TWI778357B - 用以支撐一小型容器之共同腔室燃料總成設計及方法、耐久核心及在池式反應爐內之簡化燃料補給 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種用於一核反應爐中之燃料總成，其包括一燃料束、定位於該燃料束上之一腔室集管連接、自該燃料束延伸之一桅桿及自該桅桿延伸之一共同裂變氣體腔室。該反應爐包含一容器及位於該容器內之冷卻劑。該燃料束包括複數個燃料元件，該複數個燃料元件包含定位於其中之核燃料材料。該腔室集管連接包括界定於其中之與該核燃料材料流體連通之複數個通路。該細長桅桿包括一內部通道，該內部通道將該共同裂變氣體腔室連接至該腔室集管連接之該複數個通路，使得該共同裂變氣體腔室經結構設計以在操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體。該共同裂變氣體腔室定位於該容器之一另外未使用部分中。

Description

用以支撐一小型容器之共同腔室燃料總成設計及方法、耐久核心及在池式反應爐內之簡化燃料補給

燃料補給一液態金屬冷卻(或未來之鹽冷卻)反應爐之挑戰明顯比在一輕水反應爐中高。此表明可透過利用燃料補給之間的長間隔來實現益處。某些快速反應爐能夠利用獨特燃料循環，提供非常高之能量核心、大量滋生並容許U：Pu、Pu+U：Pu、U：Th及U+MinorActinides：Pu之原料；其中X：Y描述(若干)種子元素：圍包滋生材料。然而，利用高滋生比率/高能量核心之主要限制之一者係每線性單位腔室長度之裂變氣體腔室之相對較小體積。當前技術藉由實施潛在地比有效燃料長度更長之特別長燃料棒腔室或護套(cladding)以將最壞情況裂變氣體容納於最受限桿中，來回應此要求。當護套已經歷由經量測為每原子位移(dpa)之中子損壞所致之脆化及膨脹時，整體裂變氣體釋放及所得高棒內部壓力在高燃料曝露下發生。護套膨脹/脆化與來自高內部壓力之高護套應力組合通常建立最大容許燃料曝露(即核心駐留時間)，藉此支配平準(levelized)燃料循環成本並挑戰獲得利用快速反應爐之優點之一積極業務情況之能力。

本發明之至少一個態樣之目標係使燃料曝露最大化且藉此藉由多種方式簡化燃料補給，因此增加簡便性並降低電廠之成本。此等改良及其等之實施方案將在下文更詳細討論。

一共同裂變氣體腔室或槽連接至定位於一燃料束上方之一收集集管或上端配件並位於其上方。該共同裂變氣體腔室在該上端配件上方之位置位於該核心與該反應爐流動區域上方，其與在該反應爐流動區域內或其他共用腔室設計中可行之情況相比允許每腔室長度之實質上更大腔室體積。此係因為該共同裂變氣體腔室位於先前未使用反應爐容器空間中，因此容許一較大大小共同裂變氣體腔室而無損失，且(相對於習知燃料棒腔室)大部分束流動面積可用於腔室體積。進一步言之，用於該共同裂變氣體腔室之結構材料之量遠小於個別燃料棒腔室之當前技術所需之量。

該上端配件或收集集管包括通道或通路，其等收集自該燃料束發射之裂變氣體並將該等裂變氣體引導至定位於該上端配件上方之一減小直徑桅桿中。該等裂變氣體行進通過該減小直徑桅桿中之一通路且進入定位於該減小直徑桅桿上方之該共同裂變氣體腔室中。該等裂變氣體在離開該燃料束之後在其中行進之該上端配件與該共同裂變氣體腔室之間的該等通路可被視為界定一裂變氣體收集體積。該共同腔室使該個別燃料裂變氣體釋放均化，使得該燃料總成限制條件無需藉由在最受限組之製造及設計不確定性下以最大功率操作之峰值桿來界定；而是依據燃料棒束平均值，其中棒內部壓力及燃料棒儲存揮發性裂變產物之能力的不確定性低得多。(註：隨後提及裂變產物或裂變氣體僅係指揮發性裂變產物)。

各燃料棒透過設置於該上端配件內之連接而連接至該共同裂變氣體腔室。各棒可具有一單向閥或流體二極體以防止一棒洩漏發生時自該腔室回流。

該共同裂變氣體腔室無需該棒內之腔室空間，因此使該燃料棒長度最小化，潛在地高達六倍或更多倍。相對於在該等棒內採用一習知裂變氣體腔室之設計，此容許具有更長燃料堆之較短束長度，從而實現更大燃料負載及因此一更長燃料循環。

除上文外，圖1A繪示描繪根據本發明之至少一個態樣之共同裂變氣體腔室體積及依不同節距直徑比率之棒狀腔室體積之比率的一圖形表示。描述Westinghouse LFR及一歷史(操作)液態金屬快速反應爐之比較。

除上文外，該燃料桅桿及該共同裂變氣體腔室將滲透冷卻劑之表面，因此允許直接處置該燃料，並透過應用於燃料總成之結構以保持大部分該燃料總成的一向下垂直保持力進一步提供容易壓緊(參見圖6中之箭頭DF)，其最顯著地包含位於該冷卻劑內並抵抗該冷卻劑對該燃料總成之浮力、摩擦力及形阻力的有效燃料部分。在至少一個實施例中，該燃料桅桿及該共同裂變氣體腔室可靠近該冷卻劑之表面(例如，不滲透該表面)。在此一配置中，可實現該燃料之更容易處置，而該燃料桅桿及/或共同裂變氣體腔室不穿透該冷卻劑之該表面。

對於一給定反應爐容器大小及熱功率額定值，本發明之至少一個態樣導致一減小燃料功率密度。另外，本發明之至少一個態樣減小燃料補給時間壓力(例如，歸因於一更長燃料循環及來自燃料補給持續時間之整體容量因數影響之對應減小)。減小燃料補給時間壓力可促進乾式 提升燃料補給。乾式提升燃料補給通常受在自主冷卻劑池至用過燃料儲存區域或護箱之運輸期間確保燃料棒完整性的需要約束。該減小燃料功率密度及大得多的可用裂變氣體儲存體積藉由在高燃料棒壓力之結構限制出現之前減小裂變氣體壓力之比率，同時增加燃料整體裂變來實現燃料燃耗及滋生比率的顯著增加。該減小燃料功率密度及大得多的可用裂變氣體儲存體積可實現一更長燃料循環。

本發明之至少一個態樣意欲降低該燃料棒護套上之應力以促進超長燃料循環之實施，從而導致電廠內對用過燃料處置基礎設施之減小需求，因此在燃料補給操作期間對用過燃料之潛在轉向的減小擔憂。此等優點特別適用於缺乏成熟燃料循環基礎設施/保障措施之國家之反應爐。

本發明之至少一個態樣意欲因實現將氣態及揮發性吸收裂變產物重新定位成遠離重要高中子通量反應爐區域(例如，重新定位至共同裂變氣體腔室)而降低反應爐裂變產物中子寄生吸收。

除上文外，用於容器內廢燃料儲存(其若用習知、較長燃料棒設計來實施則將更嚴重地不利於反應爐容器之高度)之一選擇將包含沿該桅桿之較小直徑氣體輸送路徑之一點，其中為將該共同裂變氣體腔室與該等燃料總成分離並因此將該裂變氣體輸送管之兩端密封於該減小直徑桅桿中而實施一切捏(cut and pinch)方法。此將使得各細長燃料總成能夠轉變成一對相對較短細長結構，該等細長結構將比一單一較長結構相對容易儲存。同樣，在此一配置中，該細長燃料總成之該兩個部分可依適於其等之要求之方式儲存或處理，而非強迫儲存於經設計用於耗盡燃料之一個容器或護箱中，但對於該共同裂變氣體腔室將可能過分設計。除僅儲存外， 該共同腔室亦可具有更好的處理方式。此技術尤其用於石油及天然氣行業(諸如防噴裝置)。

100:上端配件

110:腔室流動連接

120:開口或冷卻劑流動通道

130:流動路徑

135:周邊流動路徑

140:腔室集管連接

200:有效燃料束

210:燃料元件或燃料棒

220:錐形或頸縮燃料棒區段

300:桅桿

305:內腔

310:噴嘴

320:管線或通道

330:冷卻劑流動路徑

340:中心圓錐部分

400:共同裂變氣體腔室

500:燃料總成

510:管道

520:下端配件

530:底部延伸部分

540:入口孔

DF:箭頭

LA:縱向軸

根據結合如下附圖之下文描述，可理解本文中所描述之實施例之各種特徵以及其等之優點；圖1A係描繪根據本發明之至少一個態樣之共同裂變氣體腔室體積與依不同節距直徑比之棒狀腔室體積之比率的一圖形表示；圖1係根據本發明之至少一個態樣之定位於一燃料束上之一上端配件的一部分剖視圖；圖2係圖1之上端配件及燃料束之一平面圖；圖3係圖1之上端配件及燃料束之一透視圖；圖4係圖1之上端配件之一平面圖；圖5係根據本發明之至少一個態樣之燃料總成的一透視橫截面圖，其中各燃料總成包括圖1之上端配件及燃料束；圖6係一核反應爐的一部分透視圖，其具有一容器、容器內之一冷卻劑，及冷卻劑內來自圖5之一代表量之燃料總成，且進一步展示施加至一個例示性燃料總成之向下垂直保持力；圖7係圖5之燃料總成之一者之一橫截面透視圖，其描繪在上端配件中與燃料束之燃料元件流體連通之通道；圖8係圖5之燃料總成之另一透視橫截面圖，其描繪在上端配件中與在燃料束上方延伸之一桅桿中之一中心通道流體連通之通道；圖9係圖5之燃料總成之另一橫截面圖，其描繪自桅桿部分延伸之一共同裂變氣體腔室或槽；及 圖10係圖5之燃料總成之另一橫截面圖，其描繪燃料束及經結構設計以接納冷卻劑之一底部延伸部分。

相關申請案之交叉參考

本申請案主張2019年4月30日申請之標題為COMMON PLENUM FUEL ASSEMBLY DESIGN SUPPORTING A COMPACT VESSEL,LONG-LIFE CORES,AND EASED REFUELING IN POOL-TYPE REACTORS之美國臨時專利申請案第62/840,775之權利，該案之全文以引用的方式併入本文中。

圖1及圖3繪示位於一有效燃料束200之頂部處之一集管或一上端配件100，該有效燃料束包含用於冷卻劑之流動區域及用於裂變氣體之內部通道。有效燃料束200及上端配件100係一燃料總成500(參見圖5)之部分。核反應爐包括複數個燃料總成500，且應注意，反應爐不限於圖5中所描繪之燃料總成500之數目且在不脫離本發明之預期範疇的情況下，可利用任何合適數目個燃料總成500。明確言之，在圖5中描繪六個燃料總成500，然而，此等僅係在操作期間將接納於一給定核反應爐中之燃料總成之一子集。

仍參考圖5，燃料總成500包括一外表面包覆件或細長管道510，其用於將來自反應爐之冷端之冷卻劑引導經過燃料元件或燃料棒210，在其中傳遞核熱量。冷卻劑以比核心入口處更高之一溫度自一槽或共同裂變氣體腔室400下方離開管道510。燃料總成500進一步包括自管道510之底部延伸之一下端配件520。管道510經結構設計以接納燃料束200，該燃料束200包括複數個燃料元件或燃料棒210。燃料總成500之各 者包括彼此流體連通之一第一部分及一第二部分。第一部分包括下端配件520、燃料束200及上端配件100。第二部分包括共同裂變氣體腔室400。燃料總成500之第一部分及第二部分經由定位於第一部分及第二部分中間之一桅桿300(即，燃料總成500之一第三部分)保持流體連通。

主要參考圖1至圖4，燃料束200包含如上文所討論之複數個燃料棒210。各燃料棒210之一錐形或頸縮燃料棒區段220經接納於上端配件100中之一開口或腔室流動連接110中。在至少一個實施例中，頸縮燃料棒區段220可包含(例如)一單向閥或流體二極體。在任何情況下，燃料棒210與上端配件100中之腔室流動連接110單向流體連通。各燃料棒210之護套密封焊接或以其他方式固定至上端配件100之腔室流動連接110中。

在使用期間，自燃料棒210發射之裂變氣體自腔室流動連接110逸出至界定於上端配件100內之通道、毛細管或流動路徑130中。流動路徑130界定於上端配件100中，使得其等互連(即，流體地連接)定位於燃料棒210上方之腔室流動連接110之各者。流動路徑130在上端配件100中界定於燃料棒210之腔室流動連接110中間的平行列中。流動路徑130與在上端配件100中圍繞腔室流動連接110之周邊界定之一周邊通道或周邊流動路徑135互連。如圖2中所繪示，周邊流動路徑135形成一六邊形形狀。應瞭解，設想定位於腔室流動連接110中間且圍繞腔室流動連接110之周邊之流動路徑之不同陣列及/或圖案。例如，流動路徑130可包括一十字形圖案。在任何情況下，裂變氣體移動通過流動路徑130、135並經由上端配件100之中心處之一腔室集管連接140(參見圖7)移出上端配件100。換言之，上端配件100將燃料棒210之各者連結至一共同、中心連接 點(即，腔室集管連接140)。裂變氣體將自腔室集管連接140流動通過位於上端配件100上方之桅桿300，並進入槽或共同裂變氣體腔室400，如圖5及圖9中所展示。設想其他實施例，其中上端配件100將燃料棒210之各者連結至上端配件100內之不在燃料束200之中心之一共同收集區域。

再次參考圖5，桅桿300包括最外表面，該等最外表面經界定於一外直徑內，該外直徑小於涵蓋燃料束200之最外表面之外直徑及涵蓋共同腔室400之最外表面之外直徑。換言之，與共同裂變氣體腔室400及燃料束200之寬度相比，桅桿300在寬度方向上(例如，橫向於由桅桿300界定之一縱向軸LA)更小。有鑑於此，例如，桅桿300被視為一減小直徑桅桿。進一步言之，桅桿300包括界定於其中之將上端配件100之腔室集管連接140連接至共同腔室400之一管線或通道320。縱向軸LA沿桅桿300之通道320延伸且界定桅桿300之中心軸。在所繪示之實施例中，僅展示一個通道320，然而，設想具有一個以上通道之其他實施例。與燃料棒210中之核燃料材料流體連通之上端配件100之流動路徑130、135亦經由桅桿300之通道320與共同腔室400流體連通。在至少一個實施例中，共同腔室400位於具減小及/或停滯冷卻劑流之核反應爐之一區域內，因此容許其與一習知反應爐相比佔據一更大體積，如圖6中所繪示。

除上文此外，桅桿300容許反應爐冷卻劑在徑向方向(即，橫向於縱向軸LA)上流動至核反應爐之熱交換設備及反應爐冷卻劑泵。明確言之，桅桿300包括在燃料上方(即，在一噴嘴310內)之一流動區域，冷卻劑在其中自由地自燃料束200移出並進入反應爐之其他部分(諸如至主熱交換器及/或反應爐冷卻劑泵)中。更明確言之，桅桿300包括其底端(即，桅桿300最接近燃料束200之端)處之噴嘴310。噴嘴310定位於桅桿300及 燃料束200中間，如圖7中所繪示。

主要參考圖7，噴嘴310之外部係圓錐形且自燃料束200之外表面至桅桿300逐漸變細。噴嘴310包括內腔305，該等內腔305自最靠近燃料束200之一較寬部分朝向最靠近桅桿300之一較窄部分逐漸變細。例如，內腔305提供一區域為以在冷卻劑已離開燃料束200及上端配件100之後供冷卻劑在其內流動。內腔305定位於噴嘴310中，使得一中心圓錐部分340由內腔305界定。中心圓錐部分340自上端配件100向上延伸且包括界定於其中之通道320之一部分。噴嘴310包含繞桅桿300之噴嘴310徑向間隔開之開口或冷卻劑流動路徑330。在所繪示之實施例中，在噴嘴310中界定六個冷卻劑流動路徑330，然而可利用任何合適數目個冷卻劑流動路徑330。在冷卻劑已通過上端配件100中之開口或冷卻劑流動通道120之後，冷卻劑流動路徑330容許冷卻劑自噴嘴310逸出，如下文更詳細描述。

上端配件100可經製造成兩件，其中裂變氣體流動路徑130、135使用諸如加工、銑削、蝕刻及/或任何其他合適加工技術之方法形成於該等件之一者中。接著，將使用擴散結合或任何合適方法來固定一第二件以形成一整體、無縫上端配件或集管(諸如(例如)上端配件100)。用於製造上端配件100之其他方法包含(但不限於)增材製造或熔模鑄造。在至少一個實施例中，藉由將相等大小之徑向區段組合在一起來產生上端配件100。可經由焊接、結合或任何合適方法來組合徑向區段。

主要參考圖3及圖4，上端配件100包括冷卻劑流動通道120，該冷卻劑流動通道120容許冷卻劑自圍繞燃料束200之區域(即，在上端配件100下方)流動至上端配件100上方之區域。在所繪示之實施例 中，冷卻劑流動通道120經定大小及且經塑形以佔據燃料棒210之間的空間。然而，設想在上端配件100內具有不同圖案、陣列、形狀及大小之冷卻劑流動通道的其他實施例。在至少一個實施例中，冷卻劑流動通道120足夠大以防止堵塞問題或相對於一習知燃料總成上噴嘴明顯增加壓力損失。迄今為止之設計研究展示，相對於棒通道而言，>80%之流動面積；可與許多當前燃料噴嘴或混合格柵競爭之一值。

如上文所討論，在桅桿300之減小直徑區段內界定將燃料棒210之內部區域連結至共同腔室400之一或多個裂變氣體管線或通道320。上端配件100中之流動路徑130、135、上端配件100中之腔室集管連接140、桅桿300中之通道320及共同腔室400形成一氣體收集體積，該氣體收集體積經定大小以透過相對於一傳統燃料總成中之經組合腔室面積達成體積的200%至300%增加來達成腔室壓力的一顯著減小。減小腔室壓力減輕高燃料棒護套曝露以及在燃料加熱暫態及燃料移動(例如乾式提升等)期間之加壓之挑戰。至共同腔室400之通路、流動路徑及(若干)連接亦可具有一單向閥或若干閥以防止在損壞時回流至輸送管(例如通道320)。例如，單向閥可沿裂變氣體收集體積定位於任何點處及/或作為燃料棒210之部分。

使用習知燃料循環，功率密度、較高棒壓力及短暫停機之必要性使得乾式提升燃料補給(例如，在廢燃料總成沒有其等典型冷卻劑，僅由空氣或一些其他氣體進行冷卻之情況下提升之燃料補給)更具挑戰性。例如，習知燃料循環需要長容器內儲存時間用於用過燃料及/或將燃料與一定量之冷卻劑一起提升以增強冷卻；總體上使反應爐設計及燃料處置複雜化。明確言之，必須將燃料移動至反應爐容器內之一周邊位置且 接著進入一充滿冷卻劑之提升容器中。自此處可將其提升並轉移至一暫時保存位置或高衰減熱量廢燃料護箱。移動至此周邊位置需要：短總成，其等可在反應爐之冷卻劑池內彼此上下提升(因此需要昂貴的壓載物或閂鎖用於壓緊，即在鉛或其他快速反應爐中之特殊挑戰)；或全高度總成，其等必須在容器內挪移(shuffled)以便為移動待排出之燃料總成騰出空間並允許部分燃燒之總成放回原位。此挪移需要大量容器內儲存位置，從而驅使容器大小及反應爐內部複雜性之一顯著增加。此挪移中所需之許多移動亦增加時間及一燃料處置事故之機會。

本發明之至少一個態樣已承諾降低功率密度、棒內部壓力及停機時間壓力(例如，若在電廠之壽命期間發生一次或兩次燃料補給，則數月冷卻係可接受的)，使得自核心內部之燃料位置之直接、乾式提升可被執行至遮罩燃料補給桅桿中(且接著至乾式護箱中)。此不僅簡化燃料補給設備，而且使容器縮小並消除電廠中之其他燃料補給基礎設施。

主要參考圖9，繪示並排配置之來自圖5之複數個燃料總成500之一放大剖視部分。上端配件100及燃料束200位於各燃料總成500之管道510內之燃料總成500之第一部分中。燃料總成500使用一共同或共用裂變氣體腔室400，從而將氣體腔室自燃料棒210重新定位至位於燃料總成500之第二部分中之桅桿300上方之共同腔室400，該共同腔室400處於有效燃料及核心出口流動區域上方之容器之另外未使用體積中。為依與自然對流相容之一方式定位主熱交換器，必須將燃料浸沒在遠低於冷卻劑表面之處。共同腔室400之添加對總燃料長度幾乎沒有影響至沒有影響，同時容許有效核心區域高得多。此容許相對於一習知燃料設計之200%或更多的有效燃料質量增加。進一步言之，遠離有效核心區域移動之共同腔室 400減小吸收揮發性中子之裂變產物(諸如氙、釤、釓及其他者)對核心反應性之負面影響。

像一些其他快速反應爐設計一樣，此概念中之燃料總成結構可穿透冷卻劑之表面，因此極大地簡化處置。在至少一個實施例中，共同裂變氣體腔室400位置利用所需高度來拉出冷卻劑表面，因此有利地利用此額外長度及集合體以在燃料補給期間簡化識別及捕獲以及壓緊特徵。

圖10繪示圖5之燃料總成500之底端之一放大剖視部分。包括燃料棒210之燃料束200位於燃料總成500之管道510(即，燃料總成500之第一部分)中。燃料總成500之下端配件520包括一底部延伸部分530，該底部延伸部分530包含用於使冷卻劑進入之複數個入口孔540。例如，冷卻劑流動至入口孔540中，流動至下端配件520中，圍繞燃料束200中之燃料棒210流動通過上端配件100中之冷卻劑流動通道120並自桅桿300之噴嘴310中之冷卻劑流動路徑330流出。

在重液態金屬冷卻劑(諸如鉛或鉛-鉍)之情況下，上升高於液態金屬之一長燃料總成(諸如燃料總成500)容許更容易地壓緊燃料(註，在其中冷卻液比燃料更稠密之此等冷卻劑中，燃料有正浮力且易於漂浮)，而無複雜內部零件、閂鎖或昂貴壓載物。主要參考圖6，箭頭DF描繪施加至燃料總成(諸如燃料總成500)之向下垂直保持力。歸因於核心上方之位置及核心出口流動，裂變氣體將主要處於一相對較低溫度區域(即，相對於棒內溫度)中，因此在一給定釋放裂變氣體摩爾含量及燃料曝露下降低共同裂變氣體腔室之壓力。

共同裂變氣體腔室400由於其在容器之一大、未使用部分中之位置而具有比通常在燃料棒或其他概念中實際可行之一更大體積。進 一步言之，其相對於習知棒內裂變氣體腔室遠離最高注量區域(即核心)定位，因此降低裂變氣體壓力及對腔室壁之輻照損害；此增加針對破裂之機械裕度。

將共同裂變氣體腔室400定位成遠離流動冷卻劑流，因此減少與流動引起之腐蝕/侵蝕相關聯之材料選擇挑戰。

若一燃料棒210發生一洩漏，則來自洩漏之裂變氣體釋放將限於洩漏後產生之裂變氣體。燃料棒210中之止回閥(或流體二極體)及共同腔室400之入口將防止共同腔室400中之先前產生(及儲存)之裂變氣體洩漏至反應爐冷卻劑系統中。進一步言之，止回閥(或流體二極體)可防止在上端配件100之通道320、腔室集管連接140及/或流動路徑130、135中先前產生(及儲存)之裂變氣體洩漏至反應爐冷卻劑系統中。

本發明之至少一個態樣容許監測腔室壓力，其在採用個別燃料棒腔室之習知設計中係不切實際的。監測共同腔室壓力可容許識別含有洩漏燃料棒之燃料總成。

由於大腔室槽，減小壓力可減輕圍繞洩漏燃料總成之擔憂。另外，可設想地進行共同腔室之受控排氣/收集之能力可允許解決/減輕洩漏總成之其他方法。

由於在冷卻劑表面上方或附近之位置，一給定容器大小內之減小功率密度、較低棒壓力、燃料補給頻率不高以及易於燃料處置可在各位置處容許乾式提升燃料補給，從而大大降低此等系統之成本及電廠佈局/大小。相對於許多其他燃料補給方案，沒有冷卻劑內挪移之直接提取係一明顯簡化。

包含燃料元件210及上端配件100之將共同腔室400與有效 燃料區域(例如燃料束200)分開之一「切捏」方法(例如，類似於在鑽油平台防噴裝置中使用之方法)可用於減小直徑桅桿區段300中，即，在燃料總成500之第三部分中。「切捏」方法可簡化廢燃料或損壞總成之長期儲存；在容器中及在護箱中兩者。

燃料棒護套上之降低應力將促進超長燃料循環之實施，從而導致對用過燃料基礎設施之減小需求及在燃料補給操作期間對用過燃料之潛在轉向之減小擔憂。此等優勢特別適用於缺乏成熟燃料循環基礎設施/保障措施之國家之反應爐。

本發明之至少一個態樣容許可被放置於池式反應爐中之總燃料負載之一大量增加，降低裂變氣體壓力，且減輕採用液態金屬或鹽冷卻劑之池式電廠之燃料補給挑戰。其如此做，同時提供將燃料補給間隔延長至20年或更長之可能性。此允許一客戶避免購買預期頻繁使用之燃料補給設備，且因而，該設備係核島之一體部分。此簡化整體電廠佈局，在整體資本化週期(及更長時間)內提供保證燃料成本，減少所產生的廢燃料之體積，增加防擴散性，並簡化進入否則因缺乏成熟之燃料循環基礎設施/保障措施而受到挑戰之市場。將節省成本。其他優點將係明顯的。

在以下實例中闡述本文中所描述之標的之各個態樣。

實例1-一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之冷卻劑之一核反應爐中的燃料總成。該燃料總成包括一第一部分及一第二部分。該第一部分包括：一細長管道；一腔室集管連接，其包含形成於其中之複數個流動路徑；及複數個燃料元件，其等定位於該細長管內。各燃料元件包括一護套，該護套包含形成於其中之一內部區域。該內部區域包括位於其中之核燃料材料。該複數個燃料元件之該等內部區域與該複數個 流動路徑流體連通。該第二部分包括與該腔室集管連接之該複數個流動路徑流體連通之一共同裂變氣體腔室。該共同裂變氣體腔室定位於該容器之一另外未使用部分中。該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體。

實例2-實例1之燃料總成，其中該燃料總成經結構設計以具有施加至其之一保持力以抵抗由該冷卻劑施加至該燃料總成之一摩擦力、一形阻力及一浮力之至少一者且保持該冷卻劑內之該複數個燃料元件。

實例3-實例1或2之燃料總成，其中該燃料總成包括定位於該第一部分與該第二部分中間之一第三部分，且其中該第三部分包含將該第一部分及該第二部分放置為彼此流體連通之一通道。

實例4-實例3之燃料總成，其中該第一部分包括界定於一第一直徑內之一第一最外表面，其中該第二部分包括界定於一第二直徑內之一第二最外表面，且其中該第三部分包括界定於一第三直徑內之一第三最外表面，該第三直徑小於該第一直徑。

實例5-實例4之燃料總成，其中該第三直徑小於該第二直徑。

實例6-實例3、4或5之燃料總成，其中該共同裂變氣體腔室、該通道、該等流動路徑、該腔室集管連接及該複數個燃料元件之至少一者包含一止回閥，該止回閥阻止裂變氣體在自該共同裂變氣體腔室朝向該複數個燃料元件之一方向上流動。

實例7-實例6之燃料總成，其中該止回閥包括一流體二極體。

實例8-實例1、2、3、4、5、6或7之燃料總成，其中該腔室集管連接包括界定於其中之複數個冷卻劑流動通道。

實例9-實例3、4、5、6或7之燃料總成，其中該腔室集管連接進一步包括一中心收集通道，該中心收集通道經結構設計以將該腔室集管連接之該複數個流動路徑流體地連接至該第三部分之該通道。

實例10-一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之一冷卻劑之一核反應爐中的燃料總成。該燃料總成包括一燃料束、一腔室集管連接、一細長桅桿及一共同裂變氣體腔室。該燃料束包括複數個燃料元件。各燃料元件包括定位於其中之核燃料材料。該腔室集管連接包括界定於其中之複數個通路。該腔室集管連接定位於該燃料束上。該複數個通路與該核燃料材料流體連通。該細長桅桿自該燃料束延伸且包括一內部通道。該共同裂變氣體腔室自該細長桅桿延伸。該內部通道將該共同裂變氣體腔室連接至該腔室集管連接之該複數個通路，使得該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體。該共同裂變氣體腔室定位於該容器之一另外未使用部分中。

實例11-實例10之燃料總成，其中該燃料總成經結構設計以具有施加至其之一保持力以抵抗由該冷卻劑施加至該燃料總成之一摩擦力、一形阻力及一浮力之至少一者且保持位於該冷卻劑內之該複數個燃料元件。

實例12-實例10或11之燃料總成，其中該燃料束包括界定於一第一直徑內之一第一最外表面，其中該共同裂變氣體腔室包括界定於一第二直徑內之一第二最外表面，且其中該細長桅桿包括界定於一第三直 徑內之一第三最外表面，該第三直徑小於該第一直徑。

實例13-實例12之燃料總成，其中該第三直徑小於該第二直徑。

實例14-實例10、11、12或13之燃料總成，其中該共同裂變氣體腔室、該內部通道、該等通路、該腔室集管連接及該複數個燃料元件之至少一者包含一止回閥，該止回閥阻止裂變氣體在自該共同裂變氣體腔室朝向該複數個燃料元件之一方向上流動。

實例15-實例14之燃料總成，其中該止回閥包括一流體二極體。

實例16-實例10、11、12、13、14或15之燃料總成，其中該腔室集管連接進一步包括一中心收集通道，且其中該中心收集通道將該腔室集管連接之該複數個通路流體地連接至該細長桅桿之該內部通道。

實施例17-一種形成與一核反應爐中之一燃料總成一起使用之一裂變氣體腔室集管連接之方法。該燃料總成包含複數個燃料元件。該方法包括以下步驟：藉由加工、蝕刻或以其他方式移除一第一部分中之材料來形成流動通道；及將一第二部分擴散結合至該第一部分以形成一整體、無縫腔室集管連接，該腔室集管連接包括經結構設計以容許在維修期間自該燃料總成發射之裂變氣體在其中行進的內部流動通道。

實例18-實例17之方法，其進一步包括以下步驟：加工、蝕刻或以其他方式移除來自該整體、無縫腔室集管連接之材料以在其中形成複數個腔室流動連接，其中各腔室流動連接經結構設計以接納該燃料總成之該等燃料元件之一者之一端。

實例19-實例18之方法，其中該等內部流動通道與該複數 個腔室流動連接互連，使得該等內部流動通道及該複數個腔室流動連接彼此流體連通。

實施例20-實例18或19之方法，其進一步包括以下步驟：加工、蝕刻或以其他方式移除來自該腔室集管連接之材料以形成用於該核反應爐之冷卻劑之流動通道。

儘管已詳細描述特定實施例，但熟習此項技術者將瞭解，可鑑於本發明之整體教示來開發彼等細節之各種修改及替代且在不脫離所揭示概念之範疇的情況下，實例實施例之一或多者之選定元件可與來自其他實施例之一或多個元件組合。據此，所揭示之特定實施例僅意謂係繪示性的而非限制為將由隨附發明申請專利範圍及其等之任何及所有等效物之全部範圍給出的本發明之範疇。

熟習此項技術者將認識到，一般而言，本文中且尤其係在隨附發明申請專利範圍(例如，隨附發明申請專利範圍之主體)中所使用之術語通常意欲作為「開放性」術語(例如，術語「包含」應被解釋為「包含(但不限於)」，術語「具有」應被解釋為「至少具有」，術語「包含」應被解釋為「包含(但不限於)」等)。熟習此項技術者將進一步理解，若意欲一特定數目個所介紹發明申請專利範圍敘述，則將在發明申請專利範圍中明確敘述此一意圖，且在沒有此敘述之情況下，不存在此意圖。例如，為幫助理解，以下隨附發明申請專利範圍可含有使用介紹性片語「至少一個」及「一或多個」來介紹發明申請專利範圍敘述。然而，此等片語之使用不應被解釋為暗示由不定冠詞「一」或「一個」介紹一發明申請專利範圍敘述將含有此所介紹發明申請專利範圍敘述之任何特定發明申請專利範圍限制為僅含有一個此敘述之發明申請專利範圍，即使在相同發明申請專 利範圍包含介紹性片語「一或多個」或「至少一個」以及不定冠詞，諸如「一」或「一個」(例如，「一」及/或「一個」通常應被解釋為意謂「至少一個」或「一或多個」)時亦如此；使用用於介紹發明申請專利範圍敘述之定冠詞亦如此。

另外，即使明確敘述一特定數目個所介紹發明申請專利範圍敘述，熟習此項技術者將認識到，此敘述通常應被解釋為意謂至少所敘述之數目(例如，僅僅「兩個敘述」(沒有其他修飾語)之敘述通常意謂至少兩個敘述，或兩個或兩個以上敘述)。此外，在其中使用類似於「A、B及C等之至少一者」之一慣例之彼等例項中，通常此一構造意欲在熟習此項技術者將理解該慣例之意義上(例如，「具有A、B及C之至少一者之一系統」將包含(但不限於)單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A及B、具有A及C、具有B及C及/或具有A、B及C等之系統)。在其中使用類似於「A、B或C等之至少一者」之一慣例之彼等例項中，通常此一構造意欲在熟習此項技術者將理解該慣例之意義上(例如，「具有A、B或C之至少一者之一系統」將包含(但不限於)單獨具有A、單獨具有B、單獨具有C、具有A及B、具有A及C、具有B及C及/或具有A、B及C等之系統)。熟習此項技術者將進一步理解，通常無論在說明書、發明申請專利範圍或附圖中，呈現兩個或兩個以上替代術語之一轉折詞及/或片語應被理解為設想包含該等術語之一者、該等術語之一者或兩個術語之可能性，除非上下文另有指示。例如，片語「A或B」通常將被理解為包含「A」或「B」或「A及B」之可能性。

關於隨附發明申請專利範圍，熟習此項技術者將瞭解，其中之所敘述操作通常可以任何順序執行。而且，儘管以一(若干)序列呈現 各種操作流程圖，但應理解，可以與所繪示之順序不同之其他順序來執行各種操作，或可同時執行各種操作。此等替代排序之實例可包含重疊、交錯、間斷、重新排序、遞增、準備、補充、同時、反向或其他變體排序，除非上下文另有指示。此外，除非上下文另有指示，否則如「回應於」、「與...有關」或其他過去時形容詞之術語通常不旨在排除此等變體。

值得指注意的是，對「一個態樣」、「一態樣」、「一實例」、「一個實例」及類似者之任何引用意謂結合該態樣描述之一特定特徵、結構或特性被包含於至少一個態樣中。因此，在貫穿說明書各處出現片語「在一個態樣中」、「在一態樣中」、「在一實例中」及「在一個實例中」並不一定均指相同態樣。此外，特定特徵、結構或特性可在一或多個態樣中依任何合適方式組合。

在本說明書中引用及/或在任何申請資料表中列出之任何專利申請案、專利、非專利公開案或其他揭示材料在所併入材料與本文一致之程度上以引用的方式併入本文中。因而，且在必要程度上，本文中明確闡述之揭示內容取代以引用的方式併入本文中之任何衝突材料。據稱以引用的方式併入本文中但與本文中所闡述之現有定義、聲明或其他揭示材料衝突之任何材料或其部分將僅在不在所併入之材料與現有揭示材料之間產生衝突之程度上併入。

術語「包括」(及任何形式之包括，諸如「包括(comprises)」及「包括(comprising)」)、「具有」(及任何形式之具有，諸如「具有(has)」及「具有(having)」)、「包含」(及任何形式之包含，諸如「包含(includes)」及「包含(including)」)及「含有」(及任何形式之含有，諸如「含有(contains)」及「含有(containing)」)係開放式連結動 詞。因此，「包括」、「具有」、「包含」或「含有」一或多個元件之一系統擁有彼等一或多個元件，但不限於僅擁有彼等一或多個元件。同樣地，「包括」、「具有」、「包含」或「含有」一或多個特徵之一系統、裝置或設備之一元件擁有彼等一或多個特徵，但不限於僅擁有彼等一或多個特徵。

總之，已描述由於採用本文中所描述之概念而產生之眾多益處。為圖解說明及描述之目的，已呈現一或多個形式之前述描述。其不意欲窮舉或限制於所揭示之精確形式。鑑於以上教示，修改或變化係可行的。一或多個形式經選擇及描述以便繪示原理及實際應用以藉此使一般技術者能夠利用各種形式並如適合於所設想之特定用途而進行各種修改。意欲隨此提交之發明申請專利範圍界定整體範疇。

100:上端配件

200:有效燃料束

210:燃料元件或燃料棒

300:桅桿

310:噴嘴

320:管線或通道

400:共同裂變氣體腔室

500:燃料總成

510:管道

520:下端配件

LA:縱向軸

Claims (19)

1. 一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之冷卻劑之一核反應爐中的燃料總成，其中該燃料總成包括：一第一部分，其包括：一細長管道；一上端配件，其包括形成於其中之複數個流動路徑及與該複數個流動路徑流體連通之一腔室集管連接；及複數個燃料元件，其等定位於該細長管道內，其中各燃料元件包括一護套，該護套包含形成於其中之一內部區域，其中該內部區域包括位於其中之核燃料材料，且其中該複數個燃料元件之該等內部區域與該複數個流動路徑流體連通；及一第二部分，其包括與該複數個流動路徑及該上端配件之該腔室集管連接流體連通之一共同裂變氣體腔室，其中該共同裂變氣體腔室之至少一部分定位在位於該容器內之該冷卻劑之上方，且其中該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體。
2. 如請求項1之燃料總成，其中該燃料總成經結構設計以具有施加至其之一保持力以抵抗由該冷卻劑施加至該燃料總成之一摩擦力、一形阻力及一浮力之至少一者且保持該複數個燃料元件在該冷卻劑內。
3. 如請求項1之燃料總成，其中該燃料總成包括定位於該第一部分與該 第二部分中間之一第三部分，且其中該第三部分包含將該第一部分及該第二部分放置為彼此流體連通之一通道。
4. 如請求項3之燃料總成，其中該第一部分包括界定於一第一直徑內之一第一最外表面，其中該第二部分包括界定於一第二直徑內之一第二最外表面，且其中該第三部分包括界定於一第三直徑內之一第三最外表面，該第三直徑小於該第一直徑。
5. 如請求項4之燃料總成，其中該第三直徑小於該第二直徑。
6. 如請求項1之燃料總成，其中該上端配件包括界定於其中之複數個冷卻劑流動通道。
7. 如請求項3之燃料總成，其中該腔室集管連接經結構設計以將該上端配件之該複數個流動路徑流體地連接至該第三部分之該通道。
8. 一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之冷卻劑之一核反應爐中的燃料總成，其中該燃料總成包括：一第一部分，其包括：一細長管道；一上端配件，其包括形成於其中之複數個流動路徑及與該複數個流動路徑流體連通之一腔室集管連接；及複數個燃料元件，其等定位於該細長管道內，其中各燃料元件包 括一護套，該護套包含形成於其中之一內部區域，其中該內部區域包括位於其中之核燃料材料，且其中該複數個燃料元件之該等內部區域與該複數個流動路徑流體連通；及一第二部分，其包括與該複數個流動路徑及該上端配件之該腔室集管連接流體連通之一共同裂變氣體腔室，其中該共同裂變氣體腔室定位於該容器之一另外未使用部分中，其中該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體，其中該燃料總成包括定位於該第一部分與該第二部分中間之一第三部分，其中該第三部分包含使該第一部分及該第二部分處於彼此流體連通之一通道，其中該共同裂變氣體腔室、該通道、該等流動路徑、該腔室集管連接及該複數個燃料元件之至少一者包含一止回閥，該止回閥阻止裂變氣體在自該共同裂變氣體腔室朝向該複數個燃料元件之一方向上流動。
9. 如請求項8之燃料總成，其中該止回閥包括一流體二極體。
10. 一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之一冷卻劑之一核反應爐的燃料總成，該燃料總成包括：一燃料束，其包括複數個燃料元件，其中各燃料元件包括定位於其中之核燃料材料；一上端配件，其包括界定於其中之複數個通路及與該複數個通路流體連通之一腔室集管連接，其中該上端配件定位於該燃料束上，且其中該複數個通路與該核燃料材料流體連通；一細長桅桿，其定位於該上端配件上方，其中該細長桅桿包括一內 部通道，該內部通道與該上端配件之該腔室集管連接流體連通；及一共同裂變氣體腔室，其自該細長桅桿延伸，其中該內部通道將該共同裂變氣體腔室連接至該腔室集管連接，使得該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體，且其中該共同裂變氣體腔室之至少一部分定位在位於該容器內之該冷卻劑之上方。
11. 如請求項10之燃料總成，其中該燃料總成經結構設計以具有施加至其之一保持力以抵抗由該冷卻劑施加至該燃料總成之一摩擦力、一形阻力及一浮力之至少一者且保持該複數個燃料元件位於該冷卻劑內。
12. 如請求項10之燃料總成，其中該燃料束包括界定於一第一直徑內之一第一最外表面，其中該共同裂變氣體腔室包括界定於一第二直徑內之一第二最外表面，且其中該細長桅桿包括界定於一第三直徑內之一第三最外表面，該第三直徑小於該第一直徑。
13. 如請求項12之燃料總成，其中該第三直徑小於該第二直徑。
14. 如請求項10之燃料總成，其中該腔室集管連接將該上端配件之該複數個通路流體地連接至該細長桅桿之該內部通道。
15. 一種用於具有一容器且進一步具有位於該容器內之一冷卻劑之一核反應爐的燃料總成，該燃料總成包括： 一燃料束，其包括複數個燃料元件，其中各燃料元件包括定位於其中之核燃料材料；一上端配件，其包括界定於其中之複數個通路及與該複數個通路流體連通之一腔室集管連接，其中該上端配件定位於該燃料束上，且其中該複數個通路與該核燃料材料流體連通；一細長桅桿，其定位於該上端配件上方，其中該細長桅桿包括一內部通道，該內部通道與該上端配件之該腔室集管連接流體連通；及一共同裂變氣體腔室，其自該細長桅桿延伸，其中該內部通道將該共同裂變氣體腔室連接至該腔室集管連接，使得該共同裂變氣體腔室經結構設計以在該核反應爐之操作期間接納由該核燃料材料產生之一定量之裂變氣體，其中該共同裂變氣體腔室定位於該容器之一另外未使用部分中，其中該共同裂變氣體腔室、該內部通道、該等通路、該腔室集管連接及該複數個燃料元件之至少一者包含一止回閥，該止回閥阻止裂變氣體在自該共同裂變氣體腔室朝向該複數個燃料元件之一方向上流動。
16. 如請求項15之燃料總成，其中該止回閥包括一流體二極體。
17. 一種形成與一核反應爐中之一燃料總成一起使用之一集管之方法，其中該集管定位於該燃料總成之一上端配件上，其中該燃料總成包含複數個燃料元件，且其中該方法包括以下步驟：藉由加工、蝕刻或以其他方式移除一第一部分中之材料來形成裂變氣體流動通道；及將一第二部分擴散結合至該第一部分以形成一整體、無縫集管，該 集管包括經結構設計以容許在維修期間自該燃料總成發射之裂變氣體在其中行進的內部裂變氣體流動通道。
18. 如請求項17之方法，其進一步包括以下步驟：加工、蝕刻或以其他方式移除來自該整體、無縫集管之材料以在其中形成複數個腔室流動連接，其中該等內部裂變氣體流動通道與該複數個腔室流動連接相互流體連通，且其中各腔室流動連接經結構設計以接納該燃料總成之該等燃料元件之一者之一端。
19. 如請求項18之方法，其進一步包括以下步驟：加工、蝕刻或以其他方式移除來自該整體、無縫集管之材料以形成用於該核反應爐之冷卻劑之流動通道。

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