板２，４の板厚及びセル８の大きさ）によって吸収される。

機械的接触に起因する軸方向における歪みを防止する燃料ペレット１０による吸収自体は、より好ましくは径方向の間隙１４の周縁膨張（circumferential expansion）によって実現される。従って、燃料ペレット１０の歪みは、圧力が一方向（燃料ペレット１０の軸線ＡＡの方向）に作用し、且つ他の二方向がフリーな状態とされるシステムで発生する（周縁膨張）。このシステムでは、燃料ペレット１０の剛性は、外装板２，４と相互作用する方向ＡＡにおいて最小限度とされる。

従って、図２に表わすように、ハニカム状の網状部６は、それぞれが円状の断面を有する燃料ペレット１０を自身内部に備えた六角形状のセル８を有している。自由体積１４は、燃料ペレット１０と壁６との間に形成されているので、燃料ペレット１０とセル８との径方向における相互作用は確実に防止される。軸方向の間隙１２が燃料ペレット１０と外装板２，４との間で熱伝達を生じさせる状態で、外装板２，４はセル８の両端を閉じる。軸線ＡＡに沿って燃料ペレット１０に対向する各面は、セル８の中央部における燃料ペレット１０と外装板２，４との漸進的な接触（gradual contact）を局部集中させるために凸状部１６を有している。

より好ましくは、プレート要素１の全体構造、すなわち網状部６及び各外装板２，４は同一の耐熱材料で製造されている。この耐熱材料は、金属、又はモノリシック構造であるか若しくはセラミックファイバーを組み込んだセラミックとされる。

特に、壁がセラックから成る場合には、図２Ｃに表わすように、各セル８の壁に載置された金属層１８又は“シート状構造物（sheet）”を付加することができる。より好ましくは、シート状構造物１８は、燃料ペレット１０及び膨張体積１２，１４を囲み、これにより炉が動作中における生成物の密閉性を高める。

集合体に関しては、図１から明らかなように、プレート要素１は、厚さ方向の中間面内で組み立てられた２つの半体要素（half element）から成る場合がある。２つの半体要素２，６’及び４，６は、実際には同一であり、それぞれが外装板２，４の一側面に“凹凸状に（impression）”形成されて六角形状の網状部６，６’を備えている。他の実施例では、このことは、一方の側面にはセル８の完全な網状部６を形成する凹凸部が設けられ、他方の側面にはセル８を閉じるための滑らかな外装板が設けられている場合がある。ハニカム状の構造として中央グリッド部６を形成し、独立して製造された２つの平坦なプレート２，４と共に組み立てることができる。

燃料要素１（外装板２，４及びグリッド６）の構造によって、金属材料が選択可能である場合には、３つの前述の実施例は実施可能であり、構造物２，４，６の間にリンク面を位置決めすることは、製造上の問題（production consideration）を容易にすることによって決定される。しかしながら、すべてが“セラミック”製要素である実施例の場合には、２つのサブ構造物の間に単一のリンク面を利用し、（図１に表わすような）要素１の中間面に位置していることが望ましい。すなわち、動作ストレスが最小であり、このオプションは利用可能なセラミックとセラミックとを結合する方法（ロウ付け、拡散溶接、セラミック前駆体による結合等）を選択する可能性を広げる。

高速炉の運転条件、例えばＧＦＲ内における高い熱交換温度及び高い出力密度を満足するために特に優位な実施例では、燃料ペレット１０は円柱状であって、直径１１．１８ｍｍの円であり、その高さが４．９ｍｍであり、両端に（少なくとも３０ｐｍ）湾曲した形態１６を備えている。これらの燃料ペレットは、１５％の多孔率を有する標準的な方法に基づいて（Ｕ，Ｐｕ）Ｃから製造される。

所定の数値は単なる情報であって、いかなる場合にも誤差に対する通常のマージンを考慮しなければならないことは言うまでもない。

燃料要素１は、モノリシックセラミック（例えばＳｉＣ）又は繊維複合材（例えばＳｉｃ−ＳｉＣｆ）から作られている外装板２，４，６によって構成され、その全厚みは７ｍｍである。前記燃料要素は、２つの同一の半体要素を組み立てることによって製造される。組み込まれる平坦なベース２，４のそれぞれは、１ｍｍの厚さを有し、網状部６，６’の高さは２．５ｍｍとされる。１４ｍｍ間隔でセル８と共にハニカムグリッドを形成し、壁は一様な厚さ１．３ｍｍを有している。2つの半体要素から成る組立体は、ロウ付け（セラミック及びその温度範囲に適合した方法）、拡散溶接、又は接着によって結合されている。

外気圧でヘリウムガスがセルに充填されている。燃料ペレット１０と外装板２，４との軸方向の間隙１２は、１００μｍであって、（六角形状部分の平面同士の間における）径方向の間隙１４は７６０μｍである。燃料ペレット１０と外装板２，４，６との間の初期の自由体積は、（燃料ペレットの空隙容積を考慮しなければ）燃料ペレットの体積の４７％に相当する。

金属製のシート１８を取り付けた場合には、その厚さは２５μｍ〜１００μｍであり、セル８の壁及び外装板２，４の厚さの厚さ方向に備えている。例えば壁の厚さは、シートの厚さが１００μｍに対して１．３ｍｍ〜１．１ｍｍに調整されている。シートは、例えばタングステン、モリブテンやニオビウム等に基づいた半耐火性の（semifrfractory）金属合金から成る場合がある。

さらに、炭化チタンや炭化ジルコニウムは、炭化珪素に置換可能とされる。特にＵＰｕのような窒化燃料のためには、３つの炭化物が窒化チタン、窒化ジルコニウムに置換されることも言うまでもない。

当該構成では、プレートの複合的な中心コア内における燃料の体積摩擦は５６％である。

プレート２，４は、約１２０ｍｍ×約２５０ｍｍの矩形状とされる。炉のコア内におけるこれら要素１の配置では、体積摩擦は、ＧＦＲコアの動作に必要な反応条件における実行可能な段階についての２２．４％となる。

この要素１の挙動は、コアの一様な体積力の密度が１００ＭＷ／ｍ^３であり、熱交換器の出口における温度が８５０°であり、且つ、燃料燃焼速度が少なくとも１０％アトミックである、２４００ＭＷのＧＦＲの動作条件で分析されたものである。基本的なセルの熱機械的な挙動が、CAST3M finite elements softwareを利用して、特徴を考慮したあらゆる動作状況：通常運転、運転停止（熱交換器内の圧力を必要とせず恒温冷却状態に戻る）、高速負荷変化（体積力の１０％増加）を伴う状況、及び熱交換気体の低速又は高速な圧力降下を伴う偶発的な状況について解析された。

この研究から、以下の結論を得た。
１）コア内の最大出力密度を有するセル上で（コアの中心において流速が最大の平面内で）６７０ＭＷ／ｍ３であって、プレートの外部表面温度が８７２℃である。
２）コアの中心で軸方向の断面に沿って異なる動作条件を有するセルについて（コアの入力から出力に変化し、最大流速の平面を通過する条件）。

最大１０％アトミックまでの通常運転においては、燃料（Ｕ−Ｐｕ）Ｃの１０％の核分裂気体の解放速度を考慮すると、
ｉ．最大負荷状態のセル８の寿命が尽きたときの内部圧力（６．２ＭＰａ）は、熱交換器（７ＭＰａ）の外部圧力の値に到達させる。セル８のユニット１は寿命全体を通じて外部圧力よりも低い内部圧力によって動作する。プレートと燃料ペレットとの擬似的な接触が優位である（優位な効果については、以下に説明する）。
ｉｉ．軸方向の間隙１２は、寿命の間、燃料ペレット１０と外装板２，４とが相互作用した状態で補正される。これにより、以下の結論が導かれる。
燃料要素１の温度を調整すること（体積力が一定であると仮定することができる場合には、燃料要素の最大温度は、５０℃の範囲に亘って変化し、１３００℃よりも低い温度を維持する）。すなわち、軸方向の間隙１２を前進的に小さくすることによって、核分裂気体が解放されるに従って、気体の伝導性の損失が補償される。
セル８の軸方向の歪み（厚さ４４ｐｍのプレートにより構成されるセルの場合における最大歪み）が非常に小さな状態を維持している状態で、（膨張の異方性及びクリープによって）燃料ペレット１０の外径が膨張すること。
外装板２，４の曲げ応力又は結合プレート６，６’の引張応力が１０ＭＰａよりも低い値であれば、構造体に働く応力が常に小さいこと。
ｉｉｉ．径方向の間隙１４、寿命が尽きたときに残存する間隙、及び燃料ペレット１０のセル８の仕切り６を断熱可能な核分裂気体による導電性の漸進的な低下が補正されないこと。壁６の平均温度は外装板２，４の平均温度と同一とされるので、（膨張及び伸張によって）ハニカム状の網状部６の歪みは２つのプレート２，４の歪みと同一である。

１０％アトミックにおける体積力の急速増加のシミュレーションによって、燃料ペレット１０は外装板２，４と相互作用しているが、外装板の低い曲げ剛性が、極めて大きな応力が負荷されることなく、燃料ペレット１０によってセル８に作用する同時的な歪みに適応することが判明した。

同様に、外部圧力の損失は、過剰な内部圧力が要素１のセル８に作用する上述の運転停止状態及び圧力が偶発的に低下した状態において、セルの構造物２，４，６に作用する応力が許容範囲内になる原因となる。急速な圧力降下が起こった場合には、外装板が適度に曲げられ、結合プレートが最大２４ＭＰａの引張状態になる。

この研究によって、運転中のセル８の構造物２，４，６に作用する大部分の応力は、捩り負荷、熱的な膨張及び伸張によって、厚さ方向及び長手方向若しくはサブ構造体同士の間で局所的に発生する。これら応力は、クリープによる放射（クリープ及び熱的クリープによる放射）の際に緩和される。これらの大きさは、利用される材料の物理的特性及び機械的特性に直接依存する。

数１は、モジュールを表わし、小さなＭの値によって負荷を最小限度に抑える材料を選定するために利用される。ここで、Ｅはヤング率、αは熱膨張係数、λは熱伝導率、νはポアソン比である。例えば表１は、１０００℃におけるＮｂ−１Ｚｒ−Ｃ及びセラミック複合材ＳｉＣ−ＳｉＣｆから成る金属製外装板のＭの値を表わす。

本発明における燃料要素は、ＧＦＲの仕様に適合する一方で、所定の運転条件の範囲をカバーし、既存の要素よりも広く実施可能とされる。任意の網状部については、
組み合わされたプレートの形状に起因して、選択的に組立体１における燃料ペレット１０の充填密度を５０％より高くすることができること（特許文献３では２５％にすぎない）、
（現在の高速中性子炉（ＲＮＲ）及び高温原子炉（ＨＴＲ）の電流素子と同様に）核分裂気体の閉じ込めること、剛性が低い状態であっても遮断によって破断することなく、歪みの単一の方向ＡＡにおける燃料ペレット１０と外装板２，４，６との相互作用を吸収すること（ＲＮＲにおいて燃料ペレットの２方向における歪みが遮断されること、及びＨＴＲにおいて燃料ペレットの３方向における歪みが遮断されることよりも良い）、
燃料ペレットの中心における最大温度を調整することによって熱交換器が熱交換すること、
構造材料としてセラミック（モノリシックセラミック又は繊維複合材）又は耐火性を有する金属を用いることによって、小さな応力を発生させる歪み負荷を吸収する一方で、高性能（高い温度、燃焼速度、及び出力密度）で運転すること、
が実施可能とされる。

このタイプのプレート要素は、他の網状部（特に実験炉、熱中性子炉、高速中性子炉、及び高温熱中性子炉）での利用にも適している。このような適用例において一般に実施される外装板／燃料材料の組は、本発明におけるマクロ構造を有するプレート要素の構成に直接適用可能とされる。ハニカム構造は、一般的な外装板と同一の熱的ストレス、化学的ストレス、及び機械的ストレスの条件の下で機能するので、同一の材料が適切であることは言うまでもない。

従って、本発明における複合的なプレート状の燃料要素は、
高速な流れに適合する大きなコア密度を有し、六角形のメッシュ状のハニカム構造によって燃料充填時の体積率が５０％を超え、
例えばＵＯ_２，ＵＯ_２−ＰｕＯ_２，ＵＣ，（Ｕ，Ｐｕ）Ｃ，ＵＮ，（Ｕ，Ｐｕ）Ｎ等のようなセル状の燃料ペレットを最終点するために利用され、標準的な方法を利用して製造され、
燃料ペレットとマトリックス状の網状部との間の間隙によって形成された膨張容積によって、セル内の燃料ペレットによって放出された核分裂気体の内部圧力を制限し、この膨張容積が燃料ペレットの容積の約０．５倍であるので、高い性能を有する核燃焼（“バーンナップ”）が可能となり、
密閉されたセルを構成する外装板によって両端で閉じられている各セル内で漏出が起きた場合に熱交換機内で塩析可能な核分裂生成物の量を低減し、
プレート要素の非常に小さな歪みが要素間の冷却流を損なわないように、燃料とセルの構造との相違する歪み（熱膨張と延伸）を吸収し、
センチメートル単位のセルとミリメートル単位の壁及び外装板の厚さとを有するセル（非六角形状の網状部）の大きさを、好ましくは燃料ペレットの両端を介して、熱交換機に熱移送し、構造体の材料内の平均温度を一様にし、セルを閉じる外装板の曲げ剛性を調整し、且つ、セルの構造体に作用するストレスを最小限度に抑える（このレベルで、熱膨張及び延伸によって作用する歪みの負荷を最小限度に抑えるように材料を選定し、選定の基準として、セルの挙動を最適化するために最小モジュールを求める）ように最適化し、
熱を移送するように燃料ペレットと外装板との漸進的な接触を管理することによって、寿命全体を通じて燃料の最大温度を調整し、
熱移送の性質及び燃料に対して、プレートの構造材料（金属）が動作温度に適合した状態で、あらゆるタイプの高速炉又はサーマルリアクタを数百ＭＷ／ｍ^３に到達可能な大きさの燃料の出力密度で運転し、
モノリシックセラミック又は繊維強化セラミックで完全に作られた要素を用いて、高温原子炉又はサーマルリアクタで動作し、
高温原子炉の燃料の場合に確実に密閉するために、薄板又はデポジットの形態で耐火性金属要素を付加し、これによりセラミックによる密閉が不十分な品質であることを知らせるように構成されている。ここで、最小モジュールは、数２で求められる。

本発明における一の実施例である。 本発明における燃料要素の実施例の概略図である。 本発明における燃料要素の実施例の概略図である。 本発明における燃料要素の実施例の概略図である。 本発明における燃料要素の実施例の概略図である。

符号の説明

１ 燃料要素（プレート要素）
２ 外装板
４ 外装板
６ 網状部
６’ 網状部
８ セル
１０ 燃料ペレット
１２ 軸方向の間隙
１４ 径方向の間隙
１６ 凸状部
１８ シート

Claims (16)

1. 第１のプレート（４）と、独立したセル（８）を形成するために前記第１のプレート（４）と一体に形成された複数の壁を有する網状部（６）と、２つの対向する側面の間で軸線（ＡＡ）に沿って延在している少なくとも１つの核燃料ペレット（１０）とを備えている核燃料要素（１）であって、
   前記核燃料ペレット（１０）は、前記壁と前記燃料ペレット（１０）との間に径方向の間隙（１４）を形成した状態で前記セル（８）内に位置し、
   前記核燃料ペレット（１０）の前記軸線（ＡＡ）は、前記セル（８）の前記壁に対して略平行とされることを特徴とする核燃料要素（１）。
2. 前記網状部（６）の前記壁は、前記第１のプレート（４）に対して平行な方向において同一の厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の核燃料要素。
3. 前記網状部（６）は、前記第１のプレート（４）と同一の方向で製造されることを特徴とする請求項１又は２に記載の核燃料要素。
4. 前記セル（８）を閉じるために、前記網状部（６）と一体であって、前記第１のプレート（４）に対して平行且つ対向して設けられた平坦な第２のプレート（２）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の核燃料要素。
5. 前記核燃料要素は、第２のプレート（２）を備えており、
   前記第２のプレートは、前記セル（８）を閉じるために、前記第１のプレート（４）の前記網状部（６）と相補的で一体的な、突出している網状部（６’）を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の核燃料要素。
6. 閉じられた前記セル（８）内に前記径方向の間隙（４）を形成して配置された２つの対向する側面の間で前記軸線（ＡＡ）に沿って延在している単一の核燃料ペレット（１０）を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の核燃料要素。
7. 閉じられた前記セル（８）は、それぞれヘリウムで充填されていることを特徴とする請求項６に記載の核燃料要素。
8. 前記核燃料ペレット（１０）の核分裂段階は、前記核燃料要素（１）の体積の２０％より大きいことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の核燃料要素。
9. 前記セル（８）それぞれの内部の間隙（１２，１４）によって生じる残りの体積は、前記セル内に配置されている前記核燃料ペレット（１０）の体積の少なくとも４０％であることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一項に記載の核燃料要素。
10. 前記核燃料ペレット（１０）のそれぞれは、軸方向の間隙（１２）を有した状態で前記セル（８）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の核燃料要素。
11. 前記核燃料ペレット（１０）に対向する両側面のうち少なくとも１つの側面が、前記軸方向の間隙（１２）を調整した後に、前記第１のプレート（２）及び前記第２のプレート（４）に作用する相対的な応力の大きさを最小限度に抑えるように外方に屈曲することを特徴とする請求項１０に記載の核燃料要素。
12. 前記網状部（６）は、六角形状の前記セル（８）から成るハニカム構造とされることを特徴とする請求項１又は１１に記載の核燃料要素。
13. 前記第１のプレート（２）、前記第２のプレート（４）、及び前記網状部（６）は、同一の耐火材料、金属、又はセラミックから成ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の核燃料要素。
14. 前記第１のプレート（２）、前記第２のプレート（４）、及び前記網状部（６）は、セラミック、特に炭化珪素や繊維性材料から成ることを特徴とする請求項１３に記載の核燃料要素。
15. 前記セル（８）のそれぞれの前記壁に載置された金属から成る層（１８）を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の核燃料要素。
16. 前記核燃料ペレット（１０）は、それぞれ前記軸線（ＡＡ）を中心として回転する単一の円柱の形態をしていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載の核燃料要素。

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