燃料材および燃料材の製造方法
本発明は、燃料材（１）および燃料材（１）を製造する方法に関する。燃料材（１）は、核分裂リアクタ内において用いられるように構成される。燃料材（１）は、第１の材料からなるコア（２）と、第２の材料からなる層（３）と、を含む。層（３）は、前記コア（２）を少なくとも部分的に包囲する。第１の材料は、核分裂物質を含む。コア（２）と層（３）との間に中間層（４）を含む。燃料材（１）は、中間層（４）は、コア（２）から層（３）への第１の材料の濃度の減少およびコア（２）から層（３）への第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核分裂リアクタ（原子炉）で使用されるように構成され、第１の材料からなるコアと、第２の材料からなる層とを含み、層は、コアを少なくとも部分的に包囲し、第１の材料は、核分裂物質を含む燃料材に関する。
【０００２】
本発明は、また、上記に係る燃料材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
核分裂リアクタのための核燃料は、Ｕ−２３５のような核分裂物質を含む燃料材を備える。燃料材は、外側周囲（ｏｕｔｅｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ）からの相互作用から保護される必要がある。沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉における燃料材は、低中性子吸収核断面積を有するジルコニウム合金の耐食性被覆チューブで完全に包囲される。被覆チューブの機能は、燃料材を包囲することであり、それにより外側周囲と核分裂物質との間の相互作用を保護する。相互作用は、燃料材と外側周囲との反応、または、例えば、燃料材で形成されるガス状物質が燃料材から外側周囲へ流れ出るような物質の外側周囲の汚染を含みうる。
【０００４】
商用核分裂リアクタでの燃料材は、通常、ＵＯ２の円筒状ペレットを含み、核分裂物質Ｕ−２３５の濃度は、５％以下であり、残留組成物はＵ−２３８である。包囲された燃料材を有する被覆チューブは、その後リアクタコアに挿入されかつ放射される燃料材内に配置され、燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成する。燃料材は、通常、新たな燃料材により置き換えられるまで、４から６年間放射される。放射は、いくつかの燃料サイクルに分けられる。燃料サイクルの期間は、通常、約１年であるが、２年であってもよい。
【０００５】
核分裂物質の濃度が放射の開始時に最も高くなるため、放射しない燃料材は、第１のサイクル中に、その後の燃料サイクルと比べて、より高い生成されたパワーを有する。安全のために、燃料材の生成されたパワーは、あるレベルを超えないように制限される。生成されたパワーを制限するために、中性子を吸収する中性子吸収体が使用される。それにより、核分裂プロセスが軽減され、生成されたパワーが低減される。中性子吸収体は、燃料材または燃料材の周囲に混合され、燃料材におけるパワーの局所的な低減を提供する。第１の燃料サイクル中に生成されるパワーを制限し、次の燃料サイクル中に生成されるパワーを制限しないために、いわゆる燃焼性中性子吸収体が使用され、これは、それらがより低い中性子吸収性能を有する物質へ変化するのと同時に中性子を吸収する機能を有する。燃焼性中性子吸収材料の例は、ガドリニウムおよびボロンである。燃焼性中性子吸収体を用いることにより、燃料材の生成されたパワーは、第１の燃料サイクル中に制限されるが、次のサイクル中での生成されたパワーでの燃焼性中性子吸収体からのパワーは、小さいまたはごくわずかである。
【０００６】
中性子吸収体を有する燃料材は、中性子吸収材料を燃料材に混合する、または燃料材の表面上の層として中性子吸収材料を加えることにより、製造されうる。中性子吸収材料の混合は、特定の中性子吸収体でのみ可能である。燃料材の表面上へ中性子吸収材料を塗布する既知の方法は、真空を必要とする繊細なプロセスを含み、高額である。吸収材料の層を有する他の問題は、中性子吸収材料の層が燃料材の表面に残存することが確実なことである。燃料要素の放射中に、高い温度が燃料材内で生じる。例えば、沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉における１５００℃までの温度が通常動作状態での燃料材で生じる。燃料サイクル間での室温から高温への遷移は、異なる熱特性および弾性特性を有する材料間でのストレスを生成し、中性子吸収材料の層は、クラックおよびはがれが生じうる。中性子吸収材料の層は、また、燃料棒の導入時または導入前に剥離または磨耗しうる。燃料材上の中性子吸収材料の層が全体的にまたは部分的に欠損した場合、または中性子吸収材料が燃料棒内に置換された場合、例えば、リアクタの動作中に、燃料材内の生成されたパワーは、影響を受け、これは、生成されたパワーが局所的に許容値を超えうるという結果をもたらす。リアクタを停止し、かつ欠損した燃料材を燃料材と交換する必要があり、これは、エネルギー生成の損失および燃料材を修復する費用の面で非常に大きな損失をもたらす。
【０００７】
燃料材は、被覆チューブの漏洩において、沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉の軽水のような外側周囲と接触する状態となりうる。外側周囲は、いわゆる燃料破損した箇所で燃料材と反応し、ここで、燃料材の材料は、リアクタの外側周囲を汚染し、燃料材の機能が無くなるまたは劣化する。小規模な燃料損失では、外側周囲は、主に核分裂処理中に形成されるガスにより汚染される。外側周囲の汚染は、リアクタでメンテナンス作業者が、メンテナンス作業で、増加した放射線量に露出されることを招く。また、リアクタを停止し、燃料材を漏洩している被覆チューブと取り替える必要がある。燃料欠損は、動作停止時にエネルギーの生成が止まる点、および欠損した燃料材を修復する費用の点で非常に大きな費用がかかることを招く。
【０００８】
さらなるストレージについての、燃焼済み（ｂｕｒｎｅｄ ｏｕｔ）の核燃料の処理についての技術は特許文献１に開示されている。特許文献１において、燃焼済みの核燃料は、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）によって圧力が掛けられたアルミニウムおよびボロンの粉末で処理され、次いで、プラズマ焼結によって共に焼結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１２４９８４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は改良された特性を有する中性子吸収材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本課題は、請求項１の特徴付けられた部分において規定された特徴を含む、最初に規定された要素でもって達成されうる。
【００１２】
中性子吸収材は、コアと層との間にある中間層により上述の目的を達成する。中間層は、第１の材料および第２の材料の混合物を含むか、それから成る。
【００１３】
燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成するように構成される構成要素に関する。燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成する機能を有するコアと、コアを少なくとも部分的に包囲する層と、を含む。燃料材のコアは、核分裂物質を含む第１の材料からなる。核分裂物質は、核分裂リアクタ内で連鎖反応を維持する特性を有する材料に関する。燃料材の核分裂物質は、燃料材が高温になり、リアクタの動作中に放射された際に、エネルギーおよび中性子を生成する。燃料材の層は、第２の材料からなる。
【００１４】
中間層は、第１の材料から第２の材料への特性の遷移を提供するコアと層との間の層である。中間層は、第１の材料と第２の材料との濃度の段階的または漸次的な遷移を含む。中間層は、材料勾配を有し、これは、中間層の中における第１の材料および第２の材料の濃度がゼロよりも大きいことを意味する。材料勾配は、コアおよび層と比較した場合の濃度変化を含む。材料勾配は、第１および第２の材料が均質（ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ）の混合物を含むことができる。材料勾配はまた、第１の材料と第２の材料との濃度の間の比の、中間層内での変化を含むことができる。それにより、材料勾配は、燃料材の良い材料特性を得るために、第１および第２の材料の、例えば、温度の広がり（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）に関して、それらの物質特性に基づいて調整可能である。材料勾配により、コア内の第１の材料と層内の第２の材料との間に遷移が形成されて、層とコアとの間に強い接着を提供する。中間層における材料勾配により、第１の材料と第２の材料との間の熱および可撓性の差から形成される、燃料材における内部ストレスが減少する。それにより、層のコアに対する接着が改善して、燃料材に対して改善された機能性を提供する。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、材料勾配は、コアから層への第１の材料の濃度の連続的な減少、および、コアから層への第２の材料の濃度の連続的な上昇を含む。それにより、材料勾配は、第１の材料から第２の材料へ（逆もまた然り）の特性の漸次的な遷移を提供するように構成される。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、燃料材は、焼結により製造されて、第１の材料と第２の材料と共に良好に焼結する燃料材を提供する。焼結は、圧力を加える、および／または温度を上昇させることを含み得るか、または組み合わされ得る。焼結方法は、焼結された材の複数の物質特性、例えば粒子サイズおよび孔隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）などが広範囲の範囲内で制御可能であることを保証するものである。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、第１の材料は、少なくともＵ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＵｘＯｙ、ＵｘＮｙ、ＵｘＣｙ、ＰｕｘＯｙ、ＰｕｘＮｙ、ＰｕｘＣｙ、ＴｈｘＯｙ、ＴｈｘＮｙ、ＴｈｘＣｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、層は、中性子を吸収するように構成される。中性子吸収能力をもって、これに関連し、核分裂リアクタのための適切な中性子スペクトルに亘る、中性子を捕捉しそれによりリアクタの反応性を減少させる材料の能力が理解される。したがって、燃料材の生成されたパワーが減少されうる。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、第２の材料は、少なくともＨｆ、Ｂ、ＺｒＢ２、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｅｒ、ＢｘＣｙ、ＢｘＮｙ、ＢｘＯｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。この群からの物質は、燃料材にとって好ましい中性子吸収特性を有する。本発明の範囲内で、Ｂ４ＣのようなＢＸＣＹの層とＵＯ２のコア、ＺｒＢ２の層とＵＯ２のコア等のように、これらの層の中性子吸収物質のいずれかと、上述したコアの物質とを組み合わせることが可能である。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、層は、外側周囲からコアを保護するように構成される。それにより、燃料材のコアは、外側周囲との相互作用から保護される。よって、燃料材と外側周囲との間の接触関係が低減される。燃料材の層の保護機能は、外側周囲に対する被覆チューブの保護への余剰を提供する。それに替えて、燃料材の余剰な保護は、被覆チューブの保護特性を、例えば被覆チューブの材料の厚さを減少させることにより、低減するようにできる。被覆チューブの保護効果は、代替的に、層の保護により完全に置き換えられうる。それにより、燃料材のコアから外側周囲への改善された熱伝導が得られ、これは、核分裂リアクタの出力パワーの増加をもたらす。
【００２１】
外側周囲は、燃料材の周囲を含み、主として減速媒体および冷却媒体を含む。反応操作において、外側周囲は、燃料材に接触して反応する反応環境を含む。
【００２２】
コアの保護は、外側周囲に、例えば、第１の材料により汚染されない、軽水核分裂リアクタの減速体をもたらす。汚染から外側周囲を保護することにより、リアクタでのメンテナンス作業におけるメンテナンス作業者の放射線への露出が低減される。リアクタ停止のための費用およびリーク燃料材の置換のための費用もまた、回避できる。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、層は、実質的に、ガス状の物質、少なくともヘリウムに対して不透過である。層がガスに対して実質的に不透過であるため、燃料材に形成されるガス状の物質は、燃料材の内部に維持されうる。それにより、燃料材において形成されるガス状の物質によって外側周囲が汚染されることはない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、層は、実質的に、核分裂リアクタの環境内において耐食性である。実質的に耐食性であるので、層は化学的に不活性であり、または実質的に化学的に不活性であり、それによる保護の効果は、核分裂リアクタ内における外側周囲に曝された場合にも維持されることがわかる。層が耐食性であることにより、コアは外側周囲によって影響を受けずに保護される。それにより、燃料材の完全性および機能が保証される。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、燃料材の層における孔隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）の細孔容積（ｐｏｒｅ ｖｏｌｕｍｅ）は、コアにおける孔隙率の細孔容積より非常に少ない。コアの孔隙率は、材料構造内での形成されたガスを少なくとも部分的に維持するために用いられる。層のより低い孔隙率により、層の所望され得る材料特性、例えば高い密度等が達成されて、これにより、外側周囲からコアを保護し、かつ、コア内に形成されたガス状の物質が燃料材から逃げないようにする別個の効果を層に提供する。それにより、燃料材の完全性および機能が保証され、第１の材料またはコア内に形成されたガス状の物質によって外側周囲が汚染されるリスクが低減される。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、燃料材の層は、金属材料およびセラミック材料のうちの少なくとも１つを含む。これらの群からの特定の材料は、リアクタ環境内において特に適切である性質を有する。例えば、特定のセラミック材料、例えば、ＳｉＣは、高い耐食性、高い硬度を有し、熱に対しても耐久性がある。例えば、特定の金属材料、例えばＺｒは、高い耐食性および首尾良い機械的特性を有する。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、中性子吸収材の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。この群からの物質は、燃料材の層にとって好ましい特性を有する。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、層は、コアを完全に包囲する。それによって、コアは、外部環境から完全に保護かつ分離される。
【００２９】
本発明の目的はまた、燃料材を製造するための方法を提供することである。
【００３０】
この目的は請求項１４に規定された方法により達成される。
【００３１】
このような方法は、第２の材料が第１の材料を少なくとも部分的に包囲するような仕方で、第１の材料および第２の材料をツールのスペースに供給する工程と、第１の材料および第２の材料を共に、燃料材に焼結する工程と、を含み、中間層は、コアと層との間に形成され、中間層は、コアから層への第１の材料の濃度の減少およびコアから層への第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有する。上記方法のためのツールはツール部分を含み、スペースは、焼結のための材料で充填されるように構成される。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、第１の材料および第２の材料を供給する工程において、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間に中間ゾーンが形成され、中間ゾーンは、スペースの内側部分からスペースの外側部分への第１の材料の濃度の減少、および、スペースの内側部分からスペースの外側部分への第２の材料の濃度の増加を含む。中間ゾーンは、第１および第２の材料からなる、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間の領域を含む。中間ゾーンは、材料勾配を含み、これは、第１および第２の材料が段階的にまたは次第に、互いに移動されることを意味する。スペースへ材料が供給された後に、第１の材料は、層、コアおよび中間層が形成されるような仕方で、焼結される第２の材料と接合される。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、上記第１および上記第２の材料は、共にもたらされて上記中間ゾーンを形成するような仕方で、上記スペースは振動される。第１の材料および第２の材料が、焼結前、スペースに供給された後、スペースは振動される。それにより、第１の材料および第２の材料の材料勾配は、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間に生じる。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、上記第１の材料は粉末形状で供給される。粉末形状での物質により、固体の状態における材料は、小さな粒子サイズで多数の粒子を含むと理解される。粉末は、可能であれば、またフリーフロー（ｆｒｅｅ ｆｌｏｗｉｎｇ）であってよく、これは、粉末が機械的なストレスに曝された場合に、容易に変形されることを意味する。それにより、粉末は、焼結のために、ツールのスペースを満たす。粉末形状の材料を用いることによって、本方法は、中間ゾーンが形成された場合に容易にされる。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、第２の材料は粉末形状にて供給される。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、上記スペースは、上記内側部分を備える内側パイプによって分けられ、上記スペースは、上記外側部分を備える外側パイプによって分けられ、上記外側パイプと上記内側パイプとの間に中間部分が形成される。中間部分における材料は、焼結後、燃料材の中間層を形成する。外側部分は第２の材料が供給されるように構成され、焼結後、中性子吸収材の層を形成する。中間部分は、焼結後、中性子吸収材の中間層を形成する。
【００３７】
本発明の実施形態によれば、中間に位置する部分は、中間ゾーンを生成する第１の材料および第２の材料の混合物が供給される。中間部分における材料は、焼結後、中性子吸収材の中間層を形成する。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、上記中間部分は、少なくとも中間のパイプの分割部分（ｄｉｖｉｓｉｏｎ）に分けられ、上記分割部分は、上記第１の材料の濃度と上記第２の材料の濃度との間で異なる比率の混合物が供給される。２つ以上の分割部分に、スペースの中間部分を分割することによって、分割部分における第１および第２の材料の材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）は、焼結後、形成された中間層は、層とコアとの首尾良い接着を提供する材料勾配を得るように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明はここで、本発明の異なる実施形態の記載によってより綿密に説明され、かつ添付の図面を参照して説明される。
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料材の、側面から見た場合における断面を示す。
【図２】図２は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図３】図３は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図４】図４は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図５】図５は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図６】図６は、燃料材を包囲する燃料ロッドの一例の斜視図を示す。
【図７】図７は、焼結のための物質を供給するためのツールの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、側面から見た断面図において、本発明の一実施形態に係る燃料材１の一例を開示しており、以下では、材（コンポーネント）として示す。図１の材１は円筒形状を有し、シリンダの底の中心は０（ゼロ）にあり、シリンダの外皮表面は、ｘ軸に沿ったＲにある。材１の他の形状もまた可能であり、例えば矩形、方形、球状等である。
【００４１】
材１は、核分裂リアクタで使用されるように構成され、第１の材料からなるコア２、および第２の材料からなる層３を備える。材のコア２は、核分裂リアクタ内で核反応が維持されるような手法によりエネルギーおよび中性子を生成するように構成された核分裂材料を含む。材の層３は、図１に開示された例においては、耐食性およびガス状の物質への不浸透性のような、その保護特性により、コア２を完全に包囲しており、かつ外側周囲（ｏｕｔｅｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ）からコア２を保護する。層３は中性子吸収機能も有し、材の生成されたエネルギーが減少する。好ましくは、層３の中性子吸収物質は、ボロンまたはガドリニウムのような可燃中性子吸収体からなる。
【００４２】
材１は、中間層４がコア２と層３との間において形成されるような方法で焼結により製造される。中間層４は、第１の材料および第２の材料の両方を含む。中間層４は、コア２から層３へは第１の材料の濃度が減少して、コア２から層３へは第２の材料の濃度が増加する材料勾配を有する。中間層４は、コア２と層３との間の遷移を形成し、こうして第１の材料の物質特性は第２の材料の特性へと遷移し、逆もまた然りである。それによりコア２と層３との間の首尾良い接着が得られる。
【００４３】
図２から図５は、中性子吸収材の断面の物質濃度の例を開示する。図におけるｘ軸は寸法の軸であり、ここで０は材の中心を示し、Ｒは材の外周を示す。図のｙ軸は、材の、第１の材料および第２の材料についての物質濃度を百分率で示しており、ここで第１の材料はＡで示しかつ点線で示され、第２の材料はＢで示しかつ実線で示される。図において、コア２、中間層４、および層３は図のｘ軸に沿って指定されている。
【００４４】
図２は、中性子吸収材内の物質濃度のバリエーションの一例を示しており、ここで、コア２と層３との間の中間層４は、コアから層へ第１の材料の濃度が段階的に減少し、かつ、コアから層へ第２の材料の濃度が段階的に増加する材料勾配を有する。図２に示される例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は段階的に生じ、第１の材料の濃度は、コア２中において実質的に１００％から、中間層４において実質的に５０％に減少する。第１の材料の濃度は、中間層４内では一定である。さらに、中間層４から層３への第１の材料の濃度の減少は段階的に生じ、実質的に５０％から実質的に０％となる。逆に、コア２から中間層４へは、第２の材料の濃度が段階的に増加し、ここで第２の材料の濃度は、コア２においてほぼ０％から中間層４において実質的に５０％に増加する。第２の材料の濃度は中間層４内において一定である。さらに、中間層４から層３への、第２の材料の濃度の増加は、段階的に生じて、実質的に５０％から実質的に１００％となる。
【００４５】
図３は、図２と同様に、燃料材内の物質濃度の段階的なバリエーションの一例であり、違いは、中間層４が２つの濃度エリア、すなわち第１の濃度エリア４１および第２の濃度エリア４２を含んでおり、第１の材料と第２の材料とは異なる濃度である。第１の材料および第２の材料の濃度は、第１の濃度エリア４１および第２の濃度エリア４２内で一定である。図３の例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は、段階的に生じており、ここで第１の材料の濃度は、コア２内において、実質的に１００％から、中間層４の第１の濃度エリア４１内において実質的に７０％に減少する。中間層４内において、第１の濃度エリア４１から第２の濃度エリア４２への第１の材料の濃度の段階的な減少が生じて、実質的に７０％から実質的に３０％となる。中間層４から層３への第２の濃度エリア４２からの第１の材料の濃度の段階的な減少が生じ、実質的に３０％から実質的に０％となる。逆に、コア２から中間層４へは、第２の材料の濃度の増加が生じる。
【００４６】
図４は、中性子吸収材内の物質濃度の一例を開示しており、ここでコア２と層３との間の中間層４は、コア２から層３へ、第１の材料の濃度の連続的な減少、ならびに、コア２から層３へ、第２の材料の濃度の連続的な増加を含む材料勾配を有する。中間層４内において、コア２から層３へ、第１の材料の濃度は、実質的に１００％から実質的に０％へ、一定した比率で減少する。逆に、中間層４内において、第２の材料の濃度は、コア２から層３へと、実質的に０％から実質的に１００％へと上昇する。
【００４７】
図５は、燃料材内における物質濃度のバリエーションの１つの例を開示し、ここでコア２と層３との間の中間層４は、コア２から層３への第１の材料の濃度の連続した減少、ならびにコア２から層３への第２の材料の濃度の連続した増加を含む材料勾配を含む。図５の例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は連続的な仕方で生じる。中間層４内において、第１の材料の濃度の漸次的な減少が生じ、実質的に１００％から実質的に０％となる。コア２と層３との間の遷移は、例えば、非線形の仕方で生じ得る。逆に、コア２から、第２の材料の濃度の増加が生じる。開示された例において、中間層４は材の主たる部分を形成し、他方でコア２および層３は材の少ない部分を形成する。
【００４８】
図６は、本明細書に記載の型の燃料材１を包囲する被覆チューブ１０を有する燃料ロッドの一例の斜視図を開示する。燃料ロッドの被覆チューブ１０は、部分的にカットされることにより示される内側部を含む。燃料材１を包囲する複数の被覆チューブ１０は、固定具に配置され、かつ燃料アセンブリを形成し、図示しないが、核分裂リアクタ内に照射されるように構成される。被覆チューブ１０は、ジルコニウム合金のような低中性子吸収断面を有する耐食性合金からなる。被覆チューブ１０の機能は、燃料材１を包囲することであり、それにより、内側と燃料材のコア２における核分裂物質との相互作用を防ぐ。被覆チューブ１０は、材１と被覆チューブ１０との間の熱伝導性能を増加させることを目的として、ヘリウムのようなガスで加圧されうる。
【００４９】
図７は、燃料材の製造のためのツールの一例の断面を開示する。開示されたツールは、燃料材を製造するための任意の適切な焼結方法において用いられることができる。本発明のために用いることができる適切な焼結方法の例は、大気圧かつ上昇した温度にて焼結する従来の焼結技術、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）、熱間静水圧成形法（ＨＩＰ）、放電プラズマ焼結等である。
【００５０】
本方法のためのツールはツール部分を備えており、焼結のための材料が供給されるためにスペースが配置されている。ツール部分は周囲要素９１を備える。周囲要素９１は上述のスペースを包囲する。ツールのスペースは、内側部分９９を生成する内側パイプ９８によって分けられ、この内側部分９９において、第１の材料が供給され、これは、焼結後、材のコア２を形成する。ツールのスペースはまた、外側部分９３を形成する外側パイプ９４によって分けられ、この外側部分９３において、第２の材料が供給され、これは、焼結後、材の層３を形成する。外側パイプ９４と内側パイプ９８との間には、中間部分９５が形成され、この中間部分９５の間には、第１の材料と第２の材料とが供給可能であり、これらは、焼結後、材の中間層４を形成する。このようなツールの構成により、例えば、図２における物質濃度のバリエーションを有する材が達成可能である。
【００５１】
図７における例において、中間部分９５は、中間パイプ９６の分割部分（ｄｉｖｉｓｉｏｎ）に分けられる。中間部分９５内の分割部分は、第１の材料の濃度と第２の材料の濃度との間で異なる比率の混合物が供給される。混合物は、例えば図３に示されるように、焼結後に形成された層３が、コア２から層３への、第１の材料の濃度の減少、ならびに、コア２から層３への、第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を得るような方法にて構成可能である。
【００５２】
第１および第２の材料の上述の変動（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）により、図４および図５に示されるように、物質濃度のバリエーションは、図７に示されているツールの配置構成によって達成可能である。
【００５３】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、ツールのスペースから引き出され、ツールのスペース内の材料が燃料材に共に焼結される前に、電極は、電源１００に接続され、かつ電流は、ツールのスペース内の供給された材料を介して導通する。あるいは、ツールのスペース内の材料は、共に焼結する前に、さらに、ツールのスペースを振動させることによって共にもたらされてもよい。
【００５４】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、焼結方法の間に蒸発する材料を含む。それにより、パイプ９４、９６、９８は、中性子吸収材のセラミック組成物に影響を与えることなく、焼結方法の間、ツールのスペース内に残すことができる。
【００５５】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、ツールのスペースの底に対して距離が形成されるように配置される。それにより、第２の材料は、第１の材料を完全に包囲するように、ツールのスペースに供給可能である。
【００５６】
本発明は開示された実施形態に限定されず、特許請求の範囲の請求項の範囲内において修正および変更可能である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核分裂リアクタ（原子炉）で使用されるように構成され、第１の材料からなるコアと、第２の材料からなる層とを含み、層は、コアを少なくとも部分的に包囲し、第１の材料は、核分裂物質を含む燃料材に関する。
【０００２】
本発明は、また、上記に係る燃料材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
核分裂リアクタのための核燃料は、Ｕ−２３５のような核分裂物質を含む燃料材を備える。燃料材は、外側周囲（ｏｕｔｅｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ）からの相互作用から保護される必要がある。沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉における燃料材は、低中性子吸収核断面積を有するジルコニウム合金の耐食性被覆チューブで完全に包囲される。被覆チューブの機能は、燃料材を包囲することであり、それにより外側周囲と核分裂物質との間の相互作用を保護する。相互作用は、燃料材と外側周囲との反応、または、例えば、燃料材で形成されるガス状物質が燃料材から外側周囲へ流れ出るような物質の外側周囲の汚染を含みうる。
【０００４】
商用核分裂リアクタでの燃料材は、通常、ＵＯ２の円筒状ペレットを含み、核分裂物質Ｕ−２３５の濃度は、５％以下であり、残留組成物はＵ−２３８である。包囲された燃料材を有する被覆チューブは、その後リアクタコアに挿入されかつ放射される燃料材内に配置され、燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成する。燃料材は、通常、新たな燃料材により置き換えられるまで、４から６年間放射される。放射は、いくつかの燃料サイクルに分けられる。燃料サイクルの期間は、通常、約１年であるが、２年であってもよい。
【０００５】
核分裂物質の濃度が放射の開始時に最も高くなるため、放射しない燃料材は、第１のサイクル中に、その後の燃料サイクルと比べて、より高い生成されたパワーを有する。安全のために、燃料材の生成されたパワーは、あるレベルを超えないように制限される。生成されたパワーを制限するために、中性子を吸収する中性子吸収体が使用される。それにより、核分裂プロセスが軽減され、生成されたパワーが低減される。中性子吸収体は、燃料材または燃料材の周囲に混合され、燃料材におけるパワーの局所的な低減を提供する。第１の燃料サイクル中に生成されるパワーを制限し、次の燃料サイクル中に生成されるパワーを制限しないために、いわゆる燃焼性中性子吸収体が使用され、これは、それらがより低い中性子吸収性能を有する物質へ変化するのと同時に中性子を吸収する機能を有する。燃焼性中性子吸収材料の例は、ガドリニウムおよびボロンである。燃焼性中性子吸収体を用いることにより、燃料材の生成されたパワーは、第１の燃料サイクル中に制限されるが、次のサイクル中での生成されたパワーでの燃焼性中性子吸収体からのパワーは、小さいまたはごくわずかである。
【０００６】
中性子吸収体を有する燃料材は、中性子吸収材料を燃料材に混合する、または燃料材の表面上の層として中性子吸収材料を加えることにより、製造されうる。中性子吸収材料の混合は、特定の中性子吸収体でのみ可能である。燃料材の表面上へ中性子吸収材料を塗布する既知の方法は、真空を必要とする繊細なプロセスを含み、高額である。吸収材料の層を有する他の問題は、中性子吸収材料の層が燃料材の表面に残存することが確実なことである。燃料要素の放射中に、高い温度が燃料材内で生じる。例えば、沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉における１５００℃までの温度が通常動作状態での燃料材で生じる。燃料サイクル間での室温から高温への遷移は、異なる熱特性および弾性特性を有する材料間でのストレスを生成し、中性子吸収材料の層は、クラックおよびはがれが生じうる。中性子吸収材料の層は、また、燃料棒の導入時または導入前に剥離または磨耗しうる。燃料材上の中性子吸収材料の層が全体的にまたは部分的に欠損した場合、または中性子吸収材料が燃料棒内に置換された場合、例えば、リアクタの動作中に、燃料材内の生成されたパワーは、影響を受け、これは、生成されたパワーが局所的に許容値を超えうるという結果をもたらす。リアクタを停止し、かつ欠損した燃料材を燃料材と交換する必要があり、これは、エネルギー生成の損失および燃料材を修復する費用の面で非常に大きな損失をもたらす。
【０００７】
燃料材は、被覆チューブの漏洩において、沸騰水型原子炉および圧力水型原子炉の軽水のような外側周囲と接触する状態となりうる。外側周囲は、いわゆる燃料破損した箇所で燃料材と反応し、ここで、燃料材の材料は、リアクタの外側周囲を汚染し、燃料材の機能が無くなるまたは劣化する。小規模な燃料損失では、外側周囲は、主に核分裂処理中に形成されるガスにより汚染される。外側周囲の汚染は、リアクタでメンテナンス作業者が、メンテナンス作業で、増加した放射線量に露出されることを招く。また、リアクタを停止し、燃料材を漏洩している被覆チューブと取り替える必要がある。燃料欠損は、動作停止時にエネルギーの生成が止まる点、および欠損した燃料材を修復する費用の点で非常に大きな費用がかかることを招く。
【０００８】
さらなるストレージについての、燃焼済み（ｂｕｒｎｅｄ ｏｕｔ）の核燃料の処理についての技術は特許文献１に開示されている。特許文献１において、燃焼済みの核燃料は、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）によって圧力が掛けられたアルミニウムおよびボロンの粉末で処理され、次いで、プラズマ焼結によって共に焼結される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第１２４９８４４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は改良された特性を有する中性子吸収材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本課題は、請求項１の特徴付けられた部分において規定された特徴を含む、最初に規定された要素でもって達成されうる。
【００１２】
中性子吸収材は、コアと層との間にある中間層により上述の目的を達成する。中間層は、第１の材料および第２の材料の混合物を含むか、それから成る。
【００１３】
燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成するように構成される構成要素に関する。燃料材は、エネルギーおよび中性子を生成する機能を有するコアと、コアを少なくとも部分的に包囲する層と、を含む。燃料材のコアは、核分裂物質を含む第１の材料からなる。核分裂物質は、核分裂リアクタ内で連鎖反応を維持する特性を有する材料に関する。燃料材の核分裂物質は、燃料材が高温になり、リアクタの動作中に放射された際に、エネルギーおよび中性子を生成する。燃料材の層は、第２の材料からなる。
【００１４】
中間層は、第１の材料から第２の材料への特性の遷移を提供するコアと層との間の層である。中間層は、第１の材料と第２の材料との濃度の段階的または漸次的な遷移を含む。中間層は、材料勾配を有し、これは、中間層の中における第１の材料および第２の材料の濃度がゼロよりも大きいことを意味する。材料勾配は、コアおよび層と比較した場合の濃度変化を含む。材料勾配は、第１および第２の材料が均質（ｈｏｍｏｇｅｎｏｕｓ）の混合物を含むことができる。材料勾配はまた、第１の材料と第２の材料との濃度の間の比の、中間層内での変化を含むことができる。それにより、材料勾配は、燃料材の良い材料特性を得るために、第１および第２の材料の、例えば、温度の広がり（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ）に関して、それらの物質特性に基づいて調整可能である。材料勾配により、コア内の第１の材料と層内の第２の材料との間に遷移が形成されて、層とコアとの間に強い接着を提供する。中間層における材料勾配により、第１の材料と第２の材料との間の熱および可撓性の差から形成される、燃料材における内部ストレスが減少する。それにより、層のコアに対する接着が改善して、燃料材に対して改善された機能性を提供する。
【００１５】
本発明の実施形態によれば、材料勾配は、コアから層への第１の材料の濃度の連続的な減少、および、コアから層への第２の材料の濃度の連続的な上昇を含む。それにより、材料勾配は、第１の材料から第２の材料へ（逆もまた然り）の特性の漸次的な遷移を提供するように構成される。
【００１６】
本発明の実施形態によれば、燃料材は、焼結により製造されて、第１の材料と第２の材料と共に良好に焼結する燃料材を提供する。焼結は、圧力を加える、および／または温度を上昇させることを含み得るか、または組み合わされ得る。焼結方法は、焼結された材の複数の物質特性、例えば粒子サイズおよび孔隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）などが広範囲の範囲内で制御可能であることを保証するものである。
【００１７】
本発明の実施形態によれば、第１の材料は、少なくともＵ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＵｘＯｙ、ＵｘＮｙ、ＵｘＣｙ、ＰｕｘＯｙ、ＰｕｘＮｙ、ＰｕｘＣｙ、ＴｈｘＯｙ、ＴｈｘＮｙ、ＴｈｘＣｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。
【００１８】
本発明の実施形態によれば、層は、中性子を吸収するように構成される。中性子吸収能力をもって、これに関連し、核分裂リアクタのための適切な中性子スペクトルに亘る、中性子を捕捉しそれによりリアクタの反応性を減少させる材料の能力が理解される。したがって、燃料材の生成されたパワーが減少されうる。
【００１９】
本発明の実施形態によれば、第２の材料は、少なくともＨｆ、Ｂ、ＺｒＢ２、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｅｒ、ＢｘＣｙ、ＢｘＮｙ、ＢｘＯｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。この群からの物質は、燃料材にとって好ましい中性子吸収特性を有する。本発明の範囲内で、Ｂ４ＣのようなＢＸＣＹの層とＵＯ２のコア、ＺｒＢ２の層とＵＯ２のコア等のように、これらの層の中性子吸収物質のいずれかと、上述したコアの物質とを組み合わせることが可能である。
【００２０】
本発明の実施形態によれば、層は、外側周囲からコアを保護するように構成される。それにより、燃料材のコアは、外側周囲との相互作用から保護される。よって、燃料材と外側周囲との間の接触関係が低減される。燃料材の層の保護機能は、外側周囲に対する被覆チューブの保護への余剰を提供する。それに替えて、燃料材の余剰な保護は、被覆チューブの保護特性を、例えば被覆チューブの材料の厚さを減少させることにより、低減するようにできる。被覆チューブの保護効果は、代替的に、層の保護により完全に置き換えられうる。それにより、燃料材のコアから外側周囲への改善された熱伝導が得られ、これは、核分裂リアクタの出力パワーの増加をもたらす。
【００２１】
外側周囲は、燃料材の周囲を含み、主として減速媒体および冷却媒体を含む。反応操作において、外側周囲は、燃料材に接触して反応する反応環境を含む。
【００２２】
コアの保護は、外側周囲に、例えば、第１の材料により汚染されない、軽水核分裂リアクタの減速体をもたらす。汚染から外側周囲を保護することにより、リアクタでのメンテナンス作業におけるメンテナンス作業者の放射線への露出が低減される。リアクタ停止のための費用およびリーク燃料材の置換のための費用もまた、回避できる。
【００２３】
本発明の実施形態によれば、層は、実質的に、ガス状の物質、少なくともヘリウムに対して不透過である。層がガスに対して実質的に不透過であるため、燃料材に形成されるガス状の物質は、燃料材の内部に維持されうる。それにより、燃料材において形成されるガス状の物質によって外側周囲が汚染されることはない。
【００２４】
本発明の実施形態によれば、層は、実質的に、核分裂リアクタの環境内において耐食性である。実質的に耐食性であるので、層は化学的に不活性であり、または実質的に化学的に不活性であり、それによる保護の効果は、核分裂リアクタ内における外側周囲に曝された場合にも維持されることがわかる。層が耐食性であることにより、コアは外側周囲によって影響を受けずに保護される。それにより、燃料材の完全性および機能が保証される。
【００２５】
本発明の実施形態によれば、燃料材の層における孔隙率（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）の細孔容積（ｐｏｒｅ ｖｏｌｕｍｅ）は、コアにおける孔隙率の細孔容積より非常に少ない。コアの孔隙率は、材料構造内での形成されたガスを少なくとも部分的に維持するために用いられる。層のより低い孔隙率により、層の所望され得る材料特性、例えば高い密度等が達成されて、これにより、外側周囲からコアを保護し、かつ、コア内に形成されたガス状の物質が燃料材から逃げないようにする別個の効果を層に提供する。それにより、燃料材の完全性および機能が保証され、第１の材料またはコア内に形成されたガス状の物質によって外側周囲が汚染されるリスクが低減される。
【００２６】
本発明の実施形態によれば、燃料材の層は、金属材料およびセラミック材料のうちの少なくとも１つを含む。これらの群からの特定の材料は、リアクタ環境内において特に適切である性質を有する。例えば、特定のセラミック材料、例えば、ＳｉＣは、高い耐食性、高い硬度を有し、熱に対しても耐久性がある。例えば、特定の金属材料、例えばＺｒは、高い耐食性および首尾良い機械的特性を有する。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、中性子吸収材の層は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなる。この群からの物質は、燃料材の層にとって好ましい特性を有する。
【００２８】
本発明の実施形態によれば、層は、コアを完全に包囲する。それによって、コアは、外部環境から完全に保護かつ分離される。
【００２９】
本発明の目的はまた、燃料材を製造するための方法を提供することである。
【００３０】
この目的は請求項１４に規定された方法により達成される。
【００３１】
このような方法は、第２の材料が第１の材料を少なくとも部分的に包囲するような仕方で、第１の材料および第２の材料をツールのスペースに供給する工程と、第１の材料および第２の材料を共に、燃料材に焼結する工程と、を含み、中間層は、コアと層との間に形成され、中間層は、コアから層への第１の材料の濃度の減少およびコアから層への第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有する。上記方法のためのツールはツール部分を含み、スペースは、焼結のための材料で充填されるように構成される。
【００３２】
本発明の実施形態によれば、第１の材料および第２の材料を供給する工程において、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間に中間ゾーンが形成され、中間ゾーンは、スペースの内側部分からスペースの外側部分への第１の材料の濃度の減少、および、スペースの内側部分からスペースの外側部分への第２の材料の濃度の増加を含む。中間ゾーンは、第１および第２の材料からなる、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間の領域を含む。中間ゾーンは、材料勾配を含み、これは、第１および第２の材料が段階的にまたは次第に、互いに移動されることを意味する。スペースへ材料が供給された後に、第１の材料は、層、コアおよび中間層が形成されるような仕方で、焼結される第２の材料と接合される。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、上記第１および上記第２の材料は、共にもたらされて上記中間ゾーンを形成するような仕方で、上記スペースは振動される。第１の材料および第２の材料が、焼結前、スペースに供給された後、スペースは振動される。それにより、第１の材料および第２の材料の材料勾配は、スペースの内側部分とスペースの外側部分との間に生じる。
【００３４】
本発明の実施形態によれば、上記第１の材料は粉末形状で供給される。粉末形状での物質により、固体の状態における材料は、小さな粒子サイズで多数の粒子を含むと理解される。粉末は、可能であれば、またフリーフロー（ｆｒｅｅ ｆｌｏｗｉｎｇ）であってよく、これは、粉末が機械的なストレスに曝された場合に、容易に変形されることを意味する。それにより、粉末は、焼結のために、ツールのスペースを満たす。粉末形状の材料を用いることによって、本方法は、中間ゾーンが形成された場合に容易にされる。
【００３５】
本発明の実施形態によれば、第２の材料は粉末形状にて供給される。
【００３６】
本発明の実施形態によれば、上記スペースは、上記内側部分を備える内側パイプによって分けられ、上記スペースは、上記外側部分を備える外側パイプによって分けられ、上記外側パイプと上記内側パイプとの間に中間部分が形成される。中間部分における材料は、焼結後、燃料材の中間層を形成する。外側部分は第２の材料が供給されるように構成され、焼結後、中性子吸収材の層を形成する。中間部分は、焼結後、中性子吸収材の中間層を形成する。
【００３７】
本発明の実施形態によれば、中間に位置する部分は、中間ゾーンを生成する第１の材料および第２の材料の混合物が供給される。中間部分における材料は、焼結後、中性子吸収材の中間層を形成する。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、上記中間部分は、少なくとも中間のパイプの分割部分（ｄｉｖｉｓｉｏｎ）に分けられ、上記分割部分は、上記第１の材料の濃度と上記第２の材料の濃度との間で異なる比率の混合物が供給される。２つ以上の分割部分に、スペースの中間部分を分割することによって、分割部分における第１および第２の材料の材（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）は、焼結後、形成された中間層は、層とコアとの首尾良い接着を提供する材料勾配を得るように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
本発明はここで、本発明の異なる実施形態の記載によってより綿密に説明され、かつ添付の図面を参照して説明される。
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る燃料材の、側面から見た場合における断面を示す。
【図２】図２は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図３】図３は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図４】図４は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図５】図５は、燃料材の断面の物質濃度の異なる例を有する図を示す。
【図６】図６は、燃料材を包囲する燃料ロッドの一例の斜視図を示す。
【図７】図７は、焼結のための物質を供給するためのツールの断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、側面から見た断面図において、本発明の一実施形態に係る燃料材１の一例を開示しており、以下では、材（コンポーネント）として示す。図１の材１は円筒形状を有し、シリンダの底の中心は０（ゼロ）にあり、シリンダの外皮表面は、ｘ軸に沿ったＲにある。材１の他の形状もまた可能であり、例えば矩形、方形、球状等である。
【００４１】
材１は、核分裂リアクタで使用されるように構成され、第１の材料からなるコア２、および第２の材料からなる層３を備える。材のコア２は、核分裂リアクタ内で核反応が維持されるような手法によりエネルギーおよび中性子を生成するように構成された核分裂材料を含む。材の層３は、図１に開示された例においては、耐食性およびガス状の物質への不浸透性のような、その保護特性により、コア２を完全に包囲しており、かつ外側周囲（ｏｕｔｅｒ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ）からコア２を保護する。層３は中性子吸収機能も有し、材の生成されたエネルギーが減少する。好ましくは、層３の中性子吸収物質は、ボロンまたはガドリニウムのような可燃中性子吸収体からなる。
【００４２】
材１は、中間層４がコア２と層３との間において形成されるような方法で焼結により製造される。中間層４は、第１の材料および第２の材料の両方を含む。中間層４は、コア２から層３へは第１の材料の濃度が減少して、コア２から層３へは第２の材料の濃度が増加する材料勾配を有する。中間層４は、コア２と層３との間の遷移を形成し、こうして第１の材料の物質特性は第２の材料の特性へと遷移し、逆もまた然りである。それによりコア２と層３との間の首尾良い接着が得られる。
【００４３】
図２から図５は、中性子吸収材の断面の物質濃度の例を開示する。図におけるｘ軸は寸法の軸であり、ここで０は材の中心を示し、Ｒは材の外周を示す。図のｙ軸は、材の、第１の材料および第２の材料についての物質濃度を百分率で示しており、ここで第１の材料はＡで示しかつ点線で示され、第２の材料はＢで示しかつ実線で示される。図において、コア２、中間層４、および層３は図のｘ軸に沿って指定されている。
【００４４】
図２は、中性子吸収材内の物質濃度のバリエーションの一例を示しており、ここで、コア２と層３との間の中間層４は、コアから層へ第１の材料の濃度が段階的に減少し、かつ、コアから層へ第２の材料の濃度が段階的に増加する材料勾配を有する。図２に示される例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は段階的に生じ、第１の材料の濃度は、コア２中において実質的に１００％から、中間層４において実質的に５０％に減少する。第１の材料の濃度は、中間層４内では一定である。さらに、中間層４から層３への第１の材料の濃度の減少は段階的に生じ、実質的に５０％から実質的に０％となる。逆に、コア２から中間層４へは、第２の材料の濃度が段階的に増加し、ここで第２の材料の濃度は、コア２においてほぼ０％から中間層４において実質的に５０％に増加する。第２の材料の濃度は中間層４内において一定である。さらに、中間層４から層３への、第２の材料の濃度の増加は、段階的に生じて、実質的に５０％から実質的に１００％となる。
【００４５】
図３は、図２と同様に、燃料材内の物質濃度の段階的なバリエーションの一例であり、違いは、中間層４が２つの濃度エリア、すなわち第１の濃度エリア４１および第２の濃度エリア４２を含んでおり、第１の材料と第２の材料とは異なる濃度である。第１の材料および第２の材料の濃度は、第１の濃度エリア４１および第２の濃度エリア４２内で一定である。図３の例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は、段階的に生じており、ここで第１の材料の濃度は、コア２内において、実質的に１００％から、中間層４の第１の濃度エリア４１内において実質的に７０％に減少する。中間層４内において、第１の濃度エリア４１から第２の濃度エリア４２への第１の材料の濃度の段階的な減少が生じて、実質的に７０％から実質的に３０％となる。中間層４から層３への第２の濃度エリア４２からの第１の材料の濃度の段階的な減少が生じ、実質的に３０％から実質的に０％となる。逆に、コア２から中間層４へは、第２の材料の濃度の増加が生じる。
【００４６】
図４は、中性子吸収材内の物質濃度の一例を開示しており、ここでコア２と層３との間の中間層４は、コア２から層３へ、第１の材料の濃度の連続的な減少、ならびに、コア２から層３へ、第２の材料の濃度の連続的な増加を含む材料勾配を有する。中間層４内において、コア２から層３へ、第１の材料の濃度は、実質的に１００％から実質的に０％へ、一定した比率で減少する。逆に、中間層４内において、第２の材料の濃度は、コア２から層３へと、実質的に０％から実質的に１００％へと上昇する。
【００４７】
図５は、燃料材内における物質濃度のバリエーションの１つの例を開示し、ここでコア２と層３との間の中間層４は、コア２から層３への第１の材料の濃度の連続した減少、ならびにコア２から層３への第２の材料の濃度の連続した増加を含む材料勾配を含む。図５の例において、コア２から中間層４への第１の材料の濃度の減少は連続的な仕方で生じる。中間層４内において、第１の材料の濃度の漸次的な減少が生じ、実質的に１００％から実質的に０％となる。コア２と層３との間の遷移は、例えば、非線形の仕方で生じ得る。逆に、コア２から、第２の材料の濃度の増加が生じる。開示された例において、中間層４は材の主たる部分を形成し、他方でコア２および層３は材の少ない部分を形成する。
【００４８】
図６は、本明細書に記載の型の燃料材１を包囲する被覆チューブ１０を有する燃料ロッドの一例の斜視図を開示する。燃料ロッドの被覆チューブ１０は、部分的にカットされることにより示される内側部を含む。燃料材１を包囲する複数の被覆チューブ１０は、固定具に配置され、かつ燃料アセンブリを形成し、図示しないが、核分裂リアクタ内に照射されるように構成される。被覆チューブ１０は、ジルコニウム合金のような低中性子吸収断面を有する耐食性合金からなる。被覆チューブ１０の機能は、燃料材１を包囲することであり、それにより、内側と燃料材のコア２における核分裂物質との相互作用を防ぐ。被覆チューブ１０は、材１と被覆チューブ１０との間の熱伝導性能を増加させることを目的として、ヘリウムのようなガスで加圧されうる。
【００４９】
図７は、燃料材の製造のためのツールの一例の断面を開示する。開示されたツールは、燃料材を製造するための任意の適切な焼結方法において用いられることができる。本発明のために用いることができる適切な焼結方法の例は、大気圧かつ上昇した温度にて焼結する従来の焼結技術、冷間静水圧成形法（ＣＩＰ）、熱間静水圧成形法（ＨＩＰ）、放電プラズマ焼結等である。
【００５０】
本方法のためのツールはツール部分を備えており、焼結のための材料が供給されるためにスペースが配置されている。ツール部分は周囲要素９１を備える。周囲要素９１は上述のスペースを包囲する。ツールのスペースは、内側部分９９を生成する内側パイプ９８によって分けられ、この内側部分９９において、第１の材料が供給され、これは、焼結後、材のコア２を形成する。ツールのスペースはまた、外側部分９３を形成する外側パイプ９４によって分けられ、この外側部分９３において、第２の材料が供給され、これは、焼結後、材の層３を形成する。外側パイプ９４と内側パイプ９８との間には、中間部分９５が形成され、この中間部分９５の間には、第１の材料と第２の材料とが供給可能であり、これらは、焼結後、材の中間層４を形成する。このようなツールの構成により、例えば、図２における物質濃度のバリエーションを有する材が達成可能である。
【００５１】
図７における例において、中間部分９５は、中間パイプ９６の分割部分（ｄｉｖｉｓｉｏｎ）に分けられる。中間部分９５内の分割部分は、第１の材料の濃度と第２の材料の濃度との間で異なる比率の混合物が供給される。混合物は、例えば図３に示されるように、焼結後に形成された層３が、コア２から層３への、第１の材料の濃度の減少、ならびに、コア２から層３への、第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を得るような方法にて構成可能である。
【００５２】
第１および第２の材料の上述の変動（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）により、図４および図５に示されるように、物質濃度のバリエーションは、図７に示されているツールの配置構成によって達成可能である。
【００５３】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、ツールのスペースから引き出され、ツールのスペース内の材料が燃料材に共に焼結される前に、電極は、電源１００に接続され、かつ電流は、ツールのスペース内の供給された材料を介して導通する。あるいは、ツールのスペース内の材料は、共に焼結する前に、さらに、ツールのスペースを振動させることによって共にもたらされてもよい。
【００５４】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、焼結方法の間に蒸発する材料を含む。それにより、パイプ９４、９６、９８は、中性子吸収材のセラミック組成物に影響を与えることなく、焼結方法の間、ツールのスペース内に残すことができる。
【００５５】
本発明の一実施形態において、図７に開示されたパイプ９４、９６、９８は、ツールのスペースの底に対して距離が形成されるように配置される。それにより、第２の材料は、第１の材料を完全に包囲するように、ツールのスペースに供給可能である。
【００５６】
本発明は開示された実施形態に限定されず、特許請求の範囲の請求項の範囲内において修正および変更可能である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の材料からなるコア（２）と、第２の材料からなる層（３）と、を含み、前記層（３）は、前記コア（２）を少なくとも部分的に包囲し、前記第１の材料は、核分裂物質を含む、核分裂リアクタ内において用いられるように構成される燃料材（１）であって、前記燃料材（１）は、前記コア（２）と前記層（３）との間に中間層（４）を含み、前記中間層（４）は、前記コア（２）から前記層（３）への前記第１の材料の濃度の減少および前記コア（２）から前記層（３）への前記第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有することを特徴とする燃料材（１）。
【請求項２】
前記材料勾配は、前記コア（２）から前記層（３）への前記第１の材料の濃度の連続的な減少および前記コア（２）から前記層（３）への前記第２の材料の濃度の連続的な増加を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料材（１）。
【請求項３】
前記燃料材（１）は、焼結により製造されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料材（１）。
【請求項４】
前記第１の材料は、少なくともＵ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＵｘＯｙ、ＵｘＮｙ、ＵｘＣｙ、ＰｕｘＯｙ、ＰｕｘＮｙ、ＰｕｘＣｙ、ＴｈｘＯｙ、ＴｈｘＮｙ、ＴｈｘＣｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項５】
前記層（３）は、中性子を吸収するように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項６】
前記第２の材料は、少なくともＨｆ、Ｂ、ＺｒＢ２、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｅｒ、ＢｘＣｙ、ＢｘＮｙ、ＢｘＯｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項７】
前記層（３）は、外側周囲から前記コア（２）を保護するように構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項８】
前記層（３）は、ガス状の物質、少なくともヘリウムに対して実質的に不浸透性であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項９】
前記層（３）は、核分裂リアクタの環境内において、実質的に耐食性であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１０】
前記層（３）は、ゼロ以上の全細孔容積を有する孔隙率を有し、前記コア（２）は、ゼロより大きい全細孔容積を有する孔隙率を有し、前記層（３）における孔隙率の細孔容積は、前記コア（２）における孔隙率の細孔容積より著しく低いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１１】
前記層（３）は、金属材料およびセラミック材料のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１２】
前記層（３）は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１３】
前記層（３）は、前記コア（２）を完全に包囲することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料材を製造する方法であって、前記第２の材料が前記第１の材料を少なくとも部分的に包囲するような仕方で、前記第１の材料および前記第２の材料をツールのスペースに供給する工程と、前記第１の材料および前記第２の材料を共に、前記燃料材に焼結する工程と、を含み、前記中間層は、前記コアと前記層との間に形成され、前記中間層は、前記コアから前記層への前記第１の材料の濃度の減少および前記コアから前記層への前記第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有する、方法。
【請求項１５】
前記第１の材料および第２の材料を供給する工程において、前記スペースの内側部分と前記スペースの外側部分との間に中間ゾーンが形成され、前記中間ゾーンは、前記スペースの内側部分から前記スペースの外側部分への前記第１の材料の濃度の減少、および、前記スペースの内側部分から前記スペースの外側部分への前記第２の材料の濃度の増加を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１および前記第２の材料は、共にもたらされて前記中間ゾーンを形成するような仕方で、前記スペースは振動される請求項１５に記載の方法。
【請求項１】
第１の材料からなるコア（２）と、第２の材料からなる層（３）と、を含み、前記層（３）は、前記コア（２）を少なくとも部分的に包囲し、前記第１の材料は、核分裂物質を含む、核分裂リアクタ内において用いられるように構成される燃料材（１）であって、前記燃料材（１）は、前記コア（２）と前記層（３）との間に中間層（４）を含み、前記中間層（４）は、前記コア（２）から前記層（３）への前記第１の材料の濃度の減少および前記コア（２）から前記層（３）への前記第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有することを特徴とする燃料材（１）。
【請求項２】
前記材料勾配は、前記コア（２）から前記層（３）への前記第１の材料の濃度の連続的な減少および前記コア（２）から前記層（３）への前記第２の材料の濃度の連続的な増加を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料材（１）。
【請求項３】
前記燃料材（１）は、焼結により製造されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料材（１）。
【請求項４】
前記第１の材料は、少なくともＵ、Ｐｕ、Ｔｈ、ＵｘＯｙ、ＵｘＮｙ、ＵｘＣｙ、ＰｕｘＯｙ、ＰｕｘＮｙ、ＰｕｘＣｙ、ＴｈｘＯｙ、ＴｈｘＮｙ、ＴｈｘＣｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項５】
前記層（３）は、中性子を吸収するように構成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項６】
前記第２の材料は、少なくともＨｆ、Ｂ、ＺｒＢ２、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｈｇ、Ａｇ、Ｇｄ、Ｅｒ、ＢｘＣｙ、ＢｘＮｙ、ＢｘＯｙ、およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項７】
前記層（３）は、外側周囲から前記コア（２）を保護するように構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項８】
前記層（３）は、ガス状の物質、少なくともヘリウムに対して実質的に不浸透性であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項９】
前記層（３）は、核分裂リアクタの環境内において、実質的に耐食性であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１０】
前記層（３）は、ゼロ以上の全細孔容積を有する孔隙率を有し、前記コア（２）は、ゼロより大きい全細孔容積を有する孔隙率を有し、前記層（３）における孔隙率の細孔容積は、前記コア（２）における孔隙率の細孔容積より著しく低いことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１１】
前記層（３）は、金属材料およびセラミック材料のうちの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１２】
前記層（３）は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびそれらの混合物の群より選択される少なくとも１つの物質、ならびにとり得るバランスからなることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１３】
前記層（３）は、前記コア（２）を完全に包囲することを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の燃料材（１）。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか一項に記載の燃料材を製造する方法であって、前記第２の材料が前記第１の材料を少なくとも部分的に包囲するような仕方で、前記第１の材料および前記第２の材料をツールのスペースに供給する工程と、前記第１の材料および前記第２の材料を共に、前記燃料材に焼結する工程と、を含み、前記中間層は、前記コアと前記層との間に形成され、前記中間層は、前記コアから前記層への前記第１の材料の濃度の減少および前記コアから前記層への前記第２の材料の濃度の増加を含む材料勾配を有する、方法。
【請求項１５】
前記第１の材料および第２の材料を供給する工程において、前記スペースの内側部分と前記スペースの外側部分との間に中間ゾーンが形成され、前記中間ゾーンは、前記スペースの内側部分から前記スペースの外側部分への前記第１の材料の濃度の減少、および、前記スペースの内側部分から前記スペースの外側部分への前記第２の材料の濃度の増加を含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１および前記第２の材料は、共にもたらされて前記中間ゾーンを形成するような仕方で、前記スペースは振動される請求項１５に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１３−５２１４９４（Ｐ２０１３−５２１４９４Ａ）
【公表日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５５６０３９（Ｐ２０１２−５５６０３９）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２０１１／０５０２０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０８９７５
【国際公開日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（５０４４４６５４８）ウェスティングハウス エレクトリック スウェーデン アーベー (26)
【公表日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＥ２０１１／０５０２０４
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／１０８９７５
【国際公開日】平成２３年９月９日（２０１１．９．９）
【出願人】（５０４４４６５４８）ウェスティングハウス エレクトリック スウェーデン アーベー (26)
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