JP2016532078A - 高温強度、耐腐食性および事故耐性を有する原子燃料集合体グリッド - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも一部が一般化学式Ｉ（Ｍｎ＋１ＡＸｎ）で表される１つ以上の三元化合物を含む組成物から成る、原子燃料集合体グリッド、またはその一部もしくはグリッド・ストラップおよび／または一体型フローミキサーなどの部品に関する。ここに、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素または窒素、ｎは１〜３の範囲の整数である。本発明はさらに、原子燃料集合体グリッドまたはその一部もしくは部品を製造する方法に係り、この方法では、１つ以上の粉末状の三元化合物を含む組成物を焼結するプロセスを用いることによって、複数の焼結層から成る当該グリッドまたはその一部もしくは部品を得る。【選択図】図１８

Description

本発明は概して原子炉燃料集合体に関し、具体的には、高温強度、耐腐食性および事故耐性を有する組成物から作られたスペーサまたはミキサーまたは支持グリッドを使用する原子炉燃料集合体、ならびにかかるスペーサまたはミキサーまたは支持グリッドを製造する方法に関する。

本明細書で水冷式原子炉と総称される加圧水型原子炉（ＰＷＲ）、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）および重水炉（ＨＷＲ）の大部分は、炉心が原子炉の反応エネルギーを発生させる多数の細長い燃料集合体から成る。これらの燃料集合体は通常、複数の燃料棒が、当該燃料集合体の長手方向に離隔し複数長尺のシンブル管またはその他の燃料集合体支持体に固着された複数のグリッドによって、整然とした配列体を形成するように保持されたものである。

本明細書では特にＰＷＲ構造物について記述するが、本発明は水冷式原子炉全般に適用できることを理解されたい。

シンブル管は通常、その中に制御棒または炉内計装を受容する。燃料集合体の両端部にある上部および下部ノズルは、燃料棒端部のわずか上方または下方へ延びるシンブル管の端部に固定される。

関連技術分野で知られるように、グリッドは、原子炉の炉心内で燃料棒を正確な間隔を維持して支持すると共に燃料棒に横方向の支持を与え、冷却材の混合を誘起するために使用される。従来型設計のグリッドのタイプの１つは、複数のストラップを相互に差し込むことによりそれぞれが燃料棒を受容する複数のほぼ正方形のセルを有する卵箱構造を形成したものである。シンブル管は、その構成にもよるが、燃料棒を受容するセルと同じサイズのセル内か、または、相互に差し込まれたストラップにより画定される比較的大きいシンブル・セル内に受容される。相互に差し込まれたストラップは、シンブル管の固定点を提供するので、燃料棒の長さ方向に沿って離隔するグリッドの位置決めが可能になる。

ストラップは、燃料棒が挿通する各セルに設けられた１つ以上の比較的順応性の高いばねと複数の比較的剛性のディンプルとが協働してグリッドの燃料棒支持機能を提供するように構成されている。グリッドの外側ストラップは、グリッドの内側ストラップを取り囲んでグリッドに強度と剛性を付与すると共にグリッド周囲部の個々の燃料棒セルを画定するように相互に固着される。内側ストラップは通常、各交差点で溶接またはろう付けされ、また、集合体の外周を画定する周囲部または外側ストラップに溶接またはろう付けされる。

上述したように、燃料棒は個々のセルのレベルでは通常、剛性支持用ディンプルと柔軟なばねとの組み合わせにより支持される。従来からまたは現在使用されているばねとディンプルによる支持構造には、斜行ばね、Ｉ字形ばね、片持ちばり式ばね、水平または垂直ディンプルなど多様なタイプがある。セル当たりのばねの数も様々である。典型的な構成は、セル当たり２個のばねと４個のディンプルより成る。ディンプルとばねの形状は、集合体の寿命を通して燃料棒が適切に支持されるよう入念に決定しなければならない。

照射が進行すると、初期ばね力は、ばねの材料および照射環境に応じて多かれ少なかれ急速に弛緩する。被覆の直径もまた、冷却材圧力および動作温度が非常に高いため変化し、燃料棒内のペレットの直径も緻密化およびスウェリングにより変化する。被覆の外径も、酸化物層の形成により増加する。これらの寸法および材質の変化により、燃料集合体の寿命を通して燃料棒が適切に支持されるようにするのは非常に難しい課題である。

原子炉内の熱勾配および圧力勾配ならびに定常波および渦流のような他の乱流により誘起される軸方向および横方向の流れの影響下にあると、本体が細長い燃料棒は比較的小さな振幅で継続的に振動する。燃料棒の支持が適切でないと、この非常に小さい振幅の振動により支持点と被覆とが相対的に運動することになる。比較的小さいディンプルおよびグリッド支持表面上で摺動することにより燃料棒に高い圧力がかかると、被覆表面の小さな腐食層が擦過により除去されて基層金属が冷却材に露出する可能性がある。露出した新鮮な被覆表面上に新しい腐食層が形成され、それが擦過により取り除かれると、最終的に燃料棒の壁に穴があく。この現象は腐食性フレッチングとして知られており、２００６年における加圧水型原子炉の燃料故障の最大の原因であった。

支持グリッドは、燃料集合体に別の重要な機能、すなわち、冷却材の最高温度を低下させるための冷却材の混合機能を提供する。各燃料棒が発生する熱は均一でないため、冷却材には温度勾配がある。燃料集合体を設計する上で重要なパラメータの一つは、燃料棒から冷却材への効率的な熱伝達の維持である。単位時間当たりに除去される熱量が大きいほど、発生エネルギーは大きい。冷却材温度が十分に高いと、所与の時間における被覆の単位面積当たりの熱除去速度は有意かつ急激に減少する。この現象は核沸騰限界（ＤＮＢ）として知られている。原子炉動作のパラメータの範囲内において、冷却材温度がＤＮＢ点に到達しそうになると、被覆の表面温度が燃料棒内で発生する熱を排出しようとして急速に上昇し、被覆の急激な酸化が起こって被覆が破損する。燃料の破損を防止するにはＤＮＢを回避しなければならないことが明らかである。ＤＮＢは冷却材が最高温度の点で発生するので、集合体内で冷却材を混合して冷却材の最高温度を低下させれば、ＤＮＢ状態に到達させずに多量のエネルギーを発生できることになる。混合の改善は通常、グリッド構造の下流側に混合翼を使用して行なう。混合効率は、混合翼の形状、大きさ、および燃料棒に対する混合翼の位置により異なる。

グリッドの他の重要な機能には、想定される事故時の負荷の下でも機能を喪わずにその取り扱いおよび通常動作を維持する能力、ならびに燃料棒と支持点の間における蒸気ポケットの形成により、燃料棒で発生する熱を除去するための十分な冷却材が局部的に得られない時に起こる燃料棒上の「ホットスポット」の発生を回避する能力が含まれる。蒸気ポケットにより引き起こされる燃料棒の過熱が進行すると、被覆の局部的かつ急速な腐食により燃料棒が破損する。

グリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサー（例えば混合翼）の材料として、中性子吸収断面積が小さく、力学的および化学的特性が十分であることから、ジルコニウム合金が一般に使われてきた。同様に、燃料被覆材にもジルコニウム合金が使われてきた。しかし、将来設計され運転される原子炉のために代替の燃料被覆材の使用が検討されている。そのような新しい別の材料には、安全裕度と事故耐性を向上させる特性を持つシリコンカーバイド（ＳｉＣ）セラミックマトリックス複合材が含まれる。しかし、炉心内のグリッド、ストラップおよび／または混合翼には有意な量のジルコニウムが含まれているため、ＳｉＣなどの新しい燃料被覆材を導入する利点が相殺される可能性がある。したがって、ジルコニウムを含有するグリッド、ストラップおよび混合翼の材料を、原子炉の通常運転および設計基準事故の条件を超える温度においてより優れた構造安定性、強度および耐酸化性を示す別の材料に置き換えることが望ましい。

したがって、原子炉燃料集合体グリッドを製造するために改良された、高温強度、耐腐食性および事故耐性を有する材料（例えばジルコニウムをほとんどまたは全く含まない材料）を提供することが望まれる。

上記目的は、下部ノズルと上部ノズルの間に互いに平行離隔関係に支持された複数の細長い原子燃料棒のアレイと、当該上部ノズルと当該下部ノズルの間に燃料棒の軸方向に沿って互いに縦列離隔関係に配置された複数のグリッドとを含む原子炉燃料集合体を使用することにより達成される。複数の縦列離隔関係に配置されたグリッドまたはその一部もしくは部品は、次の一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物を含む組成物から作られる。

Ｍ_ｎ＋１ＡＸ_ｎ （Ｉ）

ここに、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素および窒素から成る群より選択された元素、ｎは１〜３の範囲の整数である。

或る特定の実施態様において、Ｍは、チタン、ジルコニウムおよびニオブから成る群より選択される。また、Ａは、アルミニウム、ケイ素およびスズから成る群より選択することができる。

或る特定の実施態様において、一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物は、Ｔｉ_２ＡｌＣ、Ｔｉ_３ＡｌＣ_２、Ｔｉ_４ＡｌＮ_３、Ｔｉ_２ＳｉＣ、Ｔｉ_３ＳｉＣ_２、Ｔｉ_３ＳｎＣ_２、Ｚｒ_２ＡｌＣ、Ｚｒ_２ＴｉＣ、Ｚｒ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_３ＳｉＣ_２、および（Ｚｒ_ｘＮｂ_１−ｘ）_２ＡｌＣ（ただしｘはゼロより大きく、１より小さい）から成る群より選択される。

一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物のＭ成分とＡ成分とＸ成分のモル比は、２：１：１、３：１：２および４：１：３から成る群より選択することができる。

一般化学式Ｉの三元化合物はそれぞれ理論密度の８５％を超える密度を有することができ、好ましくは理論密度の９５％を超える密度を有する。

或る特定の実施態様では、互いに離隔した複数のグリッドのうち１つ以上のグリッドの材料表面にパターンが打ち抜かれている。

また、複数の互いに離隔したグリッドのうち１つ以上のグリッドは、グリッド・ストラップ、一体型フローミキサーおよびそれらの組み合わせを含むことができる。

この燃料集合体は、加圧水型原子炉、沸騰水型原子炉および重水炉から成る群より選択された水冷式原子炉で使用することができる。

別の局面において、本発明は、原子炉燃料集合体用の支持グリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサーから成る群より選択された物品を製造する方法を提供する。この方法は、次の一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物を含む粉末状の組成物を提供することを含む。

Ｍ_ｎ＋１ＡＸ_ｎ （Ｉ）

ここに、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素および窒素から成る群より選択された元素、ｎは１〜３の範囲の整数である。この方法ではさらに、当該組成物を、一軸加圧式または等方加圧式の熱間プレス法、積層造形法、電界支援焼結法、および冷間プレス後の従来の焼結法から成る群より選択されたプロセスによって処理する。

或る特定の実施態様において、当該物品を製造する方法は、化学式Ｉで表される三元化合物を含む第１の粉末組成物、および化学式Ｉで表される別の第２の三元化合物を含む第２の粉末組成物を提供することと、当該第１の粉末組成物の第１の部分を標的領域に堆積させることと、当該標的領域の表面を、ビームを放射する指向性エネルギー源によって走査することと、当該物品の第１の断面領域に対応する当該第１の粉末組成物の部分の第１の層を焼結することと、当該第２の粉末組成物の第２の部分を当該第１の焼結層に堆積させることと、当該指向性エネルギー源によって当該第１の焼結層を走査することと、当該物品の第２の断面領域に対応する当該第２の粉末組成物の部分の第２の層を焼結することと、当該第２の層を焼結する際に当該第１の層と当該第２の層を結合させることと、前に焼結させた層の上に当該第１の粉末組成物の部分と当該第２の粉末組成物の部分を順次交互に堆積させ、各部分を順次焼結させて、複数の層が順次前に焼結させた層に焼結された物品を製造することとから成る。

この方法は、三次元ＣＡＤファイルを使用し、それを数理的に薄切りの２次元断面に分割することをさらに含むことができる。

或る特定の実施態様において、当該物品は、溶接、ろう付けおよび溶融から成る群より選択されたプロセスによって相互に結合された１つ以上のグリッド・ストラップを含む。当該溶融は、レーザーまたは電子ビームを使用して実施することができる。また、当該ろう付けの材料は、銅、銅・亜鉛合金、銅・亜鉛・ニッケル合金、ニッケル・クロム・リン合金、ニッケル・銀合金および銀合金から成る群より選択される。

本発明の詳細を、好ましい実施態様を例にとり、添付の図面を参照して以下に説明する。

図示を明瞭にするために垂直方向に短縮し、部品を破断して示す、燃料集合体の部分断面立面図である。

図１Ａに示す燃料集合体の一部の詳細図である。

図１Ａに示す従来型ＰＷＲ燃料集合体に適用される従来の卵箱形支持グリッドの平面図である。

は、「垂直」および「水平」ストラップを示す別のフレーム組立体の上面図である。

図３に示すフレーム組立体の等角図である。

図３に示すフレーム組立体の支持グリッドの詳細図である。

４つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。

セル内に配置され、燃料棒が挿入された、４つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。

セルに隣接する単一の接触部分を有する管状要素の等角図である。

２つの燃料棒接触部分を有する管状要素の等角図である。

２つの燃料棒接触部分を有する管状要素の別の等角図である。

管状フレーム部材から作られたフレーム組立体の一部の上面図である。

整列した管状フレーム部材から作られたフレーム組立体の一部の上面図である。

管状フレーム部材中の管状部材の詳細な上面図である。

らせん状フレーム部材から作られたフレーム組立体の詳細な上面図である。

セル接触部分にプラットフォームを有する管状部材の詳細な上面図である。

燃料棒接触部分にプラットフォームを有する管状部材の詳細な上面図である。

セル接触部分および燃料棒接触部分にプラットフォームを有し、さらに平坦な遷移部分を有する管状部材の詳細な上面図である。

先行技術として知られた焼結装置の概略図である。

本発明の或る特定の実施態様に基づいて製造した積層部品の一部を示す概略図である。

本発明は、原子炉燃料集合体のグリッド、あるいはグリッド・ストラップや一体型フローミキサーなどのグリッドの一部または部品などの物品の製造に使用する焼結三元化合物に関する。従来より、グリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサーは、ジルコニウムおよび／またはジルコニウム合金から作られている。本発明の目的は、これら従来の材料を、通常の運転温度を超える温度でより優れた構造安定性、強度および耐酸化性のうちのいずれか１つ以上の特性を示す１つ以上の焼結三元化合物を含む組成物によって置き換えることにある。本発明に係る組成物は、実質的に上記１つ以上の三元化合物から成るものであるが、当該１つ以上の三元化合物以外の物質を含んでもよい。

記述を容易にするために、本願の開示内容は加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に向けられているが、本発明は、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）および重水炉（ＨＷＲ）を含む様々な水冷式原子炉にも同様に適用できる。

冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）が起きると、燃料被覆温度が最大で華氏２２００度に達し、燃料棒と接するグリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサーも同じ高温になる可能性がある。設計基準を超える事故の場合、被覆とグリッドの温度は、長時間にわたって華氏２２００度をはるかに超える可能性がある。ジルコニウム合金など従来の材料から作られたグリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサーは、華氏２２００度以上の温度の蒸気に晒されると酸化反応が「暴走」して強度と構造健全性が失われ、水素ガスが発生する可能性がある。グリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサーが破損すると、冷却を可能にする幾何学的構造の崩壊や炉心溶融など、より重大な結果に至る可能性がある。

したがって、本発明の目的は、優れた耐酸化性を有し、ＬＯＣＡ温度において酸化反応の「暴走」を回避できる三元化合物を含んだ組成物から作られる、原子炉燃料集合体のグリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサー（例えば混合翼）などの物品を開発することにある。

図１Ａは、参照数字１１０で総括表示する燃料集合体を垂直方向に短縮した形で示す立面図である。燃料集合体１１０は加圧水型原子炉に用いるタイプであり、下端部に下部ノズル１１２を備えた構造躯体を有する。下部ノズル１１２は、原子炉炉心領域の下部炉心板１１４の上に燃料集合体１１０を支持する。燃料集合体１１０の構造躯体は、下部ノズル１１２に加えて、上端部の上部ノズル１１６と、上部炉内構造物中の案内管と整列している多数の案内管またはシンブル１１８とを有する。案内管またはシンブル１１８は下部ノズル１１２と上部ノズル１１６との間を縦方向に延び、両端部はそれらのノズルに剛性的に固着されている。

燃料集合体１１０はさらに、案内シンブル１１８に沿う軸方向離隔位置に取り付けられた複数の横方向グリッド１２０と、当該グリッド１２０により横方向に離隔して支持された細長い燃料棒１２２の整列アレイとを有する。図２は、案内シンブル１１８および燃料棒１２２を取り外した従来型グリッド１２０の平面図である。案内シンブル１１８が参照符号１２４のセルを挿通し、燃料棒１２２が残りのセル１２６を占有する。ただし、中央部セルは計装シンブル１３８（図１Ａに示す）用として取ってある。図２に示すように、従来型のグリッド１２０は、卵箱パターンを形成するように相互に差し込まれた直交ストラップ１２８、１３０から成り、４つのストラップの隣接界面がほぼ正方形の支持セルを画定する。燃料棒１２２は支持セルを貫通し、互いに横方向に離隔した関係でセル１２６内に支持される。多くの設計において、支持セル１２６を形成するストラップ１２８、１３０の対向壁には、ばね１３２およびディンプル１３４が打抜き加工により形成されている。ばねおよびディンプルは支持セルの半径方向内方に延びてそれらの間に燃料棒１２２を捕捉し、燃料棒の被覆に圧力をかけて燃料棒を定位置に保持する。直交ストラップ１２８、１３０の各ストラップ端部を縁部ストラップ１３６に溶接することで、格子状構造体１２０が完成する。図２に示す先行技術の実施態様において、縁部ストラップ１３６は、角で互いに溶接された４つの個別のストラップから成る。また前述のように、図１Ａに示す燃料集合体１１０の中心部には、下部ノズル１１２と上部ノズル１１６との間を延びてそれらにより捕捉される計測管１３８が配置されている。このような部品の配置構成により、燃料集合体１１０は、部品の全体構成を壊すことなく容易に取り扱うことができる一体的なユニットを形成する。

上述したように、燃料集合体１１０のアレイ状燃料棒１２２は、燃料集合体の長さ方向に離隔したグリッド１２０により互いに離隔した関係に保持される。図１Ａに示すように、各燃料棒１２２は複数の原子燃料ペレット１４０を有し、両端部は上部端栓１４２および下部端栓１４４により閉じられている。一般に、上部端栓１４２とペレット１４０の間に設けたプレナムばね１５０が燃料棒１２２内でペレットを密に積み重ねられた状態に保つ。核分裂性物質より成る燃料ペレット１４０は、原子炉の核反応を発生させる元である。炉心で発生した熱を抽出して有用な仕事を発生させるために、水や、ホウ素および他の冷却材添加物を含む水などの液体減速材／冷却材が、炉心内の燃料集合体を通って上向きに圧送される。ペレット１４０を取り囲む被覆１４６は、核分裂生成物が冷却材に流入して原子炉系を汚染するのを防ぐ障壁の役目を果たす。

核分裂プロセスを制御するために、多数の制御棒１４８が、燃料集合体１１０の所定位置にある案内シンブル１１８内を往復移動可能である。案内シンブルのセル位置１２４を図２に具体的に示してある。ただし、計装管１３８が入る中央位置は除く。具体的には、上部ノズル１１６の上方に位置する棒クラスタ制御機構１５２が、複数の制御棒１４８を支持する。この制御機構は、内部にねじ溝がある円筒状のハブ部材１５４から複数の鉤またはアーム１５６が放射状に延びる、一般にスパイダと称される形をしたものである。各アーム１５６は制御棒１４８に相互接続されており、これにより、制御棒機構１５２は、全て公知の態様で、制御棒ハブ１５４に結合された制御棒駆動シャフトの駆動力により、制御棒を案内シンブル１１８内で垂直方向に移動させて、燃料集合体１１０内の核分裂プロセスを制御する。

図１Ｂに示すのは、図１Ａの燃料集合体１１０の一部であり、燃料棒１２２はグリッド１２０により互いに離隔した関係に保持されている。図１Ｂに示すように、複数のグリッド１２０のうちの１つのグリッドの上面に、混合翼８９が取り付けられている。混合翼８９は、例えば領域９１内で乱流を引き起こす。

当技術分野で、様々な設計の支持グリッド、スペーサおよびミキサーが公知である。本発明は、これら特定の設計に制限されることなく、様々な設計に対して同様に適用できる。例として、支持グリッドの設計代案を図３〜１７に示す。

図３、５に示すように、支持グリッド２６は、フレーム組立体４０と１つ以上の概して円筒形の管状部材５０とを含む。フレーム組立体４０は、セル壁４３によって画定される複数のセル４２を含む。各セル４２は、文字「ｗ」で示す幅を有する。一実施態様において、セル４２およびセル壁４３は、複数の実質的に平坦な細長いストラップ部材４４から構成され、同部材は、２つの連結されたセット、すなわち垂直セット４６および水平セット４８として配置される。ストラップ部材４４の垂直および水平セット４８は、概して直交関係にある。さらに、各セットのストラップ部材４４は概して等間隔に離隔している。この構成では、ストラップ部材４４は概ね正方形のセル４２Ａを形成する。したがって、各セル４２Ａは、互いに直交し、セル４２Ａの角を貫通する２つの斜交軸「ｄ１」および「ｄ２」、ならびに、互いに直交し、セル４２Ａの中心を貫通し、セル壁４３と直角に交わる２つの鉛直軸「ｎ１」および「ｎ２」を有する。２つの鉛直軸が貫通するセル壁４３上の点は、セル壁４３とセル４２の中心との間の最接近点「ｃｐ」である。図４に示すように、フレーム組立体４０は文字「ｈ」で示す高さを有し、この高さは、フレーム組立体４０の幅または長さよりも実質的に短い。さらに、フレーム組立体４０は頂部側面４７および底部側面４９を有する。本発明のストラップ部材４４は、ばねおよびディンプル等の突起を含まないことに留意されたい。追加的な支持構造がないことで、フレーム組立体４０の構築が非常に容易となる。

支持グリッド２６の管状部材５０を図５および図６に示す。管状部材５０は少なくとも１つのらせん溝付き部分または燃料棒接触部分５２、セル接触部分５４、およびそれらの間に位置する遷移部分５６を含む。図５〜図７に示すように、管状部材５０には４つの燃料棒接触部分５２があり、これが好ましい実施形態である。その他の構成については以下で論じる。セル接触部分５４は、セル幅と概ね等しい大きめの直径を有し、セル４６とぴったり係合するように構成されている。燃料棒接触部分５２は、当該燃料棒２８の直径と概ね等しい小さめの直径を有する。したがって、管状部材５０をセル４２内に配置することができ、燃料棒２８を管状部材５０内に配置可能である。好ましい実施形態では、管状部材５０は均一の厚さを有する材料から作られる。したがって、らせん状燃料棒接触部分５２は、管状部材５０の外側面とセル壁４３との間に外側通路６０を画定する。また、セル接触部分５４は燃料棒２８から離隔しており、内部通路６２を画定する。外部通路６０または内部通路６２のいずれかを通って流れる水は、らせん状燃料棒接触部分５２の形状による影響を受けて、撹拌される。

管状部材５０は、ピッチの度合いを任意に設定できる任意数のらせん状燃料棒接触部分５２を有するように構成可能である。例えば図８に示すように、管状部材５０は、管状部材５０の周囲３６０度に延在する単一のらせん状燃料棒接触部分５２を有する。図９に示す管状部材５０は、それぞれが管状部材５０の周囲１８０度に延在する２つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する。図１０に示す管状部材５０は、それぞれが管状部材５０の周囲３６０度に延在する２つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する。前述のように、図６に示す管状部材５０は、それぞれが管状部材５０の周囲９０度に延在する４つのらせん状燃料棒接触部分５２を有する。好ましくは、らせん状燃料棒接触部分５２は管状部材５０の周囲に等間隔に配設されるが、これは必須条件ではない。

上記の例は、或る数（Ｎ）のらせん状燃料棒接触部分５２、および３６０度または３６０度の倍数に等しい角変位（Ａ）を使用している。この構成は特に正方形のセル４２Ａに使用するためのものである。すなわち、セル接触部分５４は、セル壁４３上の最接近点でのみセル壁４３に接触する。他の点、例えばセル４２Ａの角では、管状部材５０の大きめの直径部分、すなわちセル接触部分５４は、セル壁４３に接触しない。したがって、図７に最もよく示されるように、４つの等間隔のらせん状燃料棒接触部分５２がそれぞれ管状部材５０の周囲９０度に延在する場合、対応する４つのセル接触部分５４はそれぞれらせん状燃料棒接触部分５２の間に位置する。管状部材５０とセル壁４３との間の接触表面積を最大にするために、管状部材５０は、各らせん状燃料棒接触部分５２がセルの頂部側面４７で或る斜交軸と概ね一直線になり、セルの底部側面４９で別の斜交軸と一直線になるように配置される。この配向では、セル接触部分５４は、頂部側面４７および底部側面４９でセル壁４３の最接近点と一直線になる。同様の構成を、任意の形状のセル４２で実現することができる。すなわち、らせん状燃料棒接触部分５２の数（Ｎ）をセル４２に対する側面の数（Ｓ）に等しくし、角変位（Ａ）を３６０度／Ｓにするのが好ましい。したがって、管状部材は、各らせん状燃料棒接触部分５２がセルの頂部側面４７でセル４２の角を通る或る軸と概ね一直線になり、セルの底部側面４９でセル４２の角を通る別の軸と一直線になるように配置可能である。したがって、セル接触部分５４は、頂部側面４７および底部側面４９でセル壁４３の最接近点と一直線になる。

他の実施形態では、フレーム組立体４０は、複数の結合された管状フレーム部材７０によって画定される複数の円筒状セル４２Ｂを含む。図１１に示すように、フレーム組立体４０が複数の管状フレーム部材７０で高密度に充填されるようにしてもよいが、図１２に示すように、管状フレーム部材７０を整列したパターンにする方が好ましい。すなわち、管状フレーム部材７０は、各々が周囲を９０度の間隔で囲まれるように相互に結合される。管状部材５０は、円筒形セル４２Ｂ内に配置される。図１３に示すように、管状部材５０と円筒形セル４２Ｂとの組み合わせでは、燃料棒２８と管状部材５０との間に内部通路６２が、また、管状部材５０と管状フレーム部材７０との間に外部通路６０が再度形成される。管状フレーム部材７０の円筒形セル４２Ｂは、セル接触部分５４全体がセル壁４３に当接するという別の利点を有する。すなわち、円筒形セル４２Ｂの直径はセルの幅と同じであり、これは最接近点と同じであるため、セル接触部分５４はセル壁４３の高さ全体に沿ってセル壁４３と係合することになる。これとは異なり、正方形セル４２Ａは、セル接触部分５４が角においてセル壁４３に接触しない。

図１４に示す他の実施形態では、管状部材５０と管状フレーム部材７０の機能が、らせん状フレーム部材８０に組み込まれている。すなわち、フレーム組立体４０は、マトリックス・パターンに配置された複数のらせん状フレーム部材８１を含む。らせん状フレーム部材８０は、管状部材５０と同様に、少なくとも１つのらせん状燃料棒接触部分５２を含む。しかしながら、セル接触部分５４の代わりに、らせん状フレーム部材８０の外側面が、隣接するらせん状フレーム部材８０の接触部分５５に直接結合される構成の接触部分５５となっている。フレーム組立体４０の管状フレーム部材７０の実施形態と同様に、らせん状フレーム部材８０は、各々が周囲を９０度の間隔で囲まれるように相互に結合される。また、この実施形態では、フレーム組立体４０は好ましくは、複数のらせん状フレーム部材８１の周囲部に延在する複数の外側ストラップ８２を含む。外側ストラップ８２は、複数のらせん状フレーム部材８１の外側縁部に位置するらせん状フレーム部材８０の接触部分５５に結合される。燃料棒２８は、少なくとも１つのらせん状フレーム部材８０を貫通するように配置される。

図１３に最もよく示されるように、断面で見ると、管状部材５０の各部、すなわち、らせん状燃料棒接触部分５２、セル接触部分５４および遷移部分５６は、好ましくは滑らかな曲線状である。この構成は、管状部材５０に圧縮性のバネに似た性質を与える。しかしながら、図１５に示すように、セル接触部分５４を平坦で長い辺又はプラットフォーム９０にすることができる。プラットフォーム９０は、セル壁４３と係合する大きな表面積を提供する構成である。プラットフォーム９０を長くすると、遷移部分５６を急な曲げにする必要がある。同様に、図１６に示すように、らせん状燃料棒接触部分５２は、燃料棒２８の周囲に放射状に延在する凹形プラットフォーム９２を有する。前述のように、凹形プラットフォーム９２を長くすると、遷移部分５６に急な曲げをもたせる必要がある。管状部材５０は、セル接触部分５４のところにプラットフォーム９０を、また、らせん状燃料棒接触部分５２のところに凹形プラットフォーム９２を有する。最後に、管状部材５０は、概ね平坦な遷移部分５６が角度を付けた端部９４を備えるように構成することも可能である。図１７に示すように、この実施形態では、水平断面図に見る遷移部分５６は概ね平坦である。燃料棒接触部分５２がらせん状であるため、遷移部分５６はフレーム組立体４０の高さ方向では平坦でないことが分かる。

本発明の組成物は、次の一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物を含む。

Ｍ_ｎ＋１ＡＸ_ｎ （Ｉ）

ここに、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素（Ｃ）または窒素（Ｎ）、ｎは１〜３の範囲の整数である。これらの三元化合物は、ＭＡＸ相化合物と称される。或る特定の実施態様において、Ｍは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ならびにそれらの混合物および組み合わせを含む。また、或る特定の実施態様において、Ａは、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、スズ（Ｓｎ）、ならびにそれらの混合物および組み合わせから成る。したがって、或る特定の実施態様において、本発明に係る三元化合物は、Ｔｉ_２ＡｌＣ、Ｔｉ_３ＡｌＣ_２、Ｔｉ_４ＡｌＮ_３、Ｔｉ_２ＳｉＣ、Ｔｉ_３ＳｉＣ_２、Ｔｉ_３ＳｎＣ_２、Ｚｒ_２ＡｌＣ、Ｚｒ_２ＴｉＣ、Ｚｒ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_３ＳｉＣ_２、（Ｚｒ_ｘＮｂ_１−ｘ）_２ＡｌＣ（ｘはゼロより大きく１より小さい）、ならびにそれらの混合物および組み合わせから成る。

本発明で使用される一般化学式Ｉの適切な化合物は、理論密度の８５％を超える密度を有し、好ましくは理論密度の９５％を超える密度を有する。さらに、或る特定の実施態様において、三元化合物は化学量論的に、Ｍ成分とＡ成分とＸ成分のモル比（Ｍ：Ａ：Ｘ）が２：１：１または２：１：２または４：１：３である。すなわち、ｎは１、２または３に等しい。

或る特定の実施態様において、本発明の組成物は、炭化物（Ｘが炭素）、窒化物（Ｘが窒素）、または炭化物と窒化物の混合物もしくは組み合わせ（Ｘが炭素と窒素の組み合わせの混合物）を含むことができる。

一般化学式Ｉに基づく三元化合物は、ジルコニウム合金と同様の材料強度（例えばヤング係数）を示し、高温において強度を保つことができる。例えば、Ｔｉ_２ＡｌＣの降伏強度は約７００ＭＰａであり、これはインコネル７１８の降伏強度の約半分であるが、Ｓｎが１％およびＮｂが０．７％の典型的なジルコニウム合金の降伏強度の２倍である。さらに、本発明に基づく適切な三元化合物は、十分な延性、弾性および小さな中性子吸収断面積のうちの１つ以上の特性を示す。また、本発明に基づく三元化合物を使用すれば、水素発生量が減るので、三元化合物およびそれに由来する物品は、ジルコニウム合金に比べて水素が誘起する脆化が起こりにくい。さらに、一般化学式Ｉに元素ＭおよびＡが存在することにより、基質中に金属間化合物が形成され、三元化合物の最大ひずみまたは最大伸びが増加すると考えられる。

原子炉の炉心内で、ＳｉＣ製の被覆ならびにＭＡＸ相化合物製のグリッド、グリッド・ストラップおよび一体型フローミキサー等の物品を組み合わせることにより、炉心からジルコニウムを少なくとも実質的に、場合によっては完全に取り除くことが可能となり、原子燃料の事故耐性を一層高めることができる。

原子炉燃料集合体向けの、本発明に係る三元化合物を含む組成物製のグリッド、グリッド・ストラップおよび混合翼等の物品は、当技術分野で公知の従来の手法によって製造できる。そのような手法の非限定的な例として、一軸加圧式または等方圧式の熱間プレス法、積層造形法、電界支援焼結法、および冷間プレスの後に従来の焼結を施す方法が挙げられる。

或る特定の実施態様では、例えば、ビームを標的領域に放射するための選択可能なレーザーまたは他の有向エネルギー源と、粉末を標的領域に堆積させるための粉末投与装置と、レーザービームの照準を移動させ、レーザーを変調して、標的領域に投与し形成した粉末の層を選択的に焼結するためのレーザー制御機構とを含む装置を使用した、従来の常圧焼結法によって物品を製造することができる。この制御機構は、規定の境界内にある粉末だけを選択的に焼結して、所望の物品の層を生成するように動作する。この制御機構は、連続的な粉末の層を選択的に焼結して、相互に焼結した複数の層から成る完成品を生成するようにレーザーを作動させる。

三元化合物は、機械的粉砕など従来の方法で粉末にすることができる。

制御機構は、各層の規定の境界を決定するためのＣＡＤ／ＣＡＭシステムなどのコンピュータを含むのが好ましい。すなわち、コンピュータは、例えばグリッド、グリッド・ストラップ、一体型フローミキサーなどの物品の全体的な寸法および形状を勘案して、各層の規定の境界を決定し、その境界に基づいてレーザー制御機構を作動させる。あるいは、各層の規定の境界を用いて、コンピュータを初期的にプログラムすることができる。焼結装置および方法は、概して当技術分野で公知である。本発明による使用に好適な装置および方法は、参照によって全体として本明細書に組み込まれる米国特許第４，８６３，５３８号に開示されている。

本発明の或る実施態様では、一般化学式Ｉで表される１つ以上の三元化合物を焼結プロセスに用いて（例えば層形成）、グリッド、グリッド・ストラップ、一体型フローミキサーなどの物品を製造する。１つ以上の三元化合物は粉末状であり、前述のように標的領域に堆積させる。このプロセスでは、レーザーによって（一般化学式Ｉの）第１の三元化合物粉末からなる層を選択的に焼結し、さらにレーザーによって連続的な粉末の層を選択的に焼結することにより、相互に焼結し複数の層から成る完成品を生成するように制御を行う。連続的な各層は、第１の三元化合物粉末を含むことができる。あるいは、連続的な各層として、第１の三元化合物粉末の層と（一般化学式Ｉの）別の第２の三元化合物粉末の層とが交互に重なるようにすることも可能である。

さらに別の材料または粉末を、１つ以上の三元化合物と混合するまたは組み合わせることによって、本発明に基づく組成物を生成することができる。

一実施態様において、グリッドはレーザーまたは電子ビームを用いた焼結によって製造可能であり、このプロセスではまず、３次元ＣＡＤファイルを数理的に薄切りの２次元断面に分割し、一度に１層ずつ構築してグリッドを完成させる。したがって、グリッドは１層ごとのプロセスの積み重ねにより構築できる。すなわち、グリッドは、累積すると三次元構成のグリッドが完成する複数の個別の断面領域から成るとみなすことができる。個別の断面領域はそれぞれ２次元の境界を規定する。

図１８は、レーザー２１２、粉末投与器２１４およびレーザー制御手段２１６を含む焼結装置２１０の概略を示す。さらに詳しくは、粉末投与器２１４は、粉末２２２を受け取るためのホッパー２２０に排出口２２４が付いたものである。排出口２２４は、粉末を標的領域２２６へ投与する方向を向いており、図１８において標的領域は、閉じ込め構造体２２８によって概ね画定されている。粉末２２２を投与するための代替方法が多数あるのは、当然考えられることである。本発明に従って、粉末２２２は、１つまたは２つ以上の一般化学式Ｉの炭化物および／または窒化物の組み合わせを含む。

レーザー２１２の構成要素には、図１８に概略的に示すように、レーザーヘッド２３０、安全シャッター２３２およびフロントミラー組立体２３４が含まれる。使用するレーザーのタイプは、多くの要因に左右されるが、特に焼結する粉末２２２の種類に依存する。一般に、レーザー２１２から出力されるレーザービームは、赤外線付近の波長を有する。パルスモードと連続モードのいずれにおいても、レーザー２１２をオンまたはオフに変調することにより、図１８に矢印で示す経路に概ね沿って進行するレーザービームを選択的に生成することができる。

レーザービームの焦点を合わせるために、図１８に示すように、レーザービームの進行経路に沿って発散レンズ２３６と収束レンズ２３８が配置されている。レーザー２１２と収束レンズ２３８の間に配置された発散レンズ２３６は、発散レンズ２３６とレーザー２１２の間に仮想焦点を作り出す。収束レンズ２３８と仮想焦点の間の距離を変えることにより、レーザー２１２から離れた収束レンズ２３８側にある真の焦点をレーザービームの進行経路に沿って制御できる。光学分野では多くの進歩があり、レーザービームの焦点を既知の位置に効率的に合わせるための代替手段が多数あることが確認されている。

レーザー制御手段２１６は、コンピュータ２４０および走査装置２４２を含む。好ましい実施態様において、コンピュータ２４０は、レーザー２１２を制御するためのマイクロプロセッサと、データを生成するためのＣＡＤ／ＣＡＭシステムとを含む。図１８に示す実施態様は、パーソナル・コンピュータを使用している。

図１８に示すように、走査装置２４２は、レーザービームの進行方向を変えるためのプリズム２４４を含む。走査装置２４２はまた、１対のミラー２４６、２４７を含み、各ミラーは、対応する検流計２４８、２４９によって駆動される。関数発生器駆動装置２５０が検流計２４８の移動を制御するが、それにより、レーザービーム（図１８の矢印で表す）の照準を標的領域２２６内で制御できる。駆動装置２５０は、図１８に示すように、コンピュータ２４０に作動的に接続されている。走査装置２４２には、音響光学スキャナ、回転多角形ミラーおよび共鳴ミラースキャナといった代替の走査方法が利用できる。

図１９は、部品２５２の一部の概略図であり、４つの層２５４〜２５７を示している。レーザービーム２１２の照準は、ラスタ走査パターン２６６となるように指向される。ここでの「照準」は、中立的な用語として指示方向の意味で使用しており、レーザー２１２の変調状態を示すものではない。本発明に基づいて、層２５４は（一般化学式Ｉの）第１の三元化合物粉末を含むことができ、層２５５は（一般化学式Ｉの）別の第２の三元化合物粉末を含むことができ、層２５６は当該第１の化合物粉末を含むことができ、層２５７は当該別の第２の三元化合物粉末を含むことができる。

粉末２２２の第１の部分を標的領域２２６に堆積させ、レーザービーム２１２によって選択的に焼結させることで、第１の焼結層２５４を形成させる（図１９）。第１の焼結層２５４は、所望のグリッドの第１の断面領域に対応する。レーザービームは、規定の境界内に堆積した粉末２２２のみを選択的に焼結する。このプロセスを１層ごとに繰り返し、個々の層を相互に焼結させることにより、例えば図１９の部品２５２のような結束したグリッドを形成させる。

物品の寸法は、一般に様々である。或る特定の実施態様において、グリッドまたはグリッド・ストラップの厚さ（例えば焼結プロセスの連続層）は、約０．０１５インチから約０．０３５インチの間とすることができる。高さは、約０．４５インチから約２．２５インチの間とすることができる。幅は、約７インチから約１５インチの間とすることができる。

或る特定の実施態様において、本発明に基づいて製造されたグリッドまたはグリッド・ストラップに、特製の型を用いる打ち抜き加工を施すことにより、燃料グリッドの組み立てに使用するパターンを作ることができる。打ち抜き加工は、当技術分野で周知の従来の装置、技術および方法を用いて実施することができる。

さらに、本発明に基づいて製造したグリッド・ストラップは、通常の技量を有する当業者にとって公知の従来の装置、技術および方法を用いた溶接またはろう付けによって、互いに接合することができる。ろう付け材には、銅、銅・亜鉛合金、銅・亜鉛・ニッケル合金、ニッケル・クロム・リン合金、ニッケル・銀合金および銀合金が含まれるが、これらに限定されない。さらに、レーザーまたは電子ビームを使用して、グリッド・ストラップを互いに溶融接合することができる。

本発明の特定の実施態様について詳しく説明してきたが、当業者は、本開示書全体の教示するところに照らして、これら詳述した実施態様に対する種々の変更および代替への展開が可能である。したがって、ここに開示した特定の実施態様は説明目的だけのものであり、本発明の範囲を何らも制約せず、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲に記載の全範囲およびその全ての均等物である。

Claims (20)

1. 原子炉用の燃料集合体（１１０）であって、
   下部ノズル（１１２）と上部ノズル（１１６）の間に互いに平行離隔関係に支持された複数の細長い原子燃料棒（１２２）のアレイと、当該上部ノズル（１１６）と当該下部ノズル（１１２）の間に当該燃料棒（１２２）の軸方向に沿って互いに縦列離隔関係に配置された複数のグリッド（１２０）とを含み、当該互いに縦列離隔関係に配置された複数のグリッド（１２０）またはその一部もしくは部品は一般化学式
   Ｍ_ｎ＋１ＡＸ_ｎ （Ｉ）
   で表される１つ以上の三元化合物を含む組成物から作られており、ここに、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素および窒素から成る群より選択された元素、ｎは１〜３の範囲の整数である
   ことを特徴とする燃料集合体（１１０）。
2. Ｍが、チタン、ジルコニウムおよびニオブから成る群より選択される、請求項１の燃料集合体（１１０）。
3. Ａが、アルミニウム、ケイ素およびスズから成る群より選択される、請求項１の燃料集合体（１１０）。
4. 前記１つ以上の三元化合物が、Ｔｉ_２ＡｌＣ、Ｔｉ_３ＡｌＣ_２、Ｔｉ_４ＡｌＮ_３、Ｔｉ_２ＳｉＣ、Ｔｉ_３ＳｉＣ_２、Ｔｉ_３ＳｎＣ_２、Ｚｒ_２ＡｌＣ、Ｚｒ_２ＴｉＣ、Ｚｒ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_２ＳｎＣ、Ｎｂ_３ＳｉＣ_２、および（Ｚｒ_ｘＮｂ_１−ｘ）_２ＡｌＣ（ただしｘはゼロより大きく、１より小さい）から成る群より選択される、請求項１の燃料集合体（１１０）。
5. ＭとＡとＸのモル比が、２：１：１、３：１：２および４：１：３から成る群より選択することができる、請求項１の燃料集合体（１１０）。
6. 前記１つ以上の三元化合物のそれぞれが理論密度の８５％を超える密度を有する、請求項１の燃料集合体（１１０）。
7. 前記１つ以上の三元化合物のそれぞれが理論密度の９５％を超える密度を有する、請求項１の燃料集合体（１１０）。
8. １つ以上の前記複数のグリッド（１２０）の表面にパターンが打ち抜かれた、請求項１の燃料集合体（１１０）。
9. １つ以上の前記互いに縦列離隔関係に配置された複数のグリッド（１２０）にグリッド・ストラップ（１２８、１３０）、一体型フローミキサー（８９）およびそれらの組み合わせから成る群より選択された部品が取り付けられている、請求項１の燃料集合体（１１０）。
10. 前記燃料集合体（１１０）が、加圧水型原子炉、沸騰水型原子炉および重水炉から成る群より選択された水冷式原子炉において使用される、請求項１の燃料集合体（１１０）。
11. 原子炉燃料集合体用の支持グリッド（１２０）、グリッド・ストラップ（１２８、１３０）および一体型フローミキサー（８９）から成る群より選択された物品を製造する方法であって、
    一般化学式Ｉ
    Ｍ_ｎ＋１ＡＸ_ｎ （Ｉ）
    において、Ｍは遷移金属、Ａは元素周期表のＡ族元素から成る群より選択された元素、Ｘは炭素および窒素から成る群より選択された元素、ｎは１〜３の範囲の整数であることを特徴とする１つ以上の三元化合物から成る粉末状の組成物を提供することと、
    当該組成物を、熱間プレス、積層造形、焼結、冷間プレスおよびそれらの組み合わせから成る群より選択されたプロセスで加工すること
    から成る方法。
12. 請求項１１の方法であって、
    前記化学式Ｉで表される第１の三元化合物から成る第１の粉末組成物、および前記化学式Ｉで表される別の第２の三元化合物から成る第２の粉末組成物を提供することと、
    当該第１の粉末組成物（２２２）の第１の部分を標的領域（２２６）に堆積させることと、
    当該標的領域（２２６）の表面を、レーザー（２１２）ビームを放射する指向性エネルギー源によって走査することと、
    前記物品の第１の断面領域に対応する、当該第１の粉末組成物（２２２）の部分の第１の層（２５４）を焼結することと、
    当該第２の粉末組成物の第２の部分を当該第１の焼結層（２５４）に堆積させることと、
    当該指向性エネルギー源（２１２）によって当該第１の焼結層（２５４）を走査することと、
    前記物品の第２の断面領域に対応する、当該第２の粉末組成物の部分の第２の層（２５５）を焼結することと、
    当該第２の層（２５５）を焼結する際に当該第１の層（２５４）と当該第２の層（２５５）を結合させることと、
    前に焼結させた層の上に当該第１の粉末組成物の部分と当該第２の粉末組成物の部分を順次交互に堆積させ、各部分を順次焼結させて、複数の層が順次前に焼結させた層に焼結された物品を製造すること
    とから成る方法。
13. ３次元ＣＡＤファイルを使用し、それを数理的に薄切りの２次元断面に分割することをさらに含む、請求項１２の方法。
14. 製造される前記物品がグリッド・ストラップ（１２８、１３０）である、請求項１２の方法。
15. １つ以上のグリッド・ストラップ（１２８、１３０）が、溶接、ろう付けおよび溶融から成る群より選択されたプロセスによって相互に結合される、請求項１４の方法。
16. 前記ろう付けの材料が、銅、銅・亜鉛合金、銅・亜鉛・ニッケル合金、ニッケル・クロム・リン合金、ニッケル・銀合金および銀合金から成る群より選択される、請求項１５の方法。
17. レーザーまたは電子ビームを使用して前記溶融を施す、請求項１４の方法。
18. 製造される前記物品がグリッド全体の構造体（１２０）である、請求項１２の方法。
19. 前記指向性エネルギー源がレーザーである、請求項１２の方法。
20. 前記グリッド・ストラップ（１２８、１３０）が、常圧焼結、熱間プレスおよびそれらの組み合わせから成る群より選択されたプロセスによって製作される、請求項１１の方法。