JP2016224068A - 燃料アッセンブリ - Google Patents

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Abstract

【課題】安全な動作温度を維持しつつ、より高い濃縮度の核分裂性物質を使用することができる核燃料エレメント、アッセンブリを提供する。【解決手段】アッセンブリは、ビレットに焼結され、又は、鋳造され、らせん状で多葉性の形状に共押出される燃料エレメント２０を含む。燃料カーネル１００は、金属燃料物質と金属非燃料物質の金属合金、又は、金属非燃料マトリクスのセラミック燃料であってもよい。燃料アッセンブリは、複数の従来のＵＯ２燃料棒を含んでいてもよい。このＵＯ２燃料棒は、燃料アッセンブリが従来の原子炉で必要とされた空間に準じるのに役に立つ。【選択図】図５

Description

相互参照
本出願は、発明の名称を「金属燃料アッセンブリ」とし、２０１０年５月１１日に出願
された米国特許仮出願第６１／３３３，４６７号、２０１０年１０月１５日に出願された
米国特許仮出願第６１／３９３，４９９号、２０１１年２月２１日に出願された米国特許
仮出願第６１／４４４，９９０号に基づく優先権を主張する。これらの出願は、全体とし
て参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、一般的に、原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリに関連し、より具体
的には金属核燃料エレメントに関連する。
発明が解決しようとする課題
米国特許出願公開第２００９／０２５２２７８号は、シード及びブランケットのサブア
ッセンブリを含む燃料アッセンブリを開示しており，その全内容は参照により本明細書に
組み込まれる。ブランケットサブアッセンブリは、トリウムがベースの燃料エレメントを
含む。シードアッセンブリは、中性子を解放するために用いられるウラン及び／又はプル
トニウムの金属燃料エレメントを含む。中性子は、トリウムブランケットエレメントによ
って捕捉される。それにより、核分裂性のＵ−２３３（ウラン−２３３）を生成する。核
分裂性の Ｕ−２３３は、そのままで燃焼し、原子力発電所のために熱を解放する。
従来の原子力発電所は、典型的には、円筒状管に酸化ウラン燃料を有する複数の燃料棒を
含む燃料アッセンブリを使用する。
従来の燃料棒の円筒状管の表面積は、燃料棒から第１冷却材へ移動することができる熱量
を制限する。熱流束除去用に制限された表面積の観点から燃料棒の過熱を避けるために、
酸化ウラン燃料棒又は混合酸化物（プルトニウム及び酸化ウラン）燃料棒における核分裂
性物質の量は，従来，大きく制限されている。
本発明の単数又は複数の実施形態は、酸化ウラン燃料棒を全ての金属性、多葉性、粉末冶
金共押出の燃料棒（燃料エレメント）で置換することにより、従来の酸化ウラン燃料棒の
様々な問題点を解決する。金属燃料エレメントは、酸化ウラン棒エレメントより非常に大
きな表面積を有しており、したがって、低温で燃料エレメントから第１冷却材への熱の移
動を充分容易にする。多葉性の燃料エレメントのらせん状リブは、燃料エレメントに構造
的なサポートを提供する。燃料エレメントは、これまで必要とされていたスペーサグリッ
ドの量の減少や削除を容易にすることができる。そのようなスペーサグリッドの量の減少
や削除は、冷却材の動水抵抗を減少させる効果があり、冷却材への熱の移動を改善できる
。金属燃料エレメントは、従来の酸化ウラン燃料棒の１つより比較的小型化できるので、
燃料アッセンブリによってさらに大きな空間が冷却材のために提供され、動水抵抗をさら
に減らし、冷却材への熱の移動を改善することができる。金属燃料棒から冷却材への熱の
移動は、同時に、燃料エレメントを、金属と酸化物との高い熱伝導で低動作温度に維持す
ることにより、より大きな熱（すなわち、電力）を発生することが可能であることを意味
する。従来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒は、典型的には、過熱のおそれのせいで、
約４〜５％の核分裂性物質しか搭載できないが、本発明の様々な実施形態による金属燃料
エレメントのより高い熱の移動の特性によって、安全な燃料性能を維持しながら大きな核
分裂性物質を搭載することが可能となる。結局、本発明の単数又は複数の実施形態による
金属燃料エレメントを使用することによって、従来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒を
使用する場合よりも、同じ炉心からより大きな電力を供給することができる。
本発明の単数又は複数の実施形態による全金属燃料エレメントを使用することにより、従
来の酸化ウラン又は混合酸化物燃料棒と同様に金属燃料エレメントが分裂ガス（核分裂ガ
ス）の第１冷却材への解放のリスクを減少させることができるので，燃料破損のリスクを
減少させるという有利な効果を奏する。
本発明の単数又は複数の実施形態による全金属燃料エレメントの使用は、全金属設計は燃
料エレメントにおける熱の移動を増加させるので、燃料エレメントにおける温度のばらつ
き減らし、燃料エレメントの局所化された過熱のリスクを減らし、従来の酸化ウラン燃料
棒より安全なものとできる。
本発明の単数又は複数の実施形態は、原子（力）炉（例えば、地上又は海の原子炉）の炉
心で使用するための燃料アッセンブリを提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構
造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを有するフレームと、フレームに支持
された複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを含む。複数の燃料エレメントのそれぞ
れは、金属燃料物質及び金属非燃料物質を有する金属燃料合金カーネルを含む。燃料物質
は、核分裂性物質を含む。各燃料エレメントは、また、燃料カーネルを囲む被覆材を含む
。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの核分裂性物質全体の
少なくとも７０％を提供する。
本発明の単数又は複数の実施形態は、原子（力）炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
を提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され
た下部ノズルをふくむフレームを含む。アッセンブリは、また、フレームで支持された複
数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメント含む。前記複数の燃料エレメントのそ
れぞれは、金属燃料物資及び金属非燃料物質を含む金属燃料合金カーネルを含む。燃料エ
レメントは、また、燃料カーネルを囲む被覆材を含む。金属燃料エレメントの一領域での
減速材と燃料との比率は２．５以下である。
本発明の単数又は複数の実施形態は、原子（力）炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
の製造方法を提供する。その方法は、粉末金属燃料と粉末金属非燃料を混合し、複数の引
き伸ばされた金属燃料エレメントのそれぞれを製造することを含む。粉末金属燃料物質は
、核分裂性物質を含み、混合された粉末金属燃料と粉末金属非燃料を焼結し、燃料炉心ス
トック（ｆｕｅｌ ｃｏｒｅ ｓｔｏｃｋ）を生成する。その方法は、燃料炉心ストック
を被覆材料で囲み、燃料炉心ストック及び被覆材料を共押出して、燃料エレメントを生成
することを含む。その方法は、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを燃料アッセン
ブリのフレームに搭載することを含む。金属燃料エレメントの一領域での減速材と燃料の
比率は２．５以下であってもよい。その方法は、制御材（ｄｉｓｐｌａｃｅｒ）を含む燃
料炉心ストックを生成するように、前記焼結の前に、混合粉末金属燃料物質及び金属非燃
料物質において制御材を位置合わせすることを含んでいてもよい。燃料アッセンブリは、
地上の原子（力）炉に配置されてもよい。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、
燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総量の少なくとも６０％を提供する。
これら実施形態の単数又は複数によると、被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍ
である。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、地上の原子（力）炉での
動作のため、熱力学的に設計され、物理的に形成される。
単数又は複数の実施形態において、燃料アッセンブリは、原子（力）炉との組み合わせで
使用されてもよい。燃料アッセンブリは、地上の原子（力）炉内に配置される。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数に関して、燃料カー
ネルの燃料物質は、Ｕ−２３５及び／又はＵ−２３３により２０％以下に濃縮され、２０
％〜３０％の燃料カーネルの体積分率を有する、非燃料金属は、７０％〜８０％の燃料カ
ーネルの体積分率を有する。燃料エレメントのうち複数に関して、燃料物質の濃縮は、１
５％〜２０％であってもよい。燃料カーネルの非燃料金属は、ジルコニウムを含んでいて
もよい。
これら実施形態の単数又は複数によると、カーネルは、δ相ＵＺｒ２。（δ−ｐｈａｓｅ
ＵＺｒ２）を含んでいる。
これら実施形態の少なくとも一つにおいては、複数の燃料エレメントに関して、燃料カー
ネルの燃料物質は、プルトニウムを含み、燃料カーネルの非燃料物質（非燃料金属等）は
、ジルコニウムを含み、及び、燃料カーネルの非燃料金属は、７０％〜９７％の燃料カー
ネルの体積分率を含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、
プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み
合わせを含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、冶金により、燃
料カーネルに接着される。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、アルミニウムを
含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、高融点金属を含
む。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数の被覆材は、ジルコ
ニウムを含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料エレメントのうち複数は、燃料カーネルと
被覆材の共押出により製造される。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリ、その少なくとも１つの燃料
エレメント及び／又は少なくとも１つの燃料カーネルは、可燃性中性子吸収物質を含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、
燃料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも８０％の量を提供する。
これら実施形態の単数又は複数によると、地上の原子（力）炉は、２０１０年以前に使用
された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備える。フレームは、炉のための酸化ウラ
ン燃料アッセンブリに代わる地上の原子（力）炉に適合するように形成及び構成される。
これら実施形態の単数又は複数によると、単数又は複数の燃料エレメントは、らせん状に
捻じられ、複数のらせん状リブを規定する多葉性の輪郭（ｐｒｏｆｉｌｅ）を有する。隣
接する複数の燃料エレメントのスペーサーリブは、燃料エレメントの軸の長さにわたって
、相互に周期的に接触する。この接触により、燃料エレメント間の空間を維持するのを助
ける。燃料アッセンブリは、少なくとも２．５又は２．５以下の減速材と燃料の比率を有
していてもよい。多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有していてもよい。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の金属燃料エレメントの各金属燃料合金カ
ーネルは、燃料物質と金属非燃料物質の焼結により形成される。
これら実施形態の単数又は複数によると、多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉
の間の交差部を含む。被覆材は、交差部において、頂点より厚い。
本発明の単数又は複数の実施形態は、地上の原子（力）炉の炉心で使用される燃料アッセ
ンブリの製造方法を提供する。この方法は、粉末金属燃料を粉末金属非燃料物質と混合す
ることにより、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントのそれぞれを製造する工程を含
む。粉末金属燃料物質は、核分裂性物質を含む。引き伸ばされた金属燃料エレメントを製
造する工程は、混合された粉末金属燃料と金属非燃料物質を焼結して燃料炉心ストックを
生成する工程、燃料炉心ストックを被覆材料で囲む工程、及び燃料炉心ストック及び被覆
材料を共押出して燃料エレメントを生成する工程を含む。この方法は、また、複数の引き
伸ばされた金属燃料エレメントを、地上の原子（力）炉に搭載するように形成され構成さ
れた下部ノズルを備える燃料アッセンブリのフレームに搭載する工程を含む。複数の引き
伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも７０
％の量を提供する。燃料アッセンブリは、地上の原子（力）炉での動作のため、熱力学的
に設計され、物理的に形成される。
これら実施形態の単数又は複数によると、この方法は、前記焼結の前に、混合粉末金属燃
料物質及び金属非燃料物質において減速材調整装を位置合わせして制御材を含む燃料炉心
ストックを生成する工程も含む。
これら実施形態の単数又は複数によると、この方法は、燃料アッセンブリを原子（力）炉
に配置する工程も含む。
本発明の単数又は複数の実施形態は、加圧重水炉及び加圧重水炉に配置された燃料アッセ
ンブリを含む原子炉を提供する。燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸ば
された金属燃料エレメントを含む。複数の燃料エレメントのそれぞれが、金属燃料物質及
び金属非燃料物質を含む粉末冶金金属燃料合金カーネルを含む。各燃料エレメントは、ま
た、燃料カーネルを囲む被覆材を含む。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃
料アッセンブリの全核分裂性物質の少なくとも７０％の量を提供する。燃料エレメントの
それぞれは、らせん状に捻じれ、複数のらせん状のスペーサーリブを規定する多葉性の輪
郭を有していてもよい。
本発明の単数又は複数の実施形態は、加圧重水炉、及び加圧重水炉に配置される燃料アッ
センブリを含む原子炉を提供する。燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸
ばされた金属
燃料エレメントを含み、前記複数の燃料エレメントは、金属燃料物質及び金属非燃料物質
、核分裂性物質を備える燃料物質、及び燃料カーネルを囲む被覆材を備える金属燃料合金
カーネルを含む。金属燃料エレメントの一領域での減速材と燃料の比率は２．５以下であ
ってもよい。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、また、フレームによって
支持された複数のＵＯ２燃料エレメント（酸化ウラン燃料エレメント）を含む。前記複数
のＵＯ２燃料エレメントのそれぞれは、ＵＯ２燃料を含む。少なくとも複数の引き伸ばさ
れたＵＯ２燃料エレメントのいくつかは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントから
横方向に外側に配置されてもよい。ＵＯ２燃料は、Ｕ−２３５で、１５％未満に濃縮され
ていてもよい。
これら実施形態の単数又は複数によると、炉心隔壁は、複数の引き伸ばされたＵＯ２燃料
エレメントを通過する冷却材の流れを、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを通過
する冷却材の流れから分離する。
本発明の単数又は複数の実施形態は、原子（力）炉の炉心で使用される燃料アッセンブリ
を提供する。アッセンブリは、原子炉の内部炉心構造に搭載されるように形成、構成され
た下部ノズルを備えるフレームを含む。アッセンブリは、フレームによって支持された複
数の引き伸ばされ、押出された金属燃料エレメント含む。前記複数の燃料エレメントのそ
れぞれは、金属燃料物質及び金属非燃料物質を備える金属燃料合金カーネルを含む。燃料
物質は、核分裂性物質及び燃料カーネルを囲む被覆材を含む。アッセンブリは、フレーム
に支持された複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを含む。燃料アッセンブリの断
面図に見られるように、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ば
され、押出された金属燃料エレメントを囲む単一燃料エレメント幅のリングに配置されて
もよい。複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントは、燃料アッセンブリの全燃料エレメ
ントの総量の少なくとも６０％を提供する。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは
、それぞれ、ペレット化されたＵＯ２燃料を内部に備える中空棒を備える。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを
支持する燃料アッセンブリの一部は、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメン
トを支持する燃料アッセンブリの一部から分離できない。
これら実施形態の単数又は複数によると、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは
、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントから、ユニットとして分離不能で
ある。
これら実施形態の単数又は複数によると、燃料アッセンブリは、１７×１７のパターンの
位置を規定する複数の引き伸ばされ、押し出された 金属燃料エレメントのそれぞれは、
前記パターンの１つに配置され、複数の引き伸ばされ、押し出された金属燃料エレメント
は、１７×１７のパターンの周囲には配置されず、複数の追加の引き伸ばされた燃料エレ
メントのそれぞれは、１７×１７のパターンの周囲の異なる位置に配置される。
上記実施形態のうち単数又は複数によると、カーネルは、金属燃料物質の代わりに、セラ
ミック燃料物質を備えていてもよい。そのような単数又は複数の実施形態において、燃料
物質は、金属非燃料物質の行列に配置されるセラミック燃料物質を備える。逆に、単数又
は複数の金属燃料の実施形態において、複数の引き伸ばされ、押し出された 燃料エレメ
ントは、複数の引き伸ばされ、押し出された金属燃料エレメントを備え、金属物質は、金
属燃料物質を備え、燃料カーネルは、金属燃料物質の合金及び金属非燃料物質のマトリク
ス（行列）を備える金属燃料合金カーネルを備える。
本発明の種々の実施形態の上記及び上記以外の目的、構造の関連エレメントの動作方法及
び機能、各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説
明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれ
も本明細書の一部を構成する。ここで、同様の参照符号は種々の図における対応する部分
を表している。本発明の一実施形態において、本明細書に記載された構造成分は、正寸で
描かれた。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義と
して用いることは意図されていない。さらに、本明細書の実施形態のいずれかで示され又
は表された構造特徴は、その他の実施形態においても適用することができる。本明細書及
び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」には
複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によってそうでないことが明白である場合
はこの限りではない。
添付の図面と共に詳細な説明を参照することにより、本発明の実施形態とその他の目的及
びさらなる特徴を理解することができる。
本発明の一実施形態による燃料アッセンブリの自己空間平面（ｓｅｌｆ−ｓｐａｃｉｎｇ ｐｌａｎｅ）で切断する断面図である。
図１の燃料アッセンブリの図１の視点から燃料エレメントのねじれの１／８だけ切断面を移動させた断面図である。
図１の燃料アッセンブリの軸方向に平行な面で切断した断面図である。
図１の燃料アッセンブリの燃料エレメントの斜視図である。
図３の燃料エレメントの断面図である。
正多角形に外接した図３の燃料エレメントの断面図である。
別の実施形態による加圧重水炉で使用される燃料アッセンブリの端面図である。
図７Ａの燃料アッセンブリの部分側面図である。
図７Ａ及び７Ｂに示された燃料アッセンブリを使用する加圧重水炉の略図である。
図３の燃料エレメントの断面図である。
本発明の一実施形態による燃料アッセンブリの断面図である。
図１〜３は、本発明の一実施形態による燃料アッセンブリ１０を示す。図２に示すように
、燃料アッセンブリ１０は、フレーム２５によって支持される複数の燃料エレメント２０
を備えている。
図３に示されるように、フレーム２５は、炉心隔壁３０、ガイド管４０、上部ノズル５０
、下部ノズル６０、下部タイプレート７０、上部タイプレート８０及び／又はアッセンブ
リ１０が原子炉において燃料アッセンブリとして動作可能となるようなその他の構造を備
えている。種々の実施形態においては，フレーム２５のこれらの構成要素うち単数又は複
数を、本発明の範囲から外れることなく省略できる。
図３に示すように、炉心隔壁３０は、上部ノズル５０及び下部ノズル６０が搭載される。
下部ノズル６０（又は，アッセンブリ１０のその他の適切な構造）は、アッセンブリ１０
及び炉９０の間に流体連結インターフェースを提供するように構築及び形成される。流体
連結インターフェースにはアッセンブリ１０が配置され、冷却材がアッセンブリ１０を介
し下部ノズル６０を通って炉心に流れ込むようになっている。上部ノズル５０は、加熱さ
れた冷却材がアッセンブリ１０から発電所の（ＰＷＲ（加圧水型原子炉）の）蒸気発生器
、（ＢＷＲ（沸騰水型原子炉）の）タービン等に流れるのを可能にする。ノズル５０、６
０は、炉心内部構造に適切に結合するように特に設計された形状である。
図３に示されるように、下部タイプレート７０及び上部タイプレート８０は、好ましくは
、しっかりと（例えば、溶接、ボルト、ネジ等の適切な留め具によって）、炉心隔壁３０
又は下部ノズル６０に（及び／又はアッセンブリ１０のその他の適切な構造物に）搭載さ
れている。
エレメント２０の軸方向の下端は、エレメント２０を支持し、エレメント２０間のスペー
スを維持できるように、下部タイプレート７０の孔７０ａに適合するピン２０ａを形成す
る。ピン２０ａは、エレメント２０がその軸周りで回転するのを防ぐ態様で、又は，下部
タイプレート７０に対して軸方向に動くのを防ぐような態様で，孔７０ａに搭載される。
このような回転の規制は、隣接するエレメント２０の全ての接触点がエレメント２０に沿
って同じ軸上の位置で（例えば、後述する自己空間面において）確実に発生するのを助け
る。ピン２０ａと孔７０ａの結合は、溶接、相互作用適合（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ
ｆｉｔ）、回転を防止する非円筒状の特徴の一致（例えば、鍵穴及びスプライン（ｓｐｌ
ｉｎｅ））、及び／又は前記以外のエレメント２０の下部タイプレート７０に対する軸方
向及び／又は回転方向の動きを規制する任意の機構によって実現することができる。下部
タイプレート７０は、軸方向に伸びるチャネル（例えば、開口グリッド（ａ ｇｒｉｄ
ｏｆ ｏｐｅｎｉｎｇｓ））を含む。冷却材は、このチャネルを通り、エレメント２０に
流れる。
エレメント２０の軸方向の上端は、エレメント２０間の空間の維持を助けつつ、上部ピン
２０ａが、上部タイプレート８０に対して、自由に軸方向上方に移動できるように、自由
に上部タイプレート８０の孔８０ａに嵌るピン２０ａを形成する。その結果、エレメント
２０は、核分裂時、軸方向に成長し、引き伸ばされたエレメント２０は、自由に上部タイ
プレート８０内に伸びることができる。
図４に示されるように、ピン７０ａは、エレメント２０の中心部に遷移する。
図４及び５は、アッセンブリ１０の個々の燃料エレメント／棒２０を示す。図５に示され
るように、燃料エレメント２０の引き伸ばされた中心部は、４つの分葉を持つ断面となる
。エレメント２０の断面は、実質的に、エレメント２０の長さ全体で、均一のままである
。各燃料エレメント２０は、燃料カーネル１００を有する。燃料カーネル１００は、高融
点金属及び核分裂性物質を含む燃料物質を含む。
高融点金属を備える制御材１１０は、燃料カーネル１００の中心の長さ方向の軸に沿って
配置される。制御材１１０は、制御材１１０を設けない場合にかかる空間を占めることに
なる核分裂性物質を除去することによって，燃料エレメント２０の最も肉厚な部分の中心
の温度を制限し，燃料エレメントの表面に沿った熱流束のばらつきを最小化する助けとな
る。種々の実施形態においては、制御材１１０を完全に除去してもよい。
図５に示されるように、燃料カーネル１００は、高融点金属被覆材１２０によって囲まれ
る。被覆材１２０は、好ましくは、カーネル１００の放射線誘導性の膨張に、欠陥なく（
カーネル１００を被覆材１２０の外部環境に露出することなく）耐えることができるほど
厚く、強く、柔軟である。単数又は複数の実施形態において、被覆材１２０全体は、少な
くとも０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、及び／又は０．７ｍｍの厚さである。単数
又は複数の実施形態において、膨張による欠陥、酸化による欠陥、及び／又は前記以外の
被覆材１２０の欠陥メカニズムの可能性を減らすため、被覆材１２０の厚みは、少なくと
も０．４ｍｍである。
被覆材１２０は、（図４に示されるように）カーネル１００の軸方向／長さ方向の長さに
わたって、環方向に（すなわち、図５の断面図に示されるように、被覆材１２０の周囲に
）実質的に均一な厚みを有していてもよい。また、図５に示されるように、単数又は複数
の実施形態において、被覆材１２０は、分葉２０ｂ間の凹交差部／領域２０ｃより、分葉
２０ｂの頂点において厚い。例えば、単数又は複数の実施形態において、分葉２０ｂの頂
点の被覆材１２０は、凹交差部／領域２０ｃの被覆材１２０より、少なくとも１０％、２
０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、１２５％
、及び／又
は１５０％厚い。分葉２０ｂの頂点の被覆材１２０をより厚くすることにより、分葉２０
ｂの頂点の摩擦抵抗を改良することができる。ここで、隣接する燃料エレメント２０は、
後述する自己空間平面で互いに接触する。
本発明の単数又は複数の実施形態において、制御材１１０で使用される高融点金属、燃料
カーネル１００、及び被覆材１２０は、ジルコニウムを有する。本明細書で使用されるよ
うに、ジルコニウムという用語は、純ジルコニウム又はその他の合金物質と組み合わせた
ジルコニウムを意味する。しかしながら、本発明の範囲から外れることなく、その他の高
融点金属（例えば、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、チタニウ
ム、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム）を、ジルコニウムの
代わりに使用することができる。ここで使用されるように、「高融点金属」の用語は、金
属／合金のいずれかであって、１８００℃（２０７３Ｋ）より大きな融点を有しているこ
とを意味する。
さらに、ある実施形態においては、高融点金属は、アルミニウム等の前記以外の非燃料
金属とともに配置されていてもよい。しかしながら、非耐熱性の非燃料金属の使用は、低
温で動作する炉心（例えば、約１メートルの高さで、１００ＭＷｅ以下の小さな炉心）に
最も適している。高融点金属は、より高い動作温度で使用されることが好ましい。
図５に示されるように、燃料カーネル１００及び被覆材１２０の中心部は、らせん状の
スペーサーリブ１３０の四分葉の輪郭である。制御材１１０は、リブ１３０で外方に突出
するように形成されてもよい（例えば、四角形の制御材１１０の角がリブ１３０と一致す
るように形成される）。燃料エレメント２０は、本発明の別の実施形態において、本発明
の範囲から外れることなく、これより多い数の又はより少ない数のリブ１３０を持ってい
てもよい。例えば、米国特許出願公開第２００９／０２５２２７８号公報の図５において
一般的に示されるように、燃料エレメントは、好ましくは相互に等しく周辺に間隔をあけ
た３つのリブ／分葉を持っていてもよい。分葉／リブ１３０の数は、少なくとも部分的に
、燃料アッセンブリ１０の形状に依存する。例えば、四分葉エレメント２０は、（例えば
、ＡＰ−１０００で使用されえるように）四角の断面形状の燃料アッセンブリ１０とよく
適合する（ｗｏｒｋ ｗｅｌｌ ｗｉｔｈ）。これに対し、三分葉の燃料エレメントは、
（例えば、ＶＶＥＲで使用されるように）六角形の燃料アッセンブリとよく適合する。
図９は、単数又は複数の実施形態による燃料エレメント２０の各部の寸法を示す。単数
又は複数の実施形態において、後述のテーブルで特定される大きさ、パラメータ、及び／
又は範囲は、いずれも、本発明の範囲から外れることなく、５％、１０％、１５％、２０
％、２５％、３０％、４０％又は５０％以上増加又は減少することができる。
Figure 2016224068
図４に示されるように、制御材１１０は、リブ１３０と位置合わせされる四角形の角を
有する真四角形の断面形状である。制御材１１０は、リブ１３０のらせん状に続くように
、燃料カーネル１００の軸の長さに沿って、リブ１３０と位置合わせされながら、らせん
状を形成する。リブ１３０が多い又は少ない別の実施形態において、制御材１１０は、好
ましくは、エレメント２０のリブに応じた辺を有する正多角形の形状を有する。
図６に示されるように、エレメント２０の中央部の断面積は、好ましくは、実質的に、
四角形２００の面積より小さい。四角形２００の一辺は、各リブ１３０の頂点の接線であ
る。より包括的に説明すると、リブを有するエレメント２０の断面積は、好ましくはｎ個
の辺を有する正多角形の面積より小さい。ここで、各リブ１３０の頂点に、正多角形は接
線となる。種々の実施形態において、エレメント２０の面積と四角形（又は、４つのリブ
１３０よりも多くの又は少ない数のリブを有するエレメント２０の関連する正多角形）の
面積との比率は、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３５、０．３である。図１に示
されるように、この面積比率は、炉心隔壁３０の利用可能なスペースが、燃料エレメント
２０によってどれだけ占められるかを概算する。より低い面積比率は、冷却材がより大き
な空間で利用可能であることを意味する。冷却材は、中性子減速材として動作し、減速材
と燃料の比率（中性子に重要）は、水力学的抵抗（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｒａｇ）を減
らし、エレメント２０から冷却材への熱の移動を増加させる。種々の実施形態において、
結果として生じる減速材と燃料の比率は、（従来の、円筒状の酸化ウラン棒が使用される
ときの１．９６に対して）少なくとも、２．０、２．２５、２．５、２．７５、及び／又
は３．０である。同様に、種々の実施形態において、燃料アッセンブリ１０の流量範囲は
、円筒状の酸化ウラン棒を使用する単数又は複数の従来の燃料アッセンブリの使用に対し
て、１６％大きく増加する。増加した流量範囲は、アッセンブリ１０を通じて、（従来の
酸化ウランアッセンブりに比較して）冷却材の圧力の低下を減らすことができる。これは
、冷却材をアッセンブリ１０を通じてくみ上げることに関して利点を有する。
図４に示されるように、エレメント２０は軸方向に引き伸ばされる。実施形態に示され
るように、各エレメント２０は、全長（ｆｕｌｌ−ｌｅｎｇｔｈ）のエレメントであり、
下部タイプレート７０は、アッセンブリ１０の底部又はその周辺からアッセンブリ１０の
又はその周辺の上部タイプレート８０への全長に亘って伸びる。種々の実施形態又は原子
炉の設計において、このことは、どこにおいても１ｍ（小さな原子炉））から４ｍ以上の
長さのエレメント２０を生じる。したがって、典型的な原子炉では、エレメント２０は、
１〜５ｍの長さである。しかしながら、エレメント２０は、本発明の範囲から外れること
なく、その他の大きさの原子炉に対応するように長くし又は短くすることができる。
このエレメント２０は全長であり、エレメント２０は、また、複数の区画で全長エレメ
ントをなすように、区画されていてもよい。例えば、４つの１ｍのエレメント区画２０は
、有効に全長エレメントを生成するように端から端まで位置合わせされていてもよい。追
加タイプレート７０、８０は、軸方向の空間を維持する区画と区画の配置の交差部におい
て提供される。
単数又は複数の実施形態において、燃料カーネル１００は、高融点金属／合金と燃料物
質の組み合わせを備える。高融点金属／合金は、ジルコニウム合金を備えていてもよい。
燃料物質は、低濃縮ウラン（例えば、Ｕ−２３５（ウラン−２３５）、Ｕ−２３３）、プ
ルトニウム、又は後述のような低濃縮ウランと組み合わされたトリウム及び／又はプルト
ニウムを備えていてもよい。ここで使用されるように、「低濃縮ウラン」という用語は、
２０％未満の重量の核分裂性物質（例えば、Ｕ−２３５又はＵ−２３３）を含む全燃料物
質を意味する。種々の実施形態において実施形態において、ウラン燃料物質は、Ｕ−２３
５の重量において、１％と２０％の間、５％と２０％の間、１０％と２０％の間、及び／
又は１５％と２０％の間の濃縮である。単数又は複数の実施形態において実施形態におい
て、燃料物質は、１９．７％に濃縮されたＵ−２３５を備える。
種々の実施形態において実施形態において、燃料物質は、体積分率が３〜１０％、１０
〜４０％、１５〜３５％、及び／又は２０〜３０％の燃料カーネル１００を備えていても
よい。種々の実施形態において、高融点金属は、６０〜９９％、６０〜９７％、７０〜９
７％、６０〜９０％、６５〜８５％、及び／又は７０〜８０％の体積分率の燃料カーネル
１００を備えていてもよい。単数又は複数の実施形態において、体積分率がこれらの範囲
の少なくとも一つ内にある場合に、特定の合金の構造の物質相ダイアフラムで定義される
有利な特性を有する合金が提供される。燃料カーネル１００は、δ相ＵＺｒ２又はδ相Ｕ
Ｚｒ２とａ相Ｚｒの組み合わせを備える、高合金燃料であるＺｒ−Ｕ合金（すなわち、ウ
ラン成分より比較的高濃度の合金成分）を備えていてもよい。単数又は複数の実施形態に
おいて、Ｕ−Ｚｒの二元合金系のδ相は、燃料カーネル１００の約６５−８１体積％のジ
ルコニウム成分（約６３〜８０原子百分率）の範囲であってもよい。これらの実施形態の
単数又は複数においては、燃料エレメント２０が低体積で（ｌｏｗ ｖｏｌｕｍｅｔｒｉ
ｃ）、その燃料エレメント２０に対して放射線照射によって膨張が引き起こされる。単数
又は複数のそのような実施形態において、分裂ガスは、金属カーネル１００に取り込まれ
る。燃料エレメント２０の単数又は複数の実施形態は、従来の燃料エレメント２０からの
ガスギャップを省略できる。単数又は複数の実施形態において、低合金（ａ相のみの）構
造が用いられた場合、そのような膨張が発生することは少ない（例えば、低合金ａ相Ｕ−
１０Ｚｒ燃料が用いられた場合、単位原子百分率の燃焼度ごとに少なくとも１０％、２０
％、３０％、５０％、７５％、１００％、２００％、３００％、５００％、１０００％、
１２００％、１５００％、又はこれ以上の体積百分率の減少となる）。本発明の単数又は
複数の実施形態において、燃料エレメント２０又はカーネル１００の放射線照射による膨
張は、単位原子百分率の燃焼度あたり，２０体積％、１５体積％、１０体積％、５体積％
、４体積％、３体積％、及び／又は２体積％未満である。単数又は複数の実施形態におい
て、膨張は，単位原子百分率の燃焼度ごとに体積％で１程度であることが期待される。
単数又は複数の本発明の別の実施形態において、燃料カーネルは、上述のＵ−Ｚｒ燃料
カーネル１００と同じ又は類似の体積％のプルトニウム−ジルコニウム二元合金、又は、
上述のＵ−Ｚｒ燃料カーネル１００とは異なる体積％のものに置き換えられる。例えば、
カーネル１００におけるプルトニウム分率は、実質的に、対応するウランベースカーネル
１００における対応するウラン分率より小さくてもよい。なぜなら、プルトニウムは、典
型的に、核分裂同位体（ｆｉｓｓｉｌｅ ｉｓｏｔｏｐｅｓ）の約６０〜７０％の重量分
率を有しており、ＬＥＵウランは、核分裂性Ｕ−２３５同位体の２０％以下の重量分率を
有しているからである。種々の実施形態において、カーネル１００におけるプルトニウム
体積分率は、隣接する高融点金属の体積分率で１５％、１０％及び／又は５％未満であっ
てもよい。
本発明の単数又は複数の実施形態による高合金カーネル１００の使用は、放射線照射時
の分裂ガスの有利な残留（ａｄｖａｎｔａｇｅｏｕｓ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ）になること
がある。酸化燃料及び低合金金属燃料は、典型的に、充分な分裂ガスを放出するが，この
ガスの放出は、通常は燃料棒のプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）に放出された分裂ガスを含有さ
せることにより，で燃料構造によって調整される。これとは対照的に，本発明の単数又は
複数の実施形態による燃料カーネル１００は、分裂ガスを開放しない。これは、燃料カー
ネル１００の低動作温度，及び，分裂ガス原子（特に、Ｘｅ及びＫｒ）が固体核分裂性物
のように振舞うという事実に少なくとも部分的に基づくものである。単数又は複数の実施
形態において、分裂ガスの気泡形成及び粒子境界に沿った燃料カーネル１００外への移動
は起きない。単数又は複数の実施形態において、充分に高い温度で、小さな（数ミクロン
の径の）分裂ガスの気泡が形成される。しかしながら、本発明の単数又は複数の実施形態
において、これらの気泡は、燃料カーネル１００内に隔離されており、分裂ガスの開放を
容易にする相互接続したネットワークを形成しない。燃料カーネル１００と被覆材１２０
の冶金による接着は、分裂ガス開放の追加の障壁を提供する。
種々の実施形態において、単数又は複数の燃料エレメント２０の燃料カーネル１００（
又は、被覆材１２０又は、燃料エレメント２０のその他の適切な部分）は、ガドリニウム
、ホウ素、エルビウム、その他の適切な中性子吸収物質のような可燃性中性子吸収物質と
合金化され、統合可燃性中性子吸収物質燃料エレメントを形成する。燃料アッセンブリ１
０の異なる燃料エレメント２０は異なる可燃性中性子吸収物質及び／又は異なる量の可燃
性中性子吸収物質を利用する。例えば、燃料アッセンブリ１０の燃料エレメント２０の一
部（例えば、７５％未満、５０％未満、２０％未満、１〜１５％、１〜１２％、２〜１２
％等）は、２５、２０、及び／又は１５重量％以下（例えば、１〜２５重量％、１〜１５
重量％、５〜１５重量％等）のＧｄを有するカーネル１００を含む。燃料アッセンブリ１
０のその他の燃料エレメント２０（例えば、１０〜９５％、１０〜５０％、２０〜５０％
、Ｇｄを利用する燃料エレメントより多くの燃料エレメント２０）は、１０又は５重量％
以下（０．１〜１０．０重量％、０．１〜５．０重量％等）のＥｒを有するカーネル１０
０を含む。
種々の実施形態において、カーネル１００で可燃性中性子吸収物質を含まない燃料エレ
メント２０に対して、可燃性中性子吸収物質は（高融点金属よりむしろ）燃料物質を置換
する。例えば、カーネル１００が６５体積％のジルコニウム及び３５体積％のウランを含
み、可燃性中性子吸収物質を含まない燃料エレメント２０の実施形態において、燃料エレ
メント２０は、１６．５体積％のＧｄ、６５体積％のジルコニウム、及び１８．５体積％
のウランを含むカーネル１００を含む。単数又は複数のその他の実施形態において、可燃
性中性子吸収物質は、燃料物質よりも高融点金属を置換する。単数又は複数のその他の実
施形態において、燃料カーネル１００の可燃性中性子吸収物質は、高融点金属及び燃料物
質をその割合に応じて置換する。したがって、これらの種々の実施形態において、燃料カ
ーネル１００の可燃性中性子吸収物質は、可燃性中性子吸収物質の存在によってこれらの
物質が配置されたＵＺｒ２合金又はＺｒ合金の相を変化させないように、δ相のＵＺｒ２
又はａ相のＺｒのなかに配置されていてもよい。
可燃性中性子吸収物質を有するカーネル１００を有する燃料エレメント２０は、炉心で
使用される単数又は複数の燃料アッセンブリ１０燃料エレメント２０の一部をなす（例え
ば、０〜１００％、１〜９９％、１−５０％等）。例えば，可燃性中性子吸収物質を有す
る燃料エレメント２０は、動作サイクルの早い段階で、電力分配制御を提供するため、及
び、溶解ホウ素濃度を減らすため、可燃性中性子吸収物質を有さない燃料エレメント２０
を含むアッセンブリ１０の燃料アッセンブリ格子内の適した場所に配置されていてもよい
。同様に、可燃性中性子吸収物質を有する燃料エレメント２０を含む選択燃料アッセンブ
リ１０は、動作サイクルの早い段階で、電力分配制御を提供するため、及び、溶解ホウ素
濃度を減らすため、可燃性中性子吸収物質を有する燃料エレメント２０を含まないアッセ
ンブリ１０に対して、炉心の最適な場所に配置されていてもよい。かかる統合可燃性吸収
体を使用することによって、動作寿命を容易に延長することができるようになる。
追加的に及び／又は代替的に、可燃性中性子吸収物質棒を有する分離非燃料は、（例え
ば、燃料エレメント２０に隣接し、単数又は複数の燃料エレメント２０に代わり、制御棒
を受け付けない燃料アッセンブリ１０のガイド管に挿入され）、燃料アッセンブリ１０に
含まれていてもよい。単数又は複数の実施形態において、そのような非燃料可燃性中性子
吸収物質棒は、バブコックアンドウィルコックス（Ｂａｂｃｏｃｋ ａｎｄ Ｗｉｌｃｏ
ｘ）又はウェスティングハウス（Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ）が設計した炉で使用される
ものに類似するスパイダーアッセンブリの形状に構成することができる（可燃性中性子吸
収物質棒アッセンブリ（ＢＰＲＡ）という）。これらは、制御棒ガイド管に挿入され、選
択燃料アッセンブリ１０に固定される。ここで、反応制御の動作の最初のサイクルのため
の制御バンク（ｂａｎｋｓ）は存在しない。可燃性中性子吸収物質群が使用される場合、
燃料アッセンブリが次の燃料サイクルに再配置されると、可燃性中性子吸収物質群は取り
除かれる。可燃性中性子吸収物質棒を有する分離非燃料が単数又は複数の燃料エレメント
２０の代わりに配置される別の実施形態において、非燃料可燃性中性子吸収物質棒は、燃
料アッセンブリ１０内に残り、燃料アッセンブリ１０が利用不能となると、その他の燃料
エレメント２０とともに排出される。
燃料エレメント２０は、粉末冶金共押出を通じて製造される。典型的に、燃料カーネル
１００の粉末高融点金属及び粉末金属燃料物質（カーネル１００に含まれる場合は、粉末
可燃性中性子吸収物質であってもよい）は混合され、制御材１１０の空白は、粉末の混合
内に配置され、粉末と制御材１１０の組み合わせは、（例えば、混合を焼結するために種
々の時間間隔で様々な温度に加熱された型のなかで）燃料炉心ストック／ビレット（ｂｉ
ｌｌｅｔ）に押圧され、焼結される。制御材１１０の空白は、最終的に形成される制御材
１１０と同じ又は類似の断面形状を有していてもよい。また、制御材１１０の空白は、押
出により、制御材１１０の意図される断面形状に変形するように設計された形状を有して
いてもよい。（制御材１１０及び焼結燃料カーネル１００物質を含む）燃料炉心ストック
は、封止された管基部を有し、開口した他端部を有する中空被覆材１２０管に挿入される
。他端部の開口は、ビレットを形成するために、被覆材と同じ物質で製造された端部プラ
グによって封止される。ビレットは、円筒状に形成されてもよく、例えば、図５及び図９
に示されるように、エレメント２０の最終的な断面積により近い形状に形成されてもよい
。ビレットは、最終的に形成されるカーネル１００、被覆材１１０、及び制御材１２０を
含み、エレメント２０を製造するためにセットされた型により、温度及び圧力のもと共押
出される。非円筒状の制御材１１０を利用する種々の実施形態において、ビレットは、制
御材１１０の角が燃料エレメント２０の分葉２０ｂと一致するように、押出プレス型に対
して適切に方向付けられてもよい。押出処理は、直接押出（すなわち、固定型を通じてビ
レットを動かす）又は非直接押出（すなわち、固定ビレットに対して、型を動かす）のど
ちらかで実行される。この処理により、燃料カーネル１００と冶金接着された被覆材１２
０が得られる。この被覆材１２０は、燃料カーネル１００からの被覆材１２０の剥離のリ
スクを減らす。被覆材１２０の管と端部プラグは互いに冶金接着され、被覆材１２０の燃
料カーネル１００を封止する。高融点金属の高い融点は、粉末冶金をこれら金属から加工
エレメントを選択する方法とすることを意図する燃料エレメント１０で使用される。
単数又は複数の別の実施形態において、燃料エレメント２０の燃料炉心ストックは、焼
結の代わりに、鋳造によっても製造できる。粉末の又は一体の（ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ）
高融点金属及び粉末の又は一体の燃料物質（カーネル１００に含まれる場合は、粉末可燃
性中性子吸収物質であってもよい）は混合され、型に鋳造される。型は、鋳造カーネル１
００に制御材−空白−形成ボイドを生成する。制御材１１０の空白が、カーネル１００が
鋳造されたあとに、押し出されるビレットを形成するように被覆材１２０が追加されるの
と同様に、挿入される。燃料エレメント２０を製造する残りのステップは、鋳造の代わり
に焼結を利用する上述の実施形態と同じ又は類似のままでよい。後に続く押出により、制
御材１１０とカーネル１００の間及びカーネル１００と被覆材１２０の間の冶金接着が得
られる。
単数又は複数の別の実施形態において、燃料エレメント２０は、粉末金属燃料物質の代
わりに、粉末セラミック燃料物質を利用して製造される。残りの製造ステップは粉末金属
燃料物質を用いる実施形態に関する上述のものと同じであってよい。種々の金属燃料の実
施形態及びセラミック燃料の実施形態において、製造プロセスにより、金属非燃料物質の
マトリクスに配置された燃料物質を備える燃料カーネル１００を得ることができる。単数
又は複数の金属燃料の実施形態において、結果物である燃料カーネル１００は、金属燃料
物質の合金及び金属非燃料物質のマトリクス（例えば、ウラン−ジルコニウム合金）を備
える金属燃料合金カーネルを備える。単数又は複数のセラミック燃料の実施形態において
、カーネル１００は、金属非燃料物質のマトリクスに（例えば、全体に分散され）配置さ
れる燃料物質を備える。種々の実施形態において、製造プロセスで使用されるセラミック
燃料物質は、粉末ウラン又は酸化プルトニウム、粉末ウラン又は窒化プルトニウム、粉末
ウラン又は炭化ルトニウム、粉末ウラン又は水素化プルトニウム、又はそれらの組み合わ
せを備えていてもよい。管にＵＯ２ペレットが配置される従来のＵＯ２燃料エレメントに
対して、本発明の単数又は複数の実施形態による製造方法により、非燃料物質の固体マト
リクス（例えば、ジルコニウムマトリクス）に配置されるセラミック燃料を得ることがで
きる。
図４に示すように、らせん状リブ１３０の軸方向のコイルピッチは、燃料エレメント断
面における対角距離に等しい間隔で配置された近接する燃料エレメント１０の軸の配置の
状態に応じて選択され、燃料エレメントの長さの５％から２０％である。一実施形態にお
いて、ピッチ（すなわち、分葉／リブが一回りする軸方向の長さ）は、約２１．５ｃｍで
あり、エレメント２０の全活動長さは、約４２０ｃｍである。図３に示されるように、底
部で下部タイプレート７０によって、頂部で上部タイプレート８０によって、及び炉心の
高さに対して、炉心隔壁３０によって、燃料エレメント１０は、縦方向の配置の安定性が
提供される。図１に示されるように、燃料エレメント１０は、隣接するいずれか２つの燃
料エレメント１０が、少なくとも燃料エレメントの束のひとつの断面で、２つの隣接する
燃料エレメント１０の軸を通過する対称な共通の面を有するように周方向の向きを有して
いる。
図１に示されるように、燃料エレメント２０のらせん状の捻じれは、その向きとともに
、単数又は複数の自己空間を確保する。図１に示されるように、そのような自己空間平面
において、隣接するエレメント２０のリブは、相互に接触して、エレメント２０間に適切
な空間を確保する。したがって、エレメント２０の中心間の空間は、各エレメント２０の
角間の幅とほぼ同じとなる（図５で示されたエレメントでは、１２．６ｍｍである）。各
燃料エレメント２０の分葉２０ｂの数と、燃料エレメント２０のそれぞれの幾何学的配置
によって、全ての隣接する燃料エレメント２０又は隣接する燃料エレメント２０の一部だ
けが、接触することとなる。例えば、四分葉の実施形態に示されるように、各燃料エレメ
ント２０は、各自己空間平面において、４つの全ての燃料エレメント２０と接触する。し
かしながら、燃料エレメントが、亀甲に配列される三分葉の燃料エレメントの実施形態で
は、各燃料エレメントは、与えられた自己空間平面において、６つの隣接する燃料エレメ
ントのうち３つとだけ接触することとなる。三分葉の燃料エレメントは、次の軸方向の空
間の自己空間平面において（すなわち、先の自己空間平面からの回転オフセットの１／６
）、その他の３つの燃料エレメントと接触することとなる。
ｎ個の燃料エレメントが特定の燃料エレメント２０に隣接するｎ分葉のエレメント２０
において、自己空間平面は、１／ｎらせん回転毎に存在する。（例えば、４つの他の燃料
エレメントが隣接する四角形パターンに配置された四分葉エレメント２０における１／４
らせん回転ごと、３つの他の燃料エレメントが隣接する３角形パターンに配置された三分
葉エレメント２０における１／３らせん回転ごと（すなわち、燃料エレメントの周囲で１
２０度ごと）である）。らせんのピッチは、燃料エレメント２０の軸方向長さに亘って、
より多くの又はより少ない自己空間平面を生成するために変化してもよい。一実施形態に
おいて、各四分葉燃料エレメント ２０は、燃料エレメント２０の束の軸方向長さに亘っ
て複数の自己空間平面が存在するように、複数の捻じれを有する。
ここで示された実施形態において、全てのエレメント２０は同じ方向に捻じれている。
しかしながら、別の実施形態において、本発明の範囲から外れることなく、隣接するエレ
メント２０は反対の方向に捻じれていてもよい。
燃料棒に沿う自己空間平面数の式は以下のとおりである。

Ｎ＝ｎ＊Ｌ／ｈ

ここで、Ｌは、燃料棒の長さ、ｎは、分葉 （リブ）の数及びある燃料エレメントに隣
接する燃料エレメントの数、ｈは、らせん捻じれのピッチである。 この式は、分葉の数
と隣接燃料エレメントの数が同じでない場合には、わずかに異なる。
自己空間の結果、燃料アッセンブリ１０は、アッセンブリ１０の長さに沿って適切なエ
レメント空間を確保する必要があるスペーサグリッドを省略することができる。スペーサ
グリッドを無くすることにより、冷却材は、アッセンブリ１０を、より自由に流れること
ができる。アッセンブリ１０は、有利に、エレメント２０から冷却材への熱移動を増加す
る。しかしながら、本発明の別の実施形態において、アッセンブリ１０は、本発明の範囲
から外れることなく、スペーサグリッドを含む。
図３に示されるように、炉心隔壁３０は、燃料エレメント２０の全長に沿って軸方向に
伸び、エレメント２０を囲む管状シェルを形成する。しかしながら、本発明の別の実施形
態において、炉心隔壁３０は、燃料エレメント２０を囲む軸方向空間バンド（ａｘｉａｌ
ｌｙ−ｓｐａｃｅｄ ｂａｎｄｓ）を有していてもよい。単数又は複数のそのようなバン
ドは、軸方向に、自己空間平面と一致する。軸方向に伸びる角支持部は、バンドを支持し
、バンドの位置を維持し、アッセンブリを強化するため、そのような軸方向の空間バント
の間に伸びてもよい。その代わり及び／それに加えて、孔が、支持のため、炉心隔壁３０
が必要又は望まれていないような場所で、異なった管状／多角形状の炉心隔壁３０に切り
込まれていてもよい。全炉心隔壁３０の使用は、分離冷却材が各燃料アッセンブリ１０を
流れるのに対してより優れた制御を容易に行うことができる。逆に、バンド又は孔を有す
る炉心隔壁の使用は、冷却材の隣接する燃料アッセンブリ１０とよりよい混合を容易にす
ることができる。隣接する燃料アッセンブリ１０間の冷却材の温度勾配を減らす効果があ
る。
図１に示すように、炉心隔壁３０の断面周囲は、アッセンブリ１０が使用される炉を収
容する形状となっている。ＡＰ−１０００のような四角形の燃料アッセンブリを使用する
炉において、炉心隔壁は、四角形の断面を有する。しかしながら、炉心隔壁３０は、また
、使用される炉によって、適切などのような形状を有することもできる（例えば、ＶＶＥ
Ｒ炉で使用される六角形状（例えば、米国特許出願第２００９／０２５２２７８号の図１
に示される。））。
ガイド管４０は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、銀‐インジウム‐カドミウム（Ａｇ，Ｉｎ，
Ｃｄ）、チタン酸ジスプロシウム（Ｄｙ２Ｏ３・Ｔｉ０２）又はその他の適切な合金又は
反応制御で使用される物質（不図示）及び炭化ホウ素、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２０３）
又はその他の適切な物質（不図示）に基づき、制御吸収体の挿入を提供し、軸方向に弾性
変位可能な上部ノズル５０に配置される。ガイド管４０は、ジルコニウム合金を備える。
例えば、図１に示されるガイド管４０の配置は、ＡＰ−１０００炉で使用される配置であ
る（例えば、２４個のガイド管が、１７×１７のグリッドに示される部分で２つの環状列
に配置される。）。
フレーム２５の形状、大きさ、特徴は、アッセンブリ１０が使用される特定の炉心に依
存する。当業者は、適切な形状及び大きさとした燃料アッセンブリ１０のフレームをどの
ように製造するのか理解できるであろう。例えば、フレーム２５は、従来の発電所の炉心
の酸化ウラン又は混合酸化燃料アッセンブリに代わる炉心に適合するように形成され、構
成されてもよい。原子力発電所は、２０１０以前に実際に使用されていた炉心設計（例え
ば、２，３又は４−ループＰＷＲ、ＢＷＲ−４）を備えることができる。また、原子力発
電所は、特に燃料アッセンブリ１０での使用のため全く新しい設計であってもよい。
上述のように、説明された燃料アッセンブリ１０は、ＡＰ−１０００又はＥＰＲ炉で使
用するために設計される。アッセンブリは、燃料エレメント２０の１７×１７配列を含み
、２４個の燃料エレメント２０は、上述の通り、ＥＰＲにおける合計２６５個の燃料エレ
メント２０又はＡＰ−１０００における２６４個の燃料エレメント２０のため、ガイド管
４０と置換される（ＡＰ−１０００においては、ガイド管と置換される２４個の燃料エレ
メントに追加して、中央の燃料エレメントは、インストルメント管（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎ
ｔｅｄ ｔｕｂｅ）と置換される。）。
エレメント２０は、好ましくは、燃料アッセンブリ１０の全核分裂性物質の１００％を
提供する。または、アッセンブリ１０の核分裂性物質のいくつかは、エレメント２０以外
の燃料エレメント（例えば、分葉を有しない燃料エレメント、酸化ウランエレメント、エ
レメント２０とは異なる燃料比及び／又は濃縮を有するエレメント）により提供されても
よい。種々の別の実施形態において、燃料エレメント２０は、燃料アッセンブリ１０の全
核分裂の、少なくとも５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、及び
／又は９５％の量を提供する。
本発明の単数又は複数の実施形態による金属燃料エレメント２０の使用は、ウェスティ
ングハウスが設計したＡＰ−１０００、ＡＲＥＶＡが設計したＥＰＲ炉のような（沸騰水
型原子炉及び加圧水型原子炉を含む）軽水原子炉（ＬＷＲ）で従来使用されていた酸化ウ
ラン又は混合酸化燃料を超えた利点をもたらす。例えば、単数又は複数の実施形態におい
て、現在既存のＬＷＲ又は新しいＬＷＲで使用されている従来提案されていた標準的な酸
化ウラン燃料及び燃料アッセンブリの代わりに、全金属燃料エレメント２０及び／又は燃
料アッセンブリ１０を用いることにより、標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料で動作す
るＬＷＲの電力定格は約３０％までの割合で増加する。
標準的な酸化ウラン燃料で動作するＬＷＲの電力定格の増加の重要な制約のひとつは、
燃料が利用する円筒状の燃料エレメントの小さな表面積であった。円筒状の燃料エレメン
トは、どのようなタイプの燃料エレメント断面輪郭の体積の割合に対しても最も小さな表
面積を有している。標準的な酸化ウラン燃料のその他の制約は、燃料エレメントが許容可
能な燃料性能基準を満たしている間にも、おそらく達してしまう比較的低い燃焼性であっ
た。結果として、標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料に関連するこれらのエレメントは
、既存の炉の電力定格の増加の程度を大きく制限していた。
全金属燃料エレメント２０の単数又は複数の実施形態は、上記制限を克服する。例えば
、上述のとおり、スペーサグリッドを無くすことにより、水圧耐性を減少し、従って、エ
レメント２０から第１冷却材への冷却材の流れと熱の流れを増加することができる。燃料
エレメント２０のらせん状の捻じれは、冷却材の混合及び乱流を増加し、また、エレメン
ト２０から冷却材への熱の流れも増加する。
予備的中性子解析及び熱水力解析は、本発明の単数又は複数の実施形態による以下のこ
とを示す：
・ ＬＷＲ炉の熱出力定格は、３０．７％以上の割合で増加可能である（例えば、ＥＰＲ
炉の熱出力定格は４．５９ＧＷｔｈから６．０ＧＷｔｈまで増加できる）。
・ウラン−ジルコニウム混合での２５％のウラン体積分率及び１９．７％Ｕ−２３５濃縮
で， 四分葉金属燃料エレメント２０の構造を有するＥＰＲ炉心は、バッチ（ｂａｔｃｈ
）毎に（１８ヶ月に１度に）７２個の燃料アッセンブリが置換されたら、増加した熱出力
定格６．０ＧＷｔｈで、約５００〜５２０の定格出力運転日数（ＥＦＰＤ）動作でき、バ
ッチ（ｂａｔｃｈ）毎に（１８ヶ月に１度に）８０個の燃料アッセンブリが置換されたら
、５４０〜５６０のＥＦＰＤとなる。
・多葉性の燃料エレメントの増加した表面積により、増加した電力定格である６．０ＧＷ
ｔｈであっても、多葉性の燃料エレメント平均的な表面の熱の流れは、４．５９ＧＷｔｈ
の熱出力定格で動作する円筒状の酸化ウラン燃料エレメントより４〜５％低く示される。
このことは、重大な熱の流れ（例えば、ＰＷＲでの核沸騰率からの増加した逸脱又はＢＷ
Ｒでの重大な電力率を制限する最大分率）に関し、増加した安全率（ｓａｆｅｔｙ ｍａ
ｒｇｉｎ）を提供する。さらに、このことは、可燃性中性子吸収物質を有する各アッセン
ブリの１２個の燃料エレメントの使用を可能性とする。可燃性中性子吸収物質は、サイク
ルの始まりでの過度の反応又を取り除き、炉心の加熱時のドップラー効果（Ｄｏｐｐｌｅ
ｒ Ｅｆｆｅｃｔ）を増加させるために使用できる。
・ したがって、燃料アッセンブリ１０は、従来の酸化ウラン又は混合酸化燃料アッセン
ブリより低い燃料動作温度で、より大きな熱出力を提供することができる。
アッセンブリ１０の増加した出力を利用するために、従来の発電所（例えば、より広い
及び／又は追加の冷却材ポンプ、蒸気発生器、熱交換器、加圧器、タービン）は改善され
る。確かに、単数又は複数の実施形態において、この改善により、既存の発電所で、３０
〜４０％大きな電力を得ることができる。そのような可能性は、２つめの炉を建設する必
要を回避することができる。改修の費用は、増加した電力出力により間もなく支払う（ｐ
ａｙ）ことができる。また、新しい発電所は、アッセンブリ１０のより高い熱出力を扱い
、利用するのに適切な特徴を含むように建設することができる。
さらに、本発明の単数又は複数の実施形態は、大きな改修を行うことなく、既存の炉シ
ステムを使用して標準的な酸化ウラン又は混合酸化燃料を用いた場合と同じ電力定格でＬ
ＷＲが動作するのを可能にする。例えば、一実施形態において：
・ ＥＰＲは、従来の酸化ウラン燃料が使用された場合と同じ電力出力を有することとな
る。
：４．５９ ＧＷｔ；
・ウラン−ジルコニウムでの２５％のウラン体積分率及び約１５％Ｕ−２３５濃縮で、四
分葉金属燃料エレメント２０の構造を有するＥＰＲ炉心は、バッチ（ｂａｔｃｈ）毎に７
２個の燃料アッセンブリが置換されたら、約５００〜５２０の定格出力運転日数（ＥＦＰ
Ｄｓ）動作でき、バッチ（ｂａｔｃｈ）毎に８０個の燃料アッセンブリが置換されたら、
５４０〜５６０のＥＦＰＤとなる。
・エレメント２０の平均的な表面の熱の流れは、従来の酸化ウラン燃料の円筒状の棒に比
べて約３０％の割合で減少する（例えば、３９．９４ ｖ．５７．３４ Ｗ／ｃｍ２）。
アッセンブリ１０を通じての冷却材の温度上昇（例えば、流入温度と流出温度の違い）及
びアッセンブリ１０を通る冷却材の流量は、従来の燃料アッセンブリとほぼ同じままであ
るので、減少した平均的な表面の熱の流れは、重大な熱の流れに関しての安全率の増加に
貢献する対応する燃料棒表面温度の減少となる（例えば、ＰＷＲでの核沸騰率からの増加
した逸脱ｉ又はＢＷＲでの重大な電力率を制限する最大分率）。
それに加えて及び／又はそれの代わりに、本発明の単数又は複数の実施形態の燃料アッ
センブリ１０は、段階的／はしご的に、従来の燃料アッセンブリの代わりの炉心となる。
その過渡期において、従来の燃料アッセンブリとして比較可能な（同等な）核分裂性／中
性子性／熱出力を有する燃料アッセンブリ１０は、徐々に、そして発電所の動作パラメー
タは代えることなく、後に続く燃料の変更を経て、そのような従来の燃料アッセンブリと
取って代わることができる。したがって、燃料アッセンブリ１０は、改造して、既存の炉
心に取り付けることができる。このことは、過渡期には重要である（すなわち、燃料アッ
センブリ１０の可能性を有する炉心でスタートし、徐々に燃料アッセンブリ１０の完全な
炉心に移行していく。）。
さらに、アッセンブリ１０の分裂性負荷は、発電所のオペレータが希望する特別な移行
にも対応することができる。例えば、各分裂性負荷は、炉の熱出力を増加するため、アッ
センブリ１０が取って代わる従来の燃料アッセンブリの使用に対して０％〜３０％いずれ
かの又はそれ以上の範囲で、適切に増加することができる。したがって、発電所のオペレ
ータは、改良時の種々のタイミングで、既存の発電所のインフラ又は発電所の能力に基づ
いて、特定の出力の改良を選択することができる。
燃料アッセンブリ１０及び燃料エレメント２０の単数又は複数の実施形態は、本発明の
範囲から外れることなく、（軽水炉に対して）高速炉で使用することができる。高速炉に
おいて、燃料カーネル１００の非燃料金属（非燃料物質）は、好ましくは、高融点金属、
例えば、モリブデン合金 （例えば、純モリブデン又はモリブデンとその他の物質との組
み合わせ）であり、被覆材１２０は、好ましくは、ステンレス鋼（その種々の合金を含む
）又はそのような炉の冷却材で使用するのに適したその他の物質（例えば、ナトリウム）
である。そのような燃料エレメント２０は、上述の共押出処理で製造することができ、又
は、その他の適切な方法（例えば、真空｛しんくう｝溶解）によって製造することも可能
である。
図７Ａ、７Ｂ、及び８で示されるように、本発明の単数又は複数の実施形態によって、
燃料アッセンブリ５１０は、ＣＡＮＤＵ炉のような加圧重水炉５００（図８参照）で使用
することもできる。
図７Ａ及び７Ｂに示されるように、燃料アッセンブリ５１０は、フレーム５２０に搭載
される複数の燃料エレメント２０を備える。フレーム５２０は、（例えば、ｖｉａ 溶接
、静合（ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｆｉｔ）、エレメント２０を下部タイプレート７０
に取り付ける上述の種々の取り付け方法のいずれかによって）燃料エレメント２０の対向
する軸方向端部を搭載する２つのエンドプレート５２０ａ、５２０ｂを備える。燃料アッ
センブリ５１０で使用されるエレメント２０は、典型的に、アッセンブリ１０で使用され
るエレメント２０より大幅に短い。種々の実施形態及び炉５００によると、炉５００で使
用されるエレメント２０及びアッセンブリ５１０は約４５．７２ｃｍ（１８インチ）の長
さである。
エレメント２０は、自己空間平面がエレメント２０に空間を維持するように、アッセン
ブリ１０に関し上述した態様でアッセンブリ５１０で相互に関連して位置することができ
る。また、アッセンブリ５１０のエレメント２０は、隣接するエレメント２０が相互に接
触しないように、エレメント２０の空間を維持するために、代わりに全体的にフレーム５
２０に依存して、相互に空間を空けていてもよい。また、種々の位置で、隣接するエレメ
ント２０に接触し、エレメント空間２０を維持するために、エレメント２０の軸方向長さ
に沿って、（例えば、棒空間を維持するために、スペーサが加圧重水炉の従来の燃料アッ
センブリの従来の燃料棒で使用されるのと類似の態様で、）スペーサがエレメント２０又
はそのリブに取り付けられてもよい。
図８に示されるように、アッセンブリ５１０は、炉５００のカランドリア管５００ａに
送られる（当該技術分野において、カランドリア５００と参照する場合もある）。炉５０
０は、重水５００ｂを減速材及び第１冷却材として用いる。第１冷却材５００ｂは、管５
００ａを通って、熱交換器まで、水平に循環する。熱交換器では、熱が、典型的にはター
ビンを介して、電力を生成するために使われる第２冷却材のループに移動させられる。燃
料アッセンブリ搭載機構（図示せず）は、燃料アッセンブリ５１０をカランドリア管５０
０の一方に搭載し、管５００ａの反対側から使用済みアッセンブリ５１０を押し出す。こ
の動作は，典型的には、炉５００を動作させながら行われる。
燃料アッセンブリ５１０は、既存の従来の加圧重水炉（例えば、ＣＡＮＤＵ炉）の従来
の燃料アッセンブリ（当該技術分野では、燃料束として知られる）に直接取って代わるよ
うに設計されてもよい。このような一実施形態において、アッセンブリ５１０は従来のア
ッセンブリ／束に代わる炉５００内に送られる。そのような燃料アッセンブリ５１０は、
取って代わられる従来のアッセンブリと類似の中性子／熱特性を有するように設計されて
もよい。また、燃料アッセンブリ５１０は、熱出力の改良を提供するよう設計されてもよ
い。そのような改良の実施形態において、新たな又は改善された炉５００は、より高い熱
出力を収容できるように設計できる。
本発明の種々の実施形態において、従来の原子炉の従来の燃料アッセンブリに代わるよ
うに、燃料アッセンブリ１０は設計される。例えば、図１に示される燃料アッセンブリ１
０は、特に、ＵＯ２燃料棒の１７×１７の配列を利用する従来の燃料アッセンブリに代わ
るように設計される。アッセンブリ１０のガイド管４０は、従来の燃料アッセンブリで使
用されるのと全く同じ位置に残され、燃料エレメント２０の全てが同じ大きさの場合、従
来のＵＯ２燃料アッセンブリと燃料アッセンブリ１０の単数又は複数の実施形態（例えば
、１２．６ｍｍピッチ）の間で燃料エレメント／棒間のピッチは変わらない。すなわち、
燃料エレメント２０の長さ方向の軸は、従来のＵＯ２燃料棒の長さ方向の軸が従来の比較
可能な（同等な）燃料アッセンブリ内にある場合と同じ位置に配置される。種々の実施形
態において、燃料エレメント２０は、比較可能な（同等な）ＵＯ２燃料棒より大きな外接
径（典型的なＵＯ２燃料棒の外径が９．５ｍｍに対して、例えば、１２．６ｍｍ）を有し
てもよい。結果として、図１に示される自己整合平面において、燃料エレメント２０に占
められる空間の断面長さ及び幅は、従来の燃料アッセンブリの従来のＵＯ２燃料棒のもの
よりやや大きくてもよい（例えば、燃料アッセンブリ１０について２１４．２ｍｍ（例え
ば、１７個の燃料エレメント２０×燃料エレメントごとの外接径が１２．６ｍｍ）、相互
に１２．６ｍｍピッチで離れた９．５ｍｍのＵＯ２燃料棒の１７×１７の配列を有する従
来のＵＯ２燃料アッセンブリについて２１１．１ｍｍである）。従来のＵＯ２燃料アッセ
ンブリにおいて、スペーサグリッドは、燃料棒を囲み、従来の燃料アッセンブリ全体の断
面積のエンベロープ（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）を、２１４ｍｍ×２１４ｍｍに増加させる。燃
料アッセンブリ１０において、炉心隔壁３０は、同様に、燃料アッセンブリ１０の断面積
エンベロープを増加させる。炉心隔壁３０は、適した厚みである（例えば、０．５ｍｍ又
は１．０ｍｍの厚さ）。１．０ｍｍの厚みの炉心隔壁３０を利用する一実施形態において
、燃料アッセンブリ１０の一実施形態の全断面積エンベロープは、２１６．２ｍｍ×２１
６．２ｍｍであってもよい（例えば、２１４ｍｍは１７個の１２．６ｍｍ径の燃料エレメ
ント２０に炉心隔壁３０の１．０ｍｍの厚みの２倍を追加する）。結果として、本発明の
単数又は複数の実施形態に従い、燃料アッセンブリ１０は、典型的なＵＯ２燃料アッセン
ブリ（２１４ｍｍ×２１４ｍｍ）より、わずかに大きくてもよい（例えば、２１６．２ｍ
ｍ×２１６．２ｍｍ）。このより大きな寸法によって、アッセンブリ１０は，従来のＵＯ
２燃料アッセンブリで使用するために設計された単数又は複数の従来の炉の燃料アッセン
ブリ位置に適合しにくくなる。このサイズの変化に対応するため、新しい炉は、本発明の
実施形態に従って、より大きな寸法の燃料アッセンブリ１０を収容するように構成及び建
設される。
本発明の別の実施形態において、全ての燃料エレメント２０の外接径は、燃料アッセン
ブリ１０の全体の断面積を減少するため、わずかに減少することができる。例えば、燃料
エレメント２０の外接径は、燃料アッセンブリ１０によって占められる空間の全断面積が
従来の２１４ｍｍ×２１４ｍｍ燃料アッセンブリに比較可能な（相当する）ままであるよ
うに、０．１３ｍｍ〜１２．４７ｍｍで減少することができる（すなわち、１７個の燃料
エレメント２０の１２．４７ｍｍの径に２つの炉心隔壁の１．０ｍｍの厚みを足し、合計
が約２１４ｍｍとなる）。１７×１７の配列の大きさの減少は、従来の燃料アッセンブリ
でのガイド管位置に対して、燃料アッセンブリ１０でのガイド管４０の位置をわずかに変
える。管４０の位置のわずかな変化を収容するため、対応する制御棒配列の位置及び炉に
おける制御棒駆動機構を、同様に、ガイド管４０の位置の変化を収容するため移動させる
。また、充分なクリアランスと公差が、従来の炉の制御棒に提供される。従来ように配置
される制御棒は、燃料アッセンブリ１０の管４０のわずかな移動に適切に適合できる。
また、周辺の燃料エレメント２０の径は、アッセンブリ１０全体が従来の燃料アッセン
ブリのために設計された従来の炉に適合するように、わずかに減らすことができる。例え
ば外側の行の燃料エレメント２０の外接径は、燃料アッセンブリの全体の大きさが２１４
ｍｍ×２１４ｍｍ（例えば、１５個の１２．６ｍｍの燃料エレメント２０に、２個の１１
．５ｍｍの燃料エレメント２０と、２個の１．０ｍｍの厚みの炉心隔壁３０を足す。）と
なるように、１．１ｍｍの割合で減らすことができる。また、燃料エレメント２０の外側
の２行の外接径は、燃料アッセンブリ全体の大きさが２１４ｍｍ×２１４ｍｍ（例えば、
１３個の１２．６ｍｍの燃料エレメント２０に、４個の１２．０５ｍｍの燃料アッセンブ
リと２個の１．０ｍｍの厚みの炉心隔壁３０を足す。）のままであるように、０．５５ｍ
ｍの割合で減らすことができる。それぞれの実施形態において、ガイド管４０が従来の炉
の制御棒の配列及び制御棒駆動機構と一致するように、燃料エレメント２０ガイド管４０
の中央の１３×１３の配列のピッチと位置は変更されない。
図１０は、本発明の別の実施形態による燃料アッセンブリ６１０を示す。 種々の実施
形態において、燃料アッセンブリ６１０は、種々の従来のＵＯ２燃料アッセンブリで使用
するように設計された炉の制御棒の位置を維持しつつ、従来の炉の従来のＵＯ２燃料アッ
センブリに代わるように設計される。燃料アッセンブリ６１０は、通常、図１で示し、説
明された燃料アッセンブリ１０に類似するが、制御棒の位置や制御棒駆動機構を変更する
ことなく、アッセンブリ６１０が単数又は複数の既存の炉の種類によりよく適合するのを
助けるように幾つかの相違を有する（例えば、１７×１７の配列のＵＯ２棒を利用するウ
ェスティングハウスの燃料アッセンブリの設計を使用する炉）。
図１０に示されるように、燃料アッセンブリは、種別の１７×１７の配列を有する。中
央の１５×１５の配列は、図１に示す類似の燃料アッセンブリ１０に関して上述したとお
り、２００の燃料エレメント２０及び２５個のガイド管４０によって占められる。特定の
炉の設計によって、中央のガイド管４０は、炉の設計が中央管４０を利用しないものであ
る場合、追加の燃料エレメント２０に代えることもできる（すなわち、２０１個の燃料エ
レメント２０と２４個のガイド管４０である）。ガイド管４０の位置は、従来のＵＯ２燃
料アッセンブリで使用するように設計された炉で使用されるガイド管の位置に対応する。
燃料アッセンブリ６１０の１７×１７の配列／パターンの周辺位置（すなわち、横方向
に燃料エレメント２０から外側に配置された位置）は、６４個のＵＯ２燃料エレメント／
棒６５０によって占められる。当該技術分野で知られているように、燃料棒６５０は、中
空棒に配置された標準的なＵＯ２ペレット燃料を備えていてもよい。ＵＯ２ペレット燃料
は、Ｕ−２３５で、２０％未満、１５％未満、１０％未満、及び／又は５％未満に濃縮さ
れてもよい。棒６５０は、従来のＵＯ２燃料アッセンブリに配置された空間にアッセンブ
リ６１０がより適合するように、燃料アッセンブリ６１０の断面積寸法全体をわずかに減
少させる燃料エレメント２０の外接径よりわずかに小さい径（例えば、９．５０ｍｍ）を
有していてもよい 。
ここで示された実施形態において、燃料棒／エレメント６５０は、ＵＯ２ペレット燃料
を備える。しかしながら、燃料棒／エレメント６５０は、代わりに、単数又は複数の核分
裂性及び／又は核原料物質（例えば、トリウム、プルトニウム、Ｕ−２３５、Ｕ−２３３
、それらのいずれかの組み合わせ）のその他の適切な組み合わせを利用してもよい。その
ような燃料棒／エレメント６５０は、金属及び／又は酸化燃料を有していてもよい。
単数又は複数の別の実施形態において、燃料棒６５０は、６４の周辺位置の全てより少
ない位置を占める。例えば、周囲の下の行及び右の列は燃料エレメント２０に占められ、
燃料棒６５０は、周囲の上の行及び左の列を占めていてもよい。また、燃料棒６５０は、
燃料アッセンブリのその他の２辺を占めていてもよい。炉心隔壁３０は、燃料アッセンブ
リ周辺の追加の燃料エレメント２０を囲むために変更されてもよい。そのような変更され
た燃料アッセンブリは、相互に隣接するように配置されてもよい。ひとつのアッセンブリ
周辺の燃料エレメント６５０の行／列は、常に、隣接する燃料アッセンブリの燃料エレメ
ント２０の行／列に隣接する。結果として、燃料アッセンブリの追加の空間が、隣接する
アッセンブリのインターフェースがわずかに燃料エレメント６５０をインターフェース側
の周辺に含むアッセンブリに向かって移動するという事実により提供される。そのような
変更は、燃料アッセンブリ６１０が提供するよりも、高い熱出力の燃料エレメント２０の
より多くの使用を提供することができる。
炉心隔壁３０は、燃料エレメント２０の配列を囲み、エレメント２０をエレメント６５
０から分離する。ノズル５０、６０、炉心隔壁３０、それらの間に形成された冷却材の通
路、エレメント２０及びエレメント６５０を通じての相対応力低下、及び／又はエレメン
ト６５０を囲む（後述する）スペーサグリッド６６０を通じての増加した圧力低下により
、炉心隔壁３０外で比較的低い熱出力の燃料棒６５０を過ぎる流量に比べて、炉心隔壁３
０内でより高い熱出力の燃料エレメント２０を通過するより高い冷却材の流量を得ること
ができる。通路及び／又は通路内の通行口は、相対熱出力と設計された動作温度に基づい
て、エレメント２０及び６５０を通過する冷却材の相対流量を最適化するために、設計す
ることができる。
種々の実施形態において、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント２０の減速材と燃
料の比率は、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０，１．
９、及び／又は１．８以下である。ここで示された実施形態において、減速材と燃料の比
率は、（１）冷却材／減速材で利用可能な炉心隔壁３０内の全面積（これは、例えば、（
ガイド管４０が冷却材で満たされているとすると）炉心隔壁３０の全断面積から、燃料エ
レメント２０によって占められる断面積を引くことによりによって近似される。）と （
２）炉心隔壁３０の燃料エレメント２０のカーネル１００の全断面積との比率と等しい。
本発明の別の実施形態において、炉心隔壁３０は、上述のように、単数又は複数の環状
のバンドで置換されてもよく、炉心隔壁３０の孔と共に提供されてもよい。バンドや炉心
隔壁３０を使用することにより、燃料エレメント２０と燃料エレメント６５０の間の冷却
材の相互混合（ｃｒｏｓｓ−ｍｉｘｉｎｇ）が容易になる。
図１０で示されたように、燃料エレメント６５０は、環状のスペーサグリッド６６０内
に配置される。通常は、従来のＵＯ２燃料アッセンブリで使用されるスペーサグリッドの
外側部分に相当する。スペーサグリッド６６０は、炉心隔壁３０に（例えば、溶接、ボル
ト、ネジ、その他の留め具によって）しっかりと連結することができる。スペーサグリッ
ド６６０は、好ましくは、燃料エレメント６５０と燃料エレメント２０の間に、中央の燃
料エレメント２０と同じピッチを提供するための大きさ（例えば、全燃料エレメント２０
及び６５０の軸の１２．６ｍｍのピッチ）とする。そのような空間を提供するため、燃料
エレメント６５０は、炉心隔壁３０及びスペーサグリッド６６０の内側より、スペーサグ
リッド６６０の外側の近くに配置することができる。燃料アッセンブリ６１０及びスペー
サグリッド６６０は、また、好ましくは、隣接する燃料アッセンブリの燃料エレメント６
５０の間に同じピッチ（例えば、１２．６ｍｍのピッチ）を提供できるような大きさ及び
位置とされる。しかしながら、燃料エレメント２０及び６５０のいずれかの間の空間は、
本発明の範囲から外れることなく、その他の燃料エレメント２０、６５０の間の空間に対
して変化することができる。
種々の実施形態において、燃料エレメント２０は、少なくとも、燃料アッセンブリ６１
０の核分裂性物質を含有する全ての燃料エレメント２０、６５０の総体積の６０％、６５
％、７０％、７５％、及び／又は ８０％を提供する。例えば、燃料アッセンブリ６１０
が、それぞれが約７０ｍｍ２の断面積を有する２０１個の燃料エレメント２０と、それぞ
れが９．５ｍｍの径を有する６４個の燃料エレメント６５０とを含む単数又は複数の実施
形態において、燃料エレメント２０は、全燃料エレメント２０、６５０の総体積の約７５
．６％を提供する（２０１個の燃料エレメント２０×７０ｍｍ２＝１４０７０ｍｍ２；６
４個の燃料エレメント６５０×π×（９．５／２）２＝４５３４ｍｍ；燃料エレメント２
０及び６５０の面積は、本質的に、燃料エレメントの体積に比例；（１４０７０ｍｍ２／
（１４０７０ｍｍ２＋４５３４ｍｍ２）＝７５．６％））。
燃料アッセンブリ６１０の高さは、アッセンブリ６１０と置換することができる同等の
従来の燃料アッセンブリの高さに一致する（例えば、ウェスティングハウス又はＡＲＥＶ
Ａ炉の設計の標準的な燃料アッセンブリの高さ）。
上述の燃料アッセンブリ６１０は、ウェスティングハウス４−ループ設計、ＡＰＩ００
０、又はＡＲＥＶＡ ＥＰＲのような１７×１７のＰＷＲで使用できる。しかしながら、
燃料アッセンブリ６１０の設計は、種々のその他の炉の設計を収容するように変更できる
（例えば、内側の位置は燃料エレメント２０、又は蒸留水炉、又は小さなモジュール炉に
よって占められ、六角形の外郭は、ＵＯ２棒によって占められるような六角形状の燃料ア
ッセンブリを利用する炉の設計である）。具体的な寸法は具体的な実施形態と関連して示
されるが、本発明の範囲から外れることなく、種々の炉又は炉の種別と関連付けて、種々
の別の寸法の燃料エレメント２０、６５０及び燃料アッセンブリ１０も使用することがで
きる。
特定の炉の設計によって、燃料アッセンブリの追加の棒の位置は、ＵＯ２棒によって置
換される。例えば、燃料アッセンブリ６１０は、本発明の範囲から外れることなく、外周
の行のみで、ＵＯ２棒を有しながら、アッセンブリ６１０は、また、ＵＯ２棒を、外側の
２つの行で有することもできる。
種々の実施形態において、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント６５０を支持する
部分は、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント２０を支持する部分と分離不能である
。種々の実施形態において、（個々の燃料エレメント２０及び６５０は、例えば、個々の
燃料エレメントの欠陥に基づき、アッセンブリ６１０から分離できるが）燃料エレメント
２０は、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント６５０から、ユニットとして分離する
ことができない。同様に、ロック機構は存在しない。燃料アッセンブリの燃料エレメント
６５０部分を、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント２０に選択的にロックする。種
々の実施形態において、燃料アッセンブリ６１０の燃料エレメント２０及び燃料エレメン
ト６５０は、全燃料アッセンブリ６１０は、炉内で使用され、単一の使用済みユニットと
して取り除かれるように、同じように設計されたライフサイクルを有している。
種々の実施形態において、燃料エレメント２０の増加された燃料アッセンブリ６１０で
の熱出力は、アッセンブリ６１０と置換される従来の全てのＵＯ２燃料棒アッセンブリに
対して電力の改良を提供できる。種々の実施形態において、電力の改良は、少なくとも、
５％、１０％、及び／又は１５％である。この改良は、種々の実施形態において、１〜３
０％、５〜２５％、及び／又は１０〜２０％であってもよい。種々の実施形態において、
燃料アッセンブリ６１０は、１８ヶ月の燃料サイクルを提供するが、２４ヶ月以上又は３
６ヶ月以上の燃料サイクルへの移行も容易にする。図１０に示されるエレメント２０に関
連して例示された上述のパラメータを有する燃料エレメント２０を使用するような燃料ア
ッセンブリ６１０の一実施形態において、アッセンブリ１７は、従来のＵＯ２燃料アッセ
ンブリに対して、下記テーブルで特定される動作パラメータのもと、１７％の改良を提供
する。
Figure 2016224068
Figure 2016224068
燃料アッセンブリ１０、５１０、６１０は、好ましくは、地上の原子（力）炉９０、５
００（例えば、（ＢＷＲ及びＰＷＲを含む）地上のＬＷＲＳ、地上の高速炉、地上の重水
炉）での使用のため、熱力学的に設計され、物理的に形成される。ここで地上の原子（力
）炉９０、５００は、電力及び又は電力以外の目的（例えば、脱塩、化学処理、蒸気発生
等）で使用される熱を発生するように設計される。そのような地上の原子（力）炉９０は
、その他うち、ＶＶＥＲ、ＡＰ−１０００、ＥＰＲ、ＡＰＲ−１４００、ＡＢＷＲ、ＢＷ
Ｒ−６、ＣＡＮＤＵ、ＢＮ−６００、ＢＮ−８００、Ｔｏｓｈｉｂａ ４Ｓ、Ｍｏｎｊｕ
等を含む。しかしながら、本発明の別の実施形態において、燃料アッセンブリ１０、５１
０、６１０は、海上の原子炉（例えば、船又は潜水艦の発電所、陸上で使用される電力（
例えば、電気）を発生する設計された浮遊発電所）、その他の原子炉への適用で使用され
るように設計され、使用されてもよい。
前述の実施形態は、本発明の構造的及び機能的原理を示すために提供され、本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の原理は、後述の請求の範囲の精神及び範囲内で、いずれの及び全ての変更、修正、及び／又は置換を網羅する。
［項目１］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が２．５以下である、
燃料アッセンブリ。
［項目２］
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントは、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントを有し、
前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、
前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物資のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目３］
前記カーネルは、δ相ＵＺｒ２を有する、
項目２記載の燃料アッセンブリ。
［項目４］
前記燃料物質は、前記金属非燃料物資の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目５］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目６］
前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目７］
地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目８］
前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、
項目７記載の燃料アッセンブリ。
［項目９］
前記地上の原子炉は、２０１０年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、
前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、
項目７記載の燃料アッセンブリ。
［項目１０］
前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質の焼結によって形成される、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１１］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、Ｕ−２３５及び／又はＵ−２３３によって、２０％以下に濃縮され、
前記燃料カーネルの２０〜３０％の体積分率を有し、
前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜８０％の体積分率を有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１２］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料物質の濃縮は、１５〜２０％である、
項目１１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１３］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、
項目１１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１４］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜９７％の体積分率を有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１５］
前記燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１６］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金的に接着される、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１７］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１８］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、高融点金属を有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目１９］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目２０］
前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目２１］
前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、
この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、
項目２０記載の燃料アッセンブリ。
［項目２２］
前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、
項目２０記載の燃料アッセンブリ。
［項目２３］
前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、
前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、
項目２０記載の燃料アッセンブリ。
［項目２４］
可燃性中性子吸収物質をさらに有する、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目２５］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントの少なくとも１つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、
項目２４記載の燃料アッセンブリ。
［項目２６］
前記フレームに支持された複数のＵＯ２燃料エレメントをさらに有し、
前記複数のＵＯ２燃料エレメントのそれぞれは、ＵＯ２燃料を含む、
項目１記載の燃料アッセンブリ。
［項目２７］
前記複数の引き延ばされたＵＯ２燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントから横方向に外側に配置される、
項目２６記載の燃料アッセンブリ。
［項目２８］
前記複数の引き伸ばされたＵＯ２燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する炉心隔壁をさらに有する、
項目２７記載の燃料アッセンブリ。
［項目２９］
前記ＵＯ２燃料は、１５％のＵ−２３５濃縮より小さい、
項目２６記載の燃料アッセンブリ。
［項目３０］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、
核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉心ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料で囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、前記燃料エレメントを生成することによって、複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれを製造し、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを前記燃料アッセンブリに搭載し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が２．５以下である、
燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３１］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを有し、
前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、
前記燃料炉心ストックは、前記金属非燃料物資と前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料炉心ストックを有する、
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３２］
前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３３］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３４］
共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３５］
前記焼結により前記制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、制御材を位置決めする、
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３６］
前記フレームは、地上の原子炉の炉心に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを有し、
前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目３０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３７］
さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、
項目３６記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目３８］
加圧重水炉と、
前記加圧重水炉に配置される燃料アッセンブリと、を備え、
前記燃料アッセンブリは、相互に搭載される複数の引き伸ばされた燃料エレメントを有し、
前記複数の燃料エレメントのそれぞれは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を含み、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が２．５以下である、
原子炉。
［項目３９］
前記燃料エレメントは、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状スペーサーリブを規定する、
項目３８に記載の原子炉。
［項目４０］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、それぞれ、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、
前記フレームで支持される複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントと、を有し、
前記燃料アッセンブリの断面視において、前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを囲む単一の燃料エレメントの幅のリング内に配置され、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
燃料アッセンブリ。
［項目４１］
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、それぞれ、ペレット化されたＵＯ２燃料が中に配置された中空棒を有する、
項目４０に記載の燃料アッセンブリ。
［項目４２］
前記燃料アッセンブリの前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントを支持する部分は、前記燃料アッセンブリの前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを支持する部分とは分離不能である、
項目４０に記載の燃料アッセンブリ。
［項目４３］
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントから、ユニットとして分離不能である。
項目４０に記載の燃料アッセンブリ。
［項目４４］
１７×１７のパターンの位置を規定し、
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのそれぞれは、前記位置の１つに配置され、
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのどれも、１７×１７のパターンの周辺の位置には配置されず、
前記複数の追加の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれは、前記１７×１７のパターンの周辺の位置の異なる１つに配置される、
項目４０に記載の燃料アッセンブリ。
［項目４５］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される複数の引き伸ばされ押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記複数の燃料エレメントは、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が２．５以下である、
燃料アッセンブリ。
［項目４６］
前記複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントは、複数の引き伸ばされ押し出された金属燃料エレメントを有し、
前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、
前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物資のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目４７］
前記カーネルは、δ相ＵＺｒ２を有する、
項目４６記載の燃料アッセンブリ。
［項目４８］
前記燃料物質は、前記金属非燃料物資の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目４９］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目５０］
前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、項目４９に記載の燃料アッセンブリ。
［項目５１］
前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目５２］
地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目５３］
前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、
項目５１記載の燃料アッセンブリ。
［項目５４］
前記原子炉は重水炉を有する、項目５３に記載の燃料アッセンブリ。
［項目５５］
前記地上の原子炉は、２０１０年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、
前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、
項目５２記載の燃料アッセンブリ。
［項目５６］
前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質の焼結によって形成される、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目５７］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、Ｕ−２３５及び／又はＵ−２３３によって、２０％以下に濃縮され、
前記燃料カーネルの２０〜３０％の体積分率を有し、
前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜８０％の体積分率を有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目５８］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料物質の濃縮は、１５〜２０％である、
項目５７記載の燃料アッセンブリ。
［項目５９］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、
項目５５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６０］
前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、
前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜９７％の体積分率を有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６１］
前記燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６２］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金的に接着される、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６３］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６４］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、高融点金属を有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６５］
前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６６］
前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目６７］
前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、
この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、
項目６６記載の燃料アッセンブリ。
［項目６８］
前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、
項目６６記載の燃料アッセンブリ。
［項目６９］
前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、
前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、
項目６６記載の燃料アッセンブリ。
［項目７０］
可燃性中性子吸収物質をさらに有する、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目７１］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントの少なくとも１つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、
項目７０記載の燃料アッセンブリ。
［項目７２］
前記フレームに支持された複数のＵＯ２燃料エレメントをさらに有し、
前記複数のＵＯ２燃料エレメントのそれぞれは、ＵＯ２燃料を含む、
項目４５記載の燃料アッセンブリ。
［項目７３］
前記複数の引き延ばされたＵＯ２燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントから横方向に外側に配置される、
項目７２記載の燃料アッセンブリ。
［項目７４］
前記複数の引き伸ばされたＵＯ２燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する炉心隔壁をさらに有する、
項目７３記載の燃料アッセンブリ。
［項目７５］
（１）減速材に使用可能な前記炉心隔壁内の全面積と、（２）前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの複数のカーネルの全断面積との比率が、２．４以下である、項目７４に記載の燃料アッセンブリ。
［項目７６］
前記ＵＯ２燃料は、１５％のＵ−２３５濃縮より小さい、
項目７２記載の燃料アッセンブリ。
［項目７７］
前記比率は、前記複数の燃料エレメントの縦軸に垂直であり、かつ、前記複数の燃料エレメントに広がる断面積内の面積比であり、前記比率は、（１）前記複数の燃料エレメントのための減速材の流れを利用可能な全面積と、（２）前記複数の燃料エレメントの複数の燃料カーネルの全面積との比率である、
項目４５に記載の燃料アッセンブリ。
［項目７８］
前記複数の燃料エレメントのうちの複数のウラン体積分率は２５％以下である、項目４５に記載の燃料アッセンブリ。
［項目７９］
前記複数の燃料エレメントの減速材と燃料との比率は、２．４以下である、項目４５に記載の燃料アッセンブリ。
［項目８０］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、
核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉心ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料で囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、前記燃料エレメントを生成することによって、複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれを製造し、
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントを前記燃料アッセンブリに搭載し、
前記燃料エレメントの領域での減速材と燃料の比率が２．５以下である、
燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８１］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、複数の引き伸ばされた金属燃料エレメントを有し、
前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、
前記燃料炉心ストックは、前記金属非燃料物資と前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料炉心ストックを有する、
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８２］
前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８３］
前記複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８４］
共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８５］
前記焼結により前記制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、制御材を位置決めする、
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８６］
前記フレームは、地上の原子炉の炉心に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを有し、
前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
項目８０記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８７］
さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、
項目８６記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８８］
前記比率は、前記複数の燃料エレメントの縦軸に垂直であり、かつ、前記複数の燃料エレメントに広がる断面積内の面積比であり、前記比率は、（１）前記複数の燃料エレメントのための減速材の流れを利用可能な全面積と、（２）前記複数の燃料エレメントの複数の燃料カーネルの全面積との比率である、
項目７９に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
［項目８９］
原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成され、構成された下部ノズルを含むフレームと、
前記フレームで支持される第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントと、を備え、
前記第１の複数の燃料エレメントは、それぞれ、
金属非燃料物資のマトリクスに配置された核分裂性物資を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲む被覆材と、
前記フレームで支持される第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントと、を有し、
前記燃料アッセンブリの断面視において、前記第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを囲む単一の燃料エレメントの幅のリング内に配置され、
前記第１の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
燃料アッセンブリ。
［項目９０］
前記第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、それぞれ、ペレット化されたＵＯ２燃料が中に配置された中空棒を有する、
項目８９に記載の燃料アッセンブリ。
［項目９１］
前記燃料アッセンブリの前記第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントを支持する部分は、前記燃料アッセンブリの前記第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントを支持する部分とは分離不能である、
項目９０に記載の燃料アッセンブリ。
［項目９２］
前記第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントは、前記第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントから、ユニットとして分離不能である。
項目８４に記載の燃料アッセンブリ。
［項目９３］
１７×１７のパターンの位置を規定し、
前記第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのそれぞれは、前記位置の１つに配置され、
前記第１の複数の引き伸ばされ、押し出された燃料エレメントのどれも、１７×１７のパターンの周辺の位置には配置されず、
前記第２の複数の引き伸ばされた燃料エレメントのそれぞれは、前記１７×１７のパターンの周辺の位置の異なる１つに配置される、
項目８９に記載の燃料アッセンブリ。
［項目９４］
前記燃料アッセンブリは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、地上の原子炉に適合するように形成され、構成され、
前記地上の原子炉は、２０１０年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備える、
項目８９に記載の燃料アッセンブリ。
［項目９５］
前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、
項目８９に記載の燃料アッセンブリ。

Claims (39)

  1. 原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリであって、
    炉心隔壁と、前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され、前記炉心隔壁に搭載された下部ノズルとを含むフレームと、
    前記フレームで支持される複数の燃料エレメントと、を備え、
    前記複数の燃料エレメントは、
    金属非燃料物質のマトリクスに配置された核分裂性物質を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
    前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
    冷却材／減速材で利用可能な前記炉心隔壁の全面積と、前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの前記燃料カーネルの全断面積との比率が２．４以下であり、
    前記カーネルは、δ相ＵＺｒ２を有する、
    燃料アッセンブリ。
  2. 前記冷却材／減速材で利用可能な前記炉心隔壁の全面積は、前記炉心隔壁の全断面積から、前記複数の燃料エレメントによって占められる断面積を引くことにより近似される、請求項１に記載の燃料アッセンブリ。
  3. 前記複数の燃料エレメントは、複数の金属燃料エレメントを有し、
    前記燃料物質は、金属燃料物質を有し、
    前記燃料カーネルは、前記金属燃料物質の合金及び前記金属非燃料物質のマトリクスを含む金属燃料合金カーネルを有する、
    請求項１又は２に記載の燃料アッセンブリ。
  4. 前記燃料物質は、前記金属非燃料物質の前記マトリクスに配置されたセラミック燃料物質を有する
    請求項１に記載の燃料アッセンブリ。
  5. 前記複数の燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  6. 前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積は、前記下部ノズルによって支持される全ての燃料エレメントの総体積を含む、請求項５に記載の燃料アッセンブリ。
  7. 前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  8. 地上の原子炉で動作するために、前記燃料アッセンブリは、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  9. 前記地上の原子炉との組み合わせにおいて、前記燃料アッセンブリは、前記地上の原子炉内に配置される、
    請求項８に記載の燃料アッセンブリ。
  10. 前記原子炉は重水炉を有する、請求項８又は９に記載の燃料アッセンブリ。
  11. 前記地上の原子炉は、２０１０年以前に実際に使用された炉の設計を有する従来の原子力発電所を備え、
    前記フレームは、前記炉の従来の酸化ウラン燃料アッセンブリに代わり、前記地上の原子炉に適合するように形成され、構成される、
    請求項８から１０のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  12. 前記複数の燃料エレメントのそれぞれの燃料カーネルは、前記燃料物質と金属非燃料物質とを焼結したものである、
    請求項１に記載の燃料アッセンブリ。
  13. 前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
    前記燃料カーネルの前記燃料物質は、Ｕ−２３５及び／又はＵ−２３３によって、２０％以下に濃縮され、
    前記燃料カーネルの２０〜３０％の体積分率を有し、
    前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜８０％の体積分率を有する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  14. 前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
    前記燃料物質の濃縮は、１５〜２０％である、
    請求項１３に記載の燃料アッセンブリ。
  15. 前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
    前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有する、
    請求項１３又は１４に記載の燃料アッセンブリ。
  16. 前記複数の燃料エレメントの複数に関して、
    前記燃料カーネルの前記燃料物質は、プルトニウムを有し、
    前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、ジルコニウムを有し、
    前記燃料カーネルの前記金属非燃料物質は、前記燃料カーネルの７０〜９７％の体積分率を有する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  17. 前記燃料物質は、ウランとトリウムの組み合わせ、プルトニウムとトリウムの組み合わせ、又はウラン、プルトニウム、及びトリウムの組み合わせを有する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  18. 前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、燃料カーネルに冶金接着されている、
    請求項１から１７のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  19. 前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、アルミニウムを有する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  20. 前記複数の燃料エレメントの複数の前記金属非燃料物質は、１８００℃より大きな融点を有する高融点金属を有する、
    請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  21. 前記複数の燃料エレメントの複数の前記被覆材は、ジルコニウムを有する、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  22. 前記複数の燃料エレメントの複数は、それぞれ、らせん状に捻じれ、多葉性の輪郭を有し、前記輪郭は複数のらせん状リブを規定する、
    請求項１から２１のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  23. 前記複数の燃料エレメントのうち隣接する燃料エレメントの前記らせん状リブは、前記燃料エレメントの軸方向の長さにわたって、周期的に相互に接触する、
    この接触が前記燃料エレメント同士の空間を維持するのを助ける、
    請求項２２に記載の燃料アッセンブリ。
  24. 前記多葉性の輪郭は、隣接する分葉の間に、凹領域を有する、
    請求項２２又は２３に記載の燃料アッセンブリ。
  25. 前記多葉性の輪郭は、分葉の頂点及び隣接する分葉間の交差部を有し、
    前記複数の燃料エレメントの前記複数に関して、前記被覆材は、前記交差部より、前記頂点において厚くなっている、
    請求項２２から２４のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  26. 可燃性中性子吸収物質をさらに有する、
    請求項１から２５のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  27. 前記複数の燃料エレメントの少なくとも１つは、前記可燃性中性子吸収物質を有する、
    請求項２６に記載の燃料アッセンブリ。
  28. 前記フレームに支持された複数のＵＯ２燃料エレメントをさらに有し、
    前記複数のＵＯ２燃料エレメントのそれぞれは、ＵＯ２燃料を含む、
    請求項１から２７のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  29. 前記複数のＵＯ２燃料エレメントのうち少なくとも幾つかは、前記複数の燃料エレメントから横方向に外側に配置される、
    請求項２８に記載の燃料アッセンブリ。
  30. 前記炉心隔壁は、前記複数のＵＯ２燃料エレメントを通過して流れる冷却材を、前記複数の燃料エレメントを通過して流れる冷却材から分離する、
    請求項２９に記載の燃料アッセンブリ。
  31. 前記ＵＯ２燃料は、１５％のＵ−２３５濃縮より小さい、
    請求項２８から３０のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリ。
  32. 原子炉の炉心で使用される燃料アッセンブリを製造する方法であって、
    核分裂性物質を含む粉末燃料物質を粉末金属非燃料物質と混合し、前記混合された粉末燃料物質と粉末金属非燃料物質を焼結して、燃料炉心ストックを生成し、前記燃料炉心ストックを被覆材料で囲み、前記燃料炉心ストックと被覆材料を共押出して、燃料エレメントを生成することによって、複数の燃料エレメントのそれぞれを製造し、
    炉心隔壁と、前記複数の燃料エレメントを前記燃料アッセンブリが備える前記原子炉の内部炉心構造に搭載するために形成及び構成され、前記炉心隔壁に搭載された下部ノズルとを含むフレームに搭載し、
    前記複数の燃料エレメントは、
    金属非燃料物質のマトリクスに配置された核分裂性物質を有する燃料物質を含む燃料カーネルと、
    前記燃料カーネルを囲む被覆材と、を有し、
    冷却材／減速材で利用可能な前記炉心隔壁の全面積と、前記炉心隔壁内の前記複数の燃料エレメントの前記燃料カーネルの全断面積との比率が２．４以下であり、
    前記カーネルは、δ相ＵＺｒ２を有する、
    燃料アッセンブリの製造方法。
  33. 前記複数の燃料エレメントは、複数金属燃料エレメントを有し、
    前記粉末燃料物質は、粉末金属燃料物質を有し、
    前記燃料カーネルは、前記金属非燃料物質のマトリクスと前記金属燃料物質の合金を含む金属燃料カーネルを有する、
    請求項３２記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  34. 前記粉末燃料物質は、粉末セラミック燃料物質を有する
    請求項３３に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  35. 前記複数の燃料エレメントは、前記燃料アッセンブリの全ての燃料エレメントの総体積の少なくとも６０％の体積を提供する、
    請求項３２から３４のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  36. 共押出後の前記被覆材の平均の厚みは、少なくとも０．６ｍｍである、
    請求項３２から３５のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  37. 前記焼結により制御材を含む燃料炉心ストックを得るため、さらに、前記焼結の前に、前記混合された粉末燃料物質及び金属非燃料物質内に、前記制御材を位置決めする、
    請求項３２から３６のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  38. 前記燃料アッセンブリは、地上の原子炉で動作するために、熱力学的に設計され、物理的に形成される、
    請求項３２から３７のいずれか一項に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
  39. さらに、前記燃料アッセンブリを前記地上の原子炉内に配置する、
    請求項３８に記載の燃料アッセンブリの製造方法。
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