KR102605340B1 - 다중 스미어 밀도 연료를 갖는 연료 요소 - Google Patents
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Abstract
연료 요소는, 종축을 따른 위치에 따라서 변하는, 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 내부 체적의 총 면적에 대한 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율을 갖는다. 이러한 비율은 0.30의 최소값과 1.0의 최대값 사이에서 종축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있다. 통상의 시스템과 연관된 피크 연소도 위치 위 및 아래에서의 비율을 증가시킴으로써, 피크 연소도를 감소시키고 연소도 분포를 평탄화시키고 시프트시키며, 이 연소도 분포는 바람직하게는 가우스 분포이다. 종방향 변화는 펠릿, 봉 또는 환상체와 같은 연료 몸체, 또는 금속 스폰지의 형태인 연료를 이용하여 연료 집합체 내에 구현될 수 있고, 의미있게 연료 이용 효율을 증대시킨다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2015년 8월 27일자로 출원되고 명칭이 "다중 스미어 밀도 연료를 갖는 연료 요소(FUEL ELEMENT WITH MULTI-SMEAR DENSITY FUEL)"인 미국 가특허 출원 제62/210,609호에 대한 우선권의 이익을 주장하며, 이 특허문헌은 그것이 개시하고 교시하는 모든 것에 대해 본 명세서에 구체적으로 포함된다.
기술 분야
본 발명은 일반적으로 핵분열 원자로를 위한 연료 요소와 같은 고성능 연료 요소를 생성하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 개시의 분야
본 개시는 핵분열 원자로, 및 특히 증식 및 연소 원자로(breed and burn reactor)와 같은 고속 원자로를 위한 연료 요소에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 내부 체적의 총 면적에 대한 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율(또는 스미어 밀도(smear density))가 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 관형 연료 요소에 관한 것이다. 이러한 종방향 변화는 작동 프로파일, 변형 분포(strain distribution), 연소도(burn-up) 한계에 대한 연소도 분포 중 하나 이상을 향상시킬 수 있다.
하기의 논의에서, 특정의 구조체 및/또는 방법이 참조된다. 그러나, 하기의 참조는 이러한 구조체 및/또는 방법이 종래 기술을 구성한다는 것의 시인으로 해석되지 않아야 한다. 출원인은 그러한 구조체 및/또는 방법이 본 발명에 대한 종래 기술로서 간주되지 않는다는 것을 표시할 권한을 명시적으로 보유한다.
종래의 핵 원자로에서, 연료 요소 내의 연료 장전량(loading)은 전형적으로 연료 집합체의 종방향을 따라 균일하다. 원자로 내의 방사선 조사(irradiation) 동안에, 연료는 예들 들어 핵분열 생성물의 생성, 및 특히 가스 형태의 핵분열 생성물로 인해 팽창한다. 팽창된 연료는 개별 연료 요소의 클래딩(cladding)의 내경의 가용 공간 내에서 팽창한다. 그러나, 시간 경과에 따라, 그리고 보다 높은 연소도 값에서, 연료의 팽창은, 특히 가스 체류가 일어나는 경우 및 핵분열 생성물(가스 또는 고체)이 연료 내의 공동(void)을 충전하기 시작하는 경우에, 클래딩을 변형시킬 수 있다. 이러한 시점에서, 클래딩 변형은 연소도에 비례할 수 있고, 클래딩 변형은 빠르게 증가하기 시작한다. 이러한 변형은 궁극적으로 원자로 노심 내의 연료 요소의 수명을 제한하는데, 이는 연료 클래딩의 팽창이 클래딩 외부의 감소된(때로는 불균일한) 냉각재 유동 영역을 초래하기 때문이다. 변형율은 구조 재료(클래딩 및 연료 집합체 덕트)에 대한 방사선의 지속적인 영향에 의해 증가된다. 연료 요소는 그와 연관된 연료 집합체의 덕트 벽에 추가적인 변형을 부여하기에 충분히 팽창할 수 있으며, 이것은 팽윤(swelling)으로 인해 함께 "재밍(jamming)"되고 및/또는 연료 집합체의 휨(bowing)을 야기할 수 있다. 연료 요소의 팽윤은 때로는 클래딩에 균열을 야기할 수 있고, 이러한 균열은 핵분열 생성물의 제어되지 않은 방출 및/또는 연료와의 냉각재 상호작용을 야기할 수 있다. 적어도 부분적으로 결과적인 변형으로 인해, 임의의 특정 연료 요소의 최대 연소도가 연료 요소 및/또는 전체 연료 집합체의 유효 수명을 설정할 수 있다.
클래딩 및 연료 집합에 부여된 변형은 연료 요소의 연소도 상한에 영향을 미친다. 높은 온도 및 높은 방사선 환경은 연료가 팽윤하게 할 수 있고, 이것은 시간 경과에 따라 클래딩에 변형을 부여한다. 클래딩 파괴와 연관된 시간, 압력 및 온도 조건은 변형 한계를 설정한다. 연료 연소도가 높은 온도 및 연료의 팽윤의 원인이 되는 상태를 야기하기 때문에, 변형은 때로는 또한 "연소도"와 유사하다. 변형 및/또는 연소도에 대한 한계는 전형적으로 최대의 중성자 선속을 겪는 연료에 의해 설정된다.
선속은 전형적으로 연료 요소 내의 연료 및 독물질 분포에 적어도 부분적으로 기초하는 형상을 (종방향 및 반경방향으로) 띤다. 연료 요소의 몸체를 통한 연료 분포는 전통적으로 균일하고, 이것은 종방향에서의 연료의 균일한 분포를 가로질러 역 코사인(inverted cosine) 또는 가우스(Gaussian) 선속 분포 형상을 생성한다. 그러나, 선속의 종방향 분포를 수반하는 연료의 균일한 종방향 분포는 연료 요소의 종방향 단부에서 연료를 충분히 이용하지 못한다.
개시된 기술은, 연료 밀도의 국소적인 상태에 대한 정확한 조정을 제공하여, 연료 요소의 종방향 길이를 따른 연료 성능을 균등하게 하고, 평균 실제 연소도를 증가시키고, 원자로 노심 내의 연료 요소의 유효 수명을 증대시키고, 연료 변형을 균등하게 하고, 및/또는 연료의 전통적으로 충분히 이용하지 못한 부분으로부터의 보다 많은 중성자 기여를 제공하여(그리고 증대된 수의 핵분열 반응 또는 "보다 높은 연소도"를 달성하여) 연료 이용 효율을 증대시킨다.
연료 요소에서의 예상되는 최대 연소도(또는 변형)의 종방향 위치와는 다른 위치(예를 들면, 종방향 단부)에 보다 많은 연료를 부가함으로써, 불균등한 연소도를 저감시키고, 연료 변형을 감소시킬 수 있다. 종방향 단부와 최대 연소도 및/또는 변형의 위치 사이에 보다 많은 연료를 부가함으로써, 연료 요소 내에서 종방향으로의 연소도 분포를 평탄화시키고 시프트시킬 수 있고, 이는 전반적으로, 평균 연소도를 증가시키고 연료 변형을 감소시킴으로써 연료 요소의 연소도 분포를 대체로 균등하게 할 수 있다. 이러한 프로세스는, 연료 요소의 종방향 위치가 종방향으로 배향된 축을 따라, 예를 들어 연료 요소의 제1 단부와 제2 단부 사이에서 변함에 따라 단위 체적 면적당 연료의 상대량을 변화시킴으로써 영향을 받는다. 종축(또는 축방향 축)을 따르는 위치에 따른 이러한 비율의 변화는, 피크 노심 출력, 원자로의 임계(criticality) 등을 유지하면서 연소도 분포가 종방향으로 펼쳐질 때까지, 연료 집합체 및 궁극적으로 원자로를 구성하는 다양한 연료 요소 사이에서 반복 및/또는 변경될 수 있다. 순수 효과는 연료의 평균 연소도를 증가시키고, 원자로 설계 및/또는 작동 효율을 증대시킨다.
핵분열 원자로를 위한 연료 요소의 예시적인 실시예는 핵분열 가능한 핵연료를 포함하고, 또한 하나 이상의 비연료 물질을 포함할 수 있는 핵분열 가능한 조성물(fissionable composition)을 포함한다. 핵분열 가능한 연료는 임의의 핵분열성 연료 및/또는 핵원료 연료(fertile fuel)를 포함할 수 있고, 중성자 흡수재, 중성자 독물질(neutron poison), 중성자 투과성 물질 등을 포함하는 다른 적합한 물질과 함께 연료 요소의 내부 체적 내에 혼합, 결합 또는 포함될 수 있다. 핵분열성 물질은 우라늄, 플루토늄 및/또는 토륨을 포함하는, 핵분열 또는 중성자 선속 생성을 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있다. 핵원료 연료는 핵분열성 연료로 증식될 수 있는 천연 우라늄, 비농축 우라늄 등을 포함하는 임의의 적절한 핵원료 연료일 수 있다.
연료 요소는 대체로 관형이고, 종축을 갖는다. 핵분열 가능한 조성물은 관형 연료 요소의 내부 체적의 적어도 일부분을 차지한다. 핵분열 가능한 조성물은 연료 요소의 내부 표면과 열 전달 접촉할 수 있다. 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 내부 체적의 총 면적에 대한 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율은 종축을 따른 위치에 따라서 변한다.
하나의 태양에서, 이러한 비율은 하기에 의해 정의된 스미어 밀도 백분율로서 표현될 수 있다:
스미어 밀도(%) = 면적연료 / 면적내부단면 × 100
여기서,
면적연료 = 연료 요소의 종축에 수직한 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적, 및
면적내부단면 = 연료 요소의 종축에 수직한 연료 요소의 단면에서의 클래딩의 내부의 면적.
본 명세서에 개시되는 연료 요소와, 관련 구조체 및 방법은 특히 진행파 원자로(Traveling Wave Reactor; TWR)에 대해 설명될 것이지만, 본 명세서에 개시되는 연료 요소와, 관련 구조체 및 방법은 일반적으로 많은 유형의 고체 연료 핵 원자로에 적용 가능하고, 증식 및 연소 원자로와 같은, 고체 연료를 갖는 임의의 적절한 핵 원자로에 사용될 수도 있다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, TWR은 증식시킨 후에 연소시키는 파가 연료에 대해 진행할 수 있는 증식-연소 및/또는 증식-연소 평형 핵 원자로의 유형을 의미하고, 제한 없이 정지파 원자로(standing wave reactor)를 포함한다.
바람직한 실시예의 하기의 상세한 설명은 유사한 번호가 유사한 요소를 지시하는 첨부 도면과 관련하여 읽혀질 수 있다.
도 1a는 고속 핵 원자로 노심을 갖는 예시적인 핵분열 원자로를 도시한다.
도 1b 및 도 1c는 연료 요소의 예시적인 실시예, 즉 대체로 직선형 형상을 갖는 제1 실시예(도 1b) 및 대체로 원통형 형상을 갖는 제2 실시예(도 1c)의 사시도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1b에 도시된 연료 요소의 섹션 A-A, B-B, C-C, D-D 및 E-E를 따라 각각 취한 단면도이다.
도 7은 연료 펠릿의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 8은 연료 펠릿의 밀도가 종방향 길이를 따라 변경되는 예시적인 제1 연료 요소의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 9는 연료 펠릿의 밀도가 종방향 길이를 따라 변경되는 예시적인 제2 연료 요소의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 10은 연료 요소의 종방향 길이를 따라 양자화된 구역을 형성하도록 내부 체적의 상이한 층에 위치된 상이한 핵분열 가능한 핵연료 장전량의 연료 펠릿을 갖는 연료 요소의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 11a 및 도 11b와, 도 12a 및 도 12b는 환형 슬러그의 몸체 내에 핵분열 가능한 조성물을 수용하는 환형 슬러그의 실시예에 개별적으로 또는 조합하여 포함될 수 있는 예시적인 특성을 갖는 체적 형상을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 클래딩을 구성하는 벽 내에 배열된, 도 11a 및 도 11b와, 도 12a 및 도 12b의 것과 같은 환형 슬러그를 나타내는 연료 요소의 개략적인 단면도이다.
도 14 내지 도 18은 도 1c에 도시된 연료 요소의 섹션 A'-A', B'-B', C'-C', D'-D' 및 E'-E'를 따라 각각 취한 단면도이다.
도 19는 연료 요소의 길이를 따른 스미어 밀도의 선택된 변화를 결정하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 20은 연료 요소의 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(%)의 그래프이다.
도 21은 연료 요소의 다른 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(분율)의 그래프이다.
도 22a 및 도 22b는 연료 요소의 몇몇의 다른 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(분율)의 그래프이다.
도 23은 종방향 위치의 함수로서 일정한 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 연소도(%FIMA)를 나타내는 그래프이다.
도 24는 종방향 위치의 함수로서 변하는 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 연소도(%FIMA)를 나타내는 그래프이다.
도 25는 종방향 위치의 함수로서 변하는 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 변형을 나타내는 그래프이다.
도 26은 연료 요소의 길이를 따른 스미어 밀도의 선택된 변화를 갖는 연료 요소를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 27은 다수의 개별 연료 요소를 유지하는 연료 집합체 덕트를 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다.
도 1a는 고속 핵 원자로 노심을 갖는 예시적인 핵분열 원자로를 도시한다.
도 1b 및 도 1c는 연료 요소의 예시적인 실시예, 즉 대체로 직선형 형상을 갖는 제1 실시예(도 1b) 및 대체로 원통형 형상을 갖는 제2 실시예(도 1c)의 사시도이다.
도 2 내지 도 6은 도 1b에 도시된 연료 요소의 섹션 A-A, B-B, C-C, D-D 및 E-E를 따라 각각 취한 단면도이다.
도 7은 연료 펠릿의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 8은 연료 펠릿의 밀도가 종방향 길이를 따라 변경되는 예시적인 제1 연료 요소의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 9는 연료 펠릿의 밀도가 종방향 길이를 따라 변경되는 예시적인 제2 연료 요소의 일부분의 개략적인 단면도이다.
도 10은 연료 요소의 종방향 길이를 따라 양자화된 구역을 형성하도록 내부 체적의 상이한 층에 위치된 상이한 핵분열 가능한 핵연료 장전량의 연료 펠릿을 갖는 연료 요소의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시한다.
도 11a 및 도 11b와, 도 12a 및 도 12b는 환형 슬러그의 몸체 내에 핵분열 가능한 조성물을 수용하는 환형 슬러그의 실시예에 개별적으로 또는 조합하여 포함될 수 있는 예시적인 특성을 갖는 체적 형상을 도시한다.
도 13a 및 도 13b는 클래딩을 구성하는 벽 내에 배열된, 도 11a 및 도 11b와, 도 12a 및 도 12b의 것과 같은 환형 슬러그를 나타내는 연료 요소의 개략적인 단면도이다.
도 14 내지 도 18은 도 1c에 도시된 연료 요소의 섹션 A'-A', B'-B', C'-C', D'-D' 및 E'-E'를 따라 각각 취한 단면도이다.
도 19는 연료 요소의 길이를 따른 스미어 밀도의 선택된 변화를 결정하는 예시적인 방법의 흐름도이다.
도 20은 연료 요소의 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(%)의 그래프이다.
도 21은 연료 요소의 다른 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(분율)의 그래프이다.
도 22a 및 도 22b는 연료 요소의 몇몇의 다른 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(분율)의 그래프이다.
도 23은 종방향 위치의 함수로서 일정한 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 연소도(%FIMA)를 나타내는 그래프이다.
도 24는 종방향 위치의 함수로서 변하는 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 연소도(%FIMA)를 나타내는 그래프이다.
도 25는 종방향 위치의 함수로서 변하는 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 변형을 나타내는 그래프이다.
도 26은 연료 요소의 길이를 따른 스미어 밀도의 선택된 변화를 갖는 연료 요소를 제조하는 방법의 흐름도이다.
도 27은 다수의 개별 연료 요소를 유지하는 연료 집합체 덕트를 포함하는 예시적인 시스템을 도시한다.
하기의 상세한 설명에서, 이러한 설명의 일부를 형성하는 첨부 도면이 참조된다. 도면에 있어서, 상이한 도면에서 유사한 부호 또는 동일한 부호의 사용은 전형적으로, 문맥상 달리 지시되지 않으면, 유사한 항목 또는 동일한 항목을 나타낸다.
상세한 설명, 도면 및 청구범위에서 설명된 예시적인 실시예는 한정하는 것을 의미하지 않는다. 다른 실시예가 이용될 수 있고, 본 명세서에 제시된 요지의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 다른 변경이 이루어질 수도 있다.
당업자라면, 본 명세서에서 설명되는 구성요소(예컨대, 작동), 디바이스, 물체 및 이들에 수반되는 논의가 개념의 명확화를 위한 예로서 사용된다는 것과, 다양한 구성의 변형이 고려된다는 것을 인식할 것이다. 결과적으로, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 개시되는 특정 실례 및 수반되는 논의는 그들의 보다 일반적인 부류(class)를 대표하는 것으로 의도된다. 일반적으로, 임의의 특정 실례의 사용은 그 부류를 대표하는 것으로 의도되고, 특정 구성요소(예컨대, 작동), 디바이스 및 물체의 불포함은 한정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.
본 출원은 표현(presentation)의 명확화를 위해 형식적인 개요 표제(outline heading)를 사용한다. 그러나, 개요 표제가 표현의 목적을 위한 것이라는 것과, 다른 유형의 주제가 본 출원의 전체에 걸쳐 논의될 수 있다는 것이 이해되어야 한다(예컨대, 디바이스(들)/구조체(들)가 프로세스(들)/작동 표제(들) 하에서 설명될 수 있고, 및/또는 프로세스(들)/작동들이 구조체(들)/프로세스(들) 표제 하에서 논의될 수 있으며, 및/또는 단일 토픽(topic)에 대한 설명이 2개 이상의 토픽 표제로 확장될 수 있음). 따라서, 형식적 개요 표제의 사용은 어떠한 방식으로도 한정하는 것으로 의도되지 않는다.
하기에는, 핵 원자로 노심의 연료 효율을 증대시키기 위한 다수의 기술이 개시된다. 이들 기술의 일부는 증식 및 연소 원자로에 특히 유용하지만, 개시된 기술은 또한, 고속 원자로, 증식 및 연소 원자로, 나트륨 냉각 원자로, 경수형 원자로, 중수형 원자로 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다른 유형의 고체-연료형 핵분열 원자로로 확장 가능하다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, "%FIMA"(fissions per initial heavy metal atom; 초기 중금속 원자당 핵분열수)라고도 지칭되는 용어 "연소도(burn-up)"는 핵분열성 연료에서 일어나는 핵분열의 양(예컨대, 백분율)을 지칭한다. 예를 들면, 5%의 연소도는 5%의 연료가 핵분열 반응을 겪었다는 것을 나타낼 수 있다. 다수의 팩터(factor) 때문에, 연소도는 연료 집합체 내의 각각의 개별 연료 요소의 길이를 따라 균등하게 일어날 수는 없다. 연료 요소의 영역이 때로는 "피크 연소도" 또는 "최대 연소도"라고도 지칭되는 연소도 한계에 도달하기에 충분한 연소를 겪었다면, 연료 요소는 고갈된 것으로 여겨진다. 임의의 하나의 위치가 연소도 한계에 도달하는 경우, 그 연료 요소 내의 연료의 일부분만이 실제로 방출 한계(discharge limit)에 도달했다고 하더라도, 연료 요소 전체가 방출되는 것으로 고려된다. 따라서, 평균 연소도가 보다 낮은 경우보다 평균 연소도가 연료 요소의 전체 길이를 따라 보다 높은 경우에 더 많은 에너지가 개별 연료 요소로부터 얻어질 수 있다. 피크 또는 최대 연소도와 대조적으로, 연료 요소 내의 연료의 적어도 일부분이 연소도 한계에 도달했기 때문에 연료 요소가 방출되는 것으로 고려될 때에 연료 집합체의 지정된 영역 내에서 일어난 연소도의 양을 지칭하도록 용어 "실제 연소도(actual burn-up)"가 본 명세서에서 사용된다.
연료의 주어진 양의 연소도는, 예를 들어 중성자 선속 분포(예컨대, 높은 선속의 영역이 높은 연소도의 영역에 대응함), 독물질 분포, 온도, 냉각재 유동, 열 소비율(heat rate) 등을 포함하는 몇몇의 팩터에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 본 명세서에 개시된 다수의 구현예는 일반적으로 연료 집합체의 각각의 개별 연료 요소 내에서 관측되는 평균 실제 연소도를 증가시키기 위한 방법에 관한 것이다.
하기의 설명은 고속 나트륨 냉각 원자로를 설명하지만, 이것은 단지 예시의 목적을 위한 것이고, 임의의 고체 연료형 핵분열 원자로가 적절하게 사용될 수 있다. 도 1a는 핵 원자로 노심(132)을 갖는 예시적인 핵분열 원자로(130)를 도시하고 있다. 핵 원자로 노심(132)은 보호 용기에 의해 둘러싸인 원자로 용기(140) 내에 배치된다. 핵 원자로 노심(132)은 전형적으로 냉각재(예컨대, 액체 나트륨)의 풀(pool) 또는 핵분열 원자로(130) 전체에 걸쳐 냉각재를 유동시킬 수 있는 루프(loop)와 같은 냉각재를 포함한다. 또한, 핵 원자로 노심(132)은 다수의 연료 요소를 각각 포함할 수 있는 다수의 세장형 연료 집합체(예컨대, 연료 집합체(136))를 포함한다.
다양한 구현예 및/또는 작동 상태에서, 연료 집합체는 핵분열성 핵연료 집합체(예컨대, 기동(starter) 연료 집합체 세트 등) 및 핵원료 핵연료 집합체(예컨대, 공급 연료 집합체 세트 등), 및/또는 핵원료 연료 및 핵분열성 연료 모두를 포함하는 연료 집합체를 포함할 수 있다.
핵 원자로 노심(132) 내의 중성자 분포는 중성자 선속 프로파일(104)에 의해 기술될 수 있다. 중성자 선속 프로파일(104) 도표는 핵 원자로 노심(132)의 연료 영역(110) 내의 수직 위치의 함수로서 예시적인 중성자 선속 크기를 나타내고 있다. 이러한 프로파일의 특정 특성은 핵분열 원자로(130)의 특성 및 핵 원자로 노심(132) 내의 국소 상태에 기초하여 하나의 구현예에서 다른 구현예로 극적으로 변할 수 있다.
도 1a에서, 중성자 선속은 중앙 영역(112)에서 가장 크고, 연료 영역(110)의 단부 영역(114 및 116)을 향하여 중앙 영역(112)으로부터의 거리에 따라 점점 작아진다. 예를 들면, 단부 영역(114 및 116)은 핵 원자로 노심(132) 내의 연료 요소 또는 연료 요소의 그룹의 대향 단부에 대응할 수 있다. 도시된 예에서, 중앙 영역(112)에서의 증가된 중성자 선속의 결과는 선속 및/또는 온도와 같은 국소 상태에 영향을 미치는 하나 이상의 팩터에 기인한 것이다. 예를 들면, 중성자-흡수 제어봉, 예를 들어 제어봉(118)은, 작동 시에, 핵 원자로 노심(132)의 상단부의 방향으로부터 중앙 영역(112)을 향해 연료 영역(110) 내로 삽입될 수 있다. 이것은, 도시된 바와 같이, 연료 영역(110)의 상단부에서 중성자 선속을 감소시키는 결과를 초래할 수 있다. 다른 구현예에서, 제어봉은 동일하거나 유사한 원리를 통해 상이한 방식으로 중성자 선속에 상이하게 영향을 미치도록 배치될 수 있다.
중성자 선속 프로파일(104)은 또한 단부 영역(114 및 116)에서 불균등한 평균 선속 및 불균등한 선속 증가율을 나타내고 있다. 하나의 구현예에서, 이러한 결과는 단부 영역(114 및 116)에서의 각각 다른 국소 온도에 기인한 것이다. 일반적으로, 파워 출력은 연료와 냉각재 사이의 온도차와 질량 유량의 곱에 비례한다. 따라서, 냉각재 입구 지점이 예를 들어 단부 영역(116)에 근접하고, 냉각재 출구 지점이 단부 영역(114)에 근접하여 있다면, 온도차가 냉각재 출구 지점보다 냉각재 입구 지점에서 더 클 수 있는 반면, 질량 유량은 양쪽 위치에서 대략 균일하게 유지된다. 결과적으로, 중성자 선속(예컨대, 파워 출력)은 단부 영역(116)(예컨대, 냉각재 입구 지점) 근처에서 보다 높을 수 있고, 및/또는 단부 영역(114) 내에서보다 단부 영역(116) 내에서 더 빨리 증가할 수 있다. 이러한 불균등한 선속 분포는 개별 연료 요소에 대한 불균등한 변형의 원인이 되고, 가장 큰 중성자 선속 및/또는 변형을 갖는 영역에서 국소적인 피크 연소도를 야기할 수 있다. 결과적으로, 각각의 연료 요소의 전체 길이에 걸친 평균 연소도는 피크 연소도보다 상당히 작을 수 있다.
그러나, 불균등한 선속 및/또는 변형의 영향이 무시되거나 감소될 수 있다면, 각각의 연료 요소의 길이에 걸친 평균 연소도는 피크 연소도에 보다 근접하고, 보다 높은 연료 효율이 실현된다. 하나의 구현예에서, 이것은 각각의 연료 요소 내부의 스미어 밀도(예컨대, 단면적에 대한 핵분열 가능한 물질의 비율)를 조정하여 종축을 따른 복수의 위치에서 평균 연소도를 증가시킴으로써 성취된다. 향상된 연료 효율을 위해 스미어 밀도를 조정하는 기술이 하기의 도면에 대하여 보다 상세하게 설명된다.
연료 요소는 전형적으로 얇은 벽의 외부 재킷(클래딩으로도 불림) 및 클래딩 내의 핵분열 가능한 조성물(핵분열 가능한 핵연료를 포함함)을 포함하는 길고 가느다란 몸체이다. 핵 원자로의 설계에 따라서, 다수의 연료 요소는 전형적으로 연료 번들 또는 연료 집합체 내에 동일 장소에 배치되고, 다수의 연료 집합체는 핵 원자로 내에 포함된다. 연료 요소의 기하학적 형상은 연료 집합체 및 핵 원자로의 물리적 및 설계적 제약에 대해 설계된 임의의 적합한 형상일 수 있다.
연료 요소의 2개의 예시적인 실시예가 도 1b 및 도 1c에 사시도로 도시되어 있다. 연료 요소(10)의 제1 실시예는 반경방향 축에 대해 기다란 종축을 갖는 대체로 관형 형상(도 1b)을 갖는다. 관형 형상은 도시된 바와 같이 전체에 걸쳐 중실형일 수 있거나, 클래딩과 핵분열 가능한 조성물 사이의 갭, 핵분열 조성물의 몸체들 사이의 갭 또는 틈새 공간, 및/또는 핵분열 가능한 조성물 몸체 내의 하나 이상의 중공형 공동(공동)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 연료 요소(10)는 종축(20)에 수직한 평면에서 직선형인 단면 형상을 갖는다. 도 1b에서, 직선형 형상은 정사각형과 같은 정다각형이지만, 단면 형상은 삼각형, 육각형, 팔각형, 십이각형 등을 포함하는 임의의 직선형 형상 또는 적절한 다각형 형상일 수 있다. 종축(20)은 대체로 관형 형상의 장축(major axis)을 따라 배향되고, 거리(L1)만큼 종방향으로 연장된다. 전형적으로, 종축은 클래딩의 제1 벽 또는 단부(30) 및 제2 벽 또는 단부(40) 사이에서 연장될 것이다. 일부 예에서, 측벽(50)은 제1 단부(30)를 제2 단부(40)에 결합시켜 내부 체적을 한정하고, 연료 집합체(10)의 대체로 관형 형상을 형성한다.
연료 요소(100)의 제2 실시예는 반경방향 축에 대해 기다란 종축을 갖는 대체로 관형 형상(도 1c)을 갖는다. 관형 형상은 도시된 바와 같이 전체에 걸쳐 중실형일 수 있거나, 클래딩과 핵분열 가능한 조성물 사이의 갭, 핵분열 조성물의 몸체들 사이의 갭 또는 틈새 공간, 및/또는 핵분열 가능한 조성물 몸체 내의 하나 이상의 중공형 공동(공동)을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 연료 요소(100)는 중심 종축(120)에 수직한 평면에서 곡선형인 단면 형상을 갖는다. 도 1c에서, 곡선형 형상은 원이지만, 단면 형상은 0과 1 미만 사이, 즉 0≤e＜1에서 변하고, 대안적으로 e가 0.5 이하인 이심률(eccentricity) e를 갖는 임의의 타원, 또는 임의의 복잡한 곡선형 형상, 쌍곡면과 같은 정칙 곡선형 형상(regular curved shape) 또는 쌍곡면에 근사하는 형상일 수 있다. 종축(120)은 대체로 관형 형상의 장축을 따라 배향되고, 거리(L2)만큼 종방향으로 연장된다. 전형적으로, 종축은 클래딩의 제1 벽 또는 단부(130) 및 제2 벽 또는 단부(140) 사이에서 연장될 것이다. 일부 예에서, 측벽(150)은 제1 단부(130)를 제2 단부(140)에 결합시켜 내부 체적을 한정하고, 연료 집합체(100)의 대체로 관형 형상을 형성한다. 도 1b 및 도 1c에 도시된 예가 내부 체적을 밀폐하는 중실형 벽 및 단부를 나타내고 있지만, 일부 경우에, 연료 요소의 내부 체적을 한정하는 클래딩 또는 다른 구조체가 부분 폐쇄체(enclosure), 연료 요소의 중실형 부분 등일 수 있다.
연료 요소의 클래딩은 임의의 적합한 물질일 수 있고, 연료의 부식 및/또는 핵분열 생성물의 방출을 감소시키면서, 또한 중성자에 대한 낮은 흡수 단면을 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 클래딩 층은 금속, 금속 합금 및 세라믹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 클래딩은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 내화성 금속과 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 클래딩은 다른 조성 및 미세구조의 강(steel)을 포함하는 강과 같은 금속 합금을 포함할 수 있다. 클래딩을 위한 적합한 물질의 총망라되지 않는 예는 탄화규소(SiC) 및 금속티탄 또는 준금속 탄화물(metalloid-carbides)(Ti3AlC 및 Ti3SiC2)과 같은 세라믹, 및 알루미늄, 스테인리스강 및 지르코늄 합금과 같은 금속을 포함한다. 클래딩에 적합한 다른 물질이 적절하게 사용될 수 있다.
클래딩은 2개 이상의 층 또는 영역으로 구성되거나, 상이한 물질의 하나 이상의 라이너(liner)를 포함할 수 있다. 라이너를 포함하는 적절한 클래딩의 예가 2013년 3월 11일자로 출원되고 명칭이 "핵연료 요소(Nuclear Fuel Element)"인 미국 특허 출원 제13/794633호에 개시되어 있고, 이 특허문헌은 본 명세서에 참조로 포함된다.
핵분열 가능한 조성물은 핵분열 가능한 핵연료 및 비연료 물질을 포함할 수 있다. 핵분열 가능한 핵연료는 적어도 약 88 wt%의 핵분열 가능한 연료, 예를 들어 적어도 94 wt%, 95 wt%, 98 wt%, 99 wt%, 99.5 wt%, 99.9 wt%, 99.99 wt% 또는 그 이상의 핵분열 가능한 연료를 포함한다. 다른 상황에서, 그리고 연료 요소의 종방향 길이를 따라 스미어 밀도를 선택적으로 변화시키는 본 발명의 범위 내에서, 보다 낮은 스미어 밀도가 적절할 수 있다. 핵분열 가능한 핵연료는 핵분열성 핵연료, 핵원료 핵연료(핵분열성 연료로 "증식"될 수 있음) 및/또는 핵분열성 및 핵원료 핵연료 조성물의 혼합물을 포함한다. 핵분열 가능한 조성물의 핵분열 가능한 핵연료는 고에너지(고속) 중성자 또는 저에너지(저속) 열 중성자를 포획한 후에 핵분열을 겪을 수 있는 임의의 핵종(nuclide)을 포함할 수 있다. 핵분열 가능한 연료는 금속 형태, 산화물 형태 또는 질화물 형태를 취할 수 있고, 금속 및/또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 적합한 핵분열 가능한 핵연료의 예는 우라늄, 플루토늄, 토륨, 아메리슘(americium) 및 넵투늄(neptunium), 및 이들의 동위원소 및 합금을 포함하는 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 방사성 원소(이들의 동위원소를 포함함)를 포함한다. 하나의 실시예에서, 연료는 적어도 약 88 wt%의 U, 예를 들어 적어도 94 wt%, 95 wt%, 98 wt%, 99 wt%, 99.5 wt%, 99.9 wt%, 99.99 wt%, 또는 그 이상의 U를 포함할 수 있다.
핵분열 가능한 조성물의 비연료 물질(존재한다면)은 핵연료 물질의 결합, 중성자 투과 또는 흡수 특성, 냉각재 특성, 열 전달 특성 등을 포함하는, 연료 요소의 설계에서 요망되는 임의의 특징을 가질 수 있는 임의의 적합한 비연료 물질을 포함할 수 있다. 예를 들면, 비연료 물질은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir 및 Hf으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있는 내화성 물질을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 비연료 물질은 붕소, 가돌리늄(gadolinium) 또는 인듐과 같은 추가의 가연성 독물질을 포함할 수 있다.
핵분열 가능한 핵연료를 이용하는 핵분열 가능한 조성물을 포함하는 연료 요소는, 종축을 따른 위치에 따라서 변하는, 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 내부의 면적에 대한 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율을 가질 수 있다. 그러한 비율은, 연료 집합체 수명의 연료 사이클에 걸친 예상된 선속 및 연료 집합체 이동에 대한 예상된 변형 및/또는 연소도를 목표로 함으로써 달성되는 연료 요소에 대한 변형 프로파일을 선택적으로 설계하기 위해 종축을 따른 다수의 상이한 위치에서 선택적으로 변화될 수 있다. 변형 프로파일은, 연료 요소, 연료 집합체 및 핵 원자로의 설계 제한 범위 내에서, 재료 변형, 온도 및 압력 영향과 같은 핵 원자로 작동의 영향, 반응 부산물의 생성 및 가스 방출 분율 중 임의의 하나 이상을 고려하거나 숙고할 수 있으며, 추가적으로 노심 임계(keff>1), 피크 노심 출력 등 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있는 선택된 원자로 노심 특성을 고려하거나 유지할 수도 있다. 작동 온도, 반응 부산물, 구성요소의 기하학적 형상 등을 포함하는 추가적인 정보 없이, 연소도 단독으로는 변형을 명확하게 결정하기에 충분하지 않음에도 불구하고, 연소도는 변형과 매우 상관관계가 있고, 변형에 대한 잠재적인 대용물이다. 그러나, 당업자라면, 일부 경우에는 연소도 한계가 변형에 대한 적절한 대용물이고, 일부 경우에는 변형이 연소도 한계에 대한 가능한 대용물이라는 것을 이해할 것이다. 하기의 일부 예는 연소도 한계를 이용하여 설명되고, 다른 예는 변형 프로파일을 이용하여 설명된다. 당업자라면, 연소도 한계 또는 변형 한계, 또는 임의의 다른 적합한 파라미터 또는 원자로 노심 특성이 핵분열 생성물의 양, 변형의 양, 온도 등과 같은 문턱값(threshold) 및/또는 프로파일로서 사용될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 전술한 바와 같이, 연료 요소의 길이에 걸친 스미어 밀도의 선택적인 조정은, 연료 요소의 종방향 길이를 따른 연소도, 열 소비율, 냉각재 유동 및/또는 온도, 원자당 변위(displacement per atom; DPA), DPA 이력 및/또는 DPA 율 등 중 하나 이상을 포함할 수 있는 예상된 국소 상태에, 연료 요소의 국소 영역을 맞출 수 있다. 평균 실제 연소도를 증가시킴으로써, 충분히 이용하지 못하는 부분을 갖는 전통적인 원자로에 비하여, 원자로 노심 내의 연료 요소의 유효 수명을 증대시키고, 핵연료의 효율적인 사용을 가능하게 하고, 및/또는 연료 요소가 보다 많은 중성자 기여를 갖게(보다 높은 연소도를 달성하게) 할 수 있다.
단면적에 대한 핵분열 가능한 물질의 비율은 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있고, 이는, 전술한 바와 같이, 악영향(연소도 및/또는 변형)을 감소시킬 수 있고, 종축을 따라 시간 경과에 따른 연료의 활용을 증대시킬 수 있다.
이러한 비율은 연료 요소의 스미어 밀도로서 표현될 수 있다. 예를 들면, 스미어 밀도 백분율이 하기에 의해 정의될 수 있다:
스미어 밀도(%) = 면적연료 / 면적내부단면 × 100
여기서,
면적연료 = 연료 요소의 종축에 수직한 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적, 및
면적내부단면 = 연료 요소의 종축에 수직한 연료 요소의 단면에서의 클래딩의 내부의 면적.
스미어 밀도의 상기 정의에서, 핵분열 가능한 핵연료는 핵분열성 핵물질 및 핵원료 핵물질을 포함하지만 비연료 물질을 포함하지 않는, 핵분열을 겪을 수 있는 임의의 물질을 의미한다. 따라서, 스미어 밀도는 결합 물질을 포함하는 핵분열하지 않는(비연료) 물질, 실질적인 진공을 포함할 수 있는 연료 요소 내의 공동, 가스상의 핵분열하지 않는 물질 등의 존재에 의해 영향을 받을 수 있는 지정된 영역에서의 핵분열 가능한 물질의 양의 함수 또는 비율이다. 상기 식에서의 스미어 밀도는 백분율(%)로서 표현되고; 스미어 밀도는 대안적으로 분율로서 수학적으로 표현될 수 있으며, 그러한 경우에 분율 스미어 밀도로 불려진다. 일부 경우에, 스미어 밀도는 실질적으로 연속적으로 변할 수 있고, 그에 따라 종방향 길이를 따른 임의의 하나의 위치에서의 스미어 밀도는 산출된 스미어 밀도에 바로 인접한 단면 영역으로부터 변할 수 있다. 일부 경우에, 임의의 하나의 특정 단면 영역에서의 스미어 밀도를 나타내기보다는, 스미어 밀도의 변화율의 표시와 함께 일부 섹션 또는 구역의 체적 평균된 스미어 밀도를 표시하는 것이 적절할 수도 있다.
도 2 내지 도 6은 도 1b에 도시된 연료 요소(10)의 섹션 A-A 내지 E-E를 따라 각각 취한 개략적인 단면도를 도시하고 있다. 단면도(200, 300, 400, 500, 600)는 연료 요소(10)의 종축(20)에 수직하고, 펠릿으로 도시된 핵분열 가능한 조성물의 예시적인 분포를 개략적으로 도시하고 있다. 펠릿들 사이의 틈새 간격은 선택적으로 결합 물질, 실질적인 진공, 가스 물질 또는 임의의 적합한 물질과 같은 비연료 물질을 포함할 수 있다. 또한, 단면도는 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적, 및 관형 연료 요소의 단면에서의 내부 체적의 총 면적을 그래프적으로 도시하고 있고, 이는 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 이들 2개의 면적의 비율을 결정하는데 사용될 수 있다. 연료 요소(10)의 종축(20)을 따른 5개의 표시된 위치 각각에서 스미어 밀도로서 표현될 수 있는 비율이 언급된 도면에 도시되어 있다. 예시적인 목적을 위해, 섹션 A-A 및 E-E는 관형 연료 요소의 종방향 단부를 향해 위치되고, 섹션 C-C는 관형 연료 요소의 종방향 중앙에 근접하여 위치되고, 섹션 B-B 및 D-D는 각각의 종방향 단부 섹션과 종방향 중앙 섹션 사이의 대략 중간에 위치된다. 5개의 섹션의 사용은 예시적인 것이고 한정하는 것은 아니며, 관형 연료 요소는 종축을 따른 위치가 점점 더 얇은 섹션으로 분해됨에 따라 별도의 비율(또는 스미어 밀도)을 갖는 점점 더 많은 수의 단면을 가질 수 있으며, 이들 섹션은 전체적으로 종축을 따른 비율에 있어서의 단계적으로 변하거나 실질적으로 연속적으로 변하는 변화를 생성한다.
도 2 내지 도 6의 개략도에서, 핵분열 가능한 핵연료를 포함하는 핵분열 가능한 조성물은 펠릿으로 형성되어 있다. 도 7은 연료 펠릿(700)의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도이다. 연료 펠릿(700)은 핵분열 가능한 핵연료를 포함하는 핵분열 가능한 조성물(705)을 포함한다. 연료 펠릿의 핵분열 가능한 조성물은 비연료 물질을 선택적으로 포함할 수 있다. 연료 펠릿(700)은 선택적으로 외부 코팅(710) 및/또는 필러 물질(715) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 외부 코팅은 임의의 적합한 물질일 수 있으며, 일부 경우에, 냉각재, 클래딩 등 중 어느 하나 또는 모두와 연료 조성물 사이의 확산 또는 상호작용을 제한하는 물질을 포함할 수 있다. 예시적인 외부 코팅 물질은 클래딩의 라이너를 참조하여 하기에서 추가로 설명된다. (비연료 물질의 형태로서의) 필러 물질은 핵분열 가능한 핵연료와 상이하다. 필러 물질은 연료 물질의 구조체 내의 공동 공간을 충전하고, 및/또는 연료 물질과 함께 분포되거나 그와 혼합될 수 있으며, 가스, 액체, 고체, 진공, 결합 물질, 중성자 독물질, 또는 핵연료 요소를 위한 임의의 적합한 비연료 물질을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 6의 단면도로 돌아오면, 복수의 연료 펠릿(210, 310, 410, 510, 610)은 관형 연료 요소의 내부 체적 내에 분포된다. 연료 펠릿은 서로 열 접촉하고 그리고 클래딩의 내부 표면과 열 접촉한다. 펠릿들 사이, 및 펠릿과 클래딩 사이에 형성된 틈새는 방사선 조사 동안에 형성하는 핵분열 생성물, 및 특히 가스 형태의 핵분열 생성물을 적어도 초기에 수용하는 체적을 제공한다. 결과적으로, 틈새는 클래딩 상에 가해지는 기계적 힘, 특히 인장력을 감소시키는데 기여한다.
연료 펠릿은 클래딩과 열 전달 접촉한다. 예를 들면, 기계적 접촉 결합부는 핵 반응으로부터 발생된 열이 주로 직접적인 전도, 또는 비연료 물질을 통한 전도에 의해 클래딩에 전달될 수 있게 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 고체 또는 유체(예를 들어 액체 금속 또는 가스를 포함함)와 같은 매체가 공간 내에 위치될 수 있고, 고체, 또는 심지어 액체 금속 결합부 또는 가스 결합부와 같은 유체를 통해 펠릿으로부터 클래딩으로의 열 전달을 위한 추가적인 전도 경로를 제공할 수 있다.
추가적 또는 대안적인 실시예에서, 연료 요소 클래딩은 연료(펠릿 형태이든, 스폰지 형태이든 또는 다른 형태이든)를 외부 클래딩 물질로부터 분리하는 라이너를 클래딩의 내부 표면 상에 포함할 수 있다. 일부 경우에, 특히 높은 연소도에서, 연료 및 클래딩의 내용물은 확산하는 경향이 있어, (예를 들면, 연료 및/또는 클래딩 층의 내용물의 탈성분 부식, 또는 열화된 기계적 특성을 갖는 새로운 합금의 형성에 의해) 연료 및 클래딩의 물질을 바람직하지 않게 합금시키고 및/또는 열화시킬 수 있다. 라이너는 그러한 원자간 확산을 경감시키기 위해 연료와 클래딩 물질 사이의 배리어 층으로의 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 클래딩 물질과 연료의 핵분열 가능한 조성물 내의 원소들 사이의 원자간 확산을 경감하여 예를 들어 연료 및/또는 클래딩 물질의 열화를 회피하기 위해 클래딩의 하나 이상의 라이너가 이용될 수 있다. 라이너는 하나의 층 또는 다중 층을 포함할 수 있다. 라이너가 다중 층을 포함하는 경우에, 이들 층은 동일한 물질 또는 상이한 물질을 포함할 수 있고, 및/또는 동일한 특성 또는 상이한 특성을 가질 수도 있다. 예를 들면, 하나의 실시예에서, 층들 중 적어도 일부는 동일한 물질을 포함할 수 있는 반면, 일부는 상이한 물질을 포함할 수 있다.
하나의 예에서, 외부 클래딩 물질은 금속, 금속 합금 및 세라믹으로부터 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 클래딩은 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf으로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 포함하는 내화성 금속과 같은 내화성 물질을 포함할 수 있다. 클래딩 층의 금속 합금은 예를 들어 강일 수 있다. 강은 마르텐사이트강, 오스테나이트강, 페라이트강, 산화물-분산 강, T91 강, T92 강, HT9 강, 316 강 및 304 강으로부터 선택될 수 있다. 강은 임의의 유형의 미세구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 강은 마르텐사이트상, 페라이트상 및 오스테나이트상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 클래딩은 외부 클래딩 물질에 인접한 제1 라이너를 포함할 수 있고, 외부 클래딩 및 제2 라이너와의 원자간 확산 및/또는 상호작용을 감소시키도록 선택된 물질을 포함할 수 있다. 제1 라이너에 인접하고 연료 조성물을 수용하기 위한 내부 표면을 형성하는 제2 라이너는 제1 라이너 및 연료 조성물과의 원자간 확산 또는 상호작용을 감소시키도록 선택된 물질을 포함할 수 있다. 라이너로서 사용하기에 적합한 재료의 예는 Nb, Mo, Ta, W, Re, Zr, V, Ti, Cr, Ru, Rh, Os, Ir, Nd 및 Hf을 포함하는 하나 이상의 합금을 포함한다. 클래딩의 라이너는 외부 클래딩 물질의 내부 표면 상에 부착될 수 있고, 연료 조성물의, 클래딩에 면한 외부 표면 상에 부착될 수 있고, 및/또는 외부 클래딩 물질과 연료 조성물 사이에 및/또는 임의의 적합한 방식으로 배치된 물질의 층일 수 있다.
3차원 연료 요소에서, 복수의 연료 펠릿은 클래딩에 의해 한정된 내부 체적의 적어도 일부분을 차지한다. 그러나, 도 2 내지 도 6의 2차원 단면도에서, 복수의 연료 펠릿(210, 310, 410, 510, 610)은 클래딩(240, 340, 440, 540, 640)을 구성하는 벽(230, 330, 430, 530, 630)의 내부 표면(220, 320, 420, 520, 620)에 의해 한정된 내부 영역의 일부분을 차지하고, 틈새 공간(250, 350, 450, 550, 650)은 연료 펠릿 자체 사이, 및 연료 펠릿과 클래딩의 내부 표면 사이에 형성된다. 전형적으로, 틈새 공간은, 일부 경우에 액체 금속 결합부 또는 가스 결합부를 각각 형성하는 액체 금속 또는 가스를 포함할 수 있는 유체 또는 고체 등의 결합 및/또는 냉각 물질과 같은 비연료 물질에 의해 차지될 수 있다. 도시된 연료 요소의 다른 특성은, 연료 펠릿 대 클래딩(또는 연료 펠릿 대 라이너) 접촉에 의해 직접적으로 뿐만 아니라, 공간(250, 350, 450, 550, 650) 내의 결합 물질을 통해 간접적으로, 연료 펠릿(210, 310, 410, 510, 610) 중 적어도 일부와 벽(230, 330, 430, 530, 630) 사이에 열 전도 접촉(열 전달의 하나의 형태)이 존재한다는 것이다.
임의의 하나의 단면도에서, 복수의 연료 펠릿(210, 310, 410, 510, 610)의 핵분열 가능한 물질에 의해 차지된 면적의 부분은 스미어 밀도 식에서의 면적연료에 대한 값이며, 클래딩(250, 350, 450, 550, 650)을 구성하는 벽(240, 240, 440, 540, 640)의 내부 표면(230, 330, 430, 530, 630)에 의해 한정된 면적은 스미어 밀도 식에서의 면적내부단면에 대한 값이다. 라이너가 클래딩에 존재하면, 면적내부단면에 대한 값은 라이너의 최내측 표면, 즉 내부 체적에 노출된 표면을 사용하여 결정된다.
종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 내부의 면적에 대한 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율은 임의의 적합한 수단에 의해 종축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있고, 연료 펠릿들 사이의 틈새 공간, 펠릿 내의 공동, 펠릿 내의 다른 비연료 물질 등의 임의의 하나 이상을 포함하는 임의의 핵분열하지 않는 물질의 존재 및 양에 기초하여, 또는 임의의 다른 적합한 방식으로 선택적으로 설계 또는 형성될 수 있다.
예를 들면, 종방향 변화는 핵분열 가능한 조성물의 연료 장전량을 변경함으로써 달성될 수 있다. 예를 들어 각각의 펠릿 내의 핵분열 가능한 조성물이 (예를 들면, 핵분열 가능한 물질 및 비연료 물질 중 하나 이상의 상대량을 변경함으로써) 변할 수 있다. 비연료 물질은 틈새 공간, 연료 조성물 내의 공동, 필러 물질, 결합 물질, 냉각재 등 중 하나 이상을 포함한다. 이러한 예에서, 연료 조성물 내의 비연료 물질의 양은 원하는 연료 장전량을 달성하도록 선택적으로 변경될 수 있다. 그리고, 가변하는 조성물의 펠릿은 비율(또는 스미어 밀도)에서의 원하는 종방향 변화를 설정하도록 관형 연료 요소 내에 종방향으로 배치될 수 있다.
대안적 또는 추가적인 예에서, 종방향 변화는 핵분열 가능한 조성물을 수용하는 몸체의 크기를 변경함으로써 달성될 수 있다. 연료 펠릿의 기하학적 크기(또는 핵분열 가능한 조성물의 다른 몸체 형상)가 변화될 수 있고, 분말, 입자, 슬러그(slug) 등 중 임의의 하나 이상의 형태를 취할 수 있다. 펠릿의 크기 및 형상은, 연료 요소 클래딩 내부 체적, 형상 및 크기가 주어지면, 펠릿 내의 공동, 펠릿들 사이의 틈새 공간, 연료 장전량 등을 포함하는 비연료 물질 및 핵분열 가능한 물질의 체적 및 단면적 모두를 설계하는 것을 포함하여, 원하는 스미어 밀도에 기초하여 설계 및 제조될 수 있다. 그리고, 그러한 펠릿은 비율(또는 스미어 밀도)에서의 원하는 종방향 변화를 설정하도록 관형 연료 요소 내의 종방향 위치에 보다 높거나 보다 낮은 단면 밀도로 장전될 수 있다. 또한, 펠릿의 형상에 따라서, 보다 큰 펠릿은 펠릿들 사이의 틈새 공간에 대한 보다 큰 영역 또는 보다 작은 영역을 남기는 펠릿들 사이의 접촉의 결과로서 장전 밀도를 감소시킬 수 있다. 이와 관련하여, 주어진 구형 펠릿 크기에 대한 조밀한 밀도에서, 보다 작은 구형 크기는 보다 큰 구형 크기보다 접촉하는 펠릿들 사이에 보다 작은 공간을 가질 것이다.
대안적 또는 추가적인 예에서, 크기 및/또는 형상의 혼합은 접촉하는 보다 큰 펠릿들 사이의 공간을 차지하는 적합한 크기의 보다 작은 펠릿의 결과로서 접촉하는 펠릿들 사이의 공간을 선택적으로 더욱 감소시킬 수 있다. 클래딩 내에의 펠릿(크기 및/또는 형상이 동일하든 또는 상이하든)의 압축 및 고정은 기계적 방법(탬핑(tamping), 압력, 공기 분출(air blowing)을 포함함), 진동 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 방법을 통해 성취될 수 있다.
추가적 또는 대안적인 예에서, 비연료 물질은 연료 펠릿 내에 핵분열 가능한 물질과 혼합되거나 그와 함께 분포될 수 있고, 및/또는 비연료 물질은 별도의 펠릿으로 제공될 수 있다. 비연료 물질 펠릿은 핵분열 가능한 조성물 펠릿과 혼합되어 연료 요소의 종방향 길이를 따른 특정 위치에 원하는 스미어 밀도를 제공할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 펠릿 내의 공동(진공으로 채워지든, 또는 다른 비연료 물질로 채워지든)은 연료 요소 내의 연료 장전량을 변화시키는 메커니즘을 제공할 수 있다.
다른 예에서, 종방향 변화는 매체 내에 펠릿을 분포시킴으로써 달성될 수 있다. 연료 요소 내의 구조 또는 물질은 핵분열 가능한 조성물을 수용하는 펠릿 또는 다른 몸체의 분포를 위한 매체를 제공할 수 있다. 충분히 조밀한 결합 물질 또는 비가스상 결합 물질이 펠릿들 사이의 공간을 충전하는데 사용될 수 있다. 그러한 결합 물질은 펠릿들 사이(및 펠릿과 벽의 내부 표면 사이)의 거리를 변경하고 이에 의해 비율(또는 스미어 밀도)에서의 원하는 종방향 변화를 설정하도록 관형 연료 요소 내의 종방향 위치에 보다 높거나 보다 낮은 단면 밀도를 얻는데 사용될 수 있다.
변화를 달성하기 위한 상기 방법 중 어느 하나, 또는 상기 방법 중 하나 이상의 조합은 비율 또는 스미어 밀도의 종방향 분포에 있어서의 상이한 및/또는 보다 복잡한 단계적 변화를 달성하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 펠릿의 연료 장전량을 변경하는 것이 핵분열 가능한 조성물을 수용하는 몸체의 크기를 변경하는 것과 조합될 수 있다.
도 2 내지 도 6은 스미어 밀도가 단일의 연료 요소 내에서 종축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있는 하나의 예를 그래프적으로 제시하고 있다. 도 2 내지 도 6으로부터 관찰할 수 있는 바와 같이, 스미어 밀도는 섹션 A-A, 섹션 B-B, 섹션 C-C, 섹션 D-D 및 섹션 E-E 중 임의의 것 사이에서 변하고, 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 비율(또는 스미어 밀도)을 예시하고 있다. 전반적으로, 예시적인 실시예에서, 스미어 밀도는 축을 따른 위치에 따라서 30%, 대안적으로 50%의 최소값과 100%, 대안적으로 75% 또는 70%의 최대값 사이에서 변할 수 있다.
추가적 또는 대안적인 변형예로서, 관형 연료 요소의 각각의 종방향 단부에서의 스미어 밀도는 관형 연료 요소의 종방향 중앙에서의 스미어 밀도보다 클 수 있다. 도 2 내지 도 6은, 도 2(제1 종방향 단부에서의 단면도) 및 도 6(제2 종방향 단부에서의 단면도)을 도 4(종방향 중앙에서의 단면도)와 비교하면, 제1 종방향 단부 및 제2 종방향 단부에서 연료 펠릿(210, 610)에 의해 차지되는 면적이 종방향 중앙에서 연료 펠릿(410)에 의해 차지되는 면적보다 크다는 것을 쉽게 확인할 수 있다는 점에서 그러한 예시적인 실시예를 도시하고 있다.
추가적인 변형예에서, 관형 연료 요소의 제1 종방향 단부에서의 스미어 밀도는 관형 연료 요소의 제2 종방향 단부에서의 스미어 밀도보다 크다. 또한, 도 2 내지 도 6은, 도 2(제1 종방향 단부에서의 단면도)를 도 6(제2 종방향 단부에서의 단면도)과 비교하면, 제1 종방향 단부에서 연료 펠릿(210)에 의해 차지되는 면적이 제2 종방향 단부에서 연료 펠릿(610)에 의해 차지되는 면적보다 크다는 것을 확인할 수 있다는 점에서 이러한 예시적인 실시예를 도시하고 있다.
도 8 내지 도 10은 연료 요소의 제조 동안에 내부 체적을 충전하는데 사용되는 비연료 성분(결합 물질이든, 공동이든, 또는 다른 핵분열하지 않는 물질이든)과 연료 펠릿의 상대량(및 선택적인 비연료 물질을 갖는 연료 조성물의 그것에 대응하는 양)을 변화시킴으로써 연료 요소의 종방향 길이를 따른 연료 펠릿의 밀도(체적당 연료 펠릿)의 변화를, 연료 요소의 일부분의 측단면도로 도시하고 있다. 개략적인 단면도에서, 연료 펠릿(810)은 클래딩(830)의 벽(820)들 사이의 연료 요소(800)의 내부 체적 내에 위치된다. 보다 낮은 스미어 밀도를 달성하기 위해서, 연료 펠릿은 대부분의 연료 펠릿이 이산된 연료 펠릿(연료 펠릿이 다른 연료 펠릿과 직접적으로 기계적 접촉을 하지 않는 것을 의미함)인 상태로 내부 체적 내에 분포될 수 있지만, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 일부 연료 펠릿은 다른 연료 펠릿과 접촉할 수 있다. 또한, 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 연료 펠릿(810)은 벽(820)의 내부 표면(840)과 접촉하거나, 벽(820)의 내부 표면(840)으로부터 소정 거리에 있을 수 있거나, 또는 이러한 위치설정의 혼합일 수 있다. 헬륨 가스 또는 액체 나트륨 또는 고체와 같은 결합 물질(850), 및/또는 임의의 다른 적합한 비연료 물질은 연료 펠릿(810)을 둘러싸는 공간에 그리고 이들 사이에 위치되고, 연료 펠릿(810)과 벽(820)의 내주 표면(840) 사이에 위치된다. 결합 물질은 연료 펠릿과 클래딩 사이의 열 전달 접촉을 적어도 부분적으로 제공할 수 있다.
보다 높은 스미어 밀도를 달성하기 위해서, 연료 펠릿은 비연료 영역보다 연료 영역의 비율이 높도록 내부 체적 내에 분포될 수 있다. 예를 들면, 대부분의 연료 펠릿 또는 대안적으로 모든 연료 펠릿은 인접한 연료 펠릿과 접촉할 수 있지만, 도 9의 연료 요소(800')에서 알 수 있는 바와 같이, 내부 체적 내에 연료 펠릿의 패킹(packing) 배열을 수용하도록 인접한 연료 펠릿을 분리하는 일부 공간이 존재할 수 있다. 또한, 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 연료 펠릿(810)은 벽(820)의 내부 표면(840)과 접촉할 수 있지만, 일부의 연료 펠릿(810)은 벽(820)의 내부 표면(840)으로부터 소정 거리에 있을 수 있고, 이러한 위치설정의 혼합이 존재한다. 인접한 연료 펠릿(810)들 사이의 접촉은 예를 들어 진동 기술, 기계적 기술(예컨대, 탬핑, 유체 유동 등)에 의해 촉진될 수 있지만, 패킹된 연료 펠릿은 반드시 조밀 패킹 배열로 되지는 않다. 도 9에서, 제1 영역(860)에서의 인접한 연료 펠릿들 사이의 접촉은 조밀 패킹 배열로 되고, 제2 영역(870)에서의 인접한 연료 펠릿들 사이의 접촉은 패킹 배열로 되지만, 조밀 패킹 배열로 되지는 않는다. 액체 나트륨 등의 액체 금속 냉각 매체와 같은 임의의 적합한 고체 또는 유체 결합 물질일 수 있는 결합 물질(850)은 연료 펠릿(810)을 둘러싸는 공간에 그리고 이들 사이에 위치되고, 연료 펠릿(810)과 벽(820)의 내주 표면(840) 사이에 위치된다.
일부 경우에, 연료 펠릿 및/또는 비연료 물질 펠릿의 크기 및/또는 형상은 주어진 치수(크기 및 형상)의 클래딩 내부 내에의 표준의 예측 가능한 끼워맞춤을 보장하도록 선택될 수 있다. 예를 들면, 일부의 구형 및/또는 정다각형은, 도 10에 도시된 것과 같이, 클래딩의 내부에 도입되거나 그 안에 배치될 때 예측 가능하고 선택적인 네스팅(nesting) 또는 구조를 가질 수 있다.
추가적 또는 대안적인 예에서, 단위 체적 면적당 핵분열 가능한 핵연료의 양, 즉 핵분열 가능한 핵연료 장전량은 변할 수 있고, 스미어 밀도에 있어서의 종방향 변화는 보다 많거나 보다 적은 핵분열 가능한 핵연료 장전량의 펠릿을 사용함으로써 달성될 수 있다. 핵분열 가능한 핵연료 장전량은, 상이한 핵분열 가능한 핵연료 장전량의 펠릿이 제조되는 방식에 따라서, 양자화적으로 또는 연속적으로 연료 요소의 길이를 따라 종방향으로 변하도록 결정 및 선택될 수 있다. 그러한 펠릿을 이용하여, 스미어 밀도에 있어서의 변화는 상이한 핵분열 가능한 핵연료 장전량을 갖는 연료 펠릿을 연료 요소의 종방향 길이를 따른 상이한 위치 또는 구역에 배치함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 보다 많은 핵분열 가능한 핵연료 장전량을 갖는 펠릿은 보다 높은 스미어 밀도를 가져야 하는 종방향 위치에 위치될 수 있고, 보다 적은 핵분열 가능한 핵연료 장전량을 갖는 펠릿은 보다 낮은 스미어 밀도를 가져야 하는 종방향 위치에 위치될 수 있다. 도 10은 연료 요소의 종방향 길이를 따라 양자화된 구역(A, B)을 형성하도록 내부 체적의 상이한 층에 위치된 상이한 핵분열 가능한 핵연료 장전량의 연료 펠릿(880a, 880b)을 갖는 연료 요소(800")의 다른 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 도 10의 실시예에서, 연료 펠릿(880a)은 연료 펠릿(880b)보다 적은 핵분열 가능한 핵연료 장전량을 가지며, 구역(A)은 구역(B)보다 낮은 스미어 밀도를 갖는다.
본 명세서에는 일부 예가 펠릿으로서 설명되고 있지만, 펠릿은 구형의 기하학적 형상에 한정되지 않으며, 각각의 그러한 기하학적 형상 내의 핵분열 가능한 조성물이 정량화될 수 있는 한, 장방형(oblong), 타원형(ovoid), 원통형, 봉형, 원추형, 직선형 또는 임의의 다른 닫힌 체적 형상을 포함하는 임의의 체적 형상일 수 있고, 원한다면, 임의의 적합한 형상으로 선택적으로 변경될 수 있다. 예를 들면, 추가적 또는 대안적 실시예에서, 핵분열 가능한 조성물은 환형 슬러그의 형상을 갖는 몸체 내에 수용될 수 있다. 도 11a 및 도 11b는, 그러한 형상을, 종축을 따라 바라본 상면도(도 11a) 및 반경방향 축을 따라 바라본 측면도(도 11b)를 도시하고 있다. 환형 슬러그(900)는 종방향으로 분리된 상부 표면(915) 및 하부 표면(920)을 연결하는 외측벽(910)을 갖는 몸체(905)를 포함한다. 환형 슬러그(900)는 상부 표면(915)으로부터 하부 표면(920)까지의 중앙 통로(925)를 갖는다.
도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예에서, 외측벽의 직경은 종방향 길이를 따라 실질적으로 일정하고, 종방향 길이를 따른 핵분열 가능한 물질의 양은 연료 장전량을 변경하고, 비연료 물질의 양을 변경하며, 및/또는 공동 또는 틈새 간격을 조정함으로써 임의의 적합한 방식으로 변경될 수 있다. 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같은 추가적 또는 대안적 실시예에서, 외측벽의 직경은 변할 수 있다. 도 12a 및 도 12b는 몸체의 외측벽을 변경하는 하나의 옵션을 도시하고 있다. 도 12a 및 도 12b에서, 환형 슬러그(900')의 몸체(905')의 외측벽(910')은, 종방향 중앙(C')에 대해, 외측벽(910')이 상부 표면(915') 및 하부 표면(920')으로부터 중간 영역(930)을 향해 종방향으로 연장됨에 따라 감소하는 직경(D')를 갖는다. 그러한 외측벽(910')은 선형이거나, 오목면 또는 볼록면을 갖거나, 또는 그러한 표면들의 조합을 가질 수 있다. 또한, 중간 영역(930)에서 감소하는 직경(D')을 갖는 외측면(910')은 각각의 슬러그의 종방향 길이를 따라 몸체(905')에 소정 형상을 부여할 수 있다. 예를 들면, 몸체는 제1 단부 부분에서의 몸체의 제1 직경에 비하여 그리고 제2 단부 부분에서의 제2 직경에 비하여 중앙 부분에서의 감소된 중앙 직경을 갖는 외부 표면을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 형상은 쌍곡면 또는 쌍곡 포물면의 형상일 수 있다. 추가적 또는 대안적인 예에서, 외부 표면은 각 몸체의 종방향 길이를 따라 변할 수 있을 뿐만 아니라, 추가적으로 또는 대안적으로, 연료 요소 내에 배열된 다수의 슬러그의 합성 효과는 연료 요소의 종방향 길이를 따라 그러한 형상을 부여할 수 있다. 슬러그 내의 핵분열 가능한 물질의 직경 또는 폭의 변화는 연료 요소의 종방향 길이를 따라 선택적으로 위치된 가변하는 형상의 슬러그를 이용하여 쌍곡면 또는 쌍곡 포물면의 형상과 같은 원하는 형상을 부여함으로써 연료 요소의 종방향 길이를 따라 핵분열 가능한 물질 연료 장전량을 변경하는 다른 메커니즘을 제공한다.
도 11a 및 도 11b와 도 12a 및 도 12b에 도시된 통로(925, 925')는 원통형이고, 몸체의 종축에 대해 대칭으로 위치되지만, 통로는 임의의 적합한 형상이고 환형의 슬러그의 몸체 내의 임의의 위치에 위치될 수 있으며, 반경방향으로 종축의 중심에서 벗어나 배치되고, 다수의 통로로서 배치되고, 및/또는 슬러그의 일부의 종방향 체적 내에 배치되고 슬러그의 다른 종방향 체적 내에는 존재하지 않을 수 있다. 상기 중 임의의 하나 이상이 적절하게 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 통로(925, 925')의 반경은 슬러그의 외측벽(910, 910')과 유사하게 및/또는 상이하게 변할 수 있다.
핵분열 가능한 조성물은 환형 슬러그(900, 900')의 몸체(905, 905') 내에 배치되고, 몸체(905, 905') 전체에 걸쳐서 균일한 조성물을 가질 수 있거나, 길이방향 및 반경방향 중 어느 하나 또는 모두에서 변할 수 있다. 다수의 환형 슬러그(900, 900')가 관형 연료 요소의 내부 체적에 배치, 예컨대 적층될 수 있다. 연료 요소 내로 적층될 때의 슬러그(900, 900')의 통로(925, 925')는 적절할 수 있다면 선택적으로 정렬되거나 오정렬될 수 있다. 외측벽의 직경(D, D')의 치수 및 통로의 직경(d, d')의 치수는 변할 수 있다. 또한, 이들 치수 중 하나 이상을 변경하는 것은 슬러그의 몸체의 체적을 변경시키고, 관형 연료 요소 내의 복수의 슬러그 중에서 체적을 변경함으로써, 몸체 체적의 그러한 변화는 비율(또는 스미어 밀도)에 있어서의 원하는 종방향 변화의 적어도 일부 또는 모두를 위한 연료 장전량을 조정하는데 사용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 비율(또는 스미어 밀도)에 있어서의 종방향 변화는 하나 이상의 몸체 내의 조성물을 변경함으로써, 또는 하나 이상의 몸체의 직경(D, d 또는 D', d')의 치수를 변경함으로써 설정될 수 있다. 도 11a 및 도 11b와 도 12a 및 도 12b에 도시된 슬러그가 종축에 실질적으로 수직한 것으로 슬러그의 단부를 도시하고 있지만, 슬러그의 단부 중 어느 하나 또는 모두는 종축에 수직하지 않을 수 있고, 및/또는 인접한 슬러그와 선택적으로 끼워맞춰지고 및/또는 선택적인 틈새 공간을 생성하여 스미어 밀도를 선택적으로 조정하기 위한 임의의 적절한 형상일 수 있다.
환형 슬러그의 형상을 갖는 몸체는 임의의 적합한 방식으로 연료 요소 내에 배열될 수 있다. 도 13a 내지 도 13b는, 도 11a 및 도 11b와 도 12a 및 도 12b와 같이, 환형 슬러그 몸체를 도시하는 연료 요소의 일부분의 개략적인 단면도이다. 도시된 실시예에서, 몸체(905, 905')는 연료 요소의 클래딩의 벽(930, 930') 내에 종방향으로 적층된 관계로 되어 있다. 하나 이상의 갭(935, 935')이 몸체, 예를 들어 연료 물질과 클래딩 사이에 존재할 수 있지만, 갭이 필요하지는 않다. 일부 실시예에서, 갭은 비연료 물질로 충전된다. 하나의 실시예에서, 비연료 물질은 가압된 헬륨 분위기와 같은 가압된 분위기이며; 다른 실시예에서, 갭은 나트륨과 같은 액체 금속으로 충전된다.
일부 경우에, 스미어 밀도는 상이한 연료 펠릿들 또는 슬러그들 사이에서 상이할 수 있다. 하기의 예가 펠릿의 형태로서의 슬러그에 대하여 논의되지만, 당업자라면, 임의의 형태의 펠릿이 하기의 기술을 이용할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 예를 들면, 도 13a의 슬러그(905b)의 스미어 밀도는 슬러그(905a)의 스미어 밀도보다 클 수 있다. 일부 경우에, 인접한 슬러그의 스미어 밀도 사이의 차이가 스미어 밀도 차이의 문턱값을 초과하면, 2개의 상이한 슬러그들 사이의 접촉의 지점 또는 평면의 영역(예컨대, 도 13a의 위치(940))에서 또는 그 안에서 추가량의 변형이 일어날 수 있다. 일부 경우에, 최소의 스미어 밀도 문턱값이 인접한 슬러그에서의 상이한 스미어 밀도를 제한하는데 사용될 수 있다. 대안적으로 및/또는 추가적으로, 다른 슬러그에 근접한 슬러그(905a, 905b) 중 어느 하나 또는 양자 모두의 국소적인 영역은 스미어 밀도가 (슬러그(905a)의 스미어 밀도의 경우에서와 같이) 약간 크고 및/또는 (슬러그(905b)의 예에서와 같이) 약간 작을 수 있다. 서로의 스미어 밀도에 영향을 미치도록 추가의 슬러그가 슬러그(905a, 905b)들 사이에 부가될 수 있고, 및/또는 슬러그(905a, 905b) 중 어느 하나 또는 모두의 몸체 내의 스미어 밀도는 다른 슬러그와의 국소적인 접촉부에 근접한 슬러그의 몸체의 세그먼트(segment)에서 및/또는 연속적으로 국소적으로 조정될 수 있다. 그러한 국소적인 조정은 스미어 밀도의 변화율을 제한하도록 및/또는 스미어 밀도 사이의 국소적인 차이를 제한하도록 적절하게 사용될 수 있다.
슬러그 및/또는 펠릿의 제조는, 압출, 보다 큰 고체를 절단 또는 분쇄(crushing)하여 보다 작은 고체를 형성하는 것, 성형(molding), 소결(sintering)에 의하거나 소결에 의하지 않은 분말 압밀(powder consolidation), 예를 들어 기계적 수단, 예컨대 드릴링(drilling), 기계가공(machining), 연삭(grinding) 등에 의해, 화학적 수단, 예컨대 용해(dissolving), 반응(reacting), 변환(converting), 분해(decomposing) 등에 의해 (예컨대, 공동, 형상, 크기, 환형 통로 등을 위해) 형성된 물질의 선택된 영역을 제거하는 것, 또는 이들의 조합 중 임의의 하나 이상을 포함하는 임의의 적합한 방식으로 수행될 수 있다.
도 14 내지 도 18은 도 1c에 도시된 연료 요소(100)의 섹션 A'-A', B'-B', C'-C', D'-D' 및 E'-E'를 따라 각각 취한 개략적인 단면도를 도시하고 있다. 단면도(1000, 1100, 1200, 1300, 1400)는 연료 요소(100)의 종축(120)에 수직하고, 핵분열 가능한 조성물 및 공동 공간의 분포를 개략적으로 도시하고 있다. 또한, 단면도는 종축에 수직한 관형 연료 요소의 단면에서의 핵분열 가능한 핵연료의 면적, 및 관형 연료 요소의 단면에서의 내부 체적의 총 면적을 그래프적으로 도시하고 있고, 이는 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 이들 2개의 면적의 비율을 결정하는데 사용될 수 있다. 연료 요소(100)의 종축(120)을 따른 5개의 표시된 위치 각각에서 스미어 밀도로서 표현될 수 있는 비율이 도 14 내지 도 18에 도시되어 있다. 예시적인 목적을 위해, 섹션 A'-A' 및 E'-E'는 관형 연료 요소의 종방향 단부를 향해 위치되고, 섹션 C'-C'는 관형 연료 요소의 종방향 중앙에 근접하여 위치되고, 섹션 B'-B' 및 D'-D'는 각각의 종방향 단부 섹션과 종방향 중앙 섹션 사이의 대략 중간에 위치된다. 5개의 섹션의 사용은 예시적인 것이고 한정하는 것은 아니며, 관형 연료 요소는 종축을 따른 위치가 점점 더 얇은 섹션으로 분해됨에 따라 별도의 비율(또는 스미어 밀도)을 갖는 점점 더 많은 수의 단면을 가질 수 있으며, 이들 섹션은 전체적으로 종축을 따른 비율에 있어서의 단계적으로 변하거나 실질적으로 연속적으로 변하는 변화를 생성한다. 또한, 유사한 스미어 밀도의 섹션의 수가 유사한 스미어 밀도의 하나 이상의 개별 몸체(예컨대, 슬러그)를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 하고, 또한 유사한 스미어 밀도의 섹션 내의 복수의 몸체(예컨대, 슬러그)가 연료 장전량, 핵분열하지 않는 물질의 양, 틈새 공간, 연료 내의 공동, 슬러그의 폭 등 중 임의의 하나 이상과 같은 전술한 기술의 임의의 하나 또는 이들의 조합으로 스미어 밀도를 달성할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 14 내지 도 18의 개략도에서, 핵분열 가능한 핵연료는 금속 스폰지의 형태이다. 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)는 핵분열 가능한 핵연료(핵분열 가능한 핵연료 및 비연료 물질)의 매트릭스(1020, 1120, 1220, 1320, 1420) 및 매트릭스(1020, 1120, 1220, 1320, 1420) 내의 복수의 비연료 영역(1030, 1130, 1230, 1330, 1430)을 포함한다. 비연료 영역은 전형적으로, 헬륨과 같은 가스로 충전되거나 실질적으로 진공인 공동 및/또는 비연료 고체 물질이다. 3차원 연료 요소에서, 금속 스폰지는 클래딩에 의해 밀폐된 내부 체적의 적어도 일부분을 차지한다. 그러나, 도 14 내지 도 18의 2차원 단면도에서, 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)는 클래딩(1060, 1160, 1260, 1360, 1460)에 의해 제공된 벽(1050, 1150, 1250, 1350, 1450)의 내부 표면(1040, 1140, 1240, 1340, 1440)에 의해 한정된 내부 영역의 일부분을 차지한다. 도시된 연료 요소의 다른 특성은, 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)의 적어도 일부분과 벽(1050, 1150, 1250, 1350, 1450)(또는 존재하는 경우, 클래딩의 라이너 또는 다른 코팅 층과의) 사이에 열 전도 접촉(열 전달의 하나의 형태)이 존재한다는 것이다. 그러한 열 전도 접촉은 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)의 둘레부의 50% 초과, 대안적으로 70% 초과, 80% 초과, 90% 초과, 95%까지, 98%까지 또는 99%까지에 걸쳐 존재할 수 있다. 금속 스폰지가 기계적으로 접촉하지 않는 경우, 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)와 벽(1050, 1150, 1250, 1350, 1450)(또는 존재하는 경우, 클래딩의 라이너 또는 다른 코팅 층과의) 사이의 공간은 액체 금속 결합부 또는 가스 결합부를 각각 형성하는 액체 금속 또는 가스와 같은 비연료 물질에 의해 차지될 수 있다. 도 14 내지 도 18은 환형 통로를 갖지 않고 일정한 직경으로 도시되어 있지만, 이들 특징 및 다른 특징 중 임의의 하나 또는 조합이 연료 요소의 종방향 길이를 따른 원하는 스미어 밀도 변화를 설정하기 위해 금속 스폰지와 함께 추가적으로 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
임의의 하나의 단면도에서, 금속 스폰지(1010, 1110, 1210, 1310, 1410)의 매트릭스(1020, 1120, 1220, 1320, 1420)에 의해 차지된 부분에서의 연료 조성물 내의 핵분열 가능한 핵연료 물질의 양은 스미어 밀도 식에서의 면적연료에 대한 값이며, 클래딩(1060, 1160, 1260, 1360, 1460)에 의해 형성된 벽(1050, 1150, 1250, 1350, 1450)의 내부 표면(1040, 1140, 1240, 1340, 1440)에 의해 한정된 면적은 스미어 밀도 식에서의 면적내부단면에 대한 값이다. 도 14 내지 도 18로부터 관찰할 수 있는 바와 같이, 스미어 밀도는 섹션 A'-A' 내지 섹션 E'-E' 중 임의의 것 사이에서 변하고, 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 스미어 밀도를 예시하고 있다.
도 14 내지 도 18은 관형 연료 요소의 각각의 종방향 단부에서의 스미어 밀도가 관형 연료 요소의 종방향 중앙 구역에서의 스미어 밀도보다 큰 변형예를 도시하고 있다. 도 14(제1 종방향 단부에서의 단면도) 및 도 18(제2 종방향 단부에서의 단면도)을 도 16(종방향 중앙 구역에서의 단면도)과 비교하면, 제1 종방향 단부 및 제2 종방향 단부에서 핵분열 가능한 핵연료의 매트릭스(1020, 1420)에 의해 차지되는 면적이 종방향 중앙에서 핵분열 가능한 핵연료의 매트릭스(1220)에 의해 차지되는 면적보다 크다는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
또한, 도 14 내지 도 18은 연료 요소의 제1 종방향 단부에서의 스미어 밀도가 연료 요소의 제2 종방향 단부에서의 스미어 밀도보다 큰 추가적 또는 대안적인 변형예를 도시하고 있다. 도 14(제1 종방향 단부에서의 단면도)를 도 18(제2 종방향 단부에서의 단면도)과 비교하면, 제1 종방향 단부에서 핵분열 가능한 핵연료의 매트릭스(1020)에 의해 차지되는 면적이 제2 종방향 단부에서 핵분열 가능한 핵연료의 매트릭스(1420)에 의해 차지되는 면적보다 크다는 것을 쉽게 확인할 수 있다.
핵분열 가능한 핵연료가 금속 스폰지의 매트릭스 내에 및/또는 금속 스폰지의 일부로서 위치되고, 그리고 연료 요소의 내부 체적 내에 위치되는 실시예에서, 스미어 밀도의 변형예가 적합한 수단에 의해 달성될 수 있다. 예를 들면, 금속 스폰지는 매트릭스가 명목상 균일한 양의 핵분열 가능한 핵연료를 갖는 매트릭스와 공동의 특정 밸런스로 형성될 수 있다. 그러한 경우에, 스미어 밀도에 있어서의 변화는 연료 요소의 종방향 길이를 따른 내부 체적의 상이한 섹션이 충전될 때 매트릭스와 공동 공간 사이의 밸런스를 변경함으로써 달성될 수 있다. 보다 낮은 스미어 밀도를 달성하기 위해서, 매트릭스의 양은 감소되고, 공동의 양은 증가된다. 유사하게, 보다 높은 스미어 밀도를 달성하기 위해서, 매트릭스의 양은 증가되고, 공동의 양은 감소된다. 주어진 영역에서의 매트릭스와 공동의 상대량을 제어하는 하나의 제조 방법은 매트릭스 물질을 블로워(blower) 또는 다른 주입기를 통과시켜 가스상 매체를 혼입시키는 가스 주입 기술을 사용하는 것이다. 가스상 매체는 가스 결합부로서 기능할 수 있는 가스 또는 불활성 가스일 수 있다. 매트릭스의 단위 체적당 혼입된 가스상 매체의 양은 내부 체적의 총 면적에 대한 핵분열 가능한 핵연료의 면적의 비율에 있어서의 종방향 변화를 생성하도록 제어 및 조정될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로 이용될 수 있는 다른 제조 기술은 압밀하여 입자간 금속 결합(선택적으로 외부 압력에 의해 성취될 수도 있음)을 형성하는 소결 프로세스에 의한 분말 압밀을 포함하고, 하나 이상의 소결 프로세스는 융점 차이로 인한 원래 소결된 분말의 부분을 제거할 수 있거나, 다른 제조 기술은 분말 충전 프로세스, 공동 형태로의 성형, 예비성형된 고체 또는 발포체(foam) 내에의 공동의 드릴링 가공, 수소화/탈수소화(dehydriding) 및/또는 3D 인쇄 프로세스를 포함한다.
전반적으로, 스미어 밀도는 30%의 최소값과 75%의 최대값 사이에서 축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있다. 대안적으로, 스미어 밀도는 50% 내지 70%이다. 보다 높은 스미어 밀도의 연료는 연소도 분포에 대한 독물질의 장기적 영향을 상쇄하는데 사용될 수 있다. 중성자 독물질은 선속을 감소시키는 경향이 있는 반면, 보다 높은 스미어 밀도의 연료는 보다 많은 핵분열성 연료를 증식시키고, 선속을 증가시키는 경향이 있다. 또한, 핵 원자로 노심에 처음 진입하는 원자로 냉각재는 원자로 노심을 빠져나가는 냉각재보다 더 냉각되는(그리고 더 조밀한) 경향이 있어, 냉각재 입구 지점 근처(전형적으로, 연료 요소의 일 단부)에서는 중성자 흡수가 보다 높고 선속이 보다 낮으며, 냉각재 출구 지점 근처(전형적으로, 연료 요소의 타 단부)에서는 중성자 흡수가 보다 낮고 선속이 보다 높다. 또한, 냉각재 출구 지점이 일반적으로 냉각제 입구 지점보다 높은 온도에 있기 때문에, 연료 요소에 대한 열적 크리프(thermal creep) 및 다른 온도 영향이 보다 클 수 있고, 그에 따라 그러한 영향을 관리하기 위해 훨씬 더 낮은 선속을 필요로 할 수 있다. 추가적으로, 제어봉은 일반적으로 연료 요소의 종방향 일 단부의 방향으로부터 연료 요소의 중앙 영역을 향해 "하방으로 밀려"진다. 이들의 영향은 예상된 중성자 선속을 결정하는데 고려될 수 있고, 또한 연료 요소의 길이를 따른 예상된 선속 분포를 보상하거나 그에 영향을 미치도록 연료 요소의 길이를 따른 다양한 위치에서의 연료에 대한 스미어 밀도를 공학적으로 설계하고 선택하는데 고려될 수 있다. 이러한 원리에 기초하여, 다중 스미어 연료 요소에는, 연료 요소의 일 단부를 향한 증식을 촉진하도록 연료 요소의 길이를 따른 선택된 위치에의 다양한 선택된 스미어 밀도가 제공될 수 있고, 이에 의해 연료 요소의 종방향 일 단부 또는 타 단부를 향해 또는 그로부터 멀리 선속 분포를 당기고, 및/또는 연료 요소의 길이에 걸친 선속 분포의 변화율을 감소시키거나 선속 분포의 평탄화를 증대시킨다.
많은 변수, 예를 들어 연소도, 원자당 변위(DPA) 이력, DPA 율 이력, 핵분열 가스 방출, 스미어 밀도, 시간 이력, 클래딩 물질, 클래딩 치수, 및 작동 온도, 예컨대 선형 열 소비율, 열 전달 계수, 및 균등한 스미어 밀도 지점 차이는 연료 요소의 변형에 기여한다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예에서, 연료는 그 위치에서의 목표 연소도에 대한 변형 한계에 기초할 뿐만 아니라, 열적 크리프, 선속 및/또는 연소도를 고려하여 선택적으로 고려될 수 있다. 이산된 연료 몸체를 갖는 실시예의 경우, 연료 펠릿 형태이든, 연료 슬러그 형태이든, 또는 다른 몸체 형상이든, 상이한 직경(관련 경우에 내경 및 외경 모두)이 사용될 수 있다. 예를 들면, 연료 펠릿 또는 봉을 고려하면, 연료 직경은 제1 종방향 단부에서 (즉, 그 위치에서의 변형 한계 또는 목표 연소도까지) 크고, 종방향으로 배향된 연료 요소의 중간(가장 높은 연소도를 갖는 영역)에서 보다 좁고, 제2 종방향 단부에서 (즉, 그 위치에서의 변형 한계 또는 목표 연소도까지) 확장될 수 있다. 열적 크리프는 냉각 매체를 위한 출구로서 기능하는 연료 요소의 단부에서 이러한 영역의 보다 높은 온도로 인해 보다 크고, 그래서 보다 장기적인 작동에 대해, 작동 크리프와 같은 실제 연소도 및 설계 고려가 최적 조건을 찾도록 계산적으로 반복될 필요가 있다. 환형, 발포체형 연료, 또는 원하는 다공도, 연료 장전량 등을 갖는 패킹된 펠릿인 연료 형태에 대하여 유사한 고려가 이루어질 수 있다. 또한, 초기 연료는 (완전 조밀 연료의 장전에 부가하여, 또는 그에 대한 대안으로) 가변하는 다공도를 갖도록 장전될 수 있다. TWR에서와 같은 금속 연료는 고체 및 가스 핵분열 생성물로 인해 팽창한다. 금속 연료는, 초기 결합 퍼센트 연소도 내에서(이른 시기에), 그것을 내부에 수용하는 체적을 충전하는 경향이 있다. 연료 요소 내에서의 핵분열 가스의 이송을 유지하기 위해, 연료의 초기 스미어 밀도, 다공도, 및 연소도 특성은 연료 형태, 집합된 연료 집합체, 및 전체 노심의 설계 변형 한계 내에서 고려될 수 있다.
도 19는 원하는 선속 분포 및 상관된 스미어 밀도 분포를 결정함으로써 변형 한계를 감소시키고 및/또는 연료 연소도 한계를 증가시키는 예시적인 방법을 나타내고 있다. 상기 방법은 예시의 목적으로 단계의 시퀀스로 제시되어 있지만, 이러한 시퀀스는 청구된 방법의 범위를 한정하지 않으며, 당업자라면, 시퀀스의 순서, 시기 등에 대해 이루어질 수 있는 변형 및 변경을 인식할 것이다. 이 도면은 구현예를 기술하는 일련의 단계 또는 흐름도이다. 이해를 용이하게 하기 위해, 단계 또는 흐름도는, 초기 단계 또는 흐름도가 예시적인 구현예를 통해 구현예를 제시하고, 그 후에 다음의 단계 또는 흐름도가 하나 이상의 이전에 제시된 단계 또는 흐름도에 기반하는 하위 구성요소 작동 또는 추가 구성요소 작동으로서 초기 단계 또는 흐름도(들)의 확장 및/또는 다른 구현예를 제시하도록 구성된다. 당업자라면, 본 명세서에 사용되는 제시 스타일(예컨대, 예시적인 실시를 제시하는 단계(들) 또는 흐름도(들)의 제시로 시작하고, 그 후에 후속 단계(들) 또는 흐름도(들)에서 추가 내용 및/또는 추가적인 상세를 제공함)이 일반적으로 다양한 프로세스 구현예의 신속하고 용이한 이해를 가능하게 한다는 것을 이해할 것이다. 또한, 당업자라면, 본 명세서에 사용되는 제시 스타일이 또한 모듈형 및/또는 객체 지향 프로그램 설계 양식에 매우 적합하다는 것을 또한 이해할 것이다.
중성자 선속 및 스미어 밀도를 결정하는 것이 임의의 적합한 방법을 이용하여 수행될 수 있다. 일반적으로, 상업적으로 또는 정부에서 입수 가능한 소프트웨어는 원자로 노심을 시뮬레이션하고 선속을 결정하는데 필요한 기준 분석기법을 제공할 수 있다. 예를 들면, 중성자 이송 시뮬레이터는 중성자가 노심 및 연료 요소 내에 있는 곳에 관한 정보를 제공하는데 사용될 수 있고; 핵종 변환 시뮬레이터는 핵분열 가능한 원자가 얼마나 빨리 (핵원료 물질로부터 핵분열성 물질로) 증식하고 연소(핵분열 가능한 물질의 핵분열)하는지를 결정하는데 사용될 수 있고; 중성자 동특성 모듈(neutron kinetics module)은 열수력 시뮬레이터와 함께 열 발생 분포를 제공할 수 있고, 이 열수력 시뮬레이터는 연료 요소의 열 전도 및 온도 프로파일을 제공하고, 연료 요소와 같은 특정 구성요소에 대한 최대 변형 및 최대 허용 가능한 연소도를 결정할 수 있으며; 기계적 상호작용 시뮬레이터 및 연료 성능 피드백 소프트웨어는 선택적으로, 다른 기계적 상호작용(예를 들면, 시스템의 중성자 열수력에 영향을 미칠 수 있는 연료의 휨 및 덕트와의 상호작용)을 결정하는데 사용될 수 있다. http://montecarlo.vtt.fi/로부터 입수 가능한 SERPENT, https://mcnp.lanl.gov/로부터 입수 가능한 MCNp6, http://www.ne.anl.gov/codes/rebus/로부터 입수 가능한 REBUS, https://www.oecd-nea.org/tools/abstract/detail/nea-1683으로부터 입수 가능한 ERANOS, http://www.polymtl.ca/nucleaire/en/logiciels/index.php로부터 입수 가능한 DRAGON 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 다양한 입수 가능한 컴퓨터 모듈이 사용될 수 있다.
도 19의 예시적인 실시예(1500)에 도시된 바와 같이, 연료 요소의 길이에 걸친 초기 스미어 밀도 분포가 선택된다(1502). 초기 스미어 밀도 분포는 균일한 스미어 밀도에 근사할 수 있는 임의의 적합한 초기 시작점, 또는 연료 요소의 길이를 따른 대강 또는 대략의 분포일 수 있다. 1504에서, 원자로 노심의 작동 특성은, 상업적으로, 정부에서, 및 공개적으로 입수 가능한 시뮬레이션 및 분석 툴(tool)에 대하여 상기에서 논의된 것과 같은 알려진 방법 및 미래 방법을 이용하여, 연료 요소의 스미어 밀도에 적어도 부분적으로 기초하여 결정된다. 작동 특성은 중성자거동(neutronics), 열수력, 연료 성능 피드백, 기계적 상호작용, 중성자 동특성 및 중성자 선속 분포 등과 같은 그러한 변수를 포함하고, 이는 연소도, 원자당 변위(DPA) 이력, DPA 율 이력, 핵분열 가스 방출, 스미어 밀도, 시간 이력, 클래딩 물질, 클래딩 치수, 및 작동 온도, 예컨대 선형 열 소비율, 열 전달 계수, 및 균등한 스미어 밀도 지점 차이를 포함할 수도 있다. 결정된 작동 특성에 기초하여, 연료 요소의 종축을 따른 연료 변형의 프로파일이 결정될 수 있다(1506). 예를 들면, 결정 작동(1506)은 초기 스미어 밀도 분포 및 결정된 원자로 노심 특성에 기초하여 연료 요소의 선택된 구역 상의 변형을 결정하는 것을 수반할 수 있다.
다음에, 연료 변형의 프로파일에 기초하여 교정 스미어 밀도 프로파일이 모델링될 수 있다(1508). 하나의 구현예에서, 교정 스미어 밀도 프로파일은 높은 변형 영역을 상쇄하고 평탄화하도록 설계된다. 예를 들면, 변형이 균일한 스미어 밀도에 대해 산출될 수 있고, 그 후에 스미어 밀도는 선택적으로 낮은 변형 영역에서 증가되고, 높은 변형 영역에서 감소되어 교정 연료 변형 프로파일을 평탄화시킬 수 있다. 결과적으로, 교정 스미어 밀도 프로파일(1508)은 원래의 변형 프로파일에서의 낮은 변형 영역에 대응하는 증가된 스미어 밀도의 영역, 및 원래의 변형 프로파일에서의 높은 변형 영역에 대응하는 영역에서의 감소된 스미어 밀도의 영역을 포함할 수 있다.
하나의 구현예에서, 교정 스미어 밀도 프로파일은 모델링된 변형의 구역-구역(zone-by-zone) 평가에 기초하여 구성된다. 예를 들면, 연료 요소의 각 구역에 대한 변형은 (예컨대, 구역에 특정된 원자로 노심 특성에 기초하여) 결정될 수 있고, 그 후에 이러한 국소적인 변형이 문턱 최대값 및/또는 최소값과 같은 하나 이상의 문턱값과 비교될 수 있다. 모델링된 변형과 문턱값(들)의 비교에 기초하여, 연관된 구역에 대한 초기 스미어 밀도는 그 구역에 대한 교정 스미어 밀도에 도달하도록 수정(예컨대, 증가 또는 감소)될 수 있다(1510). 이러한 교정 스미어 밀도는 연료 요소의 교정 스미어 밀도 프로파일의 일부분을 형성한다. 이러한 프로세스는, 반복에 의해, 연료 변형 및/또는 불균등한 선속의 영향을 상쇄하는 스미어 밀도 프로파일을 생성하도록 각각의 개별 구역마다 반복될 수 있고, 그 결과 연료 요소의 길이에 걸친 평균 연소율을 보다 높일 수 있다.
상기에 언급된 바와 같이, 교정 스미어 밀도 프로파일(1508)의 구성은 각각의 확산 구역에 대하여 국소적인 연료 변형을 변형 문턱값 또는 문턱값 세트와 비교하는 것을 수반할 수 있다. 일부 구현예에서, 균일한 변형 문턱값 또는 균일한 변형 문턱값 세트는 통상 각각의 개별 구역 내에 적용될 교정 변형의 평가에 사용된다. 다른 구현예에서, 변형 문턱값(들)은, 상이한 구역에 대하여, 연료 요소의 각각의 구역에 근접한 구조체, 물질 및/또는 다른 노심 구성요소에 기초하여 개별적으로 설정된다.
변형 문턱값(들)은 (선속 분포, 연소도 한계 등으로 근사될 수 있는) 시스템의 설계 특성을 충족시키는 임의의 적합한 문턱값일 수 있다. 연료 요소의 선택된 구역에서의 변형이 변형 문턱값을 초과하는 경우(최대 변형 문턱값보다 높거나 최소 문턱값 미만인 경우), 연관된 구역에 대한 초기 스미어 밀도는 문턱값 초과 정도에 기초하여 수정될 수 있고, 예를 들어 감소되거나 증가될 수 있다. 예를 들면, 스미어 밀도는 최대 변형 문턱값을 초과하는 매우 높은 변형을 갖는 영역에서 극적으로 감소될 수 있고; 마찬가지로, 스미어 밀도는 최소 변형 문턱값 바로 미만인 낮은 변형을 갖는 영역에서 약간 증가될 수 있다. 결과적으로, 교정 스미어 밀도 프로파일은 선속 분포를 평탄화시키는 효과(예컨대, 연료 요소의 길이에 걸쳐 변형을 감소시키는 효과)를 낳는다.
스미어 밀도(예컨대, 초기 스미어 밀도)를 결정하고, 변형을 모델링하며, 스미어 밀도(예컨대, 교정 스미어 밀도)를 조정하는 상기 프로세스는 교정 변형 프로파일이 일부의 적합한 중단 조건을 충족시키도록 결정될 때까지 각 구역에서 여러 번 반복될 수 있다. 각 구역 내의 교정 스미어 밀도를 결정하는 반복 내에서의 다른 고려사항은 keff>1의 보장(임계를 유지하기에 충분한 핵분열 가능한 물질을 보장함으로써 노심 임계를 보장하는 것), 보유될 필요가 있는 피크 노심 출력 등 중 임의의 하나 이상을 포함할 수 있다. 이들 고려사항 중 임의의 하나 이상은 연료 요소의 길이에 따른 연료 스미어 밀도 프로파일을 반복하여 잠재적으로 최적화하는 것에 대한 추가적인 제약일 수 있다.
예시적인 실시예를 논의할 때 상기에서 언급된 바와 같이, 스미어 밀도는 30%의 최소값과 100%의 최대값 사이에서 종축을 따른 위치에 따라서 변할 수 있다. 대안적으로, 스미어 밀도는 50% 내지 70% 또는 50% 내지 75%이다. 하나의 실시예에서, 연료 요소의 제1 종방향 단부는 50%의 스미어 밀도를 갖고, 연료 요소의 제2 부분, 예를 들어 제2 종방향 단부는 상이한(예컨대, 보다 큰) 스미어 밀도(예컨대, 55%, 65%, 70%, 75% 등)를 갖는다. 다른 실시예에서, 연료 요소의 제2 종방향 단부는 50%의 스미어 밀도를 갖고, 연료 요소의 제2 부분, 예를 들어 제1 종방향 단부는 상이한(예컨대, 보다 큰) 스미어 밀도(예컨대, 55%, 65%, 70%, 75% 등)를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 연료 요소의 종방향 중앙 부분은 50%의 스미어 밀도를 갖고, 연료 요소의 제2 부분, 예를 들어 제1 종방향 단부 및 제2 종방향 단부 모두는 상이한(예컨대, 보다 큰) 스미어 밀도(예컨대, 55%, 65%, 70%, 75% 등)를 갖는다.
특히, 연료 변형은 스미어 밀도 및 클래딩 두께 모두에 의해 영향을 받을 수 있다. 따라서, 일부 구현예는 스미어 밀도보다는(또는 스미어 밀도에 부가하여) 클래딩 두께를 조정함으로써 연료 변형 프로파일을 평탄화시키는 효과를 달성할 수 있다. 예를 들면, 일부 구현예는 전술한 교정 스미어 밀도 프로파일 대신에 또는 그에 부가하여 교정 클래딩 두께 프로파일을 모델링할 수 있다. 다음에, 연료 요소에 대한 변형예가 교정 클래딩 두께 프로파일에 기초하여 클래딩 두께에 구현될 수 있다. 그러한 변형예는, 전술한 바와 같이, 교정 스미어 밀도 프로파일에 기초한 연료 밀도에 대한 변형예와 조합하여 또는 단독으로 이루어질 수 있다.
도 20은 연료 요소의 제1 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(%)의 그래프이다. 도 20의 그래프에서, 종방향 위치는 1 내지 12 범위의 구역으로 나누어진다. 스미어 밀도는 제1 구역에서의 70%로부터 구역 6 및 7에서의 52%로, 그리고 나서 구역 11 및 12에서의 65%로 실질적으로 연속적으로 변한다. 이러한 방식으로 스미어 밀도를 변경함으로써, 연료 요소가 마주치는 선속의 예상된 분포(전형적으로, 연료 스미어 밀도가 변하지 않는 경우의 실질적인 가우스 분포)를 평탄화시킬 수 있고, 단부 구역 1 내지 3 및 10 내지 12에서 달성된 보다 높은 연소도로 인해 연료 전체의 연소도가 보다 높아질 수 있다.
도 21은 연료 요소의 제2 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 분율의 스미어 밀도의 그래프이다. 도 21의 그래프에서, 종방향 위치는 12개의 구역(1601, 1602, 1603, 1604, 1605, 1606, 1607, 1608, 1609, 1610, 1611, 1612)을 포함한다. 도 21의 각각의 구역은 동일한 크기를 갖는 것으로 도시되어 있지만, 구역은 다른 구역에 비하여 연료 요소의 종방향 길이가 상이할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 분율의 스미어 밀도는 제1 단부 구역(1601)에서의 0.70으로부터 중앙 구역(1606 및 1607)에서의 0.53으로, 그리고 나서 제2 단부 구역(1611 및 1612)에서의 0.65로 단계적 방식으로 변한다.
도 20 및 도 21의 그래프는, 제1 종방향 단부, 예컨대 구역(1601)에서의 스미어 밀도가 제2 종방향 단부, 예컨대 구역(1612)에서의 스미어 밀도보다 큰, 연료 요소에 있어서의 스미어 밀도의 종방향 변화를 나타내고 있다. 이것은, 예를 들어 구역 1에서 진입하고 구역 12에서 빠져나가는 냉각재를 포함하는 많은 노심 팩터로 인해 종축을 따른 예상된 선속 변화를 평탄화하는 것을 도울 수 있다. 도 20 및 도 21의 그래프는 또한, 제1 종방향 단부, 예컨대 구역(1601) 및 제2 종방향 단부, 예컨대 구역(1612) 모두에서의 스미어 밀도가 세장형 연료 요소의 종방향 중앙, 예컨대 구역(1606 및 1607)에서의 스미어 밀도보다 큰, 연료 요소에 있어서의 스미어 밀도의 종방향 변화를 나타내고 있다
도 22a 및 도 22b는 연료 요소의 몇몇의 다른 예시적인 실시예에 대한 종방향 위치(임의의 단위)의 함수로서의 스미어 밀도(분율)의 그래프이다. 도 22a 및 도 22b의 그래프에서, 종방향 위치는 12개의 구역을 포함하고, 스미어 밀도는 단계적 방식으로 변한다. 기준선(baseline)(실선(1700))은 도 21로부터 스미어 밀도의 종방향 변화를 복사한 것이다. 이러한 기준선의 2개의 변화가 도시되어 있다 - 제1 변화(도 22a에서 긴 파선(1710)으로 나타낸 V_1) 및 제1 변화(도 22b에서 짧은 파선(1750)으로 나타낸 V_2). 제1 변화(V_1)(1710)는 구역(1711, 1712, 1713, 1714, 1715, 1716, 1717)의 종방향 위치에서 기준선(1700)과 중첩하지만, 구역(1718, 1719, 1720, 1721, 1722)에서는, 제1 변화(V_1)(1710)의 스미어 밀도는 기준선(1700)에서의 동일한 구역에 대한 스미어 밀도보다 낮고, V_1 변화(1710)의 구역(1711, 1712, 1713, 1714, 1715)에서의 제1 단부의 대응하는 스미어 값보다 작다. 또한, 제1 변화(V_1)(1710)에서, 스미어 밀도의 최소값은 구역(1716, 1717, 1718)을 포함하는 세장형 연료 요소의 종방향 중앙에서 일어난다. 일반적으로, 제1 변화(V_1)(1710)에서의 구역(1719, 1720, 1721)의 스미어 밀도는 기준선(1700)에서의 대응하는 1개 낮은 구역에서와 동일하며(스미어 밀도V_1,구역n = 스미어 밀도기준선,구역(n-1)), 이에 의해 제1 변화(V_1)(1710)에서, 연료 요소의 구역(1719, 1720, 1721, 1722)에서의 스미어 밀도 분포는 기준선(1700)에 대한 제1 종방향 단부에서의 보다 낮은 값과 일치하도록 수정되었고(제2 단부에서의 특정 위치의 스미어 밀도가 제2 변화에서의 특정 세그먼트에 대해 더 중앙에 위치된 기준선 변화의 대응하는 세그먼트의 스미어 밀도와 일치함), 그 결과, 중성자 선속을 제2 단부를 향해 추가로 분포시키는 경향이 있고, 중성자 선속을 제1 단부를 향해 전체적으로 시프트시키는 경향이 있다. 도 22b의 제2 변화(V_2)(1750)는 일부의 종방향 위치에서, 예를 들어 구역(1751, 1753, 1754, 1756 및 1757)에서 기준선(1700)과 중첩하지만, 다른 구역에서는, 제2 변화(V_2)(1750)의 스미어 밀도는 기준선(1700)에서의 동일한 구역에 대한 스미어 밀도보다 낮다. 또한, 제2 변화(V_2)(1750)에서, 스미어 밀도의 최소값은 세장형 연료 요소의 종방향 중앙으로부터 제2 종방향 단부를 향해 중심을 벗어난 위치에서 일어난다. 제2 변화(V_2)(1750) 예에서, 최소의 스미어 밀도는 구역(1758)에서 52%(또는 0.52 분율의 스미어 밀도)이다. 일반적으로, 기준선과 비교하여 제2 변화(V_2)(1750)에서의 스미어 밀도의 변화는 제1 종방향 구역(1751, 1752, 1753) 및 제2 종방향 구역(1759, 1760, 1761, 1762)에서의 스미어 밀도가 기준선(1700)에서의 대응하는 구역과 동일하거나 그보다 낮은 스미어 밀도를 포함하도록 된다. 또한, 제2 종방향 단부 구역에 있어서, 구역(1760, 1761, 1762)의 스미어 밀도는 기준선(1700)에서의 대응하는 2개 낮은 구역에서와 동일하며(스미어 밀도V_2,구역n = 스미어 밀도기준선,구역(n-2)), 이에 의해 연료 요소의 제2 단부 구역(9 내지 12)에서의 스미어 밀도 분포는 기준선에서의 동일한 세그먼트에 대한 제2 종방향 단부에서의 보다 낮은 값으로 시프트되었고, 그 결과, 중성자 선속을 제2 단부를 향해 추가로 분포시키는 경향이 있고, 선속을 제1 단부를 향해 전체적으로 시프트시키는 경향이 있다. 50%의 스미어 밀도 분율(또는 0.50 분율의 스미어 밀도)이 참조로서 도 22a 및 도 22b에 도시되어 있다.
균일한 스미어 밀도를 갖는 연료 요소에 비하여 연료 요소에서의 스미어 밀도의 종방향 변화의 개선 및 이점은 전술한 소프트웨어 시뮬레이션 및 분석 툴을 이용하여 실증될 수 있다. 제1 시뮬레이션(도 23에 그래프로 도시됨)에서, 연료 요소는 종방향 위치의 함수로서 균일한 스미어 밀도 분율을 가졌다. 이러한 제1 시뮬레이션에서의 연료 요소는 약 30%의 연소도 한계를 갖고서 실질적으로 50%의 균일한 스미어 밀도를 포함했다. 제2 시뮬레이션(도 24에 그래프로 도시됨)에서, 연료 요소는 종방향 위치의 함수로서 변하는 스미어 밀도 분율을 가졌다. 도 24에서, 스미어 밀도 분율(1930)은 연료 요소의 종방향 길이를 따른 스미어 밀도의 세그먼트형 변화의 의사 곡선 피팅(pseudo curve fit)으로 제시되고, 종방향 위치 1에서의 약 70%로부터 종방향 위치 4 주위에서의 약 50%로 변한다. 제1 시뮬레이션(도 23에 도시됨) 및 제2 시뮬레이션(도 24에 도시됨)에서의 연료 요소의 재료, 기하학적 형상 등 및 다른 특성은 실질적으로 동일하였고, 실질적으로 동일한 작동 조건 및 경계 조건으로 작동되었고, 스미어 밀도 분율의 종방향 변화에 대해서만 변경되었다. 따라서, 시뮬레이션에서의 각각의 연료 요소에 대한 연소도 한계 및 연소도의 변화뿐만 아니라, 연료 이용 효율의 차이는 2개의 시뮬레이션에서의 2개의 연료 요소들 사이의 스미어 밀도 분율의 종방향 변화의 차이에 기인할 수 있다.
도 23 및 도 24는 2개의 시뮬레이션(도 23의 제1 시뮬레이션 및 도 24의 제2 시뮬레이션)에 대한 종방향 위치(임의의 단위 또는 섹션)의 함수로서 연소도 한계, 연소도 및 스미어 밀도 분율을 나타내고 있다. 도 23은 스미어 밀도가 종축을 따른 위치에 따라서 명목상 일정한 통상의 핵 원자로에 대하여 종방향 위치에 대한 연료 핵종 관련 연소도(%FIMA(초기 중금속 원자당 핵분열수))의 평형 사이클 분포 도표를 나타내고 있다. 프로파일(1830)은 종방향 위치의 함수로서 스미어 밀도 분율을 나타내고 있다. 프로파일(1800)은 연료 요소의 종방향 위치에 걸친 연소도의 분포이고, 실질적으로 역 코사인 분포의 형상을 갖는다. 프로파일(1810)은 연료에 대한 일정한 스미어 밀도 및 시간 적분 선속을 갖는 시스템의 물리적 특성의 함수이며, 종방향 중앙을 향해 피크를 갖는 분포를 생성한다. 참조 프로파일(1810)은 시스템에 대한 최대의 연소도 한계를 나타내고 있다. 프로파일(1800)에서의 연소도와 프로파일(1810)에서의 연소도 한계 사이의 차이(프로파일(1800)과 프로파일(1810) 사이의 음영 영역(1820a 및 1820b) 참조)는 이용 가능하지만 사용되지 않은 연료의 양을 나타내고, 이러한 연료는 연료 요소의 종방향 중앙 부분에서의 연료 물질이 연소도 한계에 도달하기 때문에 종방향 단부 근처의 위치에서 잠재적인 연소도 한계를 달성하지 못하고, 그에 따라 종방향 단부 부분에서 연료를 이용 가능함에도 불구하고 연료 요소를 폐기할 필요가 있다. 도 23에서의 연료 요소의 이러한 '조기' 폐기는 균일한 스미어 밀도의 보다 낮은 효율(연소도와 연소도 한계 사이의 영역이 보다 크게 표현되어, 시스템이 연료 이용에 대하여 덜 효율적이라는 것을 나타냄)과 관련된다.
도 24는 연료 요소의 스미어 밀도가 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 핵 원자로에 대하여 종방향 위치에 대한 연료 핵종 관련 연소도(%FIMA(초기 중금속 원자당 핵분열수))의 평형 사이클 분포 도표를 나타내고 있다. 프로파일(1900)은 대략 종방향 위치 5.5에서 25%FIMA의 최대값을 갖는 연료 요소의 종방향 길이에 걸친 실제 연소도의 코사인형 분포를 표시한다. 종방향 길이에 걸친 연소도의 이러한 분포는 동일한 종방향 길이에 걸친 변경된 스미어 밀도를 반영한 것이고, 구역 1 내지 3은 구역 9 내지 12의 스미어 밀도보다 높은 스미어 밀도를 가지며, 구역 9 내지 12는 중앙 구역 4 내지 8보다 높은 스미어 밀도를 갖는다. 균일한 스미어 밀도를 갖는 통상의 원자로의 참조 프로파일(1800)과 비교하면, 프로파일(1900)은 감소된 최대 연소도(30%FIMA에 비해 25%FIMA) 및 감소된 전반적인 전체 최대값을 갖는다. 또한, 도 23의 참조 프로파일(1800)과 비교하면, 도 24의 프로파일(1900)은 제1 종방향 단부(도 24에서의 1940, 종방향 위치 1에 위치되고; 도 23에서의 대응하는 제1 종방향 단부가 1840이고, 종방향 위치 1에 위치됨)를 향하여 시프트되고, 제1 종방향 단부에서의 연소도가 증가되고, 제2 종방향 단부(도 24에서의 1950, 종방향 위치 12에 위치되고; 도 23에서의 대응하는 제2 종방향 단부가 1850이고, 종방향 위치 14에 위치됨)에서의 연소가 감소되며, 그 결과, 연료 요소의 전체 연소도는 증가되고, 전체 연료 요소를 통한 전체의 잠재적인 연소도를 보다 양호하게 충족시킨다. 도 23의 참조 프로파일(1810)은 연료 요소에 대한 잠재적인 또는 최대의 허용 가능한 연소도 한계를 나타내고 있다. 프로파일(1800)에서의 연소도와 참조 프로파일(1810)에서의 연소도 한계 사이의 차이는 영역(1820a 및 1820b)에 의해 표현되고, 이용 가능하지만 사용되지 않은 연료의 양을 나타내며, 이것은 통상의 핵 원자로의 효율과 관련된다(연소도와 연소도 한계 사이의 영역이 작을수록, 그 시스템은 보다 효율적임). 도 24에서, 프로파일(1900)에서의 연소도와 참조 프로파일(1810)에서의 연소도 한계 사이의 차이는 영역(1920)에 의해 표현된다. 영역(1920)은, 특히 제1 종방향 단부로부터 세장형 연료 요소의 종방향 중앙을 지나서까지의 연료 요소의 부분에서, (도 23에 나타낸 영역(1820a 및 1820b)에 대해) 감소된다. 프로파일(1900)에서의 연소도와 참조 프로파일(1910)에서의 연소도 한계 사이의 감소된 차이는, 연료 요소에서의 스미어 밀도가 종축을 따른 위치에 따라서 변하는 핵 원자로가 균일한 스미어 밀도를 갖는 종래의 핵 원자로보다 연료 이용에 있어서 보다 효율적이라는 것을 나타낸다.
실제 연소도와 연소도 한계 사이의 차이는 스미어 밀도가 모든 구역에서 실질적으로 일치하도록, 대체적으로 모든 구역에 걸쳐 최적화되도록, 및/또는 냉각재 출구에 근접한 것 등으로 인한 보다 높은 온도의 제2 종방향 단부에서의 안전 여유(safety margin)와 같은 다른 설계 제약 또는 요구로 인해 제2 종방향 단부에서의 연소도 한계를 일부 충족되지 않은 채로 남기면서 구역의 서브세트, 예컨대 제1 종방향 단부 및 중앙 구역에서 최적화되도록 설계될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다른 설계 제약을 충족시키면서 연료 요소 및/또는 원자로 노심의 임의의 요구 및 선택된 설계 특성과 일치하도록 스미어 밀도를 선택하는 것은 피크 출력, 피크 온도, 임계, 연소도 한계, 변형, 클래딩 안정성 등에 대한 최적화를 포함하는 본 명세서에서 설명된 일반적인 방법을 사용하여 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
도 24는 또한, 통상의 시스템에서 중앙 위치에 대해 예상된 피크 연소도 위치 위 및 아래에(예를 들면, 각각의 종방향 단부에 또는 그것을 향해) 보다 많은 연료를 추가함으로써(예컨대, 스미어 밀도를 증가시킴으로써), 피크 연소도가 감소되고 연소도 분포가 평탄화되고 시프트되는 것을 나타내고 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 스미어 밀도를 종방향으로 변경하는 프로세스는 연소도 분포를 종방향으로 펼치고, 연료 요소 및 연료 집합체에 대한 변형을 감소시키고, 및/또는 연료 요소의 전체 연소도를 증대시켜서 핵 원자로 내에서의 연료 물질의 보다 효율적인 사용을 가능하게 하는데 사용될 수 있다. 또한, 프로파일(1900)과 참조 프로파일(1910) 사이의 변화는 스미어 밀도의 종방향 변화가 연료 이용 효율을 의미있게 증가시키고, 바람직하게는 연료 이용 효율을 10% 이상만큼 증가시키는 것을 실증하고 있다.
추가적인 이익으로서, 스미어 밀도의 종방향 변화는 원자로 설계 이익에 기여한다. 예를 들면, 도 24에 나타낸 연료 요소의 전체 종방향 길이는 도 23에 나타낸 연료 요소의 전체 종방향 길이보다 작다. 그러나, 도 24에 나타낸 연료 요소가 도 23에 나타낸 연료 요소보다 짧지만, 연료 이용 효율은 도 23에 나타낸 연료 요소에서보다 도 24에 나타낸 연료 요소에서 더 높다. 하나의 예에서, 연료 칼럼(fuel column)의 높이는 2.4 미터로부터 2.0 미터로 감소했고, 동시에 연료 질량은 2%만큼 감소했다. 따라서, 도 23 및 도 24는 종방향 스미어 밀도 변화를 포함하는 것에 수반되는 원자로 설계에 대한 이익 - 연료 이용에 대하여 보다 효율적이고, 원자로의 파워 출력을 감소시키지 않고서 보다 콤팩트하고 효율적인 원자로 설계에 기여할 수 있는 보다 짧은 연료 요소 - 을 나타내고 있다. 또한, (보다 작은 원자로의 기계적인 이점에 부가하여) 감소된 연료 칼럼 높이는 짧은 길이에 걸친 연관된 냉각재의 감소된 압력 강하를 제공할 수 있다.
도 25는 종방향 길이에 따라 스미어 밀도를 변화시킨 연료 요소의 종방향 위치(정규화된 단위 또는 섹션)의 함수로서 변형 한계, 변형 및 스미어 밀도 분율을 나타내고 있다. 프로파일(2000)은 종방향 위치의 함수로서 스미어 밀도 분율을 나타내고, 정규화된 종방향 위치의 각 구역에서의 세그먼트형 스미어 밀도의 의사 곡선 피팅으로 도시되어 있다. 스미어 밀도 분율의 프로파일(2000)은 중앙 부분(종방향 위치 0.5)에서의 약 45% 내지 50%로부터 단부 부분(종방향 위치 0 및 1.0)에서의 약 70%까지 변하고, 역 가우스 분포에 근사하는 형상을 갖는다. 프로파일(2010)은 연료 요소의 종방향 위치에 걸친 변형의 분포를 나타내고, 실질적으로 역 코사인 분포의 형상을 갖는다. 프로파일(2010)은 연료에 대한 선택적으로 변경되는 스미어 밀도 및 시간 적분 선속 및 시스템의 물리적 특성의 함수이며, 종방향 중앙을 향해 피크 변형을 갖는 분포를 생성한다. 참조 프로파일(2020)은 시스템에 대한 최대의 변형 한계를 나타내고 있다. 프로파일(2010)에서의 변형과 참조 프로파일(2020)에서의 변형 한계 사이의 차이(프로파일(2010)과 프로파일(2020) 사이의 음영 영역(2030a 및 2030b) 참조)는 연료 요소의 중앙 부분에서의 연료 물질이 변형 한계에 도달하는 것으로 인한 에지 근처의 위치에서의 변형 안전 여유의 양을 나타내고 있다. 이 도면은 연료 칼럼의 단일의 종방향 위치가 최대 변형에 도달할 때의 예를 도시하고 있지만, 연료 칼럼의 하나 이상의 섹션이, 변형 한계에 도달할 수 있고, 연료 요소의 길이를 따른 변형 또는 균등한 가변적인 변형 문턱값의 다른 곡선을 가질 수 있다.
도 25는 종방향 위치의 함수로서 일정한 값을 갖는 시스템에 대한 최대 변형 한계(참조 프로파일(2020))를 나타내고 있다. 그러나, 도면에 도시된 일정한 변형 한계는 단지 예시일 뿐이고, 가변하는 변형 한계를 포함하는 다른 변형 한계는 일부 위치에서 보다 높은 변형 및 다른 위치에서 보다 낮은 변형을 가능하게 할 수 있다. 당업자라면, 본 명세서에 개시된 다중 스미어 연료는 가변적인 변형 한계를 수용하고 보다 높은 변형 한계의 연관된 위치에서 보다 많은 변형을 가능하게 하도록 맞춰질 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
도 26은 연료 요소의 종방향 길이를 따라 변하는 스미어 밀도를 갖는 연료 요소를 제조하는 예시적인 방법(2100)을 나타내고 있다. 연료 요소의 각각의 구역에서 선택된 스미어 밀도가 상기의 도 19, 도 22 및 도 23을 참조하여 설명된 것과 같은 임의의 적합한 방식으로 결정될 수 있다(2110). 클래딩이 제공될 수 있고(2112), 내부 체적을 한정한다. 상기에서 언급된 바와 같이, 클래딩은 하나 이상의 라이너를 포함할 수 있고, 연료 조성물을 수용하기 위한 임의의 적합한 물질을 포함할 수 있으며, 관형의 벽을 포함할 수 있다. 이하의 방법이 연료 요소의 종방향 길이를 따른 12개의 구역 및 3개의 포괄적인 섹션(제1 단부, 중앙 섹션 및 제2 단부)을 참조하여 설명되지만, 원하는 제조 및/또는 원하는 작동 중실도(operational fidelity) 특성을 달성하기 위해 임의의 수의 구역 및/또는 섹션이 적절하게 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 게다가, 각 구역 및/또는 섹션은 연료 요소의 종방향 길이를 따른 다른 구역 및/또는 섹션과 유사한 길이 및/또는 크기 및 형상을 가질 수 있고, 구역 및/또는 섹션은 스미어 밀도의 결정 및 선택된 분포 프로파일에 적절하게 동일한 연료 요소 내의 다른 구역 및/또는 섹션에 대해 상이한 길이를 가질 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
핵분열 가능한 핵연료 물질을 포함하는 제1 핵분열 가능한 조성물은 핵연료 요소의 제1 종방향 단부에 근접한 클래딩의 내부 체적의 제1 섹션에 배치될 수 있다(2114). 제1 핵분열 가능한 조성물은 클래딩의 내부 표면과 열 전달 접촉할 수 있다. 제1 핵분열 가능한 조성물은 제1 스미어 밀도를 가질 수 있다. 제1 섹션 내에서, 스미어 밀도는 그 섹션에 대해 결정된 스미어 밀도를 달성하기 위해 연료 요소의 길이를 따른 종방향 위치의 함수로서 연속적으로 변하거나, 단계적으로 변하거나, 변하지 않거나, 이들의 조합일 수 있다.
클래딩 내에 핵분열 가능한 조성물을 배치하는 것은 펠릿(또는 핵분열 가능한 조성물의 다른 몸체 형상, 예를 들어 분말, 입자, 슬러그 등)을 삽입하는 것을 포함할 수 있지만 이에 한정되지 않는 전술한 기술 중 임의의 기술에 의해 성취될 수 있고, 소결, 진동, 블로잉(blowing), 탬핑 등과 같은, 핵분열 가능한 조성물을 압축 또는 압밀하는 추가의 단계를 포함할 수 있다.
제1 핵분열 가능한 핵연료 물질과 동일하거나 상이할 수 있는 핵분열 가능한 핵연료 물질을 또한 포함하는 제2 핵분열 가능한 조성물은 중앙 섹션에 근접한 클래딩의 내부 체적의 제2 섹션에 배치될 수 있다(2116). 클래딩의 내부 체적의 제2 섹션은 제1 섹션에 인접하고 및/또는 그로부터 이격될 수 있다. 제2 핵분열 가능한 조성물은 클래딩과 열 전달 접촉할 수 있고, 제2 스미어 밀도를 가질 수 있다. 제2 스미어 밀도는 제1 스미어 밀도와 상이할 수 있다. 연료 요소의 연소도 프로파일을 평탄화하기 위해, 제2 스미어 밀도는 제1 스미어 밀도보다 작을 수 있고, 일부 경우(예를 들면, 제1 종방향 단부가 연료 집합체의 냉각재 입구 지점에 근접하고, 제2 종방향 단부가 연료 집합체의 냉각재 출구 지점에 근접하는 경우)에 냉각재 온도의 차이를 보상할 수 있다. 제2 섹션 내에서, 스미어 밀도는 그 섹션에 대해 결정된 스미어 밀도를 달성하기 위해 연료 요소의 길이를 따른 종방향 위치의 함수로서 연속적으로 변하거나, 단계적으로 변하거나, 변하지 않거나, 이들의 조합일 수 있다.
제1 및/또는 제2 핵분열 가능한 핵연료 물질과 동일하거나 상이할 수 있는 핵분열 가능한 핵연료 물질을 또한 포함하는 제3 핵분열 가능한 조성물은 핵연료 요소의 제2 종방향 단부에 근접한 클래딩의 내부 체적의 제3 섹션에 배치될 수 있다(2118). 클래딩의 내부 체적의 제3 섹션은 제2 중앙 섹션에 인접하고 및/또는 그로부터 이격될 수 있다. 제3 핵분열 가능한 조성물은 클래딩과 열 전달 접촉할 수 있고, 제3 스미어 밀도를 가질 수 있다. 제3 스미어 밀도는 제1 및/또는 제2 스미어 밀도와 상이할 수 있다. 연료 요소의 연소도 프로파일을 평탄화하기 위해, 제3 스미어 밀도는 제2 스미어 밀도보다 클 수 있다. 일부 경우에, 제3 스미어 밀도가 제1 스미어 밀도보다 작은 것이 이해될 수 있다. 제3 섹션 내에서, 스미어 밀도는 그 섹션에 대해 결정된 스미어 밀도를 달성하기 위해 연료 요소의 길이를 따른 종방향 위치의 함수로서 연속적으로 변하거나, 단계적으로 변하거나, 변하지 않거나, 이들의 조합일 수 있다.
제1 종방향 단부에 근접한 제1 섹션은 2110에서 결정된 스미어 밀도 분포의 선택된 충실도에 적절하게 임의의 수의 구역으로 분할될 수 있다. 하나의 예에서, 제1 섹션은 2개의 구역을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 제1 섹션의 제1 구역은 연료 요소 클래딩의 제1 종방향 단부에 근접하여 있고, 제4 스미어 밀도를 갖는 제4 핵분열 가능한 조성물을 포함할 수 있다. 제4 스미어 밀도는 제1 섹션의 제1 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 섹션의 제2 구역은 제1 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제5 스미어 밀도를 갖는 제5 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제5 스미어 밀도는 제1 및/또는 제4 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제5 스미어 밀도가 제4 스미어 밀도보다 작을 수 있다. 제4 및 제5 스미어 밀도의 체적 평균은 제1 섹션 전체의 제1 스미어 밀도와 동등할 수 있다.
추가적으로 및/또는 대안적으로, 제2 단부에 근접한 제3 섹션은 2110에서 결정된 스미어 밀도 분포의 선택된 충실도에 적절하게 임의의 수의 구역으로 분할될 수 있다. 하나의 예에서, 제3 섹션은 2개의 구역을 포함할 수 있다 - 그리고, 적절하게는, 제3 섹션에서의 구역의 수는 제1 및/또는 제2 섹션에서의 구역의 수와 동일하거나, 많거나, 적을 수 있다. 이러한 예에서, 제3 섹션의 제4 구역은 (제1 섹션이 제1 및 제2 구역을 갖고, 제2 섹션이 하나의 구역을 갖는 경우) 연료 요소 클래딩의 제2 섹션에 근접하여 있고, 제6 스미어 밀도를 갖는 제6 핵분열 가능한 조성물을 포함할 수 있다. 제6 스미어 밀도는 제3 섹션의 제3 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있다. 제3 섹션의 제5 구역은 제4 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제7 스미어 밀도를 갖는 제7 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제7 스미어 밀도는 제3 및/또는 제6 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제7 스미어 밀도가 제6 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제6 및 제7 스미어 밀도의 체적 평균은 제3 섹션 전체의 제3 스미어 밀도와 동등할 수 있다.
연료 요소의 길이를 따른 스미어 밀도의 분포 또는 변화에 있어서의 보다 높은 충실도를 제공하기 위해, 추가의 구역 및/또는 섹션이 구현될 수 있다. 이러한 예에서, 3개의 섹션 및 12개의 구역을 갖는 연료 요소가 설명된다. 제1, 제2 및 제3 섹션의 스미어 밀도는 도 26에 대하여 상기에서 설명된 것과 같을 수 있다.
제1 종방향 단부에 근접한 제1 섹션은 2110에서 결정된 스미어 밀도 분포의 선택된 충실도에 적절하게 임의의 수의 구역으로 분할될 수 있다. 이러한 예에서, 제1 섹션은 5개의 구역을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 제1 섹션의 제1 구역은 연료 요소 클래딩의 제1 종방향 단부에 근접하여 있고, 제4 스미어 밀도를 갖는 제4 핵분열 가능한 조성물을 포함할 수 있다. 제4 스미어 밀도는 제1 섹션의 제1 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 섹션의 제2 구역은 제1 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제5 스미어 밀도를 갖는 제5 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제5 스미어 밀도는 제1 및/또는 제4 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제5 스미어 밀도가 제4 스미어 밀도보다 작을 수 있다. 제1 섹션의 제3 구역은 제2 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제6 스미어 밀도를 갖는 제6 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제6 스미어 밀도는 제1, 제4 및/또는 제5 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제6 스미어 밀도가 제5 스미어 밀도보다 작을 수 있다. 제1 섹션의 제4 구역은 제3 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제7 스미어 밀도를 갖는 제7 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제7 스미어 밀도는 제1, 제4, 제5 및/또는 제6 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제7 스미어 밀도가 제6 스미어 밀도보다 작을 수 있다. 제1 섹션의 제5 구역은 제4 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제8 스미어 밀도를 갖는 제8 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제8 스미어 밀도는 제1, 제4, 제5, 제6 및/또는 제7 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제8 스미어 밀도가 제7 스미어 밀도보다 작을 수 있다. 제4, 제5, 제6, 제7 및 제8 스미어 밀도의 체적 평균은 제1 섹션 전체의 제1 스미어 밀도와 동등할 수 있다.
제2 중앙 섹션은 2110에서 결정된 스미어 밀도 분포의 선택된 충실도에 적절하게 임의의 수의 구역으로 분할될 수 있다. 이러한 예에서, 제2 섹션은 2개의 구역을 포함할 수 있다. 이러한 예에서, 제2 섹션에서의 연료 요소의 제6 구역은 연료 요소의 제1 섹션에 근접하여 있고, 제9 스미어 밀도를 갖는 제9 핵분열 가능한 조성물을 포함할 수 있다. 제9 스미어 밀도는 제2 섹션의 제2 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있다. 제2 섹션의 제7 구역은 제6 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제10 스미어 밀도를 갖는 제10 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제10 스미어 밀도는 제2 및/또는 제9 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제10 스미어 밀도가 제9 스미어 밀도와 동일할 수 있다. 제9 및 제10 스미어 밀도의 체적 평균은 제2 섹션 전체의 제2 스미어 밀도와 동등할 수 있다.
추가적으로 및/또는 대안적으로, 제2 종방향 단부에 근접한 제3 섹션은 2110에서 결정된 스미어 밀도 분포의 선택된 충실도에 적절하게 임의의 수의 구역으로 분할될 수 있다. 하나의 예에서, 제3 섹션은 5개의 구역을 포함할 수 있다 - 그리고, 적절하게는, 제3 섹션에서의 구역의 수는 제1 및/또는 제2 섹션에서의 구역의 수와 동일하거나, 많거나, 적을 수 있다. 이러한 예에서, 제3 섹션에서의 연료 요소의 제8 구역은 연료 요소의 제2 섹션에 근접하여 있고, 제11 스미어 밀도를 갖는 제11 핵분열 가능한 조성물을 포함할 수 있다. 제11 스미어 밀도는 제3 섹션의 제3 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제2 중앙 섹션의 제2 스미어 밀도 및/또는 제8 구역의 제10 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제3 섹션의 제9 구역은 제8 구역에 인접하여 있을 수 있고, 그 내부에는 제12 스미어 밀도를 갖는 제12 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제12 스미어 밀도는 제3 및/또는 제11 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제12 스미어 밀도가 제11 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제9 구역에 인접한 제3 섹션의 제10 구역은 그 내부에 제13 스미어 밀도를 갖는 제13 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제13 스미어 밀도는 제3, 제11 및/또는 제12 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제13 스미어 밀도가 제12 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제10 구역에 인접한 제3 섹션의 제11 구역은 그 내부에 제14 스미어 밀도를 갖는 제14 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제14 스미어 밀도는 제3, 제11, 제12 및/또는 제13 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제14 스미어 밀도가 제13 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제3 섹션의 제12 구역은 제11 구역에 인접하고 연료 요소의 제2 종방향 단부에 근접할 수 있고, 그 내부에는 제15 스미어 밀도를 갖는 제15 핵분열 가능한 조성물이 배치될 수 있다. 제15 스미어 밀도는 제3, 제11, 제12, 제13 및/또는 제14 스미어 밀도와 동일하거나 상이할 수 있고, 일부 경우에, 제15 스미어 밀도가 제14 스미어 밀도보다 클 수 있다. 제11, 제12, 제13, 제14 및 제15 스미어 밀도의 체적 평균은 제3 섹션 전체의 제3 스미어 밀도와 동등할 수 있다.
이러한 예에서, 제1 내지 제12 구역 중 임의의 하나 이상 내에서, 스미어 밀도는 그 구역에 대해 결정된 스미어 밀도를 달성하기 위해 연료 요소의 길이를 따른 종방향 위치의 함수로서 연속적으로 변하거나, 단계적으로 변하거나, 변하지 않거나, 이들의 조합일 수 있다.
도 27은 다수의 개별 연료 요소(예컨대, 연료 요소(2702))를 유지하는 연료 집합체 덕트(2706)를 포함하는 예시적인 구성체(2700)를 도시하고 있다. 각각의 연료 요소는 관형 내부 체적을 한정하는 클래딩(예컨대, 클래딩(2704))을 포함하고, 관형 내부 체적은 클래딩의 내부 표면과 열 전달 접촉하도록 핵분열 가능한 조성물(예컨대, 핵분열 가능한 조성물(2710))을 저장한다. 하나의 구현예에서, 각각의 연료 요소는 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 선택적으로 변하는 스미어 밀도 분포에 의해 한정된다. 상기에서 다른 구현예에 대하여 논의된 바와 같이, 선택적으로 가변하는 스미어 밀도는 연료 요소 내의 자연 변형의 지점을 상쇄하도록 설계될 수 있다. 예를 들면, 국소적으로 증가된 스미어 밀도의 영역은, 그렇지 않으면 국소적으로 감소된 변형을 나타내는 연료 요소(2702)의 영역과 일치하도록 의도적으로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 국소적으로 감소된 스미어 밀도의 영역은, 그렇지 않으면 국소적으로 증가된 변형을 나타내는 연료 요소(2702)의 영역과 일치하도록 의도적으로 배치될 수 있다.
또 다른 구현예에서, 연료 요소(2702)는 연료 집합체 덕트(2706)를 따라 자연적으로 생기는 높은 변형의 지점과 대체로 거울 대칭인 지점에 높은 변형의 지점을 제공하도록 설계된 종축을 따른 스미어 밀도 프로파일을 갖는다. 예를 들면, 연료 집합체 덕트(2706)는 종축을 따른 다양한 높이에, 예를 들어 예시적인 높은 변형 위치(2712)에 자연 변형 지점을 가질 수 있다. 예를 들면, 연료 집합체 덕트(2706)의 내부 벽과 외부 벽 사이의 압력차는 연료 집합체 덕트(2706)의 벽이 종축을 따른 하나 이상의 영역에 근접한(예시적인 높은 변형 위치(2712) 근처의) 내부 연료 요소로부터 멀리 인장 및 팽윤되게 하는 구동력을 생성할 수 있다. 이러한 국소적인 팽윤은 연료 집합체 덕트(2706)의 벽이 외측으로 휘게 하여 연료 요소와 연료 집합체 덕트의 벽 사이의 갭이 넓어지게 할 수 있다. 이러한 결과는 냉각재가 이들 사이로 유동하기보다는 중앙 연료 요소를 우회하게 하여, 열수력 불이익을 야기한다.
하나의 구현예에서, 연료 요소(2702)는 연료 집합체 덕트(2706)의 높은 변형 지점에 대응하는 종축을 따른 높이에 국소적으로 향상된 변형의 하나 이상의 지점을 갖는다. 일반적으로, 연료 집합체 덕트(2706)의 증가된 변형의 지점은 선속 및 압력 분포를 분석함으로써 식별될 수 있다. 예를 들면, 높은 변형 지점은 선속과 압력의 곱이 가장 높은 영역과 상관관계가 있을 수 있다. 연료 집합체 덕트(2706)의 높은 변형 영역이 식별되면, 덕트 집합체(2706)의 종축을 따른 스미어 밀도 및/또는 클래딩 두께를 선택적으로 변경함으로써 대응하는 높은 변형 영역 연료 요소(2702)에 생성될 수 있다.
본 발명은 그 실시예와 관련하여 설명되었지만, 구체적으로 설명되지 않은 추가, 삭제, 변형 및 대체가 첨부된 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다.
본 명세서에서 실질적으로 임의의 복수 및/또는 단수 용어의 사용과 관련하여, 당업자라면, 문맥 및/또는 적용에 적절할 때 복수를 단수로 및/또는 단수를 복수로 해석할 수 있다. 명확화를 위해서 본 명세서에 다양한 단수/복수 치환은 명시적으로 기재되지는 않는다.
본 명세서에 설명된 요지는 때로는 상이한 다른 구성요소 내에 수용되거나 상이한 다른 구성요소와 연결되는 상이한 구성요소를 예시한다. 그러한 기술된 구성은 단지 예시적이고, 사실상 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 구성이 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 개념적인 관점에서, 동일한 기능을 달성하는 구성요소의 임의의 배열은 원하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관된다". 따라서, 특별한 기능을 달성하도록 조합되는 본 명세서의 임의의 2개의 구성요소는 구성 또는 중간 구성요소와 관계없이 원하는 기능이 달성되도록 서로 "연관"된 것으로서 볼 수 있다. 마찬가지로, 그렇게 연관된 임의의 2개의 구성요소는 또한 원하는 기능을 달성하도록 서로 "작동 가능하게 연결" 또는 "작동 가능하게 결합"되는 것으로 볼 수 있고, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 2개의 구성요소는 또한 원하는 기능을 달성하도록 서로 "작동 가능하게 결합 가능한" 것으로 볼 수 있다. 작동 가능하게 결합 가능한 것의 특정 예는 물리적으로 정합 가능한 및/또는 물리적으로 상호작용하는 구성요소, 및/또는 무선으로 상호작용 가능한 및/또는 무선으로 상호작용하는 구성요소, 및/또는 논리적으로 상호작용하는 및/또는 논리적으로 상호작용 가능한 구성요소를 포함하지만 이에 한정되지 않는다.
일부의 경우에, 하나 이상의 구성요소는 본 명세서에서 "~하도록 구성되는", "~에 의해 구성되는", "~하도록 구성 가능한", "~하도록 작동 가능한/작동하는", "적합화되는/적합화 가능한", "~할 수 있는", "~에 합치 가능한/합치하는" 등으로 지칭될 수 있다. 당업자라면, 그러한 용어(예컨대, "~하도록 구성되는")가 문맥에서 달리 요구하지 않는다면 일반적으로 활성 상태 구성요소 및/또는 비활성 상태 구성요소 및/또는 대기 상태 구성요소를 포괄할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
본 명세서에 설명된 본 요지의 특정 태양이 도시 및 설명되어 있지만, 본 명세서의 교시에 기초하여, 변경 및 변형이 본 명세서에 설명된 요지 및 그것의 보다 광범위한 태양로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있고, 따라서 첨부된 청구범위는 본 명세서에 설명된 요지의 진정한 사상 및 범위 내에 있는 그러한 모든 변경 및 변형을 이들의 범위 내에 포함하는 것이라는 것이 당업자에게 자명할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서, 특히 첨부된 청구범위(예를 들면, 첨부된 청구범위의 본문)에서 사용된 용어는 일반적으로 "개방형" 용어로서 의도된다(예를 들면, 용어 "포함하는"은 "포함하지만 이에 한정되지 않는"으로서 해석되어야 하고, 용어 "갖는"은 "적어도 갖는"으로서 해석되어야 하고, 용어 "포함한다"는 "포함하지만 이에 한정되지 않는다"로서 해석되어야 하는 것 등임)는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 특정 수의 도입된 청구항 기재사항(recitation)이 의도되면, 이러한 의도는 청구범위 내에 명시적으로 기재될 것이고, 이러한 기재가 없으면 그러한 의도가 존재하지 않는다는 것이 당업자에게 또한 이해될 것이다. 예를 들면, 이해의 수단으로서, 하기의 첨부된 청구범위는 청구항 기재사항을 도입하기 위해 도입 문구 "적어도 하나" 및 "하나 이상"의 사용을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 사용은, 동일한 청구항이 도입 문구 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 및 단수 표현(예를 들면, 단수 표현은 전형적으로 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 함)을 포함하는 경우에도, 단수 표현에 의한 청구항 기재사항의 도입이 하나의 그러한 기재사항만을 포함하는 청구항에 그러한 도입된 청구항 기재사항을 포함하는 임의의 특정 청구항을 한정하는 것을 암시하는 것으로 해석되지 않아야 되고, 이러한 것은 청구항 기재사항을 도입하는데 사용된 단수 표현의 사용에 대해서도 유효하다. 또한, 특정 수의 도입된 청구항 기재사항이 명시적으로 기재되는 경우에도, 당업자라면, 이러한 기재사항이 전형적으로 적어도 기재된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인식할 것이다(예를 들면, 다른 수식어 없이 단지 "2개의 기재사항"만의 기재는 전형적으로 적어도 2개의 기재사항 또는 2개 이상의 기재사항을 의미함). 더욱이, "A, B 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례(convention)가 사용되는 경우에, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 관례를 이해한다라는 관점에서 의도된다(예를 들면, "A, B 및 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A만, B만, C만, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께, 및/또는 A, B 및 C를 함께 등을 갖는 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않음). "A, B 또는 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우에, 일반적으로 이러한 구성은 당업자 관례를 이해한다라는 관점에서 의도된다(예를 들면, "A, B 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은 A만, B만, C만, A 및 B를 함께, A 및 C를 함께, B 및 C를 함께, 및/또는 A, B 및 C를 함께 갖는 시스템을 포함하지만 이에 한정되지 않음). 전형적으로 발명의 설명이든, 청구범위이든 또는 도면이든 간에, 2개 이상의 대안적인 용어를 제시하는 이접적 단어 및/또는 문구가 문맥상 달리 지시되지 않으면 용어 중 하나, 용어 중 어느 하나 또는 용어의 둘 모두를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해되어야 한다는 것이 당업자에게 또한 이해될 것이다. 예를 들면, 문구 "A 또는 B"는 전형적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
첨부된 청구범위와 관련하여, 당업자라면, 본 명세서에 기재된 작동이 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 작동 흐름이 시퀀스(들)로 제시되어 있지만, 다양한 작동은 예시된 것과는 다른 순서로 수행될 수 있거나, 또는 동시에 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 교호적인 순서는, 문맥상 달리 지시되지 않으면, 중첩, 개재, 중단, 재순서, 증분, 준비, 보충, 동시, 역전 또는 다른 변형 순서를 포함할 수 있다. 더욱이, "~에 응답하는", "~에 관련된" 또는 다른 과거형 형용사는, 문맥상 달리 지시되지 않으면, 일반적으로 그러한 변형을 배제하도록 의도되지 않는다.
당업자라면, 전술한 특정의 예시적인 프로세스 및/또는 디바이스 및/또는 기술은 본 명세서의 다른 곳, 예를 들어 여기에 청구된 청구범위 및/또는 본 출원의 다른 곳에 개시된 보다 일반적인 프로세스 및/또는 디바이스 및/또는 기술을 대표한다는 것을 이해할 것이다.
다양한 태양 및 실시예가 본 명세서에 개시되어 있지만, 다른 태양 및 실시예가 당업자에게 자명할 것이다. 본 명세서에 개시된 다양한 태양 및 실시예는 예시를 위한 것이고 한정하도록 의도되지 않고, 진정한 범위 및 사상은 하기의 청구범위에 의해 나타난다.
Claims (17)
- 장치로서,
연료 집합체용 연료 요소
를 포함하고,
상기 연료 요소는 관형 내부 체적을 갖고 상기 관형 내부 체적의 적어도 일부 내에 핵분열 가능한 조성물을 저장하며, 상기 핵분열 가능한 조성물은 상기 연료 요소의 내부 표면과 열 전달 접촉하고 상기 연료 요소의 종축을 따른 위치에 따라서 선택적으로 변하는 적어도 5개의 상이한 스미어 밀도를 포함한 스미어 밀도 프로파일에 의해 한정되고,
상기 스미어 밀도 프로파일은,
국소적으로 감소된 중성자 선속의 적어도 하나의 영역에 대응하도록 배치되는 국소적으로 증가된 스미어 밀도의 적어도 하나의 영역; 및
국소적으로 증가된 중성자 선속의 적어도 하나의 영역에 대응하도록 배치되는 국소적으로 감소된 스미어 밀도의 적어도 하나의 영역
을 포함하고,
상기 스미어 밀도 프로파일은 계단 함수(step function)에 따라 변하는 것인 장치. - 제1항에 있어서, 상기 스미어 밀도 프로파일은, 국소적으로 감소된 중성자 선속의 영역들에 대응하는 국소적으로 증가된 스미어 밀도의 복수의 영역들을 포함하는 것인 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서, 상기 스미어 밀도 프로파일은 상기 연료 요소의 제1 단부에서, 상기 연료 요소의 제2 대향 단부에서보다 높은 것인 장치.
- 제5항에 있어서, 상기 연료 요소의 제1 단부는 상기 연료 집합체 내의 냉각제 입구 지점에 근접하고, 상기 연료 요소의 제2 대향 단부는 상기 연료 집합체의 냉각제 출구 지점에 근접하여 있는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 연료 요소의 스미어 밀도 프로파일은 상기 종축의 중앙 섹션에서, 상기 종축의 제1 단부 또는 제2 단부에서보다 낮은 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 연료 요소는 상기 연료 요소의 제1 종방향 단부에 근접한 제1 섹션, 상기 연료 요소의 제2 종방향 단부에 근접한 제3 섹션, 및 상기 제1 섹션과 제3 섹션 사이에 있는 제2 섹션인 적어도 3개의 섹션을 포함하며, 상기 제1 섹션의 평균 스미어 밀도는 상기 제2 섹션의 평균 스미어 밀도보다 크고, 상기 제3 섹션의 평균 스미어 밀도는 상기 제2 섹션의 스미어 밀도보다 큰 것인 장치.
- 제8항에 있어서, 상기 제3 섹션의 평균 스미어 밀도는 상기 제1 섹션의 평균 스미어 밀도보다 작은 것인 장치.
- 제7항에 있어서, 상기 연료 요소의 스미어 밀도 프로파일은 상기 중앙 섹션을 중심으로 대칭적이지 않은 것인 장치.
- 제10항에 있어서, 상기 스미어 밀도 프로파일은 상기 연료 요소의 제1 단부에서, 상기 연료 요소의 제2 대향 단부에서보다 높은 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 핵분열 가능한 조성물은 핵분열 가능한 금속 스폰지를 포함하는 것인 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 핵분열 가능한 조성물은 연료 펠릿을 포함하는 것인 장치.
- 장치로서,
내부 체적을 가지고, 상기 내부 체적의 적어도 일부 내에 핵분열 가능한 조성물을 구비하는 연료 요소
를 포함하고,
상기 핵분열 가능한 조성물은 상기 연료 요소의 내부 표면과 열 전달 접촉하고 스미어 밀도 프로파일을 가지며,
상기 스미어 밀도 프로파일은, 상기 연료 요소의 제1 단부로부터 제2 단부로 종방향으로 순서대로 배치된 섹션들로서,
상기 제1 단부에 있으며 제1 평균 스미어 밀도를 가진 제1 섹션;
상기 제1 평균 스미어 밀도와 상이한 제2 평균 스미어 밀도를 가진 제2 섹션;
상기 제1 평균 스미어 밀도 및 상기 제2 평균 스미어 밀도보다 낮은 제3 평균 스미어 밀도를 가진 제3 섹션;
상기 제3 평균 스미어 밀도보다 큰 제4 평균 스미어 밀도를 가진 제4 섹션; 및
상기 제4 평균 스미어 밀도보다 큰 제5 평균 스미어 밀도를 가진 제5 섹션
을 포함하고,
상기 스미어 밀도 프로파일은 계단 함수에 따라 변하는 것인 장치. - 삭제
- 삭제
- 제14항에 있어서, 상기 제5 평균 스미어 밀도는 상기 제1 평균 스미어 밀도보다 큰 것인 장치.
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