KR102134939B1 - 핵연료 요소 - Google Patents
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Abstract
연료 집합체 물품은 환형의 핵연료와; 상기 환형 핵연료 외부에 배치된 라이너와; 상기 라이너의 외부에 배치된 클래딩 층을 포함한다. 라이너는 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함할 수 있다. 연료는 적어도 약 90 wt%의 U 및 내화 물질을 포함할 수 있고, 상기 내화 물질은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 연료는 추가의 연소가능한 독물질, 예를 들면 붕소, 가돌리늄 또는 인듐을 포함할 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 교차 참조
이 출원은 2012년 12월 28일자로 출원한 미국 가출원 제61/747,073호 및 2013년 3월 11일자로 출원한 미국 실용신안 출원 제13/794,633호를 우선권 주장하며, 상기 미국 출원들은 여기에서의 인용에 의해 그 전체 내용이 본원에 통합된다.
본 발명은 연료 요소 및 이 연료 요소와 관련된 방법에 관한 것이다.
여기에서 개시되는 실시형태는 연료 요소, 연료 덕트, 연료 집합체 및 이들을 제조 및 이용하는 방법을 포함한다.
전술한 것은 요약(summary)이고 따라서 세부의 단순화, 일반화, 내포 및/또는 생략을 포함할 수 있으며, 이 기술에 숙련된 사람이라면 이 요약이 단순히 예시하는 것이고 어떻게든 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 여기에서 설명한 임의의 예시적인 양태, 실시형태 및 특징에 추가하여, 추가의 양태, 실시형태 및 특징이 첨부 도면 및 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 명백하게 될 것이다. 여기에서 설명하는 장치 및/또는 공정 및/또는 다른 주제의 다른 양태, 특징 및 장점들은 여기에서 개시되는 교시에 의해 명백하게 될 것이다.
숙련된 기술자라면 도면들은 주로 예시 목적이고 여기에서 설명하는 본 발명 주제의 범위를 제한하는 의도가 없다는 것을 이해할 것이다. 도면들은 반드시 정확한 축척으로 작도된 것이 아니고, 일부 예에서는 여기에서 개시되는 본 발명 주제의 각종 양태들이 상이한 특징들의 이해를 돕기 위해 도면에서 과장되거나 확대되어 작도될 수 있다. 도면에 있어서, 동일한 참조 문자들은 일반적으로 동일한 특징(예를 들면, 기능적으로 유사한 및/또는 구조적으로 유사한 요소)을 지시한다.
도 1a 및 도 1b는 예시적인 일 실시형태에서 예시적인 (a) 핵연료 집합체 및 (b) 연료 요소의 도식적 형태에 대한 부분 절개 투시도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 일 실시형태에서 (a) 투시도로 및 (b) 단면도로 보인 연료 요소의 부분 개략도이다.
도 3은 대안적인 예시적 실시형태에서 연료 요소의 부분 개략도이다.
도 4는 예시적인 일 실시형태에서 연료 요소의 각종 컴포넌트들 간의 원자간 확산을 보인 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 일 실시형태에서 제1 연료 요소(52)와 제2 연료 요소(53) 사이에 분리자(separator)(51)를 구비한 연료 집합체의 개략도로서, (a)는 모든 컴포넌트가 서로 접촉되어 있는 상태를 보인 도이고 (b)는 컴포넌트들이 (설명의 목적상) 서로 접촉되지 않은 상태를 보인 도이다.
도 6a 및 도 6b 내지 도 6e는 예시적인 일 실시형태에 있어서 연료 요소 제조 공정의 흐름도 및 그 공정의 예시적인 세부를 보인 도이다.
도 7은 예시적인 일 실시형태에 있어서 핵연료 제조 공정의 흐름도이다.
도 8은 하나의 대안적인 예시적 실시형태에 있어서 핵연료 제조 공정의 흐름도이다.
도 9a 및 도 9b 내지 도 9e는 각각 예시적인 일 실시형태에 있어서 연료 집합체를 이용하는 공정의 흐름도 및 그 공정의 예시적인 세부를 보인 도이다.
도 2a 및 도 2b는 예시적인 일 실시형태에서 (a) 투시도로 및 (b) 단면도로 보인 연료 요소의 부분 개략도이다.
도 3은 대안적인 예시적 실시형태에서 연료 요소의 부분 개략도이다.
도 4는 예시적인 일 실시형태에서 연료 요소의 각종 컴포넌트들 간의 원자간 확산을 보인 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 예시적인 일 실시형태에서 제1 연료 요소(52)와 제2 연료 요소(53) 사이에 분리자(separator)(51)를 구비한 연료 집합체의 개략도로서, (a)는 모든 컴포넌트가 서로 접촉되어 있는 상태를 보인 도이고 (b)는 컴포넌트들이 (설명의 목적상) 서로 접촉되지 않은 상태를 보인 도이다.
도 6a 및 도 6b 내지 도 6e는 예시적인 일 실시형태에 있어서 연료 요소 제조 공정의 흐름도 및 그 공정의 예시적인 세부를 보인 도이다.
도 7은 예시적인 일 실시형태에 있어서 핵연료 제조 공정의 흐름도이다.
도 8은 하나의 대안적인 예시적 실시형태에 있어서 핵연료 제조 공정의 흐름도이다.
도 9a 및 도 9b 내지 도 9e는 각각 예시적인 일 실시형태에 있어서 연료 집합체를 이용하는 공정의 흐름도 및 그 공정의 예시적인 세부를 보인 도이다.
서문
이하의 상세한 설명에서는 이 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면을 참조한다. 도면에 있어서, 상이한 도면에서 유사하거나 동일한 기호를 사용하는 것은 전형적으로, 문맥에서 다른 방식으로 구술하지 않는 한, 유사하거나 동일한 아이템을 표시한다.
상세한 설명, 도면 및 특허 청구범위에서 설명하는 예시적인 실시형태는 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 제시되는 주제의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 다른 실시형태를 이용할 수 있고, 다른 변화가 이루어질 수 있다.
이 기술에 숙련된 사람이라면 여기에서 설명하는 컴포넌트(예를 들면, 동작), 장치, 객체 및 이들에 관한 설명은 개념을 명확히 하기 위한 예로서 사용된다는 점 및 각종 구성의 수정이 예상된다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 여기에서 사용하는 것처럼, 개시되는 특정 예 및 그 부속 설명은 그들의 더 일반적인 부류(class)를 나타내는 것으로 의도된다. 일반적으로, 임의의 특정 모범 예의 사용은 그 부류를 나타내는 것으로 의도되고, 특정 컴포넌트(예를 들면, 동작), 장치 및 객체의 불포함은 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.
본 출원은 제시의 명확성을 위해 형식적인 개요 머릿글(outline heading)을 사용한다. 그러나, 개요 머릿글은 제시 목적이고, 다른 유형의 주제가 명세서 전반에 걸쳐 설명될 수 있다는 것을 이해하여야 한다(예를 들면, 장치/구조는 공정/동작 머릿글 하에서 설명되고, 및/또는 공정/동작은 구조/공정 머릿글 하에서 논의되며, 및/또는 단일 논제(topic)에 대한 설명은 2개 이상의 논제 머릿글에까지 확장될 수 있다). 그러므로, 형식적 개요 머릿글의 사용은 어떻게든 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
개관
개관으로서, 일 실시형태에서는 환형의 핵연료와; 상기 환형 핵연료 외부에 배치된 라이너와; 상기 라이너의 외부에 배치된 클래딩 층을 포함한 물품(article)이 제공된다. 라이너는 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서는 핵연료 요소가 제공되고, 이 핵연료 요소는 환형의 핵연료와; 상기 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함한 라이너와; 상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층을 포함한다.
다른 실시형태에서는 핵연료 요소가 제공되고, 이 핵연료 요소는 제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비한 제1 및 제2의 핵연료와; 상기 제1 및 제2 핵연료 중 적어도 하나의 외부에 배치된 클래딩 층과; 상기 제1 및 제2 핵연료 중 하나의 제1 단부와 상기 제1 및 제2 핵연료 중 다른 하나의 제2 단부 사이에 배치되고 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 하나의 제1 단부와 접촉하는 제1 영역 및 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 다른 하나의 제2 단부와 접촉하는 제2 영역을 포함한 분리자를 포함한다.
다른 실시형태에서는 핵연료 집합체 제조 방법이 제공되고, 이 방법은 환형의 핵연료 및 상기 핵연료 외부의 클래딩 층을 제공하는 단계와; 상기 핵연료의 외부에 상기 핵연료와 접촉하는 라이너의 제1층을 배치하는 단계와; 상기 클래딩 층의 내부에 상기 클래딩 층과 접촉하는 라이너의 제2층을 배치하는 단계를 포함한다.
다른 실시형태에서는 연료 집합체 이용 방법이 제공되고, 이 방법은 환형의 핵연료, 상기 환형의 핵연료 외부에 배치된 라이너 및 상기 라이너 외부에 배치된 클래딩을 각각 포함한 복수의 연료 요소를 포함한 연료 집합체를 제공하는 단계와; 상기 연료 집합체를 이용하여 에너지를 발생시키는 단계와; (i) 제1 물질과 제2 물질 사이; (ii) 상기 제1 물질과 상기 핵연료 사이; 및 (iii) 상기 제2 물질과 상기 클래딩 층 사이 중의 적어도 하나에서 원자간 확산을 완화시키는 단계를 포함한다. 라이너는 상기 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함할 수 있다.
다른 실시형태에서는 핵연료 요소가 제공되고, 이 핵연료 요소는 환형의 핵연료와; 상기 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함한 라이너와; 상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층과; 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 배치되고 약 2미크론 내지 약 5미크론 이하의 두께를 가진 전이층을 포함한다.
다른 실시형태에서는 환형의 핵연료가 제공되고, 이 핵연료는 상기 핵연료와 연료 클래딩 사이에 배치된 복수의 장벽과 함께 고연소(high burn-up)가 가능하고 물질들을 열 접합(thermal bonding)할 필요성을 최소화하면서 제조된다.
연료 집합체
도 1a는 일 실시형태에 따른 핵연료 집합체(10)의 일부를 보인 도이다. 연료 집합체는 핵분열성(fissile) 핵연료 집합체 또는 친(fertile) 핵연료 집합체일 수 있다. 집합체는 연료 요소(또는 "연료봉" 또는 "연료 핀")(11)를 포함할 수 있다. 도 1b는 일 실시형태에 따른 연료 요소(11)의 부분도이다. 이 실시형태에서 나타낸 것처럼, 연료 요소는 클래딩 물질(13), 연료(14) 및, 일부 예에서, 적어도 하나의 갭(15)을 포함할 수 있다.
연료는 외부 클래딩 물질(13)에 의해 공동(cavity) 내에 밀봉될 수 있다. 일부 예에 있어서, 복수의 연료 물질이 도 1b에 도시된 것처럼 축을 따라 적층될 수 있지만, 이것은 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 연료 요소는 하나의 연료 물질만을 내포할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 갭(15)은 연료 물질과 클래딩 물질 사이에 존재할 수 있고, 갭은 없을 수도 있다. 일 실시형태에 있어서, 갭은 압축 헬륨 대기와 같은 압축 대기로 채워진다. 추가의 실시형태에 있어서, 상기 갭은 나트륨으로 채워질 수 있다.
연료는 임의의 핵분열 물질을 내포할 수 있다. 핵분열 물질은 금속 및/또는 금속 합금을 내포할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 연료는 금속 연료일 수 있다. 금속 연료는 비교적 높은 중금속 로딩 및 우수한 중성자 경제성을 제공하는 것으로 예상되고, 이것은 핵분열 반응로의 브리드 앤드 번(breed-and-burn) 공정을 위해 바람직하다. 응용에 따라서, 연료는 U, Th, Am, Np 및 Pu 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 여기에서 화학 기호로 표시되는 용어 "원소"는 주기율표에서 나타나는 원소를 말하고, 이것은 "연료 요소"의 "요소"와 혼동되지 않아야 한다. 일 실시형태에 있어서, 연료는 적어도 약 90 wt%의 U, 예를 들면 적어도 95 wt%, 98 wt%, 99 wt%, 99.5 wt%, 99.9 wt%, 99.99 wt%, 또는 더 높은 U를 포함할 수 있다. 연료는 또한 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 내화 물질을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 연료는 추가의 연소가능한 독물질, 예를 들면 붕소, 가돌리늄 또는 인듐을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 금속 연료는 발광 중에 합금을 치수적으로 안정화시키고 클래딩의 저온 공융(eutectic) 및 부식 손상을 방지하기 위해 약 3 wt% 내지 약 10 wt%의 지르코늄과 합금될 수 있다. 연료 팽윤을 가능하게 하고 효율적인 열전달을 제공하기 위해 클래딩 튜브의 내벽과 합금 연료 사이에 존재하는 갭에는 나트륨 열 본드(thermal bond)가 채워지고, 이것에 의해 연료 온도를 낮게 유지할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 개별적인 연료 요소(11)는 연료 집합체(18, 20)의 하우징 내에서 개별 연료 요소(56)의 기계적 분리 및 냉각재 공간을 제공하기 위해 클래드 튜빙의 주위에 약 0.8mm 직경 내지 약 1.6mm 직경의 얇은 와이어(12)가 나선형으로 감겨질 수 있다(이것은 냉각재 덕트로서 또한 소용된다). 일 실시형태에 있어서, 클래딩(13) 및/또는 와이어 랩(12)은 한 무리의 경험 데이터에 의해 표시되는 발광 성능 때문에 페라이트-마르텐사이트 강으로 제조될 수 있다.
연료 요소
발전 원자로의 연료 집합체에서 도 1a 및 도 1b에 도시된 요소(10)와 같은 "연료 요소"는 일반적으로 원주형 봉의 형태를 취할 수 있다. 연료 요소는 발전 원자로의 부품이 되고, 발전 원자로는 핵발전소의 부품이다. 응용에 따라서, 연료 요소는 그 길이 및 직경과 관련하여 임의의 적당한 치수를 가질 수 있다. 도 2a 및 도 2b는 연료 요소를 개략적으로 보인 상이한 뷰를 제공한다. 연료 요소는 클래딩 층(21)과 이 클래딩 층의 내부에 배치된 연료(22)를 포함할 수 있다. 원자로의 경우에, 연료는 핵연료를 내포하거나 핵연료일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 핵연료는 환형의 핵연료일 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일 실시형태에 있어서, 연료 요소는 핵연료(22)와 클래딩 층(21) 사이에 배치된 라이너(23)를 포함할 수 있다. 라이너는 복수의 층(예를 들면, 231과 232)을 내포할 수 있다.
연료는 임의의 지오메트리(geometry)를 가질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 연료는 환형 지오메트리를 갖는다. 그러한 실시형태에 있어서, 환형의 연료는 임의의 레벨의 연소 후에 바람직한 레벨의 연료 밀도가 달성되게 할 수 있다. 또한, 그러한 환형 구성은 열 운송을 촉진하기 위해 연료와 클래딩 간에 압축력을 유지할 수 있다. 연료는 응용에 따라서 각종 속성을 갖도록 고쳐질 수 있다. 예를 들면, 연료는 임의 레벨의 밀도를 가질 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 가능한 한 이론상 밀도 우라늄(우라늄을 내포한 연료인 경우)에 가까운 것과 같은 고밀도 연료를 갖는 것이 바람직하다. 일 실시형태에 있어서, 낮은 레벨의 다공성을 가지면 발광 중에 내부 공극(void)의 형성을 방지할 수 있다.
클래딩 층의 클래딩 물질은 응용에 따라서 임의의 적당한 물질을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 클래딩 층은 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 클래딩은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한 내화 금속과 같은 내화 물질을 내포할 수 있다.
클래딩 층의 금속 합금은, 예를 들면, 강(steel)일 수 있다. 강은 마르텐사이트강, 오스테나이트강, 페라이트강, 산화물 분산된 강(oxide-dispersed steel), T91강, T92강, HT9강, 316강 및 304강 중에서 선택될 수 있다. 강은 임의 유형의 미소구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 실질적으로 모든 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중에서 선택된 적어도 하나의 상태를 갖는다.
일부 경우에, 특히 고연소시에, 연료 및 클래딩의 요소들은 확산하는 경향이 있고, 이것에 의해 바람직하지 않은 합금 및 그에 따른 연료 및 클래딩의 물질 감퇴를 야기할 수 있다(예를 들면, 연료 및/또는 클래딩 층의 역합금(de-alloying) 또는 기계적 속성이 감퇴된 새로운 합금을 형성함으로써). 라이너는 요소들의 원자간 확산을 완화하기 위해 연료와 클래딩 물질 간의 장벽 층으로서 소용될 수 있다. 예를 들면, 라이너는 연료의 요소들과 클래딩 물질 간의 원자간 확산을 완화하여 예를 들면 외래 요소(foreign element)(및 가끔은 바람직하지 않은 요소)에 의한 연료 및/또는 클래딩 물질의 감퇴를 회피하기 위해 연료의 요소들과 클래딩 물질 간의 원자간 확산을 완화하기 위해 사용될 수 있다. 라이너는 1개의 층 또는 복수의 층, 예를 들면, 적어도 2개, 3개, 4개, 5개, 6개 또는 그 이상의 층을 내포할 수 있다. 라이너가 복수의 층을 내포하는 경우에, 이 층들은 동일하거나 다른 물질을 내포할 수 있고 및/또는 동일하거나 다른 속성을 가질 수 있다. 예를 들면, 일 실시형태에 있어서, 적어도 일부 층들은 동일 물질을 포함하고 일부 층들은 다른 물질을 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 라이너는 연료에 인접하게 배치된 제1 영역과 클래딩 물질에 인접하게 배치된 제2 영역을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 영역은 하부 물질을 부분적으로 덮는 층 또는 층의 일부일 수 있다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 일 실시형태에 있어서, 라이너(23)는 적어도 2개의 층(231, 232)을 포함할 수 있다. 라이너의 제1 영역은 제1층(231)에 배치되고, 라이너의 제2 영역은 제2층(232)에 배치될 수 있다. 제1 영역은 제1 물질을 포함하고 제2 영역은 제2 물질을 내포할 수 있다. 상기 제1 물질은 제2 물질과 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 제1 영역과 제2 영역 사이에서 1개(또는 그 이상)를 포함한 추가적인 영역 및/또는 층이 또한 사용될 수 있다.
제1층(231)과 제2층(232)은 각각 두께를 가질 수 있고, 그 두께 값은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 제1층(231)은 적어도 약 20 미크론, 예를 들면 적어도 30 미크론, 40 미크론, 60 미크론, 80 미크론, 100 미크론 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다. 제2층(232)은 적어도 약 10 미크론, 예를 들면 적어도 20 미크론, 40 미크론, 60 미크론, 80 미크론, 100 미크론 또는 그 이상의 두께를 가질 수 있다. 더 크거나 더 작은 값도 또한 가능하다. 제1층(231)과 제2층(232)의 두께는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 제1층(231)은 제2층(232)보다 더 두껍거나 더 얇을 수 있고, 또는 이들은 동일한 두께를 가질 수도 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시형태에 있어서, 연료 요소(11)의 라이너(23)는 제1층(231)과 제2층(232) 사이에 배치된 추가의 전이층(233)을 포함할 수 있다. 전이층(233)은 금속, 합금, 세라믹 및 중합체 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 전이층은 에폭시 또는 중합체를 포함할 수 있다. 전이층은 상기 제1층 및/또는 제2층과 관련하여 더 얇을 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 전이층은 약 1 내지 약 10 미크론 이하, 예를 들면 약 2 내지 약 5 미크론, 약 3 내지 약 4 미크론의 두께를 가질 수 있다.
(상기 층의) 상기 영역의 각 물질은 임의의 속성을 갖도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 제1 물질(제1 영역이 연료에 인접한 경우)은 이들이 제1 물질과 핵연료 사이에서의 원자간 확산을 완화시키도록 선택될 수 있다. 도 4를 참조하면, 핵연료(41)의 원자(411)와 클래딩 층(42)의 원자(421)는 외측(화살표 참조)으로 확산하는 경향이 있다. 유사하게, (라이너(43)의) 제1층(431)의 원자(4311)와 제2층(432)의 원자(4321)도 외측(화살표 참조)으로 확산하는 경향이 있다.
이 실시형태에서의 완화의 결과로서, 설령 있다 하더라도 매우 적은 화합물이 상기 제1층과 연료의 요소들에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 도 4에서 원자(411, 4311)를 내포하는 영역(44)은 전혀 존재하지 않을 수 있고, 존재한다 하더라도 그 두께는 핵연료 및/또는 층의 두께의 20% 이하, 예를 들면, 10%, 5%, 2%, 1%, 0.5% 또는 그 이하와 같이 매우 작을 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 제1 물질과 제2 물질은 이들이 제1층(431)과 제2층(432) 사이에서의 원자간 확산을 완화시키도록 선택될 수 있다. 따라서, 도 4에서 원자(4311, 4321)를 내포하는 영역(45)은 전혀 존재하지 않을 수 있고, 존재한다 하더라도 그 두께는 영역(44)에 대한 전술한 범위와 같이 매우 작을 것이다. 다른 실시형태에 있어서, 제2 물질은 이들이 제2층(432)과 클래딩 층(42) 사이에서의 원자간 확산을 완화시키도록 선택될 수 있다. 따라서, 도 4에서 원자(4321, 421)를 내포하는 영역(46)은 전혀 존재하지 않을 수 있고, 존재한다 하더라도 그 두께는 영역(44)에 대한 전술한 범위와 같이 매우 작을 것이다.
여기에서의 완화는 감소 및/또는 방지를 말하지만 완전한 제거를 의미할 필요는 없다. 일 실시형태에 있어서, 원자간 확산의 완화는 최소 확산(또는 무확산)이 관측되는 정도까지의 확산 방지를 말할 수 있다. 그러한 완화에 의한 하나의 결과는 컴포넌트들 간의 계면에서 (일반적으로) 관측되는 상이한 컴포넌트로부터 확산된 요소들을 내포한 화합물의 형성이 최소화된다는 것이다. 비록 일부 경우에 완화는 외래 요소의 존재 결여를 말할 수 있지만, 일부 다른 예에서 완화는 (연료 요소의) 다른 컴포넌트로부터의 확산에 의해 야기되는 물질 내 외래 요소의 최소 존재를 포함할 수 있다. 따라서, 일 실시형태에 있어서, 여기에서 원자간 확산의 완화는 상당한 양의 외래 요소가 없는 것을 말할 수 있다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 일 실시형태에 있어서, 제1층(431)은 클래딩(42)으로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없고, 제2층(432)은 연료(41)로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없다. 일 실시형태에 있어서, 연료 요소는 연료(41)와 클래딩 층(42) 사이에 나트륨이 실질적으로 없다.
여기에서 설명하는 연료 요소는 연료 요소의 상이한 컴포넌트들 사이에서 원자간 확산의 완화를 가능하게 한다. 도 4에 도시된 것처럼, 일 실시형태에 있어서, (i) 제1층(431)의 제1 물질과 제2층(432)의 제2 물질; (ii) (제1층(431)의) 제1 물질과 핵연료(41); 및 (iii) (제2층(432)의) 제2 물질과 클래딩 층(42) 중의 적어도 하나는 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없다. 일 실시형태에 있어서, (i) 연료(41)와 제1층(431) 및 (ii) 클래딩 층(42)과 제2층(432) 중의 적어도 하나는 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없다. 여기에서 설명하는 연료 요소는 넓은 범위의 온도에서 원자간 확산이 실질적으로 없는 것을 나타낼 수 있다. 예를 들면, 이것은 실온 이상, 예를 들면, 적어도 50℃, 95℃, 100℃, 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃, 500℃, 550℃, 600℃, 650℃, 700℃, 750℃, 800℃ 또는 그 이상의 온도에서 관측될 수 있다.
제1층(431)의 제1 물질과 제2층(432)의 제2 물질(또는 추가의 물질이 존재하는 경우에는 더 많은 물질)은 각각 화학적 속성, 열적 속성 등과 같은 그 자신의 물질 속성을 가질 수 있다. 예를 들면, 물질은 그 물질에 인접한 컴포넌트(연료 또는 클래딩)와 관련하여 불활성인 것으로 선택될 수 있다. 예를 들면, 임의의 이러한 물질은 적어도 하나의 내화재를 포함할 수 있다. 내화재는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 가진 물질을 포함하는 내화 금속 또는 합금을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 제1 물질은 V와 Cr 중에서 선택된 적어도 하나의 원소를 포함한다. 일 실시형태에 있어서, 상기 제1 물질은 V를 포함한다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 제2 물질은 Zr 원소를 포함한다.
적어도 일 실시형태에 있어서, 여기에서 설명하는 연료 요소는 나트륨을 내포할 필요가 없다. 몇몇 기존 기술들은 연료와 클래딩 사이에 용융 층을 형성하여 연료와 클래딩 간에 열적 접촉을 제공하기 위해 연료 요소에 Na을 이용한다. 그러나, 이러한 기존 기술에서의 나트륨은 기생적으로 중성자를 흡수하거나 중성자를 산란시킬 수 있다. 여기에서 설명하는 연료 요소는 클래딩과 연료 둘 다와 접촉하는 라이너를 포함하고, 따라서 그러한 접촉을 촉진하기 위해 나트륨을 내포할 필요가 없다. 비록 나트륨이 필요 없지만, 나트륨은 여기에서 설명하는 연료 요소의 일부 실시형태에서 여전히 사용될 수 있다.
연료 요소의 컴포넌트들 중 적어도 일부는 접착될 수 있다. 접착은 물리적(예를 들면, 기계적) 또는 화학적일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 핵연료, 라이너 및 클래딩은 기계적으로 접착된다. 일 실시형태에 있어서, 제1층과 제2층은 기계적으로 접착된다. 접착 기술에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
연료 요소
분리자
여기에서 설명하는 연료 요소는 핵연료들 간에 적어도 하나의 분리자(separator)를 추가로 내포할 수 있다. 예를 들면, 일 실시형태에서는 연료 요소가 제공되고, 이 연료 요소는 제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비한 제1 및 제2의 핵연료와; 상기 제1 및 제2 핵연료 중 적어도 하나의 외부에 배치된 클래딩 층과; 상기 제1 및 제2 핵연료 중 하나의 제1 단부와 상기 제1 및 제2 핵연료 중 다른 하나의 제2 단부 사이에 배치된 분리자를 포함한다. 분리자는 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 하나의 제1 단부와 접촉하는 제1 영역, 및 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 다른 하나의 제2 단부와 접촉하는 제2 영역을 포함할 수 있다. 연료 요소는 여기에서 설명하는 임의의 연료 요소일 수 있다. 이러한 일 실시형태에 있어서, 분리자는 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 하나의 제1 단부와 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 다른 하나의 제2 단부 사이에 배치될 수 있다.
도 5를 참조하면, 분리자(51)는 임의의 구성 및 조성을 가질 수 있다. 예를 들면, 분리자는 여기에서 설명하는 라이너와 유사하게 되도록 구성될 수 있다. 다시 말해서, 상이한 연료(52, 53)가 축 방향으로 배열된 경우에, 분리자(51)는 핵연료가 축 방향으로 팽창하는 것을 완화하도록 적응될 수 있다. 도 5a 및 도 5b는 제1 연료(52)와 제2 연료(53) 사이에 분리자(51)를 구비한 연료 요소를 개략적으로 보인 것이다. 도 5a는 모든 컴포넌트가 서로 접촉되어 있는 때의 모든 컴포넌트를 보인 것이고 도 5b는 컴포넌트들이 (설명의 목적상) 서로 접촉되지 않은 상태를 보인 것이다. 이 실시형태에 있어서, 분리자(51)는 제1 연료 요소와 제2 연료 요소 중의 하나, 이 예에서는 제1 연료 요소(52)의 제1 단부(521)와 접촉하는 (예를 들면, 제1층(511)의) 제1 영역을 포함할 수 있다. 분리자(51)는 제1 연료 요소와 제2 연료 요소 중의 하나, 이 예에서는 제2 연료 요소(53)의 제2 단부(431)와 접촉하는 (예를 들면, 제2층(512)의) 제2 영역을 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 분리자(51)는 제1 핵연료(52)의 제1 단부(521)와 제2 핵연료(53)의 제2 단부 중 적어도 하나의 단부에서 상기 핵연료와 클래딩 층 간의 원자간 확산을 완화시키도록 구성된다. 연료 요소에 3개 이상의 연료가 있는 경우에는 2개 이상의 분리자를 사용할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 연료 요소는 원주형 연료 요소의 바닥면 위에 인접하게 배치된 제2의(또는 더 많은) 추가의 분리자를 구비할 수 있다. 상기 추가의 분리자는 연료 요소의 단부 캡으로서 소용될 수 있다.
여기에서 설명하는 라이너와 유사하게, 분리자는 적어도 제1 영역을 구비한 제1 분리자 층(511)과 제2 영역을 구비한 제2 분리자 층(512)을 구비할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 분리자의 제1 영역은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 상기 분리자의 제2 영역은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.
연료 요소의 제조/이용 방법
여기에서 설명하는 연료 요소, 및 이 연료 요소를 포함한 연료 집합체는 다양한 기술로 제조될 수 있다. 도 6a를 참조하면, 일 실시형태에서는 연료 요소일 수 있는 물품을 제조하는 방법이 제공된다. 이 방법은 핵연료 및 클래딩 층을 제공하는 단계(단계 601)와; 환형 핵연료의 외부에 상기 환형 핵연료와 접촉하는 라이너의 제1층을 배치하는 단계(단계 602)와; 클래딩 층의 내부에 상기 클래딩 층과 접촉하는 라이너의 제2층을 배치하는 단계(단계 603)를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 제2층은 상기 제1층 위에 배치될 수 있다. 상기 배치하는 단계는 도금(예를 들면, 전기 도금), 기상 증착(예를 들면, 화학 기상 증착 또는 물리 기상 증착) 또는 다른 적당한 방법을 수반할 수 있다. 예를 들면, 전기화학적 코팅을 이용할 수 있다.
예를 들면, 라이너(여기에서 설명하는 임의의 라이너일 수 있음)는 연료의 외부에, 예를 들면 연료 위에 배치될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 라이너의 제1층은 연료 위에 배치되고 라이너의 제2층은 클래딩 위에 배치될 수 있다. 이 실시형태에서의 상기 제1층과 상기 제2층은 예를 들면 열에 의한 접착에 의해 후속적으로 함께 접합될 수 있다. 응용에 따라서, 연료 요소의 상이한 컴포넌트들을 형성하는 다른 대안적인 순서의 단계들을 또한 이용할 수 있다.
추가의 공정을 이용할 수 있다. 도 6b를 참조하면, 공정은 라이너의 제1층 위에 제2층을 배치하는 단계(단계 604)를 더 포함할 수 있다. 도 6c를 참조하면, 공정은 라이너의 제1층과 제2층을 접착하는 단계(단계 605)를 더 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 라이너의 제1층과 제2층뿐만 아니라 연료 요소의 다른 층들은 위에서 설명한 것처럼 접착될 수 있다. 접착은 화학적 또는 물리적 접착일 수 있다. 물리적 접착의 일 예는 기계적 접착일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 기계적 접착은 스웨이징(swaging)을 포함할 수 있다. 도 6d를 참조하면, 스웨이징은 환형 연료, 라이너 및 클래딩 중의 적어도 2개에 대하여 시행될 수 있다(단계 606). 일 실시형태에 있어서, 스웨이징은 연료 요소의 모든 컴포넌트에 대하여 적용할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 환형 연료와 같은 연료는 기상 증착(물리 기상 증착 또는 화학 기상 증착)과 같은 증착에 의해 라이너에 의해 코팅되고 그 위에 클래딩이 스웨이징될 수 있다. 도 6e를 참조하면, 일 실시형태에 있어서, 방법은 주조, 압출, 필거링(pilgering), 관 용접 및 심리스 용접(seamless-welding) 중에서 선택된 적어도 하나의 공정을 환형 핵연료 위에서 수행하는 단계(단계 607)를 추가로 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 라이너의 층들은 연료 위에서 공동 압출될 수 있다. 다른 실시형태에 있어서, 라이너 및/또는 연료는 접촉을 생성하고 연료 요소를 제조하기 위해 클래딩의 공동 내로 슬라이딩될 수 있다.
방법은 연료를 제조하는 방법을 또한 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 연료는 연료(여기에서 설명한 임의의 것일 수 있음)를 내포한 입자들을 압축 및/또는 소결함으로써 원하는 형상, 예를 들면 봉(rod)으로 형성될 수 있다(단계 701). 연료는 내부 공극(void)을 회피하고 이론상의 연료 밀도에 가깝게 밀도를 증가시키기 위해 추가로 고밀도화될 수 있다(단계 702). 봉 형상 연료를 형성한 후에, 봉은 최종 제품을 형성하기 위해 몰드로 주조될 수 있다(단계 703). 주조를 수반하는 이 실시형태에서는 압축 및 소결 공정을 사용할 필요가 없다. 연료 제조 공정은 주조, 압출, 필거링 관 용접 및 심리스 용접 중에서 선택된 적어도 하나의 공정을 또한 수반할 수 있다. 예를 들면, 일 실시형태에 있어서, 연료의 주조는 라이너 및/또는 클래딩 내부의 연료 요소에서 직접 사용될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 처리 파라미터를 변경함으로써, 연료 요소의 컴포넌트의 미소구조 및 그에 따른 물질 속성이 고쳐질 수 있다. 처리 파라미터는 온도, 압력 등을 말할 수 있다. 도 8을 참조하면, 여기에서 설명하는 연료 요소 제조 방법은 핵연료를 핵연료의 적어도 베타 전이온도인 제1 온도로 가열하는 단계(단계 801)와; 환형 핵연료를 상기 제1 온도보다 더 낮은 제2 온도까지 냉각시키는 단계(단계 802)를 더 포함할 수 있다. 상기 베타 전이온도로부터의 냉각은 그러한 냉각이 베타 소광(beta-quenching)으로 고려되도록 충분히 고속일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 감마 전이온도는 베타 전이온도보다 더 높기 때문에, 연료를 가열하는 온도는 감마 전이온도를 포함(또는 초과)할 수 있다. 온도 변화 및 그 비율은 예를 들면 등축정(equiaxed grain)의 형성을 촉진하는 조건에서 실시될 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 베타 소광의 이용은 입자에서 양호한 방위의 형성을 최소화하고, 그 대신에 방사상 등방성을 포함한 입자 등방성을 촉진할 수 있다. 연료가 압출가공 후에 양호한 방위의 입자를 내포하는 일 실시형태에 있어서, 연료에 베타 소광을 적용하면 상기 양호한 방위를 최소화하고, 그 대신에 등방성, 예를 들면, 결정상(crystal phase)의 균일 분포를 촉진할 수 있다.
여기에서 설명하는 연료 요소, 및 이 연료 요소를 포함한 연료 집합체는 각종 응용에서 사용될 수 있다. 예를 들어서 도 9a를 참조하면, 일 실시형태에 있어서 연료 집합체 이용 방법이 제공된다. 이 방법은 여기에서 설명하는 임의의 연료 요소일 수 있는 복수의 연료 요소 및 라이너 외부에 배치된 클래딩을 포함한 연료 집합체를 제공하는 단계(단계 901)를 포함할 수 있다. 상기 연료 집합체는 에너지를 발생하기 위해 사용될 수 있다(단계 902). 연료 집합체는 (i) 제1 물질과 제2 물질 사이; (ii) 제1 물질과 핵연료 사이; 및 (iii) 제2 물질과 클래딩 층 사이 중의 적어도 하나에서 원자간 확산을 완화하기 위해 사용될 수 있다(단계 903). 도 9b를 참조하면, 라이너는 적어도 제1 영역을 포함한 제1 라이너 층과 제2 영역을 포함한 제2 라이너 층을 포함할 수 있다(단계 904의 일부로서). 일 실시형태에 있어서, 라이너는 상기 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함할 수 있다.
응용에 따라서, 상기 방법들에 수반되는 각 단계에서의 조건들은 변할 수 있다. 예를 들어서 도 9c를 참조하면, 에너지의 발생은 적어도 300℃, 예를 들면, 적어도 350℃, 적어도 400℃, 적어도 450℃, 적어도 500℃ 또는 그 이상의 온도에서 실시될 수 있다(단계 905). 도 9d를 참조하면, 여기에서 설명하는 연료 요소의 라이너의 완화 능력의 결과로서, 일 실시형태에 있어서, 에너지 발생 후에, 연료의 제1 영역은 클래딩 물질로부터의 요소들이 실질적으로 없고, 제2 영역은 환형 핵연료로부터의 요소들이 실질적으로 없다(단계 906). 도 9e를 참조하면, 일 실시형태에 있어서, 연료는 환형 연료와 클래딩 사이에 나트륨이 실질적으로 없다(단계 907의 일부로서).
전력 발생
전술한 바와 같이, 여기에서 설명하는 연료 집합체는 발전소의 부품일 수 있는 발전기 또는 에너지 발생기의 부품일 수 있다. 연료 집합체는 핵연료 집합체일 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 연료 집합체는 전술한 바와 같은 연료, 복수의 연료 요소 및 복수의 연료 덕트를 포함할 수 있다. 연료 덕트는 여기에서 설명한 복수의 연료 요소를 포함할 수 있다.
여기에서 설명한 연료 집합체의 적어도 일부는 복수의 연료 덕트 사이에 틈새 공간을 포함할 수 있다. 틈새 공간은 복수의 연료 덕트 사이의 공간으로서 규정될 수 있다. 냉각재, 불활성 가스, 연료 물질 및 모니터링 장치 중의 적어도 하나가 이러한 틈새 공간 중의 적어도 일부에 배치될 수 있다. 틈새 공간은 비어 있을 수도 있고 임의의 물질을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 틈새 공간에는 냉각재, 불활성 가스 및 연료 물질 중의 적어도 하나가 있을 수 있다. 냉각재 및/또는 연료 물질은 전술한 것들 중의 임의의 것일 수 있다. 불활성 가스는 업계에 공지된 임의의 가스, 예를 들면, 질소 또는 희가스(예를 들면, 아르곤, 헬륨 등)일 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 틈새 공간은 제1 중공 구조의 내부에 또는 제1 중공 구조와 제2 중공 구조 사이의 공간에 존재할 수 있는 전술한 임의의 것과 같은 도구를 포함할 수 있다. 일 실시형태에 있어서, 상기 도구는 연료 집합체의 동작 조건을 모니터링하는 모니터링 장치이다.
여기에서 설명한 연료 집합체는 적어도 약 50 MW/㎡, 예를 들면, 적어도 약 60 MW/㎡, 약 70 MW/㎡, 약 80 MW/㎡, 약 90 MW/㎡, 약 100 MW/㎡, 또는 그 이상의 피크 영역 전력 밀도를 생성하도록 적응될 수 있다. 일부 실시형태에 있어서, 연료 집합체는 적어도 약 120 원자당 변위(displacement per atom, "DPA"), 예를 들면, 적어도 약 150 DPA, 약 160 DPA, 약 180 DPA, 약 200 DPA, 또는 그 이상의 레벨로 방사선 손상을 받을 수 있다.
이 명세서에서 인용되고 및/또는 임의의 출원 데이터시트에 리스트된 미국 특허, 미국 특허 출원 공개, 미국 특허 출원, 외국 특허, 외국 특허 출원, 및 비특허 간행물은 모두 본 발명과 모순되지 않는 범위에서 인용에 의해 그 전부가 본원에 통합된다. 비제한적인 예로서, 규정된 용어, 용어 사용, 설명된 기술 등을 포함하여, 통합된 문헌 및 유사한 자료 중의 하나 이상이 본 출원과 다르거나 모순된 경우에, 이 응용을 조절한다.
여기에서 실질적으로 모든 복수형 및/또는 단수형 용어의 사용과 관련하여, 이 기술에 숙련된 사람이라면 문맥 및/또는 응용에 적절하게 복수형을 단수형으로 및/또는 단수형을 복수형으로 변환할 수 있다. 각종의 단수형/복수형 치환은 명확성을 위해 여기에서 특별히 설명하지 않는다.
여기에서 설명한 주제는 가끔 상이한 다른 컴포넌트에 내포된, 또는 상이한 다른 컴포넌트와 접속된 상이한 컴포넌트들을 나타낸다. 그러한 서술된 구조는 단순히 예시하는 것이고 사실 많은 다른 구조가 동일한 기능을 달성하도록 구현될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 개념적 관점에서, 동일한 기능을 달성하는 임의의 컴포넌트 구성은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연합"된다. 그러므로, 특수 기능을 달성하기 위해 결합된 여기에서의 임의의 2개의 컴포넌트는 아키텍처 또는 중간 컴포넌트와 관계없이 소망의 기능이 달성되도록 서로 "연합"된 것으로 보여질 수 있다. 마찬가지로, 이렇게 연합된 임의의 2개의 컴포넌트는 소망의 기능을 달성하도록 서로 "작용적으로 접속"되거나 "작용적으로 결합"된 것으로 또한 보여질 수 있고, 그렇게 연합될 수 있는 임의의 2개의 컴포넌트는 소망의 기능을 달성하도록 서로 "작용적으로 결합 가능한" 것으로 또한 보여질 수 있다. 작용적으로 결합 가능한 특정의 예는, 비제한적인 예를 들자면, 물리적으로 결합가능한 및/또는 물리적으로 상호작용하는 컴포넌트, 및/또는 무선으로 상호작용 가능한 및/또는 무선으로 상호작용하는 컴포넌트, 및/또는 논리적으로 상호작용하는 및/또는 논리적으로 상호작용 가능한 컴포넌트를 포함한다.
일부 예에 있어서, 하나 이상의 컴포넌트는 "...하도록 구성된", "...에 의해 구성된", "...하도록 구성 가능한", "...하도록 동작 가능한/동작하는", "적응된/적응 가능한", "할 수 있는", "호환 가능한/호환되는" 등으로서 여기에서 인용될 수 있다. 이 기술에 숙련된 사람이라면 이러한 용어(예를 들면, "...하도록 구성된")가 문맥에서 다른 방식으로 요구하지 않는 한 일반적으로 활성 상태 컴포넌트 및/또는 비활성 상태 컴포넌트 및/또는 대기 상태 컴포넌트를 포함할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
비록 여기에서 본 발명 주제의 특정 양태를 도시하고 설명하였지만, 이 기술에 숙련된 사람이라면 여기에서의 교시에 기초하여 여기에서 설명한 주제 및 그 넓은 양태로부터 벗어나지 않고 변경 및 수정이 가능하고, 따라서 첨부된 특허 청구범위는 여기에서 설명한 주제의 진정한 정신 및 범위 내에 있는 그러한 모든 변경 및 수정을 그들의 범위 내에 포함해야 한다는 것을 인식할 것이다. 일반적으로, 여기에서 및 특히 특허 청구범위(예를 들면, 첨부된 특허 청구범위의 본문)에서 사용된 용어들은 "개방"적 용어로서 의도된다는 것을 당업자라면 이해할 것이다(예를 들면, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 그것으로 제한되지 않는"으로서 해석하여야 하고, 용어 "가진"은 "적어도 가진"으로서 해석하여야 하며, 용어 "포함한다"는 "포함하지만 그것으로 제한되지 않는다"로서 해석하여야 한다). 또한, 특정 수의 도입된 청구항 인용이 의도되는 경우에는 그러한 의도가 청구항에서 명시적으로 인용될 것이고, 그러한 인용이 없으면 그러한 의도가 없다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 예를 들면, 이해를 돕기 위해, 하기의 첨부된 특허 청구범위는 청구항 인용을 도입하기 위해 도입구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 구의 사용은 부정관사("a", "an")에 의한 청구항 인용의 도입이 그러한 도입된 청구항 인용을 내포한 임의의 특정 청구항을, 동일한 청구항이 도입구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 부정관사("a" 또는 "an")를 포함한 경우에도 그러한 하나의 인용만을 내포하는 청구항으로 제한하는 것을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 하고(예를 들면, "a" 및/또는 "an"은 정형적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다); 이것은 청구항 인용을 도입하기 위해 정관사를 사용하는 경우에도 또한 동일하다. 또한, 특정 수의 도입된 청구항 인용이 명시적으로 인용된 경우에도, 이 기술에 숙련된 사람이라면 그러한 인용이 전형적으로 적어도 인용된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예를 들면, 다른 수정자 없이 "2개의 인용"의 단순 인용(bare recitation)은 전형적으로 적어도 2개의 인용, 또는 2개 이상의 인용을 의미한다). 또한, "A, B 및 C 등 중의 적어도 하나"와 유사한 규약(convention)이 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 이 기술에 숙련된 사람이 그 규약을 이해할 것이라는 관점으로 의도된다(예를 들면, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 가진 시스템"은 비제한적인 예를 들자면 A만을 가진 시스템, B만을 가진 시스템, C만을 가진 시스템, A와 B를 함께 가진 시스템, A와 C를 함께 가진 시스템, B와 C를 함께 가진 시스템, 및/또는 A와 B와 C를 함께 가진 시스템 등을 포함한다). "A, B 또는 C 등 중의 적어도 하나"와 유사한 규약이 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 이 기술에 숙련된 사람이 그 규약을 이해할 것이라는 관점으로 의도된다(예를 들면, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 가진 시스템"은 비제한적인 예를 들자면 A만을 가진 시스템, B만을 가진 시스템, C만을 가진 시스템, A와 B를 함께 가진 시스템, A와 C를 함께 가진 시스템, B와 C를 함께 가진 시스템, 및/또는 A와 B와 C를 함께 가진 시스템 등을 포함한다). 발명의 상세한 설명 부분, 특허 청구범위 또는 도면에서 2개 이상의 대안적 용어를 제시하는 이접적 단어 및/또는 구는 전형적으로, 문맥에서 다르게 구술하지 않는 한, 용어들 중의 하나, 용어들 중의 어느 하나 또는 양자의 용어를 포함할 가능성을 예상하는 것으로 이해하여야 한다는 것을 당업자라면 또한 이해할 것이다. 예를 들면, 구 "A 또는 B"는 전형적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A와 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
첨부된 특허 청구범위와 관련해서, 이 기술에 숙련된 사람이라면 여기에서 인용된 동작들이 일반적으로 임의의 순서에 따라 수행될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 또한, 비록 각종 동작 흐름들이 순서에 따라 제시되어 있지만, 각종 동작들은 예시된 것과는 다른 순서로 수행될 수 있고, 또는 동시에 수행될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 그러한 대안적인 순서화의 예는 문맥에서 다르게 구술하지 않는 한 중복, 개재, 중단, 재정돈, 증분, 준비, 보충, 동시, 역순, 또는 기타의 다른 순서화를 포함할 수 있다. 더 나아가, "...에 응답하는", "...과 관련된"과 같은 용어 또는 기타의 과거시제 형용사는 일반적으로 문맥에서 다르게 구술하지 않는 한 그러한 변형을 배제하는 것으로 의도되지 않는다.
이 기술에 숙련된 사람이라면 전술한 특정의 예시적인 공정 및/또는 장치 및/또는 기법이 특허 청구범위와 같은 이 명세서의 다른 곳 및/또는 본 출원의 다른 곳에서 교시되는 더 일반적인 공정 및/또는 장치 및/또는 기법을 대표한다는 것을 인식할 것이다.
지금까지 각종 양태 및 실시형태를 설명하였지만, 이 기술에 숙련된 사람에게는 다른 양태 및 실시형태도 명백할 것이다. 여기에서 개시된 각종 양태 및 실시형태는 설명을 위한 것이고 제한하는 의도가 없으며, 발명의 진정한 범위 및 정신은 이하의 특허 청구범위에 의해 표시된다.
여기에서 설명한 공정들 중의 임의 부분은 자동화될 수 있다. 자동화는 적어도 하나의 컴퓨터를 수반함으로써 달성될 수 있다. 자동화는 적어도 하나의 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 프로그램에 의해 실행될 수 있다. 상기 매체는 예를 들면 CD, DVD, USB, 하드 드라이브 등일 수 있다. 집합체를 포함한 연료 요소 구조의 선택 및/또는 설계는 컴퓨터 및/또는 소프트웨어 프로그램을 이용함으로써 또한 최적화될 수 있다.
전술한 본 발명의 실시형태는 임의의 다양한 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태는 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용하여 구현될 수 있다. 임의 양태의 실시형태가 적어도 부분적으로 소프트웨어로 구현되는 경우, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에서 제공되는, 또는 복수의 컴퓨터에 분산된 임의의 적당한 프로세서 또는 프로세서들의 집합에서 실행될 수 있다.
또한, 여기에서 설명한 기술은 적어도 하나의 예가 제공되어 있는 방법으로 구체화될 수 있다. 그 방법의 일부로서 수행되는 동작들은 임의의 적당한 방법으로 순서화될 수 있다. 따라서, 실시형태는 비록 예시된 실시형태에서 순차적인 동작으로서 나타내었다 하더라도 일부 동작을 동시에 수행하는 것을 비롯해서 동작들이 여기에서 예시된 것과 다른 임의의 순서로 수행되도록 구성될 수 있다.
여기에서 규정되고 사용되는 모든 정의는 사전적 정의, 인용에 의해 통합된 문서에서의 정의, 및/또는 규정된 용어의 통상적 의미를 지배하는 것으로 이해하여야 한다.
명세서 및 특허 청구범위에서 사용되는 부정관사("a" 및 "an")는, 다른 의미로 명확히 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해하여야 한다.
명세서 및 특허 청구범위에서 사용되는 구 "및/또는"은 결합형 요소들 중의 "어느 하나 또는 둘 다", 즉 일부 경우에는 접속적으로 존재하고 다른 경우에는 이접적으로 존재하는 요소들을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. "및/또는"에 의해 열거된 복수의 요소들은 동일한 방식으로, 즉, 그러한 결합형 요소들의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 절에 의해 구체적으로 식별된 요소들이 아닌 다른 요소들은, 그러한 구체적으로 식별된 요소들과 관련이 있든지 또는 없든지 간에 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"의 인용은, "포함하는"과 같은 개방형 언어와 함께 사용될 때, 일 실시형태로서 A만을(B 이외의 요소들을 선택적으로 포함할 수 있음), 다른 실시형태로서 B만을(A 이외의 요소들을 선택적으로 포함할 수 있음), 또 다른 실시형태로서 A와 B를(다른 요소들을 선택적으로 포함할 수 있음) 인용할 수 있다.
명세서 및 특허 청구범위에서 사용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 규정한 "및/또는"과 동일한 의미를 갖는 것으로 이해하여야 한다. 예를 들면, 리스트에서 아이템들을 구별할 때, "또는" 또는 "및/또는"은 내포적으로, 즉, 다수의 요소 또는 요소들의 리스트 중에서 적어도 하나를 포함할 뿐만 아니라 2개 이상도 또한 포함하고, 선택적으로, 리스트되지 않은 추가적인 아이템을 포함하는 것으로 해석될 것이다. "단지 하나" 또는 "정확히 하나"와 같이 명확히 다르게 표시된 용어들만이, 또는 특허 청구범위에서 "...으로 구성된"을 사용하는 경우에만 다수의 요소 또는 요소들의 리스트 중에서 정확히 하나의 요소를 포함하는 것으로 한다. 일반적으로, 여기에서 사용하는 용어 "또는"은 "어느 하나", "...중의 하나", "...중의 단지 하나", 또는 "...중의 정확히 하나"와 같은 배타성 용어와 함께 사용될 때만 배타적 대안(즉, 이것 또는 저것이지만 둘 다는 아님)을 표시하는 것으로 해석될 것이다. "본질적으로 ...으로 구성된"은, 특허 청구범위에서 사용될 때, 특허법 분야에서 사용되는 그 통상의 의미를 가질 것이다.
명세서 및 특허 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 구 "적어도 하나"는, 하나 이상 요소의 리스트와 관련해서, 요소들의 리스트에 있는 임의의 하나 이상의 요소들로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 반드시 요소들의 리스트에 구체적으로 리스트된 각 요소 중의 적어도 하나를 포함하는 것이 아니고 요소들의 리스트에 있는 요소들의 임의 조합을 배제하지 않는 것으로 이해하여야 한다. 이 정의는 또한, 구체적으로 식별된 요소들과 관련이 있든지 또는 없든지 간에, 구 "적어도 하나"가 지칭하는 요소 리스트 내의 구체적으로 식별된 요소가 아닌 요소들이 선택적으로 존재할 수 있다는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A와 B 중의 적어도 하나"(또는 등가적으로 "A 또는 B 중의 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중의 적어도 하나")는, 일 실시형태에 있어서, B가 존재하지 않는(및 B 이외의 요소는 선택적으로 포함함) 적어도 하나의(선택적으로 2개 이상을 포함함) A; 다른 실시형태에 있어서, A가 존재하지 않는(및 A 이외의 요소는 선택적으로 포함함) 적어도 하나의(선택적으로 2개 이상을 포함함) B; 또 다른 실시형태에 있어서, 적어도 하나의(선택적으로 2개 이상을 포함함) A 및 적어도 하나의(선택적으로 2개 이상을 포함함) B(및 다른 요소를 선택적으로 포함함) 등을 나타낼 수 있다.
여기에서 인용된 임의의 범위는 내포적이다. 이 명세서 전반적으로 사용되는 용어 "실질적으로" 및 "약"은 약간의 변동을 설명하고 고려하기 위해 사용된다. 예를 들면, 이 용어는 ±5% 이하, 예를 들면, ±2% 이하, ±1% 이하, ±0.5% 이하, ±0.2% 이하, ±0.1% 이하, ±0.05% 이하의 변동을 나타낼 수 있다.
전술한 명세서 및 특허 청구범위에 있어서, "포함하는", "소지하는", "가지는", "내포하는", "수반하는", "유지하는", "구비한" 등과 같은 모든 과도적인 구는 개방형으로, 즉 "포함하지만 그것으로 제한되지 않는"을 의미하는 것으로 이해하여야 한다. 과도적 구 "...으로 구성된" 및 "본질적으로 ...으로 구성된" 만이 미국 특허청의 특허 심사 절차 매뉴얼 섹션 2111.03에서 규정된 바와 같이 각각 폐쇄형 또는 반폐쇄형 과도구로 될 것이다.
특허 청구범위는, 그러한 취지로 설명되어 있지 않는 한, 묘사된 순서 또는 요소로 제한되는 것으로 해독되어서는 안된다. 이 기술에 숙련된 사람이라면 첨부된 특허 청구범위의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 형태 및 세부에 있어서 각종 변경을 행할 수 있다고 이해하여야 한다. 이하의 특허 청구범위의 정신 및 범위 내에 포함되는 모든 실시형태 및 그 균등물이 청구된다.
여기에서 설명한 주제의 양태들을 이하의 번호 붙여진 조항(clause)으로 정리한다.
1. 환형의 핵연료와,
상기 환형 핵연료 외부에 배치된 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치된 클래딩 층을 포함하고,
상기 라이너는, 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함한 것인 물품.
2. 조항 1에 있어서, 상기 제1 물질은 상기 제1 물질과 상기 환형 핵연료 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 물품.
3. 조항 1에 있어서, 상기 제1 물질과 상기 제2 물질은 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 물품.
4. 조항 1에 있어서, 상기 제2 물질은 상기 제2 물질과 상기 클래딩 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 물품.
5. 조항 1에 있어서, 상기 핵연료는 U, Th, Am, Np 및 Pu 중에서 선택된 적어도 하나의 연료를 포함한 것인 물품.
6. 조항 1에 있어서, 상기 핵연료는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 내화 물질을 포함한 것인 물품.
7. 조항 1에 있어서, 상기 클래딩 층은 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 물품.
8. 조항 1에 있어서, 상기 클래딩 층은 강을 포함하고, 실질적으로 모든 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중에서 선택된 적어도 하나의 상태를 갖는 것인 물품.
9. 조항 1에 있어서, 상기 클래딩 층은 마르텐사이트강, 페라이트강, 오스테나이트강, 산화물 분산된 강, T91강, T92강, HT9강, 316강 및 304강 중에서 선택된 적어도 하나의 강을 포함한 것인 물품.
10. 조항 1에 있어서, 상기 핵연료, 상기 라이너 및 상기 클래딩 층은 기계적으로 접착된 것인 물품.
11. 조항 1에 있어서, 상기 라이너의 상기 제1 영역은 제1층에 배치되고 상기 라이너의 상기 제2 영역은 제2층에 배치된 것인 물품.
12. 조항 11에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 기계적으로 접착된 것인 물품.
13. 조항 2에 있어서, 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 중의 적어도 하나는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 물품.
14. 조항 1에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함한 것인 물품.
15. 조항 1의 물품을 포함한 발전 원자로.
16. 핵연료 요소에 있어서,
환형의 핵연료와,
상기 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함한 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층을 포함한 핵연료 요소.
17. 조항 16에 있어서, 상기 핵연료는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 내화 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
18. 조항 16에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함한 것인 핵연료 요소.
19. 조항 16에 있어서, 상기 클래딩 층은 Cr, C, Mo, Ni, Mn, V, W, Si, Cu, N, S 및 P 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
20. 조항 16에 있어서, 상기 클래딩 층은 마르텐사이트강, 페라이트강, 오스테나이트강, 산화물 분산된 강, T91강, T92강, HT9강, 316강 및 304강 중에서 선택된 적어도 하나의 강을 포함한 것인 핵연료 요소.
21. 조항 16에 있어서, 상기 제1층은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
22. 조항 16에 있어서, 상기 제2층은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
23. 조항 16에 있어서, 상기 제1층은 약 20미크론의 두께를 갖는 것인 핵연료 요소.
24. 조항 16에 있어서, 상기 제2층은 약 10미크론의 두께를 갖는 것인 핵연료 요소.
25. 조항 16에 있어서, (i) 상기 핵연료와 상기 제1층 및 (ii) 상기 클래딩 층과 상기 제2층 중의 적어도 하나는 실온 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
26. 조항 16에 있어서, (i) 상기 핵연료와 상기 제1층 및 (ii) 상기 클래딩 층과 상기 제2층 중의 적어도 하나는 약 95℃ 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
27. 조항 16에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 350℃ 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
28. 조항 16에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
29. 조항 16에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 배치되고 약 2미크론 내지 약 5미크론 이하의 두께를 가진 전이층을 더 포함한 핵연료 요소.
30. 조항 16에 있어서, 상기 제1층은 상기 클래딩으로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
31. 조항 16에 있어서, 상기 제2층은 상기 연료로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
32. 조항 16에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 상이한 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
33. 조항 16에 있어서, 상기 핵연료 요소는 상기 핵연료와 상기 클래딩 층 사이에 나트륨이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
34. 조항 16의 핵연료 요소를 포함한 발전 원자로.
35. 조항 16의 핵연료 요소를 포함한 발전소.
36. 핵연료 요소에 있어서,
제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비한 제1 및 제2의 핵연료와,
상기 제1 및 제2 핵연료 중 적어도 하나의 외부에 배치된 클래딩 층과,
상기 제1 및 제2 핵연료 중 하나의 제1 단부와 상기 제1 및 제2 핵연료 중 다른 하나의 제2 단부 사이에 배치된 분리자를 포함하고,
상기 분리자는 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 하나의 제1 단부와 접촉하는 제1 영역 및 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 다른 하나의 제2 단부와 접촉하는 제2 영역을 포함한 것인 핵연료 요소.
37. 조항 36에 있어서, 상기 분리자는 제1 핵연료와 제2 핵연료 중 적어도 하나의 축 방향으로의 팽창을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소.
38. 조항 36에 있어서, 상기 핵연료 요소의 바닥 표면에 근접하게 배치된 제2 분리자를 더 포함한 핵연료 요소.
39. 조항 36에 있어서, 상기 제1 영역과 제2 영역 중 적어도 하나는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
40. 조항 36에 있어서, 상기 분리자는 제1 핵연료의 제1 단부와 제2 핵연료의 제2 단부 중 적어도 하나에서 상기 핵연료와 상기 클래딩 층 간의 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소.
41. 조항 36에 있어서, 상기 분리자는 적어도 상기 제1 영역을 포함한 제1 분리자 층 및 상기 제2 영역을 포함한 제2층을 포함한 것인 핵연료 요소.
42. 조항 36에 있어서, 상기 제1 핵연료와 상기 제2 핵연료 중 적어도 하나 위에 배치된 라이너를 더 포함하고,
상기 라이너는 적어도 상기 제1 핵연료와 상기 제2 핵연료 중 하나와 접촉하도록 구성된 제1층 및 상기 클래딩과 접촉하도록 구성된 제2층을 포함한 것인 핵연료 요소.
43. 조항 36의 연료 요소를 포함한 발전 원자로.
44. 조항 36의 연료 요소를 포함한 발전소.
45. 핵연료 집합체 제조 방법에 있어서,
환형의 핵연료 및 상기 핵연료 외부의 클래딩 층을 제공하는 단계와,
상기 핵연료의 외부에 상기 핵연료와 접촉하는 라이너의 제1층을 배치하는 단계와,
상기 클래딩 층의 내부에 상기 클래딩 층과 접촉하는 라이너의 제2층을 배치하는 단계를 포함한 핵연료 집합체 제조 방법.
46. 조항 45에 있어서, 상기 핵연료, 상기 라이너 및 상기 클래딩 중의 적어도 2개를 스웨이징하는 단계를 더 포함한 핵연료 집합체 제조 방법.
47. 조항 45에 있어서, 주조, 압출, 필거링, 관 용접 및 심리스 용접 중에서 선택된 적어도 하나의 공정을 상기 핵연료에 대하여 수행하는 단계를 더 포함한 핵연료 집합체 제조 방법.
48. 조항 45에 있어서, 상기 핵연료를 핵연료의 적어도 베타 전이온도인 제1 온도로 가열하는 단계와,
핵연료를 등축정의 형성을 촉진하는 조건하에서 상기 제1 온도보다 더 낮은 제2 온도까지 냉각시키는 단계를 더 포함한 핵연료 집합체 제조 방법.
49. 조항 45에 있어서, 상기 제1층을 배치하는 단계와 상기 제2층을 배치하는 단계 중의 적어도 하나는 기상 증착 공정과 전기화학 코팅 공정 중의 적어도 하나를 포함한 것인 핵연료 집합체 제조 방법.
50. 조항 45에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층을 접착하는 단계를 더 포함한 핵연료 집합체 제조 방법.
51. 연료 집합체 이용 방법에 있어서,
환형의 핵연료, 상기 환형의 핵연료 외부에 배치된 라이너 및 상기 라이너 외부에 배치된 클래딩을 각각 포함한 복수의 연료 요소를 포함한 연료 집합체를 제공하는 단계- 상기 라이너는 상기 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함한 것임 -와,
상기 연료 집합체를 이용하여 에너지를 발생시키는 단계와,
(i) 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이; (ii) 상기 제1 물질과 상기 핵연료 사이; 및 (iii) 상기 제2 물질과 상기 클래딩 층 사이 중의 적어도 하나에서 원자간 확산을 완화시키는 단계를 포함한 연료 집합체 이용 방법.
52. 조항 51에 있어서, 상기 라이너는, 적어도, 제1 영역을 포함한 제1 라이너 층과 제2 영역을 포함한 제2 라이너 층을 포함한 것인 연료 집합체 이용 방법.
53. 조항 51에 있어서, 상기 발생시키는 단계는 적어도 300℃의 온도에서 실시되는 것인 연료 집합체 이용 방법.
54. 조항 51에 있어서, 상기 발생시키는 단계 후에, 상기 제1 영역은 상기 클래딩 층으로부터의 요소들이 실질적으로 없고 상기 제2 영역은 상기 핵연료로부터의 요소들이 실질적으로 없는 것인 연료 집합체 이용 방법.
55. 조항 51에 있어서, 상기 연료 요소들 중의 적어도 하나는 상기 핵연료와 상기 클래딩 사이에 나트륨이 실질적으로 없는 것인 연료 집합체 이용 방법.
56. 핵연료 요소에 있어서,
환형의 핵연료와,
상기 환형 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함한 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층과,
상기 제1층과 상기 제2층 사이에 배치되고 약 2미크론 내지 약 5미크론 이하의 두께를 가진 전이층을 포함한 핵연료 요소.
57. 조항 56에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함한 것인 핵연료 요소.
58. 조항 56에 있어서, 상기 제1층과 제2층 중 적어도 하나는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함한 것인 핵연료 요소.
59. 조항 56에 있어서, 상기 클래딩 층은 강을 포함하고, 실질적으로 모든 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중에서 선택된 적어도 하나의 상태를 갖는 것인 핵연료 요소.
60. 조항 56의 핵연료 요소를 포함한 발전 원자로.
Claims (60)
- 환형의 핵연료와,
상기 환형의 핵연료 외부에 배치된 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치된 클래딩 층을 포함하고,
상기 라이너는, 상기 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함하며,
상기 제1 물질은 상기 제1 물질과 상기 환형의 핵연료 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되고,
상기 제1 물질과 상기 제2 물질은 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되며,
상기 제2 물질은 상기 제2 물질과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 물품. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 핵연료는 U, Th, Am, Np 및 Pu 중에서 선택된 적어도 하나의 연료를 포함하는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 핵연료는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 내화 물질을 포함하는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 클래딩 층은 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 클래딩 층은 강(steel)을 포함하고, 실질적으로 모든 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중에서 선택된 적어도 하나의 상태를 갖는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 클래딩 층은, 마르텐사이트강, 페라이트강, 오스테나이트강, 산화물 분산된 강(oxide-dispersed steel), T91강, T92강, HT9강, 316강 및 304강 중에서 선택된 적어도 하나의 강을 포함하는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 핵연료, 상기 라이너 및 상기 클래딩 층은 기계적으로 접착된 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 라이너의 상기 제1 영역은 제1층에 배치되고 상기 라이너의 상기 제2 영역은 제2층에 배치되는 것인 물품.
- 제11항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 기계적으로 접착된 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 중의 적어도 하나는, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 물품.
- 제1항에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함하는 것인 물품.
- 제1항의 물품을 포함하는 발전 원자로.
- 핵연료 요소에 있어서,
환형의 핵연료와,
상기 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함하는 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층을 포함하고,
상기 제1층은 상기 제1층과 상기 환형의 핵연료 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되고,
상기 제1층과 상기 제2층은 상기 제1층과 상기 제2층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되며,
상기 제2층은 상기 제2층과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소. - 제16항에 있어서, 상기 핵연료는, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 내화 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 클래딩 층은, Cr, C, Mo, Ni, Mn, V, W, Si, Cu, N, S 및 P 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 클래딩 층은 마르텐사이트강, 페라이트강, 오스테나이트강, 산화물 분산된 강, T91강, T92강, HT9강, 316강 및 304강 중에서 선택된 적어도 하나의 강을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층은, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제2층은, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층은 약 20미크론의 두께를 갖는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제2층은 약 10미크론의 두께를 갖는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, (i) 상기 핵연료와 상기 제1층 및 (ii) 상기 클래딩 층과 상기 제2층 중의 적어도 하나는, 실온 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, (i) 상기 핵연료와 상기 제1층 및 (ii) 상기 클래딩 층과 상기 제2층 중의 적어도 하나는 약 95℃ 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 350℃ 이상의 온도에서 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 그들 사이에 원자간 확산이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층 사이에 배치되고 약 2미크론 내지 약 5미크론 이하의 두께를 가진 전이층을 더 포함하는 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층은 상기 클래딩 층으로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제2층은 상기 연료로부터 확산된 요소의 원자들이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층은 상이한 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제16항에 있어서, 상기 핵연료 요소는 상기 핵연료와 상기 클래딩 층 사이에 나트륨이 실질적으로 없는 것인 핵연료 요소.
- 제16항의 핵연료 요소를 포함하는 발전 원자로.
- 제16항의 핵연료 요소를 포함하는 발전소.
- 핵연료 요소에 있어서,
제1 단부 및 제2 단부를 각각 구비한 제1 및 제2 핵연료와,
상기 제1 및 제2 핵연료 중 적어도 하나의 외부에 배치된 클래딩 층과,
상기 제1 및 제2 핵연료 중 하나의 제1 단부와 상기 제1 및 제2 핵연료 중 다른 하나의 제2 단부 사이에 배치된 분리자(separator)를 포함하고,
상기 분리자는 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 하나의 제1 단부와 접촉하는 제1 영역 및 상기 제1 및 제2 연료 요소 중 다른 하나의 제2 단부와 접촉하는 제2 영역을 포함하며,
상기 제1 핵연료와 상기 제2 핵연료 중 적어도 하나 위에 배치된 라이너를 더 포함하고,
상기 라이너는 적어도, 상기 제1 핵연료와 상기 제2 핵연료 중 적어도 하나와 접촉하도록 구성된 제1층 및 상기 클래딩 층과 접촉하도록 구성된 제2층을 포함하며,
상기 제1층은 상기 제1층과 상기 제1 핵연료와 상기 제2 핵연료 중 적어도 하나 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되고,
상기 제1층과 상기 제2층은 상기 제1층과 상기 제2층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되며,
상기 제2층은 상기 제2층과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소. - 제36항에 있어서, 상기 분리자는 제1 핵연료와 제2 핵연료 중 적어도 하나의 축 방향으로의 팽창을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소.
- 제36항에 있어서, 상기 핵연료 요소의 바닥 표면 위에 근접하게 배치된 제2 분리자를 더 포함하는 핵연료 요소.
- 제36항에 있어서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역 중 적어도 하나는, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제36항에 있어서, 상기 분리자는, 상기 제1 핵연료의 제1 단부와 상기 제2 핵연료의 제2 단부 중 적어도 하나에서 상기 핵연료와 상기 클래딩 층 간의 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소.
- 제36항에 있어서, 상기 분리자는 적어도, 상기 제1 영역을 포함하는 제1 분리자 층 및 상기 제2 영역을 포함한 제2층을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 삭제
- 제36항의 핵연료 요소를 포함하는 발전 원자로.
- 제36항의 핵연료 요소를 포함하는 발전소.
- 핵연료 집합체 제조 방법에 있어서,
환형의 핵연료 및 상기 핵연료 외부의 클래딩 층을 제공하는 단계와,
상기 핵연료의 외부에 상기 핵연료와 접촉하는 라이너의 제1층을 배치하는 단계와,
상기 클래딩 층의 내부에 상기 클래딩 층과 접촉하는 라이너의 제2층을 배치하는 단계를 포함하고,
상기 제1층은 상기 제1층과 상기 환형의 핵연료 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되고,
상기 제1층과 상기 제2층은 상기 제1층과 상기 제2층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되며,
상기 제2층은 상기 제2층과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 집합체 제조 방법. - 제45항에 있어서, 상기 핵연료, 상기 라이너 및 상기 클래딩 층 중의 적어도 2개를 스웨이징(swaging)하는 단계를 더 포함하는 핵연료 집합체 제조 방법.
- 제45항에 있어서, 주조, 압출, 필거링(pilgering), 관 용접 및 심리스 용접 중에서 선택된 적어도 하나의 공정을 상기 핵연료에 대하여 수행하는 단계를 더 포함하는 핵연료 집합체 제조 방법.
- 제45항에 있어서, 상기 핵연료를 핵연료의 적어도 베타 전이온도의` 제1 온도로 가열하는 단계와,
상기 핵연료를 등축정(equiaxed grain)의 형성을 촉진하는 조건하에서 상기 제1 온도보다 더 낮은 제2 온도까지 냉각시키는 단계를 더 포함하는 핵연료 집합체 제조 방법. - 제45항에 있어서, 상기 제1층을 배치하는 단계와 상기 제2층을 배치하는 단계 중의 적어도 하나는, 기상 증착 공정과 전기화학 코팅 공정 중의 적어도 하나를 포함하는 것인 핵연료 집합체 제조 방법.
- 제45항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층을 접착하는 단계를 더 포함하는 핵연료 집합체 제조 방법.
- 연료 집합체 이용 방법에 있어서,
환형의 핵연료, 상기 환형의 핵연료 외부에 배치된 라이너 및 상기 라이너 외부에 배치된 클래딩 층을 포함한 복수의 연료 요소를 구비한 연료 집합체를 제공하는 단계로서, 상기 라이너는 상기 핵연료에 인접하게 배치되고 제1 물질을 포함한 제1 영역과, 상기 클래딩 층에 인접하게 배치되고 상기 제1 물질과는 상이한 제2 물질을 포함한 제2 영역을 포함한 것인, 연료 집합체를 제공하는 단계와,
상기 연료 집합체를 이용하여 에너지를 발생시키는 단계와,
(i) 상기 제1 물질과 상기 제2 물질 사이; (ii) 상기 제1 물질과 상기 핵연료 사이; 및 (iii) 상기 제2 물질과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키는 단계를 포함하는 연료 집합체 이용 방법. - 제51항에 있어서, 상기 라이너는 적어도, 상기 제1 영역을 포함한 제1 라이너 층과 상기 제2 영역을 포함한 제2 라이너 층을 포함하는 것인 연료 집합체 이용 방법.
- 제51항에 있어서, 상기 에너지를 발생시키는 단계는, 적어도 300℃의 온도에서 실시되는 것인 연료 집합체 이용 방법.
- 제51항에 있어서, 상기 에너지를 발생시키는 단계 후에, 상기 제1 영역은 상기 클래딩 층으로부터의 요소들이 실질적으로 없고, 상기 제2 영역은 상기 핵연료로부터의 요소들이 실질적으로 없는 것인 연료 집합체 이용 방법.
- 제51항에 있어서, 상기 연료 요소들 중의 적어도 하나는, 상기 핵연료와 상기 클래딩 층 사이에 나트륨이 실질적으로 없는 것인 연료 집합체 이용 방법.
- 핵연료 요소에 있어서,
환형의 핵연료와,
상기 환형의 핵연료 외부에 배치되고 상기 핵연료와 접촉하는 제1층, 및 제2층을 포함한 라이너와,
상기 라이너의 외부에 배치되고 금속, 금속 합금 및 세라믹 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하며 상기 라이너의 상기 제2층과 접촉하는 클래딩 층과,
상기 제1층과 상기 제2층 사이에 배치되고 약 2미크론 내지 약 5미크론 이하의 두께를 가진 전이층을 포함하고,
상기 제1층은 상기 제1층과 상기 환형의 핵연료 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되고,
상기 제1층과 상기 제2층은 상기 제1층과 상기 제2층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성되며,
상기 제2층은 상기 제2층과 상기 클래딩 층 사이에서 원자간 확산을 완화시키도록 구성된 것인 핵연료 요소. - 제56항에 있어서, 상기 핵연료는 적어도 90 wt%의 U를 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제56항에 있어서, 상기 제1층과 상기 제2층 중 적어도 하나는, Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf 중에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함하는 것인 핵연료 요소.
- 제56항에 있어서, 상기 클래딩 층은 강을 포함하고, 실질적으로 모든 강은 마르텐사이트 상태, 페라이트 상태 및 오스테나이트 상태 중에서 선택된 적어도 하나의 상태를 갖는 것인 핵연료 요소.
- 제56항의 핵연료 요소를 포함하는 발전 원자로.
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