内部スペーサエレメントを使用する燃料棒の設計、およびそれを使用する方法
【課題】内部燃料要素スペーサを用いた燃料棒を使用することにより、棒の運転特性を操
作し、かつ／または燃料棒のフレッティングに伴う問題を低減すること。
【解決手段】実施形態例は、燃料要素スペーサ（２０）を使用する核燃料棒および／またはセグメント設計を含んでよい。燃料要素スペーサ（２０）は、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントの運転特性を操作し、かつ／あるいは、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントのフレッティングの影響を低減するために、燃料棒内および／またはセグメント内に間隔を置いて配置されてよい。例示の方法は、燃料要素（１６０）スペーサエレメントを有する、燃料棒および／またはセグメントを使用することを含み、このスペーサエレメントの間隔を調整することによって、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントの機械的、中性子的、および／または熱的性質に影響を与えるようにすることができる。
作し、かつ／または燃料棒のフレッティングに伴う問題を低減すること。
【解決手段】実施形態例は、燃料要素スペーサ（２０）を使用する核燃料棒および／またはセグメント設計を含んでよい。燃料要素スペーサ（２０）は、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントの運転特性を操作し、かつ／あるいは、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントのフレッティングの影響を低減するために、燃料棒内および／またはセグメント内に間隔を置いて配置されてよい。例示の方法は、燃料要素（１６０）スペーサエレメントを有する、燃料棒および／またはセグメントを使用することを含み、このスペーサエレメントの間隔を調整することによって、燃料棒（１８／１９）および／またはセグメントの機械的、中性子的、および／または熱的性質に影響を与えるようにすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね原子力発電プラントで使用される燃料構造体、および燃料構造体を使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に原子力発電プラントは、核分裂によって発電を行うために、燃料が配置された原子炉炉心を備える。燃料要素は、具体的な原子力発電プラントの運転条件に基づいて、種々の構成、および／または特性を有し得る。例えば、寸法、炉心に対する配置、他の燃料との相対的配置、濃縮度、燃料要素のタイプ、および燃料の形状は、全てプラントの運転パラメータに影響を及ぼす。米国の原子力発電プラントの共通的な設計では、複数の被覆された燃料棒内に燃料を配置し、それらを一緒に結束して、原子炉炉心内に配置される燃料集合体とする。
【０００３】
図１に示すように、ＢＷＲなどの従来の原子炉の燃料バンドル１０は、上部タイプレート１４と下部タイプレート１６とを囲繞する外側チャンネル１２を含んでよい。複数の全長燃料棒１８および／または部分長燃料棒１９は、棒１８、１９を所与の棒の格子に維持するために燃料バンドル１０内で格子状に配置され互いに垂直方向に離隔された複数のスペーサ（スペーサグリッドとしても知られている）２０を貫通してよい。
【０００４】
燃料棒１８および１９は、その底部から末端部まで概ね連続しており、全長燃料棒１８の場合、燃料棒は下部タイプレート１６から上部タイプレート１４まである。したがって被覆材と棒内の燃料要素も、概ね燃料棒１８または１９の全長にわたって連続している。
【０００５】
図２に示すように、燃料要素２１はペレット形の形状を成し、燃料棒１８または１９内に配置され得る。燃料ペレット２１は、燃料棒１８または１９の全長にわたって燃料を備えるように、燃料棒内に連続的に「積重（ｓｔａｃｋｅｄ）」されてよい。燃料ペレット２１を積重することにより、原子炉炉心の運転サイクル期間中に、燃料ペレット２１が膨張、またはその他の変形をすることが可能となる。さらに、ペレット２１と燃料棒１８または１９の内壁２３との間のギャップ２２は、原子炉運転中に燃料ペレット２１から生成される気体状核分裂生成物を収容する。ギャップ２２は真空であってもよいし、低圧のヘリウムなどの非反応性気体で充満してもよい。さらに、燃料棒端部にギャップ（図示せず）および／またはスプリング２４が設けられ、核分裂生成物の蓄積、およびペレットの変形を可能にしてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態例は、燃料棒の運転特性を操作し、かつ／または燃料棒のフレッティングに伴う問題を低減するための、内部燃料要素スペーサを使用する燃料棒設計、具体的には、燃料棒および／またはセグメント内に間隔を置いて配置された、特化された内部燃料要素スペーサを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態例の燃料要素スペーサは、棒の高さに従って種々の間隔で配置されてもよく、および／または棒端部のフレッティング領域を防護するために、棒の端部に集合させられてもよい。実施形態例はさらに、単独で連続的な燃料棒の代わりに、内部スペーサエレメントを有する燃料棒セグメントを使用することを含む。例示の方法は、燃料要素のスペーサエレメントを有する燃料棒、および／またはセグメントを使用することを含み、このスペーサエレメントの間隔を調整することによって、燃料棒セグメントの機械的、中性子的、または熱的性質に影響を与えるようにすることができる。
【０００８】
実施形態例は、添付する図面を参照して、その実施形態例を詳細に説明することにより、より明確になるであろう。図面では同じ要素は同じ参照番号で表され、図面は例示するためにのみ与えられており、したがって本明細書の実施形態例を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施形態例の詳細な例示的な実施形態が、本明細書に開示されている。しかし、本明細書に開示された具体的構造および機能の詳細は、実施形態例を説明することのみを目的とした代表的なものである。但し、実施形態例は多くの代替形態として具体化することが可能であり、本明細書に記述される実施形態例にのみ限定される、と解釈されるべきではない。
【００１０】
本明細書では、種々の要素を説明するために、第１の、第２の、などの用語が使用されることがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素を他から区別するためにのみ使用される。例えば、第１の要素を第２の要素と名付けてもよく、同様に、第２の要素を第１の要素と名付けても、実施形態例の範囲から逸脱しない。本明細書で用いられている「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する１つまたは複数の並び項目の、任意のかつ全ての組合せを含む。
【００１１】
１つの要素が別の要素に、「連結され（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「合体され（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「結合され（ｍａｔｅｄ）」、「取り付けられ（ａｔｔａｃｈｅｄ）」ている、または「固定され（ｆｉｘｅｄ）」ていると記された場合は、その要素が別の要素に直接、連結、または合体されているか、あるいは介在する要素が存在し得ることが理解されるであろう。対照的に、１つの要素が別の要素に「直接、連結されている」、または「直接、合体されている」と記された場合は、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の用語も、同様の方法で解釈されるべきである（例、「〜の間に」と「直接、〜の間に」、「〜に隣接する」と「直接、〜に隣接する」等）。
【００１２】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためにのみ使用され、実施形態例を限定することを意図していない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、そうでないことを明確に示さない限り、複数形も同様に含むものとする。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語が本明細書で使用された場合は、記述された特徴、整数、ステップ、運転、要素、および／または構成部品が存在することを示すが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、運転、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在を排除しないことを理解されたい。
【００１３】
いくつかの代替実施策において、示された機能／動作が図面に示されたものとは違う順序で起こり得ることにも留意されたい。例えば、連続して示された２つの図が、それに含まれる機能性／動作によって実際には、実質的に同時に行われ、あるいは逆の順に行われてもよい。
【００１４】
図３Ａおよび３Ｂは、実施形態例の燃料棒セグメントを例示する。図３Ａは、上部端栓１２０と下部端栓１３０の間の、複数の棒セグメント１１０を例示する。上部端栓１２０と下部端栓１３０は、既知のように、燃料バンドル１０（図１参照）の下部および上部タイプレート（図１参照）に結合するために、ねじまたは他の結合機構を備えてよい。隣接する棒セグメントは、別の棒セグメントを介して、または図３Ａの点線の円内にサブアセンブリ３００として示されたアダプタサブアセンブリを介して、互いに相互連結されてよい。特に、また以下でさらに詳細に説明されるように、点線の円内に示された隣接する棒セグメント１１０ａおよび１１０ｂの詳細な連結状態を具体的に図３Ｂに例示する。
【００１５】
実施形態例の棒セグメント１１０で形成された１つの棒アセンブリ１００のみが、図３Ａに示されているが、図３Ａに示された棒アセンブリ１００および棒セグメント１１０の１つまたは複数が、燃料バンドルに挿入されてよいことを理解されたい。例えば、棒アセンブリ１００は、図１の燃料バンドル１０内の１つまたは複数の燃料棒１８および１９と置換できる。
【００１６】
実施形態例の棒セグメント１１０は、上部端栓および下部端栓１２０および／または１３０の間で、互いに取り付けられてよく、それによって棒アセンブリ１００の軸方向の全長を形成する。実施形態例の棒セグメント１１０ａ、実施形態例の棒セグメント１１０ｂ、ならびに上部端栓１２０および下部端栓１３０の各一方は、棒アセンブリ１００の軸方向長さに沿った連結点において、直接、またはアダプタサブアセンブリ３００によって、連結され得る。図３Ａおよび３Ｂの実施形態では、少なくとも棒アセンブリがスペーサ２０と接触する箇所に、これらの連結点が軸方向に配置されている。３つのスペーサ２０およびアダプタサブアセンブリ３００のみが図３Ａに示されているが、燃料バンドル１０は１つまたは複数の棒アセンブリ１００を含むことが可能であり、各棒アセンブリは、少なくとも１つの実施形態例の棒セグメント１１０ａと、少なくとも１つの実施形態例の棒セグメント１１０ｂとを有し、任意の数のスペーサ２０の位置において、互いに、あるいはアダプタサブアセンブリ３００によって連結される。実施形態例の棒セグメント１１０ａおよび１１０ｂは、製造工程を容易にするために固定長のセグメントであってよい。代替案として、実施形態例の棒セグメントは、部分長棒の設計、および／または種々のスペーサ位置および寸法に対応するように、異なる長さを有してもよい。
【００１７】
実施形態例の棒セグメントは、耐腐食性で、他の原子炉構成部品と両立性のある材料で構成されてよい。例えば、実施形態例の棒セグメントの製造には、ジルコニウム合金が使用されてよい。実施形態例の燃料棒セグメントについて上記で説明してきたが、「棒セグメント」または「燃料棒セグメント」と称する場合には上記の説明が想起され、一方、単独で使用される「燃料棒」または「棒」は、背景技術の章で説明した連続的な棒を意味することが理解されるであろう。
【００１８】
図３Ｂに詳細に示すように、スペーサ２０は、アダプタサブアセンブリ３００の箇所で実質的にアダプタサブアセンブリ３００を覆うように、棒アセンブリ１００に接触してよい。その代わりに、棒セグメント１１０の間の連結点１１５で、燃料要素を含まない実施形態例の棒セグメント１１０が、他の実施形態例の棒セグメント１１０に接合してもよい。その結果、これらの点１１５における、棒セグメントに接触するスペーサ２０によるフレッティングの影響は解消されるか低減され得る。フレッティングはやはり起こり得るが、フレッティング磨耗は、燃料を含むセグメント１１０ａまたは１１０ｂではなく、アダプタサブアセンブリ３００、または燃料を含まない棒セグメントで起こり得る。したがって、これによって、実施形態例の棒セグメント１１０の内容物が原子炉冷却材へ放出される可能性が、解消または低減され得る。
【００１９】
図４は、実施形態例の棒セグメント１１０の断面図であり、棒セグメント１１０内の内部構造を示す。図４に示すように、中央部ハウジング１５０は棒セグメント内にあって、外側の被覆材１５１で密閉されている。第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂは、棒セグメント１１０の第１および第２の端部にそれぞれ配置され、中央部ハウジング１５０を封止する。結合構造物１４０ａおよび１４０ｂは、上述したように、棒セグメント１１０を他の棒セグメントを含む他の構造物に、取外し可能に結合させることを可能にする。
【００２０】
例示の棒セグメント１１０は、１つまたは複数の燃料要素１６０を中央部ハウジング１５０内に含んでよい。各燃料要素１６０は、セラミック酸化物などの適切な物理的な媒体の、ウランおよび／またはプルトニウムなどの１つまたは複数の核燃料を含んでよい。燃料要素１６０は、図４に示すように「ペレット」として形成されてよいが、球、六面体、などの他の物理的形状を用いてもよい。要素１６０は、棒セグメント１１０の縦軸方向に沿って積重体を形成するように、ハウジング１５０内で軸方向に配置されてよい。
【００２１】
例示の棒セグメント１１０は、１つまたは複数の内部スペーサエレメント１８０も中央部ハウジング１５０内に含み、それらはハウジング１５０内で任意の燃料要素１６０と同じ軸上に配置される。内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０内で、特定の軸方向の位置および／または離隔間隔に、燃料要素１６０を堅固に拘束する。
【００２２】
内部スペーサエレメント１８０は、例示の棒セグメント１１０の中に、種々の間隔で配置されてよい。以下で検討するように、内部スペーサエレメント１８０の配置により、例示の棒セグメントの中性子的特性および発熱特性に影響を与え、発熱限界を維持しつつ出力をより大きくできる。
【００２３】
例えば図４に示すように、内部スペーサエレメントは、第１の結合構造物１４０ａに向かって、第２の結合構造物１４０ｂよりもより頻度多く配置されてよい。このようにして、スペーサエレメント１８０が、第２の結合構造物１４０ｂに向かって（すなわち、棒セグメント１００の第２の端部に近づくにつれて）燃料濃度を増加させることにより、燃料濃度、それに伴う中性子束、および発熱特性を効果的に変化させることができる。
【００２４】
別の例として、運転中の原子炉炉心では図４の例示の棒１１０に沿って図に示された方向に、冷却材が流れ得る。図３Ｂに示すようにスペーサ２０は、上述のように、第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂの場所に、またはその近くに、配置されてよい。スペーサ２０はこのスペーサを貫通して流れる冷却材を混合し得る、そして冷却材が図４の矢印で示される方向に流れると、棒セグメント１１０の境界層に沿った位置では冷却材は混合しにくくなる。冷却材が図４に示す方向に流れて、スペーサ２０から離れ第２の結合構造物１４０ｂに近づくと、冷却材の対流熱伝達特性が減少する。したがって、冷却材が次のスペーサ２０に達する手前の、第１の結合構造物１４０ａの近くで、冷却材の混合が最も少なく、かつ冷却材が高温となり、不十分な熱伝達および限界出力比の違反が起こり得るリスクが最大となる。
【００２５】
図４に示す間隔で配置された内部スペーサエレメント１８０は、第１の結合構造物１４０ａ近くの燃料の量、および発熱量を効果的に減少させることができ、それによって、冷却材の混合がより少なく、および／または対流熱伝達ができなくなるに従い、必要な冷却材への熱伝達量を減少させる。したがって図４に示す間隔によって、棒セグメント１１０と冷却材との間の熱伝達の不足が防止または低減されることが可能となり、それによって実施形態例の棒セグメント１１０を使用する原子炉の効率が改善される。
【００２６】
同様に、図４に示すように実施形態例の燃料セグメントの端部に向かって配置された燃料要素１６０ａは、内部スペーサエレメント１８０で達成された軸方向の発熱形状に対する効果をさらに強化し補完するために、ウラン濃度がより高いまたはより低いような異なる燃料濃度を有してよい。
【００２７】
代替案として、全体的により効率的な炉心を実現するために、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０の中性子的特性、および／または発熱特性に影響を与える別の間隔で配置されてよく、また異なる間隔を有するセグメントが組み合わされてもよい。例えば、炉心内の非常に高い中性子束レベルの軸方向位置に配置された棒セグメント１１０は、その特定の軸方向位置において効果的に燃料含有量および中性子束を低減するために、より多くの内部スペーサエレメント１８０を含んでよい。スペーサエレメントによって改良された他の中性子的特性には、例えば実施形態例の燃料棒セグメントの水素対ウラン比、ならびに中性子吸収および散乱断面積などが含まれる。このようにして、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０を含む原子炉炉心内の中性子束に影響を与える、精密な機構を実現し得る。
【００２８】
内部スペーサエレメント１８０は、さらに実施形態例の棒セグメント１１０の機械的特性を改善することができる。上記で検討したように、第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂの近くに配置されたスペーサ２０は、セグメント１１０にフレッティングを起こすことがある。図５に示すように、内部スペーサエレメント１８０を、第１のおよび／または第２の結合構造物、１４０ａおよび／または１４０ｂに連続してかつ隣接して配置することにより、運転中に重なり合い、または滑動したスペーサ２０によって、核燃料を含む棒セグメント１１０がフレッティングされた場合に、セグメント１１０に含まれた燃料要素１６０の放出を防止または低減し得る。すなわち、スペーサエレメント１８０を追加することにより、たとえスペーサ２０が、燃料を内蔵する棒セグメント１１０を滑動し、さもなければ重なり合った場合でも、フレッティングが生じて燃料要素１６０またはその破片がフレッティング部を通して漏出することを低減し、または解消する長さを、スペーサ２０の周りにより長くもたらすことができる。このようにして、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０の機械的特性に影響を与え、および／または改善することができる。
【００２９】
内部スペーサエレメント１８０は、上述の機能を達成するために、種々の材料および物理的形状で形成することができる。内部スペーサエレメント１８０は、概ねハウジング１５０内に適合する寸法とされ、概ね燃料要素１６０の間の離隔間隔を堅固に維持する形状とされる。例えば、球、円柱、円板、平円盤（ｐｕｃｋ）、円環、立方体、六面体、および／またはトロイド（ｔｏｒｏｉｄ）は全て、上記で説明した離隔機能を達成するスペーサエレメント１８０の機能的形状として可能である。内部スペーサエレメント１８０は、概ね縦軸方向に堅固であって、それによって燃料要素１６０の間の一定の離隔間隔を維持する。内部スペーサエレメントは、燃料要素１６０と共に「浮いて（ｆｌｏａｔ）」よく、燃料要素の間の軸方向に相対的な変位は維持するが、内部スペーサエレメントおよび燃料要素はハウジングおよび燃料棒セグメントに対して移動可能とする。
【００３０】
図４に示すように、実施形態例の燃料棒は、燃料要素１６０および／またはスペーサエレメント１８０に圧縮力を加えるスプリングまたは抵抗要素１８５を含んでよい。このような抵抗要素１８５は、運転時の原子炉環境内でその弾性的および他の物理的性質を維持する材料で製造された、コイル、タブスプリングなどを含んでよい。抵抗要素１８５から与えられる圧縮力は、燃料サイクルの運転を通して、キャビティ１５０内での燃料要素１６０の形状および方向の変化に対応できる。
【００３１】
図６は、円環形状を有する例示の内部スペーサエレメント２８０を示す。円環形状の内部スペーサエレメント２８０は、燃料要素を軸方向に堅固に離隔し、核分裂気体生成物が円環部の中央部に充満することを可能にする。したがって図６に示す例示の内部スペーサエレメント２８０は、気体状、液体状、および／または固体状の核分裂生成物を収容するために追加された空間を、実施形態例の燃料棒セグメントに設けることが可能になるので、実施形態例の燃料棒セグメントは、これらの生成物を収容するために別の空間を必要とすることが少なくなり得る。さらに、円環部内への核分裂生成物の移行、特に気体状および液体状の核分裂生成物の移行を可能にするように、燃料ペレットが円環部への接近を遮断する場合には、アクセスホール２８１があってよい。このようにして、核分裂生成物はハウジングのギャップを通過して円環部内へ移行できる。
【００３２】
図７Ａは中実の円柱形状を有する例示の内部スペーサエレメント３８０を示す。中実の円柱形状の内部スペーサエレメント３８０は、燃料要素を軸方向に離隔し、さらに中実であることにより、実施形態例の棒セグメントを区画に分割することができる。上記で検討したように内部スペーサエレメント３８０は、区画分割を支援するために、実質的にハウジング１５０の内径２３（図２に示す）に接触してよい。例示のスペーサエレメント３８０は、中実の内部スペーサエレメント３８０を通過する核分裂生成物の移行が減少することにより、フレッティングした場合に核分裂生成物が実施形態例の棒セグメントの全体にわたって移行することを防止することができ、核分裂生成物の移動を低減することができる。
【００３３】
図７Ｂから７Ｄは、実施形態例の内部スペーサエレメントについて異なる表面構成を例示する。図７Ｂに示すように、実施形態例の内部スペーサエレメント３８１は、実施形態例の内部スペーサエレメント３８１を貫通して核分裂生成物を通過させずに、蓄積した核分裂生成物をその中に収容するように機械加工されたポケット３８４を、少なくともその面の１つに有してよい。図７Ｃは、実施形態例の内部スペーサエレメント３８２の軸方向の全長を貫通せずに、部分的に削孔された複数の孔３８５を有する、実施形態例の内部スペーサエレメント３８２を例示する。孔３８５は、例示の要素３８２を貫通して核分裂生成物を通過させずに蓄積された核分裂生成物を収容することが可能である。図７Ｄは、窪んだ／凹形の面を有する、別の実施形態例の内部スペーサエレメント３８３を例示する。窪んだ／凹形の面により、例示のスペーサエレメント３８３を貫通して核分裂生成物を通過させずに、核分裂生成物を凹部に蓄積することが可能となり得る。
【００３４】
内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の燃料セグメントにどのような影響を及ぼすかに基づいて、種々の材料から製造することができる。例えば、実効的な燃料濃度を低減するようにスペーサエレメントが設計される場合は、スペーサは、熱中性子吸収、および／または散乱断面積が従来の核燃料の値よりも小さい、例えば５バーン未満の材料から製造されてよい。これらの例示の内部スペーサエレメント１８０は、ジルコニウム、またはインコネルなどの全中性子断面積の小さいその他の剛性材料で製造されてよい。あるいは、スペーサエレメントは中性子束を吸収するために機能することが可能であり、その場合は熱中性子吸収断面積の大きい、例えばホウ素を含む材料で内部スペーサエレメントが形成されてよい。
【００３５】
内部スペーサエレメント１８０はさらに、ハウジング１５０の内壁２３に実質的に接触する材料で作られてよい。この材料は、堅固な軸方向の離隔および閉じ込めを実現するために、膨張性または抵抗性のものであってよく、それによってハウジング１５０を区画に分割して核分裂生成物の移行を防止または低減する。実施形態例の棒セグメントから燃料要素を放出せずに、フレッティング長さを増加させるような材料を、スペーサエレメントに使用してもよい。さらに実施形態例の棒セグメントの発熱特性に影響を及ぼすように、内部スペーサエレメント１８０は断熱性または伝熱性の材料で製造されてもよい。
【００３６】
図８は、燃料棒セグメント内でスペーサエレメントを使用する例示の方法を示す。ステップＳ１００に示すように、技術者、計算機ルーチン、および／または他の使用者が、特定の棒セグメントに対する所望の中性子的、機械的、および熱力的特性を、そのセグメントの炉心内位置に応じて決定する。例えば、炉心の頂部に向かってボイド発生とプルトニウム生成とを改善するために、技術者が、そのセグメントがより大きなボトムピークの軸方向束を発生することを所望することがある。Ｓ２００で、技術者、計算機ルーチン、または他の使用者は、運転時の原子炉炉心の特性と条件を考慮して、原子力の技術分野で既知の方法に従って、棒セグメント内の所望の燃料濃度および配置を計算する。ステップＳ３００で、計算された燃料濃度および配置を満たす離隔および相対的配置を達成するように、スペーサエレメントおよび燃料要素が燃料棒セグメント内に配置される。例示の方法が完了したあと、燃料棒セグメントは運転中の原子炉燃料炉心の所与の位置に配置されて、例示の方法内に入力された所望の特性を生成することが可能となる。
【００３７】
以上に説明した実施形態例および方法について、当業者は、日常的な実験を通して、それ以上の発明活動をすることなしに、実施形態例および方法の変更が可能であることを理解するであろう。例えば、棒セグメントに使用可能な内部スペーサエレメントについて開示したが、内部スペーサエレメントは、図１の１８および１９の単独で連続的な棒のような、任意の棒に使用されてよく、説明された燃料棒セグメント内の機能と同様の機能を、連続的な棒内で達成することが可能である。変更は、本実施形態例の精神と範囲から逸脱したものとはみなされず、当業者にとって明らかなそのような全ての改変は、添付する特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】連続的な棒を有する、従来技術による燃料集合体を例示する図である。
【図２】図１の従来技術による燃料棒を詳細に例示し、燃料棒内の燃料要素および付随する空間を示す図である。
【図３Ａ】実施形態例の燃料棒セグメントおよびスペーサを例示する図である。
【図３Ｂ】図３Ａのスペーサおよび実施形態例のセグメント化された棒の詳細図である。
【図４】実施形態例の燃料棒セグメントの断面図である。
【図５】別の実施形態例の燃料棒セグメントの断面図である。
【図６】燃料スペーサエレメントを例示する図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは種々の燃料スペーサエレメントを例示する図である。
【図８】燃料棒セグメントを使用する例示の方法のステップを示す流れ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 燃料バンドル
１２ 外側チャンネル
１４ 上部タイプレート
１６ 下部タイプレート
１８ 全長燃料棒
１９ 部分長燃料棒
２０ スペーサ
２１ 燃料ペレット
２２ ギャップ
２３ 内壁
２４ スプリング
１００ 燃料棒アセンブリ
１１０ 燃料棒セグメント
１１５ 連結点
１２０ 上部端栓
１３０ 下部端栓
１４０ 結合構造物
１５０ 中央部ハウジング
１６０ 燃料要素
１８０ 内部スペーサエレメント
１８５ 抵抗要素
２８０ 内部スペーサエレメント
２８１ アクセスホール
３００ アダプタサブアセンブリ
３８０ 内部スペーサエレメント
３８１ 内部スペーサエレメント
３８２ 内部スペーサエレメント
３８３ 内部スペーサエレメント
３８４ ポケット
３８５ 孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概ね原子力発電プラントで使用される燃料構造体、および燃料構造体を使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に原子力発電プラントは、核分裂によって発電を行うために、燃料が配置された原子炉炉心を備える。燃料要素は、具体的な原子力発電プラントの運転条件に基づいて、種々の構成、および／または特性を有し得る。例えば、寸法、炉心に対する配置、他の燃料との相対的配置、濃縮度、燃料要素のタイプ、および燃料の形状は、全てプラントの運転パラメータに影響を及ぼす。米国の原子力発電プラントの共通的な設計では、複数の被覆された燃料棒内に燃料を配置し、それらを一緒に結束して、原子炉炉心内に配置される燃料集合体とする。
【０００３】
図１に示すように、ＢＷＲなどの従来の原子炉の燃料バンドル１０は、上部タイプレート１４と下部タイプレート１６とを囲繞する外側チャンネル１２を含んでよい。複数の全長燃料棒１８および／または部分長燃料棒１９は、棒１８、１９を所与の棒の格子に維持するために燃料バンドル１０内で格子状に配置され互いに垂直方向に離隔された複数のスペーサ（スペーサグリッドとしても知られている）２０を貫通してよい。
【０００４】
燃料棒１８および１９は、その底部から末端部まで概ね連続しており、全長燃料棒１８の場合、燃料棒は下部タイプレート１６から上部タイプレート１４まである。したがって被覆材と棒内の燃料要素も、概ね燃料棒１８または１９の全長にわたって連続している。
【０００５】
図２に示すように、燃料要素２１はペレット形の形状を成し、燃料棒１８または１９内に配置され得る。燃料ペレット２１は、燃料棒１８または１９の全長にわたって燃料を備えるように、燃料棒内に連続的に「積重（ｓｔａｃｋｅｄ）」されてよい。燃料ペレット２１を積重することにより、原子炉炉心の運転サイクル期間中に、燃料ペレット２１が膨張、またはその他の変形をすることが可能となる。さらに、ペレット２１と燃料棒１８または１９の内壁２３との間のギャップ２２は、原子炉運転中に燃料ペレット２１から生成される気体状核分裂生成物を収容する。ギャップ２２は真空であってもよいし、低圧のヘリウムなどの非反応性気体で充満してもよい。さらに、燃料棒端部にギャップ（図示せず）および／またはスプリング２４が設けられ、核分裂生成物の蓄積、およびペレットの変形を可能にしてもよい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態例は、燃料棒の運転特性を操作し、かつ／または燃料棒のフレッティングに伴う問題を低減するための、内部燃料要素スペーサを使用する燃料棒設計、具体的には、燃料棒および／またはセグメント内に間隔を置いて配置された、特化された内部燃料要素スペーサを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態例の燃料要素スペーサは、棒の高さに従って種々の間隔で配置されてもよく、および／または棒端部のフレッティング領域を防護するために、棒の端部に集合させられてもよい。実施形態例はさらに、単独で連続的な燃料棒の代わりに、内部スペーサエレメントを有する燃料棒セグメントを使用することを含む。例示の方法は、燃料要素のスペーサエレメントを有する燃料棒、および／またはセグメントを使用することを含み、このスペーサエレメントの間隔を調整することによって、燃料棒セグメントの機械的、中性子的、または熱的性質に影響を与えるようにすることができる。
【０００８】
実施形態例は、添付する図面を参照して、その実施形態例を詳細に説明することにより、より明確になるであろう。図面では同じ要素は同じ参照番号で表され、図面は例示するためにのみ与えられており、したがって本明細書の実施形態例を限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施形態例の詳細な例示的な実施形態が、本明細書に開示されている。しかし、本明細書に開示された具体的構造および機能の詳細は、実施形態例を説明することのみを目的とした代表的なものである。但し、実施形態例は多くの代替形態として具体化することが可能であり、本明細書に記述される実施形態例にのみ限定される、と解釈されるべきではない。
【００１０】
本明細書では、種々の要素を説明するために、第１の、第２の、などの用語が使用されることがあるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでないことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素を他から区別するためにのみ使用される。例えば、第１の要素を第２の要素と名付けてもよく、同様に、第２の要素を第１の要素と名付けても、実施形態例の範囲から逸脱しない。本明細書で用いられている「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」という用語は、関連する１つまたは複数の並び項目の、任意のかつ全ての組合せを含む。
【００１１】
１つの要素が別の要素に、「連結され（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、「合体され（ｃｏｕｐｌｅｄ）」、「結合され（ｍａｔｅｄ）」、「取り付けられ（ａｔｔａｃｈｅｄ）」ている、または「固定され（ｆｉｘｅｄ）」ていると記された場合は、その要素が別の要素に直接、連結、または合体されているか、あるいは介在する要素が存在し得ることが理解されるであろう。対照的に、１つの要素が別の要素に「直接、連結されている」、または「直接、合体されている」と記された場合は、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の用語も、同様の方法で解釈されるべきである（例、「〜の間に」と「直接、〜の間に」、「〜に隣接する」と「直接、〜に隣接する」等）。
【００１２】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的のためにのみ使用され、実施形態例を限定することを意図していない。本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、そうでないことを明確に示さない限り、複数形も同様に含むものとする。さらに、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語が本明細書で使用された場合は、記述された特徴、整数、ステップ、運転、要素、および／または構成部品が存在することを示すが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、運転、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在を排除しないことを理解されたい。
【００１３】
いくつかの代替実施策において、示された機能／動作が図面に示されたものとは違う順序で起こり得ることにも留意されたい。例えば、連続して示された２つの図が、それに含まれる機能性／動作によって実際には、実質的に同時に行われ、あるいは逆の順に行われてもよい。
【００１４】
図３Ａおよび３Ｂは、実施形態例の燃料棒セグメントを例示する。図３Ａは、上部端栓１２０と下部端栓１３０の間の、複数の棒セグメント１１０を例示する。上部端栓１２０と下部端栓１３０は、既知のように、燃料バンドル１０（図１参照）の下部および上部タイプレート（図１参照）に結合するために、ねじまたは他の結合機構を備えてよい。隣接する棒セグメントは、別の棒セグメントを介して、または図３Ａの点線の円内にサブアセンブリ３００として示されたアダプタサブアセンブリを介して、互いに相互連結されてよい。特に、また以下でさらに詳細に説明されるように、点線の円内に示された隣接する棒セグメント１１０ａおよび１１０ｂの詳細な連結状態を具体的に図３Ｂに例示する。
【００１５】
実施形態例の棒セグメント１１０で形成された１つの棒アセンブリ１００のみが、図３Ａに示されているが、図３Ａに示された棒アセンブリ１００および棒セグメント１１０の１つまたは複数が、燃料バンドルに挿入されてよいことを理解されたい。例えば、棒アセンブリ１００は、図１の燃料バンドル１０内の１つまたは複数の燃料棒１８および１９と置換できる。
【００１６】
実施形態例の棒セグメント１１０は、上部端栓および下部端栓１２０および／または１３０の間で、互いに取り付けられてよく、それによって棒アセンブリ１００の軸方向の全長を形成する。実施形態例の棒セグメント１１０ａ、実施形態例の棒セグメント１１０ｂ、ならびに上部端栓１２０および下部端栓１３０の各一方は、棒アセンブリ１００の軸方向長さに沿った連結点において、直接、またはアダプタサブアセンブリ３００によって、連結され得る。図３Ａおよび３Ｂの実施形態では、少なくとも棒アセンブリがスペーサ２０と接触する箇所に、これらの連結点が軸方向に配置されている。３つのスペーサ２０およびアダプタサブアセンブリ３００のみが図３Ａに示されているが、燃料バンドル１０は１つまたは複数の棒アセンブリ１００を含むことが可能であり、各棒アセンブリは、少なくとも１つの実施形態例の棒セグメント１１０ａと、少なくとも１つの実施形態例の棒セグメント１１０ｂとを有し、任意の数のスペーサ２０の位置において、互いに、あるいはアダプタサブアセンブリ３００によって連結される。実施形態例の棒セグメント１１０ａおよび１１０ｂは、製造工程を容易にするために固定長のセグメントであってよい。代替案として、実施形態例の棒セグメントは、部分長棒の設計、および／または種々のスペーサ位置および寸法に対応するように、異なる長さを有してもよい。
【００１７】
実施形態例の棒セグメントは、耐腐食性で、他の原子炉構成部品と両立性のある材料で構成されてよい。例えば、実施形態例の棒セグメントの製造には、ジルコニウム合金が使用されてよい。実施形態例の燃料棒セグメントについて上記で説明してきたが、「棒セグメント」または「燃料棒セグメント」と称する場合には上記の説明が想起され、一方、単独で使用される「燃料棒」または「棒」は、背景技術の章で説明した連続的な棒を意味することが理解されるであろう。
【００１８】
図３Ｂに詳細に示すように、スペーサ２０は、アダプタサブアセンブリ３００の箇所で実質的にアダプタサブアセンブリ３００を覆うように、棒アセンブリ１００に接触してよい。その代わりに、棒セグメント１１０の間の連結点１１５で、燃料要素を含まない実施形態例の棒セグメント１１０が、他の実施形態例の棒セグメント１１０に接合してもよい。その結果、これらの点１１５における、棒セグメントに接触するスペーサ２０によるフレッティングの影響は解消されるか低減され得る。フレッティングはやはり起こり得るが、フレッティング磨耗は、燃料を含むセグメント１１０ａまたは１１０ｂではなく、アダプタサブアセンブリ３００、または燃料を含まない棒セグメントで起こり得る。したがって、これによって、実施形態例の棒セグメント１１０の内容物が原子炉冷却材へ放出される可能性が、解消または低減され得る。
【００１９】
図４は、実施形態例の棒セグメント１１０の断面図であり、棒セグメント１１０内の内部構造を示す。図４に示すように、中央部ハウジング１５０は棒セグメント内にあって、外側の被覆材１５１で密閉されている。第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂは、棒セグメント１１０の第１および第２の端部にそれぞれ配置され、中央部ハウジング１５０を封止する。結合構造物１４０ａおよび１４０ｂは、上述したように、棒セグメント１１０を他の棒セグメントを含む他の構造物に、取外し可能に結合させることを可能にする。
【００２０】
例示の棒セグメント１１０は、１つまたは複数の燃料要素１６０を中央部ハウジング１５０内に含んでよい。各燃料要素１６０は、セラミック酸化物などの適切な物理的な媒体の、ウランおよび／またはプルトニウムなどの１つまたは複数の核燃料を含んでよい。燃料要素１６０は、図４に示すように「ペレット」として形成されてよいが、球、六面体、などの他の物理的形状を用いてもよい。要素１６０は、棒セグメント１１０の縦軸方向に沿って積重体を形成するように、ハウジング１５０内で軸方向に配置されてよい。
【００２１】
例示の棒セグメント１１０は、１つまたは複数の内部スペーサエレメント１８０も中央部ハウジング１５０内に含み、それらはハウジング１５０内で任意の燃料要素１６０と同じ軸上に配置される。内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０内で、特定の軸方向の位置および／または離隔間隔に、燃料要素１６０を堅固に拘束する。
【００２２】
内部スペーサエレメント１８０は、例示の棒セグメント１１０の中に、種々の間隔で配置されてよい。以下で検討するように、内部スペーサエレメント１８０の配置により、例示の棒セグメントの中性子的特性および発熱特性に影響を与え、発熱限界を維持しつつ出力をより大きくできる。
【００２３】
例えば図４に示すように、内部スペーサエレメントは、第１の結合構造物１４０ａに向かって、第２の結合構造物１４０ｂよりもより頻度多く配置されてよい。このようにして、スペーサエレメント１８０が、第２の結合構造物１４０ｂに向かって（すなわち、棒セグメント１００の第２の端部に近づくにつれて）燃料濃度を増加させることにより、燃料濃度、それに伴う中性子束、および発熱特性を効果的に変化させることができる。
【００２４】
別の例として、運転中の原子炉炉心では図４の例示の棒１１０に沿って図に示された方向に、冷却材が流れ得る。図３Ｂに示すようにスペーサ２０は、上述のように、第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂの場所に、またはその近くに、配置されてよい。スペーサ２０はこのスペーサを貫通して流れる冷却材を混合し得る、そして冷却材が図４の矢印で示される方向に流れると、棒セグメント１１０の境界層に沿った位置では冷却材は混合しにくくなる。冷却材が図４に示す方向に流れて、スペーサ２０から離れ第２の結合構造物１４０ｂに近づくと、冷却材の対流熱伝達特性が減少する。したがって、冷却材が次のスペーサ２０に達する手前の、第１の結合構造物１４０ａの近くで、冷却材の混合が最も少なく、かつ冷却材が高温となり、不十分な熱伝達および限界出力比の違反が起こり得るリスクが最大となる。
【００２５】
図４に示す間隔で配置された内部スペーサエレメント１８０は、第１の結合構造物１４０ａ近くの燃料の量、および発熱量を効果的に減少させることができ、それによって、冷却材の混合がより少なく、および／または対流熱伝達ができなくなるに従い、必要な冷却材への熱伝達量を減少させる。したがって図４に示す間隔によって、棒セグメント１１０と冷却材との間の熱伝達の不足が防止または低減されることが可能となり、それによって実施形態例の棒セグメント１１０を使用する原子炉の効率が改善される。
【００２６】
同様に、図４に示すように実施形態例の燃料セグメントの端部に向かって配置された燃料要素１６０ａは、内部スペーサエレメント１８０で達成された軸方向の発熱形状に対する効果をさらに強化し補完するために、ウラン濃度がより高いまたはより低いような異なる燃料濃度を有してよい。
【００２７】
代替案として、全体的により効率的な炉心を実現するために、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０の中性子的特性、および／または発熱特性に影響を与える別の間隔で配置されてよく、また異なる間隔を有するセグメントが組み合わされてもよい。例えば、炉心内の非常に高い中性子束レベルの軸方向位置に配置された棒セグメント１１０は、その特定の軸方向位置において効果的に燃料含有量および中性子束を低減するために、より多くの内部スペーサエレメント１８０を含んでよい。スペーサエレメントによって改良された他の中性子的特性には、例えば実施形態例の燃料棒セグメントの水素対ウラン比、ならびに中性子吸収および散乱断面積などが含まれる。このようにして、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０を含む原子炉炉心内の中性子束に影響を与える、精密な機構を実現し得る。
【００２８】
内部スペーサエレメント１８０は、さらに実施形態例の棒セグメント１１０の機械的特性を改善することができる。上記で検討したように、第１および第２の結合構造物１４０ａおよび１４０ｂの近くに配置されたスペーサ２０は、セグメント１１０にフレッティングを起こすことがある。図５に示すように、内部スペーサエレメント１８０を、第１のおよび／または第２の結合構造物、１４０ａおよび／または１４０ｂに連続してかつ隣接して配置することにより、運転中に重なり合い、または滑動したスペーサ２０によって、核燃料を含む棒セグメント１１０がフレッティングされた場合に、セグメント１１０に含まれた燃料要素１６０の放出を防止または低減し得る。すなわち、スペーサエレメント１８０を追加することにより、たとえスペーサ２０が、燃料を内蔵する棒セグメント１１０を滑動し、さもなければ重なり合った場合でも、フレッティングが生じて燃料要素１６０またはその破片がフレッティング部を通して漏出することを低減し、または解消する長さを、スペーサ２０の周りにより長くもたらすことができる。このようにして、内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の棒セグメント１１０の機械的特性に影響を与え、および／または改善することができる。
【００２９】
内部スペーサエレメント１８０は、上述の機能を達成するために、種々の材料および物理的形状で形成することができる。内部スペーサエレメント１８０は、概ねハウジング１５０内に適合する寸法とされ、概ね燃料要素１６０の間の離隔間隔を堅固に維持する形状とされる。例えば、球、円柱、円板、平円盤（ｐｕｃｋ）、円環、立方体、六面体、および／またはトロイド（ｔｏｒｏｉｄ）は全て、上記で説明した離隔機能を達成するスペーサエレメント１８０の機能的形状として可能である。内部スペーサエレメント１８０は、概ね縦軸方向に堅固であって、それによって燃料要素１６０の間の一定の離隔間隔を維持する。内部スペーサエレメントは、燃料要素１６０と共に「浮いて（ｆｌｏａｔ）」よく、燃料要素の間の軸方向に相対的な変位は維持するが、内部スペーサエレメントおよび燃料要素はハウジングおよび燃料棒セグメントに対して移動可能とする。
【００３０】
図４に示すように、実施形態例の燃料棒は、燃料要素１６０および／またはスペーサエレメント１８０に圧縮力を加えるスプリングまたは抵抗要素１８５を含んでよい。このような抵抗要素１８５は、運転時の原子炉環境内でその弾性的および他の物理的性質を維持する材料で製造された、コイル、タブスプリングなどを含んでよい。抵抗要素１８５から与えられる圧縮力は、燃料サイクルの運転を通して、キャビティ１５０内での燃料要素１６０の形状および方向の変化に対応できる。
【００３１】
図６は、円環形状を有する例示の内部スペーサエレメント２８０を示す。円環形状の内部スペーサエレメント２８０は、燃料要素を軸方向に堅固に離隔し、核分裂気体生成物が円環部の中央部に充満することを可能にする。したがって図６に示す例示の内部スペーサエレメント２８０は、気体状、液体状、および／または固体状の核分裂生成物を収容するために追加された空間を、実施形態例の燃料棒セグメントに設けることが可能になるので、実施形態例の燃料棒セグメントは、これらの生成物を収容するために別の空間を必要とすることが少なくなり得る。さらに、円環部内への核分裂生成物の移行、特に気体状および液体状の核分裂生成物の移行を可能にするように、燃料ペレットが円環部への接近を遮断する場合には、アクセスホール２８１があってよい。このようにして、核分裂生成物はハウジングのギャップを通過して円環部内へ移行できる。
【００３２】
図７Ａは中実の円柱形状を有する例示の内部スペーサエレメント３８０を示す。中実の円柱形状の内部スペーサエレメント３８０は、燃料要素を軸方向に離隔し、さらに中実であることにより、実施形態例の棒セグメントを区画に分割することができる。上記で検討したように内部スペーサエレメント３８０は、区画分割を支援するために、実質的にハウジング１５０の内径２３（図２に示す）に接触してよい。例示のスペーサエレメント３８０は、中実の内部スペーサエレメント３８０を通過する核分裂生成物の移行が減少することにより、フレッティングした場合に核分裂生成物が実施形態例の棒セグメントの全体にわたって移行することを防止することができ、核分裂生成物の移動を低減することができる。
【００３３】
図７Ｂから７Ｄは、実施形態例の内部スペーサエレメントについて異なる表面構成を例示する。図７Ｂに示すように、実施形態例の内部スペーサエレメント３８１は、実施形態例の内部スペーサエレメント３８１を貫通して核分裂生成物を通過させずに、蓄積した核分裂生成物をその中に収容するように機械加工されたポケット３８４を、少なくともその面の１つに有してよい。図７Ｃは、実施形態例の内部スペーサエレメント３８２の軸方向の全長を貫通せずに、部分的に削孔された複数の孔３８５を有する、実施形態例の内部スペーサエレメント３８２を例示する。孔３８５は、例示の要素３８２を貫通して核分裂生成物を通過させずに蓄積された核分裂生成物を収容することが可能である。図７Ｄは、窪んだ／凹形の面を有する、別の実施形態例の内部スペーサエレメント３８３を例示する。窪んだ／凹形の面により、例示のスペーサエレメント３８３を貫通して核分裂生成物を通過させずに、核分裂生成物を凹部に蓄積することが可能となり得る。
【００３４】
内部スペーサエレメント１８０は、実施形態例の燃料セグメントにどのような影響を及ぼすかに基づいて、種々の材料から製造することができる。例えば、実効的な燃料濃度を低減するようにスペーサエレメントが設計される場合は、スペーサは、熱中性子吸収、および／または散乱断面積が従来の核燃料の値よりも小さい、例えば５バーン未満の材料から製造されてよい。これらの例示の内部スペーサエレメント１８０は、ジルコニウム、またはインコネルなどの全中性子断面積の小さいその他の剛性材料で製造されてよい。あるいは、スペーサエレメントは中性子束を吸収するために機能することが可能であり、その場合は熱中性子吸収断面積の大きい、例えばホウ素を含む材料で内部スペーサエレメントが形成されてよい。
【００３５】
内部スペーサエレメント１８０はさらに、ハウジング１５０の内壁２３に実質的に接触する材料で作られてよい。この材料は、堅固な軸方向の離隔および閉じ込めを実現するために、膨張性または抵抗性のものであってよく、それによってハウジング１５０を区画に分割して核分裂生成物の移行を防止または低減する。実施形態例の棒セグメントから燃料要素を放出せずに、フレッティング長さを増加させるような材料を、スペーサエレメントに使用してもよい。さらに実施形態例の棒セグメントの発熱特性に影響を及ぼすように、内部スペーサエレメント１８０は断熱性または伝熱性の材料で製造されてもよい。
【００３６】
図８は、燃料棒セグメント内でスペーサエレメントを使用する例示の方法を示す。ステップＳ１００に示すように、技術者、計算機ルーチン、および／または他の使用者が、特定の棒セグメントに対する所望の中性子的、機械的、および熱力的特性を、そのセグメントの炉心内位置に応じて決定する。例えば、炉心の頂部に向かってボイド発生とプルトニウム生成とを改善するために、技術者が、そのセグメントがより大きなボトムピークの軸方向束を発生することを所望することがある。Ｓ２００で、技術者、計算機ルーチン、または他の使用者は、運転時の原子炉炉心の特性と条件を考慮して、原子力の技術分野で既知の方法に従って、棒セグメント内の所望の燃料濃度および配置を計算する。ステップＳ３００で、計算された燃料濃度および配置を満たす離隔および相対的配置を達成するように、スペーサエレメントおよび燃料要素が燃料棒セグメント内に配置される。例示の方法が完了したあと、燃料棒セグメントは運転中の原子炉燃料炉心の所与の位置に配置されて、例示の方法内に入力された所望の特性を生成することが可能となる。
【００３７】
以上に説明した実施形態例および方法について、当業者は、日常的な実験を通して、それ以上の発明活動をすることなしに、実施形態例および方法の変更が可能であることを理解するであろう。例えば、棒セグメントに使用可能な内部スペーサエレメントについて開示したが、内部スペーサエレメントは、図１の１８および１９の単独で連続的な棒のような、任意の棒に使用されてよく、説明された燃料棒セグメント内の機能と同様の機能を、連続的な棒内で達成することが可能である。変更は、本実施形態例の精神と範囲から逸脱したものとはみなされず、当業者にとって明らかなそのような全ての改変は、添付する特許請求の範囲に含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】連続的な棒を有する、従来技術による燃料集合体を例示する図である。
【図２】図１の従来技術による燃料棒を詳細に例示し、燃料棒内の燃料要素および付随する空間を示す図である。
【図３Ａ】実施形態例の燃料棒セグメントおよびスペーサを例示する図である。
【図３Ｂ】図３Ａのスペーサおよび実施形態例のセグメント化された棒の詳細図である。
【図４】実施形態例の燃料棒セグメントの断面図である。
【図５】別の実施形態例の燃料棒セグメントの断面図である。
【図６】燃料スペーサエレメントを例示する図である。
【図７】図７Ａ〜図７Ｄは種々の燃料スペーサエレメントを例示する図である。
【図８】燃料棒セグメントを使用する例示の方法のステップを示す流れ図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 燃料バンドル
１２ 外側チャンネル
１４ 上部タイプレート
１６ 下部タイプレート
１８ 全長燃料棒
１９ 部分長燃料棒
２０ スペーサ
２１ 燃料ペレット
２２ ギャップ
２３ 内壁
２４ スプリング
１００ 燃料棒アセンブリ
１１０ 燃料棒セグメント
１１５ 連結点
１２０ 上部端栓
１３０ 下部端栓
１４０ 結合構造物
１５０ 中央部ハウジング
１６０ 燃料要素
１８０ 内部スペーサエレメント
１８５ 抵抗要素
２８０ 内部スペーサエレメント
２８１ アクセスホール
３００ アダプタサブアセンブリ
３８０ 内部スペーサエレメント
３８１ 内部スペーサエレメント
３８２ 内部スペーサエレメント
３８３ 内部スペーサエレメント
３８４ ポケット
３８５ 孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料棒の縦軸に沿って前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部を画定するハウジング（１５０）と、
前記ハウジング（１５０）内に配置された複数の核燃料要素（１６０）と、
前記ハウジング内の前記複数の核燃料要素（１６０）と共に軸方向に配置された少なくとも１つの内部スペーサエレメント（１８０）とを備え、
前記少なくとも１つの内部スペーサエレメント（１８０）が、
前記複数の核燃料要素（１６０）の間の相対的軸方向変位を保持するように構成され、
前記燃料棒（１８／１９）を有する原子炉炉心の運転中に、少なくとも前記１つの内部スペーサエレメント（１８０）の物理的および中性子的性質が影響を受けないような材料で構成された、燃料棒（１８／１９）。
【請求項２】
前記燃料棒（１８／１９）を有する前記原子炉炉心の運転中に、前記燃料棒（１８／１９）が所望の熱的、機械的、または中性子的性質を保持するように、前記内部スペーサエレメント（１８０）が前記ハウジング内の位置を占めることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項３】
前記所望の熱的、機械的、または中性子的性質が、少なくとも前記燃料棒（１８／１９）の限界出力比、および前記燃料棒（１８／１９）の水素対ウラン比のうちの１つであることを特徴とする請求項２記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項４】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が、前記核燃料要素（１６０）のそれよりも小さい中性子吸収および散乱断面積を有する剛性材料で製造されたことを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項５】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が、約５．０バーン未満の中性子吸収および散乱断面積を有する剛性材料で製造されたことを特徴とする請求項４記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項６】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が円環形であって、前記内部スペーサエレメント（１８０）は蓄積した核分裂生成物を前記円環内に収容できることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項７】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が中実であって、前記燃料棒（１８／１９）の前記ハウジングに固定されて、前記燃料棒（１８／１９）を区画に分割するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項８】
前記燃料棒（１８／１９）が前記ハウジング内に位置決めされた複数の内部スペーサエレメント（１８０）を有し、前記ハウジングの第１の軸方向位置では前記ハウジングの第２の軸方向位置よりも、その頻度を増し間隔をより小さくしていることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項９】
前記第２の軸方向位置は、運転中の前記原子炉炉心内の冷却材流れの中で、前記第１の軸方向位置から上流方向に関連付けられており、前記第２の位置および前記第１の位置は両方とも、前記燃料棒（１８／１９）に接触している２つの隣接するスペーサ（２０）の間にあることを特徴とする請求項８記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項１０】
前記燃料棒（１８／１９）が、複数の内部スペーサエレメント（１８０）を有し、前記複数の内部スペーサエレメント（１８０）の少なくとも一部分は、前記燃料棒（１８／１９）に接触している少なくとも１つのスペーサ（２０）に続いて、隣接するように位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項１１】
燃料棒を使用する方法であって、
前記燃料棒（１８／１９）の所望の中性子的、機械的、および熱力的性質のうちの少なくとも１つを決定するステップと、
前記燃料棒（１８／１９）を有する運転中の原子炉炉心において、前記所望の中性子的、機械的、および熱力的性質のうちの少なくとも１つを達成する前記燃料棒（１８／１９）内の核燃料要素（１６０）の配置を計算するステップと、
前記計算された配置に従って、少なくとも１つの内部スペーサエレメント、および少なくとも１つの燃料要素（１６０）を前記棒内に配置するステップと、を含む方法。
【請求項１】
燃料棒の縦軸に沿って前記燃料棒（１８／１９）の少なくとも一部を画定するハウジング（１５０）と、
前記ハウジング（１５０）内に配置された複数の核燃料要素（１６０）と、
前記ハウジング内の前記複数の核燃料要素（１６０）と共に軸方向に配置された少なくとも１つの内部スペーサエレメント（１８０）とを備え、
前記少なくとも１つの内部スペーサエレメント（１８０）が、
前記複数の核燃料要素（１６０）の間の相対的軸方向変位を保持するように構成され、
前記燃料棒（１８／１９）を有する原子炉炉心の運転中に、少なくとも前記１つの内部スペーサエレメント（１８０）の物理的および中性子的性質が影響を受けないような材料で構成された、燃料棒（１８／１９）。
【請求項２】
前記燃料棒（１８／１９）を有する前記原子炉炉心の運転中に、前記燃料棒（１８／１９）が所望の熱的、機械的、または中性子的性質を保持するように、前記内部スペーサエレメント（１８０）が前記ハウジング内の位置を占めることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項３】
前記所望の熱的、機械的、または中性子的性質が、少なくとも前記燃料棒（１８／１９）の限界出力比、および前記燃料棒（１８／１９）の水素対ウラン比のうちの１つであることを特徴とする請求項２記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項４】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が、前記核燃料要素（１６０）のそれよりも小さい中性子吸収および散乱断面積を有する剛性材料で製造されたことを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項５】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が、約５．０バーン未満の中性子吸収および散乱断面積を有する剛性材料で製造されたことを特徴とする請求項４記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項６】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が円環形であって、前記内部スペーサエレメント（１８０）は蓄積した核分裂生成物を前記円環内に収容できることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項７】
前記内部スペーサエレメント（１８０）が中実であって、前記燃料棒（１８／１９）の前記ハウジングに固定されて、前記燃料棒（１８／１９）を区画に分割するようにしたことを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項８】
前記燃料棒（１８／１９）が前記ハウジング内に位置決めされた複数の内部スペーサエレメント（１８０）を有し、前記ハウジングの第１の軸方向位置では前記ハウジングの第２の軸方向位置よりも、その頻度を増し間隔をより小さくしていることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項９】
前記第２の軸方向位置は、運転中の前記原子炉炉心内の冷却材流れの中で、前記第１の軸方向位置から上流方向に関連付けられており、前記第２の位置および前記第１の位置は両方とも、前記燃料棒（１８／１９）に接触している２つの隣接するスペーサ（２０）の間にあることを特徴とする請求項８記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項１０】
前記燃料棒（１８／１９）が、複数の内部スペーサエレメント（１８０）を有し、前記複数の内部スペーサエレメント（１８０）の少なくとも一部分は、前記燃料棒（１８／１９）に接触している少なくとも１つのスペーサ（２０）に続いて、隣接するように位置決めされていることを特徴とする請求項１記載の燃料棒（１８／１９）。
【請求項１１】
燃料棒を使用する方法であって、
前記燃料棒（１８／１９）の所望の中性子的、機械的、および熱力的性質のうちの少なくとも１つを決定するステップと、
前記燃料棒（１８／１９）を有する運転中の原子炉炉心において、前記所望の中性子的、機械的、および熱力的性質のうちの少なくとも１つを達成する前記燃料棒（１８／１９）内の核燃料要素（１６０）の配置を計算するステップと、
前記計算された配置に従って、少なくとも１つの内部スペーサエレメント、および少なくとも１つの燃料要素（１６０）を前記棒内に配置するステップと、を含む方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−１３３８５３（Ｐ２００９−１３３８５３Ａ）
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９２８７５（Ｐ２００８−２９２８７５）
【出願日】平成２０年１１月１７日（２００８．１１．１７）
【出願人】（５０８１７７０４６）ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナージー・アメリカズ・エルエルシー (101)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ−ＨＩＴＡＣＨＩ ＮＵＣＬＥＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＡＭＥＲＩＣＡＳ， ＬＬＣ
【公開日】平成２１年６月１８日（２００９．６．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１７日（２００８．１１．１７）
【出願人】（５０８１７７０４６）ジーイー−ヒタチ・ニュークリア・エナージー・アメリカズ・エルエルシー (101)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥ−ＨＩＴＡＣＨＩ ＮＵＣＬＥＡＲ ＥＮＥＲＧＹ ＡＭＥＲＩＣＡＳ， ＬＬＣ
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