(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料集合体内の多様な位置での予測される条件に基づいて燃料性能を最適化する軸方向特性を有する燃料棒及び燃料集合体を提供する。【解決手段】内側と外側のクラッド１２０、及び燃料１２２ｂの直径又は幅、容積、質量、内部容積、厚さ、棒の幅などのパラメータを燃料棒１１４の全体の長さ、及び／又は燃料集合体の位置にわたる軸方向位置での算定された動作条件、及び／又は所望の燃料応答に基づいて選択し、実装する。【選択図】図３
2014119454.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料集合体で使用される燃料棒であって、
核燃料要素と、
前記核燃料要素が格納される不透過性の内部容積を画成する内径を有するクラッドと、
を備え、
前記クラッドが前記内径に対して垂直な軸方向に延在すると共に、前記内径が前記軸方向に沿って意図的に変化する
燃料棒。
【請求項２】
前記核燃料要素が、第１の燃料ペレットと、前記内部容積内に軸方向に堆積された第２の燃料ペレットとを含み、
前記第１の燃料ペレットと前記第２の燃料ペレットとが意図的に異なる容積を有する、
請求項１に記載の燃料棒。
【請求項３】
前記第１及び第２の燃料ペレットが円筒形であり、前記クラッドの内径に基づいて意図的に異なる直径を有する、請求項３に記載の燃料棒。
【請求項４】
前記クラッドが円筒形で、外径を含み、
前記クラッドの厚さが前記軸方向に沿って変化するように前記外径が一定である、
請求項１に記載の燃料棒。
【請求項５】
前記内部容積が、核分裂生成物を累積できる燃料を備えていない領域を含み、
前記内径が、燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも大きい、
請求項１に記載の燃料棒。
【請求項６】
前記クラッドが円筒形で、外径を含み、
前記外径が、燃料を備えている領域で燃料を備えていない領域よりも大きく、
前記燃料を備えていない領域が、前記燃料棒がタイプレートに着座するように構成された終端の軸方向位置にある、
請求項５に記載の燃料棒。
【請求項７】
前記内径が、核燃料集合体内、及び炉心内の燃料棒の径方向位置に基づいて意図的に変化する、請求項１に記載の燃料棒。
【請求項８】
核燃料集合体で使用される燃料棒であって、
核燃料要素と、
前記核燃料要素が格納される不透過性の内部容積を画成する外径と内径とを有するクラッドと、
を備え、
前記クラッドが、前記内径及び外径に対して垂直な軸方向に延在すると共に、前記燃料棒の燃料棒を備えている領域の異なる少なくとも２／３が完全に異なる外径を有するように前記外径が前記軸方向に沿って意図的に変化する、
燃料棒。
【請求項９】
前記内部容積が、核分裂生成物を累積できる燃料を備えていない領域を含み、
前記外径が、燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも小さい、
請求項８に記載の燃料棒。
【請求項１０】
前記クラッドの厚さが燃料備えていない領域で燃料棒を備えている領域よりも薄くなるように、前記内径が燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも大きい、請求項９に記載の燃料棒。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変的な軸方向特性を有する燃料棒、及びこれを使用した核燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、世界中で発電のための商用軽水原子炉で通常使用される従来の核燃料集合体１０の部分図である。核分裂連鎖反応を持続させるため、幾つかの燃料集合体１０が密接して原子炉内に配置される。従来は、流体減速剤及び／又は冷媒が燃料集合体１０を長手方向（軸方向）に通過し、連鎖反応を促進し、且つ／又は熱を集合体１０から輸送する。
【０００３】
図１に示すように、燃料集合体１０は、分裂性材料を格納し、集合体１０内で軸方向に延在する複数の燃料棒１４を含んでいる。図１には図示していないが、燃料棒１４は下部タイプレート１６に着座し、燃料集合体１０の両端で上部タイプレート１７へと上方に延びている。燃料棒１４は、集合体１０の外部を形成する溝１２によって界接され、集合体１０の軸方向長さにわたって集合体１０内での流体流を維持する。従来の燃料棒１０は更に、さまざまな位置に１つ又は複数の従来の燃料スペーサ１８を含んでいる。燃料スペーサ１８によって、燃料棒１４はスペーサ１８内の格子状開口を通り、それによって燃料棒１４の配列と間隔を整えることが可能になる。所望のレベルの減速剤又は冷媒が通過して集合体１０へと流れるように、１つ又は複数の水ロッド１９があってもよい。
【０００４】
図２は、先行技術の燃料棒１４の内部の図である。図２に示すように、燃料棒１４は、燃料棒１４のクラッド２２により形成される内部容積又はハウジング内に軸方向に堆積されたペレット状又はその他の同様の形状の１つ又は複数の燃料要素２２を含んでいる。燃料要素２２は核分裂燃料を含んでおり、且つ、核分裂生成物を生成し、これは一般にペレット２２、及びペレット２２から生成される核分裂性生成物を囲み、不透過性格納するクラッド２０によって格納される。燃料棒１４は、燃料ペレットがその内部に延在する燃料を備えている部分１４ａと、核分裂によって生成されたガスであってよい核分裂性生成物の累積を可能にし、燃料棒１４の過圧を防止するオープンスペースが存在する燃料を備えていないゾーン１４ｂとを含んでもよい。プレナム領域１４ｂ内の押さえばね２３が燃料ペレット２２を押圧し、これを燃料棒１４内の位置に保ってもよい。ペレットとクラッドの相互作用の効果を軽減するために、（点線で示す）薄い内側ライナ２１が燃料棒１４の内周の周りに延びていてもよい。クラッド２０は比較的硬質の及び／又は比較的強固なジルコニウム又はその他の合金から形成されてもよく、内側ライナ２１は比較的軟質の材料から形成され、クラッド２０の内表面から内側に延びていてもよい。
【０００５】
図２に示すように、先行技術の燃料棒１４は、その軸方向長さ全体にわたって均一で一定の直径ｄｉｃを有している。同様に、燃料ペレット２２は各々、ペレット２２とクラッド２０との強固な接触を防止するように、燃料棒１４の全体にわたってｄｉｃよりも小さい均一な幅ｄｆを有している。燃料棒１４は更に、燃料棒１４の全体にわたって均一な厚さを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６３２７３２４号明細書
【発明の概要】
【０００７】
このような均一性は燃料要素、燃料棒、及び、燃料集合体のモジュール構造を促がし、異なる燃料棒及びその部品を燃料集合体内の多様な位置で使用できない。
【０００８】
例示的実施形態は、燃料及び／又はクラッド内に意図的な変化を有する核燃料棒、及びこれを格納する核燃料集合体を含んでいる。例えば、燃料要素、又は燃料要素を格納するクラッド燃料の容積、半径、及び／又は厚さのサイズは、燃料棒内の軸方向位置に基づいて決めることができる。クラッドの内径及び／又は外径、又は幅は、極小の２、３ミルから数百ミルまで、従来の、又は既存のサイズのゆうに２倍以上まで、燃料棒の例示的実施形態の軸方向位置に沿って意図的な変化を有してもよい。燃料のサイズも、クラッドの軸方向位置での内径の変化に比例して拡大又は縮小されることで、異なる軸方向位置で２つの燃料要素が同じ軸方向長さを有するが、容積と燃料質量は異なるようにしてもよい。クラッド及び／又は燃料の変更は、燃料を備えている領域と、累積した核分裂ガスを格納する燃料を備えていない領域の両方を含むことができる特定の軸位置での条件に基づいて行われる。クラッドの厚さ、燃料棒の幅、クラッドに内径と外径との比率、クラッドにより規定される内部容積、クラッドの内側ライナの存在の有無、燃料の形状又はサイズなどの変化は、製造中、又は焼結、アブレーション、エッチング、リーミング、研磨などの製造後の改良中に、所望の任意の組み合わせで、又、燃料の別の任意の変化で選択され、実装されてもよい。変化は、燃料インベントリの変化、圧力低下、加圧防護などの所望の燃料特性及び応答を達成するために用いられてもよい。燃料棒の例示的実施形態は、それ以外は既存の燃料タイプと互換性があってもよく、且つ炉心内の格納燃料集合体の現在の、又は所望の位置、又は燃料集合体及び／又は炉心内の現在の、又は所望の位置を含む燃料棒の径方向位置に基づいて径方向に構成されてもよい。例えば、これらの燃料棒は、スペーサと溝とを有する燃料集合体内に着座し、上部と下部のタイプレートの間に延びるように構成されてもよい。
【０００９】
例示的実施形態は、同一の要素は同一の参照番号で示され、説明目的のみであって、図示する用語を限定するものではない添付図面を詳細に説明することによって更に明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】先行技術の核燃料集合体の部分図である。
【図２】先行技術の燃料棒の内部を示す図である。
【図３】燃料棒の例示的実施形態の図である。
【図４】燃料棒の例示的実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本文献は特許文献であり、これを読み、理解する場合は一般的な大まかな解釈の規則が適用されるべきでる。本文献に記載され、図示される全ては、添付の特許請求の範囲に含まれる主題の例である。本明細書に記載のいかなる構造的、機能的な細部も単に、例示的実施形態をどのように製造し、使用するかを記載することを目的とする。本明細書に記載されない幾つかの別の実施形態が多くの代替形態で実施されてもよく、したがって、特許請求の範囲は多くの代替形態で実施されてもよく、本明細書に記載の例示的実施形態に限定されると解釈されるべきではない。
【００１２】
本明細書では第１、第２などの用語は様々な要素を記載するために用いられるが、これらの要素はこれらに用語に限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は単に、１つの要素を他の要素と区別するために用いられる。例えば、例示的実施形態に範囲から逸脱することなく第１の要素が第２の要素と呼ばれる可能性もあり、同様に、第２の要素が第１の要素と呼ばれる可能性もある。本明細書で用いられる「及び／又は」という用語は、関連する列挙される１つ又は複数の品目のいずれかの、及び全ての組み合わせを含むものである。
【００１３】
ある要素が別の要素に「接続され」、「接合され」、「取り付けられ」、又は「固定される」と記載される場合、これは別の要素に直接接続、又は結合されてもよく、又は介在要素があってもよいことが理解されよう。これに対して、ある要素が別の要素に「直接接続され」、又は「直接結合される」と記載される場合は、介在要素は存在しない。要素間の関係を記載するために用いられる他の表現も同様に解釈されるべきである（例えば「挟まれる」と「直接挟まれる」、「隣接する」と「直接隣接する」など）。同様に「通信可能に接続され」などの用語は、ワイヤレスで接続され、又はワイヤレスで接続されない中間デバイス、ネットワークなどを含む２つのデバイス間の情報交換ルートのあらゆるバリエーションを含むものである。
【００１４】
本明細書で用いられる単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、言語が「だけ」、「単一の」及び／又は「１つの」などの語で別途明確に表記しない限り、単数形と複数形の両方を含むことを意図するものである。更に、本明細書で用いられる「備える」、「備えている」、「含む」及び／又は「含んでいる」という用語は、記載される特徴、ステップ、動作、要素、考案、及び／又はコンポーネントを特定するものであるが、それ自体が１つ又は複数のその他の特徴、ステップ、動作、要素、コンポーネント、考案、及び／又はそれらのグループを除外するものではないことが理解されよう。
【００１５】
以下に記載する構造及び動作は、記載され、且つ／又は図に示される順序以外の順序で実施されてもよいことも付記しておく。例えば、続けて示される２つの動作及び／又は形状は実際には同時に実行されてもよく、又は、それに関与する機能性／作用に応じて場合によっては逆の順序で実行さえてもよい。同様に、以下に記載する例示的方法に含まれる個々の動作は、以下に記載する単独の動作に加えて循環的な、又はその他の一連の動作をさせるために、反復的に、個別的に、又は逐次的に実行されてもよい。以下に記載する特徴と機能性とを有する、いずれかの動作可能な組み合わせのどの実施形態も例示的実施形態の範囲に含まれるものと想定するべきである。
【００１６】
出願人は、核燃料棒は、稼働中の核反応炉内の軸方向位置で大きく変化することがある中性子及び熱水力的条件にさらされることを認識した。均一な燃料棒特性は、燃料棒の長さ全体にわたる平均的又は全体的な条件から外れたある一定の軸方向条件をうまく利用できず、且つ／又はその条件では燃料の性能が低下することがある。クラッドの厚さ、燃料要素の形状、及び／又は燃料棒の形状は均一性を必要とするとは限らず、異なる軸方向位置での予測される条件に基づいて燃料性能を最適化するために個々に調整することができる。出願人は、例えば安全裕度、燃料質量及び寿命期待度、及び／又はエネルギ生成効率を含む燃料棒の性能を高めるために、燃料、クラッド、及び燃料棒のどの特性も、集合体内の径方向位置に基づいて、精密な軸方向長さで変化させることができることを認識した。以下に記載する例示的実施形態は、出願人が認識した上記の、及びその他の問題点に、例示的実施形態によって可能となる独自の解決策によって対処するものである。
【００１７】
本発明は、クラッド内に格納される核燃料で原子力発電に使用可能な燃料棒、及び／又はこのような燃料棒を使用する燃料集合体である。本発明は、異なる軸方向位置で意図的に変化させるクラッドを有する燃料棒、及び／又は異なる軸方向位置で意図的に変化させる燃料要素を含んでいる。本明細書で用いられる「意図的に変化させる」という用語は、製造工程の一部として、又は損傷によって不可避的に生じる欠陥、並びに動作、及び内部容積を形成するために必要な成端によって生じる不慮の変化を除外するものとして定義される。このように、「意図的に変化させる」には、燃料棒の異なる応答を意図的に達成するために製造中に行われる変化、又はこのような特徴の目的のある、実質的な事後的な変化が含まれる。本明細書で用いられる「軸方向」は、稼働では垂直方向であることが多い、燃料棒又は集合体全体の最長寸法として定義される。
【００１８】
図３は、燃料棒１１４の例示的実施形態の断面図である。図３に示すように、燃料棒１１４は従来の燃料棒と同様の特徴を含んでもよく、従来の燃料棒の代わりに幾つかの異なるタイプの燃料集合体で使用されてもよい。燃料棒１１４の例示的実施形態は、原子力発電のために核分裂材料を提供する、例えば円筒形ペレット、粉末、角柱形固体などでよい燃料要素１２２を収容し、格納するクラッドを含んでいる。燃料棒１１４は更に、クラッド１２０内の燃料要素１２２を固定するために、その他の任意の位置に押さえばね１２３、又はその他の安定器具を含んでもよい。
【００１９】
図３に示すように、燃料棒１１４の例示的実施形態は、可変的な軸方向の構成を有している。例えば、第１のゾーン１１４ａは、燃料要素１２２とクラッド１２０との不利な相互作用を引き起こす公算が高く、又はスペーサに誘発されるフレッティング摩耗や穿刺によるなどの損傷又は摩耗を受ける公算が高い、核反応炉内の減速剤の相の変化、又は制御素子の露出の変化などの動作条件にさらされる軸方向ゾーンとして特定されてもよい。第１のゾーン１１４ａは、例えば燃料棒１１４の例示的実施形態の燃料を備えている部分の軸方向の上から２／３のゾーンであってよい。第１のゾーン１１４ａの予測される条件の特定に基づいて、クラッド１２０及び／又は燃料要素１２２ａはこれらの条件に最良に適応するように構成されてもよい。例えば、ペレットとクラッドとの相互作用の影響及び損傷を低減するために、クラッド１２０は、外径ｄｏｃ１と内径ｄｉｃ１との間に最大限の、又は従来の厚さを含んでもよい。クラッドの内径ｄｉｃ１と増大されたクラッドの厚さとを受容するために、第１の軸方向ゾーン１１４ａ内に配置された燃料要素１２２ａは、最大限の、又は従来の幅ｄｆ１を有してもよい。
【００２０】
第２の軸方向ゾーン１１４ｃは、例えばクラッドの損傷、燃料とクラッドとの相互作用のリスクが少なく、且つ／又はより大きい燃料インベントリの恩恵を受けるような位置に基づいて異なる動作条件にさらされる軸方向ゾーンとして特定されてもよい。第２のゾーン１１４ｃは、例えば燃料棒１１４の例示的実施形態の燃料を備えている部分の軸方向の下から１／３のゾーンであってよい。第２のゾーン１１４ｃの予測される条件の特定に基づいて、クラッド１２０及び／又は燃料要素１２２ｂはこれらの条件に最良に適応するように構成されてもよい。例えば、クラッド１２０は、内側ライナ１２１がある場合はこれを除去することによって、及び／又は例えば製造中に第２の軸方向ゾーン１１４ｃ内のクラッドの厚さを薄くし、又は事後の内部アブレーションによって外径ｄｏｃ１と内径ｄｉｃ３との間の厚さをより薄くしてもよい。クラッドの内径ｄｉｃ３をより大きくし、クラッドの厚さを薄くすることによって得られるより大きい容積を利用するために、第２の軸方向ゾーン１１４ｃ内に配置された燃料要素１２２ｂの幅ｄｆ２を広くしてもよい。例えば、幾つかのタイプの従来の軽水燃料棒と比較して、ｄｉｃ３をｉｃ１よりも約７〜１４ミル（千分の１インチ）だけ増大してもよく、それに比例してｄｆ２も増大してもよい。もちろん、例示的実施形態では、その他の寸法を増大してもよい。
【００２１】
軸方向ゾーン１１４ａと１１４ｃとの間のクラッド及び／又は燃料のパラメータを軸方向と径方向の両方のそれぞれの位置での予測動作条件に基づいて変化させることによって、安全裕度、及び／又は動作限度を確保し、しかも燃料容積、中性子応答、及び熱水力的パラメータを最適化することができる。例えば、燃料棒１１４の例示的実施形態の下から１／３の第２の軸方向ゾーン１１４ｃと、第２の軸方向ゾーン１１４ｃ内のクラッド内径ｄｉｃ３とが増大され、それに比例して燃料容積が増大する場合、出願人は、燃料棒１１４の例示的実施形態を使用して通常のＢＷＲ燃料集合体内により多くのキログラムの核分裂ウランを格納することができ、しかも全ての軸方向位置にわたって単一の構成を用いた燃料棒とは別の安全性及び動作限度が確保されるものと算定した。
【００２２】
燃料棒１１４の例示的実施形態は、付加的な軸方向の変化を含んでもよい。例えば、第３の軸方向ゾーン１１４ｂは、例えばクラッドの損傷、燃料とクラッドとの相互作用のリスクが少なく、且つ／又は燃料インベントリの恩恵をより多く受けるような位置に基づいて異なる動作条件にさらされる軸方向ゾーン１１４として特定されてもよい。第３のゾーンは、例えばガスなどの核分裂生成物が累積する燃料棒１１４の例示的実施形態の燃料を分備えていない部分であってよい。第３のゾーン１１４ｂに予測される条件に基づいて、クラッド１２０は、これらの条件に最も適応するように構成されてもよい。例えば、クラッド１２０は、内側ライナ１２１がある場合はこれを除去し、例えば製造中に第３の軸方向ゾーン１１４ｂ内のクラッドの厚さを薄くし、又は事後の成形によって外径ｄｏｃ２と内径ｄｉｃ２との間の厚さをより薄くしてもよい。クラッドの外径ｄｏｃ２は、例えば軸方向の高さと共に増大してもよく、クラッドの内径ｄｉｃ２は軸方向の高さと共に更に大きい比率で増大し、その結果、軸方向の高さと共にクラッドが薄くなるようにしてもよい。例えば、従来の幾つかのタイプの軽水燃料棒と比較して、第３のゾーン１１４ｂではｄｉｃ２とｄｏｃ２との間のクラッド１２０の厚さを約３．５〜７ミル（千分の１インチ）だけ縮小してもよい。もちろん、例示的実施形態では、その他の寸法を縮小してもよい。
【００２３】
軸方向ゾーン１１４ａと１１４ｂとの間のクラッドのパラメータを軸方向と径方向の両方のそれぞれの位置での予測動作条件に基づいて変化させることによって、安全裕度、及び／又は動作限度を最適化することができる。例えば、燃料棒１１４の例示的実施形態の燃料を備えていない部分の上部プレナム位置にある第３の軸方向ゾーン１１４ｂが薄くされたクラッドを含む場合は、プレナムの容積が増大し、それによって核分裂ガスの受容量が増加し、且つ／又は燃料棒の内圧を低下させることが可能になる。出願人は、それによって熱機械的動作限度とエネルギ生成効率とを向上させ、同時に単一の構成を用いて燃料棒にわたる全ての軸方向位置で安全性と動作限度を確保することができるものと算定した。
【００２４】
燃料棒１１４の例示的実施形態をクラッド及び／又は燃料構成が異なる別個の３つの軸方向ゾーン１１４ａ、ｂ、ｃでこれらのゾーンの各々の予測動作条件に基づいて記載したが、任意の数の異なるゾーン及び／又は燃料変化を燃料棒１１４の例示的実施形態に使用できることが理解されよう。燃料棒の例示的実施形態は、例えば、異なる燃料を備えていない領域及び位置、異なる燃料濃縮度、及び／又は異なる軸方向位置でのクラッドの異なる熱機械的及び／又は中性子特性を含んでもよい。このような変化は、燃料棒の例示的実施形態を格納する燃料集合体の寿命を通して反応炉の軸方向の予測条件に基づいてなされてもよく、又は対処されてもよい。
【００２５】
図４は、核反応炉内で使用できる燃料棒２１４の別の例示的実施形態を示す図であり、燃料棒２１４は、押さえばね２２３、クラッド２２０、それがある場合は内側ライナ２２１、及び／又は燃料要素２２２などの幾つかの従来の特徴を含んでもよい。燃料棒２１４の例示的実施形態は、燃料インベントリが増加すべきではない動作条件、及び／又はクラッド２２０が安全性又は動作上の関連で最大限の、又は従来の厚さを有するべき動作条件にさらされる第１のゾーン２１４ａを含んでもよい。第１のゾーン２１４ａは、例えば燃料棒２１４の例示的実施形態の燃料を備えている部分の軸方向の上から２／３であってよい。第１のゾーン２１４ａの予期される条件の特定に基づいて、クラッド２２０及び／又は燃料要素２２２はこれらの条件に最良に適応するように構成されてもよい。例えば、ペレットとクラッドとの相互作用の影響及び損傷を低減するために、クラッド２２０は、外径ｄｏｃ１と内径ｄｉｃ１との間に最大限の、又は従来の厚さを含んでもよい。燃料棒２１４の例示的実施形態の全体にわたって燃料要素２２２は標準化された幅ｄｆ１を有してもよい。
【００２６】
別の軸方向ゾーン２１４ｂ及び２１４ｃは、例えばクラッドの損傷、燃料とクラッドとの相互作用のリスクが少なく、且つ／又はより大きい減速剤の恩恵を受け、及び／又は圧力低下が少ないような位置に基づいて異なる動作条件にさらされる軸方向ゾーンとして特定されてもよい。ゾーン２１４ｃは、例えば燃料棒２１４の例示的実施形態の燃料を備えている部分であってよく、一方、ゾーン２１４ｂは、燃料を備えていない部分であってよい。ゾーン２１４ｃ及び２１４ｂ内の予測される条件の特定に基づいて、クラッド２２０はこれらの条件に最良に適応するように構成されてもよい。例えば、クラッド２２０は、軸方向ゾーン２１４ｂで薄くされてもよい。例えば製造中に軸方向ゾーン２１４ｃのクラッドを薄くすることによって、又は事後の外部エッチングにより、２１４ｃでの外径ｄｏｃ２が縮小され、一方、内径ｄｉｃ１及び燃料要素の幅ｄｆ１は均一に保たれてもよい。同様に、クラッドの外径ｄｏｃ２は２１４ｂ内の軸方向の高さと共に縮小され、内径ｄｉｃ２は増大されてもよい。例えば、ｄｏｃ３及び／又はｄｏｃ２はｄｏｃ１よりも約７〜１４ミルだけ縮小されてもよい。もちろん、例示的実施形態では、その他の寸法を縮小してもよい。
【００２７】
軸方向ゾーン２１４ａ、ｂ、ｃの間のクラッド及び／又は燃料のパラメータを軸方向と径方向の両方のそれぞれの位置での予測動作条件に基づいて変化させることによって、安全裕度、及び／又は動作限度を最適化することができる。例えば、軸方向ゾーン２１４ｂ及び２１４ｃは、燃料棒２１４に沿って軸方向にたどる流体冷媒／減速剤の圧力低下を少なくし、且つ／又はより良好な減速をもたらし、水力学的性能及びプラントの効率を高めることができる。
【００２８】
図３及び４の燃料棒１１４及び２１４の例示的実施形態を軸方向特性の特定の組み合わせで記載したが、例示的実施形態には任意の単一の特徴があってもよく、任意の数の軸方向ゾーンで燃料棒の例示的実施形態にその他のどの組み合わせがあってもよいことが理解されよう。例えば、従来の燃料棒の代替として燃料棒の例示的実施形態を使用できるように、従来の燃料棒のクラッド外径に適合する一体の外径を有する燃料棒の例示的実施形態を使用することを希望するエンジニアは、所望の軸方向位置で使用するために図３のゾーン１１４ｃからの変化だけを実装してもよい。このようにして、燃料棒の例示的実施形態の全体に沿って外径ｄｏｃ１、及び従来の燃料棒に模した幾何的形状を一定に保ちつつ、増大した内径及び燃料質量により最適化という利点をもたらすことができる。又は、例えば製造上の互換性及びモジュール性のために単一サイズの燃料要素を使用することを希望する燃料製造者は、燃料要素２２２の単一の、均一な構成を有する図４の燃料棒２１の例示的実施形態を使用して、特定の軸方向位置での外径の縮小により水力学的な、及びその他の利点を得ることができる。
【００２９】
更には、核燃料の供給業者は、燃料棒の所望の応答を達成するため、幾つかの異なる軸方向ゾーンにわたって、且つ様々な燃料集合体の位置でいずれかの、又は全ての修正を加えてもよい。例えば、燃料を備えていない下部プレナム位置に燃料棒２１４の例示的実施形態のゾーンよりも狭い外径及び内径ｄｉｃ２／ｄｏｃ３を使用し、燃料集合体又は炉心のパラメータに基づいてより大きい燃料インベントリが望まれる幾つかの軸方向位置で、燃料棒１１４の例示的実施形態のゾーン１１４ｃよりも広い内径及び燃料幅ｄｉｃ３／ｄｆ２を使用し、より低い圧力低下とより大きい減速剤容積が望まれるより高いゾーンで燃料棒２１４の例示的実施形態のゾーン２１４ｃよりも狭い外径ｄｏｃ２を使用し、且つ、より大きい核分裂生成物を受容できるように、終端の燃料を備えていないプレナム容易器で燃料棒１１４の例示的実施形態のゾーン１１４ｂよりも広くした外径及び内径ｄｉｃ２／ｄｏｃ２を使用してもよい。更には、エンジニアは、同じゾーン内で特徴を混合してもよい。例えば、特定のゾーンでクラッドの内径の増大と、クラッドの外径の縮小の両方を行って、その領域でのより少ない圧力低下とより大きい燃料容積とを組み合わせてもよい。
【００３０】
燃料棒の例示的実施形態は、多様なタイプの反応炉及び燃料集合体で使用できる。図１の集合体１０に使用されるように、燃料棒の例示的実施形態を構成することができる。個々の燃料棒の例示的実施形態は、予測される反応炉の動作条件、及びこれに対する好適な応答に基づく軸方向の変化を含んでいる。したがって、集合体内の幾つかの燃料棒の例示的実施形態は、予測されるバンドル配置、及び動作条件への相互の作用に基づいて構成さえる軸方向の特徴を有してもよい。このようにして、燃料棒の例示的実施形態は、炉心の設計者が炉心の応答及び動作特性をより精密の調整できるようにし、且つ向上した炉心燃焼、燃料の寿命、動作及び安全性の裕度、及び／又は向上したプラント効率を達成可能である。
【００３１】
上記のように例示的実施形態、及び方法を記載したが、例示的実施形態は通常の実験によって変更、代替されてもよく、それもなお以下の特許請求の範囲に含まれることが当業者には理解されよう。例えば、上部の軸方向位置だけの燃料を備えていない領域、及びモジュール式燃料構造を有する幾つかの例示的実施形態を記載したが、燃料棒の例示的実施形態は、燃料を備えていないゾーンと燃料を備えている領域との任意の組み合わせ、及び燃料要素用の異なるタイプ、形状、及び濃縮度を含んでもよいことが理解されよう。更に、例示的実施形態及び方法は、燃料棒が使用される任意のタイプの燃料、及びＢＷＲ、ＰＷＲ、重水、高速スペクトル、黒鉛減速などの反応炉を含む反応炉と共に使用できることが理解されよう。上記のクラッド及び燃料のサイズの値は例示的なものであり、決して独立請求項を限定するものではない。このような変化は、以下の特許請求の範囲から離れるものと見なされるべきではない。
【００３２】
最後に、本願発明の代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
核燃料集合体で使用される燃料棒であって、
核燃料要素と、
前記核燃料要素が格納される不透過性の内部容積を画成する内径を有するクラッドと、を備え、前記クラッドが前記内径に対して垂直な軸方向に延在すると共に、前記内径が前記軸方向に沿って意図的に変化する燃料棒。
［実施態様２］
前記内径が少なくとも３．５ミルだけ変化する実施態様１に記載の燃料棒。
［実施態様３］
前記核燃料要素が、第１の燃料ペレットと、前記内部容積内に軸方向に堆積された第２の燃料ペレットとを含むと共に、前記第１の燃料ペレットと前記第２の燃料ペレットとが意図的に異なる容積を有する実施態様１に記載の燃料棒。
［実施態様４］
前記第１及び第２の燃料ペレットが円筒形であり、前記クラッドの内径に基づいて意図的に異なる直径を有する実施態様３に記載の燃料棒。
［実施態様５］
前記第１及び第２の燃料ペレットが各々、他の燃料ペレットと少なくとも３．５ミルだけ異なる一定の直径を有する実施態様４に記載の燃料棒。
［実施態様６］
前記クラッドが円筒形であり、外径を含むと共に、前記クラッドの厚さが前記軸方向に沿って変化するように前記外径が一定である実施態様１に記載の燃料棒。
［実施態様７］
前記内部容積が、核分裂生成物を累積できる燃料を備えていない領域を含むと共に、前記内径が、燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも大きい実施態様１に記載の燃料棒。
［実施態様８］
前記クラッドが円筒形であり、外径を含み、
前記外径が、燃料を備えている領域で燃料を備えていない領域よりも大きく、
前記燃料を備えていない領域が、前記燃料棒がタイプレートに着座するように構成された終端の軸方向位置にある実施態様７に記載の燃料棒。
［実施態様９］
前記内径が、核燃料集合体内、及び炉心内の燃料棒の径方向位置に基づいて意図的に変化する実施態様１に記載の燃料棒。
［実施態様１０］
前記クラッドが外径を含むと共に、前記外径が前記軸方向に沿って意図的に実施態様１に記載の燃料棒
［実施態様１１］
核燃料集合体で使用される燃料棒であって、
核燃料要素と、
前記核燃料要素が格納される不透過性の内部容積を画成する外径と内径とを有するクラッドとを備え、前記クラッドが、前記内径及び外径に対して垂直な軸方向に延在すると共に、前記燃料棒の燃料棒を備えている領域の異なる少なくとも２／３が完全に異なる外径を有するように前記外径が前記軸方向に沿って意図的に変化する燃料棒。
［実施態様１２］
前記外径が少なくとも３．５ミルだけ変化する実施態様１１に記載の燃料棒
［実施態様１３］
前記内部容積が、核分裂生成物を累積できる燃料を備えていない領域を含むと共に、前記外径が、燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも小さい実施態様１１に記載の燃料棒。
［実施態様１４］
前記クラッドの厚さが燃料備えていない領域で燃料棒を備えている領域よりも薄くなるように、前記内径が燃料を備えていない領域で燃料を備えている領域よりも大きい実施態様１３に記載の燃料棒。
［実施態様１５］
前記燃料を備えていない領域が、前記タイプレートに着座するように構成された終端の軸方向位置にあると共に、前記燃料を備えていない領域が押さえばねを復ぬ実施態様１３に記載の燃料棒。
［実施態様１６］
前記内径が前記軸方向位に沿って意図的に変化すると共に、前記内径が、軸方向位置にはなく、他の位置にあってもよい内側ライナによって形成さえる実施態様１１に記載の燃料棒。
［実施態様１７］
前記核燃料要素が、前記内部容積内に軸方向に堆積された第１の燃料ペレットと第２の燃料ペレットとを含むと共に、前記第１の燃料ペレットと前記第２の燃料ペレットとが意図的に異なる容積を有する実施態様１１に記載の燃料棒。
［実施態様１８］
前記第１及び第２の燃料ペレットが円筒形であり、前記クラッドの前記内径に基づいて変化する直径を有する実施態様１７に記載の燃料棒。
［実施態様１９］
核燃料集合体であって、
軸方向に延在する複数の燃料棒を備え、該燃料棒の少なくとも１つが、
核燃料要素と、
前記核燃料要素が格納される不透過性の内部容積を画成する内径を有するクラッドであって、前記クラッドが前記内径に対して垂直な軸方向に延在すると共に、前記内径が前記軸方向に沿って意図的に変化するクラッドと、
スペーサが含む前記燃料棒がそれを通過するスペーサと、
前記複数の燃料棒を囲む溝と、を備える核燃料集合体。
［実施態様２０］
前記クラッドが更に外径を含むと共に、前記外径が、前記燃料棒の燃料を備えている少なくとも第３の領域で前記軸方向に沿って意図的に変化する実施態様１９に記載の燃料集合体。
【符号の説明】
【００３３】
１０  燃料集合体
１２  溝
１４  燃料棒
１４ａ  燃料を備えている部分
１４ｂ  燃料を備えていない部分
１６  下部タイプレート
１７  上部タイプレート
１８  燃料スペーサ
１９  水棒
２０  クラッド
２１  内側ライナ
２２  燃料要素
２３  押さえばね
１１４  燃料棒の例示的実施形態
１１４ａ  第１のゾーン
１１４ｃ  第２のゾーン
１１４ｂ  第３のゾーン
１２０  クラッド
１２１  内側ライナ
１２２  燃料要素
１２２ａ  燃料要素
１２２ｂ  燃料要素
１２３  押さえばね
２１４  燃料棒の例示的実施形態
２１４ａ  第１のゾーン
２１４ｂ  第２のゾーン
２１４ｃ  第３のゾーン
２２０  クラッド
２２１  内側ライナ
２２２  燃料要素
２２３  押さえばね
【図１】
2014119454.tif 000003
【図２】
2014119454.tif 000004
【図３】
2014119454.tif 000005
【図４】
2014119454.tif 000006