JP7291173B2 - 燃料集合体のための燃料要素を備える装置 - Google Patents
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Description
本願は、米国仮特許出願第62/210,609号(発明の名称「複数のスミア密度の燃料を有する燃料要素」、2015年8月27日出願)の優先権を主張するものである。上記米国仮特許出願は、開示し教示する全てについて本願に具体的に援用される。
本発明は、概括的には、核分裂炉の燃料要素のような、高性能燃料要素を製造するためのシステムおよび方法に関する。
本開示は、特に、増殖燃焼炉のような高速炉に関する核分裂炉および燃料要素に関する。特に、本開示は、管状の燃料要素に関し、該管状の燃料要素では、長手方向の軸に垂直な断面に関して、内側の総面積に対する核分裂可能な核燃料の面積の比(すなわちスミア密度)は、上記燃料要素の上記長手方向の軸に沿った位置によって変化する。この長手方向の変化により、燃焼度(burn-up)の限界に対し、動作プロファイル、歪み(歪み)の分布、および燃焼度の分布のうちの1つ以上を改善することができる。
以下の説明では、特定の構造および/または方法が参照される。しかし、以下の参照は、上記構造および/または上記方法が従来技術を構成することを認めるものと解釈されるべきではない。出願人は、上記構造および/または方法が本発明に対する従来技術として適格でないことを例示する権利を明示的に留保する。
クラッドおよび燃料集合体に付与される歪みは、燃料要素の燃焼度の上限に影響を及ぼす。高温および高放射線の環境では、燃料が膨潤し、上記クラッドに経時的に歪みが付与される可能性がある。クラッドの破損に関連する時間、圧力、および温度の条件は、歪みの限界を作り出す。歪みは時に「燃焼度」と類比される。なぜならば、燃料の燃焼度が高温を作り出し、燃料の膨張に寄与する条件を作り出すからである。歪みおよび/または燃焼度の限界は、典型的には、最大の中性子束を経た燃料によって設定される。
図1Aは、高速原子炉コアを有する一例の核分裂炉を示す。
以下の詳細な説明において、本明細書の一部を形成している添付の図面に対して言及される。当該図面において、文脈が他のことを指示している場合を除いて、異なる図面における類似の記号または同一の記号の使用は、通常、類似の項目または同一の項目を意図している。
スミア密度(%)=(AreaFuel/AreaInterior Cross-Section)×100。
図24に示される燃料核種の平衡サイクル分布のプロットは、上記燃料要素のスミア密度が長手方向の軸に沿った位置で変化している原子炉における長手方向の位置に対する燃焼度(単位:%FIMA(初期金属原子あたりの核分裂量))に関連する。プロファイル1900が表示するコサインのような分布は、燃料要素の長手方向の長さにわたる実際燃焼度の分布であり、長手方向の位置が約5.5である場合に25%FIMAの最大値となる。この長手方向の長さにわたる燃焼度の分布が、同じ長手方向の長さにわたるスミア密度の変化に反映され、区域1~3のスミア密度が区域9~12のスミア密度よりも高くなり、区域9~12のスミア密度が中央の区域4~8のスミア密度よりも高くなる。均一なスミア密度を有する従来の原子炉の基準プロファイル1800と比較すると、プロファイル1900は、最大燃焼度が低減され(30%FIMAと比較して25%FIMA)、広域の最大値が全体的に低減されている。また、図23の基準プロファイル1800と比較すると、図29のプロファイル1900は、第1の長手方向端部(図24の1940であり、その位置は長手方向の位置1である。図23の対応する第1の長手方向端部は1840であり、その位置は長手方向の位置1である。)の方にシフトして、第1の長手方向端部における燃焼度が増加し、第2の長手方向端部(図24の1950であり、その位置は長手方向の位置12である。図23の対応する第2の長手方向端部は1850であり、その位置は長手方向の位置14である。)における燃焼度は減少し、その結果、上記燃料要素の全体の燃焼度が増加し、上記燃料要素全体による全体的かつ潜在的な燃焼度がより良好に満たされる。図23の基準プロファイル1810は、上記燃料要素の燃焼度限界の最大許容値を示している。プロファイル1800の燃焼度と基準プロファイル1810の燃焼度限界との差は、領域1820aおよび1820bによって表され、利用可能であるが使用されていない燃料の量を表し、従来の原子炉の効率(上記燃焼度と上記燃焼度限界との間の領域が小さいほど、システムは効率的である)に関する。図24では、プロファイル1900の燃焼度と基準プロファイル1910の燃焼度限界との差は、領域1920によって表される。領域1920は、特に、上記燃料要素における第1の長手方向端部から上記長い燃料要素の長手方向中央部を通るまでの部分において、(図23に示される領域1820a・1820bに対して)縮小される。プロファイル1900の燃焼度と基準プロファイル1910の燃焼度限界との間の差が減少することにより、上記燃料要素のスミア密度が長手方向の軸に沿った位置によって変化する原子炉が、均一なスミア密度を有する従来の原子炉よりも燃料の利用効率が高いことが示される。
燃料集合体のための燃料要素を備える装置であって、
該燃料要素は、管状の内側容積を有し、かつ、該管状の内側容積の少なくとも一部に核分裂性組成物を貯蔵し、
前記核分裂性組成物は、前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、スミア密度プロファイルによって定義され、
該スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の長手方向の軸に沿う位置に応じて選択的に変化し、かつ、局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域を含み、
前記局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域は、局所的に減少した中性子束を有する少なくとも1つの領域に対応するように配置される装置。
前記スミア密度プロファイルは、局所的に増加したスミア密度を有する複数の領域を含み、前記局所的に増加したスミア密度を有する複数の領域は、局所的に減少した中性子束を有する複数の領域に対応する、態様1に記載の装置。
前記スミア密度プロファイルは逆ガウス形状に近似する、態様1に記載の装置。
前記スミア密度プロファイルはステップ関数に従って変化する、態様1に記載の装置。
前記スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の第1の端部の方が、前記燃料要素の反対側の第2の端部よりも高い、態様1に記載の装置。
前記燃料要素の前記第1の端部は、燃料集合体内の冷却剤入口地点に近接し、前記燃料要素の前記反対側の第2の端部は、前記燃料集合体の冷却剤出口地点に近接する、態様5に記載の装置。
前記燃料要素の前記スミア密度は、前記長手方向の軸の第1の端部または第2の端部の何れかよりも、前記長手方向の軸の中央部の方が低い、態様1に記載の装置。
前記燃料要素は、少なくとも3つの部分を備え、
第1の部分は、前記燃料要素の第1の長手方向端部に近接し、第3の部分は、前記燃料要素の第2の長手方向端部に近接し、かつ、第2の部分は、第1の部分および第3の部分の間であり、
前記第1の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の平均スミア密度よりも大きく、かつ、
前記第3の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の前記スミア密度よりも大きいことを特徴とする、態様1に記載の装置。
前記第3の部分の前記平均スミア密度は、前記第2の部分の前記平均スミア密度よりも小さい、態様8に記載の装置。
燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素の長手方向の軸に沿って燃料歪みをモデル化するステップと、
モデル化された燃料歪みを相殺するために、局所的に減少した歪みの少なくとも1つの領域が、局所的に増加したスミア密度の領域に対応するように、前記燃料要素の長手方向の軸に沿ってスミア密度プロファイルをモデル化するステップと、
前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、モデル化されたスミア密度プロファイルに基づくスミア密度を有する核分裂可能な組成物を貯蔵する管状の内側容積を有するように、前記燃料要素を構成するステップとを含む方法。
前記スミア密度プロファイルにより、前記燃料要素の前記長手方向の軸に沿った複数の位置において平均燃焼度が増加する、態様10に記載の方法。
モデル化されたスミア密度は、逆ガウス形状に近似している、態様10に記載の方法。
前記燃料要素のスミア密度は、前記燃料要素の第1の端部の方が、前記燃料要素の反対側の第2の端部よりも高い、態様10に記載の方法。
前記燃料要素の前記第1の端部は、燃料集合体内の冷却剤入口地点に近接し、前記燃料要素の前記反対側の第2の端部は、前記燃料集合体の冷却剤出口地点に近接する、態様13に記載の方法。
前記燃料要素は、少なくとも3つの部分を備え、
第1の部分は、前記燃料要素の第1の長手方向端部に近接し、第3の部分は、前記燃料要素の第2の長手方向端部に近接し、かつ、第2の部分は、前記第1の部分および第3の部分の間であり、
前記第1の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の平均スミア密度よりも大きく、かつ、
前記第3の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の前記平均スミア密度よりも大きいことを特徴とする態様10に記載の方法。
前記モデル化されたスミア密度プロファイルは、前記燃料要素内の中性子束の減少領域に対応するスミア密度の増加領域を含む、態様10に記載の方法。
前記燃料要素を構成するステップは、前記モデル化された燃料歪みを相殺するために、前記長手方向の軸に沿って可変であるクラッド厚さを有するように前記燃料要素を構成するステップを含む態様10に記載の方法。
燃料要素を製造する方法であって、
クラッドを提供するステップと、
第1の平均スミア密度を有する第1の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における第1の端部部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップと、
第1の平均スミア密度よりも小さい第2の平均スミア密度を有する第2の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における中央部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップと、
第2の平均スミア密度よりも大きい第3の平均スミア密度を有する第3の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における第2の端部部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップとを含む方法。
前記第1の核分裂可能な組成物のスミア密度は、前記第1の端部部分内の減少するステップ関数に従って変化し、かつ、前記第2の核分裂可能な組成物のスミア密度は、前記第2の端部部分内の増加するステップ関数に従って変化する、態様18に記載の方法。
前記第1の端部部分および前記第2の端部部分は、等しい長さであり、前記第1の平均スミア密度は、前記第3の平均スミア密度よりも大きい、態様18に記載の方法。
スミア密度は、前記燃料要素の長さに沿って連続的に変化し、かつ、逆ガウス形状に近似している、態様18に記載の方法。
燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素の長手方向の軸に沿って燃料歪みをモデル化するステップと、
モデル化された燃料歪みを相殺するために、局所的に減少した歪みの少なくとも1つの領域が、局所的に増加したクラッド厚さの領域に対応するように前記燃料要素の前記長手方向の軸に沿ってクラッド厚さプロファイルをモデル化するステップと、
前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、モデル化されたクラッド厚さプロファイルに基づくクラッド厚さを有する核分裂可能な組成物を貯蔵する管状の内側容積を有するように前記燃料要素を構成するステップとを含む方法。
燃料集合体を製造する方法であって、
複数の燃料要素を保持するように構成された燃料ダクト集合体の長手方向の軸に沿って歪みプロファイルを決定するステップと、
前記燃料ダクト集合体内に燃料要素が配置されたときに、前記燃料ダクト集合体の局所的に増加した歪みの領域に空間的に対応する局所的に増加した歪みの領域を含む歪みプロファイルを有する燃料要素を構成するステップとを含む方法。
前記燃料要素を構成するステップは、前記長手方向の軸に沿って可変である、スミア密度プロファイルおよびクラッド厚さプロファイルの少なくとも1つを有するように前記燃料要素を構成するステップを含む、態様23に記載の方法。
燃料要素を製造する方法であって、
均一なスミア密度の燃料要素の長手方向の軸に沿って燃料歪みをモデル化するステップと、
モデル化された燃料歪みを相殺するために、前記燃料要素において決定された動作特性としての中性子束分布に基づいて決定された、前記燃料要素の長手方向の軸に沿った燃料歪みのプロファイルとしての中性子束プロファイルに示される、局所的に減少した中性子束を有する少なくとも1つの領域が、局所的に増加したスミア密度の領域に対応するように、前記燃料要素の長手方向の軸に沿ってスミア密度プロファイルをモデル化するステップと、
前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、モデル化されたスミア密度プロファイルに基づくスミア密度を有する核分裂可能な組成物を貯蔵する管状の内側容積を有するように、前記燃料要素を構成するステップとを含む方法。
前記スミア密度プロファイルにより、前記燃料要素の前記長手方向の軸に沿った複数の位置において平均燃焼度が増加する、態様25に記載の方法。
モデル化されたスミア密度は、逆ガウス形状に近似している、態様25に記載の方法。
前記燃料要素のスミア密度は、前記燃料要素の第1の端部の方が、前記燃料要素の反対側の第2の端部よりも高い、態様25に記載の方法。
前記燃料要素の前記第1の端部は、燃料集合体内の冷却剤入口地点に近接し、前記燃料要素の前記反対側の第2の端部は、前記燃料集合体の冷却剤出口地点に近接する、態様28に記載の方法。
前記燃料要素は、少なくとも3つの部分を備え、
第1の部分は、前記燃料要素の第1の長手方向端部に近接し、第3の部分は、前記燃料要素の第2の長手方向端部に近接し、かつ、第2の部分は、前記第1の部分および第3の部分の間であり、
前記第1の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の平均スミア密度よりも大きく、かつ、
前記第3の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の前記平均スミア密度よりも大きいことを特徴とする態様25に記載の方法。
前記モデル化されたスミア密度プロファイルは、前記燃料要素内の中性子束の減少領域に対応するスミア密度の増加領域を含む、態様25に記載の方法。
前記燃料要素を構成するステップは、前記モデル化された燃料歪みを相殺するために、前記長手方向の軸に沿って可変であるクラッド厚さを有するように前記燃料要素を構成するステップを含む態様25に記載の方法。
クラッドを提供するステップと、
第1の平均スミア密度を有する第1の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における第1の端部部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップと、
第1の平均スミア密度よりも小さい第2の平均スミア密度を有する第2の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における中央部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップと、
第2の平均スミア密度よりも大きい第3の平均スミア密度を有する第3の核分裂可能な組成物を、前記クラッドの内側容積における第2の端部部分内に、前記クラッドの内面と熱伝達接触させて配置するステップとを含む態様25に記載の方法。
前記第1の核分裂可能な組成物のスミア密度は、前記第1の端部部分内の減少するステップ関数に従って変化し、かつ、前記第2の核分裂可能な組成物のスミア密度は、前記第2の端部部分内の増加するステップ関数に従って変化する、態様33に記載の方法。
前記第1の端部部分および前記第2の端部部分は、等しい長さであり、前記第1の平均スミア密度は、前記第3の平均スミア密度よりも大きい、態様33に記載の方法。
スミア密度は、前記燃料要素の長さに沿って連続的に変化し、かつ、逆ガウス形状に近似している、態様33に記載の方法。
Claims (13)
- 燃料集合体のための燃料要素を備える装置であって、
該燃料要素は、管状の内側容積を有し、かつ、該管状の内側容積の少なくとも一部に核分裂性組成物を貯蔵し、
前記核分裂性組成物は、前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、スミア密度プロファイルによって定義され、
該スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の長手方向の軸に沿う位置に応じて選択的に変化する少なくとも5つの異なるスミア密度を含み、かつ、局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域と局所的に減少したスミア密度を有する少なくとも1つの領域とを含み、
前記局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域は、局所的に減少した中性子束を有する少なくとも1つの領域に対応するように配置され、前記局所的に減少したスミア密度を有する少なくとも1つの領域は、局所的に増加した中性子束を有する少なくとも1つの領域に対応するように配置され、
前記スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の第1の端部の方が、前記燃料要素の反対側の第2の端部よりも高い、装置。 - 前記スミア密度プロファイルは、局所的に増加したスミア密度を有する複数の領域を含み、前記局所的に増加したスミア密度を有する複数の領域は、局所的に減少した中性子束を有する複数の領域に対応する、請求項1に記載の装置。
- 前記スミア密度プロファイルは逆ガウス形状に近似する、請求項1に記載の装置。
- 前記スミア密度プロファイルはステップ関数に従って変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記燃料要素の前記第1の端部は、燃料集合体内の冷却剤入口地点に近接し、前記燃料要素の前記反対側の第2の端部は、前記燃料集合体の冷却剤出口地点に近接する、請求項1に記載の装置。
- 前記燃料要素の前記スミア密度は、前記長手方向の軸の第1の端部または第2の端部の何れかよりも、前記長手方向の軸の中央部の方が低い、請求項1に記載の装置。
- 前記燃料要素は、少なくとも3つの部分を備え、
第1の部分は、前記燃料要素の第1の長手方向端部に近接し、第3の部分は、前記燃料要素の第2の長手方向端部に近接し、かつ、第2の部分は、第1の部分および第3の部分の間であり、
前記第1の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の平均スミア密度よりも大きく、かつ、
前記第3の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の前記スミア密度よりも大きいことを特徴とする、請求項1に記載の装置。 - 燃料集合体のための燃料要素を備える装置であって、
該燃料要素は、管状の内側容積を有し、かつ、該管状の内側容積の少なくとも一部に核分裂性組成物を貯蔵し、
前記核分裂性組成物は、前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、スミア密度プロファイルによって定義され、
該スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の長手方向の軸に沿う位置に応じて選択的に変化する少なくとも5つの異なるスミア密度を含み、かつ、局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域と局所的に減少したスミア密度を有する少なくとも1つの領域とを含み、
前記局所的に増加したスミア密度を有する少なくとも1つの領域は、局所的に減少した中性子束を有する少なくとも1つの領域に対応するように配置され、前記局所的に減少したスミア密度を有する少なくとも1つの領域は、局所的に増加した中性子束を有する少なくとも1つの領域に対応するように配置され、
前記燃料要素は、少なくとも3つの部分を備え、
第1の部分は、前記燃料要素の第1の長手方向端部であり、第3の部分は、前記燃料要素の第2の長手方向端部であり、かつ、第2の部分は、第1の部分および第3の部分の間であり、
前記第1の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の平均スミア密度よりも大きく、かつ、
前記第3の部分の平均スミア密度は、前記第2の部分の前記スミア密度よりも大きく、
前記第3の部分の前記平均スミア密度は、前記第1の部分の前記平均スミア密度よりも小さい、装置。 - 燃料要素を備える装置であって、
該燃料要素は、内側容積を有し、かつ、該内側容積の少なくとも一部に核分裂性組成物を有し、
前記核分裂性組成物は、前記燃料要素の内面と熱伝達接触し、かつ、スミア密度プロファイルを有し、
該スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の第1の端部から第2の端部への順に長手方向に配置された、
第1の平均スミア密度を有する、前記第1の端部の第1の部分と、
前記第1の平均スミア密度とは異なる第2の平均スミア密度を有する第2の部分と、
前記第1の平均スミア密度および前記第2の平均スミア密度より小さい第3の平均スミア密度を有する第3の部分と、
前記第3の平均スミア密度より大きい第4の平均スミア密度を有する第4の部分と、
前記第4の平均スミア密度より大きい第5の平均スミア密度を有する第5の部分と、
を含み、
前記第5の平均スミア密度は、前記第1の平均スミア密度より小さく、
前記第5の部分が前記燃料要素の前記第2の端部にあり、
前記燃料要素の前記第1の端部は、前記燃料要素の冷却剤入口地点に近接し、
前記燃料要素の前記第2の端部は、前記燃料要素の冷却剤出口地点に近接する、装置。 - 前記スミア密度プロファイルは逆ガウス形状に近似する、請求項9に記載の装置。
- 前記スミア密度プロファイルはステップ関数に従って変化する、請求項9に記載の装置。
- 前記第2の平均スミア密度が、前記第1の平均スミア密度より小さい、請求項9ないし11のいずれか1項に記載の装置。
- 前記スミア密度プロファイルは、前記燃料要素の中性子束分布を平坦化する、請求項9ないし12のいずれか1項に記載の装置。
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