(57)【要約】  種々のタイプの原子炉及び廃棄物処理システムの少なくともいずれか一方において使用される核燃料の種々の実施形態が開示される。１つの例示的な実施形態の核燃料は、炭化ケイ素マトリクスに埋め込まれた複数の三重構造の等方性燃料粒子を含む燃料要素を備えうる。また、核燃料の例示的な製造方法が開示される。製造方法は、複数の三重構造の等方性燃料粒子を用意し、複数の三重構造の等方性燃料粒子を炭化ケイ素粉末と混合して前駆体混合物を形成し、前駆体混合物を、予め定められた圧力及び温度において押し固めることを含みうる。
2014500496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化ケイ素マトリクスに埋め込まれた複数の三重構造の等方性燃料粒子を含む燃料要素を備える核燃料。
【請求項２】
前記三重構造の等方性燃料粒子の各々は、
概ね中心に配置される燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを包囲するセラミック層と、を含む、請求項１に記載の核燃料。
【請求項３】
前記燃料要素が円筒状のペレットの形状を有する、請求項１に記載の核燃料。
【請求項４】
前記炭化ケイ素マトリクスが理論密度に概ね等しい密度を有する、請求項１に記載の核燃料。
【請求項５】
前記核燃料は、
原子炉冷却材に接触するようにされる外面を有するとともに内部空間を形成する管状の収納体と、
前記内部空間に配置される複数の燃料要素と、をさらに備える、請求項１に記載の核燃料。
【請求項６】
前記管状の収納体が金属製の被覆管である、請求項５に記載の核燃料。
【請求項７】
前記核燃料は、１つ又は２つ以上の穴を有する黒鉛ブロックをさらに備えており、
前記燃料要素は、前記１つ又は２つ以上の穴の内部に配置される、請求項１に記載の核燃料。
【請求項８】
前記複数の三重構造の等方性燃料粒子は、軽水炉の使用済み燃料から抽出される超ウラン元素を含む、請求項１に記載の核燃料。
【請求項９】
前記複数の三重構造の等方性燃料粒子は、核兵器から抽出される超ウラン元素を含む、請求項１に記載の核燃料。
【請求項１０】
複数の三重構造の等方性燃料粒子を用意し、
前記複数の三重構造の等方性燃料粒子を炭化ケイ素粉末と混合して前駆体混合物を形成し、
前記前駆体混合物を、予め定められた圧力及び温度において押し固めること、を含む核燃料の製造方法。
【請求項１１】
前記予め定められた圧力が約１０ＭＰａである、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記予め定められた温度が約１８５０℃である、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記前駆体混合物を押し固める際に、前記前駆体混合物を、予め定められた形状を有する成形型に配置し、前記前駆体混合物を押圧して圧迫させることを含む、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記炭化ケイ素粉末が１μｍ未満の平均粒子寸法を有する、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記炭化ケイ素粉末が２０ｍ2／ｇより大きい平均比表面積を有する、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記製造方法は、焼結助剤を前記前駆体混合物に添加することをさらに含む、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記焼結助剤がアルミナ及び希土類酸化物の少なくともいずれか一方を含む、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記焼結助剤が前記前駆体混合物の約６〜１０重量％を占める、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１９】
前記三重構造の等方性燃料粒子は、燃料カーネルを少なくとも１つのセラミック層で被覆することによって形成される、請求項１０に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記複数の三重構造の等方性燃料粒子は、軽水炉の使用済み燃料から抽出される超ウラン廃棄物を含む、請求項１０に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府によって支援された研究であることの声明
米国政府は、米国エネルギ省とユーティー−バットル社との間のＤＥ−ＡＣ０５−００ＯＲ２２７２５号の契約に基づき、本発明において一定の権利を有する。
本発明は概ね原子核技術に関する。より具体的に、本発明の特定の実施形態は、種々のタイプの原子炉及び廃棄物処理システムの少なくともいずれか一方において使用される核燃料、並びにそれに関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
信頼性の高い安全な電力源が原子力によって４０年以上にわたり米国において供給されてきたにもかかわらず、とりわけ、原子炉、核廃棄物の貯蔵、及び核廃棄物の処分に関連する固有の危険性に対する懸念、並びにコストを主な原因として、新規の原子力発電所は、１９７８年以来米国において建設されていない。けれども、原子力は現在のところ環境適合性及び信頼性の高い唯一の大規模エネルギ源であるので、増大する電力需要及び環境適合性が満足されるように、原子力が米国において復興を遂げるよう運命付けられている。しかしながら、原子力がどの程度利用され容認されるかは、主として、核廃棄物（既存の原子力発電所における貯蔵量が増大している使用済み燃料を含む）を削減するとともに原子力の経済的競争力をより一層高める容認可能な手法が原子力産業によって見出されるかどうかに左右されるであろう。
【０００３】
核廃棄物の削減を目的として提案された構想の１つは、核燃料の取出燃焼度を増大させることである。核燃料における初期重金属原子ごとの核分裂の割合（ＦＩＭＡ）を増大させることによって、使用済み燃料の全体的な容量、及び長寿命の放射性同位元素の保有量を大幅に削減できる。さらに、より多くのエネルギを燃料の単位質量ごとに取り出すことによって、当然ながら、燃料サイクルの延長、燃料消費量の削減、及びそれらによる全体的な燃料コストの削減がもたらされる。
【０００４】
しかしながら、燃料の燃焼度を高くすることによって、燃料の性能及び全体的な完全性に関する課題が生じうる。例えば、今日において使用される核燃料の大部分は、ジルコニウム合金製の密封式被覆管の内部に積み重ねられて燃料棒を形成する二酸化ウラン（ＵＯ2）ペレットである。通常、ジルカロイ被覆を有するそのようなモノリシックのＵＯ2燃料の燃焼度を増大させる結果として、中性子フルエンスの増大、及び炉心における滞留時間の長期化の少なくともいずれか一方に起因して被覆材料の腐食が増大すること、高次核分裂生成物ガスがＵＯ2燃料から放出されることに起因して燃料棒の内圧が上昇すること、ＵＯ2燃料の熱伝導性及び強度が低下すること、並びに核分裂ガスの形成、及び燃料ペレットの格子の損傷に起因してスウェリング性が高くなること、のうちの少なくともいずれか１つが発生する。通常、このタイプの燃料は、冷却材への核分裂生成物放出に対する１つの格納体（すなわち、被覆管）を有するだけなので、材料の劣化が、核燃料の燃焼度を増大させることに対する最大の障壁になる。
【０００５】
近年、黒鉛マトリクス内に押し固められているマイクロカプセル化された三重構造の等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子が、次世代のガス冷却炉用に提案されている。ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、核核分裂性物質ないし燃料親物質からなるカーネルを含んでおり、カーネルは、熱分解性炭素（ＰｙＣ）及び炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる複数の等方性層で被覆されている。それらＴＲＩＳＯ粒子は、黒鉛マトリクス材料と組み合わせられて、特定の形状に押圧される。ＴＲＩＳＯ燃料成形体は、温度及び燃焼度がより高いときに、金属燃料成形体と比較して良好な核分裂生成物の保持作用を発揮するものの、冷却材への核分裂生成物放出に対する１つの格納シェル（すなわち、ＳｉＣ層）を提供するだけであり、核分裂生成物の一部が外側の層を通ってカーネルの外部に移動しうるとともに、黒鉛マトリクス及び冷却材に流出しうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そのため、核分裂生成物の高度な保持機構を提供すること、及びより高い燃料燃焼度を可能にすることの少なくともいずれか一方を、燃料の完全性及び安定性を損なうことなく達成する改良型の核燃料が必要とされている。
【０００７】
また、より効率的若しくはより安全であるか、又はより高効率かつより安全であって、核分裂生成物が冷却材中に拡散することを如何なる事故条件下においても防止しうる既存の原子炉用の低濃縮ウラン（ＬＥＵ）燃料が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述した要求のうちの１つ又は２つ以上を解消しうるものの、本発明の幾つかの態様は、それら要求のうちの１つ又は２つ以上を必ずしも解消しうるものでないことが理解されるべきである。
【０００９】
以下の説明において、特定の態様及び実施形態が明らかになるであろう。それら態様及び実施形態は単に例示的なものにすぎず、最も広範な意味において、本発明は、それら態様及び実施形態の１つ又は２つ以上の特徴を備えていなくても実施可能であることが理解されるべきである。
【００１０】
本明細書において具体化され広範に記載される利点を獲得することを目的として、また、本明細書において具体化され広範に記載される本発明の趣旨に従って、本発明の１つの態様は、燃料要素を備える核燃料を提供しうる。燃料要素は、炭化ケイ素マトリクスに埋め込まれた複数の三重構造の等方性燃料粒子を含む。
【００１１】
幾つかの例示的な実施形態において、三重構造の等方性燃料粒子の各々は、概ね中心に配置される燃料カーネルと、燃料カーネルを包囲するセラミック層と、を有しうる。別の例示的な実施形態において、燃料要素は円筒状のペレットの形状を有しうる。さらに別の例示的な実施形態において、炭化ケイ素マトリクスは理論密度に概ね等しい密度を有しうる。
【００１２】
１つの例示的な実施形態に従って、核燃料は、原子炉冷却材に接触するようにされる外面を有するとともに内部空間を形成する管状の収納体と、内部空間に配置される複数の燃料要素と、をさらに有しうる。管状の収納体は金属製の被覆管でありうる。
【００１３】
別の例示的な実施形態に従って、核燃料は、１つ又は２つ以上の穴を有する黒鉛ブロックをさらに備えうる。燃料要素は１つ又は２つ以上の穴の内部に配置される。
さらに別の例示的な実施形態において、複数の三重構造の等方性燃料要素は、軽水炉の使用済み燃料又は核兵器から抽出される超ウラン元素を含みうる。
【００１４】
本発明の別の例示的な態様は、核燃料を製造する製造方法を提供しうる。製造方法は、複数の三重構造の等方性燃料粒子を用意し、複数の三重構造の等方性燃料粒子を炭化ケイ素粉末と混合して前駆体混合物を形成し、前駆体混合物を、予め定められた圧力及び温度において押し固めることを含みうる。
１つの例示的な実施形態において、予め定められた圧力は約１０ＭＰａでありうる。予め定められた温度は約１８５０℃でありうる。
【００１５】
別の例示的な実施形態に従って、前駆体混合物を押し固めることは、前駆体混合物を、予め定められた形状を有する成形型に配置し、前駆体混合物を押圧して圧迫させることを含みうる。
【００１６】
幾つかの例示的な実施形態において、ＳｉＣ粉末は１μｍ未満の平均粒子寸法を有しうる。別の例示的な実施形態に従って、ＳｉＣ粉末は２０ｍ2／ｇより大きい平均比表面積を有しうる。
【００１７】
種々の例示的な実施形態において、製造方法は、焼結助剤を前駆体混合物に添加することをさらに含みうる。焼結助剤はアルミナ及び希土類酸化物の少なくともいずれか一方を含みうる。焼結助剤は前駆体混合物の約６〜１０重量％を占めうる。
【００１８】
１つの例示的な実施形態に従って、三重構造の等方性燃料粒子は、燃料カーネルを少なくとも１つのセラミック層で被覆することによって形成されうる。
別の例示的な実施形態において、複数の三重構造の等方性燃料粒子は、軽水炉の使用済み燃料から抽出される超ウラン廃棄物を含みうる。
【００１９】
本発明の追加の目的及び利点は、以下の説明に部分的に記載されるとともに、その説明から部分的に明らかになるか、又は本発明を実施することによって知得されうる。本発明の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲において特に記載される要素及び組み合わせによって実現され獲得されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の１つの例示的な実施形態に係る燃料要素の種々の構成要素を概略的に示す図である。
【図２】図１に示される燃料要素を示す微視的な部分断面図である。
【図３】従来のＵＯ2燃料要素と比較した図１の燃料要素の温度プロファイルを示すグラフである。
【図４】本発明に係る燃料要素の例示的な適用例を示す概略図である。
【図５】本発明に係る燃料要素の別の例示的な適用例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
前述した概略的な説明、及び以下に示す詳細な説明は、いずれも例示的かつ説明的なものにすぎず、特許請求の範囲に記載される本発明を限定しないことが理解されるべきである。
本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす添付図面は、本発明の複数の実施形態を示しており、本明細書の記載とともに、本発明の原理を説明する役割を果たしている。
【００２２】
ここで、本発明に係る例示的な実施形態が詳細に参照される。それら実施形態の実施例が添付図面に示される。可能である限り、同一の参照符号は、同一又は類似の部分を参照するものとして、図面の全体にわたって使用される。
【００２３】
図１〜図３は、本発明の種々の態様に係る例示的な核燃料要素を示す。本発明は特定の炉型（例えば、軽水炉及びガス冷却炉）に関連して説明されるものの、本発明の実施形態は、任意の他の原子炉の炉型、例えば、重水炉、液体金属炉、及び熱イオン核転換炉において使用されうるし、又は使用されるように改変されうる。さらに、本発明の或る態様は、燃料の補給、貯蔵、又は最終処分を目的とする使用済み核燃料の再処理に適用されうるし、又はそれに関連して使用されうる。
【００２４】
図１を参照すると、１つの例示的な実施形態に係る燃料要素１０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）マトリクス１５に埋め込まれている複数のマイクロカプセル化された燃料粒子２０を含みうる。燃料要素１０は、燃料粒子２０及びＳｉＣ系マトリクス前駆体材料の混合物を成形型において圧縮することによって形成されうる。成形型は燃料要素１０に応じた任意の所望形状を有しうる。１つの例示的な実施形態において、ＳｉＣ系マトリクス前駆体材料は、焼結助剤と混合されたＳｉＣ粉末を含みうるとともに、当該技術分野において公知である粉末系スラリー、テープ成形用のセラミックスラリー、又は任意の他の混合物タイプからなる形態を有しうる。ＳｉＣマトリクス１５はセラミック材料体であるので、燃料要素１０のことを、完全セラミック製のマイクロカプセル化された燃料要素と称することがある。
【００２５】
図１の燃料要素１０は、従来の軽水炉において使用されるのに特に適した円筒状のペレットの形状を有するものの、燃料要素は、燃料要素の使用が予定される原子炉の炉型及び運転特性の少なくともいずれか一方に応じて、種々の他の形状、例えば、球体又は長尺ロッドの形状を有しうる。燃料要素１０の製造工程、並びに結果的に生じる特性及び特徴がより詳細に後述される。
【００２６】
ＳｉＣマトリクス１５中に分散された燃料粒子２０は、三重構造の等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子でありうる。本明細書において使用される「ＴＲＩＳＯ燃料粒子」という用語は、燃料カーネルと、燃料カーネルを包囲する１つ又は２つ以上の等方性材料層と、を備える任意のタイプの微小燃料粒子のことを意味しうる。例示のみの目的において、燃料粒子２０は約１ミリメートルの直径を有しうる。
【００２７】
図１に示される燃料粒子２０は、その中心において燃料カーネル２５を含みうる。燃料カーネル２５は、酸化物、炭化物、又はオキシ炭化物の形態を有する核分裂性物質及び燃料親物質の少なくともいずれか一方（例えば、ウラン、プルトニウム、トリウム等）を含みうる。１つの例示的な実施形態において、燃料カーネル２５は、任意の適切な濃縮度を有する低濃縮ウラン（ＬＥＵ）を含みうる。
【００２８】
燃料要素１０が廃棄物の低減及び処分の少なくともいずれか一方の目的で使用される場合において、燃料カーネル２５は、使用済み燃料から抽出されるか又は別の方法で再処理される超ウラン元素（ＴＲＵ）及び核分裂生成物の少なくともいずれか一方を、代替的又は付加的に含みうる。
【００２９】
例えば、燃料要素１０は、例えば軽水炉又は解体された核兵器から発生する超ウラン廃棄物を滅失させる目的にも使用されうる。その目的のために、燃料要素１０は、軽水炉の使用済み燃料、及び核兵器のコアの少なくともいずれか一方から抽出された超ウラン元素から形成される燃料カーネル２５を含みうる。そのように形成される燃料要素１０は、１つの例示的な実施形態に従って、軽水炉用の燃料として使用可能であり、それにより、超ウラン廃棄物が滅失されるのと同時に、超ウラン廃棄物から電力が生成される。
【００３０】
燃料カーネル２５は、４つの別個の層、すなわち、（１）多孔性炭素の緩衝層２２、（２）内側の熱分解性炭素（ＰｙＣ）層２４、（３）セラミック層２６、及び（４）外側のＰｙＣ層２８で被覆されうる。
【００３１】
多孔性炭素の緩衝層２２は、燃料カーネル２５を包囲しており、燃料カーネル２５の外部に拡散する核分裂ガスの蓄積と、燃料サイクルの間に起こりうる燃料カーネル２５のあらゆる機械的変形と、に適合する貯留層としての機能を有している。
内側のＰｙＣ層２４は、比較的高密度のＰｙＣから形成されうるとともに、炭素の緩衝層２２を密封する。
【００３２】
セラミック層２６は、ＳｉＣ材料から形成されうるとともに、核分裂生成物の一次防壁、及び燃料カーネル２５の圧力容器としての機能を有しており、それにより、ガス又は金属の核分裂生成物がセラミック層２６に保持される。また、セラミック層２６によって、燃料粒子２０の全体的な構造的完全性がもたらされる。
【００３３】
幾つかの例示的な実施形態において、ＳｉＣ層２６は、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、又はＳｉＣ及びＺｒＣの少なくともいずれか一方と同様の特性を有する任意の他の適切な材料によって置換されうるし、又は補完されうる。
【００３４】
外側のＰｙＣ層２８は、ＳｉＣ層２６を運転中の化学的侵食から保護するとともに、核分裂生成物に対する追加の拡散境界部として作用する。また、外側のＰｙＣ層２８は、周囲のマトリクス材料に接合する基材としての機能を有する。
【００３５】
燃料粒子の形態及び組成の少なくともいずれか一方は、上述した実施形態に限定されない。むしろ、燃料粒子の所望の特性に応じて、本発明に係る燃料粒子が１つ又は２つ以上の追加の層を有しうるし、又は１つ若しくは２つ以上の層が省略されうることが理解されるべきである。例えば、燃料粒子２０は、ＳｉＣ粉末と混合されて圧縮されるのに先立ち、ＳｉＣマトリクス材料（例えば、ＳｉＣ層）によってさらに被覆されうる。
【００３６】
ここで、本発明の別の態様に従って燃料要素１０を製造する例示的な製造方法について述べる。
１つの例示的な実施形態に従って燃料粒子２０を形成することを目的として、燃料カーネル２５の材料が、溶液（例えば、硝酸ウラニル）を形成するように硝酸中に溶解されうる。次いで、溶液が小型のノズル又はオリフィスを通って滴下されることによって、液滴又はミクロスフィアが形成される。次いで、滴下されたミクロスフィアがゲル化されるとともに高温で焼成されることによって、燃料カーネル２５が生成される。次いで、燃料カーネル２５が適切な被覆チャンバ、例えば、ＣＶＤ炉を通過しうる。被覆チャンバにおいて、燃料カーネル２５は、所望の層により高い精度で順次被覆される。燃料カーネル２５を形成することを目的として、当該技術分野において公知である任意の他の製造方法が、付加的又は代替的に使用されうると理解されるべきである。
【００３７】
燃料粒子２０が一旦用意されたら、燃料粒子２０がＳｉＣ粉末と混合され、それにより、ＳｉＣマトリクス１５の前駆体が形成される。混合に先立ち、燃料粒子２０が適切な表面保護材料で被覆されうる。ＳｉＣ粉末は、１μｍ未満の平均寸法、及び２０ｍ2／ｇより大きい比表面積の少なくともいずれか一方を有しうる。例示のみの目的において、ＳｉＣ粉末の寸法は、約１５ｎｍ〜約５１ｎｍの範囲でありうるし、平均粒子寸法は約３５ｎｍでありうる。
【００３８】
混合の間に、又は混合に先立って、焼結助剤、例えば、アルミナ及び希土類酸化物が、ＳｉＣ粉末に添加され若しくはＳｉＣ粉末表面を被覆しうるし、又はＳｉＣ粉末に添加されかつＳｉＣ粉末表面を被覆しうる。１つの例示的な実施形態において、添加剤の量は約６重量％〜１０重量％の範囲でありうる。燃料粒子２０と混合されるときに、ＳｉＣ粉末を含有するＳｉＣ系の前駆体材料は、使用される混合方法及び製造方法の少なくともいずれか一方に応じた種々の物理的状態（例えば、粉末、液体、スラリー等）でありうる。
【００３９】
次いで、燃料要素１０を形成することを目的として、燃料粒子２０と混合されたＳｉＣ系の前駆体が、予め定められた圧力及び温度において押圧されて圧迫されうる。１つの例示的な実施形態に従って、押圧される間の焼結圧力及び焼結温度は、それぞれ約３０ＭＰａ未満、及び１９００℃未満でありうる。好ましくは、焼結圧力及び焼結温度は、それぞれ約１０ＭＰａ、及び約１８５０℃でありうる。押圧される時間は約１時間以下でありうるものの、１時間よりも長い時間がかけられてもよい。
【００４０】
焼結助剤の質量分率を制限するとともに、ＳｉＣ粉末の寸法を小さくするか又は比表面積を大きくすることによって、高結晶質であり概ね完全な稠密状態を有するＳｉＣマトリクスを、燃料粒子２０の完全性が十分に保証される条件において形成することが可能になりうる。ＳｉＣマトリクスによって、通常運転時及び事故時の温度の間に放出されて原子炉冷却材を汚染しうる核分裂生成物に対する追加の防壁が提供される。また、ＳｉＣマトリクスは処分後に核分裂生成物を封じ込めるのにも有用である。
【００４１】
例えば、図２は、本発明に係る製造方法によって製造された燃料要素１０を示す微視的な部分断面図である。図から分かるように、燃料要素１０は、燃料粒子２０とＳｉＣマトリクス１５との間において非常に清浄な界面を有する。さらに、ＳｉＣマトリクス１５は、非常に低い気孔率（例えば、約３〜４％にすぎない閉じた微小気孔）を有しており、核分裂生成物ないしアクチノイドの拡散、及び燃料粒子２０から発生する他の放射性放出に対する二次防壁として作用する不通気性防壁を形成している。
【００４２】
加えて、ＳｉＣマトリクス１５は、ヘリウムに対して非常に低い（例えば、約１０-10〜１０-11ｍ2／ｓ程度の）透過性を有しており、黒鉛よりも著しく低いその透過性によって、ＳｉＣマトリクス１５は、ヘリウムを冷却材として使用するガス冷却炉に特に適したものになる。また、ＳｉＣマトリクス１５の低透過性によって、放射性生成物のガスの保持作用が保証される。
【００４３】
図３は、或る運転条件における燃料要素１０の内部の温度勾配を、従来のＵＯ2燃料要素と比較して示している。図示されるように、本発明に係る燃料要素１０は、ＵＯ2燃料要素よりも著しく高い熱伝導性を有しうる。より高い熱伝導性は多数の有利な効果をもたらす。
【００４４】
例えば、より高い熱伝導性によって、原子炉をより高温で運転することが可能になりうる。原子炉を高温で運転することによって、効率性及び出力密度が増大しうるし、それにより、原子炉の寸法を縮小することが可能になりうる。また、より高い熱伝導性によって、燃料の全体的な完全性を維持したまま、燃料要素の燃焼度を高くすることが可能になりうる。さらに、簡潔に前述したように、より高い燃焼度によって、廃棄物の全体的な容量を削減できるだけでなく、起こりうる核拡散及び転用の可能性を制限できる。さらに、燃料の熱伝導性が高い場合には、事故状態、例えば、冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）の間における燃料の温度過渡が比較的軽度になりうる。軽水炉の運転条件において、核分裂生成物（ガスを含む）がＴＲＩＳＯ燃料粒子及びＳｉＣマトリクスの外部に移動することは想定されない。
【００４５】
さらに、ＳｉＣマトリクス１５は、黒鉛又はＵＯ2と比較して、高い破壊強度、高い耐照射性、及び低い照射スウェリング性を有する。より良好な照射性能と、より良好な熱伝導性と、の組み合わせによって、黒鉛又はＵＯ2燃料要素と比較して良好な機械的特性がもたらされうる。結果として生じるマトリクス１５は、耐放射線性を有する概ね化学量論的なＳｉＣの形態を有するとみなされ、燃料要素１０は、実質的な燃焼後（例えば、６０〜９９％の燃焼度）においても、直接処分用の貯蔵体として安定した状態でありうる。
【００４６】
ここで、本発明の種々の態様に係る燃料要素１０の例示的な適用例が、図４及び図５を参照して説明される。
１つの例示的な実施形態において、１つ又は２つ以上の燃料要素１０は、図４に示されるような燃料棒３０を形成する金属製の被覆管３５又は任意の他の適切な収納体に収納されうる。燃料要素１０が被覆管３５又は収納体の内部に収納される場合、被覆管３５又は収納体によって、核分裂生成物及びアクチノイドの燃料粒子２０からの輸送に対する追加の防壁が（すなわち、燃料カーネル２５及び完全セラミックのＳｉＣマトリクス１５の周囲の耐圧作用を有するセラミック被覆に加えて）提供されうる。次いで、１つ又は２以上の燃料棒３０が、例えば、軽水炉において使用される燃料集合体４０に配置されうる。それにより、本発明に係る燃料要素１０は、１つの例示的な態様に従って、改善された熱伝導性及び照射安定性、並びに核分裂生成物及びアクチノイドの輸送に対する追加の防壁を提供しうる代替燃料として、従来のＵＯ2燃料ペレットの代わりに従来の軽水炉において使用されうる。
【００４７】
本発明の別の態様に従って、燃料要素１００は、図５に示されるような長尺状のロッドとして提供されうる。ガス冷却炉において使用する目的のために、燃料要素１００は、黒鉛の角柱体又はブロックに穿設された穴１３５に配置されうる。上述したように、本発明に係る完全セラミック燃料要素１００は、従来の黒鉛マトリクス系の燃料と比較して、高い破壊強度、高い耐照射性、及び低い照射スウェリング性を有しうる。
【００４８】
本明細書を検討することによって、また、本明細書に開示される本発明を実施することによって、本発明の他の利点が当業者にとって明らかになるであろう。明細書及び実施例は、例示的なものとみなされるにすぎず、本発明の真正な範囲及び精神は、添付の特許請求の範囲によって示されることが意図されている。
【図１】
2014500496.tif 000003
【図２】
2014500496.tif 000004
【図３】
2014500496.tif 000005
【図４】
2014500496.tif 000006
【図５】
2014500496.tif 000007
【国際調査報告】
2014500496.tif 000008
2014500496.tif 000009