KR20230118598A - 고에너지 핵 연료, 연료 조립체, 및 연료 재공급 방법 - Google Patents

고에너지 핵 연료, 연료 조립체, 및 연료 재공급 방법 Download PDF

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KR20230118598A
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데이비드 엘 스터커
호 큐 램
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웨스팅하우스 일렉트릭 컴퍼니 엘엘씨
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Abstract

가압수형 반응로를 위한 핵 연료 조립체가 본원에서 제공된다. 핵 연료 조립체는: 핵분열 물질(114)을 포함하도록 구성된 복수의 핵 연료봉을 포함하고, 핵 연료 조립체는, 냉각제 및 핵분열 물질(114)이 동작 조건 하에서 존재할 때, 연료 조립체의 수소 대 우라늄의 비율이 적어도 4.0이 되도록, 구성된다. 본 개시 내용의 핵 연료 조립체를 포함하는 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하기 위한 방법이 본원에서 또한 제공된다.

Description

고에너지 핵 연료, 연료 조립체, 및 연료 재공급 방법
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은, 개시 내용 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2020년 12월 7일자로 출원되고 명칭이 "HIGH ENERGY NUCLEAR FUEL, FUEL ASSEMBLY, AND REFUELING METHOD"인 미국 가출원 제63/122,100호의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 이익을 주장한다.
핵 반응로에서, 핵분열 물질(예를 들어, 235U 및/또는 239P를 포함하는 핵 연료)의 핵분열에 의해서 생성된 자유 중성자는 핵분열 물질의 핵분열 연쇄 반응을 유지함으로써 에너지 생성에 기여한다. 이러한 연쇄 반응은 열을 생성하고, 이러한 열은 예를 들어 핵발전소에서 에너지 생성을 위해서 이용될 수 있다. 그러나, 시간이 흐름에 따라, 핵분열 물질 재고가 핵분열되고 고갈되어, 안전하고 효율적인 파워 생성을 유지하기 위해서 연료 재공급 및/또는 다른 유지보수가 필요하다. 연료 재공급 및/또는 다른 유지보수 동작은 핵발전소를 통한 전기 생산 비용을 구성할 수 있다. 이러한 동작을 완료하는데 및/또는 이러한 동작이 요구되는 빈도수를 최소화하는데 필요한 물질 및 시간을 최소화할 필요성이 존재한다.
가압수형 반응로를 위한 핵 연료 조립체가 본원에서 제공된다. 핵 연료 조립체는 핵분열 물질을 함유하도록 구성된 복수의 핵 연료봉을 포함하고, 핵 연료 조립체는, 냉각제 및 핵분열 물질이 동작 조건 하에서 존재할 때 연료 조립체의 수소 대 우라늄의 비율이 4.0 초과가 되도록, 구성된다.
본 개시 내용의 핵 연료 조립체를 포함하는 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하기 위한 방법이 본원에서 또한 제공된다. 방법은 예를 들어 24-개월의 주기 사이클 간격으로 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하는 단계를 포함한다.
본원에서 개시된 바와 같은 핵 연료 조립체는 24-개월 연료 사이클과 같은 고에너지, 고방전 연소 적용예에서 사용될 수 있도록 연료 조립체의 핵분열 연쇄 반응의 기술적 및 경제적 측면을 최적화할 수 있다. 최적화는, 플랜트 동작에 필요한 기술적 요건 및 라이센싱 요건을 준수하면서, 더 많은 에너지가 주어진 핵분열 물질의 질량으로부터 추출되게 할 수 있다. 또한, 연료 조립체 구성이 중성자 감속, 온도 및 안전 프로토콜에 미치는 영향을 고려하여, 핵 반응로 시스템의 안전성 및 효율을 개선하는 본 개시 내용의 다양한 연료 조립체 구성 옵션을 제공하였다. 부가적인 이점이 본원에서 또한 개시된다.
본 개시 내용에서 설명된 발명이 이러한 "발명의 내용"에서 요약된 예로 제한되지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 다양한 다른 예가 본원에서 설명되고 예시된다.
본원에서 설명된 실시형태의 다양한 특징이 첨부된 청구범위에서 특별성을 가지고 기술된다. 그러나, 구성 및 동작 방법 모두에 대한 다양한 실시형태 및 그 장점은 이하와 같은 첨부 도면과 함께 취해진 이하의 설명에 따라 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시 내용에 따른 핵 연료 펠릿의 횡단면도이다.
도 2는 본 개시 내용에 따른 핵 연료봉의 횡단면도이다.
도 3은 본 개시 내용에 따른 2개의 핵 연료봉의 횡단면도이다.
몇몇 도면 전반에 걸쳐서, 상응하는 참조 부호가 상응하는 부분을 나타낸다. 본원에서 전개된 예시는 본 발명의 다양한 실시형태를 하나의 형태로 예시하고, 그러한 예시는 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다.
본 개시 내용의 여러 양태를 설명하기 전에, 예시적인 예가, 그 적용 또는 용도에 있어서, 첨부 도면 및 설명에서 예시된 부분의 구성 및 배열에 관한 상세 내용으로 제한되지 않는다는 것에 주목하여야 한다. 예시적인 예는 다른 양태, 변형예 및 수정예로 구현되거나 그에 통합될 수 있고, 다양한 방식으로 실시되거나 실행될 수 있다. 또한, 달리 표시되지 않는 한, 본원에서 사용된 용어 및 표현은 독자의 편의를 위해서 예시적인 예를 설명하기 위한 목적으로 선택된 것이고, 그 범위를 제한하는 목적을 가지지 않는다. 또한, 이하에 설명된 양태, 양태의 표현, 및/또는 예 중 하나 이상이 다른 이하의 양태, 양태의 표현, 및/또는 예 중 임의의 하나 이상과 조합될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
핵 반응로는, 에너지 생성을 담당하는 핵분열 연쇄 반응을 유발하여 유지하기 위해서, 중성자 복사선을 생성한다. 많은 핵 반응로에서, 연쇄 반응에 의해서 생성된 중성자는, 예를 들어, 연쇄 반응에 기여할 가능성을 높이기 위해서, 감속된다(예를 들어, 느려 진다). 이러한 반응로는, 열을 핵분열 연쇄 반응으로부터 제거하고 이러한 열을 일차 용수로 지칭되는 반응로 영역 내의 가압수에 전달함으로써(이러한 용수가 연료봉 및 그로부터의 잠재적인 누출물과 접촉하는 것으로 인해서 방사능 오염물질을 포함할 것임을 나타낸다) 연료를 냉각하는, 가압수형 반응로 및 관련 시스템(PWR)을 포함한다. 일차 용수는 냉각제 및 중성자 감속제 모두로서의 역할을 한다. 일차 용수는, 이어서, 그 열을 일차 용수보다 낮은 압력의 청정한 이차 용수에 전달한다. 이차 용수 내의 감소된 압력 및 일차 용수의 높은 온도는 증기 발생기에 도입된 이차 용수가 비등하게 하고 증기를 형성하게 하며, 이러한 증기는 예를 들어 대형 발전기에 커플링된 증기 터빈을 구동하여 전력을 생산하기 위해서 이용된다. 따라서, PWR은 전기 에너지의 공급원으로서 핵 연료 내의 핵분열 물질의 핵분열을 이용한다.
증가된 그리고 더 효율적인 핵 연료로부터의 에너지(예를 들어, 열) 추출을 가능하게 하는 PWR 핵 연료 조립체를 위한 다양한 구성이 본원에서 개시되고, 이는, 우라늄 비용, 가동 중단 비용, 인력, 사용 후 연료 폐기 및/또는 기타 플랜트 동작 양태의 감소로 인해, 연료 재공급 사이클 사이의 시간을 연장시킬 수 있게 하고 동작 비용을 감소시킬 수 있게 한다. 본 개시 내용의 구성은, 예를 들어, 새롭게 개발된 핵 연료, 연료봉, 및 다른 구성요소를 이용하여, 에너지 추출을 증가시킬 수 있는 핵 연료 조립체를 생성한다. 따라서, 핵 연료 조립체, 가압수형 핵 반응로의 연료 재공급 방법, 핵 연료봉, 및 핵 연료 펠릿이 본원에서 제공된다. 본 개시 내용의 핵 연료는 본원에서 "고에너지 핵 연료(HEF)", "고연소 연료", "고농축 연료(high enrichment fuel)" 등으로 지칭될 수 있다.
PWR은 핵 연료봉, 및 다른 연관 구성요소를 포함할 수 있는 연료 조립체를 이용하고, 다른 연관 구성요소는, 특히, 반응로 동작 중에 연료봉 및 안내 심블(guide thimble)(예를 들어, 제어봉 또는 기구를 포함하는 튜브)을 제 위치에서 유지할 수 있고 반응로 냉각제에 대한 적절한 노출을 보장할 수 있다. 본 개시 내용의 핵 연료 조립체는 핵 연료를 포함하도록 구성된 복수의 핵 연료봉을 포함할 수 있다. 핵 연료 조립체는, 정사각형 또는 삼각형 격자, 및 다양한 활성 코어 높이이든지 간에, 18 x 18, 17 x 17, 16 x 16, 15 x 15, 14 x 14 및 다른 구성을 포함할 수 있다. 17 x 17 구성은 총 289개의 구성요소를 포함할 수 있고, 각각의 구성요소는 연료봉 또는 안내 심블일 수 있다. 일 예에서, 17 x 17 구성은 264개의 연료봉 및 25개의 안내 심블을 포함할 수 있다.
핵 연료 조립체는 특정 목적을 위해서 연료 이용을 최적화하도록 설계될 수 있다. PWR에서 사용되는 연료 조립체에 대한 하나의 최적화 매개변수는 수소 대 우라늄(H/U) 비율이다. 수소 대 우라늄 비율은 반응로 부피 내의 동작 조건에서 수소 원자의 수를 모든 동위 원소의 우라늄 원자의 수로 나눈 것과 같다. 수소 원자는 예를 들어 PWR의 냉각제/감속제 내에 존재하는 또는 그로부터 기원하는 물 분자의 구성요소일 수 있고, 우라늄 원자는 핵 연료 내에 존재하거나 그로부터 기원할 수 있다. 예를 들어, H/U 비율은 이하의 수학식 1에 따라 계산될 수 있다:
[수학식 1]
작은 H/U 값은 열 중성자 에너지 스펙트럼에서 더 높은 평균 에너지를 초래할 수 있고, 이는 핵분열 및 제어의 중요성(worth)을 최소화하고 초기 농축 우라늄 요건을 희생하는 대신 플루토늄 형성에 유리하다. 큰 H/U 값은 열 중성자 에너지 스펙트럼에서 더 낮은 평균 에너지를 초래할 수 있고, 이는 핵분열 및 제어 물질의 중요성(worth)을 높이고 초기 농축 우라늄 요건을 감소시키는 플루토늄 연소에 유리하다.
최적의 H/U 비율의 값이 연료 사이클 요건에 따라 달라진다는 것에 주목하여야 한다. 예를 들어, 고연소, 고농축, 및 긴 연료 사이클은 중성자 흡수를 증가시키는 효과를 가지며, 이는, 이어서, 플랜트 동작의 현재의 패러다임과 비교할 때, 반응로 동작 효율을 최적화하기 위해서 증가된 감속제를 필요로 한다. 또한, 연료 사이클이 분리된 플루토늄에 대한 어떠한 가치도 인정하지 않는 경우(재처리 없음), 연료가, 후속 추출 및 재활용을 위해 우선적으로 플루토늄을 증식시키는 것과 대조적으로, 정상 동작의 일부로 증식되는 플루토늄을 효과적으로 연소할 수 있도록 최적의 H/U 비율도 증가된다. 새로운 연료 번들의 적용이 상당히 변화되었을 때, H/U 비율이 새로운 연료 번들에서 업데이트될 수 있다. 그러한 변화는 본 개시 내용의 연료 및 연료 조립체에 존재할 수 있다. 연료 및 연료 사이클의 다른 예에 비교한, (본 개시 내용에 따른) 고에너지 연료 및 연료 사이클의 예는 다음과 같다:
핵 연료 조립체의 H/U는 예를 들어 적어도 4.1, 적어도 4.2, 적어도 4.3, 적어도 4.4, 적어도 4.5, 적어도 4.6, 적어도 4.7, 적어도 4.8, 적어도 4.9, 또는 적어도 5.0일 수 있다. 핵 연료 조립체의 H/U는 예를 들어, 5.0 이하, 4.9 이하, 4.8 이하, 4.7 이하, 4.6 이하, 4.5 이하, 4.4 이하, 4.3 이하, 4.2 이하, 또는 4.1 이하일 수 있다. H/U 비율은 4.0 내지 5.0, 예를 들어 4.0 내지 4.5, 4.1 내지 5.0, 4.2 내지 5.0, 4.3 내지 5.0, 또는 4.4 내지 5.0의 범위일 수 있다. H/U 비율은 예를 들어 4.1 내지 4.5, 4.1 내지 4.4, 4.1 내지 4.3, 또는 4.1 내지 4.2의 범위일 수 있다. H/U 비율은 예를 들어 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 또는 4.5일 수 있다.
H/U 비율은, 적어도 부분적으로, 유지보수 및/또는 연료 재공급이 필요할 때까지 얼마나 많은 에너지가 핵 연료로부터 수확될 수 있는 지를 결정할 수 있다. 수확된 에너지("연소")는 농축 우라늄의 미터 톤당 기가와트일(GWd/tU)로 측정될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 H/U 비율은, 핵분열에 의해서 생성된 중성자 중 더 많은 중성자가 우라늄 핵에 의한 포획을 위한 적절한 정도까지 감속될 것임을 의미할 수 있다. 연료 연소를 증가시킬 수 있고/있거나 PWR의 H/U 비율을 증가시킬 수 있는 핵 연료 조립체의 다양한 구성을 본원에서 설명하였다.
핵 연료는, 연료봉 내에 포함될 때, 핵 연료 조립체의 핵 연료봉 및 반응로의 냉각제와 화학적으로 양립 가능한 임의의 핵분열 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 핵 연료는 우라늄-함유 세라믹 핵분열 물질을 포함할 수 있다. 우라늄-함유 세라믹 핵분열 물질은 예를 들어 우라늄 규화물(예를 들어, U3Si2, U3Si5, U3Si); 우라늄 질화물(예를 들어, UN, U15N); 우라늄 탄화물(예를 들어,, UC); 우라늄 붕화물(예를 들어, UBx, UB2, UB4)(여기에서 X는 정수이다(금속 붕화물(예를 들어, 우라늄 붕화물)은 매우 다양한 금속:붕소 비율을 가질 수 있다)); 우라늄 인화물(예를 들어, UP); 우라늄 황화물(예를 들어, US2); 우라늄 산화물(예를 들어, UO2, UCO, U3O8, UO3); 또는 이들의 임의의 혼합물을 포함할 수 있다. 핵 연료는 또한 핵분열 또는 핵원료 원소(fertile element), 예를 들어 우라늄 및 플루토늄의 혼합물, 우라늄 및 토륨의 혼합물뿐만 아니라, 우라늄, 플루토늄 및/또는 토륨과 다른 악티늄 계열 원소, 예를 들어 넵투늄, 아메리카늄, 큐륨 등의 혼합물을 포함할 수 있다.
핵 연료는 코어 설계 요건의 요구에 따라 임의의 농축의 235U를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로 5 중량% 이하의 235U를 이용할 수 있다. 코어 설계 요건은 전체적으로 5.0 w/o 미만의 235U인 연료를 이용하여 충족될 수 있다. 그러나, 연료 조립체 내의 매우 흡수적인 구성요소와 조합하여 사용될 때 및/또는 연료 사이클 기간 및/또는 연료 방출 연소가 본원에서 개시된 바와 같이 증가될 때, 연료는, 10 w/o 이하의 235U 또는 20 w/o 이하의 235U 농축과 함께, 24-개월 연료 사이클 및 고방출 연소를 위해서 설계될 수 있다.
예를 들어, 핵 연료는, 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 적어도 5 중량%의 235U 및 20 중량% 이하의 235U를 포함할 수 있다. 핵 연료는, 모두 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 적어도 6 중량%의 235U, 적어도 7 중량%의 235U, 적어도 8 중량%의 235U, 적어도 9 중량%의 235U, 적어도 10 중량%의 235U, 적어도 11 중량%의 235U, 적어도 12 중량%의 235U, 적어도 13 중량%의 235U, 적어도 14 중량%의 235U, 적어도 15 중량%의 235U, 적어도 16 중량%의 235U, 적어도 17 중량%의 235U, 적어도 18 중량%의 235U, 또는 적어도 19 중량%의 235U를 포함할 수 있다. 핵 연료는, 모두 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 19 중량% 이하의 235U, 18 중량% 이하의 235U, 17 중량% 이하의 235U, 16 중량% 이하의 235U, 15 중량% 이하의 235U, 14 중량% 이하의 235U, 13 중량% 이하의 235U, 12 중량% 이하의 235U, 11 중량% 이하의 235U, 10 중량% 이하의 235U, 9 중량% 이하의 235U, 8 중량% 이하의 235U, 7 중량% 이하의 235U, 또는 6 중량% 이하의 235U를 포함할 수 있다. 예를 들어, 핵 연료는, 모두 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 적어도 5 중량%의 235U 및 15 중량% 이하의 235U, 적어도 5 중량%의 235U 및 10 중량% 이하의 235U, 적어도 6 중량%의 235U 및 20 중량% 이하의 235U, 적어도 6 중량%의 235U 및 15 중량% 이하의 235U, 적어도 6 중량%의 235U 및 10 중량% 이하의 235U, 또는 임의의 다른 하위 범위를 포함할 수 있다.
핵 연료는 연료봉 내에서 핵 연료 펠릿으로 존재할 수 있다. 핵 연료 펠릿은 핵분열 물질을 포함할 수 있다. 핵 연료 펠릿의 적어도 일부는 환형 핵 연료 펠릿일 수 있다. 이러한 환형 연료 펠릿은 연료 온도를 낮추고 연료봉 내에서 공극 부피를 제공하는 역할을 한다. 감소된 연료 온도 및 증가된 공극 부피는, 함께 또는 별도로 취해질 때, 연료봉 내의 가스 압력을 감소시키는 효과를 가질 수 있고, 이는, 핵분열의 결과로서 방출되는 핵분열 생성물의 상당한 부분이 동작 온도에서 가스 상으로 존재하거나 동작 온도에서 휘발되어 가스를 형성하기 때문에, 고연소 연료를 다룰 때 중요 제한 매개변수가 된다. 또한, 붕소를 포함하는 연소 가능 흡수제는, 붕소 내의 흡수의 결과로서 헬륨 가스를 방출할 수 있는 연료봉 내에서 사용될 수 있다. 연소 가능 흡수제 사용으로부터의 헬륨 방출을 수용할 수 있는 공극 부피를 증가시킬 수 있는 능력은 수용 가능한 연료봉 내부 압력에서 고연소를 획득하는 것을 보조할 수 있다. 전체 연료 스택(entire fuel stack)에서 환형 연료 펠릿을 이용하는 것은, 코어 설계에서, 연료 조립체의 유압 특성을 변경하지 않고, 연료 조립체 또는 연료 영역의 우라늄 적재 및 H/U 비율을 맞춤할 수 있게 한다. 이러한 능력은, 연료 이용 효율에 대한 상승 작용을 가지면서도 연료 유압 특성의 변경을 초래하지 않기 때문에, 유리할 수 있다. 연료 유압 특성을 변경하는 것은 상당한 비용 및 시간을 필요로 할 수 있다.
연료 조립체 내의 연료봉의 거의 대부분(예를 들어, 적어도 65%, 적어도 75%, 적어도 85%)이 환형 연료 펠릿을 사용할 수 있는 것으로 예상된다. 모든 핵 연료 펠릿이 환형 핵 연료 펠릿일 수 있거나, 어떠한 핵 연료 펠릿도 환형 핵 연료 펠릿이 아닐 수 있다. 본 개시 내용의 핵 연료 펠릿은 2.5% 내지 15%의 공극 부피의 범위를 가질 수 있다. 예로서, 연료 펠릿은, 17x17 연료 목적에서 약 0.050 인치(1.25 mm)의 펠릿 내경에 상응하는 2.5%의 공극 분율(void fraction)을 가질 수 있다. 다른 예에서, 연료 펠릿은, 17x17 연료에서 약 0.125 인치(3.15 mm)의 펠릿 내경에 상응하는 15%의 공극 분율을 가질 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 개시 내용의 환형 핵 연료 펠릿(100)의 횡단면이 도시되어 있다. 펠릿(100)은 외부 표면(108) 및 내부 표면(110)을 포함할 수 있다. 내부 표면(110)은 공동(112)을 적어도 부분적으로 경계 지을 수 있다. 펠릿(100)은 공동(112)을 둘러싸는 핵분열 물질(114)을 포함할 수 있다. 핵분열 물질(114)은 내부 표면(110)과 외부 표면(108) 사이에 배치될 수 있다.
펠릿(100)은 외부 표면(108)의 지점으로부터, 공동(112)의 중심을 통해서, 그리고 외부 표면(108) 상의 대향 지점까지 연장되는 외경(라인(106) 참조)을 포함할 수 있다. 펠릿(100)은 내부 표면(110)의 지점으로부터, 공동(112)의 중심을 통해서, 그리고 내부 표면(110) 상의 대향 지점까지 연장되는 내경(라인(104) 참조)을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 핵 연료 펠릿은 선택적으로 환형 형상을 포함할 수 있고, 여기에서 펠릿(100)의 총 부피의 15% 이하가 공극 공간(112)이다. 총 부피는 핵분열 물질(114) 및 공동(112)의 부피를 포함할 수 있다. 펠릿은, 펠릿(100)의 총 부피를 기초로, 8%, 9%, 또는 10% 이하의 공극 공간(112)을 갖는 총 부피를 가질 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 펠릿은, 펠릿(100)의 총 부피를 기초로, 적어도 4%, 5%, 또는 6%의 공극 공간(112)을 갖는 총 부피를 가질 수 있다.
본 개시 내용의 핵 연료 펠릿은 선택적으로, 0.065 인치 내지 0.075 인치(약 1.65 mm 내지 1.91 mm) 범위의 내경(104), 예를 들어 0.070 인치(약 1.78 mm) 범위의 내경(104)을 갖는 환형 형상을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 예시적인 연료 펠릿(100)은 라인(104, 106)에서 임의의 특정 물리적 특징부(feature)를 포함할 필요가 없을 수 있다. 이러한 라인은 단순히 내경 및 외경의 기하형태를 나타낸다. 도 1은 본 개시 내용의 예이고, 중앙 공동을 포함하는 다른 형상이 본 개시 내용의 연료 펠릿을 위해서 사용될 수 있다.
본 개시 내용의 HEF 핵 연료봉은 적어도 2개의 형태(농축 구역에서 중실형 펠릿(solid pellet)을 갖는 제1 형태 및 농축 구역에서 환형 펠릿을 갖는 제2 형태)를 가질 수 있다. HEF 연료봉은 일반적으로 적어도 2개의 구분된 농축을 갖는 5개 이상의 축방향 구역을 갖는다. 반응로의 상단부 및 하단부로부터의 중성자 누출을 최소화하기 위해, 축방향 블랭킷 구역에서 농축이 감소된다. 특정 경우에, 축방향 블랭킷 농축은 농축 구역의 약 50%일 수 있고, 상단 및 하단 축방향 블랭킷에서 농축이 동일하다. 그러나, 다른 경우에, 상단 및 하단 축방향 블랭킷이 상이한 농축들을 포함할 수 있다.
축방향 블랭킷은 일반적으로 환형 연료 펠릿을 이용하고, 여기에서 내부 공극은 중실형 펠릿 부피의 약 25%이다. 핵 연료봉에서 중실형 또는 환형 축방향 블랭킷을 이용하는 설계 옵션이 존재한다. 연료의 농축 구역은 중실형일 수 있거나, 내부 공극이 중실형 펠릿 부피의 약 4 내지 10%인 환형 연료 펠릿을 이용할 수 있다. 농축 구역 연료 펠릿은, 특정 반응로에 대한 코어 설계 및 연료 관리 요건에 따라, 0.711 w/o 235U의 천연 우라늄으로부터 10 w/o 235U 또는 그 초과의 농축 범위를 갖는다. 농축 구역은 하부 축방향 블랭킷 위 및 상단 축방향 블랭킷 아래에서 HEF 연료봉 내에 있다. HEF 농축 구역 위에, 일반적으로 농축 구역보다 짧고 일반적으로 코어 중심 주위에서 대칭적인 연소 가능 흡수제(BA) 구역이 중첩될 수 있다. 그러나, 특정 코어 설계 요건은 BA 길이 및 센터링을 변경할 수 있다. 적어도 하나의 예에서, 하부 축방향 블랭킷, 농축된 BA가 없는 구역 또는 컷백 구역(cutback zone), BA를 갖는 농축 구역, 다른 농축된 컷백 구역, 그리고 마지막으로 상단 축방향 블랭킷으로 이루어진 5개의 축방향 구역이 HEF 연료봉 내에 있다.
도 2을 참조하면, 본 개시 내용의 핵 연료봉(200)의 횡단면도가 도시되어 있다. 핵 연료봉(200)은 외부 표면(208) 및 내부 표면(210)을 포함할 수 있다. 내부 표면(210)은 공동(212)을 적어도 부분적으로 경계 지을 수 있다. 핵 연료봉(200)은 공동(212)을 둘러싸는 금속 또는 금속 합금(214)을 포함할 수 있다. 금속 또는 금속 합금(214)은 내부 표면(210)과 외부 표면(208) 사이에 배치될 수 있다. 본 개시 내용의 연료봉(200)은 지르코늄 또는 지르코늄 합금을 포함하는 금속 또는 금속 합금을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지르코늄 및 주석 및/또는 니오븀 그리고 선택적으로 철, 주석, 바나듐, 및 구리 중 임의의 것을 포함하는 합금(예를 들어, 미국 펜실베니아 클렌베리 타운십에 소재하는 Westinghouse Electric Company로부터 입수할 수 있는 ZIRLO®, Optimized ZIRLOTM, LT-ZIRLOTM 및 AXIOMTM 합금)이 연료봉(200)에 포함될 수 있다.
핵 연료봉(200)은 외부 표면(208)의 지점으로부터, 공동(212)의 중심을 통해서, 그리고 외부 표면(208) 상의 대향 지점까지 연장되는 외경(라인(206) 참조)을 포함할 수 있다. 핵 연료봉(200)은 내부 표면(110)의 지점으로부터, 공동(112)의 중심을 통해서, 그리고 내부 표면(110) 상의 대향 지점까지 연장되는 내경(라인(204) 참조)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 예시적인 연료봉(200)은 라인(204, 206)에서 임의의 특정 물리적 특징부를 포함할 필요가 없을 수 있다. 이러한 라인은 단순히 내경 및 외경의 기하형태를 나타낸다.
전술한 핵 연료 펠릿 기하형태의 최적화에 대해서 대안적으로 또는 부가적으로, 핵 연료봉 자체가 부가적으로 수정될 수 있다. 다시 그러한 수정은 H/U 비율을 증가시킬 수 있고/있거나 더 완전한 연료 연소를 초래할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 전술한 핵 연료 펠릿 기하형태의 최적화에 대해서 대안적으로 또는 부가적으로, 핵 연료봉 자체가 부가적으로 수정될 수 있다. 외경(206, 306a) 대 피치의 비율이 예를 들어 0.720 내지 0.745의 범위가 될 수 있도록, 연료봉 및/또는 클래딩이 설계될 수 있다. 예를 들어, 외경(306a) 대 피치의 비율이 0.725 내지 0.745 또는 0.730 내지 0.740의 범위일 수 있다. 예를 들어, 외경(306a) 대 피치의 비율이 0.738일 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, "피치"는 연료 조립체 내에서 연료봉(300a)의 하나의 중심(320a)으로부터 인접한 연료봉(300b)의 중심(320b)까지의 거리(d)를 지칭한다.
본 개시 내용의 핵 연료봉(200)은, 0.496 인치(~12.6 mm)의 연료봉 피치와 함께 17x17 연료 격자에서 사용될 때, 선택적으로 9.2 mm 내지 9.5 mm 범위의 외경(206), 예를 들어 9.2 mm, 9.3 mm, 9.4 mm, 또는 9.5 mm의 외경(206)을 포함할 수 있다. 본 개시 내용의 핵 연료봉(200)은 선택적으로 9.2 mm 내지 9.4 mm의 외경(206), 예를 들어 9.2 mm, 9.3 mm, 또는 9.4 mm의 외경(206)을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 연료 펠릿과 본 개시 내용의 연료봉의 조합이 유리할 수 있다. 예를 들어, 17x17 연료 조립체를 고려할 때 공극 부피가 4 내지 10%의 범위인 환형 연료 펠릿은 0.07 인치 내지 0.10 인치(1.8 mm 내지 2.5 mm) 범위의 환형 펠릿 내경에 상응할 수 있고, 9.0 mm 내지 9.5 mm 범위, 예를 들어 9.0 mm, 9.1 mm, 9.2 mm, 9.3 mm, 9.4 mm, 또는 9.5 mm 범위의 외경을 가지는 연료봉에서 이용될 수 있다. 그러한 구성은, 이러한 연료봉이 PWR에서 이용될 때, H/U 비율을 개선할 수 있다.
본 개시 내용의 핵 연료봉(200)은, 내경(204)과 외경(206) 사이의 길이차인 두께를 가질 수 있다. 두께는 외경(206, 306a)의 6% 이하, 7% 이하, 또는 8% 이하일 수 있다. 두께는 외경(206, 306a)의 6% 내지 8%의 범위일 수 있다. 두께는 외경(206, 306a)의 6.5% 내지 8%의 범위일 수 있다. 두께는 외경(206, 306a)의 7% 내지 8%일 수 있다. 두께는 외경(206, 306a)의 8% 초과일 수 있다. 두께는, 현재 기술의 17x17 연료 조립체에서 사용되는 값인, 적어도 0.0225 인치일 수 있다. 17x17 연료 조립체의 최적의 두께는 적어도 0.030 인치로 나타날 수 있고, 서로 상충되는, 감소된 우라늄 적재, 증가된 기생 물질, 연료봉 및 연료 조립체 축 방향 성장 및 기계적 강성도 변화의 효과, 및 기타 효과에 의해서 결정된다.
이러한 두께를 갖는 클래딩이 본 개시 내용의 핵 연료 조립체의 성능을 개선한다는 것이 확인되었다. 예를 들어, 연료봉 클래딩 두께의 증가는, 모두가 코어 평균 파워 이상일 수 있는, 고연소의 24개월 사이클의 노출 요건을 수용하기 위한 필요 금속 질량을 부가한다. 증가된 클래딩 두께 및 고급 클래딩 합금의 조합은 클래딩에서 수소 농도, 프레팅(fretting), 후프 응력 및 크리프를 감소시키며, 이들 모두는 정상 조건에서 마진 클래딩 실패를 설계 기준에 제공한다. 또한, 본원에 개시된 바와 같이 클래딩 두께의 증가는 연료 부피의 감소를 초래할 수 있고, 이는, 본 개시 내용의 연료로 구현될 때, 증가된 H/U 비율을 초래하고, 이는 우라늄 이용률을 개선하고 궁극적으로 비용을 절감할 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 두께를 포함하는 클래딩을 갖는 연료봉은 본 개시 내용의 연료 펠릿과 조합될 수 있으며, 또한 본원에서 설명된 바와 같은 외경을 가질 수 있다.
본 개시 내용의 핵 연료 조립체는 개선된 그리드 이격부재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술한 것과 같은 고급 합금을 포함하는 고연소 최적화 이격부재를 이용하여 부식 및 성장을 최소화할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 그리드/봉 접촉 면적이 최대화되어 프레팅 마진을 증가시킬 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 그리드 높이가 증가되어 그리드 크러시 강도를 최대화할 수 있다.
본 개시 내용의 핵 연료 조립체는 개선된 골격 심블을 포함할 수 있다. 예를 들어, 골격 심블은 0.015 인치(약 0.38 mm) 내지 0.025 인치(약 0.635 mm) 범위, 예를 들어 0.020 인치(약 0.51 mm)의 두께를 가질 수 있다. 골격 심블은 본원에서 설명된 바와 같이 지르코늄 합금을 포함할 수 있다.
본 개시 내용의 핵 연료 조립체의 여러 매개변수를 설명하였다. 이러한 모든 매개변수를, 단독적으로 또는 임의의 조합으로, 설명된 바와 같이 조정하여, 설명된 바와 같이 24-개월의 주기 사이클로 고연소 연료를 수용 및 이용하기에 적합한 연료 조립체를 제공할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
본 개시 내용의 핵 연료 조립체를 포함하는 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하기 위한 방법이 본원에서 또한 제공된다. 방법은 24-개월의 사이클로 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하는 단계를 포함할 수 있다. 24-개월 주기 사이클 간격으로 연료를 재공급하는 것은, 12-개월 또는 18-개월 사이클에 비해서, 반응로에 연료를 재공급하는데 필요한 가동 중단 회수, 시간, 및 물질을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용의 핵 연료 조립체를 포함하는 PWR은 23개월 동안 동작할 수 있고 1개월 동안 연료 재공급될 수 있다(그리고 파워를 생산하지 않을 수 있다). 따라서, 24-개월의 주기 사이클이 수행될 수 있다. 또한, 방법은 24-개월 사이클 중에 60 GWd/tU 초과의 연료 연소를 달성하는 것, 예를 들어 70 GWd/tU 초과의 연료 연소를 달성하는 것을 포함할 수 있다. 그러한 연료 연소를 달성하는 것은 주어진 양의 파워 생성에 필요한 우라늄을 감소시킴으로써 전기 생산 비용을 줄일 수 있다.
본원에서 설명된 청구 대상의 여러 양태가 이하의 실시형태에서 설명된다.
예 1 - 가압수형 반응로를 위한 핵 연료 조립체이며: 핵 연료를 포함하도록 구성된 복수의 핵 연료봉을 포함하고, 핵 연료 조립체는, 냉각제 및 핵 연료가 동작 조건 하에서 존재할 때 연료 조립체의 수소 대 우라늄의 비율이 적어도 4.0이 되도록, 구성된다.
예 2 - 예 1의 핵 연료 조립체에 있어서, 핵 연료를 더 포함하고, 핵 연료는 핵분열 물질을 포함하고, 핵분열 물질은, 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 20 중량% 이하의 235U를 포함한다.
예 3 - 예 1 또는 예 2의 핵 연료 조립체에 있어서, 핵 연료를 더 포함하고, 핵 연료는 핵분열 물질을 포함하고, 핵분열 물질은, 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 적어도 5 중량%의 235U 및 20 중량% 이하의 235U를 포함한다.
예 4 - 예 1 내지 예 3 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체에 있어서, 핵분열 물질을 포함하는 핵 연료 펠릿을 더 포함하고, 핵 연료 펠릿은 핵 연료봉 내에 위치되고, 핵 연료 펠릿의 적어도 일부는 환형 핵 연료 펠릿이다.
예 5 - 예 1 내지 예 4 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체에 있어서, 핵분열 물질을 포함하는 핵 연료 펠릿을 더 포함하고, 핵 연료 펠릿은 핵 연료봉 내에 위치되고, 모든 핵 연료 펠릿은 환형 핵 연료 펠릿이다.
예 6 - 예 1 내지 예 5 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체에 있어서, 핵 연료봉이 0.720 내지 0.745 범위의 외경 대 피치의 비율을 포함한다.
예 7 - 예 4 내지 예 6 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체에 있어서, 환형 연료 펠릿이 환형 연료 펠릿의 총 부피의 4% 내지 15% 범위의 공극 부피를 갖는다.
예 8 - 예 1 내지 예 7 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체에 있어서, 연료 조립체의 수소 대 우라늄 비율은, 냉각제 및 핵분열 물질과 함께 동작할 때, 적어도 4.3이다.
예 9 - 예 1 내지 예 8 중 어느 한 예의 핵 연료 조립체를 포함하는 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하기 위한 방법이며: 24-개월 주기 사이클 간격으로 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하는 단계를 포함한다.
예 10 - 예 9의 방법에 있어서, 60 GWd/Tt 초과의 연료 연소를 달성하는 단계를 더 포함한다.
예 11 - 예 9 또는 예 10의 방법에 있어서, 70 GWd/tU 초과의 연료 연소를 달성하는 단계를 더 포함한다.
달리 구체적으로 기술되지 않는 한, 이하의 개시 내용으로부터 명확한 바와 같이, 전술한 개시 내용 전체를 통해서 "프로세싱", "컴퓨팅", "계산", "결정", "디스플레이" 또는 기타와 같은 용어를 사용하는 설명은, 컴퓨터 시스템의 레지스터 및 메모리 내의 물리적(전자적) 수량으로서 표현되는 데이터를 조작하고 이를 컴퓨터 시스템의 메모리 또는 레지스터 또는 기타, 예를 들어 정보 저장부, 트랜스미션 또는 디스플레이 장치 내의 물리적 수량으로서 유사하게 표현되는 다른 데이터로 변환하는, 컴퓨터 시스템 또는 유사 전자 컴퓨팅 장치의 작용 및/또는 프로세스를 지칭한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
하나 이상의 구성요소는 본원에서 "~하도록 구성된", "~하도록 구성될 수 있는", "~하도록 작동 가능한/작동되는", "구성된/구성 가능한", "할 수 있는", "준수 가능한/준수하는" 등으로 지칭될 수 있다. 당업자는, 문맥상 달리 요구되지 않는 한, "~하도록 구성된"이 일반적으로 활성-상태 구성요소 및/또는 비활성-상태 구성요소 및/또는 대기-상태 구성 요소를 포함할 수 있음을 인식할 것이다.
당업자는 일반적으로 본원에서 그리고 특히 첨부된 청구범위(예를 들어, 첨부된 청구범위의 본문)에서 사용된 용어가 일반적으로 "개방적인" 용어로 의도되었음을 인식할 것이다(예를 들어, "포함하는"이라는 용어는 "포함하지만 이에 한정되지 않는"으로 해석되어야 하고, "갖는"이라는 용어는 "적어도 갖는"으로 해석되어야 하며, "포함한다"는 용어는 "포함하지만 이에 한정되지 않는다"로 해석되어야 하는 등). 당업자는, 도입된 청구범위 인용에 관한 특정 숫자가 의도되는 경우에, 그러한 의도는 청구범위에서 명시적으로 인용될 것이고, 그리고 그러한 인용이 없는 경우에 그러한 의도는 존재하지 않는다는 점이 추가로 이해될 것이다. 예를 들어, 이해를 돕기 위해서, 이하의 첨부된 청구범위는 청구범위 인용을 도입하기 위해서 "적어도 하나" 및 "하나 이상"라는 서두 문구를 이용하는 것을 포함할 수 있다. 그러나, 그러한 문구의 이용은, 동일 청구항이 "하나 이상" 또는 "적어도 하나" 그리고 부정관사(예를 들어, "a" 또는 "an")를 포함하는 때에도, 부정관사("a" 또는 "an")에 의한 청구항 인용의 도입이 그러한 도입된 청구항 인용을 포함하는 임의의 특별한 청구항을 그러한 인용만을 포함하는 청구항으로 제한하는 것을 암시하는 것으로 간주되지 않아야 하고(예를 들어, 부정관사("a" 및/또는 "an")는 "적어도 하나" 또는 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 하고); 이는 청구항 인용을 도입하기 위해서 정관사가 이용되는 경우에도 마찬가지다.
또한, 특정 수의 도입된 청구범위 인용이 명시적으로 설명된 경우에도, 당업자는, 그러한 인용이 일반적으로 적어도 인용된 수를 의미하는 것으로 해석되어야 한다는 것을 인지할 것이다(예를 들어, 다른 수정이 없는 순수한 "2개의 인용"의 인용은 일반적으로 적어도 2개의 인용, 또는 둘 이상의 인용을 의미한다). 또한, "A, B, 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 해당 관례를 이해할 수 있는 의미로 의도된 것이다(예를 들어, "A, B, C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은, 비제한적으로, A 단독, B 단독, C 단독, A와 B를 함께, A와 C를 함께, B와 C를 함께, 및/또는 A, B, C를 함께 포함하는 시스템을 포함할 수 있다). "A, B, 및 C 중 적어도 하나 등"과 유사한 관례가 사용되는 경우, 일반적으로 그러한 구성은 당업자가 해당 관례를 이해할 수 있는 의미로 의도된 것이다(예를 들어, "A, B, 또는 C 중 적어도 하나를 갖는 시스템"은, 비제한적으로, A 단독, B 단독, C 단독, A와 B를 함께, A와 C를 함께, B와 C를 함께, 및/또는 A, B, C를 함께 포함하는 시스템을 포함할 수 있다). 당업자는, 문맥이 달리 표시하지 않는 한, 일반적으로 둘 이상의 대안적인 용어를 나타내는 분리적인 단어 또는 문구가, 설명, 청구범위, 또는 도면에서든지 간에, 용어 중 하나, 용어 중 어느 하나, 또는 용어의 둘 모두를 포함할 가능성을 고려하는 것으로 이해하여야 한다는 것을 또한 이해할 것이다. 예를 들어, 문구 "A 또는 B"는 일반적으로 "A" 또는 "B" 또는 "A 및 B"의 가능성을 포함하는 것으로 이해될 것이다.
첨부된 청구범위와 관련하여, 당업자는 그 안에 기재된 동작들이 일반적으로 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 다양한 동작 흐름도가 순서대로 제시되어 있지만, 다양한 동작들이 예시된 것과 다른 순서로 수행되거나 동시에 수행될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이러한 대안적인 순서의 예는, 문맥상 달리 명시되지 않는 한, 중복, 끼워넣기, 중단, 재정렬, 증분, 준비, 보충, 동시, 역순 또는 기타 변형 순서를 포함할 수 있다. 또한, 문맥상 달리 명시되지 않는 한, "반응하는", "관련된" 또는 다른 과거형 형용사와 같은 용어는 일반적으로 이러한 변형을 제외하지 않을 것이다.
"일 양태", "양태", "예시", "하나의 예시" 등에 대한 임의의 언급은 해당 양태와 관련하여 설명된 특정 특징, 구조 또는 특성이 적어도 하나의 양태에 포함되어 있음을 의미한다는 점에 유의할 필요가 있다. 따라서, 본 명세서 전반의 여러 장소에서의 "일 양태", "양태", "예시", 및 "일 예시" 내의 문구의 출현 모두가 반드시 동일한 양태를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조, 또는 특성을 하나 이상의 양태에서 임의의 적절한 방식으로 조합할 수 있다.
본 명세서에 언급된 및/또는 임의의 출원 데이터 시트에 나열된 임의의 특허 출원, 특허, 비-특허 공개 또는 기타 자료는, 포함된 자료가 본 명세서와 일치하는 범위 내에서, 본원에 참조로 포함된다. 따라서, 그리고 필요한 범위까지, 본원에서 명시적으로 기재된 개시 내용은 본원에서 참조로 포함된 임의의 충돌 자료보다 우선한다. 본원에서 참조로 포함되는 것으로 기재된, 그러나 본원에 기재된 기존 정의, 진술, 또는 다른 개시 자료와 충돌되는 모든 자료, 또는 그 일부는, 그러한 포함된 자료와 기존 개시 자료 사이에서 충돌이 발생하지 않는 범위까지만 포함될 것이다.
"포함한다"(그리고 "포함하는" 및 "포함하고 있는"과 같은 '포함하는'의 모든 형태), "가지고 있다"(그리고 "가지는" 및 "가지고 있는"과 같은 '가지고 있다'의 모든 형태), "포괄한다"(그리고 "포괄하는" 및 "포괄하고 있는"과 같은 '포괄한다'의 모든 형태, 및 "함유한다"(그리고 "함유하는" 및 "함유하고 있는"과 같은 '함유한다'의 모든 형태)는 개방형 연결 동사이다. 결과적으로, 하나 이상의 요소를 "포함하는", "갖는", "포괄하는" 또는 "함유하는" 시스템은 그러한 하나 이상의 요소를 보유하나, 그러한 하나 이상의 요소만을 보유하는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징부를 "포함하는", "갖는", "포괄하는" 또는 "함유하는" 시스템, 장치, 또는 기구의 요소는 이러한 하나 이상의 특징부를 보유하고, 그러한 하나 이상의 특징부만을 보유하는 것으로 제한되지 않는다.
달리 명시되지 않는 한, 본 개시 내용에서 사용된 "약" 또는 "대략"이라는 용어는 당업자에 의해 결정되는 특정 값에 대한 허용 가능한 오차를 의미하며, 이는 부분적으로 값이 측정 또는 결정되는 방법에 따라 달라진다. 특정 실시형태에서, "약" 또는 "대략"이라는 용어는 1, 2, 3 또는 4의 표준편차 이내를 의미한다. 특정 실시형태에서, "약" 또는 "대략"이라는 용어는 주어진 값 또는 범위의 50%, 20%, 15%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0.5% 또는 0.05% 이내를 의미한다.
본원에서 인용된 임의의 수치 범위는 그에 포함된 모든 하위 범위를 포함하도록 의도된다. 예를 들어, "1 내지 10"의 범위는 인용된 1의 최소 값과 인용된 10의 최대 값 사이의(그리고 포함하는) 모든 하위 범위를 포함하도록 의도되고, 다시 말해서, 1과 같거나 그보다 큰 최소 값 및 10과 같거나 그보다 작은 최대 값을 갖는다.
요약하면, 본원에서 설명된 개념을 적용함으로써 얻을 수 있는 수많은 이점을 설명하였다. 하나 이상의 형태에 관한 전술한 설명은 묘사 및 설명의 목적을 위해서 제공되었다. 이는 포괄적인 것으로 또는 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도된 것이 아니다. 전술한 교시 내용에 비추어 수정 또는 변경이 가능할 것이다. 하나 이상의 형태는, 당업자가 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 형태 및 수정을 활용할 수 있도록 원리 및 실제 적용을 설명하기 위해 선택되고 설명된 것이다. 여기에 제출된 청구범위가 전체 범위를 규정하도록 의도되었다.

Claims (11)

  1. 가압수형 반응로를 위한 핵 연료 조립체이며:
    핵 연료를 포함하도록 구성된 복수의 핵 연료봉을 포함하고,
    상기 핵 연료 조립체는, 냉각제 및 핵 연료가 동작 조건 하에서 존재할 때, 상기 연료 조립체의 수소 대 우라늄의 비율이 적어도 4.0이 되도록, 구성되는, 핵 연료 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    핵 연료를 더 포함하고, 상기 핵 연료는 핵분열 물질을 포함하고, 상기 핵분열 물질은, 상기 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 20 중량% 이하의 235U를 포함하는, 핵 연료 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    핵 연료를 더 포함하고, 상기 핵 연료는 핵분열 물질을 포함하고, 상기 핵분열 물질은, 상기 핵분열 물질 내의 우라늄의 총 중량을 기초로, 적어도 5 중량%의 235U 및 20 중량% 이하의 235U를 포함하는, 핵 연료 조립체.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핵분열 물질을 포함하는 핵 연료 펠릿을 더 포함하고, 상기 핵 연료 펠릿은 상기 핵 연료봉 내에 위치되고, 상기 핵 연료 펠릿의 적어도 일부는 환형 핵 연료 펠릿인, 핵 연료 조립체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핵분열 물질을 포함하는 핵 연료 펠릿을 더 포함하고, 상기 핵 연료 펠릿은 상기 핵 연료봉 내에 위치되고, 상기 핵 연료 펠릿의 전부가 환형 핵 연료 펠릿인, 핵 연료 조립체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 핵 연료봉이 0.720 내지 0.745 범위의 외경 대 피치의 비율을 포함하는, 핵 연료 조립체.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 환형 연료 펠릿이 상기 환형 연료 펠릿의 총 부피의 4% 내지 15% 범위의 공극 부피를 가지는, 핵 연료 조립체.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 조립체의 수소 대 우라늄 비율이, 냉각제 및 핵분열 물질과 함께 동작할 때, 적어도 4.3인, 핵 연료 조립체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 핵 연료 조립체를 포함하는 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하기 위한 방법이며:
    24-개월의 주기 사이클 간격으로 상기 가압수형 핵 반응로에 연료를 재공급하는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    60 GWd/Tt 초과의 연료 연소를 달성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    70 GWd/tU 초과의 연료 연소를 달성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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