(57)【要約】  酸化ウラン燃料棒より性能が向上した環状金属燃料と燃料棒について述べる。環状金属燃料は多孔質金属核燃料から作ることができ、より多くの電力を発生し、酸化ウラン燃料よりはるかに低い温度で作動する。環状金属燃料棒は、進行波原子炉および他の高速炉で使用することができる。また、加圧水型軽水炉は、原子炉性能を改善するために環状金属燃料棒で改装（改修）されてもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側クラッディングと、
前記外側クラッディング内の内側クラッディングであって、冷却材チャンネルを画定する内側クラッディングと、
前記外側クラッディングと前記内側クラッディングとの間の金属燃料と、
を有することを特徴とする核燃料棒。
【請求項２】
前記金属燃料が、０．１〜０．５の多孔度を有することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項３】
前記金属燃料が、ウラン、プルトニウム、ウランとプルトニウムの混合物、ウランの合金、プルトニウムの合金、またはウランとプルトニウムの合金から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項４】
前記金属燃料が、ウラン、プルトニウム、ウランの合金、またはプルトニウムの合金から選択され、０．１〜０．５の多孔度を有することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項５】
前記冷却材チャンネルは、前記核燃料棒の長さにわたって延在することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項６】
さらに、前記金属燃料が前記核燃料棒内に保持されるように、前記核燃料棒の各端部のエンドキャップを含むことを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項７】
さらに、多孔質の前記金属燃料にバイアス力を加える、前記外側クラッディングと前記内側クラッディングとの間の少なくとも１つのスプリングを含むことを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項８】
前記金属燃料は、前記内側クラッディングと前記外側クラッディングとの間に固体金属燃料の少なくとも１つの環状部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項９】
前記金属燃料が、１ヶ月の照射後に０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１０】
前記金属燃料は、前記内側クラッディングと前記外側クラッディングとの間の空間に充填された多量の金属燃料粉末であることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１１】
前記金属燃料が、Ｕ−Ｚｒ合金、Ｕ−Ｚｒ−Ｎｂ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｍｏ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｎｂ合金およびＵ−Ｐｕ−Ｔｉ合金から選択されることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１２】
前記金属燃料が、ウランと、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＭｏのうちの１つまたは複数との合金であることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１３】
前記外側クラッディングが、正方形、円形、長方形、六角形、八角形、多角形、およびローブから選択される断面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１４】
前記核燃料棒の外面は、その長さに沿って螺旋ねじれを有することを特徴とする、請求項１に表面の核燃料棒。
【請求項１５】
前記冷却材チャンネルが、正方形、円形、長方形、六角形、八角形、多角形、およびローブから選択された断面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１６】
前記冷却材チャンネルは、内部構造を備えることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１７】
前記冷却材チャンネルには、前記核燃料棒の長さ方向に沿って螺旋状にねじれた内部構造が設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１８】
前記内側クラッディングおよび前記外側クラッディングの少なくとも一方が鋼製であることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項１９】
前記内側クラッディングおよび前記外側クラッディングの少なくとも一方が、ジルコニウムまたはジルコニウム合金で作られていることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項２０】
少なくとも１つのライナーが、前記内側クラッディングと前記金属燃料との間または前記外側クラッディングと前記金属燃料との間またはその両方に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の核燃料棒。
【請求項２１】
加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）で使用するための核燃料集合体であって、
ＰＷＲの炉心に形作られて構成されたフレームと、
前記フレーム内の複数の燃料棒と、
を有し、
前記複数の燃料棒の少なくとも１つは、請求項１に記載の燃料棒であることを特徴とする、核燃料集合体。
【請求項２２】
前記複数の燃料棒のうちの少なくとも１つが、請求項２〜２０のうちの少なくとも１つに記載の燃料棒であることを特徴とする、請求項２１に記載の核燃料集合体。
【請求項２３】
請求項２１または２２に記載の少なくとも１つの核燃料棒集合体を含むことを特徴とする、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）。
【請求項２４】
環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、内面および外面を有して前記内面上に金属燃料の第１の層を有する、外側クラッディング管を含む、ステップと、
第２の中間成分を生成するステップであって、前記第２の中間成分は、内面および外面を有して前記外面上に金属燃料の第２の層を有する、内側クラッディング管を含む、ステップと、
前記第１の中間成分を前記第２の中間成分と組み立てて前記環状核燃料棒を得るステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記環状核燃料棒の少なくとも一端にて前記環状核燃料棒をキャップするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
外側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
多孔質の金属燃料上に外側クラッディング材料を堆積させる、または前記外側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
内側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
前記金属燃料上に内側クラッディング材料を堆積させる、または前記内側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項３０】
前記金属燃料が、照射後にのみ０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記金属燃料の前記第１の層および前記金属燃料の前記第２の層の少なくとも一方が、０．１〜０．５の初期多孔度を有することを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【請求項３２】
環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、外側クラッディング管内に内側クラッディング管を含んで、前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間に環状空間を画定する、ステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の環状空間内に金属燃料粉末を配置するステップと、
前記金属燃料粉末中の目標多孔度が達成されるまで、前記金属燃料粉末を前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間に充填するステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管の間の前記環状空間内に充填された前記金属燃料粉末をキャップするステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項３３】
前記金属燃料粉末を充填するステップは、前記金属燃料粉末を、選択された周波数で、ある時間振動させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記金属燃料粉末を振動させるステップは、さらに、
前記金属燃料粉末を、所定の周波数で、所定時間、所定の振動ストロークにかけるステップを含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記金属燃料粉末を充填する工程は、さらに、
金属燃料粉末を充填しながら、金属燃料粉末の多孔度および／または嵩密度を監視するステップを含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３６】
前記金属燃料粉末を振動させることは、さらに、
所望の目標多孔度が達成されるまで、振動のストローク、周波数、および時間のうちの１つまたは複数を変化させるステップを含むことを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３７】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、内面および外面を有して前記内面上に金属燃料の第１の層を有する、外側クラッディング管を含む、ステップと、
第２の中間成分を生成するステップであって、前記第２の中間成分は、内面および外面を有して前記外面上に金属燃料の第２の層を有する、内側クラッディングを含む、ステップと、
前記第１の中間成分を前記第２の中間成分と組み立てて前記環状核燃料棒を得るステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項３８】
前記環状核燃料棒の少なくとも一端にて前記環状核燃料棒をキャップするステップをさらに含むことを特徴とする、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
外側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
多孔質の前記金属燃料上に外側クラッディング材料を堆積させる、または前記外側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
内側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
前記金属燃料上に内側クラッディング材料を堆積させる、または前記内側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記金属燃料が、照射後にのみ０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
前記金属燃料の前記第１の層および前記金属燃料の前記第２の層の少なくとも一方が、０．１〜０．５の初期多孔度を有することを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
請求項１〜２０のいずれか１項に記載の環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、外側クラッディング管内に内側クラッディング管を含んで、前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間に環状空間を画定する、ステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の環状空間内に金属燃料粉末を配置するステップと、
前記金属燃料粉末中の目標多孔度が達成されるまで、前記金属燃料粉末を前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間に充填するステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間内に充填された前記金属燃料粉末をキャップするステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項４６】
前記金属燃料粉末を充填するステップは、前記金属燃料粉末を、選択された周波数で、ある時間振動させるステップをさらに含むことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記金属燃料粉末を振動させるステップは、さらに、
前記金属燃料粉末を、所定の周波数で所定時間、所定の振動ストロークにかけるステップを含むことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
前記金属燃料粉末を充填する工程は、さらに、
金属燃料粉末を充填しながら、金属燃料粉末の多孔度および／または嵩密度を監視するステップを含むことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
前記金属燃料粉末を振動させることは、さらに、
所望の目標多孔度が達成されるまで、振動ストローク、周波数、および時間のうちの１つまたは複数を変化させるステップを含むことを特徴とする、請求項４５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔関連出願の相互参照〕
本出願はＰＣＴ国際出願として平成３０年１２月２１日に出願されており、平成２９年１２月２２日に出願された「Ａｎｎｕｌａｒ  Ｍｅｔａｌ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｆｕｅｌ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｓａｍｅ」という名称の米国仮特許出願第６２／６０９，８３１号の優先権を主張しており、この出願は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
〔はじめに〕
核燃料棒の性能の一つの尺度は、燃料で発生した熱が燃料棒（燃料ロッド）のクラッディング（被覆管）を通して一次冷却材に伝達される能力である。同一炉心体積（容積）からより高い熱伝達を可能にし、したがってより高い原子炉出力を可能にする酸化ウラン核燃料棒への提案された改良は、燃料棒の長さを走る付加的なクラッディングを有する中央空隙（ボイド）（ｖｏｉｄ）領域の包含であった。冷却材は燃料棒の外側と同様に、この領域を通過し、冷却材が流れる全表面積を増大させ、熱を伝達することができた。
【０００３】
しかしながら、この環状設計の実際の性能は、いくつかの要因によって阻害された。第一に、酸化ウラン燃料は運転温度で膨張する傾向があり、その結果、燃料は内側クラッディングから分離し、内側クラッディングと燃料との間の熱伝導率を低下させた。第２に、核分裂反応は、燃料内の核分裂生成物の発生により酸化ウラン燃料を膨潤させた。その結果、硬質ウラン酸化物燃料の膨潤によって生じる圧力を保持するために十分に強いクラッディングを使用するか、または膨潤を予想してクラッディングと燃料との間に膨張空間を設けることが必要であった。これらの妥協はいずれも、燃料とクラッディングの外側との間の全体的な熱伝導率に有害な影響を及ぼす。第３に、低密度二酸化ウラン燃料はサイクル長の短縮および第２のクラッドにおける付加的な寄生中性子吸収を伴わずに電力増加に適応するために、比較的高い濃縮度を必要とする。最後に、二酸化ウラン燃料は比較的高温で作動し、これは更なる設計上の課題をもたらす。
【０００４】
核燃料棒設計の性能の別の測度は、事故許容度に関連する。従来の燃料設計の多くは通常のプラント運転条件下では良好に作動することが証明されているが、シビアアクシデントのシナリオ下では十分には作動していない。これは、スリーマイル島および福島の両方の事故で起こったような設計基準を超えた状態の場合に、燃料クラッディングの破壊および核分裂生成物の放出につながる可能性がある。
【０００５】
〔環状金属核燃料およびその製造方法〕
酸化ウラン燃料棒より性能が向上した環状金属燃料および燃料棒について以下に述べる。環状金属燃料は多孔質金属核燃料から作ることができ、より多くの電力を発生し、酸化ウラン燃料よりはるかに低い温度で作動する。環状金属燃料棒は、例えば進行波原子炉を含む任意の高速スペクトル原子炉で使用することができる。また、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）は、原子炉性能を改善するために環状金属燃料棒で改装（改修）（ｒｅｔｒｏｆｉｔｔｅｄ）されてもよい。金属燃料は、環状スラッグと呼ばれる固体燃料の１つ以上の環状部（ａｎｎｕｌｉ）であってもよく、または内側クラッドおよび外側クラッディングによって画定（規定）（ｄｅｆｉｎｅｄ）される環状領域に充填された燃料粒子または燃料粉末の形態であってもよい。金属燃料は、最初から多孔質であってもよく、照射の結果として多孔質になってもよい。環状金属燃料は典型的な酸化ウラン（例えば、ＵＯ２）燃料を用いた場合よりも大きなウラン濃度を示すので、既存の原子炉の発電は、既存の装置をほとんどまたは全く変更することなく増加させることができる。これは、主に、内側クラッディングの付加的な伝熱面のために可能になる。さらに、金属燃料のウラン負荷の増加は潜在的に、サイクルの長さまたは燃焼度の増加を可能にする。例えば、実施形態において、環状金属燃料は、同じ炉心体積内の伝統的な酸化物燃料と比較して、ＰＷＲにおいて最大５０％の出力増加を可能にすると推定される。
【０００６】
〔図面の簡単な説明〕
本出願の一部を構成する以下の図面は説明されている技術を例示したものであり、いかなる方法においても特許請求された発明の範囲を制限するものではなく、その範囲は、ここに添付された特許請求範囲に基づくものとする。
【０００７】
図１Ａおよび図１Ｂは、多孔質金属燃料の環状核燃料棒の一実施形態の直交軸に沿った断面図である。
【０００８】
図２は、燃料棒にも使用できる、図１Ａおよび１Ｂの環状構成とは異なる他の構成を示す図である。
【０００９】
図３は、進行波原子炉で使用される燃料集合体の分解図である。
【００１０】
図４は、中央領域と燃料棒の外側との間の流れを可能にする連結セグメントを含む複数セグメントの燃料棒の実施形態の一部を示す図である。
【００１１】
図５は、上述の二重中間成分製造方法の中間成分を示す。
【００１２】
図６は、燃料と保持装置とを示す、クラッディング間の環状空間の一部の断面を示す図である。
【００１３】
図７は、加圧水型軽水炉で使用される燃料集合体の側面図である。
【００１４】
図８は、環状核燃料棒を製造する方法の実施形態を示す。
【００１５】
〔詳細な説明〕
代替的に燃料ピンと称され得る環状金属燃料棒、および構築方法が開示され、説明される前に、本開示は本明細書で開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、当業者によって認識されるように、それらの等価物に拡張されることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、環状金属燃料の特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定することを意図しないことも理解されるべきである。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は文脈が明らかに沿わないことを示さない限り、複数の指示対象を含み、したがって、例えば、「水酸化リチウム」への言及は定量的にまたは供給源限定として解釈されるべきではなく、「ステップ」への言及は複数のステップを含むことができ、反応の「生成」または「生成物」への言及は反応の生成物のすべてであると解釈されるべきではなく、「反応する」への言及はそのような反応ステップの１つまたは複数への言及を含むことができることに留意されたい。そのようなものとして、反応する工程は同定された反応生成物を生成するために、類似の物質の複数のまたは反復された反応を含み得る。
【００１６】
〔環状金属燃料棒〕
図１Ａおよび図１Ｂは、多孔質金属燃料の環状核燃料棒の一実施形態の直交軸に沿った断面図である。図１Ａは棒１２０の長軸に直交する平面を通る断面図であり、図１Ｂは、棒１２０の長軸を通る断面図である。燃料棒１２０は内側クラッディング１０４によって内側表面上に、および外側クラッディング１０６によって外側表面上に、境界付けされた多孔質金属燃料１０２の環状部（ａｎｎｕｌｕｓ）、すなわち管を有する。以下により詳細に論じるように、金属燃料は、環状スラッグと呼ばれる固体燃料の１つまたは複数の環状部であってもよく、または内側クラッディング１０４および外側クラッディング１０６によって画定される環状領域内に充填された燃料粒子または燃料粉末の形態であってもよい。金属燃料１０２は最初から多孔質であってもよいし、原子炉での使用中の照射の結果として多孔質になってもよい。
【００１７】
中心冷却材チャンネルとも呼ばれる環状燃料棒の中心空隙領域１０８は、燃料スラグ１０２を通る内部チャンネルである。この中央領域１０８は、棒１２０の中心を通る冷却材流路および接触面（内側クラッディング１０４との）を提供する。中央領域１０８は、（図示のように）燃料棒の長軸と同軸であってもよく、またはオフセットされてもよい。
【００１８】
図１Ｂに示すように、燃料棒１２０は、従来の燃料棒で知られているように、エンドキャップ１２２によって燃料棒の一方または両方の端部にキャップ（蓋）を付けることができる。燃料棒１２０の一方または両端にプレナムスプリング１２４を収容するプレナム１２６を設けて、燃料に対してバイアス力（ｂｉａｓ  ｆｏｒｃｅ）を加え、環状燃料スラグ１０２を棒（ロッド）１２０の主要部分内に適切に配置することを確実にすることもできる。クリップは、燃料カラムを所定の位置に保持するために、１つ以上のプレナムスプリングの代わりに、またはそれと組み合わせて使用することができるバイアス素子（ｂｉａｓｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）の代替形態である。プレナムスプリング１２４は、燃料スラグ１０２と直接接触するか、またはワッシャまたは他の中間構造体（図示せず）をプレナムスプリング１２４と燃料１０２との間に配置して、加えられた力を燃料により均等に分散させることができる。一実施形態によると、プレナム１２６およびプレナムスプリング１２４は、エンドキャップ１２２の一部であってもよい。代替の実施形態では、プレナム１２６は、単に、燃料スラグ１０２とエンドキャップ１２２の始点との間の空間である。
【００１９】
図示の実施形態では、中央領域１０８が、エンドキャップ１２２を含む燃料棒１２０の全長にわたって延びている。代替的な実施形態では、中央領域１０８が環状燃料スラグ１０２およびプレナム１２６の一部のみまたは全てを通って延びるように、一方または両方のエンドキャップ１２２またはプレナム１２６内にマニホルド（多岐管）（ｍａｎｉｆｏｌｄ）タイプの構成を設けることができる。
【００２０】
燃料棒１２０は、既存の核加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）設計に対する形状因子（フォームファクタ）（ｆｏｒｍ  ｆａｃｔｏｒ）および設計要件を満たすように作製され得る。これにより、環状金属燃料を含む燃料棒で既存の原子炉設計を改装（改修）することができる。環状金属燃料は、典型的な酸化ウラン（例えば、ＵＯ２）燃料を用いた場合よりも大きなウラン濃度を示すので、既存の原子炉の発電は、既存の装置をほとんどまたは全く変更することなく増加させることができる。これは、主に、内側クラッディングの追加の伝熱面のために可能になる。さらに、金属燃料のウラン負荷の増加は潜在的に、サイクルの長さまたは燃焼度の増加を可能にする。例えば、実施形態において、環状金属燃料は、同じ炉心体積内の伝統的な酸化物燃料と比較して、ＰＷＲにおいて最大５０％の出力増加を可能にすると推定される。
【００２１】
さらに別の利点は、環状金属燃料棒が、燃料マトリックスおよびクラッディングに損傷を与える危険性なしに、従来のＵＯ２燃料棒よりも迅速に加熱され得ることである。ＵＯ２燃料は、加熱が速すぎる場合、燃料に対する熱応力差のために粉砕する可能性があり、硬質ＵＯ２ペレットからの燃料−クラッディング機械的相互作用は、クラッディングの損傷につながる可能性がある。このことは、ＵＯ２が配置された従来の原子炉を全出力にすることができる速度を制限し、したがって、電力需要に応じて電力出力を調整しなければならない負荷追従発電所としてのそのような原子炉の使用を制限する。本明細書に記載されるように、環状金属燃料棒はＵＯ２燃料棒よりもはるかに迅速に加熱され得る（例えば、ウラン−ジルコニウム燃料棒は、ＵＯ２燃料棒の約６倍の速度で加熱され得ると推定される）。これにより、環状金属燃料棒を改装（改修）した既存の原子炉を、負荷追従型発電所として、より効果的に使用することができる。
【００２２】
図２は、燃料棒１２０および／または燃料棒内の環状燃料スラグ１０２に対しても使用することができる、図１の環状構成とは異なる他の構成を示す。いずれのクラッディングにも、任意の形状を用いることができる。断面形状は、三角形、正方形、六角形、八角形などの正多角形であってもよい。コーナーは多かれ少なかれ丸みを帯びていてもよく、断面は、示される４つのローブ（突出部）（ｌｏｂｅ）を有する棒のような任意のローブを有する形状であってもよい。
【００２３】
図示するように、燃料棒の外側および内側領域の断面形状は、同じであっても、異なるものであってもよい。一実施形態では、棒構成は、制御棒およびガイドシンブル（はめ輪）（ｔｈｉｍｂｌｅ）チューブ（管）を維持することができる。
【００２４】
さらに、非円筒形燃料棒は、内面または外面のいずれか、あるいはその両方に、その長さに沿って螺旋ねじれを備えることができる。例えば、設計は、より良い熱伝達および内側クラッディングと外側クラッディングとの間の流れ分布の最適化のために、内側クラッディングまたは外側表面の内側表面を施条（ｒｉｆｌｉｎｇ）することを含むこともできる。あるいは、棒の外面に螺旋ワイヤーラップ（図示せず）を設けることができ、および／または剛性螺旋構造を外面または内面のいずれかまたは両方に取り付けることができる。
【００２５】
クラッディングと燃料との間の薄いライナー（裏地）（図示せず）も、必要に応じて、燃料クラッディング化学的相互作用を防止するために、またクラッディングの破損（ｂｒｅａｃｈ）の場合に、金属燃料と水冷却材との反応を低減することが期待できる。
【００２６】
図３は、進行波原子炉または他のナトリウム冷却高速原子炉で使用するための燃料集合体３００の分解図である。集合体３００は軸Ａを有する細長い冷却材チャンネル３０２を含む。チャンネル３０２は、六角形の断面を有する。内部流路を有するハンドリングソケット３０４は、チャンネル３０２の第１の端部３０６に固定され、集合体３００を上昇させ、下降させ、さもなければ炉心の中へ、炉心から、または炉心内で移動させるために、原子炉容器内の機構によって把持されることを可能にする内部または外部特徴を有する。注入口ノズル３０８は、チャンネル３０２の第２の端部３１０に固定される。複数のベアリングリング３１２および保持リング３１４が、ハンドリングソケット３０４および入口ノズル３０８をチャンネル３０２に取り付けるために使用される。複数のロックプレート３１６（この例では２つ）および複数の棒帯（細長片）（ｓｔｒｉｐ）レール３１８が、入口ノズル３０８の端部に近接して含まれる。一緒に、ロックプレート３１６および棒帯レール３１８は、燃料棒束３２０を入口ノズル３０８に接続する。一実施形態によると、燃料棒束３２０内の燃料棒の全ては、上述した環状金属燃料棒である。代替実施形態では、燃料棒の一部のみが環状金属燃料棒であってもよく、他の棒は異なるタイプまたは構造である。シールリング３２２および流量制限器３２４も描かれている。
【００２７】
環状金属燃料棒は、図１に示すような一体構造であってもよい。あるいは、環状金属燃料棒が所望の長さを作り出すために、接着されるか、ねじ止めされるか、または他の方法で一緒に接続される複数のセグメントで構成されてもよい。これにより、燃料棒を任意の長さに、かつ個々の棒の構造においてある程度のモジュール性および柔軟性を有するように構成することができる。燃料棒セグメントは、燃料含有セグメント、エンドキャップセグメント（プレナムおよびプレナムスプリング、別個のプレナムセグメント、および他のセグメントを含んでも含まなくてもよい）を含むことができる。
【００２８】
図４は、中央領域と燃料棒の外側との間の流れを可能にする連結セグメントを含む複数セグメントの燃料棒の実施形態の一部を示す図である。燃料棒４２０は、図１Ａおよび図１Ｂに示されるものと類似の設計のものである。環状金属燃料セグメント４５２は、内側クラッディング４０４および外部クラッディング４０６内に収容された１つまたは複数の多孔質金属燃料スラグ４０２を含む。エンドキャップセグメントおよび１つ以上のプレナムセグメント（図示せず）は、燃料棒４２０のいずれかの端部に設けることができる。
【００２９】
図示された燃料棒４２０の部分において、燃料棒４２０は、コネクタセグメント４５４によって接続された２つの環状燃料セグメント４５２を含む。コネクタセグメント４５４は、中央領域４０８を燃料棒４２０の外側に接続する２つのチャンバ４５６を含む。実施形態に応じて、より多くのまたはより少ないチャンバをコネクタセグメントに使用することができる。チャンバ４５６は、中央領域４０８と棒４２０の外側との間の流れを可能にして、冷却材の循環を強化する。
【００３０】
環状金属燃料は多孔質金属核燃料から作ることができる。金属燃料には、ウラン、プルトニウム、ウラン−ジルコニウム（Ｕ−Ｚｒ）合金、ウラン−ジルコニウム−ニオブ（Ｕ−Ｚｒ−Ｎｂ）合金、ウラン−プルトニウム−ジルコニウム（Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ）合金、ウラン−プルトニウム−モリブデン（Ｕ−Ｐｕ−Ｍｏ）合金、ウラン−プルトニウム−ニオブ（Ｕ−Ｐｕ−Ｎｂ）合金、ウラン−プルトニウム−チタン（Ｕ−Ｐｕ−Ｔｉ）合金、ウラン−モリブデン（Ｕ−Ｍｏ）合金、ウラン−ニオブ（Ｕ−Ｎｂ）合金、ウラン−バナジウム（Ｕ−Ｖ）合金、ウラン−クロム（Ｕ−Ｃｒ）合金、ウラン−チタン（Ｕ−Ｔｉ）合金がある。本開示のここ以降の残りの説明としては、環状金属燃料の実施形態は、核燃料としてのＵ−Ｚｒに関して提示される。しかしながら、以下に説明する実施形態のいずれにおいても、任意の金属核燃料を使用することができる。代替の実施形態では、燃料は最初は多孔質ではないが、燃料が照射中に膨潤することにつれて、運転中に多孔質になる。金属燃料は二酸化ウランのような酸化物を含まないが、いくつかの実施形態では環状燃料スラグまたは金属燃料粒子の外面が酸素に曝されており、表面上に微量（０．１重量％未満）の酸化物が形成されている可能性がある。本開示の目的のために、「金属燃料」という用語はそのような微量の酸化物を有する燃料を含み、測定可能な酸化物を全く有さない燃料に限定されない。
【００３１】
具体的には、Ｚｒを含有する金属燃料（例えば、Ｕ−ＺｒおよびＵ−Ｐｕ−Ｚｒ）に関して、Ｚｒ合金の割合は、１〜２０重量％（例えば、１重量％、５重量％、７．５重量％、１０重量％、１２．５重量％、１５重量％または２０重量％、またはその間の任意の量）の範囲であり得、ＰＷＲにおける性能のために最適化され得る。また、Ｚｒ燃料合金が一例として示されており、１つ以上の他の合金成分（Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｏ）と置き換えるか、または組み合わせることができる。このような合金は、水に曝露された場合に、より良好な性能（すなわち、低減された反応度）を有し得る。また、ドーピング添加剤を燃料に添加して、所望の特性、特に、クラッディング破損の場合の水との反応に対する耐性を達成することができる。
【００３２】
従来の酸化ウラン燃料棒の熱的性能は、燃料ペレットとクラッディングとの間にヘリウムが充填されたギャップ（隙間）（間隙）が存在することと、酸化ウランペレット自体の熱伝導率とによって、妨げられるが、本明細書で説明する金属燃料棒はこのような制限がない。金属燃料は、伝統的な酸化ウラン燃料ペレットよりも熱膨張量が大きく、熱伝導率が高い。燃料スラグをクラッディングに挿入できるようにするためにクリアランスフィット(clearance fit)またはギャップが必要な場合であっても、上述の金属合金およびＵ−Ｚｒ合金は特に、クラッディング材料よりも大きな熱膨張を示し、その結果、動作温度でギャップが排除され、その結果、動作温度で燃料と内側および外側クラッディングとの間に非常に良好な熱接触が生じる。燃料の高い熱伝導率により、著しい非結合（ｕｎｂｏｎｄｓ）で作動することが可能になり、燃料のクリープ 強度（ｃｒｅｅｐ  ｓｔｒｅｎｇｔｈ）が低いため、ギャップを埋めることが可能になる。環状燃料は、固体燃料よりもはるかに低い燃料温度で作動する。ＵＯ２燃料のピーク（最大）燃料温度は２２００℃である。環状金属燃料のピーク燃料温度は、環状燃料がＵＯ２燃料原子炉よりも５０％高い出力で運転される場合、４００〜５００℃と推定される。環状の幾何学的形状による伝導長さの実質的な減少に加えて、環状の金属燃料棒がＵＯ２燃料の原子炉と同じかまたはそれ以上の電力を発生しながらそのような低温で作動することを可能にするのは、ギャップの排除およびより高い内部熱伝導率である。
【００３３】
ピーク燃料温度が低いことは、従来の燃料を超える環状金属燃料設計のもう一つの利点である。さらに、金属燃料のより低い熱容量は、蓄積エネルギーをさらに減少させ、原子炉の冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ）性能を改善する。さらに、その利点は、福島危機中の局（ｓｔａｔｉｏｎ）ブラックアウト（ＳＢＯ）のようなシビアアクシデント（ＳＡ）に対する炉心のアクシデント耐性を改善する。また、燃料の高い熱伝導率は、より迅速なプラント起動を支援し、上述したように、負荷追従型発電所として使用されるべき原子炉の運転上の柔軟性を増大させる。
【００３４】
上述したように、金属燃料は、金属燃料の環状スラッグであってもよく、または内側クラッディング１０４および外側クラッディング１０６によって画定される環状領域に含まれる燃料粒子または燃料粉末の形態であってもよい。金属燃料は、固体多孔質スラグであっても、酸化物燃料よりも同じ体積に重金属をより多く充填することができる。これは、必要とされる濃縮度（ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ）を減少させ、サイクル中の反応度スイングを減少させ、したがって、冷却材中の可燃性毒物またはホウ酸の必要量を減少させる。より高い重金属充填（パッキング）はまた、ジルコニウムベースの材料を超える異なるクラッディング材料の使用の可能性を可能にし、これは、より良好な高温性能または増大した安全性能を有し得る。また、金属燃料は、その核分裂ガスを燃料棒内の空きスペースに放出する傾向がより大きく、これは局所的な応力を減少させるのに役立つ。
【００３５】
燃料の所望の多孔度（多孔性、多孔率、間隙率）（ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を達成するために、燃料粒子または燃料粉末（直径０．５ｍｍ以下の粒子として定義される粉末）などの燃料の微粒子形を環状領域に充填することができる。一実施形態では、微粒子は、目標嵩密度（ｔａｒｇｅｔ  ｂｕｌｋ  ｄｅｎｓｉｔｙ）を達成してそれによって対応する目標多孔度（ｔａｒｇｅｔ  ｐｏｒｏｓｉｔｙ）を達成するために、燃料棒内に振動充填（振動パッキング）（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｐａｃｋｅｄ）されてもよい。
【００３６】
金属燃料粉末は、任意の適切な方法で製造することができる。さらに、ガドリニウム、ホウ素、およびエルビウムなどの可燃性毒物材料の混合は、炉心経済性を改善することができる。ステアリン酸亜鉛またはベヘン酸亜鉛などの少濃度の結合材料を使用して、燃料粉末の圧縮を強化し、輸送および取扱い中の燃料粉末の大規模な再配置を防止することができる。適切であり得る他の粉末添加剤としては、滑沢剤（パラフィンワックス、アルミニウム、リチウム、ブチル、マグネシウムおよびステアリン酸ナトリウムを含むステアリン酸塩、オレイン酸、ポリグリコール、グラファイトおよび窒化ホウ素など）、ならびにポリエチレングリコールなどの他の結合剤が挙げられる。
【００３７】
粉末積層の頂部上のウランと相互作用しないジルコニウムまたは他の何らかの材料の中実（ｓｏｌｉｄ）リングまたは環状スラッグなどの保持装置（ｈｏｌｄｄｏｗｎ  ｄｅｖｉｃｅ）は、重力による圧縮荷重を提供することによって粉末の再配置を最小限に抑えることができる。保持装置は、輸送、取扱い、または保管（ｓｔｏｒａｇｅ）中にのみ一時的に使用してもよく、使用前に取り外してもよい。燃料粉末の潜在的な利益の一つは、ペレットとクラッディングとの機械的相互作用によるクラッディング破損の可能性が硬質酸化物ペレットのそれより著しく低い可能性があることである。もう一つの利益は、酸化物ペレットの複雑な焼結プロセスと比較して振動充填の低い製造コストである。
【００３８】
環状金属燃料の、材料の全体積に対する空隙空間体積の比率として定義される多孔度は、０．１〜０．５の範囲であり得る。これは、燃料によって最初に示され得るか、または特定の照射期間後（例えば、原子炉の公称運転温度に達した後、運転温度（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）で１時間後、１日後、１週間後、またはさらには１ヶ月後）に達成され得る運転多孔度（ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ  ｐｏｒｏｓｉｔｙ）である。金属燃料の多孔性（ｐｏｒｏｕｓ  ｎａｔｕｒｅ）は、燃料とクラッディングとの間にヘリウムギャップを有する非多孔質燃料よりも、運転温度における燃料棒の全体的な熱伝導率をもたらすという利点をもたらし、これは、多孔質構造が燃料の構造的完全性に大きな影響を及ぼすことなく熱膨張を可能にする一方で、燃料とクラッディングとの間にも良好な熱接触を生じさせるからである。多孔度はまた、進行中の核分裂のために燃料を経時的に、感知できるほどに（ａｐｐｒｅｃｉａｂｌｙ）膨潤させることなく、核分裂生成物を収集するための空隙空間（ｖｏｉｄ  ｓｐａｃｅ）を提供するという点で、別の有益な効果を有する。
【００３９】
使用されるクラッディングは、金属燃料を有するクラッディングとして使用するのに適した、現在知られている、または今後開発される任意の材料であってよい。これらは使用される燃料の実際の種類に応じて変化してよいが、適切なクラッディングは、ステンレス鋼およびフェライトマルテンサイト鋼、例えば、米国特許公開公報第２０１７−０２９２１７９号（名称：ＨＩＧＨ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＲＡＤＩＡＴＩＯＮ−ＲＥＳＩＳＴＡＮＴ、ＦＥＲＲＩＴＩＣ−ＭＡＲＴＥＮＳＩＴＩＣ  ＳＴＥＥＬＳ）に開示されるものを含み、この公報は、それが開示するクラッディングのために参照により組み込まれる。また、クラッディングは、米国特許出願第１５／６２３，１１９号（名称：ＳＴＥＥＬ−ＶＡＮＡＤＩＵＭ  ＡＬＬＯＹ  ＣＬＡＤＤＩＮＧ  ＦＯＲ  ＦＵＥＬ  ＥＬＥＭＥＮＴ）に記載されているような二重構造または三重構造であってもよく、この出願は、それが開示するクラッディングのために参照により組み込まれる。
【００４０】
クラッディング材料としては、ＺＩＲＬＯ（商標）やジルカロイ（ｚｉｒｃａｌｌｏｙ）（商標）合金などのジルコニウム合金を用いることができる。あるいは、いくつかの実施形態では、環状金属燃料は、ジルコニウムを含まないクラッディングを利用する。これは、ＰＷＲと共に使用される場合、水と接触するジルコニウムを炉心から除去し、したがって、高温での暴走反応として起こり得るジルコニウム−水反応（福島危機で爆発を引き起こした関連する水素生成を伴う）の発生の可能性を低減する。
【００４１】
クラッディングは、後に燃料と組み合わされて燃料棒を形成する別個の構成要素であってもよいし、金属燃料の外部と共押出されてもよいし、または金属燃料の外部に塗布されてもよい。さらに別の実施形態では、クラッディングおよび／または燃料は、別個に付加的な製造プロセスを使用して生成されて、次いで組み立てられてもよいし、または、クラッディングおよび燃料は、単一の付加的な製造プロセスで単一の構成要素として生成されてもよい。
【００４２】
図７は、加圧水型軽水炉で使用するための燃料集合体７００の側面図を示す。集合体は、多数（図では６つ）のスペーサグリッド７３０を貫通してそれによって適所に保持される一組の燃料棒７２０を含む。底部ノズルアセンブリ７４０は、燃料集合体７００を原子炉の炉心内に支持する。頂部ノズル集合体７１０は、多数のガイドシンブルチューブ７０２を含む集合体７００の頂部に設けられている。ガイドシンブルチューブ７０２は、上部ノズル集合体７１０から下部ノズル集合体７４０に延在する。スペーサグリッド７３０は、安定性のためにガイドシンブルチューブ７０２に取り付けることができる。保持スプリング７１２が、アセンブリ７００の頂部の頂部ノズルアセンブリ７１０の上方に設けられ、燃料集合体の構成要素に対する適量の保持力（ｈｏｌｄｄｏｗｎ  ｆｏｒｃｅ）を保証する。
【００４３】
上述の燃料棒は、その長さに沿って均一である必要はないことに留意されたい。例えば、燃料棒の長さに沿って、より多いまたはより少ない濃縮度の領域を設けることができる。これは、組み立て中に異なる領域に異なる環状スラッグの燃料または異なる微粒子燃料を設けることによって達成することができる。同様に、特定の領域に、可燃性毒物、他の添加剤、または異なるタイプの金属燃料を設けることができる。異なる材料に加えて、金属燃料材料が同じままであっても、異なる領域に、異なる多孔度、嵩密度、または異なる環状スラッグサイズなどの異なる属性を与えることができる。
【００４４】
図３および図７の燃料集合体は、上述した環状金属燃料棒の実施形態で改装（改修）することができる燃料集合体の２つの例にすぎない。他の種類の原子炉で使用するために、多くの他の燃料集合体設計が存在する。特定の原子炉に関する特定の集合体内の燃料棒および他の種類の棒（例えば、制御棒、反射体、および計装棒（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ  ｒｏｄｓ））の配置は、必要に応じて変更することができる。集合体内の棒の形状および配置並びに原子炉の炉心内の集合体の形状、方位および配置は、特定の原子炉の設計および設計並びに使用される環状金属燃料棒の数、型式および性能およびに対して適宜異なってもよい。
【００４５】
〔環状金属燃料棒製造方法〕
上述の環状金属燃料棒は、いくつかの異なる方法によって製造することができる。燃料の種類、所望の燃料多孔度、および他のユーザ選択基準に応じて、特定の方法が多かれ少なかれ適している場合がある。
【００４６】
一つの方法は、環状金属燃料とクラッディングを別個の構成要素として製造し、次いでそれらを燃料棒に組み立てることである。この方法の一実施形態では、燃料、内側クラッディング、および外側クラッディングがそれぞれ別々に作製され、次いで、１つまたは複数のセグメントに組み立てられる。所望の長さを得るために複数のセグメントが使用される場合、これらのセグメントが組み立てられる。組み立て後、エンドキャップが両端に取り付けられ、棒が使用できる状態になる。保持装置および／またはプレナムスプリングのような他の内部部品もまた、設計に応じて、この時点で含まれ、組み立てられてもよい。この方法の代替の実施形態では、内側クラッディングおよび外側クラッディングを一方のエンドキャップに接続し、次いで金属燃料の１つ以上の環状部を挿入し、次いで棒を他方のエンドキャップで密封することができる。他の組立順序も可能である。上述したように、原子炉での使用時に、金属燃料は膨張し、その目標多孔度を達成し、燃料とクラッディングとの間のいかなるギャップも排除し、それによって燃料とクラッディングとの間に良好な熱伝導性（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を有する燃料棒を生成する。
【００４７】
上述のように、３次元（３Ｄ）印刷または他の付加的な製造技術を使用して、１つまたは複数の構成要素を生成することができる。一実施形態によると、燃料およびクラッディングは別個の構成要素として３Ｄ印刷されてもよく、または外側クラッディング−燃料−内側クラッディングは単一の一体化された中間成分として３Ｄ印刷されてもよく、次いで、これは最終燃料棒を提供するためにキャップ（蓋）される。
【００４８】
異なる方法は、燃料棒の少なくとも２つの構成要素の共押出を含む。例えば、内側クラッディングおよび金属燃料が共押出され、次いで、外部クラッディングと組み立てられてもよい。あるいは、外側クラッディングおよび金属燃料が共押出され、次いで、内側クラッディングと組み立てられてもよい。さらに別の実施形態では、３つの構成要素（内側クラッディング、燃料および外側クラッディング）を同時に共押出成形することができる。付加的な製造方法および共押出方法を用いて作製された棒は、クラッディングと燃料との間に良好な熱的接続部（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）を生成するために、燃料の熱膨張に依存してもよいし、依存しなくてもよい。例えば、一実施形態では、製造技術は、一方または両方のクラッディングと燃料との間に冶金学的結合を有する棒を生成する。これらの実施形態では、多孔度は、その多孔度がなければ運転温度における燃料の熱膨張によって生成されるであろうストレスを緩和してクラッディング強度に関する要件を低減するのに有用である。
【００４９】
共押出法の変形は、二重中間成分製造方法である。この変形例を図８に示す。この変形例８００では、外側クラッディングの内側に燃料の環状部を有する外側クラッディングが、例えば、組み立て、ワンピースとしての共押出成形、ワンピースとしての付加的な製造、または一方の材料（すなわち、クラッディング材料または燃料）の他のピースへの蒸着によって、生成される（８０２）。別個に、内側クラッディングの外面に燃料の環状部を有する内側クラッディングが、第２のピースとして形成される（８０４）。次に、これら２つの中間成分を組み立て（８０６）、キャップ（蓋）をして（８０８）、完成した燃料棒を得る。
【００５０】
図５は、上述の二重中間成分製造方法の中間成分を示す。外側クラッディング５０２および少なくとも一部の金属燃料５０４は、第１の中間成分５０６として、共押出成形されるかまたは他の方法で製造される。内側クラッディング５０８および少なくとも幾つかの金属燃料５０４は、第２の中間成分５１０として作製される。次に、２つの中間成分５０６、５１０は、キャッピングの準備ができた第３の中間成分５１２に組み立てられる。第１の中間成分５０６の内径および第２の中間成分５１０の外径は、易い滑り嵌め（ｓｌｉｐ  ｆｉｔ）を可能にするように調整されてもよく（例えば、第１の中間成分５０６の内径と第２の中間成分５１０の外径との間の約０．０１〜１ｍｍまたは約０．０５〜０．１ｍｍ）、または、２つの燃料環状部の間に、より大きなギャップ５１４を作り出すように、さらに増大されてもよい。
【００５１】
二重中間成分共押出法によって製造された燃料棒は、上記の他の方法のいくつかによって作り出されたものよりも良好な性能を有することが予想される。二重中間成分法は、特に共押出を使用する場合、単純な組み立て方法で達成されるよりも、燃料とクラッディングとの間のより密接な結合およびより良好な接触面を作り出す。これは、他の製造方法と比較して、燃料とクラッディングとの間の熱伝導性を改善する。それはさらに、燃料といずれかのクラッディング５０２、５０８との間の熱伝導性に負の影響を与えない燃料の熱膨張のための空間（すなわち、中間成分５０６、５１０の２つの燃料表面の間のギャップ５１４）を提供する。金属燃料の多孔性（ｐｏｒｏｕｓ  ｎａｔｕｒｅ）は、核分裂生成物を収集するための空間を可能にすることによって、さらなる利益を提供する。
【００５２】
Ｕ−Ｚｒ粉末のような金属燃料微粒子から環状金属燃料棒を製造する場合には、さらに別の製造方法が適用可能である。この方法では、内側クラッディングと外側クラッディングとが一緒に組み立てられ、次に、燃料粉末が２つのクラッディングの間の領域に導入される。次いで、燃料粉末は、燃料内の所望の嵩密度および多孔度を得るために、振動充填または伝統的なラミング（ｒａｍｍｉｎｇ）技術のいずれかを介して充填されてもよい。次いで、１つまたは複数のエンドキャップ（ｅｎｄ  ｃａｐ）を適用して、完成した燃料棒を作製することができる。振動充填は、クラッディング内の粉末を、選択された時間（期間）にわたって、選択された周波数で、選択されたストロークを有する振動にかけることを含み得る。一実施形態では、所望の多孔度を達成するために、振動のストローク、周波数および時間が予め決定される。代替の実施形態では、粉末の多孔度および／または嵩密度が監視され、所望の目標値が達成されるまで、振動のストローク、周波数および時間のうちの１つまたは複数が変更される。上述のように、ジルコニウムまたは他の非反応性金属または材料の棒（ｂａｒ）、リング、または管などの保持装置は充填プロセス中に追加の圧縮力を提供することができ、出荷および取扱い中に粉末が大量に再配置される危険性を最小限に抑えることができる。
【００５３】
図６は、燃料と保持装置とを示す、クラッディング間の環状空間の一部の断面を示す図である。図６において、保持装置６１８は、内側クラッディング６０４および外側クラッディング６０６の内側に適合するサイズのＺｒの環状部である。保持装置６１８は、環状空間（ａｎｎｕｌｕｓ  ｓｐａｃｅ）内の燃料粉末６０２に対して静止するか、または繰り返し駆動される。燃料棒６００は、上述のように振動させることもできる。
【００５４】
さらに、保持装置６１８は、保持装置を貫いてまたは保持装置の周りを通ってガスが流れるのを可能にして、核分裂生成物が燃料から、燃料棒内のプレナム領域に、例えばエンドキャップに、放出されることを可能にするように設計された、スクリーン、多孔質環状スラッグまたは他の装置であってもよい。
【００５５】
上述したものに加えて、さらなる実施形態は、以下の番号の条項に開示される。 
【００５６】
１．
外側クラッディングと、
前記外側クラッディング内の内側クラッディングであって、冷却材チャンネルを画定する内側クラッディングと、
前記外側クラッディングと前記内側クラッディングとの間の金属燃料と、
を有することを特徴とする核燃料棒。
【００５７】
２．
前記金属燃料が、０．１〜０．５の多孔度を有することを特徴とする、条項１に記載の核燃料棒。
【００５８】
３．
前記金属燃料が、ウラン、プルトニウム、ウランとプルトニウムの混合物、ウランの合金、プルトニウムの合金、またはウランとプルトニウムの合金から選択されることを特徴とする、条項１または２に記載の核燃料棒。
【００５９】
４．
前記金属燃料が、ウラン、プルトニウム、ウランの合金、またはプルトニウムの合金から選択され、０．１〜０．５の多孔度を有することを特徴とする、条項１に記載の核燃料棒。
【００６０】
５．
前記冷却材チャンネルは、前記核燃料棒の長さにわたって延在することを特徴とする、条項１ないし４のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６１】
６．
さらに、前記金属燃料が前記核燃料棒内に保持されるように、前記核燃料棒の各端部のエンドキャップを含むことを特徴とする、条項１ないし５のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６２】
７．
さらに、多孔質の前記金属燃料にバイアス力を加える、前記外側クラッディングと前記内側クラッディングとの間の少なくとも１つのバイアス素子を含むことを特徴とする、条項１ないし６のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６３】
８．
前記金属燃料は、前記内側クラッディングと前記外側クラッディングとの間に固体金属燃料の少なくとも１つの環状部を含むことを特徴とする、条項１ないし７のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６４】
９．
前記金属燃料が、１ヶ月の照射後に０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、条項１ないし８のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６５】
１０．
前記金属燃料は、前記内側クラッディングと前記外側クラッディングとの間の空間に充填された多量の金属燃料粉末であることを特徴とする、条項１ないし９のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６６】
１１．
前記金属燃料が、Ｕ−Ｚｒ合金、Ｕ−Ｚｒ−Ｎｂ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｍｏ合金、Ｕ−Ｐｕ−Ｎｂ合金およびＵ−Ｐｕ−Ｔｉ合金から選択されることを特徴とする、条項１ないし１０のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６７】
１２．
前記金属燃料が、ウランと、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｉ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｓｉ、およびＭｏのうちの１つまたは複数との合金であることを特徴とする、条項１ないし１１のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６８】
１３．
前記外側クラッディングが、正方形、円形、長方形、六角形、八角形、多角形、およびローブから選択される断面形状を有することを特徴とする、条項１ないし１２のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００６９】
１４．
前記核燃料棒の外面は、その長さに沿って螺旋ねじれを有することを特徴とする、条項１ないし１３のいずれか１項に表面の核燃料棒。
【００７０】
１５．
前記冷却材チャンネルが、正方形、円形、長方形、六角形、八角形、多角形、およびローブから選択された断面形状を有することを特徴とする、条項１ないし１４のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７１】
１６．
前記冷却材チャンネルは、内部構造を備えることを特徴とする、条項１ないし１５のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７２】
１７．
前記冷却材チャンネルには、前記核燃料棒の長さ方向に沿って螺旋状にねじれた内部構造が設けられていることを特徴とする、条項１ないし１６のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７３】
１８．
前記内側クラッディングおよび前記外側クラッディングの少なくとも一方が鋼製であることを特徴とする、条項１ないし１７のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７４】
１９．
前記内側クラッディングおよび前記外側クラッディングの少なくとも一方が、ジルコニウムまたはジルコニウム合金で作られていることを特徴とする、条項１ないし１８のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７５】
２０．
少なくとも１つのライナーが、前記内側クラッディングと前記金属燃料との間または前記外側クラッディングと前記金属燃料との間またはその両方に設けられていることを特徴とする、条項１ないし１９のいずれか１項に記載の核燃料棒。
【００７６】
２１．
加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）で使用するための核燃料集合体であって、
ＰＷＲの炉心に形作られて構成されたフレームと、
前記フレーム内の複数の燃料棒と、
を有し、
前記複数の燃料棒の少なくとも１つは、条項１に記載の燃料棒であることを特徴とする、核燃料集合体。
【００７７】
２２．
前記複数の燃料棒のうちの少なくとも１つが、条項２〜２０のうちの少なくとも１つの燃料棒であることを特徴とする、条項２１に記載の核燃料集合体。
【００７８】
２３．
条項２１または２２に記載の少なくとも１つの核燃料棒集合体を含むことを特徴とする、加圧水型軽水炉（ＰＷＲ）。
【００７９】
２４．
環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、内面および外面を有して前記内面上に金属燃料の第１の層を有する、外側クラッディング管を含む、ステップと、
第２の中間成分を生成するステップであって、前記第２の中間成分は、内面および外面を有して前記外面上に金属燃料の第２の層を有する、内側クラッディング管を含む、ステップと、
前記第１の中間成分を前記第２の中間成分と組み立てて前記環状核燃料棒を得るステップと、
を有することを特徴とする方法。
【００８０】
２５．
前記環状核燃料棒の少なくとも一端にて前記環状核燃料棒をキャップするステップをさらに含むことを特徴とする、条項２４記載の方法。
【００８１】
２６．
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
外側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形して前記第１中間成分を生成するステップを含むことを特徴とする、条項２４または２５に記載の方法。
【００８２】
２７．
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
多孔質の金属燃料上に外側クラッディング材料を堆積させる、または前記外側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させて前記第１中間成分を生成するステップを含むことを特徴とする、条項２４ないし２６のいずれか１項に記載の方法。
【００８３】
２８．
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
内側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形して前記第２中間成分を生成するステップを含むことを特徴とする、条項２４ないし２７のいずれか１項に記載の方法。
【００８４】
２９．
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
前記金属燃料上に内側クラッディング材料を堆積させる、または前記内側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させて前記第１中間成分を生成するステップを含むことを特徴とする、条項２４ないし２８のいずれか１項に記載の方法。
【００８５】
３０．
前記金属燃料が、照射後にのみ０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、条項２４ないし２９のいずれか１項に記載の方法。
【００８６】
３１．
前記金属燃料の前記第１の層および前記金属燃料の前記第２の層の少なくとも一方が、０．１〜０．５の初期多孔度を有することを特徴とする、条項２４ないし３０のいずれか１項に記載の方法。
【００８７】
３２．
環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、外側クラッディング管内に内側クラッディング管を含んで、前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間に環状空間を画定する、ステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の環状空間内に金属燃料粉末を配置するステップと、
前記金属燃料粉末中の目標多孔度が達成されるまで、前記金属燃料粉末を前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間に充填するステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管の間の前記環状空間内に充填された前記金属燃料粉末をキャップするステップと、
を有することを特徴とする方法。
【００８８】
３３．
前記金属燃料粉末を充填するステップは、前記金属燃料粉末を、選択された周波数で、ある時間振動させるステップをさらに含むことを特徴とする、条項３２に記載の方法。
【００８９】
３４．
前記金属燃料粉末を振動させるステップは、さらに、
前記金属燃料粉末を、所定の周波数で、所定時間、所定の振動ストロークにかけるステップを含むことを特徴とする、条項３２または３３に記載の方法。
【００９０】
３５．
前記金属燃料粉末を充填する工程は、さらに、
金属燃料粉末を充填しながら、金属燃料粉末の多孔度および／または嵩密度を監視するステップを含むことを特徴とする、条項３２ないし３４のいずれか１項に記載の方法。
【００９１】
３６．
前記金属燃料粉末を振動させることは、さらに、
所望の目標多孔度が達成されるまで、振動のストローク、周波数、および時間のうちの１つまたは複数を変化させるステップを含むことを特徴とする、条項３２ないし３５のいずれか１項に記載の方法。
【００９２】
３７．
条項１〜２０のいずれか１項に記載の環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、内面および外面を有して前記内面上に金属燃料の第１の層を有する、外側クラッディング管を含む、ステップと、
第２の中間成分を生成するステップであって、前記第２の中間成分は、内面および外面を有して前記外面上に金属燃料の第２の層を有する、内側クラッディングを含む、ステップと、
前記第１の中間成分を前記第２の中間成分と組み立てて前記環状核燃料棒を得るステップと、
を有することを特徴とする方法。
【００９３】
３８．
前記環状核燃料棒の少なくとも一端にて前記環状核燃料棒をキャップするステップをさらに含むことを特徴とする、条項３７記載の方法。
【００９４】
３９．
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
外側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、条項３７または３８に記載の方法。
【００９５】
４０．
前記第１の中間成分を生成するステップはさらに、
多孔質の前記金属燃料上に外側クラッディング材料を堆積させる、または前記外側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、条項３７ないし３９のいずれか１項に記載の方法。
【００９６】
４１．
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
内側クラッディング材料と前記金属燃料とを共押出成形するステップを含むことを特徴とする、条項３７ないし４０のいずれか１項に記載の方法。
【００９７】
４２．
前記第２の中間成分を生成するステップはさらに、
前記金属燃料上に内側クラッディング材料を堆積させる、または前記内側クラッディング管上に前記金属燃料を堆積させるステップを含むことを特徴とする、条項３７ないし４１のいずれか１項に記載の方法。
【００９８】
４３．
前記金属燃料が、照射後にのみ０．１〜０．５の多孔度を達成することを特徴とする、条項３７ないし４２のいずれか１項に記載の方法。
【００９９】
４４．
前記金属燃料の前記第１の層および前記金属燃料の前記第２の層の少なくとも一方が、０．１〜０．５の初期多孔度を有することを特徴とする、条項３７ないし４３のいずれか１項に記載の方法。
【０１００】
４５．
条項１〜２０のいずれか１項に記載の環状核燃料棒を製造する方法であって、
第１の中間成分を生成するステップであって、前記第１の中間成分は、外側クラッディング管内に内側クラッディング管を含んで、前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間に環状空間を画定する、ステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の環状空間内に金属燃料粉末を配置するステップと、
前記金属燃料粉末中の目標多孔度が達成されるまで、前記金属燃料粉末を前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間に充填するステップと、
前記内側クラッディング管と前記外側クラッディング管との間の前記環状空間内に充填された前記金属燃料粉末をキャップするステップと、
を有することを特徴とする方法。
【０１０１】
４６．
前記金属燃料粉末を充填するステップは、前記金属燃料粉末を、選択された周波数で、ある時間振動させるステップをさらに含むことを特徴とする、条項４５に記載の方法。
【０１０２】
４７．
前記金属燃料粉末を振動させるステップは、さらに、
前記金属燃料粉末を、所定の周波数で、所定時間、所定の振動ストロークにかけるステップを含むことを特徴とする、条項４５または４６に記載の方法。
【０１０３】
４８．
前記金属燃料粉末を充填する工程は、さらに、
金属燃料粉末を充填しながら、金属燃料粉末の多孔度および／または嵩密度を監視するステップを含むことを特徴とする、条項４５ないし４７のいずれか１項に記載の方法。
【０１０４】
４９．
前記金属燃料粉末を振動させることは、さらに、
所望の目標多孔度が達成されるまで、振動のストローク、周波数、および時間のうちの１つまたは複数を変化させるステップを含むことを特徴とする、条項４５ないし４８のいずれか１項に記載の方法。
【０１０５】
本明細書に記載されたシステムおよび方法は、記載された目的および利点、ならびにそこに固有の目的および利点を達成するように十分に適合されていることは明らかであろう。当業者であれば、本明細書の範囲内の方法およびシステムは多くのやり方で実施することができ、前述の例示の実施形態および例によって限定されるものではないことを認識するであろう。この点に関して、本明細書に記載される異なる実施形態の任意の数の特徴は、１つの単一の実施形態に組み合わされてもよく、本明細書に記載される特徴の全てよりも少ないか、またはそれよりも多くを有する代替の実施形態が可能である。
【０１０６】
本開示の目的のために様々な実施形態を説明してきたが、本開示によって十分に意図される範囲内にある様々な変更および修正を行うことができる。当業者に容易に示唆され、本開示の精神に包含される多数の他の変化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１Ａ】多孔質金属燃料の環状核燃料棒の一実施形態の直交軸に沿った断面図である。
【図１Ｂ】多孔質金属燃料の環状核燃料棒の一実施形態の直交軸に沿った断面図である。
【図２】燃料棒にも使用できる、図１Ａおよび１Ｂの環状構成とは異なる他の構成を示す図である。
【図３】進行波原子炉で使用される燃料集合体の分解図である。
【図４】中央領域と燃料棒の外側との間の流れを可能にする連結セグメントを含む複数セグメントの燃料棒の実施形態の一部を示す図である。
【図５】上述の二重中間成分製造方法の中間成分を示す。
【図６】燃料と保持装置とを示す、クラッディング間の環状空間の一部の断面を示す図である。
【図７】加圧水型軽水炉で使用される燃料集合体の側面図である。
【図８】環状核燃料棒を製造する方法の実施形態を示す。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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