KR102242385B1 - 연료 집합체 - Google Patents

Abstract

핵연료 집합체들(710)은 종래의 원자로의 사전설정된 포위부 크기 및 유도관 위치 및 패턴으로 연료 집합체(710)를 용이하게 피팅하는 외측 측방향 측면들 상의 감소된 측방향 치수들을 갖는 비-대칭 연료 요소들(730)을 포함한다. 대안적으로, 핵연료 집합체들(910)은 종래의 원자로 내로 집합체(910)의 피팅을 용이하게 하는 소형 구성으로 일반적으로 유사한 연료 요소들(920)을 위치시키는 혼합된 그리드 패턴을 포함한다.

Description

연료 집합체{FUEL ASSEMBLY}

본 출원은 2013년 5월 10일 출원된 미국 가출원 제 61/821,918호 및 2013년 11월 15일 출원된 미국 출원 제 14/081,056호로부터 우선권의 이익을 주장하며, 이들의 전문은 본 명세서에서 인용참조된다.

본 발명은 일반적으로 원자로의 코어에서 사용되는 핵연료 집합체들에 관한 것이며, 더 명확하게는 금속 핵연료 요소(metal nuclear fuel element)들에 관한 것이다.

본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 미국 특허 출원 공개공보 2009/0252278 A1은 시드 및 블랭킷 서브-집합체들(seed and blanket sub-assemblies)을 포함하는 핵연료 집합체를 개시한다. 블랭킷 서브-집합체는 토륨-기반 연료 요소들을 포함한다. 시드 서브-집합체는 중성자들을 방출하는 데 사용되는 우라늄 및/또는 플루토늄 금속 연료 요소들을 포함하고, 중성자들은 토륨 블랭킷 요소들에 의해 포획되어 핵분열성 U-233을 생성하고, 이들은 그대로(in situ) 연소하여 원자로 발전소에 대한 열을 발생시킨다.

본 명세서에서 그 전문이 인용참조되는 PCT 공개공보 WO2011/143293(A1)호는 금속 또는 세라믹 연료를 갖는 압출된, 스파이럴(즉, 나선형으로 감긴) 연료 요소들을 이용하는 다양한 연료 집합체들 및 연료 요소들을 개시한다.

종래의 연료봉(fuel rod)들의 원통형 관의 표면적은 연료봉으로부터 일차 냉각재로 전달될 수 있는 열량을 제한한다. 열 유속 제거에 제한된 표면적을 고려하여 연료봉의 과열을 회피하기 위해, 통상적으로 이 우라늄 산화물 연료봉들 또는 혼합 산화물(플루토늄 및 우라늄 산화물) 연료봉들 내의 핵분열성 물질의 양은 실질적으로 제한되었다.

본 발명의 1 이상의 실시예들은 종래의 우라늄 산화물 연료봉들을 전금속, 다수-로브, 분말 야금 공압출 연료봉(all metal, multi-lobed, powder metallurgy co-extruded fuel rod)들(연료 요소들)로 대체함으로써 이들의 단점들을 극복한다. 금속 연료 요소들은 우라늄 산화물 봉 대응물보다 상당히 더 많은 표면적을 가지므로, 연료 요소로부터 더 낮은 온도의 일차 냉각재로 상당히 더 많은 열 전달을 용이하게 한다. 다수-로브 연료 요소들의 스파이럴 리브(spiral rib)들은 연료 요소에 구조적 지지를 제공하며, 이는 그렇지 않은 경우에 요구될 수 있었던 스페이서 그리드(spacer grid)들의 제거 또는 수량 감소를 용이하게 할 수 있다. 이러한 스페이서 그리드들의 제거 또는 수량 감소는 유리하게는 냉각재의 수력학적 항력(hydraulic drag)을 감소시키며, 이는 냉각재로의 열 전달을 개선할 수 있다. 금속 연료 요소들이 종래의 우라늄 산화물 연료봉 대응물보다 비교적 더 조밀(compact)할 수 있기 때문에, 연료 집합체 내의 더 많은 공간이 냉각재를 위해 제공되며, 이는 다시 수력학적 항력을 감소시키고 냉각재로의 열 전달을 개선한다. 금속 연료봉들로부터 냉각재로의 더 높은 열 전달은, 더 많은 열(즉, 파워)을 발생시킬 수 있는 한편, 동시에 산화물들에 대한 금속들의 매우 더 높은 열전도율로 인하여 더 낮은 작동 온도에 연료 요소들을 유지한다는 것을 의미한다. 종래의 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료봉들은 통상적으로 과열 우려로 인해 약 4-5 %의 핵분열성 물질 로딩(loading)에 제한되지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 금속 연료 요소들의 더 높은 열 전달 특성들은 상당히 더 큰 핵분열성 물질 로딩이 사용될 수 있게 하는 한편, 여전히 안전한 연료 성능을 유지한다. 궁극적으로, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 금속 연료 요소들의 사용은 동일한 원자로 코어(reactor core)로부터, 종래의 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료봉들을 이용하여 가능한 것보다 더 많은 파워를 제공할 수 있다.

본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 전-금속 연료 요소들의 사용은 유리하게는 연료 파손의 위험을 감소시킬 수 있는데, 이는 금속 연료 요소들이 종래의 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료봉들에서 가능한 바와 같은 일차 냉각재로의 핵분열 기체 방출의 위험을 감소시키기 때문이다.

또한, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 전-금속 연료 요소들의 사용은 종래의 우라늄 산화물 연료봉들보다 안전할 수 있는데, 이는 전-금속 디자인이 연료 요소 내의 열 전달을 증가시키며, 이로 인해 연료 요소 내의 온도 변동을 감소시키고, 연료 요소의 국부적 과열의 위험을 감소시키기 때문이다.

1 이상의 실시예들은 원자로의 연료 집합체에서 사용하기 위한 축방향 세장형 연료 요소(axially elongated fuel element)를 제공한다. 연료 요소는: 핵분열성 물질을 포함한 커널(kernel); 및 커널을 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함한다. 연료 요소의 축방향 길이 대 연료 요소의 외접 직경(circumscribed diameter)의 비는 20:1이다. 연료 요소의 축방향 중심선은 연료 요소의 축방향 질량 중심으로부터 오프셋된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 요소는 스파이럴 리브들을 형성하는 다수-로브 프로파일을 가지며, 스파이럴 리브들은 핵분열가능한 물질을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 다수-로브 프로파일은 인접한 로브들 사이에 오목한 영역들을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 클래딩의 적어도 하나의 원주 측(circumferential side)은 클래딩의 적어도 하나의 다른 원주 측에 대해 측방향으로 크기가 감소한다(예를 들어, 단축된다).

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 커널의 축방향 질량 중심은 축방향 중심선에 배치되고, 클래딩의 축방향 질량 중심은 축방향 중심선으로부터 오프셋된다.

1 이상의 실시예들은 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체를 제공한다. 연료 집합체는 원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐을 포함한 프레임; 및 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형, 압출 연료 요소들을 포함한다. 상기 복수의 연료 요소들 각각은 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 연료 물질을 포함한 연료 커널(fuel kernel) -상기 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함함- , 및 연료 커널을 둘러싸는 클래딩을 포함한다. 연료 요소들 각각은 스파이럴 리브들을 형성하는 다수-로브 프로파일을 갖는다. 복수의 연료 요소들은 연료 집합체의 모든 핵분열성 물질을 제공한다. 복수의 연료 요소들 각각은, 복수의 연료 요소들의 서브세트가 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치되도록 프레임에 의해 정의되는 그리드 패턴의 상이한 그리드 위치에 배치된다. 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치된 연료 요소들 중 적어도 일부에서의 클래딩의 적어도 하나의 외측(outer side)은 측방향으로 크기가 감소된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 프레임은 슈라우드를 포함하여, 복수의 연료 요소들이 모두 슈라우드 내부에 배치되고 클래딩의 측방향으로 감소된 외측들이 슈라우드와 접촉하도록 한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 요소들의 축방향에 수직인 연료 집합체의 단면에서, 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치된 연료 요소들 중 적어도 일부의 연료 커널들 각각의 영역은 복수의 연료 요소들의 나머지의 연료 커널들 중 적어도 하나의 영역보다 작다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 연료 요소들 각각은 인접한 연료 요소들로부터 공통 중심선-대-중심선 거리만큼 분리되며, 복수의 연료 요소들 각각의 외접 직경은 중심선-대-중심선 거리와 같다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 물질은 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 세라믹 연료 물질을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 클래딩은 복수의 연료 요소들 각각에 걸쳐 적어도 0.4 mm의 두께를 갖는다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 집합체는 2013년 이전에 실제 사용되었던 원자로 디자인을 갖는 종래의 원자력 발전소의 종래의 지상(land-based) 동력용 원자로에서의 작동을 위해 열역학적으로 설계되고 물리적으로 형상화된다. 프레임은 상기 원자로를 위한 종래의 우라늄 산화물 연료 집합체 대신에 지상 동력용 원자로에 피팅되도록 형상화되고 구성된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 연료 요소들의 인접한 요소들의 스파이럴 리브들은 연료 요소들의 축방향 길이에 걸쳐 서로 주기적으로 접촉하고, 이러한 접촉은 서로에 대한 연료 요소들의 간격을 유지하도록 돕는다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 세장형 연료 요소들의 서브세트를 지지하는 연료 집합체의 일부분은 복수의 연료 요소들의 나머지를 지지하는 연료 집합체의 일부분과 분리시킬 수 없다(inseparable).

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 그리드 패턴은 17x17 패턴의 그리드 위치들을 정의하고, 유도관들이 행,열 위치들: 3,6; 3,9; 3,12; 4,4; 4,14; 6,3; 6,15; 9,3; 9,15; 12,3; 12,15; 14,4; 14,14; 15,6; 15,9; 및 15,12에서 그리드 위치들을 차지한다.

1 이상의 실시예들은 동력용 원자로의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체를 제공한다. 연료 집합체는: 원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐을 포함한 프레임; 및 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들을 포함하고, 상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함한다. 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치된다. 제 2 그리드 패턴은 제 1 그리드 패턴과 상이하다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 연료 요소들은 겹치지 않는(non-overlapping) 제 1, 제 2 및 제 3 서브세트들을 포함하고, 각각의 서브세트는 복수의 연료 요소들을 포함한다. 제 1 서브세트의 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치된다. 제 2 서브세트의 복수의 연료 요소들은 제 2 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치된다. 제 3 서브세트의 복수의 연료 요소들은 각각의 겹치는 그리드 위치들 내에 배치되고, 상기 겹치는 그리드 위치들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴 모두에 포함된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 연료 요소들 각각은 공통 외접 직경을 갖는다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 제 1 그리드 패턴은 정사각형 행과 열의 패턴을 포함한다. 행들과 열들 간의 중심선-대-중심선 거리는 공통 외접 직경이다. 제 2 그리드 패턴은 정삼각형들의 패턴을 포함한다. 각 삼각형의 각 변의 길이는 공통 외접 직경이다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 집합체는 또한 프레임에 의해 지지되는 추가 연료 요소들을 포함한다. 추가 연료 요소들은 제 1 또는 제 2 그리드 패턴에 의해 정의된 여하한의 그리드 위치들 내에 배치되지 않는다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 연료 요소들 각각은: 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 연료 물질을 포함한 연료 커널 -상기 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함함- , 및 연료 커널을 둘러싸는 클래딩을 포함한다. 연료 요소들 각각은 스파이럴 리브들을 형성하는 다수-로브 프로파일을 갖는다.

본 발명의 1 이상의 실시예들은 동력용 원자로(예를 들어, 지상 또는 해상 원자로)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체를 제공한다. 연료 집합체는 원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐을 포함한 프레임, 및 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 금속 연료 요소들을 포함한다. 복수의 연료 요소들 각각은 금속 연료 물질 및 금속 비-연료 물질을 포함한 금속 연료 합금 커널을 포함한다. 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함한다. 또한, 각각의 연료 요소는 연료 커널을 둘러싸는 클래딩을 포함한다. 복수의 세장형 금속 연료 요소들은 연료 집합체의 모든 핵분열성 물질을 제공한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 집합체는 지상 동력용 원자로에서의 작동을 위해 열역학적으로 설계되고 물리적으로 형상화된다.

1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 집합체는 지상 동력용 원자로와 조합하여 사용될 수 있으며, 연료 집합체는 지상 동력용 원자로 내에 배치된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들에 대해: 연료 커널의 연료 물질은 우라늄-235 및/또는 우라늄-233에 의해 20 % 이하로 농축되고, 연료 커널의 20 % 내지 30 % 부피율을 포함하며; 비-연료 금속은 연료 커널의 70 % 내지 80 % 부피율을 포함한다. 복수의 복수의 연료 요소들에 대해: 연료 물질 농축은 15 % 내지 20 %일 수 있다. 연료 커널의 비-연료 금속은 지르코늄을 포함할 수 있다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 커널은 δ-상(phase) UZr₂를 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들에 대해: 연료 커널의 연료 물질은 플루토늄을 포함하고; 연료 커널의 비-연료 금속은 지르코늄을 포함하며; 연료 커널의 비-연료 금속은 연료 커널의 70 % 내지 97 % 부피율을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 물질은: 우라늄 및 토륨; 플루토늄 및 토륨; 또는 우라늄, 플루토늄 및 토륨의 조합을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들의 클래딩은 연료 커널에 야금 접합(metallurgically bond)된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들의 비-연료 금속은 알루미늄을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들의 비-연료 금속은 내화 금속을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들의 클래딩은 지르코늄을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 복수의 연료 요소들은 연료 커널 및 클래딩의 공압출을 통해 제조된다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 연료 집합체, 이의 1 이상의 연료 요소들, 및/또는 이의 1 이상의 연료 커널들은 가연성 독물(burnable poison)을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 복수의 세장형 금속 연료 요소들은 연료 집합체의 전체 핵분열성 물질의 적어도 80 부피%(80% by volume)를 제공한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 지상 동력용 원자로는 2013년 이전에 실제 사용되었던 원자로 디자인을 갖는 종래의 원자력 발전소이다. 프레임은 원자로를 위한 종래의 우라늄 산화물 연료 집합체 대신에 지상 동력용 원자로에 피팅되도록 형상화되고 구성될 수 있다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 커널은 금속 연료 물질 대신에 세라믹 연료 물질을 포함할 수 있다. 1 이상의 이러한 실시예들에서, 연료 물질은 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 세라믹 연료 물질을 포함한다. 역으로, 1 이상의 금속 연료 실시예들에서, 복수의 세장형, 압출 연료 요소들은 복수의 세장형, 압출 금속 연료 요소들을 포함하고; 연료 물질은 금속 연료 물질을 포함하며; 연료 커널은 금속 비-연료 물질의 매트릭스 및 금속 연료 물질의 합금을 포함한 금속 연료 합금 커널을 포함한다.

이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 프레임은 슈라우드를 포함하여 복수의 연료 요소들이 모두 슈라우드 내부에 배치되도록 하고, 연료 집합체는 연료 집합체의 코너에 배치되고 슈라우드에 부착된 적어도 하나의 코너 구조체를 포함한다. 이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 적어도 하나의 코너 구조체는 가연성 독물을 포함한다. 이 실시예들 중 1 이상에 따르면, 적어도 하나의 코너 구조체는 복수의 세장형 연료 요소들 중 적어도 하나에 접한다(abut).

본 발명의 다양한 실시예들의 이 실시형태 및 다른 실시형태, 및 작동 방법들 및 구조체의 관련 요소들의 기능들 및 제조의 부분과 경제의 조합이 첨부된 도면들을 참조하여 다음 설명 및 첨부된 청구항들을 고려할 때 -이들은 모두 본 명세서의 일부분을 형성함- 더 분명해질 것이며, 동일한 참조 번호들은 다양한 도면들에서 대응하는 부분들을 나타낸다. 본 발명의 일 실시예에서, 본 명세서에 예시된 구조적 구성요소들은 일정한 비율로(to scale) 그려진다. 하지만, 도면들은 단지 예시 및 설명만을 위한 것이며, 본 발명의 한계를 정의하는 것으로서 의도되지는 않음을 명백히 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 여하한의 일 실시예에 나타내거나 설명된 구조적 특징들은 다른 실시예들에서도 사용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 명세서 및 청구항들에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an", 및 "the")는 문맥이 달리 명확히 지시하지 않는 한 복수의 지시물들을 포함한다.

본 발명의 실시예들, 및 이의 다른 목적들 및 추가 특징들을 더 잘 이해하기 위해, 첨부된 도면들과 함께 사용될 수 있는 다음 설명이 언급된다:
도 1은 자체-간격 평면(self-spacing plane)에서 취해지는 연료 집합체의 단면도;
도 2는 도 1로부터 연료 요소들의 꼬임(twist)의 1/8만큼 시프트되는 평면에서 취해지는 도 1의 연료 집합체의 단면도;
도 3은 연료 집합체의 축방향에 평행인 평면에서 취해지는 도 1 연료 집합체의 단면도;
도 4는 도 1의 연료 집합체의 연료 요소의 사시도;
도 5는 도 3의 연료 요소의 단면도;
도 6은 정다각형 내에 외접되는, 도 3의 연료 요소의 단면도;
도 7a는 가압중수형 원자로에서 사용하기 위한, 또 다른 연료 집합체의 단부도(end view);
도 7b는 도 7a의 연료 집합체의 부분 도;
도 8은 도 7a 및 도 7b에 예시된 연료 집합체를 이용하는 가압중수형 원자로의 다이어그램;
도 9는 도 3의 연료 요소의 단면도;
도 10은 또 다른 연료 집합체의 단면도;
도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 집합체의 부분 단면도들;
도 13a 및 도 13b는 도 11 및 도 12에서의 연료 집합체의 2 개의 연료 요소들의 단면도들;
도 14는 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 15 내지 도 20은 도 14의 연료 집합체의 부분 단면도들;
도 21은 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 22는 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 23 내지 도 25는 도 22의 연료 집합체의 부분 단면도들;
도 26은 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 27 내지 도 30은 도 26의 연료 집합체의 부분 단면도들;
도 31 내지 도 36은 대안적인 실시예들에 따른 연료 집합체들의 부분 단면도들;
도 37은 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 38은 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체의 단면도;
도 39 내지 도 44는 16x16 연료 집합체에 대한 종래의 사양들을 제공하는 도면이다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 집합체(10)를 예시한다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 집합체(10)는 프레임(25)에 의해 지지되는 복수의 연료 요소들(20)을 포함한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 프레임(25)은 슈라우드(shroud: 30), 유도관(guide tube: 40)들, 상부 노즐(50), 하부 노즐(60), 하부 타이 플레이트(lower tie plate: 70), 상부 타이 플레이트(80), 및/또는 집합체(10)가 원자로에서 연료 집합체로서 작동할 수 있게 하는 다른 구조체(들)를 포함한다. 프레임(25)의 이 구성요소들 중 1 이상이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다양한 실시예들에 따라 생략될 수 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 슈라우드(25)는 상부 노즐(50) 및 하부 노즐(60)에 장착된다. 하부 노즐(60)[또는 집합체(10)의 다른 적절한 구조체]은 집합체(10)와 집합체(10)가 배치되는 원자로(90) 사이에 유체 연통 인터페이스(fluid communication interface)를 제공하도록 구성되고 형상화되어, 하부 노즐(60)을 통하여 집합체(10)를 통한 원자로 코어로의 냉각재 유동을 용이하게 한다. 상부 노즐(50)은 집합체(10)로부터 (PWRs에 대한) 발전소 증기 발생기, (BWRs에 대한) 터빈 등까지의 가열된 냉각재의 방향을 용이하게 한다. 노즐들(50, 60)은 특히 원자로 코어 내부 구조체와 정확히 맞물리도록 설계되는 형상을 갖는다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 하부 타이 플레이트(70) 및 상부 타이 플레이트(80)는 바람직하게는 슈라우드(30) 또는 하부 노즐(60)[및/또는 집합체(10)의 다른 적절한 구조적 구성요소들]에 [예를 들어, 용접, 적절한 파스너들(예를 들어, 볼트, 나사) 등을 통해] 단단히 장착된다.

요소들(20)의 하부 축방향 단부들이 요소들(20)을 지지하고 적절한 요소(20) 간격을 유지하도록 돕는 하부 타이 플레이트(70) 내의 홀들(70a) 내로 피팅되는 핀(pin)들(20a)을 형성한다. 핀들(20a)은 요소들(20)이 그들의 축선을 중심으로 회전하거나 하부 타이 플레이트(70)에 대해 축방향으로 이동하는 것을 방지하는 방식으로 홀들(70a)에 장착된다. 이 회전 제약은, 인접한 요소들(20) 간의 접촉점들이 모두 요소들(20)을 따라 동일한 축방향 위치들에서(예를 들어, 아래에서 설명되는 자체-간격 평면에서) 발생할 것을 보장하도록 돕는다. 핀들(20a)과 홀들(70a) 간의 연결은 용접, 억지 끼워맞춤(interference fit), 회전을 방지하는 비-원통형 결합 특징부(mating non-cylindrical feature)들(예를 들어, 키 홈 및 스플라인), 및/또는 하부 타이 플레이트(70)에 대한 요소들(20)의 축방향 및/또는 회전 이동을 제한하는 여하한의 다른 적절한 메카니즘을 통해 생성될 수 있다. 하부 타이 플레이트(70)는 축방향으로 연장되는 채널들(예를 들어, 개구부들의 그리드)을 포함하며, 이를 통해 냉각재가 요소들(20)을 향해 흐른다.

요소들(20)의 상부 축방향 단부들은 상부 핀들(20a)이 상부 타이 플레이트(80)를 통해 위쪽으로 자유롭게 축방향 이동하게 하는 한편, 요소들(20) 간의 간격을 유지하도록 돕는 상부 타이 플레이트(80) 내의 홀들(80a) 내로 자유롭게 피팅되는 핀들(20a)을 형성한다. 결과로서, 요소들(20)이 핵분열 시 축방향으로 성장하는 경우, 신장되는 요소들(20)은 상부 타이 플레이트(80) 내로 자유롭게 더 연장될 수 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 핀들(20a)은 요소(20)의 중심 부분으로 전환(transition)된다.

도 4 및 도 5는 집합체(10)의 개별적인 연료 요소/봉(20)을 예시한다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 요소(20)의 세장형 중심 부분은 4-로브가 있는 단면을 갖는다. 요소(20)의 단면은 요소(20)의 중심 부분의 길이에 걸쳐 실질적으로 균일하게 유지된다. 각각의 연료 요소(20)는 연료 커널(100)을 갖고, 이는 핵분열성 물질을 포함하는 연료 물질 및 내화 금속을 포함한다.

내화 금속을 포함하는 디스플레이서(displacer: 110)가 연료 커널(100)의 중심에서 길이방향 축선을 따라 배치된다. 디스플레이서(110)는 이러한 공간을 차지할 수 있는 핵분열성 물질을 대신함으로써 연료 요소(20)의 가장 두꺼운 부분의 중심에서 온도를 제한하고, 연료 요소의 표면을 따라 열 유속의 변동들을 최소화하도록 돕는다. 다양한 실시예들에 따르면, 디스플레이서(110)는 전부 제거될 수 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 커널(100)은 내화 금속 클래딩(120)에 의해 둘러싸인다. 클래딩(120)은 바람직하게는 파손 없이[예를 들어, 클래딩(120) 외부의 환경에 커널(100)을 노출시키지 않고] 커널(100)의 방사선-유도 팽윤(radiation-induced swelling)을 견디기에 충분히 두껍고, 충분히 강하고, 충분히 유연하다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 전체 클래딩(120)은 적어도 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, 및/또는 0.7 mm의 두께를 갖는다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 클래딩(120) 두께는 팽윤에 의한 파손, 산화에 의한 파손, 및/또는 클래딩(120)의 여하한의 다른 파손 메카니즘의 가능성을 감소시키기 위해 적어도 0.4 mm이다.

클래딩(120)은 환상 방향(annular direction)으로[즉, 도 5의 단면도에 나타낸 바와 같은 클래딩(120)의 주변부 주위에서], 및 (도 4에 나타낸 바와 같은) 커널(100)의 축방향/길이방향 길이에 걸쳐 실질적으로 균일한 두께를 가질 수 있다. 대안적으로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 1 이상의 실시예들에 따라, 클래딩(120)은 로브들(20b) 사이의 오목한 교차부(intersection)/영역(20c)에서보다 로브들(20b)의 선단(tip)들에서 더 두껍다. 예를 들어, 1 이상의 실시예들에 따르면, 로브들(20b)의 선단들에서의 클래딩(120)은 오목한 교차부들/영역들(20c)에서의 클래딩(120)보다 적어도 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 %, 60 %, 70 %, 80 %, 90 %, 100 %, 125 %, 및/또는 150 % 더 두껍다. 로브들(20b)의 선단들에서의 더 두꺼운 클래딩(120)은, 자체-간격 평면들(아래에서 설명됨)에서 인접한 연료 요소들(20)이 서로 닿는 로브들(20b)의 선단들에서의 개선된 내마모성(wear resistance)을 제공한다.

디스플레이서(110), 연료 커널(100), 및 클래딩(120)에서 사용되는 내화 금속은 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따라 지르코늄을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 지르코늄이라는 용어는 순수 지르코늄 또는 다른 합금 물질(들)과 조합한 지르코늄을 의미한다. 하지만, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 지르코늄 대신에 다른 내화 금속들이 사용될 수 있다(예를 들어, 니오븀, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐, 레늄, 티타늄, 바나듐, 크로뮴, 지르코늄, 하프늄, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 및/또는 다른 금속들). 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "내화 금속"이라는 용어는 1800 ℃(2073 K) 이상의 융점을 갖는 여하한의 금속/합금을 의미한다.

또한, 소정 실시예들에서, 내화 금속은 또 다른 비-연료 금속, 예를 들어 알루미늄으로 대체될 수 있다. 하지만, 비-내화 비-연료 금속의 사용은 더 낮은 온도들에서 작동하는 원자로 코어들(예를 들어, 100 MWe 이하의 출력 등급 및 약 1 미터의 높이를 갖는 작은 코어들)에 가장 적절하다. 내화 금속들은 더 높은 작동 온도들을 갖는 코어들에서 사용하기에 바람직하다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 연료 커널(100) 및 클래딩(120)의 중심 부분은 스파이럴 스페이서 리브들(130)을 형성하는 4-로브 프로파일을 갖는다. 또한, 디스플레이서(110)는 리브들(130)에서 바깥쪽으로 돌출하도록 형상화될 수 있다[예를 들어, 정사각형 디스플레이서(110)의 코너들이 리브들(130)과 정렬됨]. 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 더 많거나 더 적은 수의 리브들(130)을 가질 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개공보 2009/0252278 A1의 도 5에 일반적으로 예시된 바와 같이, 연료 요소는 3 개의 리브들/로브들을 가질 수 있으며, 이들은 바람직하게는 서로로부터 동등하게 원주방향으로 이격된다. 로브들/리브들(130)의 수는 적어도 부분적으로 연료 집합체(10)의 형상에 의존할 수 있다. 예를 들어, 4-로브 요소(20)는 (예를 들어, AP-1000에서 사용되는 바와 같이) 정사각형 단면의 연료 집합체(10)와 잘 작용할 수 있다. 대조적으로, 3-로브 연료 요소는 (예를 들어, VVER에서 사용되는 바와 같이) 육각형 연료 집합체와 잘 작용할 수 있다.

도 9는 1 이상의 실시예들에 따른 연료 요소(20)의 다양한 치수들을 예시한다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 아래의 표에서 확인되는 바와 같은 여하한의 이 치수들, 파라미터들 및/또는 범위들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 최대 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 40 %, 50 % 또는 그 이상만큼 증가되거나 감소될 수 있다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 디스플레이서(110)는 정사각형(square regular quadrilateral)의 코너들이 리브들(130)과 정렬되어 있는 정사각형의 단면 형상을 갖는다. 디스플레이서(110)는 디스플레이서(110)의 코너들이 연료 커널(100)의 축방향 길이를 따라 리브들(130)과 정렬된 채로 유지되도록 리브들(130)의 스파이럴을 따르는 스파이럴을 형성한다. 더 많거나 더 적은 리브들(130)을 갖는 대안적인 실시예들에서, 디스플레이서(110)는 바람직하게는 요소(20)가 리브들을 갖는 만큼 변들을 갖는 정다각형의 단면 형상을 갖는다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 요소(20)의 중심 부분의 단면 영역은 바람직하게는 실질적으로 정사각형(200)의 영역보다 작으며, 이때 리브들(130) 각각의 선단이 정사각형(200)의 한 변에 접한다(tangent). 더 일반적인 에서, n 개의 리브들을 갖는 요소(20)의 단면 영역은 바람직하게는 n 개의 변을 갖는 정다각형의 영역보다 작으며, 이때 리브들(130) 각각의 선단이 다각형의 한 변에 접한다. 다양한 실시예들에 따르면, 정사각형[또는 4 개의 리브들(130)보다 더 많거나 더 적은 리브들을 갖는 요소들(20)에 대한 관련 정다각형]의 영역에 대한 요소(20)의 영역의 비는 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.35, 0.3보다 작다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이 영역 비는 슈라우드(30) 내의 이용가능한 공간을 연료 요소들(20)이 얼마나 차지하는지에 근사하며, 더 낮은 비는 더 많은 공간이 냉각재에 유리하게 이용가능하다는 것을 의미하고, 이는 또한 중성자 감속재로서 작용하며, (중성자에 중요한) 감속재-대-연료 비를 증가시키고, 수력학적 항력을 감소시키며, 요소들(20)로부터 냉각재로의 열 전달을 증가시킨다. 다양한 실시예들에 따르면, 결과적인 감속재 대 연료 비는 (종래의 원통형 우라늄 산화물 봉들이 사용되는 경우의 1.96과는 대조적으로) 적어도 2.0, 2.25, 2.5, 2.75 및/또는 3.0이다. 이와 유사하게, 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(10) 유동 영역은 원통형 우라늄 산화물 봉들을 사용하는 1 이상의 종래의 연료 집합체들의 사용에 비해 16 % 이상 증가된다. 증가된 유동 영역은 (종래의 우라늄 산화물 집합체들에 대한) 집합체(10)를 통한 냉각재 압력 강하를 감소시킬 수 있으며, 이는 집합체(10)를 통해 냉각재를 펌핑하는 것에 관련하여 장점들을 가질 수 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 요소(20)는 축방향으로 세장형이다. 나타낸 실시예에서, 각각의 요소(20)는 전체-길이 요소(full-length element)이고, 집합체(10)의 저부 또는 그 부근의 하부 타이 플레이트(70)로부터 집합체(10)의 최상부 또는 그 부근의 상부 타이 플레이트(80)까지 전체 연장된다. 다양한 실시예들 및 원자로 디자인들에 따르면, 이는 (소형 원자로에 대한) 1 미터 길이에서 4 미터 이상의 길이까지 여하한의 요소들(20)을 유도할 수 있다. 따라서, 전형적인 원자로들에 대해, 요소들(20)은 1 내지 5 미터의 길이일 수 있다. 하지만, 요소들(20)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여하한의 다른 크기의 원자로를 수용하도록 길어지거나 짧아질 수 있다.

나타낸 요소들(20)은 자체로 전체 길이이지만, 대안적으로 요소들(20)은 분할되어 다수 세그먼트(segment)들이 함께 전체 길이 요소를 이루도록 할 수 있다. 예를 들어, 4 개의 개별적인 1 미터 요소 세그먼트들(20)이 끝과 끝을 붙여 정렬되어, 효과적으로 전체-길이 요소를 생성할 수 있다. 추가적인 타이 플레이트들(70, 80)이 세그먼트들의 축방향 간격 및 배치를 유지하기 위해 세그먼트들 간의 교차부들에 제공될 수 있다.

1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 커널(100)은 내화 금속/합금 및 연료 물질의 조합을 포함한다. 내화 금속/합금은 지르코늄 합금을 포함할 수 있다. 연료 물질은 저농축 우라늄(예를 들어, U235, U233), 플루토늄, 또는 플루토늄 및/또는 아래에 정의되는 바와 같은 저농축 우라늄과 조합된 토륨을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "저농축 우라늄"은 전체 연료 물질이 20 중량% 미만의 핵분열성 물질(예를 들어, 우라늄-235 또는 우라늄-233)을 함유한다는 것을 의미한다. 다양한 실시예들에 따르면, 우라늄 연료 물질은 우라늄-235의 1 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 20 중량%, 10 중량% 내지 20 중량%, 및/또는 15 중량% 내지 20 중량%로 농축된다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 물질은 19.7 % 농축 우라늄-235을 포함한다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 물질은 연료 커널(100)의 3 내지 10 %, 10 내지 40 %, 15 내지 35 %, 및/또는 20 내지 30 % 부피율을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 내화 금속은 연료 커널(100)의 60 내지 99 %, 60 내지 97 %, 70 내지 97 %, 60 내지 90 %, 65 내지 85 %, 및/또는 70 내지 80 % 부피율을 포함할 수 있다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 이 범위들 중 1 이상 내에서의 부피율들은 명시된 합금 조성물에 대한 물질 상평형 다이어그램(phase diagram)에 의해 정의된 바와 같은 유익한 특성들을 합금에 제공한다. 연료 커널(100)은 δ-상 UZr₂ 또는 δ-상 UZr₂와 α-상 Zr의 조합으로 구성된 고-합금 연료(즉, 우라늄 성분에 대해 비교적 높은 농도의 합금 성분)인 Zr-U 합금을 포함할 수 있다. 1 이상의 실시예들에 따르면, U-Zr 이원 합금 시스템의 δ-상은 연료 커널(100)의 약 65 내지 81 부피 퍼센트(약 63 내지 80 원자 퍼센트)의 지르코늄 조성물로부터의 범위일 수 있다. 이 실시예들 중 1 이상은 연료 요소(20)의 낮은 체적의, 조사(irradiation)-유도 팽윤을 야기하는 것으로 알려졌다. 1 이상의 이러한 실시예들에 따르면, 핵분열 기체들이 금속 커널(100) 자체 내에 혼입(entrain)되어, 연료 요소(20)의 1 이상의 실시예들이 연료 요소(20)로부터 종래의 기체 갭(gas gap)을 생략할 수 있도록 한다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 이러한 팽윤은 저합금(α-상뿐임) 조성물들이 사용된 경우에 발생하는 것보다 상당히 작을 수 있다(예를 들어, 저합금 α-상 U-10Zr 연료가 사용된 경우보다 원자 퍼센트 연소 당 부피 퍼센트 팽윤의 적어도 10 %, 20 %, 30 %, 50 %, 75 %, 100 %, 200 %, 300 %, 500 %, 1000 %, 1200 %, 1500 %, 또는 그 이상 감소). 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 요소(20) 또는 그 커널(100)의 조사-유도 팽윤은 원자 퍼센트 연소 당 20, 15, 10, 5, 4, 3 및/또는 2 부피 퍼센트보다 작을 수 있다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 팽윤은 원자 퍼센트 연소 당 약 1 부피 퍼센트인 것으로 예상된다.

본 발명의 1 이상의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 커널은 앞서 설명된 U-Zr 연료 커널들(100)과 동일하거나 유사한 부피 퍼센트를 갖거나, 앞서 설명된 U-Zr 연료 커널들(100)과 상이한 부피 퍼센트를 갖는 플루토늄-지르코늄 이원 합금으로 대체된다. 예를 들어, 플루토늄이 통상적으로 약 60 내지 70 % 중량 분율(weight fraction)의 핵분열 동위원소를 갖는 한편, LEU 우라늄은 20 % 이하 중량 분율의 핵분열 U-235 동위원소를 갖기 때문에, 커널(100) 내의 플루토늄 분율은 대응하는 우라늄-기반 커널(100)에서의 대응하는 우라늄 분율보다 실질적으로 작을 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 커널(100)에서의 플루토늄 부피율은 15 % 미만, 10 % 미만, 및/또는 5 % 미만일 수 있으며, 내화 금속의 부피율은 이에 따라 조정된다.

또한, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 고-합금 커널(100)의 사용은 조사 동안 핵분열 기체들의 유리한 보유(retention)를 유도할 수 있다. 산화물 연료들 및 저-합금 금속 연료들은 통상적으로 상당한 핵분열 기체 방출을 보이고, 이는 방출된 핵분열 기체들을 포함하도록 일반적으로 연료봉 내에 플리넘을 갖는 연료 디자인에 의해 통상적으로 수용된다. 대조적으로, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 연료 커널(100)은 핵분열 기체들을 방출시키지 않는다. 이는 부분적으로 연료 커널(100)의 낮은 작동 온도, 및 핵분열 기체 원자들(구체적으로는 Xe 및 Kr)이 고체 핵분열 생성물(solid fission product)들처럼 거동한다는 사실로 인한 것이다. 핵분열 기체 기포 형성 및 결정립계를 따른 연료 커널(100) 외부로의 이동은 1 이상의 실시예들에 따라 발생하지 않는다. 1 이상의 실시예들에 따른 상당히 높은 온도들에서, 작은(몇 미크론 직경) 핵분열 기체 기포들이 형성될 수 있다. 하지만, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따라, 이 기포들은 연료 커널(100) 내에 격리된 채로 유지되고, 핵분열 기체 방출을 용이하게 하는 상호연결된 네트워크를 형성하지 않는다. 연료 커널(100)과 클래딩(120) 간의 야금 접합은 핵분열 기체 방출에 대한 추가 장벽을 제공할 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20) 중 1 이상의 연료 커널(100)[또는 클래딩(120) 또는 연료 요소(20)의 다른 적절한 부분]은 가돌리늄, 붕소, 에르븀 또는 다른 적절한 중성자 흡수 물질과 같은 가연성 독물과 합금되어, 통합 가연성 독물 연료 요소를 형성한다. 연료 집합체(10) 내의 상이한 연료 요소들(20)은 상이한 가연성 독물들 및/또는 상이한 양의 가연성 독물을 이용할 수 있다. 예를 들어, 연료 집합체(10)의 연료 요소들(20) 중 일부(예를 들어, 75 % 미만, 50 % 미만, 20 % 미만, 1 내지 15 %, 1 내지 12 %, 2 내지 12 % 등)는 25, 20, 및/또는 15 중량 퍼센트 이하의 Gd(예를 들어, 1 내지 25 중량 퍼센트, 1 내지 15 중량 퍼센트, 5 내지 15 중량 퍼센트 등)를 갖는 커널들(100)을 포함할 수 있다. 연료 집합체(10)의 다른 연료 요소들(20)[예를 들어, Gd를 이용하는 연료 요소들(20)보다 10 내지 95 %, 10 내지 50 %, 20 내지 50 %, 더 많은 수의 연료 요소들(20)]은 10 또는 5 중량 퍼센트 이하의 Er(예를 들어, 0.1 내지 10.0 중량 퍼센트, 0.1 내지 5.0 중량 퍼센트 등)을 갖는 커널들(100)을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 가연성 독물은 커널들(100)에 가연성 독물을 포함하지 않는 연료 요소들(20)에 대해 (내화 금속보다는) 연료 물질을 대신한다(displace). 예를 들어, 독물이 없는 경우에 커널(100)이 65 부피 퍼센트 지르코늄 및 35 부피 퍼센트 우라늄을 포함할 수 있는 연료 요소(20)의 일 실시예에 따르면, 연료 요소(20)는 16.5 부피 퍼센트 Gd, 65 부피 퍼센트 지르코늄, 및 18.5 부피 퍼센트 우라늄인 커널(100)을 포함한다. 1 이상의 다른 실시예들에 따르면, 가연성 독물은 그 대신 연료 물질보다는 내화 금속을 대신한다. 1 이상의 다른 실시예들에 따르면, 연료 커널(100) 내의 가연성 독물은 내화 금속 및 연료 물질을 비례적으로 대신한다. 결과적으로, 다양한 이 실시예들에 따르면, 연료 커널(100) 내의 가연성 독물은 가연성 독물의 존재가 가연성 독물이 배치되는 UZr₂ 합금 또는 Zr 합금의 상을 변화시키지 않도록 UZr₂의 δ-상 또는 Zr의 α-상에 배치될 수 있다.

가연성 독물을 갖는 커널(100)을 갖는 연료 요소들(20)은 원자로 코어에서 사용되는 1 이상의 연료 집합체들(10)의 연료 요소들(20)의 일부분(예를 들어, 0 내지 100 %, 1 내지 99 %, 1 내지 50 % 등)을 구성할 수 있다. 예를 들어, 가연성 독물을 갖는 연료 요소들(20)은 가연성 독물이 없는 연료 요소들(20)도 포함하는 집합체(10)의 연료 집합체 격자 내의 전략적 위치들에 위치되어, 파워 분배 제어를 제공하고 작동 사이클에서 초기에 가용성 붕소 농도를 감소시킬 수 있다. 이와 유사하게, 가연성 독물을 갖는 연료 요소들(20)을 포함하는 선택된 연료 집합체들(10)은 가연성 독물을 갖는 연료 요소들(20)을 포함하지 않는 집합체들(10)에 대해 원자로 코어 내의 전략적 위치들에 위치되어, 파워 분배 제어를 제공하고 작동 사이클에서 초기에 가용성 붕소 농도를 감소시킬 수 있다. 이러한 통합 가연성 흡수체의 사용은 연장된 작동 사이클들의 설계를 용이하게 할 수 있다.

대안적으로 및/또는 추가적으로, 별도의 비-연료 지지 가연성 독물 봉들이 연료 집합체(10) 내에 [예를 들어, 연료 요소들(20)에 인접하여, 1 이상의 연료 요소들(20) 대신에, 제어봉들을 수용하지 않는 연료 집합체들(10) 내의 유도관들로 삽입되어, 등으로] 포함될 수 있다. 1 이상의 실시예들에서, 이러한 비-연료 가연성 독물 봉들은 Babcock & Wilcox 또는 Westinghouse 설계 원자로들에서 사용되는 것과 유사한 스파이더 집합체(spider assembly)로 설계될 수 있다[가연성 독물 봉 집합체들(BPRA)이라고 함]. 그 후, 이들은 제어봉 유도관들로 삽입되고, 반응도 제어를 위한 초기 작동 사이클 동안 제어군(control banks)이 존재하지 않는 선택된 연료 집합체들(10)로 로킹될 수 있다. 가연성 독물 클러스터가 사용되는 경우, 이는 연료 집합체가 다음 연료 사이클 동안 재위치될 때 제거될 수 있다. 별도의 비-연료 지지 가연성 독물 봉들이 1 이상의 연료 요소들(20) 대신에 위치되는 대안적인 실시예에 따르면, 비-연료 가연성 독물 봉들은 연료 집합체(10) 내에 유지되고, 연료 집합체(10)가 그 가용 시간에 도달하는 경우 다른 연료 요소들(20)과 함께 배출된다.

연료 요소들(20)은 분말 야금 공압출을 통해 제조된다. 통상적으로, 연료 커널(100)에 대한 분말 내화 금속 및 분말 금속 연료 물질[및 커널(100) 내에 포함되는 경우, 분말 가연성 독물]이 혼합되고, 디스플레이서(110) 블랭크가 분말 혼합물 내에 위치되며, 그 후 분말 및 디스플레이서(110)의 조합이 연료 코어 스톡(fuel core stock)/빌릿(billet)으로(예를 들어, 혼합물을 소결하기 위해 다양한 시간 주기들에 걸쳐 다양한 범위로 가열되는 몰드에서) 가압되고 소결된다. 디스플레이서(110) 블랭크는 최후에 형성된 디스플레이서(110)와 동일하거나 유사한 단면 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 디스플레이서(110) 블랭크는 압출 시 디스플레이서(110)의 의도된 단면 형상으로 변형되도록 설계되는 형상을 가질 수 있다. [디스플레이서(110) 및 소결된 연료 커널(100) 물질을 포함하는] 연료 코어 스톡은 밀봉된 관 베이스(tube base) 및 다른 단부의 개구부(opening)를 갖는 중공 클래딩(120) 관으로 삽입된다. 그 후, 다른 단부의 개구부는 빌릿을 형성하도록 클래딩과 동일한 물질로 만들어진 단부 플러그(end plug)에 의해 밀봉된다. 빌릿은 원통형일 수 있으며, 또는 예를 들어 도 5 및 도 9에 나타낸 바와 같은 요소(20)의 최후 단면 형상을 더 밀접하게 닮은 형상을 가질 수 있다. 그 후, 빌릿은 다이 세트를 통해 온도 및 압력 하에 공압출되어, 최종적으로 형성되는 커널(100), 클래딩(120), 및 디스플레이서(110)를 포함하는 요소(20)를 생성한다. 비-원통형 디스플레이서(110)를 이용하는 다양한 실시예들에 따르면, 빌릿은 디스플레이서(110)의 코너들이 연료 요소(20)의 로브들(20b)과 정렬되도록 압출 프레스 다이에 대해 적절히 방위될 수 있다. 압출 공정은 직접 압출법(즉, 정지상태 다이를 통해 빌릿을 이동시킴) 또는 간접 압출법(즉, 정지상태 빌릿을 향해 다이를 이동시킴)에 의해 행해질 수 있다. 상기 공정은 클래딩(120)이 연료 커널(100)에 야금 접합되게 하고, 이는 연료 커널(100)로부터의 클래딩(120)의 박리(delamination)의 위험을 감소시킨다. 클래딩(120)의 관 및 단부 플러그는 서로 야금 접합되어, 클래딩(120) 내에 연료 커널(100)을 밀봉시킨다. 연료 요소들(20)에 사용되는 내화 금속들의 높은 융점이 분말 야금 방법을 이 금속들로부터 구성요소들을 제작하는 선택이 되게 하는 경향이 있다.

1 이상의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)의 연료 코어 스톡은 소결 대신에 주조를 통해 제조될 수 있다. 분말 또는 단일체(monolithic) 내화 금속 및 분말 또는 단일체 연료 물질[및 커널(100)에 포함되는 경우, 분말 가연성 독물]이 혼합되고, 용해되며, 몰드로 주조된다. 몰드는 주조된 커널(100) 내에 디스플레이서-블랭크-형상의 빈 공간을 생성하여 커널(100)이 주조된 후 디스플레이서(110) 블랭크가 삽입될 수 있도록 하며, 동일한 방식으로 클래딩(120)이 추가되어 압출될 빌릿을 형성한다. 연료 요소들(20)을 제조하는 나머지 단계들은 주조 대신에 소결을 이용하는 앞서 설명된 실시예와 동일하거나 유사하게 유지될 수 있다. 후속한 압출은 디스플레이서(110)와 커널(100) 사이에, 및 커널(100)과 클래딩(120) 사이에 야금 접합을 유도한다.

1 이상의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 분말 금속 연료 물질 대신에 분말 세라믹 연료 물질을 이용하여 제조된다. 남은 제조 단계들은 분말 금속 연료 물질을 이용하는 실시예들에 대해 앞서 설명된 것과 동일할 수 있다. 다양한 금속 연료 실시예들 및 세라믹 연료 실시예들에서, 제조 공정은 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치된 연료 물질을 포함한 연료 커널(100)을 유도할 수 있다. 금속 연료 실시예들 중 1 이상에서, 결과적인 연료 커널(100)은 금속 비-연료 물질의 매트릭스 및 금속 연료 물질의 합금(예를 들어, 우라늄-지르코늄 합금)을 포함한 금속 연료 합금 커널을 포함한다. 세라믹 연료 실시예들 중 1 이상에서, 커널(100)은 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치된(예를 들어, 전체에 걸쳐 산재된) 세라믹 연료 물질을 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 제조 공정에서 사용된 세라믹 연료 물질은 분말 우라늄 또는 플루토늄 산화물, 분말 우라늄 또는 플루토늄 질화물, 분말 우라늄 또는 플루토늄 탄화물, 분말 우라늄 또는 플루토늄 수소화물, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. UO₂ 펠릿(pellet)들이 관 내에 배치되는 종래의 UO₂ 연료 요소들과 대조적으로, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 제조 공정은 비-연료 물질의 고체 매트릭스(예를 들어, 지르코늄 매트릭스)에 배치되는 세라믹 연료를 유도한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 스파이럴 리브들(130)의 축방향 코일링 피치(axial coiling pitch)는 연료 요소의 단면에서 코너들에 걸친 폭과 같은 간격으로 인접한 연료 요소들(20)의 축선들을 배치하는 조건에 따라 선택되며, 연료 요소(20) 길이의 5 % 내지 20 %일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 피치(즉, 로브/리브가 완전한 회전을 이루는 축방향 길이)는 약 21.5 cm인 한편, 요소(20)의 전체 유효 길이(full active length)는 약 420 cm이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(20)의 수직 배치의 안정성은: 저부에서 - 하부 타이 플레이트(70)에 의해; 최상부에서 - 상부 타이 플레이트(80)에 의해; 및 코어의 높이에 대해 - 슈라우드(30)에 의해 제공된다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(20)은 여하한의 2 개의 연료 요소들(20)의 로브 프로파일들이 연료 요소 다발의 적어도 하나의 단면에서 2 개의 인접한 연료 요소들(20)의 축선들을 통과하는 공통 대칭면을 갖도록 원주방향 방위(circumferential orientation)를 갖는다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 이들의 방위와 조합한 연료 요소들(20)의 나선형 꼬임은 1 이상의 자체-간격 평면들이 존재할 것을 보장한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 이러한 자기 간격 평면들에서, 인접한 요소들(20)의 리브들은 서로 접촉하여 이러한 요소들(20) 사이에 적절한 간격을 보장한다. 따라서, 요소들(20)의 중심-대-중심 간격은 각각의 요소(20)의 코너-대-코너 폭과 거의 동일할 것이다(도 5에 나타낸 요소에서는 12.6 mm). 각각의 연료 요소(20)에서의 로브들(20b)의 수 및 연료 요소들(20)의 상대적인 기하학적 배치에 의존하여, 모든 인접한 연료 요소들(20) 또는 단지 인접한 연료 요소들(20)의 일부분이 서로 접촉할 것이다. 예를 들어, 나타낸 4-로브 실시예에서, 각각의 연료 요소(20)는 각각의 자체-간격 평면에서 모두 4 개의 인접한 연료 요소들을 접촉시킨다. 하지만, 연료 요소들이 육각형 패턴으로 배치되는 3-로브 연료 요소 실시예에서, 각각의 연료 요소는 주어진 자체-간격 평면에서 6 개의 인접한 연료 요소들 중 단 3 개만을 접촉시킬 것이다. 3-로브 연료 요소는 축방향으로 이격된 다음 자체-간격 평면(즉, 앞선 자체-간격 평면으로부터 오프셋된 회전의 1/6)에서 다른 3 개의 인접한 연료 요소들을 접촉시킬 것이다.

n 개의 연료 요소들이 특정 연료 요소(20)에 인접하는 n-로브 요소(20)에서, 자체-간격 평면은 1/n 나선형 회전(helical turn)마다[예를 들어, 4 개의 다른 연료 요소들(20)이 연료 요소(20)에 인접하도록 정사각형 패턴 내에 배치된 4-로브 연료 요소(20)에 대해서는 1/4 나선형 회전마다; 3 개의 연료 요소들이 연료 요소에 인접하는 3-로브 요소에 대해서는 1/3 나선형 회전마다(즉, 연료 요소의 주변부 주위에서 120 도마다] 존재할 것이다. 나선의 피치는 연료 요소(20)의 축방향 길이에 걸쳐 더 많거나 더 적은 자체-간격 평면들을 생성하도록 변경될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 각각의 4-로브 연료 요소(20)는 연료 요소들(20)의 다발의 축방향 길이에 걸쳐 다수 자체-간격 평면들이 존재하도록 다수 꼬임들을 포함한다.

나타낸 실시예에서, 모든 요소들(20)은 동일한 방향으로 꼬인다. 하지만, 대안적인 실시예에 따르면, 인접한 요소들(20)은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 반대 방향으로 꼬일 수 있다.

연료봉 길이를 따른 자체-간격 평면들의 수에 대한 공식은 다음과 같다:

N = n*L/h, 이때:

L - 연료봉 길이

n - 로브들(리브들)의 수 및 연료 요소에 인접한 연료 요소들의 수

h - 나선형 꼬임 피치

상기 공식은 로브들의 수 및 연료 요소에 인접한 연료 요소들의 수가 동일하지 않은 경우에는 약간 상이하다.

이러한 자체-간격의 결과로서, 연료 집합체(10)는 집합체(10)의 길이를 따라적절한 요소 간격을 보장하는 데 필요했을 수 있는 스페이서 그리드들을 생략할 수 있다. 스페이서 그리드들을 제거함으로써, 냉각재가 집합체(10)를 통해 더 자유롭게 유동할 수 있으며, 이는 유리하게는 요소들(20)로부터 냉각재로의 열 전달을 증가시킨다. 하지만, 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 집합체(10)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 스페이서 그리드(들)를 포함할 수 있다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 슈라우드(30)는 연료 요소들(20)의 전체 길이를 따라 축방향으로 연장되고 요소들(20)을 둘러싸는 관형 쉘(tubular shell)을 형성한다. 하지만, 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 슈라우드(30)는 축방향으로 이격된 밴드(band)들을 포함할 수 있으며, 이들은 각각 연료 요소들(20)을 둘러싼다. 1 이상의 이러한 밴드들은 자체-간격 평면들과 축방향으로 정렬될 수 있다. 축방향으로 연장된 코너 지지체들이 이러한 축방향으로 이격된 밴드들 사이에서 연장되어, 밴드들을 지지하고 밴드들의 정렬을 유지하며 집합체를 강화할 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 슈라우드(30)가 지지를 위해 필요하거나 요구되지 않는 장소에서 관형/다각형 슈라우드(30)로 홀들이 절단될 수 있다. 완전한 슈라우드(30)의 사용은 각각의 개별적인 연료 집합체(10)를 통한 별도의 냉각재 유동들의 더 우수한 제어를 용이하게 할 수 있다. 반대로, 밴드들 또는 홀들을 갖는 슈라우드의 사용은 인접한 연료 집합체들(10) 사이의 더 우수한 냉각재 혼합을 용이하게 할 수 있으며, 이는 유리하게는 인접한 연료 집합체들(10) 사이의 냉각재 온도 구배들을 감소시킬 수 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 슈라우드(30)의 단면 주변부는 집합체(10)가 사용되는 원자로를 수용하는 형상을 갖는다. 정사각형 연료 집합체들을 이용하는 AP-1000과 같은 원자로들에서, 슈라우드는 정사각형 단면을 갖는다. 하지만, 슈라우드(30)는 대안적으로 이것이 사용되는 원자로에 의존하여 여하한의 적절한 형상을 취할 수 있다[(예를 들어, 미국 특허 출원 공개공보 2009/0252278 A1의 도 1에 나타낸 바와 같이) 예를 들어, VVER 원자로에서의 사용을 위해서는 육각형 형상].

유도관들(40)은 탄화붕소(B₄C), 은 인듐 카드뮴(Ag, In, Cd), 디스프로슘 티타네이트(Dy₂O₃·TiO₂) 또는 반응도 제어를 위해 사용되는 다른 적절한 합금들 또는 물질들에 기초한 제어 흡수체 요소(control absorber element)들(도시되지 않음) 및 탄화붕소, 산화가돌리늄(Gd₂O₃) 또는 다른 적절한 물질들에 기초한 가연성 흡수체 요소들(도시되지 않음)의 삽입을 위해 제공되며, 탄력적 축방향 변위 능력을 갖는 상부 노즐(50)에 배치된다. 유도관들(40)은 지르코늄 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 유도관(40) 배치는 AP-1000 원자로에서 사용되는 배치이다(예를 들어, 24 개의 유도관들이 17x17 그리드에 나타낸 위치들에서 2 개의 환형으로 줄지어 배치됨).

프레임(25)의 형상, 크기 및 특징들은 집합체(10)가 사용될 특정한 원자로 코어에 의존한다. 따라서, 당업자라면 연료 집합체(10)를 위한 적절한 형상 및 크기를 갖는 프레임을 구성하는 방식을 이해할 것이다. 예를 들어, 프레임(25)은 원자력 발전소의 원자로 코어를 위한 종래의 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료 집합체 대신에, 종래의 원자력 발전소의 원자로 코어에 피팅되도록 형상화되고 구성될 수 있다. 원자력 발전소는 2010년 이전에 실제 사용되었던 원자로 코어 디자인(예를 들어, 2, 3 또는 4-루프 PWRs; BWR-4)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 원자력 발전소는 구체적으로 연료 집합체(10)와 사용하기 위해 맞춤인(tailored) 완전히 새로운 디자인으로 이루어질 수 있다.

앞서 설명된 바와 같이, 나타낸 연료 집합체(10)는 AP-1000 또는 EPR 원자로에서 사용하기 위해 설계된다. 상기 집합체는 EPR에서의 총 265 개의 연료 요소들(20) 또는 AP-1000에서의 264 개의 연료 요소들(20)에 대한, 앞서 설명된 바와 같은 유도관들(40)로 대체되는 17x17 어레이의 연료 요소들(20, 24)을 포함한다[AP-1000에서는, 유도관들로 대체되는 24 개의 연료 요소들에 추가하여 중심 연료 요소도 계측관(instrumented tube)으로 대체됨].

요소들(20)은 바람직하게는 연료 집합체(10)의 전체 핵분열성 물질의 100 %를 제공한다. 대안적으로, 집합체(10)의 핵분열성 물질의 일부는 요소들(20) 이외의 연료 요소들[예를 들어, 비-로브 연료 요소들, 우라늄 산화물 요소들, 요소들(20)과 상이한 연료 비 및/또는 농축을 갖는 요소들]을 통해 제공될 수 있다. 다양한 이러한 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 연료 집합체(10)의 전체 핵분열성 물질의 적어도 50 부피%, 60 부피%, 70 부피%, 75 부피%, 80 부피%, 85 부피%, 90 부피% 및/또는 95 부피%를 제공한다.

본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 금속 연료 요소들(20)의 사용은 Westinghouse-설계 AP-1000, AREVA-설계 EPR 원자로, 또는 GE-설계 ABWR과 같은 (비등수 원자로 및 가압수 원자로를 포함함) 경수형 원자로(LWR)에서 종래 사용된 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료보다 나은 다양한 장점들을 용이하게 한다. 예를 들어, 1 이상의 실시예들에 따르면, 표준 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료로 작동하는 LWR에 대한 출력 등급은 기존 타입의 LWR들 또는 제안된 새로운 타입의 LWR들에서 현재 사용되는 표준 우라늄 산화물 연료 및 연료 집합체들을 전-금속 연료 요소들(20) 및/또는 연료 집합체(10)로 대체함으로써 최대 약 30 % 증가될 수 있다.

표준 우라늄 산화물 연료로 작동하는 LWR들의 출력 등급을 증가시키는 데 있어서 핵심 제약들 중 하나는 이러한 연료를 이용하는 원통형 연료 요소들의 작은 표면적이었다. 원통형 연료 요소는 여하한 타입의 연료 요소 단면 프로파일에 대한 부피 비에 대해 최저 표면적을 갖는다. 표준 우라늄 산화물 연료에 대한 또 다른 주요 제약은 이러한 연료 요소들이 허용가능한 연료 성능 기준을 충족시키면서 가능하게 도달할 수 있는 비교적 낮은 연소도였다. 결과로서, 표준 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료와 연계된 이 인자들은 기존 원자로 출력 등급이 증가될 수 있는 정도를 상당히 제한한다.

전-금속 연료 요소들(20)의 1 이상이 실시예들은 앞선 한계들을 극복한다. 예를 들어, 앞서 설명된 바와 같이, 스페이서 그리드들의 부재가 수력학적 저항을 감소시키므로, 냉각재 유동 및 요소들(20)로부터 일차 냉각재로의 열 유속을 증가시킬 수 있다. 연료 요소들(20)의 나선형 꼬임은 냉각재 상호혼합 및 난류를 증가시킬 수 있으며, 이는 또한 요소들(20)로부터 냉각재로의 열 유속을 증가시킬 수 있다.

예비 중성자 및 열수력학적 분석이 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따라 다음을 나타내었다.

·LWR 원자로의 열 출력 등급은 최대 30.7 % 이상 증가될 수 있다(예를 들어, EPR 원자로의 열 출력 등급은 4.59 GWth로부터 6.0 GWth까지 증가될 수 있음).

·우라늄-지르코늄 혼합물에서의 25 %의 우라늄 부피율 및 19.7 %의 우라늄-235 농축을 이용하면, 4-로브 금속 연료 요소(20) 구성을 갖는 EPR 원자로 코어는 72 개의 연료 집합체들이 뱃치마다 (18 개월마다 한번) 대체된 경우 6.0 GWth의 증가된 열 출력 등급에서 약 500 내지 520 유효 전출력 운전일(effective full power days: EFPDs) 동안 또는 80 개의 연료 집합체들이 뱃치마다 (18 개월마다 한번) 대체된 경우 540 내지 560 EFPDs 동안 작동할 수 있다.

·다수-로브 연료 요소에서의 증가된 표면적으로 인해, 6.0 GWth의 증가된 출력 등급에서도, 다수-로브 연료 요소의 평균 표면 열 유속은 4.59 GWth의 열 출력 등급에서 작동하는 원통형 우라늄 산화물 연료 요소들에 대한 것보다 4 내지 5 % 낮은 것으로 나타났다. 이는 임계 열 유속에 대해 증가된 안전 여유(예를 들어, 증가된 PWRs에서의 핵비등 한계 여유 또는 BWRs에서의 최대 분율 제한 임계 출력비)를 제공할 수 있다. 또한, 이는 가연성 독물들을 갖는 집합체 당 12 개의 연료 요소들을 이용할 가능성을 허용할 수 있다. 가연성 독물들은 사이클의 시작 시 과잉 반응도를 제거하거나 코어의 가열 시 도플러 효과를 증가시키는 데 사용될 수 있다.

·따라서, 연료 집합체들(10)은 종래의 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료 집합체들보다 낮은 연료 작동 온도에서 더 높은 열 출력 산출을 제공할 수 있다.

집합체(10)의 증가된 출력 산출을 이용하기 위해, 종래의 발전소는 업그레이드될 수 있다(예를 들어, 추가적인 및/또는 더 큰 냉각재 펌프들, 증기 발생기들, 열 교환기들, 가압기들, 터빈들). 실제로, 1 이상의 실시예들에 따르면, 업그레이드는 기존 원자로로부터 30 내지 40 % 더 많은 전기를 제공할 수 있다. 이러한 가능성은 완전한 제 2 원자로를 형성할 필요성을 회피할 수 있다. 개조 비용은 증가된 전기 산출을 통해 빠르게 회수될 수 있다. 대안적으로, 새로운 발전소들은 집합체들(10)의 더 높은 열 출력을 처리하고 이용하기 위해 적합한 특징들을 포함하도록 건설될 수 있다.

또한, 본 발명의 1 이상의 실시예들은 LWR로 하여금 여하한의 주요한 원자로 개조 없이 기존 원자로 시스템들을 이용하여 표준 우라늄 산화물 또는 혼합 산화물 연료와 동일한 출력 등급에서 작동하게 할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에 따르면:

·EPR은 종래의 우라늄-산화물 연료가 사용되었던 경우와 동일한 출력 산출: 4.59 GWth을 가질 것이다.

·우라늄-지르코늄 혼합물에서의 25 %의 우라늄 부피율 및 약 15 %의 우라늄-235 농축을 이용하면, 4-로브 금속 연료 요소(20) 구성을 갖는 EPR 원자로 코어는 72 개의 연료 집합체들이 뱃치마다 대체된 경우 약 500 내지 520 유효 전출력 운전일(EFPDs) 동안 또는 80 개의 연료 집합체들이 뱃치마다 대체된 경우 540 내지 560 EFPDs 동안 작동할 수 있다.

·요소들(20)에 대한 평균 표면 열 유속은 종래의 우라늄 산화물 연료를 이용한 원통형 봉들에 대한 것과 비교하여 약 30 % 감소된다(예를 들어, 39.94 v. 57.34 W/㎠). 집합체(10)를 통한 냉각재의 온도 상승(예를 들어, 유입 및 유출 온도 간의 차이) 및 집합체(10)를 통한 냉각재 유량이 종래의 연료 집합체들에 대해 거의 동일하게 유지되기 때문에, 감소된 평균 표면 열 유속이 임계 열 유속에 대해 증가된 안전 여유(예를 들어, 증가된 PWRs에서의 핵비등 한계 여유 또는 BWRs에서의 최대 분율 제한 임계 출력비)에 기여하는 연료봉 표면 온도의 대응하는 감소를 유도한다.

추가적으로 및/또는 대안적으로, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 연료 집합체들(10)은 종래의 연료 집합체들 대신에 원자로 코어로 단계적 진행될 수 있다(phased/laddered). 과도기 동안, 종래의 연료 집합체들과 유사한 핵분열/중성자/열 출력들을 갖는 연료 집합체들(10)은 발전소의 작동 파라미터들을 변화시키지 않고 순차적인 연료 변화들에 걸쳐 이러한 종래의 연료 집합체들을 점진적으로 대체할 수 있다. 이에 따라, 연료 집합체들(10)은 과도기 동안 중요할 수 있는 기존 코어로 새로 장착될 수 있다[즉, 연료 집합체들(10)을 갖는 부분적인 코어로 시작하고, 점진적으로 연료 집합체들(10)의 전체 코어로 전환됨].

또한, 집합체들(10)의 핵분열 로딩은 시설 운영자에 의해 요구되는 특정 전환에 맞게 이루어질 수 있다. 예를 들어, 핵분열 로딩은 집합체들(10)이 대체하는 종래의 연료 집합체들의 사용에 대해, 0 % 내지 30 % 또는 그 이상만큼 원자로의 열 출력을 증가시키기 위해 적절히 증가될 수 있다. 결과적으로, 발전소 운영자는 업그레이드 시 여러 경우에 발전소의 능력 또는 기존 발전소 인프라구조에 기초하여, 요구되는 특정한 출력 증강(power uprate)을 선택할 수 있다.

연료 집합체들(10) 및 연료 요소들(20)의 1 이상의 실시예들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 (경수형 원자로와 대조적으로) 고속 원자로에서 사용될 수 있다. 고속 원자로에서, 연료 커널(100)의 비-연료 금속은 바람직하게는 내화 금속, 예를 들어 몰리브덴 합금(예를 들어, 순수 몰리브덴 또는 몰리브덴과 다른 금속들의 조합)이고, 클래딩(120)은 바람직하게는 스테인리스 강(이는 여하한의 그 합금 변화를 포함함) 또는 이러한 원자로에서 냉각재와 사용하기에 적절한 다른 재료(예를 들어, 소듐)이다. 이러한 연료 요소들(20)은 앞서 설명된 공압출 공정을 통해 제조될 수 있거나, 또는 여하한의 다른 적절한 방법(예를 들어, 진공 용융)에 의해 제조될 수 있다.

도 7a, 도 7b, 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따른 연료 집합체들(510)이 CANDU 원자로와 같은 가압중수형 원자로(500)(도 8 참조)에서 사용될 수 있다.

도 7a 및 도 7b에 나타낸 바와 같이, 연료 집합체(510)는 프레임(520)에 장착된 복수의 연료 요소들(20)을 포함한다. 프레임(520)은 [예를 들어, 용접, 억지 끼워맞춤, 하부 타이 플레이트(70)에 요소들(20)을 부착하는 앞서 설명된 여하한의 다양한 타입의 부착 방법들을 통해] 연료 요소들(20)의 양쪽 축방향 단부들에 장착되는 2 개의 단부 플레이트들(520a, 520b)을 포함한다. 연료 집합체(510)에 사용되는 요소들(20)은 통상적으로 집합체(10)에 사용된 요소들(20)보다 훨씬 더 짧다. 다양한 실시예들 및 원자로들(500)에 따르면, 원자로(500)에서 사용되는 요소들(20) 및 집합체들(510)은 약 18 인치의 길이를 가질 수 있다.

요소들(20)은 자체-간격 평면들이 집합체(10)에 대해 앞서 설명된 방식으로 요소들(20) 간의 간격을 유지하도록 집합체(510) 내에서 서로에 대해 위치될 수 있다. 대안적으로, 집합체(510)의 요소들(20)은 인접한 요소들(20)이 서로 결코 닿지 않도록 서로로부터 이격될 수 있으며, 그 대신 요소(20) 간격을 유지하기 위해 프레임(520)에 전적으로 의존한다. 추가적으로, 스페이서들이 요소들(20)의 축방향 길이를 따라 다양한 위치들에서 요소들(20) 또는 그 리브들에 부착되어, 인접한 요소들(20)을 접촉시키고 (예를 들어, 스페이서들이 가압중수형 원자로들에 대한 종래의 연료 집합체들의 종래의 연료봉들에 사용되어 봉 간격을 유지하도록 돕는 것과 유사한 방식으로) 요소 간격(20)을 유지하도록 도울 수 있다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 집합체들(510)은 원자로(500)의 칼란드리아 관들(500a)로 공급된다[때로는 본 기술분야에서 칼란드리아(500)라 칭함]. 원자로(500)는 감속재 및 일차 냉각재로서 중수(500b)를 사용한다. 일차 냉각재(500b)는 관들(500a)을 통해 수평으로, 그리고 그 후 터빈을 통해 전기를 발생시키는 데 통상적으로 사용되는 이차 냉각재 루프로 열이 전달되는 열 교환기로 순환한다. 칼란드리아 관(500a)의 한 측으로 연료 집합체들(510)을 로딩하고, 통상적으로 원자로(500)가 작동하고 있는 동안 관들(500a)의 반대 측 밖으로 소비된 집합체들(510)을 밀어내기 위해 연료 집합체 로딩 메카니즘(도시되지 않음)이 사용된다.

연료 집합체들(510)은 기존, 종래의 가압중수형 원자로(예를 들어, CANDU 원자로들)에 대한 종래의 연료 집합체들(본 기술분야에서 연료 다발들이라고도 알려짐)을 직접 대체하도록 설계될 수 있다. 이러한 일 실시예에서, 집합체들(510)은 종래의 집합체들/다발들 대신에 원자로(500)로 공급된다. 이러한 연료 집합체들(510)은 대체되는 종래의 집합체들과 유사한 중성자/열 특성들을 갖도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 연료 집합체들(510)은 열 출력 증강을 제공하도록 설계될 수 있다. 이러한 증강 실시예들에서는, 새로운 또는 업그레이드된 원자로들(500)이 더 높은 열 출력을 수용하도록 설계될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(10)는 종래의 원자로의 종래의 연료 집합체를 대체하도록 설계된다. 예를 들어, 도 1에 예시된 연료 집합체(10)는 구체적으로 17x17 어레이의 UO₂ 연료봉들을 이용하는 종래의 연료 집합체를 대체하도록 설계된다. 집합체(10)의 유도관들(40)이 종래의 연료 집합체와 사용하기 위한 것과 정확히 동일한 위치에 남겨지고, 모든 연료 요소들(20)이 동일한 크기인 경우, 연료 요소들/봉들 간의 피치는 종래의 UO₂ 연료 집합체와 연료 집합체(10)의 1 이상의 실시예들 사이에서 변화하지 않은 채로 유지된다(예를 들어, 12.6 mm 피치). 다시 말하면, 연료 요소들(20)의 길이방향 축선들은 종래의 UO₂ 연료봉들의 길이방향 축선들이 비슷한 종래의 연료 집합체 내에서 있는 것과 동일한 위치들에 배치될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 비슷한 UO₂ 연료봉들보다 큰 외접 직경을 가질 수 있다(예를 들어, 전형적인 UO₂ 연료봉에 대한 9.5 mm의 외측 직경과 비교하여 12.6 mm). 결과로서, 도 1에 예시된 자기-정렬 평면에서, 연료 요소들(20)에 의해 차지되는 공간의 단면 길이 및 폭은 종래의 연료 집합체 내의 종래의 UO₂ 연료봉들에 의해 차지되는 것보다 약간 더 클 수 있다[예를 들어, 12.6 mm 피치에 의해 서로 분리되는 9.5 mm UO₂ 연료봉들의 17x17 어레이를 포함하는 종래의 UO₂ 연료 집합체에 대한 211.1 mm와 대조적으로, 연료 집합체(10)에 대해서는 214.2 mm(즉, 17 개의 연료 요소들(20) x 연료 요소 당 12.6 mm 외접 직경)]. 종래의 UO₂ 연료 집합체들에서는, 스페이서 그리드가 연료봉들을 둘러싸고, 종래의 연료 집합체의 전체 단면 포위부(cross-sectional envelope)를 214 mm x 214 mm까지 증가시킨다. 연료 집합체(10)에서는, 이와 유사하게 슈라우드(30)가 연료 집합체(10)의 단면 포위부를 증가시킨다. 슈라우드(30)는 여하한의 적절한 두께일 수 있다(예를 들어, 0.5 mm 또는 1.0 mm 두께). 1.0 mm 두께의 슈라우드(30)를 이용하는 일 실시예에서, 연료 집합체(10)의 일 실시예의 전체 단면 포위부는 216.2 mm x 216.2 mm[예를 들어, 17 개의 12.6 mm 직경 연료 요소들(20)에 의해 차지되는 214 mm에 슈라우드(3)의 1.0 mm 두께의 두 배를 더한 것]일 수 있다. 결과로서, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 집합체(10)는 전형적인 UO₂ 연료 집합체(214 mm x 214 mm)보다 약간 더 클 수 있다(예를 들어, 216.2 mm x 216.2 mm). 더 큰 크기는 종래의 UO₂ 연료 집합체들과 사용하기 위해 설계되었던 1 이상의 종래의 원자로들의 연료 집합체 위치들 내로 집합체(10)가 적절히 피팅될 수 없게 할 수 있다. 이 크기 변화를 수용하기 위해, 본 발명의 1 이상의 실시예들에 따라, 새로운 원자로가 연료 집합체들(10)의 더 큰 크기를 수용하도록 설계되고 건설될 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 모든 연료 요소들(20)의 외접 직경은 연료 집합체(10)의 전체 단면 크기를 감소시키기 위해 약간 감소될 수 있다. 예를 들어, 각각의 연료 요소(20)의 외접 직경은 0.13 mm만큼 12.47 mm로 감소되어, 연료 집합체(10)에 의해 차지되는 전체 단면 공간이 종래의 214 mm x 214 mm 연료 집합체와 비슷하게 유지되도록 할 수 있다[예를 들어, 17 개의 12.47 mm 직경 연료 요소들(20)에 슈라우드의 2 개의 1.0 mm 두께를 더함, 이는 총 약 214 mm임]. 이러한 17x17 어레이의 크기 감소는 종래의 연료 집합체 내의 유도관 위치들에 대해 연료 집합체(10) 내의 유도관들(40)의 위치들을 약간 변화시킬 것이다. 관(40) 위치들의 이 약간의 위치 변화를 수용하기 위해, 이와 유사하게 원자로 내의 대응하는 제어봉 어레이 및 제어봉 구동 메카니즘들의 위치들이 재위치된 유도관들(40)을 수용하도록 시프트될 수 있다. 대안적으로, 종래의 원자로 내의 제어봉들에 대해 충분한 여유공간(clearance) 및 공차(tolerance)들이 제공되는 경우, 종래 위치된 제어봉들은 연료 집합체(10)의 약간 시프트된 관들(40)로 적절히 피팅될 수 있다.

대안적으로, 주변 연료 요소들(20)의 직경은 전체 집합체(10)가 종래의 연료 집합체들에 대해 설계된 종래의 원자로 내로 피팅되도록 약간 감소될 수 있다. 예를 들어, 외측 열의 연료 요소들(20)의 외접 직경은 연료 집합체의 총 크기가 214 mm x 214 mm이도록 1.1 mm만큼 감소될 수 있다[예를 들어, 13 개의 12.6 mm 연료 요소들(20) ＋ 4 개의 12.05 mm 연료 집합체들 ＋ 슈라우드(30)의 2 개의 1.0 mm 두께]. 각각의 실시예에서, 중심 13x13 어레이의 연료 요소들(20) 및 유도관들(40)의 피치 및 위치는 유도관들(40)이 종래의 원자로 내의 제어봉 어레이 및 제어봉 구동 메카니즘과 정렬하도록 변경되지 않은 채로 유지된다.

도 10은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체(610)를 예시한다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(610)는 종래의 원자로 내의 종래의 UO₂ 연료 집합체를 대체하는 한편, 다양한 종래의 UO₂ 연료 집합체들과 사용하기 위해 설계된 원자로들의 제어봉 위치설정을 유지하도록 설계된다. 연료 집합체(610)는 일반적으로 앞서 설명되고 도 1에 예시되는 연료 집합체(10)와 유사하지만, 제어봉 위치들 및 제어봉 구동 메카니즘을 개조하지 않고 집합체(610)가 1 이상의 기존 원자로 타입들(예를 들어, 17x17 어레이의 UO₂ 봉들을 이용하는 Westinghouse의 연료 집합체 디자인을 이용한 원자로들)로 더 잘 피팅되도록 돕는 몇몇 차이점을 포함한다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 연료 집합체는 17x17 어레이의 공간들을 포함한다. 중심 15x15 어레이는, 도 1에 예시된 유사한 연료 집합체(10)에 대해 앞서 설명된 바와 같이, 200 개의 연료 요소들(20) 및 25 개의 유도관들(40)에 의해 차지된다. 특정한 원자로 디자인에 의존하여, 중심 유도관(40)은 원자로 디자인이 중심 관(40)을 이용하지 않는 경우에 추가 연료 요소(20)로 대체될 수 있다[즉, 201 개의 연료 요소들(20) 및 24 개의 유도관들(40)]. 유도관(40) 위치들은 종래의 UO₂ 연료 집합체들을 사용하도록 설계된 원자로들에서 사용되는 유도관 위치들에 대응한다.

연료 집합체(610)의 17x17 어레이/패턴의 주변 위치들[즉, 연료 요소들(20)로부터 측방향 바깥쪽에 배치된 위치들]은 64 개의 UO₂ 연료 요소들/봉들(650)에 의해 차지된다. 본 기술분야에서 알려진 바와 같이, 연료봉들(650)은 중공의 봉에 배치된 표준 UO₂ 펠릿화 연료(pelletized fuel)를 포함할 수 있다. UO₂ 펠릿화 연료는 20 % 미만, 15 % 미만, 10 % 미만, 및/또는 5 % 미만만큼 U-235로 농축될 수 있다. 봉들(650)은 연료 요소들(20)의 외접 직경보다 약간 더 작은 직경(예를 들어, 9.50 mm)을 가질 수 있으며, 이는 집합체(610)가 종래의 UO₂ 연료 집합체에 대해 할당된 공간으로 더 잘 피팅되도록 연료 집합체(610)의 전체 단면 치수들을 약간 감소시킨다.

나타낸 실시예에서, 연료봉들/요소들(650)은 UO₂ 펠릿화 연료를 포함한다. 하지만, 연료봉들/요소들(650)은 대안적으로 1 이상의 핵분열성 및/또는 핵원료(fertile) 물질들(예를 들어, 토륨, 플루토늄, 우라늄-235, 우라늄-233, 여하한의 그 조합)의 여하한의 다른 적절한 조합을 이용할 수 있다. 이러한 연료봉들/요소들(650)은 금속 및/또는 산화물 연료를 포함할 수 있다.

1 이상의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료봉들(650)은 모든 64 개의 주변 위치들보다 적게 차지할 수 있다. 예를 들어, 연료봉들(650)은 주변부의 최상부 행 및 좌측 열을 차지할 수 있는 한편, 주변부의 저부 행 및 우측 열은 연료 요소들(20)에 의해 차지될 수 있다. 대안적으로, 연료봉들(650)은 연료 집합체의 주변부의 여하한의 다른 두 측을 차지할 수 있다. 슈라우드(630)는 연료 집합체의 주변부에서 추가 연료 요소들(20)을 둘러싸도록 변형될 수 있다. 이러한 변형된 연료 집합체들은 하나의 집합체 내의 주변 연료 요소들(650)의 행/열이 항상 인접한 연료 집합체 내의 연료 요소들(20)의 행/열에 인접하도록 서로 인접하여 위치될 수 있다. 결과로서, 연료 집합체들에 대한 추가 공간은 인접한 집합체들 간의 계면(interface)이 주변, 계면 측에 연료 요소들(650)을 포함하는 집합체를 향해 약간 시프트된다는 사실에 의해 제공된다. 이러한 변형은 연료 집합체들(610)에 의해 제공되는 것보다 더 많은 수의 더 높은 열 출력 연료 요소들(20)의 사용을 위해 제공될 수 있다.

슈라우드(630)는 연료 요소들(20)의 어레이를 둘러싸고, 요소들(650)로부터 요소들(20)을 분리한다. 노즐들(50, 60), 슈라우드(630), 이들 사이에 형성된 냉각재 통로들, 요소들(20) 및 요소들(650)을 통한 상대적인 압력 강하들, 및/또는 요소들(650)을 둘러싸는 스페이서 그리드(660)(아래에서 설명됨)를 통한 증가된 압력 강하는 슈라우드(630) 외부 및 비교적 더 낮은 열 출력 연료봉들(650)을 지나는 유량보다 슈라우드(630) 내에 및 더 높은 열 출력 연료 요소들(20)을 지나 더 높은 냉각재 유량을 유도할 수 있다. 통로들 및/또는 그 안의 오리피스(orifice)들은 이들의 각각의 열 출력들 및 설계된 작동 온도들에 기초하여 요소들(20, 650)을 지나는 상대적인 냉각재 유량들을 최적화하도록 설계될 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(610)의 연료 요소들(20)에 대한 감속재:연료 비는 2.7, 2.6, 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9 및/또는 1.8보다 작거나 같다. 나타낸 실시예에서, 감속재:연료 비는 (1) 냉각재/감속재에 이용가능한 슈라우드(630) 내의 총 영역[예를 들어, (유도관들(40)이 냉각재로 채워진다고 가정하여) 연료 요소들(20)에 의해 차지되는 총 단면 영역을 뺀 슈라우드(630) 내의 총 단면 영역에 의해 접근됨] 대 (2) 슈라우드(630) 내의 연료 요소들(20)의 커널들(100)의 총 단면 영역의 비와 같다.

본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 슈라우드(630)는 앞서 설명된 바와 같이 1 이상의 환형 밴드들로 대체될 수 있거나, 또는 슈라우드(630) 내에 홀들이 제공될 수 있다. 슈라우드(630) 내의 홀들 또는 밴드들의 사용은 연료 요소들(20)과 연료 요소들(650) 간의 냉각재의 교차-혼합(cross-mixing)을 용이하게 할 수 있다.

도 10에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(650)은 일반적으로 종래의 UO₂ 연료 집합체에서 사용되는 스페이서 그리드의 외측 부분과 비슷한 환형 스페이서 그리드(660) 내에 배치된다. 스페이서 그리드(660)는 (예를 들어, 용접, 볼트, 나사, 또는 다른 파스너들을 통해) 슈라우드(630)에 단단히 연결될 수 있다. 스페이서 그리드(660)는 바람직하게는 중심 연료 요소들(20) 사이에 제공되는 것과 동일한 연료 요소들(650)과 연료 요소들(20) 간의 피치[예를 들어, 모든 연료 요소들(20, 650)의 축선들 사이에서 12.6 mm 피치]를 제공하는 크기이다. 이러한 간격을 제공하기 위해, 연료 요소들(650)은 스페이서 그리드(660)의 내측 및 슈라우드(630)보다 스페이서 그리드(660)의 외측에 더 가까이 배치될 수 있다. 또한, 연료 집합체(610) 및 스페이서 그리드(660)는 바람직하게는 인접한 연료 집합체들의 연료 요소들(650) 사이에 동일한 피치(예를 들어, 12.6 mm 피치)가 제공되도록 크기가 이루어지고 위치된다. 하지만, 여하한의 연료 요소들(20, 650) 사이의 간격은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 연료 요소들(20, 650) 사이의 간격에 대해 변할 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 연료 집합체(610)의 모든 핵분열-물질-함유 연료 요소들(20, 650)의 총 부피의 적어도 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 및/또는 80 %를 제공한다. 예를 들어, 연료 집합체(610)가 약 70 ㎟의 단면적을 각각 갖는 201 개의 연료 요소들(20) 및 9.5 mm 직경을 각각 갖는 64 개의 연료 요소들(650)을 포함하는 1 이상의 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20)은 모든 연료 요소들(20, 650)의 총 부피의 약 75.6 %를 제공한다[201 개의 연료 요소들(20) x 70 ㎟ = 14070 ㎟; 64 개의 연료 요소들(650) x π x (9.5/2)² = 4534 ㎟; 연료 요소(20, 650) 영역들은 본질적으로 연료 요소 부피들에 비례함; 14070 ㎟/(14070 ㎟ + 4534 ㎟) = 75.6 %].

연료 집합체(610)의 높이는 집합체(610)가 대체할 수 있는 비슷한 종래의 연료 집합체의 높이(예를 들어, Westinghouse 또는 AREVA 원자로 디자인에 대한 표준 연료 집합체의 높이)와 매칭한다.

예시된 연료 집합체(610)는 Westinghouse 4-루프 디자인, AP1000, 또는 AREVA EPR과 같은 17x17 PWR에서 사용될 수 있다. 하지만, 연료 집합체(610)의 디자인은 다양한 다른 원자로 디자인들[예를 들어, 육각형 연료 집합체를 이용하는 원자로 디자인들 -이 경우 육각형의 외측 주변부는 UO₂ 봉들에 의해 차지되는 한편, 내측 위치들은 연료 요소들(20)에 의해 차지됨- , 또는 비등수 원자로들, 또는 소형 모듈 원자로들]을 수용하도록 변형될 수도 있다. 특정 실시예들에 관하여 특정 치수들이 설명되지만, 다양한 대안적인 치수의 연료 요소들(20, 650) 및 연료 집합체들(10)이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 원자로들 또는 원자로 타입들과 관련되어 사용될 수 있다.

특정한 원자로 디자인에 의존하여, 연료 집합체의 추가 봉 위치들이 UO₂ 봉들로 대체될 수 있다. 예를 들어, 연료 집합체(610)는 외측 주변 행에만 UO₂ 봉들을 포함하지만, 집합체(610)는 대안적으로 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 외측 두 행들에 UO₂ 봉들을 포함할 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(650)을 지지하는 연료 집합체(610)의 부분은 연료 요소들(20)을 지지하는 연료 집합체(610)의 부분과 분리시킬 수 없다. 다양한 실시예들에 따르면, [개별적인 연료 요소들(20, 650)이, 예를 들어 개별적인 연료 요소 파손에 기초하여 집합체(610)로부터 제거될 수 있더라도] 연료 요소들(20)은 연료 집합체(610)의 연료 요소들(650)로부터 유닛으로서 분리가능하지 않다. 이와 유사하게, 연료 집합체(610)의 연료 요소(20) 부분에 연료 집합체의 연료 요소(650) 부분을 선택적으로 로킹하는 로킹 메카니즘이 존재하지 않는다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(610)의 연료 요소들(20) 및 연료 요소들(650)은 전체 연료 집합체(610)가 원자로 내에서 사용된 후 단일 소비 유닛으로서 제거되도록 동일한 설계 수명을 갖는다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(610) 내의 연료 요소들(20)의 증가된 열 출력은 집합체(610)가 대체하는 종래의 모든 UO₂ 연료봉 집합체에 대한 출력 증강을 제공할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 출력 증강은 적어도 5 %, 10 %, 및/또는 15 %이다. 상기 증강은 다양한 실시예들에 따라 1 내지 30 %, 5 내지 25 %, 및/또는 10 내지 20 %일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(610)는 적어도 18-개월 연료 사이클을 제공하지만, 24+ 또는 36+개월 연료 사이클로 용이하게 이동할 수도 있다. 도 10에 나타낸 요소(20)에 대해 앞서 설명된 예시적인 파라미터들을 갖는 연료 요소들(20)을 이용하는 연료 집합체(610)의 일 실시예에 따르면, 집합체(17)는 아래의 표들에서 확인되는 작동 파라미터들 하에서 종래의 UO₂ 연료 집합체에 대해 17 % 증강을 제공한다.

도 11 내지 도 13은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체(710)를 예시한다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(710)는 종래의 원자로 내의 종래의 UO₂ 연료 집합체를 대체하는 한편, 원자로의 종래의 UO₂ 연료에 기초한 제어봉 위치설정을 유지하도록 설계된다. 연료 집합체(710)는 연료 집합체(610)의 주변 행 내의 UO₂ 봉들(650)이 금속 연료 요소들(730, 740)로 대체되는 것을 제외하고는 일반적으로 연료 집합체(610)와 유사하거나 동일하다. 아래에서 설명되는 바와 같이, 연료 요소들(730, 740)은 제어봉 위치들, 제어봉 구동 메카니즘들, 또는 연료 집합체의 외측 치수들을 변형시키지 않고 집합체(710)가 1 이상의 기존 원자로 타입들(예를 들어, 17x17 어레이의 UO₂ 봉들을 이용하는 Westinghouse의 연료 집합체 디자인을 이용한 원자로들)로 더 잘 피팅되게 돕도록 변형된다. 연료 요소들(730, 740)은 연료 집합체(710)의 전체 연료 요소들(20, 730, 740)의 서브세트를 정의하며, 상기 서브세트는 연료 집합체(710)의 17x17 그리드 패턴의 그리드 위치들의 외측 주변 행/주변부/링을 따라 배치된다.

도 11은 자체-간격 평면에서 나타낸 연료 집합체(710)의 부분적인 단면도이다. 연료 요소들(20, 730, 740)은 이들의 중심선 축들이 정사각형 17x17 그리드 패턴 내에 배치되도록 구성된다. 나타낸 실시예에서, 연료 집합체(710) 내의 여하한의 2 개의 인접한 연료 요소들(20, 730, 740) 사이의 중심선-대-중심선 간격은 바람직하게는 동일하며(예를 들어, 12.6 mm), 연료 요소들(20, 730, 740)의 외접 직경과 매칭한다. 종래의 유도관(40) 위치들을 갖는 종래의 원자로들(예를 들어,AP-1000)에서 이용가능한 공간 포위부로 피팅되기 위해, 연료 요소들(730, 740)의 외측들은 슈라우드(750) 내에 피팅되도록 측방향으로 크기가 감소된다. 도 11에서, 측방향 감소의 영역은 점선으로 예시된다.

도 13a 및 도 13b에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(20, 730)은 유사하며, 바람직하게는 동일한 외접 직경을 갖고(예를 들어, 12.6 mm), 이는 연료 요소들(20, 730) 간의 자체-간격을 용이하게 한다. 연료 요소(730)는: (1) 연료 요소(730)의 연료 커널(760)이 연료 요소(20)의 연료 커널(100)보다 작고, (2) 연료 요소(730)의 클래딩(770)이 연료 요소(20)의 클래딩(120)보다 평균적으로 더 두꺼우며, (3) 클래딩(770)의 하나의 원주 측(770a)이 원래 클래딩(770)의 일부분(770b)을 제거하도록 다른 원주 측에 대해 측방향으로 감소되었다는 것을 제외하고는, 연료 요소(20)와 유사하거나 동일할 수 있다.

연료 커널(760)을 더 작게 만들고 클래딩(770)을 더 두껍게 만드는 것은, 클래딩(770)의 부분(770b)이 제거될 수 있는 한편, 여전히 커널(760) 주위에 충분히 두꺼운 층의 클래딩(770)을 보장할 수 있게 한다. 다양한 실시예들에 따르면, 클래딩(770) 두께는 연료 요소(730)에 걸쳐 적어도 0.4, 0.5 및/또는 0.6 mm이다.

제거 부분(770b)은 바람직하게는 연료 요소(730)가 스파이럴, 로브 형상으로 형성된 후 제거된다. 제거 부분(770b)은 여하한의 적절한 방식(예를 들어, 연삭가공, 호닝가공, 밀링절삭 등)으로 제거될 수 있다. 스파이럴의 결과로서, 제거 부분(770b)은 연료 요소(730)의 복수의 로브들 상에서 원주방향으로 정렬된 부분들로부터 제거될 것이다. 다시 말하면, 슈라우드(750)에 인접하고 접할 연료 요소(730)의 측(770a)에 로브가 배치되는 영역에서 클래딩(770)의 로브들의 부분들(770b)이 제거된다. 연료 요소들(730)의 나선형 꼬임으로 인해, 클래딩(770)은 연료 요소(730)로부터 균일하게 제거되지 않으며, 오히려 슈라우드(750)에 의해 제한되는 바와 같은 집합체(710) 포위부 경계를 침범하는 로브들의 선단들(770a)에서만 제거된다. 다양한 실시예들에 따르면, 제거 부분(770b)의 반경방향 단축 거리(780)는 연료 요소(730)의 외접 직경(D)의 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 및/또는 10 %, 및/또는 30, 20 및/또는 15 % 미만일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 반경방향 단축 거리(780)는 적어도 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2 및/또는 1.3 mm, 및/또는 4.0, 3.0, 2.0 및/또는 1.5 mm 미만일 수 있다.

대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소(730)는 본래 제거 부분들(770b)이 결코 존재하지 않았고 제거될 필요가 없도록 그 최종 형상으로 형성될 수 있다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 코너 연료 요소(740)는 본질적으로, 연료 요소(740)가 연료 집합체(710)의 코너 그리드 위치에 적절히 피팅되도록 [연료 요소(730)에서 행해지는 바와 같은 단 하나의 측(770a)보다는] 연료 요소(740)의 클래딩(770)의 2 개의 원주방향으로 이격된 측들(770a)이 제거 부분들(770b)로 측방향 감소되었고, 슈라우드(750)의 2 개의 직교 측면들에 접한다는 것을 제외하고는 측면 연료 요소(730)와 동일할 수 있다.

몇몇 비-제한적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(730, 740)의 연료 커널들(760)은 연료 요소들(20)의 커널들(100)보다 더 작은 부피(또는 연료 집합체의 기다란 축방향에 수직인 단면에서 볼 때의 영역)를 갖지만, 연료 커널들(730, 740)은 본 명세서의 다른 곳에서 설명되는 바와 같이 연료 요소(20)의 형상 및 디자인에 의해 제공되는 다양한 다른 장점들을 유지한다. 다양한 실시예들에 따르면, 커널들(760)의 핵분열 로딩은 (예를 들어, 더 고농축된 우라늄을 통해) 비-주변 커널들(20)에 대해 증가되어 더 작은 커널(760) 부피에 대해 오프셋될 수 있다.

도 13b에 나타낸 바와 같이, 제거 부분(770b)의 제거는 연료 요소들(730, 740)의 축방향 질량 중심(810)[및/또는 클래딩(770)의 축방향 질량 중심]으로부터 오프셋되는 연료 요소들(730, 740)의 기하학적 축방향 중심선(800)[즉, 연료 요소(730)의 나선형으로 꼬인 형상에 외접하는 원의 중심]을 유도한다. 다양한 비-제한적인 실시예들에 따르면, 오프셋은 외접 직경(D)의 적어도 0.1, 0.3, 0.4, 0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 및/또는 5.0 %, 및/또는 외접 직경(D)의 30, 20, 및/또는 10 % 미만일 수 있다. 다양한 비-제한적인 실시예들에 따르면, 커널(760)(도 13b 참조)의 축방향 질량 중심은 연료 요소(730)의 축방향 중심선(800)에 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(20, 730, 740)은 1 내지 5 미터의 길이이고(축방향으로 측정됨), 외접 직경은 6 내지 40 mm, 6 내지 30 mm, 6 내지 20 mm, 9 내지 15 mm, 및/또는 약 12.6 mm이다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 요소들(730, 740)의 축방향 길이 대 이들의 외접 직경(D)의 비는 적어도 10:1, 20:1, 30:1, 40:1, 50:1, 100:1, 200:1 및/또는 300:1, 및/또는 1000:1 미만이다.

도 11에 나타낸 자체-간격 평면에서, 연료 요소들(730, 740)의 측방향으로 감소된 측들(770a)은 슈라우드(750)에 접촉하여, 연료 요소들(20, 730, 740)의 자기 간격을 용이하게 한다.

도 12는 2 개의 자체-간격 평면들 사이에서 중도에 [예를 들어, 연료 집합체(710)의 기다란 길이를 따라] 축방향 배치되는 평면에서 나타낸 연료 집합체(710)의 단면도이다. 이 평면에서는, 연료 요소들(730, 740)이 연료 요소들(730, 740)의 이 축방향 위치에서 재료(770b)가 제거되지 않고 피팅되도록 연료 요소들(730, 740)의 로브들이 슈라우드(750)로부터 충분히 이격되기 때문에, 클래딩(770)이 연료 요소들(730, 740)로부터 제거되지 않았다.

연료 요소들(730, 740) 및 연료 집합체(710)는 특정한 유도관 패턴이 구현되어 있는 17x17 정사각형 그리드 패턴 연료 집합체를 이용하는 원자로에서 사용하기 위해 설계되는 것으로 예시되지만, 연료 집합체(710) 및 연료 요소들(20, 730, 740)은 대안적으로 다양한 다른 타입의 원자로들(예를 들어, 16x16 또는 14x14 그리드 패턴들을 이용하는 원자로들, 육각형 연료 요소 그리드 패턴들 및 연료 집합체들을 갖는 원자로들)과 사용될 수 있다. 예를 들어, 연료 요소들(20)이 육각형 연료 집합체들 및 그리드 패턴들에 대해 설계된 원자로에서 사용하기 위한 연료 집합체로 적절히 피팅되지 않는 경우, 이러한 연료 집합체의 육각형 그리드의 주변 행은 연료 요소들의 외측(들)이 연삭가공되어 바람직하게는 원자로의 유도관 위치들을 재위치시킬 필요 없이 특정 요구 포위부에 피팅되도록 변형되었던 연료 요소들(730, 740)과 같은 연료 요소들을 포함할 수 있다.

도 14 내지 도 20은 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체(910)를 예시한다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(910)는 종래의 원자로(예를 들어, 2012 년 이래 사용되는 원자로)의 제어봉 위치설정을 유지하면서 종래의 원자로 내의 종래의 UO₂ 연료 집합체를 대체하도록 설계된다. 연료 집합체(910)는 일반적으로: (1) 연료 집합체(910)의 모든 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)이 바람직하게는 기하학적으로 서로 동일하고; (2) 4 개의 연료 요소들이 주변 행으로부터 제거되며; (3) 비-코너 주변 행에서의 연료 요소들(920a)의 중심선들(920a')이 안쪽으로 시프트되어, 인접한 비-코너 주변 연료 요소(들)(920a)의 중심선들(920a') 및 연료 요소(들)(920c)의 가장 바깥쪽 비-주변 행의 중심선(들)(920c')으로 정삼각형들을 형성하고; (4) 주변 코너 연료 요소들(920b)의 중심선(920b')이 연료 집합체들(610, 710)의 연료 요소들(740, 650)에 대해 안쪽으로 시프트된다는 것을 제외하고는, 연료 집합체들(610, 710)과 유사하거나 동일하다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 모든 연료 요소들(920, 920a, 920b, 920c)은 기하학적으로 서로 동일할 수 있으며, 모두 앞서 설명된 바와 같은 연료 요소들(20)을 포함할 수 있다. 하지만, 연료 요소들(920, 920a, 920b, 920c)의 상이한 것들의 핵분열 로딩은 [예를 들어, 연료 집합체(910)에 걸쳐 발생된 열 부하를 고르게 하기 위해] 상이할 수 있다. 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d) 각각은 동일한 외접 직경(예를 들어, 12.6 mm)을 갖는다. 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)은 기하학적으로 서로 동일하지 않다.

연료 요소들(920a, 920b)의 외측 주변 행/서브세트를 측방향 안쪽으로 시프트함으로써, 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d) 간의 중심선-대-중심선 간격과 동일한 외접 직경을 갖는 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)이 사용될 수 있는 한편, 앞서 설명된 종래의 원자로들 내에 제공된 공간의 포위부 내에 피팅되도록 충분한 공간이 제공된다.

도 14에 나타낸 바와 같이, 중심 연료 요소들(920c, 920d) 및 유도관들(40)을 위한 중심 15x15 정사각형 패턴의 그리드 위치들은 원자로에 대한 종래의 연료 집합체들의 중심 15x15 정사각형 패턴 및 위치들에 매칭한다.

연료 요소들(920a, 920c)의 외측 주변 행은 연료 집합체(910)의 중심을 향해 측방향 안쪽으로 시프트된다. 안쪽으로의 시프트는 집합체(910)가 제어봉/유도관(40) 위치들, 제어봉 구동 메카니즘들 또는 연료 집합체 치수들을 변형시키지 않고 1 이상의 기존 원자로 타입들(예를 들어, 17x17 어레이의 UO₂ 봉들을 이용하는 Westinghouse의 연료 집합체 디자인을 이용한 원자로들)로 더 잘 피팅되도록 돕는다.

도 16에 나타낸 실시예에서, 12.6 mm 외접 직경 연료 요소들(920a)은 약 10.9 mm만큼 중심 15x15 그리드 패턴의 행/열 그리드 방향으로 돌출된 바와 같이 연료 요소들(920a)의 중심선들(920a')과 연료 요소들(920c)의 중심선들(920c') 간의 중심-대-중심 거리가 오프셋되도록 측방향 안쪽으로 시프트된다. 연료 요소들(920a)이 종래의 17x17 그리드 패턴의 위치들을 유지하였다면, 오프셋은 10.9 mm보다는 12.6 mm이었을 것이다. 연료 요소들(920a)의 안쪽으로의 시프트는 약 211 mm(15 개의 12.6 mm 피치들 + 2 개의 10.9 mm 피치들)의 전체 행 또는 열 폭을 유도하고, 이는 슈라우드(940) 내의 약 211 mm 행 및 열 포위부 내에 피팅된다. 슈라우드(940)의 두께가 추가되는 경우, 연료 집합체(910)의 전체 행 및 열 폭은 연료 집합체(910)가 피팅되도록 설계되는 예시적인 종래의 원자로에 의해 제공되는 214 mm 포위부 내에 피팅된다.

연료 요소들(920a, 920b)의 안쪽으로의 시프트를 용이하게 하기 위해, 종래의 연료 집합체에 대해 외측 주변 행/링으로부터 4 개의 연료 요소들이 생략된다. 도 14에 나타낸 실시예에서, 연료 요소들의 외측 주변 행/링은 총 60 개의 연료 요소들에 대해 56 개의 연료 요소들(920a) 및 4 개의 연료 요소들(920b)을 포함한다. 참고로, 종래의 17x17 연료 집합체는 그리드 위치들의 외측 주변 행/링에 64 개의 연료 요소들을 포함할 것이다.

도 15에 나타낸 바와 같이, 주변 행 옆의 연료 요소들(920c)의 축방향 중심선들(920c') 및 비-코너 주변 행 연료 요소들(920a)의 축방향 중심선들(920a')은 중심-대-중심 거리들이 연료 요소들(920a, 920c)의 외접 직경과 같은 정삼각형들을 형성한다.

도 15 내지 도 18에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(920a, 920c) 및 슈라우드(940)는 연료 집합체(910)를 따라 상이한 축방향 위치들에서 여러 가지 상이한 부분적 자체-간격 평면들을 갖는다. 도 15 및 도 16에 나타낸 단면에서, 연료 요소들(920a)은 서로 및 슈라우드(940)와 접하고 자체-간격을 유지한다. 도 17 및 도 18에 나타낸 단면들에서, 각각의 연료 요소(920a)는 연료 요소들(920c) 중 하나와 접하고 자체-간격을 유지한다. 전체적으로, 도 15에 나타낸 방위에서 볼때, 각각의 연료 요소(920a)는: 슈라우드(940)와 0 도(도 15에 나타냄); 인접한 연료 요소들(920a)과 90 도 및 270 도(도 15에 나타냄); 하나의 내측 연료 요소(920c)와 150 도(도 18에 나타냄); 및 또 다른 내측 연료 요소(920c)와 210 도(도 17에 나타냄)에서 자체-간격 지점을 갖는다. 부분적 자체-간격 평면들의 이 조합은 연료 요소들(920a)의 적절한 자체-간격을 제공하기 위해 조합된다.

도 14 및 도 15에 나타낸 바와 같이, 복수의 연료 요소들(920, 920a, 920c)은: (1) 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)의 공통 외접 직경(D)과 같은 행들과 열들 간의 중심선-대-중심선 거리를 갖는 정사각형으로 배치된 행들 및 열들로 이루어지는 제 1 그리드 패턴[중간 15x15 어레이의 연료 요소들(920c, 920d)], 및 (2) 각 삼각형의 각 변의 길이(즉, 각 삼각형의 코너들을 정의하는 인접한 연료 요소들 간의 중심선-대-중심선 거리)가 연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)의 공통 외접 직경(D)인 정삼각형들로 이루어지는 제 2 그리드 패턴[연료 요소들(920a, 920c)로 이루어지는 외측 2 개의 주변 행들]을 포함하는 혼합 그리드 패턴으로 배치된다. 따라서, 제 2/삼각형 그리드 패턴은 제 1/사각형 그리드 패턴과 상이하다. 대안적인 실시예들에 따르면, 추가적인 및/또는 대안적인 그리드 패턴들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수도 있다(예를 들어, 직사각형 그리드 패턴들, 등각 삼각형(isometric triangle) 패턴들, 평행사변형 패턴들, 다른 규칙적 반복 패턴들).

연료 요소들(920a, 920b, 920c, 920d)은 겹치지 않는 제 1[연료 요소들(920d)], 제 2[연료 요소들(920a)], 제 3[연료 요소들(920c)] 및 제 4[연료 요소들(920b)] 서브세트들을 포함한다. 제 1 서브세트[연료 요소들(920d)]는 제 1/정사각형 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치된다. 제 2 서브세트[연료 요소들(920a)]는 제 2/삼각형 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치된다. 제 3 서브세트[연료 요소들(920c)]는 각각 제 1/정사각형 그리드 패턴 및 제 2/삼각형 그리드 패턴 모두에 포함되는 각각의 겹치는 그리드 패턴들 내에 배치된다. 제 4 서브세트[연료 요소들(920b)]는 제 1 또는 제 2 그리드 패턴에 의해 정의된 여하한의 그리드 위치들 내에 배치되지 않는다.

도 19에 나타낸 바와 같이, 주변 코너 연료 요소들(920b)은 행 및 열 방향으로 돌출되는 바와 같이, 약 8.9 mm의 중심선(920b')-대-중심선(920c') 거리를 갖는다. 도 20에 나타낸 바와 같이, 12.6 mm 외접 연료 요소(920b)에 대해, 이는 연료 요소(920b)의 225 도 위치에서 연료 요소(920b)와 내측, 인접한 연료 요소(920c) 사이에 부분적 자체-간격 평면을 제공한다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 슈라우드(940)의 코너는 거의 연료 요소(920b)의 0 및 90 도 위치들에서 연료 요소(920b)와 슈라우드(940) 사이에 2-지점 부분적 자체-간격 평면을 제공하도록 형상화될 수 있다. 부분적 자체-간격 평면들의 이 조합은 연료 요소들(920b)의 적절한 자체-간격을 제공하기 위해 조합된다.

다양한 예시적인 직경들, 중심-대-중심 간격, 그리드 크기들, 및 다른 치수들이 연료 집합체(910)에 대하여 설명되지만, 이 예시적인 값들은 비-제한적이다. 오히려, 당업자라면, 다양한 대안적인 값들이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음을 이해할 것이다.

도 21은 연료 집합체(1010)를 예시하며, 이는 연료 집합체(910) 내에 존재하는 4 개의 외측 코너 연료 요소들(920b)이 생략되고 및/또는 유도관들(1020, 1030)에 의해 대체되는 것을 제외하고는, 일반적으로 연료 집합체(910)와 유사하다.

도 22 내지 도 38은 도 39 내지 도 44에 설명된 타입의 종래/표준 16x16 연료 집합체들 대신에 사용될 수 있는 연료 집합체들(1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)의 다양한 실시예들을 나타낸다. 이 집합체들(1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)의 다양한 실시예들은 종래의 경수형, PWR 원자로 내의 종래의 16x16 CE(Combusting Engineering) UO₂ 연료 집합체를 대체하는 한편, 종래의 CE 원자로(예를 들어, 2012 년 현재 사용되는 원자로)의 제어봉 위치설정을 유지하도록 설계된다.

도 22는 16x16 연료 집합체 디자인을 향해 지향되는 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체(1110)를 예시한다. 집합체(1110)는 236 개의 연료 요소들(1120)을 포함하며, 이는 앞서 설명된 요소들(20)과 유사하거나 동일할 수 있으므로, 요소들(20, 1120)의 공통적인들의 중복 설명이 생략된다. 다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(1110)의 모든 연료 요소들(1120)은 기하학적으로 서로 동일하다. (예를 들어, 도 39 내지 도 44에 설명된 바와 같은) 종래의 16x16 집합체를 대체하는 집합체(1110)에 이용가능한 원자로 공간에서는, 207.8 mm의 연료 집합체 피치를 갖는 인접한 연료 집합체들 사이에 비교적 큰 초기 워터갭(water gap)(예를 들어, 5.3 mm)이 존재한다. 결과로서, 다양한 실시예들에 따르면, 집합체(1110)는 종래 위치된 유도관들의 기존 위치설정을 변화시키지 않고, 예를 들어 0.506 인치(12.852 mm)의 기존 봉-대-봉 피치를 유지하면서 모두 16 행들에서 정사각형 어레이/구성으로 배치된 동일하거나 실질적으로 동일한 연료 요소들(1120)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 집합체(1110)는 슈라우드(940)와 일반적으로 유사하지만, 16x16 연료 집합체에 대한 크기를 갖는 슈라우드(1130)를 포함한다. 다양한 실시예들에 따르면, 슈라우드 두께는 0.1 내지 2.0 mm, 0.2 내지 0.8 mm, 0.3 내지 0.7 mm, 및/또는 대략 0.48 mm이다. 비교적 얇은 슈라우드(1130)는 연료 요소들(1120) 및 워터갭에 대한 충분한 간격을 제공하는 한편, 종래의 16x16 연료 집합체들 대신에 사용하기에 적절히 구성된 채로 유지된다. 1 이상의 실시예들에 따르면, 집합체(1110)는 1.2 mm의 워터갭을 갖는 8.134 인치(206.6 mm)의 최대 연료 집합체 포위부/폭을 허용하는 원자로 내에 피팅된다. 예를 들어, 연료 요소 피치 및 폭이 12.852 mm이고 슈라우드(1130)가 0.48 mm의 두께를 갖는 1 이상의 이러한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(1110)의 폭은 206.592 mm[(12.852 mm/요소 x 16 개의 요소들) + (2 x 0.48 mm/슈라우드 측)]이고, 이는 206.6 mm 포위부 내에 피팅된다.

도 22에 나타낸 바와 같이, 집합체(1110)는 제어봉들을 위한 5 개의 유도관들(1140)을 포함한다. 도 23에 나타낸 바와 같이, 각각의 유도관(1140)은 내측 유도관 부분(1140a) 및 외측 스페이서 링 부분(1140b)을 포함한다. 내측 및 외측 부분들(1140a, 1140b)은 통합 형성될 수 있거나, 또는 개별적으로 형성되고 서로 부착될 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 내측 유도관 부분(1140a)의 내측 직경은 그 안에 삽입될 제어봉 관의 외부 직경보다 약간 더 크다. 예를 들어, 다양한 실시예들에 따르면, 내측 유도관 부분(1140a)의 내부 직경은 약 0.9 인치이며, 0.816 인치의 외부 직경을 갖고 가연성 흡수체/독물 물질(예를 들어, 0.737 인치의 직경을 가짐)을 함유하는 제어봉을 그 안에 수용하도록 구성된다.

도 23에 나타낸 바와 같이, 외측 스페이서 링 부분(1140b)은 연료 요소들(1120)의 스파이럴 꼬임에 걸쳐 연료 요소들(1120)의 외측 크기들을 정의하고 연료 요소들(1120)의 외측 직경에 의해 정의되는 원들(도 23에 나타냄)에 접하는 외측 직경을 갖는다. 예를 들어, 연료 요소들(1120)이 0.506 인치의 외측 직경을 갖고 유도관(1140)이 1.094 인치의 외측 직경을 갖는 일 실시예에서, 외접원들은 0.506 인치 직경을 갖고, 각각의 연료 요소들(1120)의 그리드/어레이 위치의 중심선 위치에 중심을 갖는다. 결과적으로, 유도관(1140)에 인접한 행들 및 열들에 있는 8 개의 연료 요소들(1120)은 각각의 연료 요소(1120)의 축방향 길이를 따라 다양한 위치들[예를 들어, 연료 요소(1120)의 각각의 완전한 360 도 꼬임에 대해 4 개의 리브들 각각에 대한 하나의 연료 요소-대-유도관 접촉점]에서 유도관(1140)에 접한다. 도 24 및 도 25는 4 개의 인접한 연료 요소들(1120)의 상이한 조합들이 유도관(1140)에 접하는 단면들을 예시한다. 도 23에 예시된 단면이 홈(home) 또는 0 도 위치라고 간주되는 경우, 도 24는 연료 요소들(1120)이 약 18 °시계방향으로 회전되는/꼬이는 평면[즉, 요소(1120)의 완전한 360 °꼬임의 약 1/20만큼 홈/0 위치 평면으로부터 오프셋되는 평면]에서의 단면을 예시한다. 이와 유사하게, 도 25는 요소들(1120)의 72 °및 요소(1120)의 완전한 360 °꼬임의 약 1/5만큼 홈/0 위치 평면으로부터 오프셋되는 단면을 예시한다.

도 26 내지 도 30은 대안적인 실시예에 따른 연료 집합체(1210)를 예시한다. 상기 집합체(1210)는 집합체(1110)의 중심 14x14 어레이의 연료 요소들(1120) 및 유도관들(1140)의 위치, 형상 및 구조와 유사하거나 동일한 중심 14x14 어레이의 연료 요소들(1220c, 1220d) 및 유도관들(1240)을 포함한다. 하지만, 집합체(1210) 내의 가장 바깥쪽 주변 링(즉, 행 1 및 16, 및 열 1 및 16)의 연료 요소들(1220a)의 위치들 및 수는 집합체(1110)의 것과 상이하다. 정사각형 16x16 어레이 내의 그리드 위치들에 배치하는 대신에, 외측 주변 링의 연료 요소들(1220), 연료 요소들(1220a)은 비슷한 17x17 연료 집합체(910)에 대해 앞서 설명된 것과 동일한 방식으로 연료 요소들(1220c)와 정삼각형을 형성하도록 배치된다. 또한, 도 30에서 가장 잘 예시된 바와 같이, 집합체(910)의 경우처럼 집합체(1210)는 연료 요소들(1220b)이 적어도 2 개의 상이한 위치들(또는 연속 아크)에서 슈라우드(1230)와 접촉하고 연료 요소들(1220c) 중 코너의 요소와 접촉하여, 적절한 위치들에 연료 요소들(1220b)을 유지하기 위해 3 개의 접촉점들을 제공하도록 다른 연료 요소들에 대해 위치되는 코너 연료 요소들(1220b) 및 슈라우드(1230)를 포함한다.

도 26에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들(1220a,b,c,d) 각각은 다양한 비-제한적 실시예들에 따라 서로 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있으며, 연료 요소들(20)과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 도 26에 나타낸 바와 같이, 다양한 실시예들에 따르면, 집합체(1210)는 232 개의 연료 요소들(1220a,b,c,d)을 포함한다.

도 27에 예시된 단면 평면이 홈/0 °평면으로 간주되는 경우, 도 28에 예시된 단면은 요소들(1220)에서 30 °꼬임[즉, 요소들(1220)의 완전한 360 °꼬임의 1/12]만큼 홈/0 °평면으로부터 오프셋되는 단면 평면에 대응한다. 이와 유사하게, 도 29는 요소들(1220)에서 60 °꼬임[즉, 요소들(1220)의 완전한 360 °꼬임의 1/6]만큼 홈/0 °평면으로부터 오프셋되는 단면 평면에 대응한다. 이와 유사하게, 도 30은 요소들(1220)에서 45 °꼬임[즉, 요소들(1220)의 완전한 꼬임의 1/8]만큼 홈/0 °평면으로부터 오프셋되는 단면 평면에 대응한다.

다양한 실시예들에 따르면, 집합체(1210)의 외측 주변부를 따른 삼각형 그리드의 사용은 (a) 모든 요소들이 정사각형 16x16 그리드/어레이에 배치되는 다양한 실시예들[예를 들어, 도 22에 예시된 집합체(1110)의 1 이상의 실시예들]에 따라 가능한 것보다 더 두껍고 강한 슈라우드(1230), 및/또는 (b) 더 큰 워터갭의 사용을 용이하게 한다. 다양한 실시예들에 따르면, 슈라우드(1230)의 두께는 0.4 내지 4 mm, 0.4 내지 3 mm, 0.5 내지 2.5 mm, 1 내지 2 mm, 및/또는 약 2 mm이다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(1210)의 모든 연료 요소들(1220a,b,c,d)은 서로 기하학적으로 동일하며, 요소들(20)과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.

도 31은 코너 구조체(1350)가 슈라우드(1230) 외부에 배치되고 부착되는 것을 제외하고는 연료 집합체(1210)와 일반적으로 동일한 연료 집합체(1310)를 예시한다. 도 31에 나타낸 바와 같이, 코너 구조체(1350)는 일반적으로 슈라우드(1230)의 코너의 곡선 윤곽을 따르고, 슈라우드(1230)의 코너들이 곡선이 아닌 경우에는 슈라우드(1230)에 의해 정의되는 정사각형 내에 피팅되는 단면 형상을 갖는다. 다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350)는 연료 집합체(1310)의 전체 축방향 길이[또는 연료 요소들(1220) 및/또는 슈라우드(1230)의 전체 축방향 길이]에 걸쳐 연장된다. 대안적으로, 코너 구조체(1350)는 집합체(1310), 슈라우드(1230), 및/또는 연료 요소들(1220)[연료 요소들(1220a, b, c, 및 d) 포함]보다 축방향으로 더 짧을 수 있다. 코너 구조체(1350)는 그 전체 축방향 길이에 걸쳐 도 31에 예시된 단면 형상을 유지할 수 있으며, 또는 단면 형상은 코너 구조체(1350)의 축방향 길이에 걸쳐 변할 수 있다.

코너 구조체(1350)의 사용은 연료 집합체(1310)가 슈라우드(1230) 외부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

도 32는 집합체(1410)의 코너 구조체(1450)가 집합체(1310)에 대해 나타낸 바와 같이 슈라우드(1230) 외부에 배치되는 것과 대조적으로 집합체(1410)의 슈라우드(1430) 내부에 배치된다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1310)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1410)를 예시한다. 코너 구조체(1450)는 슈라우드(1430)의 내측 코너에 부착된다. 슈라우드(1430)는 슈라우드(1230)보다 슈라우드(1430)의 코너들이 더 뾰족하다는 것[즉, 더 적은 굴곡을 가짐/챔퍼링(chamfer)됨]을 제외하고는 슈라우드(1230)와 일반적으로 유사하다.

도 32에 나타낸 바와 같이, 코너 구조체(1450)의 내측 윤곽은 여러 장소에서(또는 부분적 원통에 의해 정의된 아크에 걸쳐 연속적으로) 연료 요소(1220b)에 접하도록 부분적으로 원통형이다. 다양한 실시예들에 따르면, 부분적 원통 형상은 약 90 도 아크에 이르며, 올바른 위치에 연료 요소(1220b)를 유지하도록 연료 요소(1220b)의 반경에 매칭하는 반경을 갖는다.

코너 구조체(1450)의 사용은 연료 집합체(1410)가 슈라우드(1430)의 코너들 중 1 이상의 내부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

도 33은 집합체(1510)의 코너 구조체(1550)의 부분적으로 원통형인 내표면이 집합체(1410)의 코너 구조체(1450)보다 더 큰 아크(A)에 걸쳐 연장된다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1410)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1510)를 예시한다. 다양한 실시예들에 따르면, 아크(A)는 90 °내지 310 °, 120 °내지 310 °, 150 °내지 310 °, 180 °내지 310 °, 및/또는 약 270 °이다. 도 33에 나타낸 바와 같이, 다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1450)는 올바른 위치들에 연료 요소들(1220a)을 유지하도록 인접한 연료 요소들(1220a)에도 접한다.

코너 구조체(1550)의 사용은 연료 집합체(1510)가 슈라우드(1430)의 코너들 중 1 이상의 내부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

도 34는 외측 주변부에서의 코너 연료 요소들이 전부 생략[예를 들어, 집합체(1510) 내에 존재하는 연료 요소(1220b)가 생략]되고, 코너 구조체(1650)가 이러한 코너 연료 요소(1220b)에 의해 취해졌을 공간을 차지하도록 확장된다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1510)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1610)를 예시한다. 도 34에 나타낸 바와 같이, 코너 구조체(1650)는 2 개의 인접한 연료 요소들(1220a) 및 인접한 연료 요소(1220c)에 접하여, 이 3 개의 요소들(1220a, c)을 그 올바른 위치들에 유지한다.

코너 구조체(1650)의 사용은 연료 집합체(1610)가 슈라우드(1430)의 코너들 중 1 이상의 내부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

도 35는 집합체(1210)의 코너 연료 요소(1220b)가 코너 구조체(1750)로 대체된다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1210)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1710)를 예시한다. 다양한 실시예들에 따르면, 구조체(1750)는 관형이고, 슈라우드(1230) 상의 다수 지점들 및 코너 연료 요소(1220c)에 접하게 하는 직경(예를 들어, 15 mm)을 가져, 코너 연료 요소(1220c)를 그 올바른 위치에 유지한다. 코너 구조체(1750)는, 앞서 설명된 바와 같이 인접한 연료 요소들의 스파이럴 꼬임들이 그러한 것과 동일하거나 유사한 방식으로 코너 구조체가 인접한 연료 요소들을 그 올바른 위치에 유지하도록, (예를 들어, 용접을 통해) 관에 부착되는 와이어와 같은 재료로 나선형으로 감기는 관을 포함할 수 있다.

코너 구조체(1750)의 사용은 연료 집합체(1710)가 슈라우드(1230)의 코너들 중 1 이상의 내부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

도 36은 코너 구조체(1850)가 3 개의 오목한, 부분적으로 원통형인 표면들을 갖고, 각각 인접한 연료 요소들(1220a) 및 인접한 코너 연료 요소(1220c)에 접하는 것을 제외하고는 연료 집합체(1610)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1810)를 예시한다. 3 개의 오목한, 부분적으로 원통형인 표면들의 반경 및 위치는 코너 구조체(1810)가 연장된 아크들(A, B, C)에 걸쳐 연료 요소들(1220a, 1220c)에 접하도록 결합하는(mating) 연료 요소들(1220a, 1220c)의 반경들 및 위치들에 매칭한다. 접촉부의 연장된 아크들(A, B, C)은 접하는 연료 요소들(1220a, 1220c)을 그 올바른위치들에 유지한다.

도 36에 나타낸 바와 같이, 코너 구조체(1850)는 슈라우드(1830)의 코너를 정의할 수 있다. 예를 들어, 슈라우드(1830)는 그 단부들이 코너 구조체들(1850)에 연결되는 플레이트들(1830a)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 슈라우드(1830)는 슈라우드(1230)와 유사하거나 동일할 수 있으며, 코너 구조체(1850)는 슈라우드(1830) 내부에 배치되고 장착될 수 있다.

코너 구조체(1850)의 사용은 연료 집합체(1810)가 집합체(1810)의 코너들 중 1 이상의 내부에 배치된 이용가능한 공간을 활용가능하게 할 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850)는 연료 집합체(1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810)의 4 개의 코너들 각각에 배치된다. 하지만, 대안적인 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850)는 집합체(1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810)의 4 개의 코너들 중 단 1, 2, 및/또는 3 개에만 배치될 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850)는 가연성 독물, 강철, 지르코늄, 및/또는 우라늄, 및/또는 플루토늄, 및/또는 토륨의 합금들 또는 세라믹들 중 1 이상을 포함할 수 있으며, 및/또는 이 재료들 중 어느 것도 포함하지 않을 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850)는 중실(solid)일 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 코너 구조체(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850)는 (1) 개방형(open-ended)이고 이를 통한 흐름을 허용하도록 비어 있을 수 있는, (2) 폐쇄형(closed-ended)이고 비어 있을 수 있는, 및/또는 (3) 폐쇄형이고 물질(예를 들어, 펠릿 또는 다른 형태의 산화물 연료, 가연성 독물 등)로 부분적으로 또는 완전히 채워질 수 있는 (예를 들어, 관형 강철 및/또는 지르코늄 금속들 또는 합금들로 만들어지는) 중공 구조체를 포함할 수 있다.

코너 구조체들(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850) 및 연계된 슈라우드들(1230, 1430, 1830)은 종래의 16x16 연료 집합체들 대신에 사용하기 위해 설계되는 연료 집합체들(1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810)에 대해 나타내지만, 이러한 코너 구조체들(1350, 1450, 1550, 1650, 1750, 1850) 및 연계된 슈라우드 구성들은 대안적으로 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 종래의 17x17 연료 집합체들 대신에 사용하기 위해 설계되는 앞서 설명된 연료 집합체들(910, 1010)에 적용될 수 있다.

도 37은 [집합체(1210)에서와 같이 외측 링만이기보다는] 가장 바깥쪽 링의 연료 요소들(1920a) 및 가장 바깥쪽에서 두번째 링의 연료 요소들(1920b)이 둘 다 안쪽으로 시프트되어 가장 바깥쪽에서 세번째 링의 요소들(1920c)과 정삼각형 그리드 어레이를 형성한다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1210)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(1910)를 예시한다. 가장 바깥쪽에서 세번째 링의 요소들(1920c) 및 중심 10x10 어레이의 요소들(1920d)[집합적으로, 중심 12x12 어레이의 요소들(1920c, 1920d)]은 정사각형 그리드/어레이에 배치된다.

도 37에 나타낸 바와 같이, 연료 요소들은 가장 바깥쪽 링의 연료 요소들(1920a)의 코너들로부터 생략된다[즉, 집합체(1110)에 대해 도 22에 예시된 바와 같이, 가장 바깥쪽 링 내의 각각의 그리드 위치가 연료 요소에 의해 차지되는 집합체 내의 연료 요소들의 수에 대해 4 개의 연료 요소들을 생략함]. 이와 유사하게, [집합체(1110)에 대해 도 22에 예시된 바와 같이] 가장 바깥쪽 두번째 링 내의 각각의 그리드 위치가 연료 요소에 의해 차지되는 집합체 내의 연료 요소들의 수에 대해 4 개의 연료 요소들이 가장 바깥쪽 두번째 링의 요소들(1920b)로부터 생략된다. 가장 바깥쪽 두번째 링의 연료 요소들(1920b)의 남은 연료 요소(1920b')가 가장 바깥쪽 두번째 링의 연료 요소들(1920b)의 코너들 각각에 배치된다.

다양한 실시예들에 따르면, 스페이서들 및/또는 코너 구조체들이 추가되어, 코너들 및 연료 요소들(1920b')에 인접한 연료 요소들(1920a)의 올바른 위치들을 유지하도록 도울 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, (도 26의 집합체에서와 같은 단 하나의 링과는 대조적으로) 2 개의 외측 링들의 요소들에서의 정삼각형 간격의 사용은 연료 집합체(1910)에 이용가능한 포위부 내에 추가 공간을 제공한다. 이러한 공간은, 예를 들어 더 두꺼운 슈라우드(1930) 또는 더 큰 워터갭을 위해 사용될 수 있다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(1910)의 모든 연료 요소들(1920a, 1920b, 1920b', 1920c, 1920d)은 서로 기하학적으로 동일하며, 요소들(20)과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다. 도 37에 나타낸 바와 같이, 다양한 실시예들에 따르면, 집합체(1910)는 228 개의 연료 요소들(1920a,b,b',c,d)을 포함한다.

도 38은 도 37에 예시된 집합체(1910) 내의 코너에 인접하여 배치되는 2 개의 연료 요소들(1920a) 대신에, 단일 코너 연료 요소(2020a')가 가장 바깥쪽 링의 요소들(2020a)에서 사용된다는 것을 제외하고는 연료 집합체(1910)와 실질적으로 유사한 연료 집합체(2010)를 예시한다. 결과로서, 연료 집합체(2010)는 연료 집합체(1910) 내에 존재하는 것보다 4 개 더 적은 연료 요소들을 갖는다. 도 38에 나타낸 바와 같이, 다양한 실시예들에 따르면, 집합체(2010)는 224 개의 연료 요소들(2020a,a',b,b',c,d)을 포함한다.

다양한 실시예들에 따르면, 연료 집합체(2010)의 모든 연료 요소들(2020a, 2020a', 2020b, 2020b', 2020c, 2020d)은 서로 기하학적으로 동일하며, 요소들(20)과 동일하거나 실질적으로 동일할 수 있다.

다양한 도면들에서 다양한 치수들이 예시되지만, 이러한 치수들은 단지 예시적이며 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 이 치수들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다양한 방식으로 변형될 수 있다(더 많거나 더 적거나, 또는 질적으로 상이함).

연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)은 바람직하게는, 전기 및/또는 전기 이외의 목적(예를 들어, 탈염, 화학 처리, 증기 발생 등)을 위해 사용되는 열을 발생시키도록 설계되는 지상 동력용 원자로(90, 500)[예를 들어, 지상 LWRS(BWRs 및 PWRs 포함), 지상 고속 원자로, 지상 중수형 원자로]에서의 사용을 위해 열역학적으로 설계되고 물리적으로 형상화된다. 이러한 지상 동력용 원자로들(90)은 특히 VVER, AP-1000, EPR, APR-1400, ABWR, BWR-6, CANDU, BN-600, BN-800, Toshiba 4S, Monju, CE 등을 포함한다. 하지만, 본 발명의 대안적인 실시예들에 따르면, 연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)은 해상 원자로들[예를 들어, 선박 또는 잠수함 발전소; 육상용 파워(예를 들어, 전기)를 발생시키도록 설계된 부유식 발전소] 또는 다른 원자로 적용들에서 사용하기 위해 설계되고 사용될 수 있다.

연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010) 및 연계된 원자로 코어들은, 연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)이 매칭하는 기하학적 포위부들을 갖는 다른 연료 집합체들[예를 들어, 복수의 바로 인접한 연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)]에 바로 인접하여 배치되도록 설계되고 구성된다. 다양한 실시예들에 따르면, 복수의 연료 집합체들(10, 510, 610, 710, 910, 1010, 1110, 1210, 1310, 1410, 1510, 1610, 1710, 1810, 1910, 2010)은 원자로 코어에 의해 정의된 연료 집합체 그리드 패턴에서[예를 들어, 정사각형 연료 집합체들(예를 들어, AP-1000, CE)을 수용하도록 설계된 원자로 코어에 대한 정사각형 패턴에서, 육각형 연료 집합체들(예를 들어, VVER)을 수용하도록 설계된 원자로 코어에 대한 삼각형/육각형 패턴에서] 서로 인접하여 배치된다.

앞서 예시된 실시예들은 본 발명의 구조적 및 기능적 원리들을 예시하기 위해 제공되며, 제한적인 것으로 의도되지 않는다. 반대로, 본 발명의 원리들은 다음 청구항들의 기술사상 및 범위 내에서 여하한의, 및 모든 변화들, 변경들, 및/또는 대체들을 포괄하는 것으로 의도된다.

Claims (39)

1. 원자로의 연료 집합체에서 사용하기 위한 축방향 세장형 연료 요소(axially elongated fuel element)에 있어서:
   핵분열가능한 물질을 포함한 커널(kernel); 및
   상기 커널을 둘러싸는 클래딩(cladding)
   을 포함하고,
   상기 연료 요소의 축방향 길이 대 상기 연료 요소의 외접 직경(circumscribed diameter)의 비는 적어도 20:1이며,
   상기 연료 요소의 축방향 중심선은 상기 연료 요소의 축방향 질량 중심으로부터 오프셋(offset)되고,
   상기 클래딩의 적어도 하나의 원주 측(circumferential side)은 상기 클래딩의 적어도 하나의 다른 원주 측에 대해 측방향으로 감소되는 축방향 세장형 연료 요소.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 연료 요소는 스파이럴 리브(spiral rib)들을 형성하는 다수-로브 프로파일(multi-lobed profile)을 가지며, 상기 스파이럴 리브들은 핵분열가능한 물질을 포함하는 축방향 세장형 연료 요소.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 다수-로브 프로파일은 인접한 로브들 사이에 오목한 영역들을 포함하는 축방향 세장형 연료 요소.
4. 삭제
5. 원자로의 연료 집합체에서 사용하기 위한 축방향 세장형 연료 요소(axially elongated fuel element)에 있어서:
   핵분열가능한 물질을 포함한 커널(kernel); 및
   상기 커널을 둘러싸는 클래딩(cladding)
   을 포함하고,
   상기 연료 요소의 축방향 길이 대 상기 연료 요소의 외접 직경(circumscribed diameter)의 비는 적어도 20:1이며,
   상기 연료 요소의 축방향 중심선은 상기 연료 요소의 축방향 질량 중심으로부터 오프셋(offset)되고,
   상기 커널의 축방향 질량 중심은 상기 축방향 중심선에 배치되고, 상기 클래딩의 축방향 질량 중심은 상기 축방향 중심선으로부터 오프셋되는 축방향 세장형 연료 요소.
6. 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
   원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐(lower nozzle)을 포함한 프레임; 및
   상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형, 압출 연료 요소들
   을 포함하고, 상기 복수의 연료 요소들 각각은
   금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 연료 물질을 포함한 연료 커널 -상기 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함함- , 및
   상기 연료 커널을 둘러싸는 클래딩
   을 포함하며,
   상기 연료 요소들 각각은 스파이럴 리브들을 형성하는 다수-로브 프로파일을 갖고,
   상기 복수의 연료 요소들은 상기 연료 집합체의 모든 핵분열성 물질을 제공하며,
   상기 복수의 연료 요소들 각각은 상기 프레임에 의해 정의되는 그리드 패턴의 상이한 그리드 위치에 배치되어, 상기 복수의 연료 요소들의 서브세트(subset)가 상기 그리드 패턴의 외측 주변부(outer perimeter)를 따라 배치되도록 하고,
   상기 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치된 상기 연료 요소들 중 적어도 일부에서의 상기 클래딩의 적어도 하나의 외측(outer side)은 측방향으로 단축되는 연료 집합체.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 프레임은 슈라우드(shroud)를 포함하여, 상기 복수의 연료 요소들이 모두 상기 슈라우드 내부에 배치되도록 하고,
   상기 클래딩의 측방향으로 단축된 외측들은 상기 슈라우드와 접촉하는 연료 집합체.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 연료 요소들의 축방향에 수직인 상기 연료 집합체의 단면에서, 상기 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치되는 상기 연료 요소들 중 적어도 일부의 연료 커널들 각각의 영역은 상기 그리드 패턴의 외측 주변부를 따라 배치되는 상기 연료 요소들 중 적어도 일부를 제외한 상기 복수의 연료 요소들의 나머지에서의 연료 커널들 중 적어도 하나의 영역보다 작은 연료 집합체.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수의 연료 요소들 각각은 인접한 연료 요소들로부터 공통 중심선-대-중심선 거리만큼 분리되며,
   상기 복수의 연료 요소들 각각의 외접 직경은 상기 중심선-대-중심선 거리와 같은 연료 집합체.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 물질은 상기 금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 세라믹 연료 물질을 포함하는 연료 집합체.
11. 제 6 항에 있어서,
    상기 클래딩은 상기 복수의 연료 요소들 각각에 걸쳐 적어도 0.4 mm의 두께를 갖는 연료 집합체.
12. 제 6 항에 있어서,
    상기 연료 집합체는 2013년 이전에 실제 사용되었던 원자로 디자인을 갖는 종래의 원자력 발전소의 종래의 지상(land-based) 동력용 원자로에서의 작동을 위해 열역학적으로 설계되고 물리적으로 형상화되며,
    상기 프레임은 상기 원자로를 위한 종래의 우라늄 산화물 연료 집합체 대신에 상기 지상 동력용 원자로에 피팅(fit)되도록 형상화되고 구성되는 연료 집합체.
13. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들의 인접한 요소들의 스파이럴 리브들은 상기 연료 요소들의 축방향 길이에 걸쳐 서로 주기적으로 접촉하고, 이러한 접촉은 서로에 대한 상기 연료 요소들의 간격을 유지하도록 돕는 연료 집합체.
14. 제 6 항에 있어서,
    상기 세장형, 압출 연료 요소들의 서브세트를 지지하는 상기 연료 집합체의 일부분은 상기 복수의 연료 요소들의 나머지를 지지하는 상기 연료 집합체의 일부분과 분리시킬 수 없는(inseparable) 연료 집합체.
15. 제 6 항에 있어서,
    상기 그리드 패턴은 17x17 패턴의 그리드 위치들을 정의하고,
    유도관들이 행,열 위치들: 3,6; 3,9; 3,12; 4,4; 4,14; 6,3; 6,15; 9,3; 9,15; 12,3; 12,15; 14,4; 14,14; 15,6; 15,9; 및 15,12에서 그리드 위치들을 차지하는 연료 집합체.
16. 동력용 원자로의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
    원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐을 포함한 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들 -상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함함-
    을 포함하고,
    상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 상기 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치되며, 상기 제 2 그리드 패턴은 상기 제 1 그리드 패턴과 상이하며,
    상기 복수의 연료 요소들 각각은 공통 외접 직경을 가지며,
    상기 제 1 그리드 패턴은 정사각형 행들 및 열들의 패턴을 포함하고,
    상기 행들 및 열들 간의 중심선-대-중심선 거리는 상기 공통 외접 직경이며,
    상기 제 2 그리드 패턴은 정삼각형들의 패턴을 포함하고,
    각 삼각형의 각 변의 길이는 상기 공통 외접 직경과 동일한 연료 집합체.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들은 겹치지 않는(non-overlapping) 제 1, 제 2 및 제 3 서브세트들을 포함하고, 각각의 서브세트는 복수의 연료 요소들을 포함하며,
    상기 제 1 서브세트의 복수의 연료 요소들은 상기 제 1 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치되고,
    상기 제 2 서브세트의 복수의 연료 요소들은 상기 제 2 그리드 패턴에 의해 정의된 각각의 그리드 위치들 내에 배치되며,
    상기 제 3 서브세트의 복수의 연료 요소들은 각각의 겹치는 그리드 위치들 내에 배치되고, 상기 겹치는 그리드 위치들은 상기 제 1 그리드 패턴 및 상기 제 2 그리드 패턴 모두에 속하는 연료 집합체.
18. 제 16 항에 있어서,
    상기 프레임에 의해 지지되는 추가 연료 요소들을 더 포함하고, 상기 추가 연료 요소들은 상기 제 1 또는 제 2 그리드 패턴에 의해 정의된 여하한의 그리드 위치들 내에 배치되지 않는 연료 집합체.
19. 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
    원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐(lower nozzle)을 포함한 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들 -상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함함-
    을 포함하고,
    상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 상기 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치되며, 상기 제 2 그리드 패턴은 상기 제 1 그리드 패턴과 상이하며,
    각각의 세장형 연료 요소들은 상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 연료 요소 단면(fuel element cross-section)을 형성하며, 상기 각각의 세장형 연료 요소들은 적어도 하나의 인접한 연료 요소에 직접 접하고:
    상기 프레임은 상기 복수의 연료 요소들을 둘러싸는 슈라우드(shroud)를 포함하여, 상기 복수의 연료 요소들이 모두 상기 슈라우드 내부에 배치되도록 하고,
    상기 슈라우드는 제 1 측벽, 제 2 측벽 및 제 3 측벽을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 측벽들은 제 1 코너에서 만나며 상기 제 2 및 제 3 측벽들은 제 2 코너에서 만나고;
    상기 연료 집합체는, 상기 제 1 측벽 및 상기 제 2 측벽과 접촉하고 상기 제 1 코너에 인접한 상기 슈라우드 내부에 배치된 제 1 코너 구조체, 및 상기 제 2 측벽 및 상기 제 3 측벽과 접촉하고 상기 제 2 코너에 인접한 상기 슈라우드 내부에 배치된 제 2 코너 구조체를 포함하며,
    상기 제 1 및 제 2 코너 구조체들 각각은 각각의 연료 요소 단면과는 다른 상기 연료 집합체의 상기 축방향에 수직인 코너 구조체 단면(corner structure cross-section)을 형성하며,
    상기 제 1 및 제 2 코너 구조체들은 분리되어 있는 연료 집합체.
20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 가연성 독물을 포함하는 연료 집합체.
21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 복수의 세장형 연료 요소들 중 적어도 하나에 접하는(abut) 연료 집합체.
22. 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들 각각은:
    금속 비-연료 물질의 매트릭스에 배치되는 연료 물질을 포함하는 연료 커널 -상기 연료 물질은 핵분열성 물질을 포함함- , 및
    상기 연료 커널을 둘러싸는 클래딩
    을 포함하며,
    상기 연료 요소들 각각은 스파이럴 리브들을 형성하는 다수-로브 프로파일을 갖는 연료 집합체.
23. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 연료 요소들 각각은 공통 외접 직경을 가지는 연료 집합체.
24. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 그리드 패턴은 정사각형 행들 및 열들의 패턴을 포함하고,
    상기 행들 및 열들 간의 중심선-대-중심선 거리는 공통 외접 직경이며,
    상기 제 2 그리드 패턴은 정삼각형들의 패턴을 포함하고,
    각 삼각형의 각 변의 길이는 상기 공통 외접 직경과 동일한 연료 집합체.
25. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는, 부분적으로 원통형이고 상기 복수의 세장형 연료 요소들 중 하나에 접하는(abut) 내부 윤곽(inner contour)을 형성하는 연료 집합체.
26. 제 25 항에 있어서,
    상기 내부 윤곽은 90도 내지 310도 사이의 호(arc)를 형성하는 연료 집합체.
27. 제 25 항에 있어서,
    상기 내부 윤곽은 150도 내지 310도 사이의 호를 형성하는 연료 집합체.
28. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 복수의 세장형 연료 요소들 중 세개의 인접한 세장형 연료 요소들과 접하는 연료 집합체.
29. 제 19 항에 있어서,
    제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 관형 구조체(tubular structure)를 포함하는 연료 집합체.
30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 복수의 세장형 연료 요소들 중 하나 및 상기 슈라우드에 접하는 연료 집합체.
31. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 관형 구조체 주위에 나선형으로(helically)으로 권취된 물질을 더 포함하는 연료 집합체.
32. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 세 개의 오목하고 부분적으로 원통형인 표면들을 형성하며, 상기 표면들 각각은 상기 복수의 세장형 연료 요소들 중 하나에 접하는 연료 집합체.
33. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 가연성 독물, 강철, 지르코늄, 및/또는 우라늄, 및/또는 플루토늄, 및/또는 토륨의 합금들 또는 세라믹들 중 1 이상을 포함하는 연료 집합체.
34. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 슈라우드에 부착되는 연료 집합체.
35. 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
    원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐(lower nozzle)을 포함한 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들 -상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함함-
    을 포함하고,
    상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 상기 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치되며, 상기 제 2 그리드 패턴은 상기 제 1 그리드 패턴과 상이하며,
    상기 프레임은 코너 영역에 의해 연결된 제 1 평면 측벽 및 제 2 평면 측벽을 갖는 슈라우드를 포함하며, 상기 복수의 연료 요소들 모두는 상기 슈라우드 내에 배치되며;
    상기 연료 집합체는 가연성 독물을 포함하는 코너 구조체를 포함하며, 상기 코너 구조체는 상기 슈라우드 외측에 위치되고 상기 슈라우드의 상기 코너 영역을 넘어 상기 제 1 평면 측벽부터 상기 제 2 평면 측벽까지 연장되는 연료 집합체.
36. 제 24 항에 있어서,
    상기 제 1 코너 구조체 및 상기 제 2 코너 구조체 중 적어도 하나는 상기 슈라우드에 부착되는 연료 집합체.
37. 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
    원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐(lower nozzle)을 포함한 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들 -상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함함-
    을 포함하고,
    상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 상기 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치되며, 상기 제 2 그리드 패턴은 상기 제 1 그리드 패턴과 상이하며,
    상기 프레임은 상기 복수의 연료 요소들 모두 슈라우드 내에 배치되도록 상기 슈라우드를 포함하며, 상기 슈라우드는 서로 분리된 제 1 측벽 및 제 2 측벽을 포함하고;
    상기 연료 집합체는 상기 슈라우드의 코너에서 상기 제 1 측벽과 상기 제 2 측벽을 연결하는 코너 구조체를 포함하며, 상기 코너 구조체는 가연성 독물을 포함하는 연료 집합체.
38. 제 37 항에 있어서,
    상기 코너 구조체는 상기 슈라우드에 부착되는 연료 집합체.
39. 동력용 원자로(nuclear power reactor)의 코어에서 사용하기 위한 연료 집합체에 있어서:
    원자로 내부 코어 구조체에 장착되도록 형상화되고 구성되는 하부 노즐(lower nozzle)을 포함한 프레임; 및
    상기 프레임에 의해 지지되는 복수의 세장형 연료 요소들 -상기 복수의 연료 요소들 각각은 핵분열성 물질을 포함함-
    을 포함하고,
    상기 연료 집합체의 축방향에 수직인 단면에서 볼 때, 상기 복수의 연료 요소들은 제 1 그리드 패턴 및 제 2 그리드 패턴을 포함하는 혼합된 그리드 패턴 내로 배치되며, 상기 제 2 그리드 패턴은 상기 제 1 그리드 패턴과 상이하며,
    상기 프레임은 상기 복수의 연료 요소들 모두가 슈라우드 내에 배치되도록 상기 슈라우드를 포함하며,
    상기 연료 집합체는 각각이 가연성 독물을 포함하는 네 개의 코너 구조체를 포함하며, 상기 슈라우드는 상기 네 개의 코너 구조체에 의해 연결된 네 개의 분리된 플레이트를 포함하는 연료 집합체.
    

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