JP2015129747A - 原子炉のフルエンス低減システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原子炉のフルエンス低減システムおよび方法を提供する。【解決手段】核燃料集合体は、他の核燃料集合体を有する炉心で用いる少なくとも１つのフルエンス制御構造を含む。このような中性子束制限集合体および構造は、フルエンス制御された核燃料集合体の向こう側で中性子束を低減するために炉心内で他の核燃料集合体の外側または周囲に配置されてもよく、フルエンス制御構造は、炉心の外縁に配置されてもよい。フルエンス制御構造は、燃料集合体の特定の位置において、燃料棒および挿入物、チャンネル、シールドカーテンなどのような構造をした非燃料の材料を用いて中性子束を制限する。技術者は、中性子束制限特性を有するフルエンス制限燃料集合体を選択し、および／または、このような中性子束制限から恩恵を受けることが予期される中性子工学プロファイルを有する炉心内にこれを設置してもよい。【選択図】図５

Description

本発明は、原子炉のフルエンス低減システムおよび方法に関する。

図１に示されているように、原子力発電所は、原子力を生成するための様々な構成の燃料および原子炉内部を有する原子炉圧力容器１０を従来から含んでいる。例えば、容器１０は、燃料集合体などの燃料構造体４０を収容した核燃料炉心３５を囲む炉心シュラウド３０を含んでもよい。上部ガイド４５および燃料支持体７０は、燃料集合体４０のそれぞれを支持してもよい。環状ダウンカマ領域２５は、炉心シュラウド３０と容器１０との間に形成されてもよく、環状ダウンカマ領域２５を通って、流体冷却材および減速材は、炉心下部プレナム５５に流れ込む。例えば、米国の軽水炉タイプでは、流体は、精製水であってもよく、一方、天然ウラン炉タイプでは、流体は、精製重水であってもよい。ガス冷却炉では、流体冷却材は、ヘリウムなどのガスであってもよく、この場合、減速は、他の構造体によって行われる。流体は、炉心下部プレナム５５から炉心３５を通って上方へ流れてもよい。炉心３５で加熱された後、エネルギー流体は、シュラウドヘッド６５の下の炉心上部プレナム６０に進入してもよい。

１つ以上の制御棒駆動装置８１は、容器１０の下に配置され、炉心３５内では燃料集合体４０の間に延在する制御棒ブレード８０（図２）に連結されていてもよい。容器１０は、フランジ９０の位置で上部ヘッド９５を用いて密閉し、開口することが可能である。原子炉内部に接近することによって、燃料バンドル集合体４０の一部が、炉心３５内で交換および／または移動され、他の内部構造および外部構造（シュラウド３０および原子炉圧力容器１０自体を含む）の保守／設置が、原子炉１０の内部および外部で実行されてもよい。

図２は、図１の燃料炉心３５の部分の図であり、制御ブレード８０の周囲に配置された複数の燃料集合体４０を示している。運転中、制御棒駆動装置８１は、所望の出力密度を得るために燃料集合体４０の間で制御棒ブレード８０を所望の軸方向位置に操作する。制御棒ブレード８０は、典型的には、十字形または十字状の断面を有する。しかしながら、棒および他の形状は、原子炉で使用可能な周知の制御要素である。制御棒ブレード８０は、集合体４０の間で中性子フルエンスを低減し、これにより核分裂連鎖反応を制御するために、所望のスペクトルの中性子を吸収する材料（ホウ素、カドミウムなど）を含む。図２において、燃料バンドル集合体４０は、制御棒ブレード８０を囲んでおり、制御棒ブレード８０は、燃料集合体４０への露出を最大化し、これにより燃料集合体４０を一緒に制御するために、４つの燃料バンドル集合体４０によって囲まれた中央の交差点に配置されている。

図３は、図１および図２に示されている集合体４０などの、関連技術の燃料集合体４０の図である。図３に示されているように、燃料集合体４０は、発電のための核分裂性物質が充填された多数の燃料棒１４を含む。燃料棒１４は、均一な格子状に横方向に配置されており、集合体４０の全体にわたって連続的に軸方向に延在している。燃料棒１４は、燃料集合体４０の両端では、下部タイプレート１６に取り付けられ、上部タイプレート１７に向かって上方へ延在している。燃料棒１４は、集合体４０の外面を形成するチャンネル１２によって取り囲まれており、これにより、集合体４０の軸方向長さの全体にわたって集合体４０内に流体流が維持される。また、従来の燃料集合体４０は、燃料棒１４を整列させ、離間させるために様々な軸方向位置に１つ以上の燃料スペーサ１８を含む。また、１つ以上のウォーターロッド１９が、所望のレベルの、減速材または冷却材の通過流を集合体４０に供給するために存在してもよい。

米国特許第８，６１５，０６５号明細書

例示的な実施形態は、核燃料炉心および周囲の構造、これで用いる燃料集合体、ならびにこれで用いるフルエンス制御構造を含む。例示的な炉心は、フルエンス制御構造を有する燃料集合体／複数の燃料集合体と組み合わせ核燃料集合体を含む。フルエンス制限集合体および構造は、フルエンス制御された核燃料集合体の向こう側で中性子束を低減するために炉心内で他の核燃料集合体の外側または周囲に配置されてもよい。フルエンス制御構造自体は、フルエンス制御が核燃料集合体およびフルエンス制限集合体の向こう側でのみ行われるように炉心の外縁に配置されてもよい。フルエンス制御構造は、適切な材料、寸法、および燃料集合体における配置の使用によって特定の位置で中性子束を制限する。例示的な方法において、炉心技術者は、中性子束制限特性を有するフルエンス制限燃料集合体を選択し、および／または、このような中性子束制限から恩恵を受けることが予期される中性子工学プロファイルを有する炉心内にこれを設置してもよい。

例示的な実施形態は、添付図面（ここでは、同じ要素は、同じ参照符号によって示されている）について詳細に説明することによってより明らかとなる。なお、添付図面は、実例としてのみ示されており、したがって、これらが描いている用語を限定しない。

関連技術の原子力容器および内部の図である。 制御棒ブレードと共に使用される、関連技術の制御される一群の燃料集合体の図である。 関連技術の燃料集合体の図である。 例示的な実施形態の核炉心の図である。 例示的な実施形態の燃料集合体の図である。

本文書は、特許文書であり、本文書を読んで理解する際には、一般的な、適用範囲の広い解釈規則が適用されるべきである。本文書において説明され、示されているすべてのものは、添付の特許請求の範囲に含まれる主題の例である。本明細書に開示されているすべての特定の構造的・機能的詳細は、例示的な実施形態または方法を形成し、使用する仕方を説明するためのものに過ぎない。本明細書に明確に開示されていない複数の異なる実施形態は、特許請求の範囲に含まれる。したがって、特許請求の範囲は、多くの代替的な形態で実施されてもよく、また、本明細書で述べられている例示的な実施形態のみに限定されるものとして解釈されるべきではない。

第１の、第２のなどの用語が、様々な要素について説明するために本明細書で使用されている場合があるが、これらの要素が、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されるであろう。これらの用語は、要素を互いに区別するためにのみ使用される。例えば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素は、第２の要素と称されてもよく、同様に、第２の要素は、第１の要素と称されてもよい。本明細書で使用されるとき、「および／または」という用語は、１つ以上の関連する列挙された項目の任意のおよびすべての組み合わせを含む。

要素が、別の要素に「連結」、「結合」、「接合」、「付着」、または「固定」されると言われている場合、この要素は、この別の要素に直接的に連結もしくは結合されてもよいし、または、介在する要素が存在してもよいことが理解されるであろう。対照的に、要素が、別の要素に「直接連結」または「直接結合」されると言われている場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係について説明するために使用される他の語も、同様に解釈されるべきである（例えば、「〜の間に」に対して「直接〜の間に」、「〜に隣接して」に対して「直接〜に隣接して」など）。同様に、「通信可能に接続される」などの用語は、無線接続であるか否かにかかわらず、２つの装置（中間装置、ネットワークなどを含む）間の情報交換ルートのあらゆる変形例を含む。

本明細書で使用されるとき、単数形「ある（ａ）」、「ある（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、言葉が「唯一の」、「単一の」、および／または「１つの」のような語によって他の方法で明示的に示されているのでない限り、単数形および複数形の両方を含むことが意図されている。本明細書で使用されるとき、「備える」、「備えている」、「含む」、および／または「含んでいる」という用語は、言明された特徴、ステップ、動作、要素、概念、および／または構成要素の存在を明確に述べているが、それら自身は、１つ以上の他の特徴、ステップ、動作、要素、構成要素、概念、および／またはこれらの群の存在または付加を排除しないことがさらに理解されるであろう。

以下に述べられている構造および動作は、図面に記載および／または示されている順序に従わなくてもよいことに留意すべきである。例えば、連続して示されている２つの動作および／または図は、実際には、関連する機能／作用に応じて、同時に実行されてもよいし、または、場合によっては逆の順序で実行されてもよい。同様に、以下で説明される例示的な方法の個々の動作は、以下で説明される単一の動作は別として動作のループまたは他の一連の動作を実現するために繰り返し、個々に、または連続して実行されてもよい。以下で説明される特徴および機能を任意の実現可能な組み合わせで有する任意の実施形態が、例示的な実施形態の範囲に含まれることが考えられるべきである。

本発明者は、時間当たりの中性子束（すなわち、フルエンス）が構成要素の脆化および／または故障の原因となる原子力運転から生じる問題を認識してきた。この問題は、特に、中性子束による損傷を受けやすい、または大きくて交換不可能な原子力構成要素（炉心シュラウド３０（図１）または原子炉圧力容器１０（図１）など）に特定の影響を及ぼす場合がある。本発明者は、原子炉の内部への別個の反射体／吸収体構造の設置または周囲が水に囲まれるより小さな炉心の使用が、さらなる問題を引き起こすことをさらに発見した。別個の反射体／吸収体構造は、それ自身の別個の設置および保守を必要とし、流体力学に干渉することなく炉心とシュラウドとの間に取り付けられ得ない。より小さな炉心は、より小さな出力を生成し、燃料集合体の出力比の安全域に接近し得るか、またはこれを超え得るより鋭い半径方向の中性子束プロファイルを有し得る。以下の開示は、原子炉運転に関して本発明者によって認識されたこれらの問題および他の問題を独自に克服する。

本発明は、核燃料ベースのフルエンス制御である。以下に述べられている例示的な実施形態は、本発明としておよび／または本発明に関連して使用され得る様々な異なる構成の一部を示しているに過ぎない。

図４は、例示的な実施形態の、周辺部の燃料集合体フルエンス制御構造を有する例示的な実施形態の炉心の象限マップである。図４において、各正方形は、炉心の４分の１における燃料集合体の位置を示している。炉心は、図４のような象限マップが、炉心全体の構成を伝えることができるように少なくとも２つの直交軸に関して対称であり得る。図４は、一部の沸騰水炉の設計に見られる１７ｘ１７の象限を示しているが、他の炉心サイズおよび形状が、例示的な実施形態に関して使用可能である。

図４に示されているように、位置は、炉心および周囲（これの向こう側で、シュラウドおよび／または原子炉容器（例えば、図１のシュラウド３０および／または容器１０）は、炉心を取り囲むことができる）を形成するように埋められてもよく（実線の輪郭）、空であってもよい（点線の輪郭）。占められた集合体の位置は、任意の燃料サイクル中により高い（斜線模様または斜交平行線模様）またはより低い（模様なしで示されている）反応度の燃料バンドルを収容してもよい。様々な反応度が、初期の燃料濃縮度の変更、異なる露出の燃料集合体の使用、核分裂生成毒物の調整などによって達成されてもよい。例えば、図４に示されている外周部の、濃縮度のより低い集合体の輪は、天然ウランまたは一度燃焼させた集合体を使用する濃縮度のより低い集合体であってもよく、炉心の内部の、濃縮度のより高いバンドルは、濃縮ウランまたはより新しいバンドルを使用してもよい。均一な反応度を有する炉心を含む他の反応度のパターンも、例示的な実施形態の炉心として使用可能である。

制御棒ブレード８０（図２）などの制御要素が、炉心の内部の至る所に配置されている。このような制御要素の一部は、炉心の出力を制御するために運転中に使用されてもよく、反応度を調整するために規則正しく動かされる制御要素に隣接する集合体は、図４において、４つの集合体の位置を含むより太い正方形で輪郭を描かれた制御されるバンドルとして示されている。例えば、図２に示されているように、制御ブレード８０の周囲に配置された集合体１０は、図４において、制御される集合体として示され得る。図４には示されていないが、他の制御要素および制御される集合体群（炉心周辺のより近くに制御要素および制御される集合体を含む）が、例示的な実施形態に関して使用されてもよい。このように、例示的な実施形態の炉心の形状、サイズ、集合体のパターン、制御要素のパターン、および集合体の反応度レベルは、発電、安全域、原子炉の種類などの要件に基づいて周知のおよび未来の設計において変更されてもよいことが理解される。

図４に示されているように、燃料集合体フルエンス制御構造は、例示的な実施形態の燃料炉心の最外周部の燃料集合体において使用される。フルエンス制御構造は、図４において、最も太い輪郭線によって示されている。例示的な実施形態のフルエンス制御構造は、中性子束を生成せず、燃料集合体の周辺に発生するスペクトルの中性子束に対して相当の吸収および／または反射効果を有する。例えば、フルエンス制御構造は、熱および高速中性子に対して１バーン以上の吸収断面を有する材料を含んでもよい。このようにして、フルエンス制御構造は、炉心の向こう側で中性子束（したがって、時間当たりのフルエンス）を制限する。

図４に示されているように、燃料集合体フルエンス制御構造は、フルエンス制御が、炉心周辺において連続的であり、炉心周辺に限定され、これにより炉心の外周全体に中性子束の境界が形成され得るように周辺部の燃料集合体の１つ以上の外縁において使用されてもよい。これにより、炉心を囲む炉心シュラウド、原子炉圧力容器、および／または他の原子炉内部へのフルエンスが低減され得る。

フルエンス制御構造は、軸方向に関して炉心の全体にわたって完全に延在してもよいし、または、選択された高さに延在してもよい。同様に、燃料集合体フルエンス制御構造は、特定の位置のみを遮蔽する断続的な周辺位置を形成するように、燃料集合体の外周面のすべてにではなく選択的に使用されてもよい。例えば、２つの露出面を有する角の集合体（図４の１２−２の位置の集合体など）のみが、燃料集合体フルエンス制御構造を使用する一方で、露出がより少ない集合体は、このような構造を有さなくてもよいし、または、燃料集合体フルエンス制御構造は、脆弱な構成要素へのフルエンスの影響が著しい位置にのみ使用されてもよい。フルエンス制御構造は、例えば集合体の製造の単純さ、中性子束の調整（ｆｌｕｘ ｓｈａｐｉｎｇ）、および／または炉心の内部の構成要素の保護のために周辺部の内側の位置にさらに使用されてもよい。

例示的な実施形態の燃料集合体フルエンス制御構造は、燃料集合体の構成要素であってもよいし、あるいは、例示的な実施形態の燃料集合体に直接取り付けられてもよい。このようにして、フルエンス制御が、燃料集合体の配置に基づいて配置されてもよい。図４に示されているように、共通の軸方向位置を有する、例示的な実施形態のフルエンス制御構造の１つまたは２つの面を有する燃料集合体の配置および方向付けを選択的に行うことによって、フルエンス制御の連続的な周囲が、炉心の高さの全体にわたってまたは特定の軸方向部分において炉心の外周部に形成されてもよい。個々の燃料集合体にフルエンス制御構造を設置することによって、フルエンス制御の位置が、炉心内へのまたは炉心の近傍へのさらなる設置を必要とすることなく、燃料集合体の適切な移動または再方向付けを行うことによって形成され、変更され、および／または除去されてもよい。

例示的な実施形態の燃料集合体フルエンス制御構造は、様々な形態および特性を有してもよい。例えば、フルエンス制御構造は、所望の位置で遮蔽を行うために炉心構造および燃料集合体の周囲の様々な位置に配置されてもよい。同様に、フルエンス制御構造は、配置される場合に所望の量の遮蔽を実現するために様々な中性子束制限材料から製造されてもよい。多数の異なるフルエンス制御構造が、炉心の中性子工学特性および所望のフルエンス制限に基づいて任意の組み合わせでおよび任意の位置に一緒に使用可能である。

図５は、例示的な実施形態の燃料集合体１１０と共に使用される、例示的な実施形態のフルエンス制御構造の図である。図５は、多数の異なる例示的な実施形態のフルエンス制御構造を示しているが、図５の個々の態様のすべてが、単独でまたは任意の組み合わせで使用され得ることが理解される。例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、図１〜図３の燃料集合体１０などの従来の燃料集合体に極めて似せて構成されてもよく、これと交換可能に使用されてもよい。例示的な実施形態の集合体における例示的な実施形態のフルエンス制御構造の使用は、必ずしも様々な異なる原子炉の種類との互換性を低下させないし、損なわない。例えば、図５に示されているように、例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、制御ブレード８０に隣接する位置に使用されてもよく、単に従来のＢＷＲ燃料集合体として、また、これの代わりに燃料棒１４（完全なもの（「Ｔ」）および部分的な長さのもの（「Ｐ」）の両方）のような従来の要素およびウォーターロッド１９を収容してもよい。

例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、フルエンス制御構造としてプレートカーテン１２０を含む。プレートカーテン１２０は、チャンネル１１２の内部または外部に溶接、ボルト締めによって取り付けられてもよく、チャンネル１１２と一体に形成されてもよく、および／または任意の他の接合機構を用いて取り付けられてもよい。例えば、２つのプレートカーテン１２０は、燃料集合体１１０が、図４の６−６の位置などの角の集合体である場合、炉心シュラウドまたは原子炉圧力容器に露出されたチャンネル１１２の最も外側の面の外側または内側のいずれかに配置されてもよい。プレートカーテン１２０は、集合体１１０の内面もしくは外面にわたって完全にまたは実質的に延在してもよいし、または、プレートカーテン１２０は、集合体１１０のチャンネルの面の横方向部分または軸方向部分のみを覆ってもよい。プレートカーテン１２０の配置およびサイズは、その中性子束低減特性および炉心内の位置に基づいて選択されてもよい。例えば、特定の炉心位置における中性子束は、より低い軸方向位置を除いて特に高い位置に照射されてもよく、プレートカーテン１２０は、軸方向の上側部分を覆うようにチャンネル１１２の周囲にのみ延在してもよい。

プレートカーテン１２０は、所望の中性子束低減特性を有する材料および厚さを用いて製造される。例えば、プレートカーテン１２０は、原子炉エネルギーにおいてより高い中性子吸収断面を有するステンレス鋼またはより低い中性子吸収断面を有するジルコニウムであってもよい。さらに強い効果のために、プレートカーテン１２０は、十字状の制御ブレード８０のアームと同様に製造されてもよく、ハフニウム、ホウ素、ガドリニウム、カドミウムなどのようなより強い中性子吸収体を含んでもよい。

プレートカーテン１２０は、他の炉心構造に干渉しない任意の厚さ（約６５〜２００ミリ（千分の数インチ）を含む）を有してもよい。プレートカーテン１２０のための位置および範囲を決定することと同様に、プレートカーテン１２０の材料および厚さは、予期された中性子工学および中性子束低減に基づいて選択されてもよい。例えば、濃縮度のより低いバンドルが、図４に示されているように炉心の周辺部に使用される場合、プレートカーテン１２０は、より薄くされ、ジルコニウム合金のようなより低い吸収材料を使用してもよい。より高い熱および／または高速中性子束を伴う他の状況では、制御ブレードスタイルのプレートカーテン１２０が使用されてもよい。このように、適切な材料および厚さのプレートカーテン１２０は、炉心の周辺部において中性子束を吸収および／または反射し、例示的な実施形態の集合体１１０のプレートカーテン１２０の外側の構造（炉心シュラウドまたは原子炉容器など）に対する時間当たりのフルエンスを阻止または低減する。

例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、フルエンス制御構造として遮蔽チャンネル１１２を含む。遮蔽チャンネル１１２の形状およびサイズは、従来のチャンネル１２（図１〜図３）と同じであってもよい。言うまでもなく、他の燃料設計において、遮蔽チャンネル１１２は、複数の他の種類の燃料および原子炉におけるこのような互換性を維持するために他の形状、サイズ、配置、および連結位置を有してもよい。遮蔽チャンネル１１２は、例示的な実施形態の燃料集合体１１０の位置で発生することが予期される中性子束のためのより高いまたは所望の吸収および／または散乱断面を有する材料から製造されてもよい。例えば、遮蔽チャンネル１１２は、ジルコニウム合金の代わりにステンレス鋼から製造されてもよく、または、遮蔽チャンネル１１２は、中性子束を制限する、ホウ素およびハフニウムのような材料をドープされてもよい。遮蔽チャンネル１１２は、中性子束低減材料を有する選択面／縁のみに関して複合的な方法で製造されてもよいし、または、遮蔽チャンネル１１２は、均一な材料から製造されてもよい。

遮蔽チャンネル１１２は、遮蔽チャンネル１１２の相対厚さに起因して、例示的な実施形態の集合体１１０において中性子束を低減することに関してより低い効果を有してもよい。したがって、製造の単純さのために均一な材料から製造される場合であっても、遮蔽チャンネル１１２は、中性子束が求められる場合は炉心の内側の中性子束に対して有害な効果をほとんど及ぼさない。適切な中性子吸収体または反射体を用いて製造される遮蔽チャンネル１１２もまた、炉心の周辺部において中性子束を低減させ、例示的な実施形態の燃料集合体１１０の外側の構造（炉心シュラウドまたは原子炉容器）に対する時間当たりのフルエンスを阻止または低減する（このような構造の近傍の集合体に使用される場合）。

例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、フルエンス制御構造として遮蔽燃料棒１１４を含む。図５に示されているように、遮蔽燃料棒１１４は、例示的な実施形態の燃料集合体１１０が、角または外側の位置に配置される場合、炉心の縁に最も近い外側の横列および／または縦列を占めてもよい。集合体１１０の外側の横列および外側の縦列の全体は、遮蔽燃料棒１１４のみから構成されてもよいし、または、遮蔽燃料棒１１４は、間隔を置いてもしくは他のパターンで、または所望の方法で中性子束を制限するように集合体１１０の至る所に配置されてもよい。遮蔽燃料棒１１４は、従来の燃料棒１４（全長に及ぶものＴおよび部分的な長さのものＰの両方）と互換性があり、これと交換されてもよく、遮蔽棒１１４は、直径、長さ、および／または外側の被覆特性に関して一致し得る。言うまでもなく、他の燃料設計において、遮蔽棒１１４は、複数の他の種類の燃料および原子炉におけるこのような互換性を維持するために他の形状、サイズ、配置、密度、および連結位置を有してもよい。

遮蔽燃料棒１１４は、例示的な実施形態の燃料集合体１１０内のその位置での吸収および／または散乱によって予期されたエネルギーの中性子束を低減する。遮蔽燃料棒１１４は、所望の中性子束低減効果の量および種類に基づいて様々な構成を有してもよい。例えば、遮蔽燃料棒１１４は、空のジルコニウム被覆管（すなわち、燃料ペレットを有していない燃料棒）または空のステンレス鋼または他の金属被覆管であってもよい。あるいは、遮蔽燃料棒１１４は、中空の内部を有さないか、またはその中に選択された材料のダミーのペレットが入れられる中身の詰まったジルコニウム合金、ステンレス鋼、または他の金属の棒であってもよい。燃料要素を除去し、ならびに／または吸収度のより高いおよび／もしくはより厚い材料を使用するこれらの例は、中性子束に対して適度な効果を有し、材料は、より高い断面を有し、これにより、時間当たりの中性子束およびフルエンスのより大きな低減を行う。

さらに、遮蔽燃料棒１１４は、より大きな中性子束低減のためにさらに高い断面材料（核分裂生成毒物および他の中性子束低減体（ホウ素、ガドリニウム、カドミウム、ハフニウムなどのような）を含む）を含んでもよい。また、遮蔽燃料棒１１４は、中性子束を吸収するときに所望の同位体を生成する、コバルト５９またはイリジウムのような照射ターゲットを含んでもよい。例えば、遮蔽燃料棒１１４は、共同所有されているＦａｗｃｅｔｔらの米国特許出願公開第２００７／０１３３７３１号明細書、Ｆａｗｃｅｔｔらの米国特許出願公開第２００９／０１２２９４６号明細書、Ｒｕｓｓｅｌｌ，ＩＩらの米国特許出願公開第２００９／０１３５９８３号明細書、Ｒｕｓｓｅｌｌ，ＩＩらの米国特許出願公開第２００９／０１３５９８８号明細書、Ｆｕｎｇ Ｐｏｏｎらの米国特許出願公開第２００９／０１３５９９０号明細書、および／またはＢｌｏｏｍｑｕｉｓｔらの米国特許出願公開第２０１３／００７７７２５号明細書に開示されているようなセグメント化された棒であってもよい。なお、これらの公報の開示の全体は、本明細書に組み込まれている。遮蔽燃料棒１１４のためのセグメント化された燃料棒の例において、中性子束の吸収および／または反射の軸方向変化は、特定の軸方向レベルのための所望の断面を有する異なる材料によって異なる軸方向セグメントを満たすことによって達成されてもよい。このようにして、遮蔽燃料棒１１４は、例示的な実施形態の燃料集合体１１０から逃れ出る中性子束を低減することができるのと同時に、中性子束低減が１回の燃料サイクル中に変化し得る場合に可燃性中性子吸収物質の効果を持つようになるか、および／または有する所望の同位体を生成することができる。

図５の例示的な実施形態の燃料集合体１１０は、遮蔽燃料棒１１４、遮蔽チャンネル１１２、および／またはプレートカーテン１２０のようなフルエンス制御構造を有するものとして示されているが、他のおよび任意のフルエンス制御構造が、例示的な実施形態の燃料集合体に関して使用可能であることが理解される。さらに、フルエンス制御構造は、例示的な実施形態の燃料集合体が使用され得る炉心位置での遮蔽の必要性に基づいて単独で、複数で、または任意の組み合わせで使用されてもよい。

例えば、反応度のより低い燃料集合体の外側の輪が、炉心の縁でより均一な半径方向出力プロファイルを可能にするのと同時に、中性子束を低減する図４の例示的な炉心において、５−９（縦列−横列）の位置の集合体は、炉心の外側に露出した１つの面のみを有し、出力のより低い集合体によって囲まれてもよい。このような例示的な実施形態の、５−９の位置の燃料集合体は、わずか６０ミリ厚のステンレス鋼から製造された露出面に１つのプレートカーテン１２０のみを使用するか、または中性子吸収体がドープされた遮蔽チャンネル１１２のみを使用して、５−９の位置に隣接する原子炉構造に対するフルエンスを十分に低減してもよい。これらの例示的なフルエンス制御構造は、製造および運転の観点から実施するのが比較的簡単であってもよい。

あるいは、例えば、例示的な実施形態の燃料集合体は、数十年にわたって使用され、耐用年数間近で最大のフルエンス制約となる炉心シュラウドなどの、中性子束による損傷を受けやすい構成要素に隣接する炉心位置に配置されてもよい。このような例示的な実施形態の燃料集合体において、中性子束を低減する能力の高い多数のフルエンス制御構造が、一緒に使用されてもよい。例えば、角の燃料集合体において、燃料棒の最も外側の横列および縦列のすべてが、中身の詰まったステンレス鋼から製造された遮蔽燃料棒１１４であってもよい。組み合わせとして、中性子吸収度の極めて高い制御ブレードアームタイプのプレートカーテン１２０が、シュラウドに最も近い集合体の外面に設置されてもよい。この例示的なフルエンス制御構造の組み合わせは、極めて高い中性子束遮断能力を有し、別個の原子炉内部構造を設置することなく中性子束による損傷を受けやすい構成要素を保護することができる。

言うまでもなく、フルエンス制御構造の任意の数の他の組み合わせが、原子炉の内部の任意の半径方向位置または軸方向位置でフルエンスを制限する必要性に基づいて、例示的な実施形態の燃料集合体において使用可能であり、運転は、同様の製造の単純さ、燃料コスト、原子炉の種類、炉心の構成、および中性子応答、同位体生成の必要性、ならびに炉心および燃料の寸法に関係する。原子炉の技術者は、特定のサイクルのための炉心の必要性および中性子束応答を予想することができ、したがって、来る運転で用いる例示的な実施形態の燃料集合体を選択し、配置することができる。

例示的な実施形態および方法は、以上のように説明されているが、例示的な実施形態が、日常の実験によって変更され、置き換えられてもよい一方で、それにもかかわらず以下の特許請求の範囲に含まれることが、当業者によって理解されるであろう。例えば、様々な異なる原子炉および炉心の設計が、例示的な実施形態の単なる適切な寸法調整によって例示的な実施形態および方法に適合し、特許請求の範囲に含まれる。このような変形例は、特許請求の範囲からの逸脱であると見なされるべきではない。

１０ 原子炉圧力容器
１２ チャンネル
１４ 燃料棒
１６ 下部タイプレート
１７ 上部タイプレート
１８ スペーサ
１９ ウォーターロッド
２５ ダウンカマ領域
３０ 環状炉心シュラウド
３５ 核燃料炉心
４０ 燃料集合体
４５ 上部ガイド
５５ 下部プレナム
６０ 上部プレナム
６５ シュラウドヘッド
７０ 燃料支持体
８０ 制御ブレード
８１ 制御棒駆動装置
９０ フランジ
９５ 上部ヘッド
１１０ 例示的な実施形態の燃料集合体
１１２ 遮蔽チャンネル
１１４ 遮蔽燃料棒
１２０ プレートカーテン

Claims (20)

1. 原子炉のための炉心（３５）であって、複数の核燃料集合体と、前記炉心（３５）内で前記複数の核燃料集合体の外側の方向に配置されたフルエンス制御された核燃料集合体とを備え、前記フルエンス制御された核燃料集合体が、該集合体の、前記方向に関して最も遠い縁にのみフルエンス制御構造を含み、前記フルエンス制御構造が、前記方向に関して前記フルエンス制御された核燃料集合体の向こう側で中性子束を低減するために中性子束を低減する材料から製造されており、前記複数の核燃料集合体が、前記フルエンス制御構造を有していない炉心（３５）。
2. 前記炉心（３５）が、円筒であり、前記方向が、前記円筒の半径方向である、請求項１に記載の炉心（３５）。
3. 前記フルエンス制御された核燃料集合体が、前記炉心（３５）の最外周部を占めるように前記円筒の半径方向の最も外側に配置されており、前記縁が、前記炉心（３５）の前記最外周部を形成している、請求項２に記載の炉心（３５）。
4. 前記核燃料集合体および前記フルエンス制御された核燃料集合体を囲む炉心シュラウド（３０）をさらに備え、前記縁が、核燃料集合体を介在させずに前記炉心シュラウド（３０）に向けられている、請求項２に記載の炉心（３５）。
5. 前記フルエンス制御構造が、少なくとも２バーンの熱中性子吸収断面を有する材料から本質的になる、請求項１に記載の炉心（３５）。
6. 前記材料が、ホウ素、鉄、ハフニウム、カドミウム、ガドリニウム、またはこれらのうちの任意のものの組み合わせを含有する合金である、請求項５に記載の炉心（３５）。
7. 前記フルエンス制御構造が、遮蔽チャンネル（１１２）、プレートカーテン（１２０）、および遮蔽燃料棒（１１４）を含む群の要素である、請求項１に記載の炉心（３５）。
8. 前記遮蔽チャンネル（１１２）が、前記フルエンス制御された核燃料集合体の燃料棒を囲む核燃料チャンネルであり、前記プレートカーテン（１２０）が、前記フルエンス制御された核燃料集合体のチャンネルの面に取り付けられ、前記遮蔽燃料棒（１１４）には、核燃料を有さない、内部の密閉されたキャビティが形成されている、請求項７に記載の炉心（３５）。
9. 前記遮蔽燃料棒（１１４）が、非燃料の照射ターゲットを収容するセグメント化された棒、空の棒、および内部キャビティを有さない中身の詰まった棒を含む群の要素である、請求項７に記載の炉心（３５）。
10. 前記フルエンス制御された核燃料集合体が、複数の前記フルエンス制御構造を含み、前記フルエンス制御構造が、複数の遮蔽チャンネル（１１２）、プレートカーテン（１２０）、および複数の遮蔽燃料棒（１１４）のすべてを含む、請求項１に記載の炉心（３５）。
11. 原子炉で用いる、フルエンス制御された核燃料集合体であって、核燃料要素と、前記燃料集合体内にフルエンス制御構造とを備え、前記フルエンス制御構造が、前記集合体の外側で中性子束を制限するために前記集合体の前記核燃料要素の外側に配置され、中性子束を低減する材料のみから製造されている、フルエンス制御された核燃料集合体。
12. 前記フルエンス制御構造が、前記集合体の１つまたは２つの縁にのみ配置されている、請求項１１に記載のフルエンス制御された集合体。
13. 前記材料が、少なくとも２バーンの熱中性子吸収断面を有する、請求項１１に記載のフルエンス制御された集合体。
14. 前記核燃料要素が、燃料棒（１４）であり、前記フルエンス制御構造が、前記燃料集合体の最も外側の横列または縦列に配置された遮蔽棒（１１４）である、請求項１１に記載のフルエンス制御された集合体。
15. 前記遮蔽棒（１１４）が、中身の詰まった棒、中空で空の棒、および照射ターゲットを収容するセグメント化された棒を含む群の要素である、請求項１４に記載のフルエンス制御された集合体。
16. 複数の前記フルエンス制御構造をさらに備え、前記フルエンス制御構造が、複数の前記遮蔽棒（１１４）および前記横列または前記縦列に直接隣接する、前記集合体の面に遮蔽カーテン（１２０）を含む、請求項１４に記載のフルエンス制御された集合体。
17. 前記フルエンス制御構造が、ホウ素、鉄、ハフニウム、ガドリニウム、カドミウム、またはこれらのうちの任意のものの組み合わせを含むチャンネル（１１２）である、請求項１１に記載のフルエンス制御された集合体。
18. 原子炉のための炉心（３５）であって、複数の核燃料集合体と、前記炉心（３５）の縁に配置された、請求項１１に記載のフルエンス制御された核燃料集合体とを備える炉心（３５）。
19. 前記炉心（３５）が、円筒であり、前記フルエンス制御された核燃料集合体が、前記炉心（３５）の最外周部に配置されており、前記フルエンス制御構造が、前記最外周部に配置されている、請求項１８に記載の炉心（３５）。
20. 前記最外周部に配置された複数の前記フルエンス制御された核燃料集合体をさらに備え、前記複数のフルエンス制御された核燃料集合体が、前記複数の核燃料集合体よりも低い反応度の燃料を有する、請求項１９に記載の炉心（３５）。