(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料構造体であって、
構造体内に配置された線状の複数の繊維と、
前記複数の繊維のうちの少なくとも１本の繊維内の多層燃料領域と
を備え、前記多層燃料領域は、
核燃料物質を備える内層領域と、
前記核燃料物質を包み込む外層領域と
を備え、
前記複数の繊維は、前記核燃料構造体内に配置されて、前記核燃料構造体の少なくとも一部分に構造補強を提供し、
前記核燃料構造体は、
内側棒構造体を備え、前記複数の繊維は、前記内側棒構造体に巻き付き、前記構造補強を提供することを容易にするように配置される構成、
前記核燃料構造体は、外側チューブ構造体を備え、前記複数の繊維は、前記外側チューブ構造体の内側に巻き付き、前記構造補強を提供することを容易にするように配置される構成
のいずれかの構成であることを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記核燃料物質を備える前記内層領域は、第１の内層領域であり、前記構造体は、前記第１の内層領域の下に配設された第２の内層領域をさらに備え、前記第２の内層領域は、前記核燃料物質において発生する核分裂反応の副産物を捕捉するように選択された物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第２の内層領域は、ナノ多孔質炭素物質を備えることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記核燃料物質を包み込む前記外層領域は、熱分解炭素および／または炭化ケイ素を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項５】
前記外層領域は、第１の外層領域であり、前記構造体は、第２の外層領域をさらに備え、前記第２の外層領域は、前記核燃料物質において発生する核分裂反応を抑制または緩和するように選択された物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項６】
前記第２の外層領域の前記物質は、核分裂反応を抑制し、前記物質は、ホウ素、ガドリニウム、またはハフニウムのうちの１または複数を備えることを特徴とする請求項５に記載の構造体。
【請求項７】
前記多層燃料領域は、前記複数の繊維のうちの前記少なくとも１つの繊維に沿って配設された複数の個別多層燃料領域のうちの１つの多層燃料領域であり、前記複数の個別多層燃料領域は、前記核燃料物質を備えるそれぞれの内層領域と、前記核燃料物質を包み込むそれぞれの外層領域とを備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項８】
前記繊維のうちの前記少なくとも１つの繊維の長さに沿ってコア領域をさらに備え、前記複数の個別多層燃料領域が前記コア領域にわたって配設されることを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
前記コア領域は、セラミック物質を備えることを特徴とする請求項８に記載の構造体。
【請求項１０】
前記繊維のうちの前記少なくとも１つに沿ってオーバーコート層をさらに備え、前記オーバーコート層は、前記複数の個別多層燃料領域および前記コア領域をさらに包み込むことを特徴とする請求項８に記載の構造体。
【請求項１１】
前記オーバーコート層は、複数のオーバーコート層を備えることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記複数のオーバーコート層のうちの少なくとも１つの追加的オーバーコート層は、前記核燃料物質において発生する核分裂反応を抑制するように選択された物質を備えることを特徴とする請求項１１に記載の構造体。
【請求項１３】
前記複数の個別多層燃料領域の前記それぞれの内層領域は、前記複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維の体積の少なくとも３３％を備えることを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの繊維は、複数の個別多層燃料領域を備えるマルチプルファイバのうちの１つの繊維であり、前記マルチプルファイバは、前記複数の繊維の少なくともサブセット（subset）であり、前記マルチプルファイバは、前記構造体の体積の少なくとも３０％を備え、前記マルチプルファイバの核燃料物質を備える前記それぞれの内層領域は、前記構造体の前記体積の少なくとも１０％を備えることを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項１５】
前記核燃料物質は、核分裂可能物質または前記核分裂可能物質の化合物を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１６】
前記核燃料物質は、二酸化ウランの核分裂性物質濃度よりも高い核分裂性物質濃度を有する核分裂性物質を備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１７】
ウラン含有化合物は、ウラン、一窒化ウラン、炭化ウラン、および／またはウランシリサイドのうちの１または複数を備えることを特徴とする請求項１６に記載の構造体。
【請求項１８】
核燃料構造体を作製することを容易にするステップを備え、作製することを容易にする前記ステップは、
前記核燃料構造体内に配置される線状の複数の繊維を提供するステップと、
前記複数の繊維のうちの少なくとも１本の繊維内に多層燃料領域を形成するステップと
を備え、前記多層燃料領域は、
核燃料物質を備える内層領域と、
前記核燃料物質を包み込む外層領域と
を備え、
作製することを容易にする前記ステップは、
前記核燃料構造体の内側棒構造体またはチューブ構造体を提供するステップと、
前記複数の繊維を前記内側棒構造体に巻き付くように配置して、前記複数の繊維が前記核燃料構造体に構造補強を提供するようにするステップと、をさらに備えるステップ、
前記核燃料構造体の外側チューブ構造体を提供するステップと、
前記複数の繊維を前記外側チューブ構造体の内側に巻き付くように配置して、前記複数の繊維が前記核燃料構造体に構造補強を提供するようにするステップと、をさらに備えるステップ
のいずれかのステップであることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記核燃料物質を備える前記内層領域は、第１の内層領域であり、前記多層燃料領域は、前記第１の内層領域を形成する前に形成される第２の内層領域をさらに備え、前記第２の内層領域は、前記核燃料物質において発生する核分裂反応の副産物を捕捉するように選択された物質を備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記外層領域は、第１の外層領域であり、前記多層燃料領域は、第２の外層領域をさらに備え、前記第２の外層領域は、前記核燃料物質において発生する核分裂反応を抑制または緩和するように選択された物質を備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記多層燃料領域の少なくとも１つの層を形成するステップが、化学気相成長プロセスを備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の繊維のうちの前記少なくとも１つの繊維に沿って複数の個別多層燃料領域を形成するステップをさらに備え、前記多層燃料領域は、前記複数の個別多層燃料領域のうちの１つの多層燃料領域であり、前記複数の個別多層燃料領域は、前記核燃料物質を備えるそれぞれの内層領域と、前記核燃料物質を包み込むそれぞれの外層領域とを備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、核燃料構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
核エネルギーは、温室効果ガス排出のような化石燃料使用に関連した問題の多くを生じずに長期にわたってより大量のエネルギーを供給できるので、米国および世界中の多くの国において重要なエネルギー源であり続ける。核燃料源の使用および保管における固有のリスク、原子炉の安全な運転を確実にする必要性、ならびに核燃料が武器を製造するために不正使用されるリスクがあるため、安全で安心な核燃料技術の開発のイノベーションが引き続き推進されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１８０７６４号パンフレット
【特許文献２】米国特許仮出願第６１／５８８７３３号明細書
【特許文献３】米国特許仮出願第６１／５８８７６５号明細書
【特許文献４】米国特許仮出願第６１／５８８７８８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
一態様において、核燃料構造体内に配置された複数の繊維（fiber）と、複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維内の多層燃料領域（multilayer fuel region）とを含む核燃料構造体の提供によって、従来技術の種々の欠点が解消され、さらなる利点が提供される。多層燃料領域は、核燃料物質を有する内層領域と、核燃料物質を包み込む外層領域とを含む。
【０００５】
別の態様において、核燃料構造体を作製することを容易にする方法も提供され、作製することを容易にするステップは、核燃料構造体内に配置される複数の繊維を提供するステップと、複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維内に多層燃料領域を形成するステップとを含む。形成された多層燃料領域は、核燃料物質を有する内層領域と、核燃料物質を包み込む外層領域とを含む。
【０００６】
さらなる特徴および利点が本発明の技法によって実現される。本発明の他の実施形態および態様は本明細書に詳細に説明されており、請求される発明の一部とみなされる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本発明の１または複数の態様は、明細書の結論の請求項において特定的に示され例として明確に請求される。本発明の上記および他の目的、特徴、および利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明から明らかである。
【図１】原子炉運転における核燃料構造体の使用を概略的に示す、原子炉の例示的なレイアウト図である。
【図２Ａ】複数の核燃料棒構造体および制御棒構造体を含む例示的構造体であって、核燃料構造体を包み込み格納するための１つの可能な構造体を示す図である。
【図２Ｂ】複数の核燃料棒構造体および制御棒構造体を含む例示的構造体であって、核燃料構造体を包み込み格納するための１つの可能な構造体を示す図である。
【図３Ａ】本発明の１または複数の態様による、核燃料構造体または被覆構造体の一部分の一実施形態を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の１または複数の態様による、核燃料構造体または被覆構造体の一部分の一実施形態を示す図である。
【図４Ａ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を含む繊維の一実施形態を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を含む繊維の別の実施形態を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を含む繊維の断面図である。
【図４Ｄ】本発明の１または複数の態様による、複数の個別多層燃料領域（discrete multilayer fuel region）を含む複数の繊維またはそれらの複数のスキャフォルディングファイバ（scaffolding fiber）の一実施形態を示す図である。
【図５Ａ】本発明の１または複数の態様による、複数の個別多層燃料領域および／または核毒物領域を有する複数の繊維を含む核燃料構造体の一部分の一実施形態を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の１または複数の態様による、図５Ａの核燃料構造体を使用する核燃料集合体の実施形態の断面図である。
【図５Ｃ】本発明の１または複数の態様による、図５Ａの核燃料構造体を使用する核燃料集合体の実施形態の断面図である。
【図５Ｄ】本発明の１または複数の態様による、図５Ａの核燃料構造体を使用する核燃料集合体の実施形態の断面図である。
【図５Ｅ】本発明の１または複数の態様による、図５Ａの核燃料構造体を使用する核燃料集合体の実施形態の断面図である。
【図６Ａ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするためのプロセスを示す図である。
【図６Ｂ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするためのプロセスを示す図である。
【図６Ｃ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするためのプロセスを示す図である。
【図６Ｄ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするためのプロセスを示す図である。
【図６Ｅ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするためのプロセスを示す図である。
【図７Ａ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするための別のプロセスを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするための別のプロセスを示す図である。
【図７Ｃ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするための別のプロセスを示す図である。
【図７Ｄ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするための別のプロセスを示す図である。
【図７Ｅ】本発明の１または複数の態様による、多層燃料領域を有する繊維の作製を容易にするための別のプロセスを示す図である。
【図８】本発明の１または複数の態様による、複数の個別燃料領域を有する複数の繊維の作製を容易にするための装置の一実施形態を示す図である。
【図９】本発明の１または複数の態様による、複数の繊維を形成するためのプロセスの一実施形態を示す図である。
【図１０】本発明の１または複数の態様による、デジタル紡糸口金（digital spinneret）技術によって形成され得る複数のスキャフォルディングファイバの一実施形態を示す図である。
【図１１】本発明の１または複数の態様による、ナノ多孔質炭素層（nanoporous carbon layer）の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の態様ならびにその特定の特徴、利点、および詳細は、添付の図面に示される非限定的例を参照して以下でより完全に説明される。よく知られた物質、作製工具、加工技術などの説明は、本発明を細部で不必要に不明瞭にしないために省略されている。しかしながら、詳細な説明および特定の例は、本発明の態様を示しているが、限定ではなく例示のために与えられるものであることを理解されたい。本発明の概念の趣旨および／または範囲内の様々な置換、修正、追加および／または配列が、本開示から当業者には明らかとなろう。
【０００９】
以下では、理解を容易にするために原寸に比例して描かれていない図面が参照される。図面において、異なる図を通して使用される同じ参照番号は、同じまたは類似の構成要素を示す。
【００１０】
核エネルギー生産は、現在および予測される将来のエネルギー需要を満たすために多くの国で重要であり続ける。ウランおよびウラン系化合物などの核燃料物質は、化石燃料などの他のエネルギー源よりもはるかに高いエネルギー密度を有し、たとえばガソリンまたは石炭燃料と比べて１００万倍を超えるエネルギー密度を有することがある。スリーマイル島事故、チェルノブイリ災害、および最近の福島第一メルトダウンなど、いくつかのよく知られている原子炉事故が示すように、原子炉内の核燃料物質の安全な取り扱いおよび保管、ならびに原子炉事故およびメルトダウンの防止は、核エネルギー生産の重要な問題であり続けている。
【００１１】
図１は、原子力発電所の一部であり得る例示的原子炉１００の概略図である。図１に示される原子炉１００は、原子炉遮蔽体１１０の内側に包み込まれた原子炉容器１０５を含み、原子炉遮蔽体１１０は、事故が発生しても原子炉遮蔽体１１０内の物質が収容できるように、高温に耐えることができるコンクリートまたは他の物質で作られ得る。原子炉容器１０５は、核燃料棒１３０および制御棒１４０が配設される炉心１２０を含む。原子炉容器１０５はまた、冷却材入口１５５を通して原子炉１０５内に引き込まれ得る水または重水などの冷却材物質１５０を保持する。燃料棒１３０は、ジルコニウム合金金属ケーシングなどの金属合金燃料棒ケーシングまたは被覆に包み込まれた核燃料物質、しばしば二酸化ウラン燃料カプセルを含む。（多くの核燃料棒は、商標名Ｚｉｒｃａｌｏｙ（ジルカロイ）で作られたジルコニウム合金被覆物質を利用する。）核燃料物質は、核燃料において核分裂反応を開始できる中性子に衝突され、この反応が、核燃料物質の核を分裂させ、熱エネルギーおよびさらなる中性子を放出し、次いでそれらの中性子により核分裂反応が続行する。熱エネルギーが冷却剤１６０を加熱し、冷却剤１６０は冷却材出口１６５を介して原子炉容器１０５から汲み出され、加熱された冷却剤１６０は、たとえば、蒸気を発生させてタービンを駆動するために使用することができ、そのタービンが電気エネルギーを発生させる（簡略化のために図１には示されていない）。炉心１２０は、中性子が核燃料物質の核と反応しやすい速度まで中性子を遅くすることができる黒鉛などの１または複数の減速材物質で作られてよい。冷却材物質１５０は、燃料棒１３０に衝突する高速中性子を遅くする減速材物質としても働くことができる。制御棒１４０は、燃料棒１３０内の核燃料物質の核分裂速度を可変的に制御するために使用されてよい。制御棒１４０は、ホウ素、銀、カドミウム、および／またはインジウムのような、核分裂反応を受けることなく中性子を吸収できる１または複数の物質で作られてよい。制御棒１４０が原子炉容器１０５から部分的または完全に引き出されると、より多くの中性子が燃料棒１３０内の核燃料物質と首尾よく衝突して反応し、エネルギー出力を増加させることができ、逆に、原子炉容器１０５内にさらにまたは完全に棒を挿入することによって、より多くの中性子が吸収され、核分裂反応が遅くされ、エネルギー生産を減少させることができる。原子炉によっては、制御棒１４０を完全に挿入することが、燃料棒１３０内の核分裂反応を完全に停止させるために用いられることがある。
【００１２】
図２Ａおよび図２Ｂは、原子炉内に配備され得る核燃料集合体２００の例を示す。一般に、核燃料棒１３０および制御棒１４０は、図１に示されるように、原子炉内に別個に配備されるのではなく、核燃料集合体２００などの核燃料集合体に配備されることが多い。核燃料棒２１０は、核燃料棒２１０の間に散在した制御棒２２０と一緒に配列されてよく、核燃料棒２１０と制御棒２２０はともに１または複数のスペーサ２３０によって束ねられてよい。核燃料集合体２００全体は、核燃料集合体が炉心１２０などの減速材物質によって取り囲まれ、冷却材１５０が燃料棒２１０および制御棒２２０の周りを流れることができるように原子炉容器内に配備され得る。制御棒２２０は、図２Ｂによって示されるように、制御棒２２０が核燃料集合体２００に対して可変的に引き出されまたはさらに挿入されることができるように、原子炉容器の内部または外部の制御部と結合され得る。
【００１３】
図１を再び参照すると、冷却材１５０は原子炉１００内でいくつかの用途を果たし得ることに留意できる。冷却材１６０は、核分裂反応から発生された熱によって加熱され、燃料棒１３０および炉心１２０から熱を奪い、冷却材１６０の熱エネルギーは電気エネルギーに変換され得る。また、冷却材１５０、１６０は、中性子が核燃料物質と首尾よく反応しやすい速度まで中性子を遅くするための減速材の役割をすることができる。冷却材喪失事故（ＬＯＣＡ：loss of coolant accident）では、原子炉容器１０５内で冷却材レベルが低下することで、熱エネルギーが原子炉の外へもはや適切に伝達されず、そのため、熱が原子炉内に蓄積し、ケーシングを含む燃料棒１３０に損傷を与える可能性がある。冷却材の喪失は減速材物質の喪失も意味し得るので、核燃料物質における核分裂反応の減速を生じるが、放射性核燃料物質、および核分裂反応の放射性副産物が原子炉内に熱エネルギーを放射し続けるので、熱が原子炉容器内に急速に蓄積し続ける可能性がある。スリーマイル島災害と福島第一災害はいずれも、冷却材喪失事故として始まり、ジルコニウム合金被覆の溶融および高発熱性酸化をもたらし、膨大な量の水素ガスを生成し、さらなる熱の蓄積およびそれに続く炉心溶融をもたらした。メルトダウンの際に燃料棒の被覆が破られまたは割られると、放射性核燃料およびその放射性核分裂副産物が露出され、メルトダウンによって生成された他のガスと混合することがあり、放射性物質が周辺環境に逃げる可能性がある。
【００１４】
スリーマイル島のような事件により、ジルコニウム合金被覆および他の被覆物質に代わり得る代替的な安全な燃料棒被覆物質の研究に拍車が掛けられた。たとえば、炭化ケイ素（ＳｉＣ：silicon carbide）は、１つのそのような代替的被覆物質であり得る。炭化ケイ素は比較的脆い物質であるが、炭化ケイ素ファイバ（ＳｉＣf：silicon carbide fiber）補強炭化ケイ素マトリックス（ＳｉＣm：silicon carbide matrix）セラミック−マトリックス複合体（ＣＭＣ：Ceramic-Matrix Composite）構造体を使用することによって、その脆性が軽減され得る。図３Ａ〜図３Ｂは、補強ＳｉＣf−ＳｉＣm  ＣＭＣ構造体の１つの例示的実施形態を示す。図３Ａは、構造体３００の一実施形態を示し、構造体３００は、モノリシックＳｉＣチューブ（monolithic ＳｉＣ tube）などのチューブ３１０を含み、チューブ３１０の周りに、ＳｉＣ繊維またはトウ（tows）３４０の複数の補強リボン３２０が編組されまたは巻き付けられている。補強リボンは、たとえば、１つのリボン３２０の部分３３０の拡大図で示されるように、複数のＳｉＣ繊維またはトウ３４０を含むことができる。繊維またはトウ３４０は、ＳｉＣfなどの炭化ケイ素化合物を含むことができる。図３Ａは、リボン３２０の編組または巻付けプロセスおよびパターンの一例を示し、図を単純化し例示的なパターンをより良く示すために、追加の交互の撚糸は含まれていない。リボンを編組するまたは巻き付ける他のパターンおよびプロセスも可能であり得る。たとえば、リボン３２０はチューブ３１０の内側で編組されてもよい（図を明瞭にするために図３Ａには示されていない）。
【００１５】
図３Ｂは、チューブ３１０を包み込むリボン３２０の複数の層を有し、リボン３２０およびチューブ３１０を覆う外層３６０が組み込まれた構造体３００を示す。３１０と３６０の役割は逆にされてもよく、その場合、３６０は、リボン３２０の複数の層を包み込む外側チューブであり、内層３１０で覆われる。説明を明瞭にするために、前者の構成が一般性を失うことなく想定される。外層３６０はＳｉＣを含むこともでき、その場合、構造体３００はＳｉＣf−ＳｉＣm  ＣＭＣ構造体とすることができる。外層３６０は、たとえば、化学気相浸透（ＣＶＩ：chemical vapor infiltration）プロセスおよび／または化学気相成長（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）プロセスによって提供され得る。拡大図３５１は、構造体３００内を半径方向にのぞき込むときに見られるような複数の繊維３４０の一部分の図を示し、ＣＶＤまたはＣＶＩを容易にするための開放気孔性を提供しながら、構造体３００に補強を提供するために、どのように繊維３４０が理想的な「クロス織り（cross-weave）」型パターンで理想的に配置され得るかを例示している。拡大図３５２および３５３は、複数の繊維３４０の切取り部分の断面図を示し、繊維３４０が理想的にチューブ３１０上で層に配置され得る１つの方法を例示している。図３Ｂによって示される例示的な構造体３００は、単に例示目的で、チューブ３１０上に層状にされたリボン３２０の８つの層を示しているが、実際には、より多くの層のリボン３２０が構造補強のためにチューブ３１０上に提供されてもよく、またはより少ない層のリボン３２０が必要とされることもある。あるいは、チューブ３１０とマトリックス３６０が、チューブ３１０の内側でのリボン３２０の巻付けまたは編組を反映して逆にされてもよい。
【００１６】
図３Ａ〜図３Ｂに示される例示的な構造３００のような補強ＣＭＣ構造は、ジルコニウム合金などの金属に匹敵する靭性を有するが、高温に対しかなり大きい耐性を有することができる。たとえば、β相化学量論的炭化ケイ素（β−ＳｉＣ）ＣＭＣは、照射下で１５００℃の温度でそれらの強度を保持する。また、β−ＳｉＣ物質は、高温で低い酸化速度を示し、二酸化ウラン（ＵＯ2）などの核燃料化合物との反応性が比較的低くなり得る。しかしながら、補強ＣＭＣ構造体も欠点がないわけではない。たとえば、福島発電所が建設されたとき、ＳｉＣ化合物はジルコニウム合金被覆の可能な代替物として特定されていたが、炭化ケイ素被覆燃料棒は生産し使用するにはまだ高価であった。金属合金被覆内の燃料ペレットを封入するために容易に溶接され得る金属合金とは異なり、ＳｉＣ物質は容易に融合せず、したがって、炭化ケイ素チューブ内の核燃料ペレットを完全に密閉することは困難である。また、ＳｉＣ  ＣＭＣ補強被覆は、純粋な炭化ケイ素の固有の脆性を克服するために比較的厚くされるが、現在の燃料棒の金属被覆は、ＳｉＣ  ＣＭＣ被覆と比べて比較的薄くされ得る。したがって、多くのＳｉＣ  ＣＭＣ被覆燃料棒が現在の原子炉における金属合金被覆燃料棒の代用品として使用されるためには、ＳｉＣ  ＣＭＣ被覆は金属被覆と同様の厚さに保たれなければならないが、そのような厚さでは、被覆が燃料棒に十分な構造補強を提供できない。
【００１７】
三重構造等方性（ＴＲＩＳＯ：tristructural-isotropic）核燃料は、これらの欠点のいくつかに対処することができる。ＴＲＩＳＯ核燃料は、ＳｉＣ球に囲い込まれた複数の球状層に核燃料を封入する。しかしながら、球状設計は、比較的低い割合の核燃料体積分率（nuclear fuel volume fraction）を与えるので、より高い濃縮およびより頻繁な交換を必要とし、それにより使用済み核燃料を安全に保管する負担が増大する。
【００１８】
また、全ての炭化ケイ素ＣＭＣが被覆としての使用に適し得るわけではなく、適切なＣＭＣも課題および欠点をもたらす。たとえば、燃料棒構造体を開発するために現在使用されているＣＭＣ物質を補強するために使用される少数のＳｉＣfトウのうちの１つは、ハイニカロンタイプＳ（ＨＮＳ：Hi-Nicalon Type-S）であり、これは、化学量論に十分に接近し、かつ原子炉で使用の際の大量の中性子衝撃に耐えることができる市販のＢ−ＳｉＣf化合物である。しかしながら、ＨＮＳ繊維は、一般的に、図３Ｂに示した拡大図３５１、３５３に示されるように連続した繊維の規則正しい配列を形成しない。代わりに、ＨＮＳ繊維は、ねじれて絡み合う傾向があり、それにより、炭化ケイ素のかたまりを形成し、チューブ３１０の周囲の編組トウ構造体内に空間または空隙を残しやすい。これらの問題は、化学気相浸透（ＣＶＩ）および／もしくは化学気相成長（ＣＶＤ）、ポリマー浸透および熱分解（ＰＩＰ：polymer infiltration and pyrolysis）、または溶解浸透プロセスによるかにかかわらず、ＨＮＳ繊維を形成および堆積するのに使用される特定のプロセスに関係なく生じる。ＨＮＳ繊維が絡み合って集まるこの傾向はまた、チューブ３１０の周りの編組繊維構造体のいくつかの部分において、得られるＣＭＣ３００繊維体積分率（fiber volume fraction）を低下させて、これらの部分をより割れの影響を受けやすいままにし得る。溶融浸透プロセスによるＨＮＳ補強ＣＭＣ被覆の形成はまた、ＨＮＳ繊維の部分に沿ってケイ素のポケットを形成する傾向があり、シリコンはそれが固体になって膨張するにつれて、シリコンポケットはＣＭＣにおいて割れの影響を受けやすいという弱点になる。
【００１９】
したがって一般的に述べれば、本明細書に開示されるのは、核燃料構造体または被覆構造体であって、核燃料構造体内に配列された複数の繊維と、複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維内の多層燃料領域とを含む核燃料構造体または被覆構造体である。多層燃料領域は、核燃料物質を有する内層領域と、核燃料物質を包み込む外層領域とを含む。本明細書で使用される場合、用語「繊維（fiber）」は、任意の細長い構造体であってそれに沿って個別領域が形成され得る細長い構造体を指す。これは、任意のＣＭＣ構造体、フィラメントまたはフィラメント構造体、および本明細書に開示されるタイプの他の同様の構造体を含み得るが、これらに限定されない。フィラメント構造体は、たとえば、らせんの周りにカールする構造体、または複数のフィラメントもしくは繊維に分岐する構造体を含み得る。被覆として使用されるとき、複数の繊維は、多層燃料構造体を有する繊維を含まなくてよい。いずれの場合も、複数の繊維は、核反応と相互作用するよう意図された要素、たとえば、可燃性毒物として含まれる物質も含んでよい。
【００２０】
一実施形態では、複数の繊維は、核燃料構造体内に配置されて、核燃料構造体の少なくとも一部分に構造補強を提供する。核燃料構造体は、内側棒またはチューブ構造体を含むことができ、複数の繊維は、内側棒またはチューブ構造体に巻き付けられ、構造補強を提供することを容易にすることができる。複数の繊維のうちの１または複数は、１または複数の繊維内の１または複数の多層燃料領域を含むこともできるので、複数の繊維によって補強されたＣＭＣチューブは、単独の核燃料として役立つだけでなく、追加の核燃料ペレットを含む被覆としても役立つことが可能である。
【００２１】
別の実施形態では、核燃料物質を有する内層領域は、第１の内側領域とすることができ、構造体は、第１の内層領域の下に第２の内層領域も含むことができる。第２の内層領域は、核燃料物質において発生する核分裂反応の気体副産物などの副産物を捕捉するように選択された物質を含むことができる。図１１に例示されるように、第２の内層領域１１０２の物質は、一例では、スキャフォルドフィラメント（scaffold filament）１１０１上に堆積されたナノ多孔質炭素であり得る。
【００２２】
さらに別の実施形態では、多層燃料領域は、少なくとも１つの繊維に沿って配設された複数の個別多層燃料領域のうちの１つの多層燃料領域である。複数の個別多層燃料領域は各々が、核燃料物質のそれぞれの内層領域と、核燃料物質を包み込むそれぞれの外層領域とを有することができる。複数の個別多層燃料領域は、少なくとも１つ繊維の長さに沿ってコアフィラメントにわたって形成されてよい。
【００２３】
さらに別の実施形態では、繊維は、多層燃料領域に加えてまたは代えて、核分裂を緩和するまたは遅らせるために核燃料物質と相互作用するように選択された追加の物質層を含むことができる。一例では、追加の物質層は、減速材としての炭素を含むことができる。別の例では、追加の物質層は、核分裂を遅らせるために核毒物または可燃性毒物としてホウ素またはガドリニウムを含むことができる。
【００２４】
別の態様では、核燃料構造体を作製することを容易にする方法であって、作製することを容易にするステップは、核燃料構造体内に配置される複数の繊維を提供するステップと、複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維内に多層燃料領域を形成するステップとを含む方法も本明細書に開示される。多層燃料領域は、核燃料物質を有する内層領域と、核燃料物質を包み込む外層領域とを含む。一例では、多層燃料領域の少なくとも１つの層を形成するステップが、化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによって達成され得る。別の例では、この方法は、核燃料構造体の内側棒またはチューブ構造体を提供するステップと、複数の繊維を内側棒またはチューブ構造体に巻き付くように配置して、複数の繊維が核燃料構造体に構造補強を提供するようにするステップとをさらに含むことができる。
【００２５】
図４Ａは、多層燃料領域４２０を含む繊維４１０の一実施形態を示す。多層燃料領域４２０の切取り図４１５が、多層燃料領域４２０の複数の層を明瞭に示すために提供されている。多層燃料領域４２０は、ウランまたはウラン化合物などの核燃料物質を含む内層領域４２３と、内層領域４２３の核燃料物質を包み込む外層領域４２４とを有する。内層領域４２３の核燃料物質は、二酸化ウラン（ＵＯ2）とすることができ、二酸化ウランは、多くの核燃料構造体において核燃料として頻繁に使用され得る。しかしながら、内層領域４２３は、外層領域４２４によって完全に密閉されるので、二酸化ウランよりも高い核分裂性物質密度を有するウラン、プルトニウム、または核分裂性物質含有化合物、たとえば、一窒化ウラン（ＵＮ：uranium mononitride）、炭化ウラン（ＵＣ：uranium carbide）、ウランシリサイド（Ｕ2Ｓｉ3：uranium silicide）などが使用されてもよい。外層領域４２４は、たとえば、熱分解炭素（ＰｙＣ）を含むことができ、および／または炭化ケイ素を含むことができる。図４Ａに示される例示的な多層燃料領域において、内層領域４２３は、第１の内層領域４２３とみなされてよく、多層燃料領域４２０は、第１の内層領域４２３の下に配設された第２の内層領域４２２を含むことができる。第２の内層領域は、ナノ多孔質炭素など、内層領域４２３の核燃料物質において発生する核分裂反応の気体副産物などの副産物を捕捉するように選択された物質を含むことができる。
【００２６】
外層領域４２４は、たとえば、熱分解炭素（ＰｙＣ）を含むことができ、および／または炭化ケイ素を含むことができる。一実施形態では、外層領域４２４が第１の外層領域４２４とされてよく、多層燃料領域４２０は第２の外層領域を含むことができる。第２の外層領域は、繊維４１０にさらなる機能性を追加する物質を含むことができる。たとえば、第２の外層領域は、内層領域４２３の核燃料物質の活性を遅らせ得るホウ素またはガドリニウムなどの核毒物物質（nuclear poison material）を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、内層領域４２３の核燃料物質の核分裂活性の減速材として作用する炭素などの物質を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、ＳｉＣマトリックスとの構造的統合のための相間層を含むことができる。
【００２７】
多層燃料領域４２０は、コア領域４２１上にわたって形成され得る。コア領域４２１は、たとえば、繊維４１０の長さに沿った炭化ケイ素フィラメントであってよく、その部分にわたって、多層燃料領域４２０の複数の層が形成される。コア領域４２１は一般に、炭化ケイ素または炭化ハフニウムなどの任意のセラミック物質を含むことができる。最後に、オーバーコート層４２５が、多層燃料領域４２０の複数の層およびコア領域４２１をさらに包み込むことができる。オーバーコート層４２５は、それ自体で多層オーバーコートであってよい。オーバーコート層４２５は、炭化ケイ素または炭化ハフニウムなどのセラミック物質を含むことができ、繊維をさらに機能的にする追加のオーバーコート層を含んでもよい。たとえば、追加の層は、ＣＭＣ相間層として適用される熱分解炭素（ＰｙＣ）の層とすることができる。別の例では、追加の層は、相間層と核燃料物質４２３における核分裂反応を抑制するための可燃性核毒物層との両方の役割をするように適用される窒化ホウ素を含むことができる。多層燃料領域４２０は、図４Ａに示すように繊維４１０に沿って配設された複数の個別多層燃料領域４２０のうちの１つの多層燃料領域であり得る。各個別多層燃料領域４２０は、核燃料物質で作られたそれぞれの内層領域４２３と、核燃料物質を包み込むそれぞれの外層領域４２４とを有することができる。複数の個別多層燃料領域は、少なくとも１つの繊維４１０の長さに沿ってコア領域４２１にわたって配設され得る。オーバーコート層４２５は、複数の個別多層燃料領域４２０およびコアフィラメント４２１を包み込んで、完成された繊維４１０をもたらすことができる。図４Ａに示されるように、オーバーコート層４２５は、繊維４１０の長さに沿って実質的に均一な厚さを有することができる。図４Ａに示されるように、複数の個別多層燃料領域４２０は、多層燃料領域なしのコアフィラメント４２１およびオーバーコート４２５を含む繊維４１０の領域よりも大きい厚さを複数の個別多層燃料領域が有するので、繊維４１０に沿って配設された「ビーズ」のように見える。
【００２８】
図４Ｂは、多層燃料領域４６０を含む繊維４５０の代替的実施形態を示し、繊維４５０は、多層燃料領域４６０が繊維４５０内に埋め込まれて見られるように実質的に均一な厚さを有する。図４Ｂの代替的実施形態では、第１の内層領域４６３、第２の内層領域４６２、外層領域４６４、およびオーバーコート４６５は、多層燃料領域４６０の長さにわたって変化する厚さを有し、多層燃料領域４６０のいずれの端部でも先細になる層の厚さを有し得る。１つの例示的な実施形態では、多層燃料領域４６０の層を設ける前に、コア領域４６１が可変の厚さを有するように設けられ得る。別の例示的実施形態では、コア領域４６１は、実質的に均一な厚さを有することができ、多層燃料領域４６０は、コア領域４６１にわたって形成され、初めは図４Ａに示されるようにビーズ状の外観を有し得るが、オーバーコート層４６５が、多層燃料領域４６０およびコア領域４６１上で可変の厚さを備え、結果として、繊維４５０の長さに沿って繊維４５０が実質的に均一の厚さを有することができる。
【００２９】
図４Ａおよび４Ｂに示されている繊維４１０および４５０の例示的な実施形態は、多層燃料領域４２０、４６０を含み、複数の個別多層燃料領域４２０、４６０を含む繊維の２つの可能な実施形態にすぎない。図示された例の変形形態および代替的な多層燃料領域の実施形態は、本明細書の開示の範囲内で可能であり企図され得る。たとえば、繊維４１０／４５０などの繊維は、コーティングまたはドーピングの一方または両方によって追加された他の機能性を有してもよい。具体的には、繊維は、一時的または永続的に核分裂反応を増進または抑制するよう意図された物質を埋め込んでよい。一例では、繊維は、それら自体が核分裂性である同位体に変換する、核反応を増進するよう意図された物質によってコーティングまたはドーピングされ得る。そのような同位体の例として、トリウム２３２およびウラン２３８がある。別の例では、繊維は、核反応を抑制する中性子吸収同位体でコーティングまたはドーピングされ得る。「核毒物」として知られるそのような同位体のうちには、ホウ素およびガドリニウムなどの「可燃性毒物」と呼ばれる一時的阻害剤がある。他の元素として、ハフニウムなどの長期的阻害剤がある。一例では、ドーパントは、製造中に１または複数の繊維に添加され、格子間元素もしくは置換元素として繊維の微細構造体の一部となる、または結晶粒界に集中される。さらに別の例では、機能性コーティングが繊維の全長にわたって局所的にコーティングされ得る。コーティングは、追加の機能要件を満たすようにコーティングが機能できる化合物形態で繊維に適用されてもよい。たとえば、ホウ素は、ホウ素はセラミックマトリックス複合体における潤滑剤界面相としても機能できる窒化ホウ素の形態で添加され得る。ホウ素は、炭化ホウ素として添加されてもよい。同様に、ハフニウムが炭化ハフニウムとしてコーティングされ、高温環境障壁として機能することもできる。一般性を失うことなく、図４Ａに示されるような繊維４１０および／または多層燃料領域４２０に対する本明細書のいかなる参照も、図４Ｂに示されるような繊維４５０および／または多層燃料領域４６０に適用可能であると考えられてよく、その逆も同様である。
【００３０】
図４Ｃは、図４Ｂの繊維４５０の多層燃料領域４６０を通る半径方向断面図を示し、多層燃料領域４６０の異なる層の例示的な厚さを例示している。同様の断面図および例示的な厚さが、図４Ａの多層燃料領域４２０に適用されてもよい。コア領域４６１は、炭化ケイ素フィラメントなどのセラミック物質フィラメントとすることができ、コア領域４６１の中心から半径方向に測定されて約５μｍから約１０μｍの範囲の厚さ４６１ａを有する（結果として、コア領域４６１は約１０μｍから約２０μｍの範囲の直径を有する）。核燃料物質を有する第１の内層領域４６３は、約３μｍから約３０μｍまたはそれより厚い範囲の厚さ４６３ａを有することができる。核燃料物質４６３とコア領域４６１との間に配設された第２の内層領域４６２は、約０．５μｍから約１．５μｍまたはそれより厚い範囲の厚さ４６２ａを有することができる。第１内層領域４６３の核燃料物質を包み込む外層領域４２４は、約１μｍから約２μｍの範囲の厚さ４６４ａを有することができる。所望に応じて、多層燃料領域４６０上のオーバーコート層４６５は、約１μｍから約２μｍまたはそれより厚い範囲の厚さを有することができる。オーバーコート層４６５は、多層燃料領域（すなわち、コア領域４６１およびコア領域４６１上に適用されたオーバーコート層４６５の部分を含む繊維４５０の部分）を有しない繊維４５０の部分にわたって同様の厚さを有することができ、繊維４５０のそのような部分にわたってより大きな厚さを有することができる。そのように、多層燃料領域４６０は、コア領域４６１の中心からオーバーコート層４６５の外表面へ半径方向に測定されるように、多層燃料領域４６０の層に対して選択された厚さに応じて、約１０μｍから約２２μｍまたはそれより厚い範囲の全体の厚さ４６０ａを有することができる。
【００３１】
図４Ｄは、マルチプルファイバ（multiple fibers）４１０の一部分、たとえば、例として図１０に示されるような複数のスキャフォルドファイバ４１０の一部分の一実施形態を示すことができ、また、以下でさらに論じられ図５Ａにさらに示されるように、核燃料構造体の内側棒構造体の周りに巻付けられ得るリボンまたはトウを形成するように配列された複数の個別多層燃料領域４２０を含むマルチプルファイバ４１０を示すことができる。明瞭にするために、図４Ａに示された繊維４１０および多層燃料領域４２０は、図４Ｄでは、多層燃料領域を含まない繊維４１０の非燃料領域４３０で複数の個別多層燃料領域４２０が分離されて、繊維４１０に沿って配設された複数の個別多層燃料領域４２０を明瞭に例示するように示されているが、図４Ｂに示されるようなマルチプルファイバ４５０は、同様のリボンまたはトウで同様に配設され得ることを理解されたい。複数の個別多層燃料領域４２０が繊維４１０の長さにわたって実質的に均一に配設される例示的な実施形態では、複数の個別多層燃料領域４２０のいずれも、たとえば約５ｍｍの長さであってよく、いずれの非燃料部分４３０も、たとえば約５ｍｍの長さであってよい。このように、複数の個別多層燃料領域４２０は、マルチプルファイバ４１０のうちの１つの繊維の全長の約半分すなわち５０％を覆うことができる。複数の個別多層燃料領域は、より大きいまたはより小さい長さを有するように形成されてよく、また繊維４１０に沿ってより大きいまたはより小さい非燃料部分４３０で分離されてよいので、与えられる長さ寸法は単に例示である。たとえば、多層燃料領域４２０は、約６．５ｍｍの長さに形成されてよく、複数の個別多層燃料領域４２０を分離する非燃料部分４３０は、約３．５ｍｍの長さであってよい。この例では、複数の個別多層燃料領域４２０は、繊維４１０の長さの約６５％以上を覆うことができる。
【００３２】
図５Ａは、核燃料構造体５００または被覆構造体５００内に配置された図４Ａ〜図４Ｂの例のような複数の繊維４１０／４５０を有する核燃料構造体５００または被覆構造体５００の一実施形態を示す。核燃料構造体５００は、図３Ｂの構造体３００と同様に内側棒またはチューブ構造体５２０および外層５４０を有し、複数の繊維４１０／４５０は、内側棒またはチューブ構造体５２０に巻き付いて、核燃料構造体５００に構造補強を提供することを容易にするように配置され得る。図３Ｂの構造体３００と同様に、チューブ５２０と外層５４０のそれぞれの役割は交換可能であり、その場合、複数のフィラメント４１０／４５０は外側チューブ５４０の内側に巻き付けられ、内層５２０で覆われて、核燃料構造体５００に構造補強を提供する。明瞭かつ簡潔にするために、内側棒またはチューブ５３０および外層５４０の前者の構成が本明細書で一般性を失うことなく想定される。したがって、複数の繊維のマルチプルファイバ４１０／４５０は、複数の繊維４１０／４５０の一部分の拡大断面図５３０および５５０により明瞭に示されるように、図４Ａ〜図４Ｄの多層燃料領域４２０／４６０と同様に複数の個別多層燃料領域４２０／４６０を含む。したがって、核燃料構造体５００または被覆構造体５００内に配置された複数の繊維４１０／４５０は、核燃料ペレットのための被覆、ならびに／または核燃料構造体５００の核燃料物質および核燃料構造体５００のための構造補強もしくは被覆のいずれも提供し得る。拡大断面図５３０および５５０は、燃料領域なしの繊維４３０のセグメントと多層燃料領域４６０を含む繊維のセグメントとが交互になっている１つの可能な配置を示し、繊維は、内側棒構造体５２０に巻き付けられた繊維に長手方向に沿って切り取られたように見えている。しかしながら、繊維４１０／４５０は、非燃料領域を有する多層燃料領域４６０のそのような対称な交互のパターンを生成するように内側棒構造５２０の周りに巻き付けられる必要はないので、図５Ａに示される交互のパターンは、核燃料構造体５００のどこにでも生じるものではないことに留意され得る。実際には、繊維４１０／４５０の断面図５３０、５５０は、非燃料領域４３０とともに配列された多層燃料領域４６０のランダムなパターンを有してよい。図５Ａに示される例示的な核燃料構造体５００は、単に例示のために、内側棒またはチューブ構造４２０上に重ねられた８層の繊維４１０／４５０を示すが、より多くの核燃料を核燃料構造体５００内で提供し、より強い構造的補強を核燃料構造体５００に提供するために、多層燃料領域を含むより多くの層の繊維４１０／４５０が提供されてもよいことは理解され得る。
【００３３】
図４Ａ〜図４Ｄおよび５Ａを再び参照すると、図４Ａ〜図４Ｂの繊維４１０または繊維４５０は、現在使用されている核燃料棒のための可能な核燃料物質の体積よりも大きな体積の核燃料構造体５００のための核燃料物質を提供することができる。核燃料構造体５００に充填できる核燃料物質の体積は、核燃料である繊維４１０／４５０の体積分率、および複合体（ＣＭＣ）物質によって占められる繊維４１０／４５０の体積分率の問題であり得る。これらは、以下の式１および式２からそれぞれ得られる。式において、  
−  ｕffおよびｆfはそれぞれ、繊維の燃料体積分率、および複合体の繊維体積分率であり、  
−  ｄcおよびｆはそれぞれ、繊維のコア径および外径であり、ｄおよびＤはそれぞれ、核燃料構造体５００の内径および外径であり、  
−  ｔnおよびｔfはそれぞれ、ナノ多孔質炭素層および燃料層の厚さであり、  
−  δiおよびδoはそれぞれ、核燃料構造体のモノリシックＳｉＣの内層および外層の厚さであり、  
−  ｎは、編組における層の数であり、  
−  ｃは、燃料セルによってカバーされる繊維長の分率であり、  
−  ｐは、層における隣接フィラメント間のピッチ間隔である。
【００３４】
【数１】
0006693891.tif 000002
【００３５】
【数２】
0006693891.tif 000003
【００３６】
たとえば、図４Ｃの例に示されるように、３０μｍ繊維に埋め込まれた燃料を考える。燃料セルが繊維の長さの６５％をカバーすると想定された場合、核燃料で占められるフィラメントの体積分率は３３％である。これは、ＴＲＩＳＯの燃料充填密度の２．５倍を上回る。ＴＲＩＳＯ燃料と同様に、燃料はＳｉＣに完全に封止されるので、核燃料としてＵＣ、ＵＮ、Ｕ2Ｓｉ3、またはＵを埋め込むことによって、核分裂性物質含有量がＵＯ２に比べてほぼ２倍にされ得る。
【００３７】
図４Ａ〜図４Ｄおよび図５Ａを再び参照して、本明細書に説明された繊維を使用した繊維充填密度の問題が検討され得る。表１は、チューブ内径（「ＩＤ」）および外径（「ＯＤ」）の様々な設計に関して、繊維体積分率およびＴＲＩＳＯに対する燃料体積分率について代替的設計を比較する。分析はまた、ＣＭＣチューブにおいてシーリングする５００μｍの厚さの内側および外側モノリシックＳｉＣ層、ならびにフィラメント間の中心間で４０μｍの層内ピッチを想定する。ここまでの実施形態はチューブ構成を想定していたが、代替的実施形態は、表１の設計番号３が表すモノリシックＳｉＣ棒に対する編組を含むことができる。
【００３８】
表１は、図３Ａ〜図３Ｂおよび図５Ａで導入されたリボン構成によって可能にされる優れた繊維充填密度を示し、繊維体積分率および燃料体積分率に関して代替的実施形態または設計を比較している。実際、セラミックトウ織りまたは編組は、ＣＭＣの構造強度および靭性に重要である３０％に達する繊維体積分率を得られることがほとんどない。より高い繊維体積分率は、典型的にはマトリックスによる十分な浸透を阻止しＣＭＣ中の不要な空隙をもたらす「ラビリンス効果」を悪化させずに達成される。扱われた例で示唆される実装では、フィラメント間で１０μｍの充分に制御された細孔分布を残し、ＣＭＣの体積全体にわたりマトリックス前駆体の一様な拡散を可能にする。
【００３９】
核エネルギー用途でさらに重要なことに、提案された手法は、ＴＲＩＳＯ球形燃料の３倍までの燃料充填密度を可能にし、チューブを想定すると、内表面と外表面の両方から対流的に熱を抽出できるという利点が加えられ、したがって熱伝達が向上する。最後であるが重要なこととして、下記の表１のチューブ設計１および３のようなチューブ設計を含む実施形態は、軽水炉（ＬＷＲ）におけるジルカロイ燃料棒の一時的代替品として作られてよい。
【００４０】
【表１】
0006693891.tif 000004
【００４１】
図５Ａ〜図５Ｅを参照すると、核燃料構造体５００のような核燃料構造体に使用によって、燃料体積分率が約０．４４３５７６のアニュラス最小面積燃料装荷（annulus minimum areal fuel load）ｑを超える燃料集合体設計を達成することが可能であり得る。そのような燃料集合体設計を達成することは、以下に説明されるように舗装問題がパラメータ化され得る舗装問題として特徴付けられてよい。
【００４２】
たとえば、図５Ｂで部分的に示されるように、一体の燃料チューブが中心間距離ｍを有する正方形のパターンになると想定され得る。一体の燃料チューブの内径および外径はそれぞれ、ｄおよびＤであり、チューブ断面における面積燃料装荷は、ｑである。さらに、ρおよびμが以下のようにそれぞれ指定される。
【００４３】
【数３】
0006693891.tif 000005
【００４４】
【数４】
0006693891.tif 000006
【００４５】
舗装問題は、単一タイルに減少させることができ、以下の式５によって面積燃料装荷が与えられる。
【００４６】
ＵＶＦt＝（π／４）ｑρ2（１−μ2）    （式５）
式５は、燃料集合体についての実現可能な解の設計空間を制御する。燃料集合体がそのようなタイルで舗装されると想定すると、タイルの面積燃料装荷はＦＡのそれと同じである。図５Ｂは、燃料棒５６０を含む燃料集合体５０１の例示的断面を示す。図５Ｂに示されるような、燃料集合体５０１の２１４ｍｍ×２１４ｍｍ断面にわたって分散された例示的５×５グリッドでは、中心間距離５６３ｍ＝４２．８ｍｍである。また、例示的燃料集合体５０１では、チューブの壁の厚さが内径のオーダーとなるように、チューブの内径と外径の比μ≒１／３である。説明的な例として、アニュラスＩＤ５６２およびＯＤ５６１をそれぞれ、１２．６ｍｍおよび４１．９ｍｍ、すなわちρ＝０．９７８およびμ＝０．３で選択する。
【００４７】
以下の表は、必要とされるアニュラス面積燃料装荷のｑ＝０．４４３５７６を超える２つのサンプル設計構成を示す。設計は、それらの構成繊維および対応するモノリシック層のみが異なる。これらの設計の燃料集合体面積燃料装荷はそれぞれ、３０．８８％および３０．４４％である。両者は、３０．３６％の基準面積燃料装荷よりも大きい。
【００４８】
【表２】
0006693891.tif 000007
【００４９】
燃料に機能的に割り振られた燃料集合体断面の割合が増加すると、他の燃料集合体設計と比較して、冷却剤流に割り振られた断面の割合が減少され得る。総対流外周も４．２８ｍに減少され、他の設計と比較して４５％の減少である。これは、対流熱伝達の２倍の改善を必要とする可能性があり、その改善は、流量増加、動作温度の増加、またはそれらの組み合わせによって達成され得る。この場合は幸いなことに、より高い動作温度が物質によって許容されるだけでなく、それらは熱効率にとっても望ましい。現在の燃料ペレットベースの設計では、ＵＯ2の低い熱伝導率により、伝導熱伝達が制限要因となることにも留意されたい。伝導率がＳｉＣマトリックスおよび繊維によって約２桁増加されると、伝導熱伝達は、繊維に燃料を含有するＣＭＣの場合にもはや制限されない。
【００５０】
図５Ｃ〜図５Ｅは、図５Ｂに示された燃料集合体の代替的な設計変形例の断面図を示す。図５Ｃ〜図５Ｅに示された代替的設計は、異なる対流外周を有する同様の燃料集合体面積内容を有することができる。
【００５１】
図５Ａを再び参照すると、核燃料構造体５００の上述された任意の実施形態および代替的実施形態は、いくつかの追加の利点を上述された利点に加えて提供することができる。現在使用されている燃料棒では、被覆またはケーシングの構造的破損により、燃料棒に含まれる大量の核燃料を露出するリスクがあり、放射性核燃料の全てを周辺環境に露出する可能性が潜在的にある。核燃料構造体５００の核燃料物質は、チューブ内に配置されるのではなく、複数の個別の分離された多層燃料領域における複数の繊維４１０／４５０内に埋め込まれるため、核燃料構造体５００の構造体のどんな破損でも、全核燃料物質のうち少量のみが露出する可能性があるので、事故の際に周辺環境に逃げ得る危険な放射性物質の量を最小限に抑えられる。また、内層領域４２３における核燃料物質が炭素および炭化ケイ素物質内に埋め込まれ、炭素および炭化ケイ素層上にも形成されるので、武器を製造する不正使用のために核燃料構造体５００から核燃料物質を回収することは、きわめて難しくきわめて危険であり得る。最後に、繊維が核燃料構造体５００の内側棒構造体４２０の周りに巻き付けられる前に、核燃料が複数の繊維内に埋め込まれ封止されるので、核燃料構造体５００を封止するためにキャップを設ける必要がなくてよい。これにより、炭化ケイ素燃料構造体または被覆の端部に炭化ケイ素シーリングキャップを融着しようとする際の問題を除去することができる。
【００５２】
また、純粋な化学量論的β−ＳｉＣ繊維は、核燃料に近接した状態で長期間（＞８年）の耐性を有することができる。今まで、要求される化学量論および純度を達成したＳｉＣ繊維のみが、ＣＶＤによってタングステンまたは炭素コアフィラメント上に堆積されていた。しかしながら、原子炉環境で必ずしも耐えられない異質なコアフィラメントの存在は言うまでもなく、そのような繊維は、本明細書に開示されるような種類の編組または織りに不適切な大きな直径（９０または１４０μｍ）のみであった。
【００５３】
先に論じられたように、化学量論および純度に接近するＳｉＣfトウの供給源はＮＨＳである。ＨＮＳに関連した決定的に重要な２つの問題として組成および外部からの調達がある。ＨＮＳ繊維は、プレセラミックポリマーを紡糸することによって作製され、次いで、不純物レベルを低下させるために、大量の金銭およびエネルギーを費やしてそれを処理しなければならない。これらの極度の処理は、およそ１０，０００ポンドまでＮＨＳのコストを押し上げ、それでも酸素含有量を０．２〜０．７％に低下させるだけであり、これは長寿命の核用途でほとんど受け入れられない。酸素含有量の制限は、制限内で純度を達成するだけの化学プロセスに固有である。したがって、それは、ＳｉＣに対する任意のプレセラミックポリマーアプローチで再発しやすい。
【００５４】
外部からの調達も、長い間にわたって米国政府および産業にとってフラストレーションとなっている。本明細書に開示されるように、ＣＶＤプロセスは、コアフィラメントの必要なしに広範囲のフィラメント直径（１０〜１００μｍ）を得ることができる。核燃料構造体およびその製造プロセスは、単一ステップで化学量論および純度を示し、かつ外部からの調達を必要とすることがない３Ｃ−ＢＳｉＣフィラメントを印刷することを含むことができる。
【００５５】
図５Ａを再び参照すると、１つの代替的実施形態において、複数の繊維４１０／４５０が複数のセンサファイバ（sensor fiber）も含むことができる。複数のセンサファイバは、複数の個別多層燃料領域を含むマルチプルファイバとともに配置され得る。センサファイバは、たとえば、二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ2）でコーティングされた炭化ケイ素フィラメントを含むことができ、別の例として、二ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ2）でコーティングされた炭化ケイ素フィラメントを含むことができる。一実施形態では、複数の二ホウ化ジルコニウム被覆ファイバ（zirconium diboride coated fiber）が複数の二ホウ化ハフニウム被覆ファイバ（hafnium diboride coated fiber）で編組されてよく、二ホウ化ジルコニウムファイバと二ホウ化ハフニウムファイバとの各重複または接触点が高温熱電対を提供する。得られた編組は、構造体全体に温度をマッピングできる埋め込まれた熱受容体の正方マトリックスを形成する。例示的な実施形態では、二ホウ化ジルコニウムおよび二ホウ化ハフニウムのホウ素は、原子炉と繊維が確実に適合できるように11Ｂ同位体を含む。
【００５６】
図６Ａ〜図６Ｅは、複数の繊維のうちの少なくとも１つの繊維内に多層燃料領域を形成することを含む、核燃料構造体５００などの核燃料構造体を形成するためのプロセスの一部の一例を示す。図６Ａ〜図６Ｅに示されるプロセスは、スポットコーティングによって多層燃料領域を形成すること、または少なくとも１つの繊維の所与の長さにわたって指定の厚さの物質の層を堆積させることとして説明され得る。図６Ａは、コアフィラメント６１０を含む繊維６００の一部分を示す。コアフィラメント６１０は、上述されたようにコア領域とすることができ、炭化ケイ素または炭化ハフニウムなどのセラミック物質を含むことができる。図６Ａに示される例では、コアフィラメント６１０は実質的に均一な厚さを有することができる。
【００５７】
図６Ｂは、コアフィラメント６１０の一部分上に堆積された物質層６２０を有する図６Ａのコアフィラメント６１０を示し、物質層６２０は、核燃料物質において発生する核分裂反応の気体副生成物を吸収するように選択された物質を含む。物質層６２０は、図４Ａの例に示された第２の内層領域４２２に対応することができる。例示的な実施形態では、物質層６２０は、ナノ多孔質炭素を含むことができる。ナノ多孔質炭素の物質層６２０は、たとえば、コアフィラメント６１０の一部の塩素エッチングによって提供され得る。あるいは、ナノ多孔質炭素の物質層６２０は、コアフィラメント６１０上にスポットコーティングされてもよい。
【００５８】
図６Ｃは、物質層６２０の長さの少なくとも一部に堆積された核燃料物質６３０を有する図６Ｂの繊維６００を示す。核燃料物質は、ウラン、プルトニウムおよび／または関連した化合物、たとえば、二酸化ウラン、一窒化ウラン、炭化ウラン、および／またはウランシリサイドなどの、１または複数の核分裂性物質を含み得る。核燃料物質６３０は、たとえば、核燃料物質層を形成するための前駆体として、たとえば、六フッ化ウラン（ＵＦ6）を使用してＬＣＶＤプロセスによって提供され得る。あるいは、六フッ化ウラン（ＵＦ6）は、ＵＮ、ＵＣまたはＵ2Ｓｉ3層６３０の形成のために、アンモニア、メタン、またはクロロシランなどの適切な前駆体とともにＬＣＶＤのための前駆体として使用されてもよい。図６Ｃにおける核燃料物質６３０は、図４Ａの第１の内層領域４２３に対応することができる。
【００５９】
図６Ｄは、図４Ｃの核燃料物質６３０および物質層６２０に堆積された外層領域６４０を有する図６Ｃの繊維６００を示す。例示的な実施形態では、外層領域６４０は、核燃料物質６３０を包み込んで繊維６００内に核燃料を封入する。外層領域６４０は、たとえば、一例ではＬＣＶＤプロセスによって堆積された熱分解炭素を含むことができる。核燃料物質を含む外層領域６４０および内層領域６３０は、少なくとも、繊維６００の多層燃料領域を形成する。
【００６０】
一実施形態では、外層領域６４０は第１の外層領域６４０とされてよく、第２の外層領域が含まれてよい。第２の外層領域は、繊維６００にさらなる機能性を追加するために追加され得る。たとえば、第２の外層領域は、内層領域６３０の核燃料物質の活性を遅らせ得るホウ素またはガドリニウムなどの核毒物質を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、核燃料物質６３０の核分裂活性の減速材として作用する炭素などの物質を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、ＳｉＣマトリックスとの構造的統合のための相間層を含むことができる。
【００６１】
図６Ｅは、コアフィラメント６１０と多層燃料領域の両方を覆う繊維６００上に堆積されたオーバーコート層６５０を有する、図６Ｄの繊維６００を示す。オーバーコート層６５０は、たとえば、ＬＣＶＤプロセスによって提供されてよい。図６Ｅで示された例示的実施形態では、オーバーコート層６５０は、繊維６００にわたって実質的に均一な厚さを有することができ、結果として、多層燃料領域は図示されるように「ビーズ状」の外観を有する。代替的実施形態では、オーバーコート層は、繊維６００にわたって可変の厚さを有するように形成されてよく、その結果、コアフィラメント６１０上のオーバーコート層６５０の堆積がより多く、および多層燃料領域上のオーバーコート層６５０の堆積がより少なくなり得る。そのような代替的実施形態では、得られた繊維６００は、図７Ｅに示されるように均一な外観を有することができる。
【００６２】
図７Ａ〜図７Ｅは、図６Ａ〜図６Ｅに示されたプロセスの代替的実施形態を示し、繊維７００のコアフィラメント７１０は、図７Ａに示されるように、繊維７００の長さにわたって可変の厚さを有する。たとえば、コアフィラメント７１０は、コアフィラメント７１０の第１の部分７１１でより小さい厚さ、コアフィラメント７１０の第２の部分７１２でより大きい厚さ７１２を有することができる。図７Ｂ〜図７Ｅに示されるように、最終的に形成される多層燃料領域が第２の部分７１２の厚さと実質的に等しい厚さを有するように、第１の部分７１１上に多層燃料領域の層が形成され得る。
【００６３】
図７Ｂは、コアフィラメント７１０の第１の部分７１１に堆積された物質層７２０を有する、図７Ａのコアフィラメント７１０を示し、物質層７２０は、核燃料物質において発生する核分裂反応の副生物を吸収するように選択された物質を含む。物質層７２０は、図４Ｂの例に示されるように第２の内層領域４６２に対応することができる。例示的な実施形態では、物質層７２０はナノ多孔質炭素を含むことができる。ナノ多孔質炭素の物質層７２０は、たとえば、コアフィラメント７１０の一部の塩素エッチングによって提供され得る。あるいは、ナノ多孔質炭素の物質層７２０は、スポットコーティングによって提供されてもよい。
【００６４】
図７Ｃは、物質層７２０上に堆積された核燃料物質７３０を有する、図７Ｂの繊維７００を示す。核燃料物質は、ウラン、プルトニウムおよび／または関連した化合物、たとえば、二酸化ウラン、一窒化ウラン、炭化ウラン、および／またはウランシリサイドなどの、１または複数の核分裂性物質を含み得る。核燃料物質７３０は、たとえば、ＬＣＶＤプロセスによって提供され得る。核燃料物質６３０は、たとえば、核燃料物質層を形成するための前駆体として、たとえば、六フッ化ウラン（ＵＦ6）を使用してＬＣＶＤプロセスによって提供され得る。あるいは、六フッ化ウラン（ＵＦ6）は、ＵＮ、ＵＣまたはＵ2Ｓｉ3層７３０の形成のために、アンモニア、メタン、またはクロロシランなどの適切な前駆体とともにＬＣＶＤのための前駆体として使用されてもよい。図７Ｃにおける核燃料物質７３０は、図４Ｂの内層領域４６３に対応することができる。
【００６５】
図７Ｄは、図７Ｃの核燃料物質７３０および物質層７２０上に堆積された外層領域７４０を有する、図７の繊維７００を示す。例示的な実施形態では、外層領域７４０は、核燃料物質７３０を包み込んで繊維７００内に核燃料を封入する。外層領域は、たとえば、一例ではＬＣＶＤプロセスによって堆積された熱分解炭素を含むことができる。核燃料物質を含む外層領域７４０および内層領域７３０は、少なくとも、繊維７００の多層燃料領域を形成する。ここで、繊維７００の多層燃料領域は、コアフィラメント７１０の第２の部分７１２の厚さと実質的に等しい厚さを有することができる。
【００６６】
一実施形態では、外層領域７４０は第１の外層領域７４０とされてよく、第２の外層領域が含まれてよい。第２の外層領域は、繊維７００にさらなる機能性を追加するために追加され得る。たとえば、第２の外層領域は、内層領域７３０の核燃料物質の活性を遅らせ得るホウ素またはガドリニウムなどの核毒物質を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、核燃料物質７３０の核分裂活性の減速材として作用する炭素などの物質を含むことができる。別の例では、第２の外層領域は、ＳｉＣマトリックスとの構造的統合のための相間層を含むことができる。
【００６７】
図７Ｅは、コアフィラメント７１０と多層燃料領域の両方を覆う繊維７００上に堆積されたオーバーコート層７５０を有する、図７Ｄの繊維７００を示す。オーバーコート層７５０は、たとえば、ＬＣＶＤプロセスによって提供されてよい。得られた繊維７００は、オーバーコート層７５０の提供後に、繊維７００の長さにわたって実質的に均一な厚さを有することができる。したがって、繊維７００の多層燃料領域が繊維７００内に埋め込まれ得る。
【００６８】
図６Ａ〜図６Ｅおよび図７Ａ〜図７Ｅに示されたプロセスの実施形態は、１つの繊維に適用できるだけでなく、１つの繊維に対する多層燃料領域の各層が図８に示されるように他のマルチプルファイバ上に形成されるようにリボンまたはトウのような構造に一緒に配列された複数の繊維に適用されてもよい。層形成の各ステップは、別個の堆積ツールで実施されてよく、その一例が図８に示されており、マルチプルファイバが、堆積される次の層のために１つの堆積ツールから次の堆積ツールに運搬され得る。また、１または複数の堆積ツールは、マルチプルファイバにわたって層の堆積を自動的に停止および開始するように制御することができ、したがって、複数の個別多層燃料領域をマルチプルファイバの長さに沿って形成するとともに、複数の個別多層燃料領域を分離する繊維の非燃料領域を自動的に形成することが可能になる。
【００６９】
図８は、少なくとも１つの繊維の多層燃料領域の層、または複数の繊維に対するそれぞれの多層燃料領域の各層を形成するために使用され得る堆積ツール８００の一例を示す。堆積ツール８００は、たとえば、レーザー化学気相成長（ＬＣＶＤ）ツールであってよい。堆積ツール８００は、マルチプルファイバ８３０をコンベヤ入口８１５を通して堆積室８３０に運搬することができる。堆積室は、多層燃料領域の層の形成を容易にし得る１または複数の前駆体ガスを含むことができる。レーザー８２０は、マルチプルファイバ８４０が堆積室を通って運搬されるとき、集束レンズまたは窓８２５を通ってマルチプルファイバ８４０に入射するように提供され得る。レーザー８２０がマルチプルファイバ８４０および前駆体ガスと相互作用すると、多層燃料領域の所望の層が複数の繊維８４５の部分上に堆積され得る。一例では、レーザーは、マルチプルファイバが堆積ツール８００を通過する際に所定の間隔で開始および停止されてよく、それにより、マルチプルファイバ８４５の部分にわたる多層燃料領域の形成を制御し、処理されていない他の部分（すなわち、マルチプルファイバの非燃料領域）を残す。次いで、処理されたマルチプルファイバ８４５は、堆積ツール８００の外に運搬され得る。次いで、マルチプルファイバ８４５は、個別多層燃料領域の別の層が形成される別の堆積ツールに運搬されてよく、または完成されてツールから完全に外に運搬され得る。得られたマルチプルファイバは、本明細書で説明されるように、核燃料構造体５００などの核燃料構造体内にさらに配置され、内側棒構造体の周りに巻き付けられてよい。明瞭にするために、図８は、マルチプルファイバがＬＣＶＤ処理を受けて多層燃料領域の層を堆積させるときのマルチプルファイバ８４０、８４５の拡大図８１０および８１５を含む。
【００７０】
図９は、格子９１０に配置された複数の繊維を形成するためのプロセス９００の一実施形態を示す。拡大図９０１および９０２は、ＬＣＶＤプロセスにおける複数のレーザービーム９３０による処理を受ける複数のフィラメント９２０を含むフィラメント格子９１０を示す。複数のレーザービーム９３０は、プラズマ９４０を複数のフィラメント９２０の先端の周りに誘導し、複数のフィラメント９２０に物質を加えて複数の繊維を形成する。複数の繊維については、上述されたように図３Ａ〜図８のいずれかに示される複数の繊維であってよい。図９のＬＣＶＤプロセスは、一例では、実質的に均一な厚さを有する複数の繊維を形成するように制御され得る。別の例では、図９のＬＣＶＤプロセスは、複数の繊維の長さに沿って可変の厚さを有する複数の繊維を形成するように可変的に制御され得る。たとえば、複数のレーザービーム９３０は、複数の繊維が形成される際に増加または減少し得る強度を有することができ、その結果、フィラメント格子９００の複数のフィラメント９２０に加えられる物質の量が対応して増加または減少される。図９に示されるのは、（たとえばＣＶＤ）前駆体から複数の繊維を形成するための１つの例示的な方法および装置であり、これは、複数の個別の繊維を成長させるように適合されたリアクタ、および個別に制御可能な複数のレーザーを含み、複数のレーザーの各レーザーが複数の繊維のそれぞれの繊維を成長させる。リアクタおよびレーザーは、レーザー誘起化学気相成長に従って繊維を成長させてよい。一実施形態では、複数のレーザーは、量子井戸混合（ＱＷＩ：Quantum Well Intermixing）レーザーを含む。この技法は、ＰＣＴ出願ＷＯ２０１３ＵＳ２２０５３  ２０１３０１１８として出願された２０１３年１２月５日付けの特許文献１、名称「ＨＩＧＨ  ＳＴＲＥＮＧＴＨ  ＣＥＲＡＭＩＣ  ＦＩＢＥＲＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＯＮ」、ならびに以下の３つの先に出願された米国特許仮出願、すなわち、２０１２年１月２０日に出願された特許文献２、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＬＡＲＧＥ  ＳＣＡＬＥ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ  ＯＦ  ＨＩＧＨ  ＳＴＲＥＮＧＴＨ  ＣＥＲＡＭＩＣ  ＦＩＢＥＲＳ  ＵＳＦＮＧ  Ａ  ＰＬＵＲＡＬＩＴＹ  ＯＦ  ＣＯＮＴＲＯＬＬＡＢＬＥ  ＬＡＳＥＲＳ」と、２０１２年１月２０日に出願された特許文献３、名称「ＮＯＮ−ＢＲＩＤＧＩＮＧ  ＩＮ−ＳＩＴＵ  ＢＯＲＯＮ  ＮＩＴＲＩＤＥ  ＣＯＡＴＩＮＧ  ＯＦ  ＳＩＬＩＣＯＮ  ＣＡＲＢＩＤＥ  ＦＩＢＥＲＳ  ＩＮ  ＣＥＲＡＭＩＣ  ＭＡＴＲＩＸ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」と、２０１２年１月２０日に出願された特許文献４、名称「ＮＡＮＯＣＯＡＴＩＮＧ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＨＩＧＨ  ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ  ＦＩＢＥＲＳ  ＦＯＲ  ＤＩＲＥＣＴＩＮＧ  ＭＩＣＲＯ−ＣＲＡＣＫＳ  ＡＮＤ  ＥＮＤＯＷＩＮＧ  ＭＡＴＲＩＸ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＥＳ  ＷＩＴＨ  ＡＮ  ＩＭＭＵＮＥ  ＲＥＳＰＯＮＳＥ  ＴＯ  ＭＩＣＲＯ−ＣＲＡＣＫＩＮＧ  ＡＮＤ  ＯＸＩＤＡＴＩＯＮ」とにさらに論じられている。上記のＰＣＴおよび仮出願のそれぞれは、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。
【００７１】
図１０は、レーザービーム９３０のレーザー出力の変動からもたらされる格子９１０における図９の複数のフィラメントの例示的な実施形態を示す。最も高いレベルのレーザー出力で形成されたフィラメントセクション１００１が、最大の厚さを有する。フィラメント１００２の断面にわたってレーザー出力が滑らかに減少して、セクション１００３で終了する。レーザー出力が逆に増加するにつれて、それがセクション１００４で最大になるまでフィラメントの厚さも増加する。
【００７２】
あるいは、複数の繊維は、「Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｐｉｎｎｅｒｅｔ」（「ＤＳ」）を使用することで形成されてもよい。この技術は、「ファイバレーザープリンタ（Fiber Laser Printer）」として知られることもある。ＤＳ技術は、図９に示された技法と同様のレーザー誘起化学気相成長（「ＬＣＶＤ」）の大規模並列化によって平行モノフィラメントの成長を誘発し、レーザー入射は基板に対して斜めの角度で発生する。図１０に、この方法によって作製され得るＳｉＣfリボン９１０の１つの例示的実施形態が示される。得られたフィラメントは、繊維中心から外方へ変化する粒径分布を有するβ−ＳｉＣ  ３Ｃであり得る。繊維の端部の粒子は等軸である。レーザー印刷プロセスの異方性は、繊維の中心にそれ自体で現れ、そこでは、粒子が繊維の軸に沿って伸長され、２〜３以上のアスペクト比を示し、約２５ｎｍ以上の径方向サイズを有する。粒分布により、追加的な靭性を提供することができる。
【００７３】
本明細書で開示された核燃料構造体５００の任意の１または複数は、既存の原子炉での使用に適し得るだけでなく、金属合金被覆燃料棒の代わりに直接使用されてもよいが、核熱推進（ＮＴＰ：nuclear thermal propulsion）用途での使用にも適し得る。核熱推進（ＮＴＰ）は、１９５０年代後半から米国連邦政府およびＮＡＳＡにとって関心のある技術分野である。核燃料構造体５００は、宇宙船エンジンにおいて核分裂を利用するためのいくつかの利点を提供することができ、ロケットビークル用途のための原子力エンジン（ＮＥＲＶＡ：Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications）プログラムによって開発された六角形燃料要素構成ブロックに相当する核燃料構造体設計を提供することができる。核燃料構造体５００などの核燃料構造体を使用する繊維内燃料システムを決定するために、以下のＮＥＲＶＡ技術パラメータ、すなわち、ａ）ウラン燃料密度６００ｍｇ／ｃｃ、ｂ）六角形要素の脚長０．７５３インチ（１．９１２６２ｃｍ）、ｃ）六角形要素に見られる１９チャネルに相当する１９個のノズルが適用され得る。
【００７４】
得られた炭化ケイ素−炭化ケイ素（ＳｉＣ−ＳｉＣ）ノズルの幾何形状は、概念上２ミリメートル（ｍｍ）内径／４ミリメートル外径のＳｉＣモノリシックチューブマンドレルを使用し、チューブの１インチ（２．５４ｃｍ）当たり２メートルのファイバリボン（fibber ribbon）を必要とする。この設計での繊維体積分率は３０％になる。繊維の長さの５０％をカバーするマイクロカプセル化燃料セルでは、繊維燃料含量が１３．４％となり、よってＮＥＲＶＡ六角形燃料に相当する。そして、リボンを巻き付けられたマンドレル構造は、化学気相浸透またはポリマー含浸および熱分解プロセスのいずれかによってＳｉＣマトリックスで浸透されることになる。このようにして、ＳｉＣf−ＳｉＣm繊維内燃料複合ノズル構造体が作製されることになる。燃料層組成の興味深い変形例では、その後の中性子放射化と核分裂性ウラン種（233Ｕ）への変換のための親物質としてトリウム（232Ｔｈ）を堆積することになる。
【００７５】
ＮＴＰで配備するために核燃料構造体５００を使用する複数の利点があり得る。これらは、以下を含むことができる。  
１）製造の容易さ：ＬＣＶＤ付加製造手法は、追加の製造後処理の必要なしにその場で完全な繊維内燃料構造体を作製することができる。この方法によって可能な複数レベルの経済的節約がある。本明細書に開示されるようなＬＣＶＤ堆積システムは、比較的簡単で容易に拡張可能であり、他のＣＶＤおよび付加製造プロセスよりかなり安価な装置で構成され、したがって、生産性の高い製造プラントを構築するための資本支出要件が軽減される。同様に、そのような繊維生産システムを運営し維持するための運転費は、原物質および消耗品の支出を含めて、より安価である。  
２）動作温度範囲性能：ベースラインの繊維およびオーバーコート層に堆積された高純度物質、特に構造体における酸素および他の有害な汚染物質の欠如により、ＮＴＰエンジンの２６００Ｋ動作温度要件に耐えることができる。  
３）良好なＳｉＣ熱伝導率：ＳｉＣの比較的高い熱伝導率が、繊維長に沿った燃料層で発生する核分裂プロセスによって生成された熱を除去する能力を高める。ＳｉＣ熱伝導率値は、一般に室温で１００〜１５０ワット／メートル−Ｋの範囲であり、１５００℃より高い温度で２０〜３０Ｗ／ｍ−Ｋに低下する。高い熱伝達効率を有するＳｉＣf−ＳｉＣm複合ノズルの概念が、ＮＥＲＶＡ  ＮＴＰエンジン概念に応用され得る。繊維内燃料巻きＳｉＣノズルが、Ｈ2推進剤がチューブ内径を通って移動し加熱される黒鉛（または他の物質）ブロックを介して穿孔された通路に配置される。  
４）核分裂気体副産物の捕捉：繊維内燃料設計における堆積燃料層に隣接するナノ多孔質炭素層が、核分裂気体副産物を効果的に捕える蛇行経路媒体として機能し、それにより、推進剤流へのこれらの物質の放出を防止することができる。  
５）窒化ウラン（ＵＮ：uranium nitride）の利用：ＳｉＣf−ＳｉＣmノズルの全体的な統合された燃料パッケージが、Ｈ2推進剤へのＵＮ燃料層の露出に対する障壁を提供し、この燃料物質の化学攻撃および分解を最小限に抑える。ＵＮ燃料の利点は、より高いウラン燃料密度、かなり高い融点（１気圧で３０００Ｋに近付く）、および向上された熱伝導率（約２０Ｗ／ｍ−Ｋ）を含む。  
６）安全性の向上：核燃料安全性の問題は、明らかに、政府規制当局および一般住民の満足のために対処される必要があるＮＴＰ技術の実装のための主要な関心事である。例示的な３つの安全性の考慮事項は以下の通りである。  
ａ．  燃料封入の完全性が保持される事故／衝突耐性。本明細書に説明された核燃料構造体５００は外側コーティング層によって保護され固体マトリックスに埋め込まれた多数の物理的に隔離されたマイクロセル内に燃料成分が封入されるので、保護が強化されることになる。破断が発生した場合、セルは破損され得る部分がわずかであるため、衝突の場合の核分裂性物質の放出が大幅に制限される。  
ｂ．  ＵＯ2またはＵＣ2粒子による黒鉛ブロックの水素ガスエッチングにより核分裂性物質が試験中に推進剤流に放出されたので、ＮＥＲＶＡプログラムから大きな問題が生じた。この化学攻撃および物質放出は、ノズルの構造および固体黒鉛マトリックスに埋め込まれたノズルを有することにより軽減される。  
ｃ．  核分裂性でない親核物質で作製されたノズルに関して、ＷＭＤへの転用のリスクは大幅に減少し、未使用のチューブは高レベル核廃棄物にならない。
【００７６】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものであり、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈により別段に明確に指示されない限り、複数形も含むことが意図されている。さらに、用語「備える（comprise）」（および「comprises」や「comprising」などのcompriseの任意の形態）、「有する」（および「has」や「having」などのhaveの任意の形態）、「含む（include）」（および「includes」や「including」などのincludeの任意の形態）、ならびに「含有する（contain）」（および「contains」や「containing」などのcontainの任意の形態）は、オープンエンドの連結動詞であることは理解されよう。結果として、１または複数のステップまたは要素を「備える」、「有する」、「含む」、または「含有する」方法または装置は、それら１または複数のステップまたは要素を有するが、それら１または複数のステップまたは要素のみを有するようには限定されない。同様に、１または複数の特徴を「備える」、「有する」、「含む」、または「含有する」方法のステップまたは装置の要素は、それら１または複数の特徴を有するが、それら１または複数の特徴のみを有するようには限定されない。さらに、特定の方法で構成された装置または構造は、少なくともその方法で構成されるが、列挙されていない方法で構成されることもある。
【００７７】
添付の特許請求の範囲における全ての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、物質、動作、および均等物は、存在する場合、具体的に請求される他の請求要素と組み合わせて機能を実行するための任意の構造、物質、または動作を含むように意図されている。本発明の説明は、例示および説明のために提示されているが、網羅的であることは意図されず、または開示された形態の発明に限定されない。本発明の範囲および主旨から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者には明らかであろう。本発明の１または複数の態様の原理および実際的適用を最も良く説明し、また、企図される特定の使用に適した種々の改変を有する種々の実施形態に関する本発明の１または複数の態様を当業者が理解することができるように、実施形態は選択され説明されている。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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