(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉の燃料集合体中で使用される軸方向に延伸された燃料要素であって、
核分裂性物質を含むカーネルと、
前記カーネルを包囲するクラッドと、
を備え、
前記燃料要素の外接直径に対する前記燃料要素の軸方向長さの比率が少なくとも２０：１であり、
前記燃料要素の軸方向中心線は、前記燃料要素の軸方向の重心からずらされている、燃料要素。
【請求項２】
前記燃料要素は複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有し、前記複数のらせん状リブは核分裂性物質を含む、請求項１に記載の燃料要素。
【請求項３】
前記複数突出部型の外形は、隣接する複数の突出部の間に複数の凹状領域を有する、請求項２に記載の燃料要素。
【請求項４】
前記クラッドの少なくとも１つの外周側面は、前記クラッドの少なくとも１つの他の外周側面と比べて側方に縮小されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料要素。
【請求項５】
前記カーネルの軸方向の重心は、前記軸方向中心線に配置され、前記クラッドの軸方向の重心は、前記軸方向中心線からずらされている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料要素。
【請求項６】
原子炉の炉心中で使用される燃料集合体であって、
前記原子炉の内部炉心構造に取り付けるように形成および構成された下部ノズルを有するフレームと、
前記フレームによって支持される、押出延伸形状の複数の燃料要素と、
を備え、
前記複数の燃料要素のそれぞれは、
金属非燃料物質の母材中に配置された燃料物質を有する燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲むクラッドと、
を含み、
前記燃料物質は核分裂性物質を含み、
前記複数の燃料要素のそれぞれは、複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有し、
前記複数の燃料要素は、前記燃料集合体の前記核分裂性物質の全てを提供し、
前記複数の燃料要素のそれぞれは、前記複数の燃料要素のサブセットが前記フレームによって定義される格子パターンの外周に沿って配置されるように、前記格子パターンの異なる格子位置に配置され、
前記格子パターンの外周に沿って配置された前記複数の燃料要素の少なくともいくつかにある前記クラッドの少なくとも１つの外側部は、前記少なくともいくつかの燃料要素の前記クラッドの他のすべての外側部に比べて側方に短くされている、燃料集合体。
【請求項７】
前記フレームはシュラウドを有し、前記複数の燃料要素の全てが前記シュラウドの内部に配置され、
前記クラッドの前記側方に短くされている複数の外側部が前記シュラウドに接触する、請求項６に記載の燃料集合体。
【請求項８】
前記複数の燃料要素の軸方向に対して垂直な前記燃料集合体の断面において、前記格子パターンの外周に沿って配置された前記複数の燃料要素の前記少なくともいくつかの複数の燃料カーネルのそれぞれの面積は、前記複数の燃料要素の残りのものの前記複数の燃料カーネルのうち少なくとも１つの面積より小さい、請求項６または請求項７に記載の燃料集合体。
【請求項９】
前記複数の燃料要素のそれぞれは、中心線から中心線までの共通の距離によって隣接する複数の燃料要素から離され、
前記複数の燃料要素のそれぞれの外接直径は、前記中心線から中心線までの距離に等しい、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１０】
前記燃料物質は、前記金属非燃料物質の母材中に配置されるセラミック燃料物質を含む、請求項６から請求項９のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１１】
前記クラッドは、前記複数の燃料要素のそれぞれの全体にわたって厚さが少なくとも０．４ｍｍである、請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１２】
前記燃料集合体は、２０１３年より前に実際に使用されていた原子炉設計を有する従来の原子力発電所の従来の陸上型原子炉における動作用に熱力学的に設計され、物理的に形成されており、
前記フレームは、前記原子炉用の従来の酸化ウラン燃料集合体の代わりに、前記陸上型原子炉に適合するように形成および構成されている、請求項６から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１３】
前記複数の燃料要素のうちの隣接する複数のものの前記複数のらせん状リブは、前記複数の燃料要素の軸方向長さにわたって周期的に互いに接触し、そのような接触は、互いに対する前記複数の燃料要素の間隔を維持することを支援する、請求項６から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１４】
延伸された前記複数の燃料要素の前記サブセットを支持する前記燃料集合体の一部分は、前記複数の燃料要素の残りを支持する前記燃料集合体の一部分から分離できない、請求項６から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１５】
前記格子パターンは、１７×１７のパターンの複数の格子位置を定義し、
複数のガイドチューブが、複数の横列，縦列位置３，６；３，９；３，１２；４，４；４，１４；６，３；６，１５；９，３；９，１５；１２，３；１２，１５；１４，４；１４，１４；１５，６；１５，９；および１５，１２において複数の格子位置を占有する、請求項６から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項１６】
原子炉の炉心中で使用される燃料集合体であって、
前記原子炉の内部炉心構造に取り付けるように形成および構成された下部ノズルを有するフレームと、
前記フレームによって支持される延伸された複数の燃料要素と、
を備え、
前記複数の燃料要素のそれぞれは核分裂性物質を含み、
前記燃料集合体の軸方向に対して垂直な断面において見た場合に、前記複数の燃料要素は、第１格子パターンおよび第２格子パターンを有する混合格子パターン中に配置され、前記第２格子パターンは前記第１格子パターンとは異なり、
前記複数の燃料要素のそれぞれは共通の外接直径を有し、
前記第１格子パターンは複数の横列および複数の縦列による正方形のパターンを有し、
前記複数の横列と前記複数の縦列との間の中心線から中心線までの距離が前記共通の外接直径であり、
前記第２格子パターンは複数の正三角形のパターンを有し、
それぞれの三角形のそれぞれの辺の長さが前記共通の外接直径である、燃料集合体。
【請求項１７】
前記複数の燃料要素は重ならない第１サブセット、第２サブセット、および第３サブセットを含み、それぞれのサブセットは前記複数の燃料要素の複数を含み、
前記第１サブセットの前記複数の燃料要素は、前記第１格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置され、
前記第２サブセットの前記複数の燃料要素は、前記第２格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置され、
前記第３サブセットの前記複数の燃料要素は、それぞれの重なり合う複数の格子位置内に配置され、前記重なり合う複数の格子位置は、前記第１格子パターンおよび前記第２格子パターンの両方に含まれる、請求項１６に記載の燃料集合体。
【請求項１８】
前記フレームによって支持される複数の追加の燃料要素をさらに備え、
前記複数の追加の燃料要素は、前記第１格子パターンまたは前記第２格子パターンによって定義される複数の格子位置のいずれの内にも配置されない、請求項１６又は請求項１７に記載の燃料集合体。
【請求項１９】
前記フレームはシュラウドを有し、前記複数の燃料要素の全てが前記シュラウドの内部に配置され、
前記燃料集合体は、前記燃料集合体の角に配置され且つ前記シュラウドに取り付けられた少なくとも１つの角構造を有する、請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの角構造はバーナブルポイズンを含む、請求項１９に記載の燃料集合体。
【請求項２１】
前記少なくとも１つの角構造は、延伸された前記複数の燃料要素のうち少なくとも１つと境を接する、請求項２０に記載の燃料集合体。
【請求項２２】
前記複数の燃料要素のそれぞれは、
金属非燃料物質の母材中に配置された燃料物質を有する燃料カーネルと、
前記燃料カーネルを囲むクラッドと、
を含み、
前記燃料物質は核分裂性物質を含み、
前記複数の燃料要素のそれぞれは、複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有する、請求項１６から請求項２１のいずれか１項に記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］
本出願は、２０１３年５月１０日に出願され、発明の名称が"ＦＵＥＬ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ"である、米国特許仮出願第６１／８２１，９１８号からの優先権の恩恵を主張し、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して、原子炉の炉心中で用いられる複数の核燃料集合体に関し、より具体的には、複数の金属核燃料要素に関する。
【背景技術】
【０００３】
米国特許出願公開第２００９／０２５２２７８号明細書は、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれるものであるが、複数のシード・アンド・ブランケットサブアセンブリを含む核燃料集合体を開示する。ブランケットサブアセンブリは、トリウムをベースとする複数の燃料要素を含む。シードサブアセンブリは、複数の中性子を放出するために用いられる複数のウランおよび／またはプルトニウム金属燃料要素を含む。中性子は複数のトリウムブランケット要素によって捕捉され、これにより、原子力発電所用にｉｎ  ｓｉｔｕで燃焼し熱を放出する核分裂性のＵ−２３３を生成する。
【０００４】
国際公開第２０１１／１４３２９３（Ａ１）号明細書は、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれるものであるが、金属またはセラミック燃料を有する押出しされたらせん状の（すなわち、らせん状にねじられた）複数の燃料要素を利用する様々な燃料集合体および燃料要素を開示する。
【発明の概要】
【０００５】
従来の複数の燃料棒の円筒状チューブの表面積は、棒から一次冷却材へと伝えられることのできる熱の量を制限する。熱流束除去のための制限された表面積を考慮して燃料棒の過熱を回避するために、これらの酸化ウラン燃料棒または混合酸化物（プルトニウムおよび酸化ウラン）燃料棒における核分裂性物質の量は、従来、実質的に制限されてきた。
【０００６】
本発明の１または複数の実施形態は、従来の複数の酸化ウラン燃料棒の様々な不利益を、これらを全金属で複数突出部型の粉末冶金共押出燃料棒（燃料要素）で置き換えることにより克服する。複数の金属燃料要素は、それらの酸化ウラン棒対応物よりも、著しく大きな表面積を有する。従って、より低い温度において、燃料要素から一次冷却材への著しくもっと大きな熱伝達を容易にする。複数突出部型の複数の燃料要素の複数のらせん状リブは、燃料要素に対する構造的支持を提供する。これは、そうでなければ必要であったであろう複数のスペーサー格子の量を減少させること、またはスペーサー格子を除去することを容易にするであろう。そのような複数のスペーサー格子の量の減少または除去は、有利なことに、冷却材に対する動水抵抗を低減する。これは、冷却材への熱伝達を改善することができる。複数の金属燃料要素は、それらの従来の酸化ウラン燃料棒対応物よりも相対的に小型であってよく、燃料集合体内に冷却材のための空間がより多く提供される。これもやはり動水抵抗を低減し、冷却材への熱伝達を改善する。複数の金属燃料棒から冷却材へのより高い熱伝達は、複数の酸化物に対する複数の金属のより大幅に高い熱伝導性に起因して、複数の燃料要素をより低い動作温度に同時に維持しながらも、より多くの熱（すなわち出力）を生成することが可能なことを意味する。従来の酸化ウランまたは混合酸化物の複数の燃料棒は、過熱の懸念に起因して、通常およそ４−５％の核分裂性物質充填量に制限される。本発明の様々な実施形態に従った複数の金属燃料要素のより高い熱伝達特性により、安全な燃料性能を依然として維持しながらも、用いられるべき核分裂性物質の著しくもっと大きな充填量が可能となる。最終的には、本発明の１または複数の実施形態に従った複数の金属燃料要素の使用により、従来の酸化ウランまたは混合酸化物の複数の燃料棒によって可能なものよりも多くの出力を、同じ原子炉炉心から提供することができる。
【０００７】
本発明の１または複数の実施形態に従った複数の全金属燃料要素の使用は、有利なことに、燃料破損の危険性を低減する。何故ならば、従来の酸化ウランまたは混合酸化物の複数の燃料棒では起こり得るような一次冷却材への核分裂ガスの放出の危険性を、複数の金属燃料要素は低減するからである。
【０００８】
本発明の１または複数の実施形態に従った複数の全金属燃料要素の使用はまた、従来の酸化ウランの複数の燃料棒に比べてより安全であろう。何故ならば、全金属の設計は燃料要素内での熱伝達を増大させ、これにより燃料要素内での温度変動を低減し、燃料要素の局在化された過熱の危険性を低減するからである。
【０００９】
１または複数の実施形態は、原子炉の燃料集合体中で使用される、軸方向に延伸された燃料要素を提供する。燃料要素は、核分裂性物質を含むカーネル、およびカーネルを包囲するクラッドを含む。燃料要素の外接直径に対する燃料要素の軸方向長さの比率は少なくとも２０：１である。燃料要素の軸方向の中心線は、燃料要素の軸方向の重心からずらされている。
【００１０】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料要素は複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有し、複数のらせん状リブは核分裂性物質を含む。
【００１１】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数突出部型の外形は、隣接する複数の突出部の間に複数の凹状領域を含む。
【００１２】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、クラッドの少なくとも１つの外周側面は、クラッドの少なくとも１つの他の外周側面と比べて側方にサイズが縮小されている（例えば短くされている）。
【００１３】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、カーネルの軸方向の重心は軸方向中心線に配置され、クラッドの軸方向の重心は軸方向中心線からずらされている。
【００１４】
１または複数の実施形態は、原子炉の炉心中で使用される燃料集合体を提供する。集合体は、原子炉の内部炉心構造に取り付けるように形成および構成される下部ノズルを有するフレームと、フレームによって支持される、延伸され、押出された複数の燃料要素とを含む。複数の燃料要素のそれぞれは、金属非燃料物質の母材中に配置された燃料物質を含む燃料カーネルと、燃料カーネルを囲むクラッドとを含む。燃料物質は核分裂性物質を含む。複数の燃料要素のそれぞれは、複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有する。複数の燃料要素は、燃料集合体の核分裂性物質の全てを提供する。複数の燃料要素のそれぞれは、複数の燃料要素のサブセットがフレームによって定義される格子パターンの外周に沿って配置されるように、格子パターンの異なる格子位置に配置される。格子パターンの外周に沿って配置された複数の燃料要素の少なくともいくつかにあるクラッドの少なくとも１つの外側部は、側方にサイズが縮小されている。
【００１５】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、フレームはシュラウドを有し、複数の燃料要素の全てがシュラウドの内部に配置されるようにし、クラッドの側方に縮小されている複数の外側部がシュラウドに接触する。
【００１６】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の軸方向に対して垂直な燃料集合体の断面において、格子パターンの外周に沿って配置された複数の燃料要素の少なくともいくつかの複数の燃料カーネルのそれぞれの面積は、複数の燃料要素の残りのものの複数の燃料カーネルのうち少なくとも１つの面積より小さい。
【００１７】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素のそれぞれは、中心線から中心線までの共通の距離によって隣接する複数の燃料要素から離され、複数の燃料要素のそれぞれの外接直径は、中心線から中心線までの距離に等しい。
【００１８】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料物質は、金属非燃料物質の母材中に配置されるセラミック燃料物質を含む。
【００１９】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、クラッドは、複数の燃料要素のそれぞれの全体にわたって厚さが少なくとも０．４ｍｍである。
【００２０】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料集合体は、２０１３年より前に実際に使用されていた原子炉設計を有する従来の原子力発電所の従来の陸上型原子炉における動作用に熱力学的に設計され、物理的に形成される。フレームは、原子炉用の従来の酸化ウラン燃料集合体の代わりに、陸上型原子炉に適合するように形成および構成される。
【００２１】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素のうちの隣接する複数のものの複数のらせん状リブは、複数の燃料要素の軸方向長さにわたって周期的に互いに接触し、そのような接触は、互いに対する複数の燃料要素の間隔を維持することを支援する。
【００２２】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、延伸された複数の燃料要素のサブセットを支持する燃料集合体の一部分は、複数の燃料要素の残りを支持する燃料集合体の一部分から分離できない。
【００２３】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、格子パターンは、１７×１７のパターンで複数の格子位置を定義する。複数のガイドチューブは、複数の横列，縦列位置３，６；３，９；３，１２；４，４；４，１４；６，３；６，１５；９，３；９，１５；１２，３；１２，１５；１４，４；１４，１４；１５，６；１５，９；および１５，１２において複数の格子位置を占有する。
【００２４】
１または複数の実施形態は、原子炉の炉心中で使用される燃料集合体を提供する。集合体は、原子炉の内部炉心構造に取り付けるように形成および構成される下部ノズルを有するフレームと、フレームによって支持される延伸された複数の燃料要素とを含む。複数の燃料要素のそれぞれは核分裂性物質を含む。燃料集合体の軸方向に対して垂直な断面において見た場合に、複数の燃料要素は、第１格子パターンおよび第２格子パターンを含む混合格子パターン中に配置される。第２格子パターンは第１格子パターンとは異なる。
【００２５】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素は、重ならない第１、第２、および第３サブセットを含み、それぞれのサブセットは複数の燃料要素の複数を含む。第１サブセットの複数の燃料要素は、第１格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置される。第２サブセットの複数の燃料要素は、第２格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置される。第３サブセットの複数の燃料要素は、それぞれの重なり合う複数の格子位置内に配置され、重なり合う複数の格子位置は、第１格子パターンおよび第２格子パターンの両方に含まれる。
【００２６】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素のそれぞれは共通の外接直径を有する。
【００２７】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、第１格子パターンは、複数の横列および複数の縦列による正方形パターンを含む。複数の横列と複数の縦列との間の中心線から中心線までの距離は、共通の外接直径である。第２格子パターンは複数の正三角形パターンを含む。それぞれの三角形の各辺の長さは、共通の外接直径である。
【００２８】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料集合体は、フレームによって支持される複数の追加の燃料要素もまた含む。複数の追加の燃料要素は、第１または第２格子パターンによって定義される複数の格子位置のいずれの内にも配置されない。
【００２９】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素のそれぞれは、金属非燃料物質の母材中に配置された燃料物質を有する燃料カーネルと、燃料カーネルを囲むクラッドとを含む。燃料物質は核分裂性物質を含む。複数の燃料要素のそれぞれは、複数のらせん状リブを形成する複数突出部型の外形を有する。
【００３０】
本発明の１または複数の実施形態は、原子炉（例えば陸上型または海洋型原子炉）の炉心中での使用に向けた燃料集合体を提供する。集合体は、原子炉の内部炉心構造に取り付けるように形成および構成される下部ノズルを有するフレームと、フレームによって支持される複数の延伸された金属燃料要素とを含む。複数の燃料要素のそれぞれは、金属燃料物質および金属非燃料物質を含む金属燃料合金カーネルを含む。燃料物質は核分裂性物質を含む。それぞれの燃料要素はまた、燃料カーネルを囲むクラッドを含む。複数の延伸された金属燃料要素は、燃料集合体の核分裂性物質の全てを提供する。
【００３１】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料集合体は、陸上型原子炉における動作用に熱力学的に設計され、物理的に形成される。
【００３２】
１または複数の実施形態に従うと、燃料集合体は陸上型原子炉と組み合わせて用いられてよく、燃料集合体は陸上型原子炉内に配置される。
【００３３】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のものに関して、燃料カーネルの燃料物質は、２０％またはそれ未満までウラン−２３５および／またはウラン−２３３によって濃縮され、体積分率で燃料カーネルの２０％から３０％の間を含む。非燃料金属は、体積分率で燃料カーネルの７０％から８０％の間を含む。複数の燃料要素の複数のものに関して、燃料物質の濃縮は１５％から２０％の間であってよい。燃料カーネルの非燃料金属はジルコニウムを含んでよい。
【００３４】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、カーネルはδ相のＵＺｒ２を含む。
【００３５】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のものに関し、燃料カーネルの燃料物質はプルトニウムを含む。燃料カーネルの非燃料金属はジルコニウムを含む。そして燃料カーネルの非燃料金属は、体積分率で燃料カーネルの７０％から９７％の間を含む。
【００３６】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料物質は、ウランとトリウム、プルトニウムとトリウム、またはウラン、プルトニウム、およびトリウムの組み合わせを含む。
【００３７】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のもののクラッドは、燃料カーネルに金属結合される。
【００３８】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のものの非燃料金属はアルミニウムを含む。
【００３９】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のものの非燃料金属は耐火金属を含む。
【００４０】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のもののクラッドはジルコニウムを含む。
【００４１】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の燃料要素の複数のものは、燃料カーネルおよびクラッドの共押出によって製造される。
【００４２】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料集合体、それらの１または複数の燃料要素、および／または、それらの１または複数の燃料カーネルは、バーナブルポイズンを含む。
【００４３】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、複数の延伸された金属燃料要素は、燃料集合体の全核分裂性物質のうちの、体積で少なくとも８０％を提供する。
【００４４】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、陸上型原子炉は、２０１３年より前に実際に使用されていた原子炉設計を有する従来の原子力発電所である。フレームは、原子炉用の従来の酸化ウラン燃料集合体の代わりに陸上型原子炉に適合するように形成および構成されてよい。
【００４５】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、カーネルは、金属燃料物質の代わりにセラミック燃料物質を含んでよい。そのような複数の実施形態の１または複数において、燃料物質は、金属非燃料物質の母材中に配置されたセラミック燃料物質を含む。逆に、１または複数の金属燃料の実施形態においては、複数の延伸され押出された燃料要素は、複数の延伸され押出された金属燃料要素を含む。燃料物質は金属燃料物質を含む。燃料カーネルは金属燃料物質および金属非燃料物質の母材の合金を含んだ金属燃料合金カーネルを含む。
【００４６】
これら複数の実施形態の１または複数に従うと、フレームはシュラウドを有し、複数の燃料要素の全てがシュラウドの内部に配置されるようにする。燃料集合体は、燃料集合体の角に配置され且つシュラウドに取り付けられた少なくとも１つの角構造を有する。これら複数の実施形態の１または複数に従うと、少なくとも１つの角構造はバーナブルポイズンを含む。これら複数の実施形態の１または複数に従うと、少なくとも１つの角構造は、複数の延伸された燃料要素のうち少なくとも１つと境を接する。
【００４７】
本発明の様々な実施形態のこれらまたは他の複数の態様、並びに、動作の複数の方法、関連する構造の複数の要素と複数の部品の組み合わせの複数の機能、および製造の経済性が、添付の複数の図面を参照して以下の詳細な説明および添付される複数の請求項を考慮することにより明らかとなるであろう。これらの全てが、本明細書の一部を形成する。ここで、同様の参照符号は様々な複数の図面において対応する複数の部品を指定する。本発明の一実施形態においては、本明細書に示される複数の構造的構成要素が原寸に比例して描かれている。しかしながら、複数の図面は例示および説明目的のみであって、本発明の限定の定義として意図されるものでないことは、明確に理解されるべきである。さらに、本明細書の任意の一実施形態において示される、または説明される複数の構造的特徴は、他の複数の実施形態においても同じように用いられ得ることが理解されるべきである。本明細書中および複数の請求項中において用いられるように、"１の"、"１つの"および"その"といった単数形は、そうでないと文脈で明確に記述していない限り複数形の指示対象を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
本発明の複数の実施形態、並びに他の複数の目的およびそれらのさらなる複数の特徴のより良い理解のために、添付の複数の図面と共に用いられるべき以下の詳細な説明が参照される。
【００４９】
【図１】燃料集合体の断面図であり、自己離間平面内で断面が捉えられている。
【００５０】
【図２】図１の燃料集合体の断面図である。複数の燃料要素のねじれの１／８だけ図１中の視点からシフトされた平面内で断面が捉えられている。
【００５１】
【図３】図１の燃料集合体の断面図であり、燃料集合体の軸方向と平行な平面で捉えられている。
【００５２】
【図４】図１の燃料集合体の燃料要素の斜視図である。
【００５３】
【図５】図３中の燃料要素の断面図である。
【００５４】
【図６】正多角形内で外接した、図３中の燃料要素の断面図である。
【００５５】
【図７Ａ】加圧重水型原子炉中で使用するための別の燃料集合体の端面図である。
【００５６】
【図７Ｂ】図７Ａの燃料集合体の部分的な側面図である。
【００５７】
【図８】図７Ａおよび７Ｂに示される燃料集合体を用いた加圧重水型原子炉の略図である。
【００５８】
【図９】図３中の燃料要素の断面図である。
【００５９】
【図１０】別の燃料集合体の断面図である。
【００６０】
【図１１】本発明の一実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【００６１】
【図１３Ａ】図１１および１２中の燃料集合体の２つの燃料要素の断面図である。
【図１３Ｂ】図１１および１２中の燃料集合体の２つの燃料要素の断面図である。
【００６２】
【図１４】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００６３】
【図１５】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図１６】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図１７】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図１８】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図１９】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図２０】図１４の燃料集合体の部分的な断面図である。
【００６４】
【図２１】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００６５】
【図２２】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００６６】
【図２３】図２２の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図２４】図２２の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図２５】図２２の燃料集合体の部分的な断面図である。
【００６７】
【図２６】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００６８】
【図２７】図２６の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図２８】図２６の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図２９】図２６の燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３０】図２６の燃料集合体の部分的な断面図である。
【００６９】
【図３１】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３２】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３３】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３４】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３５】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【図３６】代替的実施形態に従った燃料集合体の部分的な断面図である。
【００７０】
【図３７】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００７１】
【図３８】代替的実施形態に従った燃料集合体の断面図である。
【００７２】
【図３９】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【図４０】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【図４１】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【図４２】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【図４３】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【図４４】１６×１６の燃料集合体についての従来の仕様を提供する。
【発明を実施するための形態】
【００７３】
図１−３は、本発明の一実施形態に従った燃料集合体１０を示す。図３に示されるように、燃料集合体１０は、フレーム２５によって支持された複数の燃料要素２０を備える。
【００７４】
図３に示されるように、フレーム２５は、シュラウド３０、複数のガイドチューブ４０、上部ノズル５０、下部ノズル６０、下部タイプレート７０、上部タイプレート８０、および／または、集合体１０が原子炉中の燃料集合体として動作することを可能にする他の構造物を備える。フレーム２５のこれら複数の構成要素のうちの１または複数は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態に従って省略されてよい。
【００７５】
図３に示されるように、シュラウド３０は、上部ノズル５０および下部ノズル６０に取り付ける。下部ノズル６０（または、集合体１０の他の適切な構造）は、集合体１０と原子炉９０との間の流体連結接点を提供するように構成され、形成される。集合体１０は、下部ノズル６０を介して集合体１０を通る冷却材の原子炉炉心への流れを容易にするように、原子炉９０中に配置される。上部ノズル５０は、集合体１０から、（複数のＰＷＲの場合は）発電所の複数の蒸気発生器へ、（複数のＢＷＲの場合は）複数のタービンへ等、加熱された冷却材の方向付けを容易にする。ノズル５０、６０は、原子炉炉心内部構造と適切に係合するように特異的に設計された形状を有する。
【００７６】
図３に示されるように、下部タイプレート７０および上部タイプレート８０は、好ましくは、（例えば溶接、適切な複数の締結具（例えば複数のボルト、ネジ）等によって）シュラウド３０または下部ノズル６０（および／または集合体１０の他の適切な複数の構造的構成要素）に強固に取り付けられる。
【００７７】
複数の要素２０の下方の複数の軸方向端部は、下部タイプレート７０の複数の穴７０ａに嵌合する複数のピン２０ａを形成する。これは、複数の要素２０を支持し、要素２０の適当な間隔を維持することを支援する。複数のピン２０ａは、複数の要素２０がそれらの軸周りに回転すること、または下部タイプレート７０に対して軸方向に移動することを防ぐような様式で、複数の穴７０ａに取り付ける。回転に対するこの制限は、隣接する複数の要素２０間の複数の接触点の全てが、複数の要素２０に沿った軸方向の同じ複数の位置にて（例えば、以下で議論される複数の自己離間平面において）生じることを確実にするのに役立つ。複数のピン２０ａと複数の穴７０ａとの間の接続は、溶接、締まりばめ、回転を防ぐ複数の非円筒状構造（例えばキー溝およびスプライン）の嵌合、および／または、下部タイプレート７０に対する複数の要素２０の軸方向および／または回転の動きを制限するための任意の他の適切な機構によって形成されてよい。下部タイプレート７０は、複数の要素２０に向かって流れる冷却材が通るための、軸方向に延びる複数のチャネル（例えば、複数の開口による格子）を含む。
【００７８】
複数の要素２０の上方の複数の軸方向端部は、上部タイプレート８０の複数の穴８０ａに自由に嵌合する複数のピン２０ａを形成し、複数の要素２０間の間隔を維持することを支援しながらも、複数の上部ピン２０ａが、これらを通って上部タイプレート８０へと軸方向上方に向かって自由に移動することを可能にする。その結果、複数の要素２０が核分裂の間に軸方向に成長する場合に、延伸する複数の要素２０が、上部タイプレート８０中にさらに自由に延びることができる。
【００７９】
図４に示されるように、複数のピン２０ａは、要素２０の中央部分へと移行する。
【００８０】
図４および５は、集合体１０の個々の燃料要素／棒２０を示す。図５に示されるように、燃料要素２０の延伸された中央部分は、四葉型の断面を有する。要素２０の断面は、要素２０の中央部分の長さにわたって実質的に均一なままである。各燃料要素２０は、耐火金属と核分裂性物質を含む燃料物質とを含んだ燃料カーネル１００を有する。
【００８１】
耐火金属を備えるディスプレーサ１１０が、燃料カーネル１００の中心の長軸に沿って配置される。ディスプレーサ１１０は、核分裂性物質を置き換えることにより、置き換えが無かった場合に核分裂性物質がそのような空間を占有したであろう燃料要素２０の中心の最も厚い部分の温度を制限するために役立つ。また、燃料要素の表面に沿った熱流束の変動を最小化するのに役立つ。様々な実施形態に従うと、ディスプレーサ１１０は完全に除かれてもよい。
【００８２】
図５に示されるように、燃料カーネル１００は、耐火金属クラッド１２０によって包囲される。クラッド１２０は、好ましくは、破損することなく（例えば、クラッド１２０の外部の環境にカーネル１００を露出させることなく）、放射線誘起されたカーネル１００の膨張に耐えるために十分厚く、十分強く、十分に柔軟である。１または複数の実施形態に従うと、クラッド１２０の全体が、少なくとも厚さ０．３ｍｍ、０．４ｍｍ、０．５ｍｍ、および／または０．７ｍｍである。１または複数の実施形態に従うと、膨張に基づく破損、酸化に基づく破損、および／またはクラッド１２０の任意の他の破損メカニズムの可能性を低減するために、クラッド１２０の厚さは少なくとも０．４ｍｍである。
【００８３】
クラッド１２０は、環状方向（すなわち、図５の断面図に示されるようにクラッド１２０の外周の周りに）および（図４に示されるように）カーネル１００の軸方向／縦方向の長さにわたって、実質的に均一な厚さを有する。代替的には、図５に示されるように、１または複数の実施形態に従うと、クラッド１２０は、複数の突出部２０ｂ間の凹状交線／領域２０ｃにおいてよりも、複数の突出部２０ｂの複数の先端部において、より厚い。例えば、１または複数の実施形態に従うと、複数の突出部２０ｂの複数の先端部におけるクラッド１２０は、少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、１２５％、および／または１５０％、複数の凹状交線／領域２０ｃにおけるクラッド１２０より厚い。複数の突出部２０ｂの複数の先端部においてより厚いクラッド１２０は、複数の突出部２０ｂの複数の先端部における改善された摩耗耐性を提供する。突出部２０ｂは、隣接する複数の燃料要素２０が複数の自己離間平面（以下で議論される）において互いに接触するところである。
【００８４】
本発明の１または複数の実施形態に従うと、ディスプレーサ１１０、燃料カーネル１００、およびクラッド１２０中で用いられる耐火金属はジルコニウムを含む。本明細書にて用いられるように、ジルコニウムという用語は、純粋なジルコニウムまたは他の合金物質と組み合わせてのジルコニウムを意味する。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、ジルコニウムの代わりに他の複数の耐火金属（例えば、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、チタン、バナジウム、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、ルテニウム、オスミウム、イリジウム、および／または他の複数の金属）が用いられてよい。本明細書にて用いられるように、"耐火金属"という用語は、摂氏１８００度（２０７３Ｋ）を越える融点を有する任意の金属／合金を意味する。
【００８５】
さらに、いくつか特定の実施形態においては、耐火金属は、別の非燃料金属、例えばアルミニウムで置き換えられてよい。しかしながら、非耐火性の非燃料金属の使用は、より低い温度で動作する複数の原子炉炉心（例えば約１メートルの高さおよび１００ＭＷｅまたはそれ未満の定格電気出力を有する複数の小さな炉心）に最も良く適している。複数の耐火金属は、より高い動作温度の複数の炉心において使用する上で好ましい。
【００８６】
図５に示されるように、燃料カーネル１００およびクラッド１２０の中央部分は、らせん状の複数のスペーサーリブ１３０を形成する四葉型の外形を有する。ディスプレーサ１１０はまた、複数のリブ１３０において外側に突出するように形成されてもよい（例えば、正方形ディスプレーサ１１０の複数の角が複数のリブ１３０と位置合わせされる）。本発明の代替的な複数の実施形態に従うと、複数の燃料要素２０は、本発明の範囲から逸脱することなく、より多くの、あるいはより少ない数のリブ１３０を有してよい。例えば、米国特許出願公開第２００９／０２５２２７８号明細書の図５に概ね示されるように、燃料要素は３つのリブ／突出部を有してよく、それらは、好ましくは、お互いから円周方向に等しく間隔があけられる。突出部／リブ１３０の数は、少なくとも部分的に、燃料集合体１０の形状に依存してよい。例えば、四葉型の要素２０は、（例えばＡＰ−１０００にて用いられるような）正方形断面状の燃料集合体１０と良好に機能するであろう。対照的に、三葉型の燃料要素は、（例えばＶＶＥＲにて用いられるような）六角形の燃料集合体と良好に機能するであろう。
【００８７】
図９は、１または複数の実施形態に従った燃料要素２０の様々な寸法を示す。１または複数の実施形態に従うと、これら複数の寸法、パラメータ、および／または範囲のいずれも、以下の表にて特定されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、最大５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、４０％、５０％、またはそれよりも大きく増大すること、または減少することができる。
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【００８８】
図５に示されるように、ディスプレーサ１１０は正方形の断面形状を有し、正方形の複数の角が複数のリブ１３０と位置合わせされている。ディスプレーサ１１０は、ディスプレーサ１１０の複数の角が燃料カーネル１００の軸方向長さに沿って複数のリブ１３０と位置合わせされたままであるように、複数のリブ１３０のらせんに従うらせんを形成する。より多くの、またはより少ないリブ１３０を持った代替的な複数の実施形態においてディスプレーサ１１０は、好ましくは、要素２０が有する複数のリブと同じ数の辺を有する正多角形の断面形状を有する。
【００８９】
図６に示されるように、要素２０の中央部分の断面積は、好ましくは、かなり正方形２００の面積より小さい。ここで、正方形２００の１つの辺には、複数のリブ１３０のそれぞれの先端部が接する。より一般的用語で言うと、ｎ個のリブを有する要素２０の断面積は、好ましくは、ｎ個の辺を有する正多角形の面積より小さい。ここで、多角形の１つの辺には、複数のリブ１３０のそれぞれの先端部が接する。様々な実施形態に従うと、正方形（または、４つより多い、あるいは４つより少ないリブ１３０を有する複数の要素２０に関連した正多角形）の面積に対する要素２０の面積の比率は、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３５、０．３より小さい。図１に示されるように、この面積比率は、シュラウド３０内において利用可能な空間のうちのどれだけが複数の燃料要素２０によって占有されるのかを見積もるものであり、より低い比率は、有利なことに冷却材のために利用可能な空間がより多いことを意味する。これはまた中性子減速材として作用し、減速材対燃料比率（中性子工学には重要である）を増大させ、動水抵抗を低減し、複数の要素２０から冷却材への熱伝達を増大させる。様々な実施形態に従うと、結果として生じる減速材対燃料比率は、（従来の円筒状の複数の酸化ウラン棒が用いられた場合の１．９６とは対照的に）少なくとも２．０、２．２５、２．５、２．７５、および／または３．０である。同様に、様々な実施形態に従うと、円筒状の複数の酸化ウラン棒を使用する従来の複数の燃料集合体の１または複数の使用と比べて、燃料集合体１０の流路面積が１６％よりも大きく増大する。増大した流路面積は、（従来の複数の酸化ウラン集合体と比べて）集合体１０を通る冷却材の圧力低下を減少させるであろう。これは、集合体１０を通して冷却材をポンプすることに関する複数の利点を有するであろう。
【００９０】
図４に示されるように、要素２０は軸方向に延伸されている。示される実施形態においては、各要素２０は全長にわたる１つの要素であり、集合体１０の底部にある、または底部近くにある下部タイプレート７０から、集合体１０の最上部にある、または最上部近くにある上部タイプレート８０まで、全体にわたって延びる。様々な実施形態および原子炉設計に従うと、この結果、複数の要素２０は、長さ１メートル（複数の小型原子炉の場合）から、長さ４メートルを越えるまでのどこかということになり得る。従って、典型的な複数の原子炉について、複数の要素２０の長さは１から５メートルの間であってよい。しかしながら、複数の要素２０は、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の他の寸法の原子炉に適合するように、長くなってもよいし、あるいは短くなってもよい。
【００９１】
示されている複数の要素２０はそれら自身が全長にわたるものであるが、代替的に複数の要素２０は、複数の断片が一緒になって全長にわたる１つの要素を形成するように分割されてよい。例えば、個々には１メートルの要素断片２０の４つが、端部と端部とが位置合わせされて、実際上、全長にわたる要素を形成してよい。複数の断片の軸方向の間隔および配置を維持するために、複数の断片間の複数の交点に追加のタイプレート７０、８０が提供されてよい。
【００９２】
１または複数の実施形態に従うと、燃料カーネル１００は、耐火金属／合金および燃料物質の組み合わせを含む。耐火金属／合金は、ジルコニウム合金を含んでよい。燃料物質は、低濃縮ウラン（例えばＵ２３５、Ｕ２３３）、プルトニウム、または以下に定義された低濃縮ウランおよび／またはプルトニウムと組み合わされたトリウムを含む。本明細書にて用いられるように、"低濃縮ウラン"とは、燃料物質全体が、重量で２０％より小さな核分裂性物質（例えばウラン−２３５またはウラン−２３３）を含むことを意味する。様々な実施形態に従うと、ウラン燃料物質は、ウラン−２３５の重量で１％から２０％、５％から２０％、１０％から２０％、および／または１５％から２０％の間に濃縮される。１または複数の実施形態に従うと、燃料物質は、１９．７％の濃縮されたウラン−２３５を含む。
【００９３】
様々な実施形態に従うと、燃料物質は、燃料カーネル１００の体積分率３−１０％、１０−４０％、１５−３５％、および／または２０−３０％を含んでよい。様々な実施形態に従うと、耐火金属は、燃料カーネル１００の体積分率６０−９９％、６０−９７％、７０−９７％、６０−９０％、６５−８５％、および／または７０−８０％を含んでよい。１または複数の実施形態に従うと、これらの複数の範囲のうちの１または複数内の体積分率は、特定の合金組成に対する物質状態図によって定義されるような有益な複数の性質を持つ合金を提供する。燃料カーネル１００は、δ相のＵＺｒ２またはδ相のＵＺｒ２とα相のＺｒとの組み合わせのいずれかで構成される高合金燃料（すなわち、ウラン構成成分と比べて合金構成成分が相対的に濃度が高い）であるＺｒ−Ｕ合金を含んでよい。１または複数の実施形態に従うと、Ｕ−Ｚｒ二成分合金システムのδ相は、ジルコニウム組成が燃料カーネル１００のおよそ６５−８１体積パーセント（およそ６３から８０原子パーセント）の範囲に及んでよい。これら複数の実施形態の１または複数が、燃料要素２０の低容積照射誘起膨張をもたらすことが見出されてきた。そのような複数の実施形態の１または複数に従うと、燃料要素２０の１または複数の実施形態が、燃料要素２０から従来のガスギャップを省くことができるように、複数の核分裂ガスが金属カーネル１００自身の内に取り込まれる。１または複数の実施形態に従うと、複数の低合金（α相のみ）組成が用いられた場合に生じたであろうよりも、そのような膨張は著しく低いであろう（例えば、低合金α相のＵ−１０Ｚｒ燃料が用いられた場合よりも、原子パーセント燃焼度当りの体積パーセント膨張の減少が、少なくとも１０％、２０％、３０％、５０％、７５％、１００％、２００％、３００％、５００％、１０００％、１２００％、１５００％、またはそれより大きい）。本発明の１または複数の実施形態に従うと、燃料要素２０またはそれらのカーネル１００の照射誘起膨張は、原子パーセント燃焼度当り、２０、１５、１０、５、４、３、および／または２体積パーセントより小さくてよい。１または複数の実施形態に従うと、膨張は、原子パーセント燃焼度当りおよそ１体積パーセントと予期される。
【００９４】
本発明の１または複数の代替的な実施形態に従うと、燃料カーネルは、上述の複数のＵ−Ｚｒ燃料カーネル１００と同じまたは同様な体積パーセントを持った、あるいは、上述の複数のＵ−Ｚｒ燃料カーネル１００とは異なる体積パーセントを持ったプルトニウム−ジルコニウム二成分合金によって置き換えられる。例えば、カーネル１００中のプルトニウム分率は、対応するウランをベースとするカーネル１００中の対応するウラン分率よりもかなり小さくてよい。何故ならば、ＬＥＵウランが複数の核分裂性Ｕ−２３５同位体の２０％またはそれより小さな重量分率を有するのに対し、プルトニウムは通常、複数の核分裂性同位体の約６０−７０％の重量分率を有するからである。様々な実施形態に従うと、カーネル１００中のプルトニウム体積分率は、１５％未満、１０％未満、および／または５％未満であってよい。耐火金属の体積分率はそれに応じて調節される。
【００９５】
本発明の１または複数の実施形態に従った高合金カーネル１００の使用はまた、照射の間に、複数の核分裂ガスの有利な保持をもたらす。複数の酸化物燃料および低合金金属燃料は、通常、かなりの核分裂ガスの放出を示す。これは普通、放出された複数の核分裂ガスを含むための燃料棒内のプレナムを用いた燃料設計によって、通常収容される。本発明の１または複数の実施形態に従った燃料カーネル１００は、対照的に、複数の核分裂ガスを放出しない。これは部分的には、燃料カーネル１００の低い動作温度、および複数の核分裂ガス原子（具体的にはＸｅおよびＫｒ）が、複数の固体核分裂生成物のように振る舞うという事実に起因する。１または複数の実施形態に従うと、核分裂ガスの気泡の形成、および燃料カーネル１００の外部への複数の粒子境界に沿った移動は生じない。１または複数の実施形態に従うと、十分に高い複数の温度においては、小さな（直径数ミクロンの）核分裂ガスの気泡が複数形成されてよい。しかしながら、本発明の１または複数の実施形態に従うと、これら複数の気泡は燃料カーネル１００内では隔離されたままであり、核分裂ガスの放出を容易にするであろう相互接続されたネットワークを形成しない。燃料カーネル１００とクラッド１２０との間の金属結合は、核分裂ガスの放出に対する付加的な障壁を提供するであろう。
【００９６】
様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素２０のうちの１または複数における燃料カーネル１００（またはクラッド１２０、あるいは燃料要素２０の他の適切な部分）は、ガドリニウム、ホウ素、エルビウム、または他の適切な中性子吸収材のようなバーナブルポイズンと合金化されて一体的なバーナブルポイズン燃料要素を形成することができる。燃料集合体１０内の異なる複数の燃料要素２０が、異なる複数のバーナブルポイズンおよび／または異なる複数の量のバーナブルポイズンを利用してよい。例えば、燃料集合体１０の複数の燃料要素２０のいくらか（例えば、７５％未満、５０％未満、２０％未満、１−１５％、１−１２％、２−１２％、等）は、２５、２０および／または１５重量パーセントまたはそれより少ないＧｄ（例えば、１−２５重量パーセント、１−１５重量パーセント、５−１５重量パーセント、等）を有する複数のカーネル１００を含んでよい。燃料集合体１０の他の複数の燃料要素２０（例えば、１０−９５％、１０−５０％、２０−５０％、Ｇｄを利用する複数の燃料要素２０より多くの数の燃料要素２０）は、１０または５重量パーセントまたはそれより少ないＥｒ（例えば、０．１−１０．０重量パーセント、０．１から５．０重量パーセント、等）を有する複数のカーネル１００を含んでよい。
【００９７】
様々な実施形態に従うと、自身の複数のカーネル１００中にバーナブルポイズンを含まない複数の燃料要素２０に対して、バーナブルポイズンは、（耐火金属ではなく）燃料物質に取って代わる。例えば、ポイズンが存在しない場合には、そのカーネル１００が６５体積パーセントのジルコニウムおよび３５体積パーセントのウランを含むであろう燃料要素２０の一実施形態に従うと、燃料要素２０は、１６．５体積パーセントがＧｄ、６５体積パーセントがジルコニウム、および１８．５体積パーセントがウランであるカーネル１００を含む。１または複数のその他の実施形態に従うと、バーナブルポイズンは、燃料物質ではなく、代わりに耐火金属に取って代わる。１または複数のその他の実施形態に従うと、燃料カーネル１００中のバーナブルポイズンは、耐火金属および燃料物質に比例的に取って代わる。結果的に、これらの様々な実施形態に従うと、バーナブルポイズンの存在によってバーナブルポイズンが配置されるＵＺｒ２合金またはＺｒ合金の相を変化させないように、燃料カーネル１００内のバーナブルポイズンは、ＵＺｒ２のδ相またはＺｒのα相に配置されてよい。
【００９８】
バーナブルポイズンを有するカーネル１００を有する複数の燃料要素２０が、原子炉炉心中で用いられる１または複数の燃料集合体１０の複数の燃料要素２０の一部分（例えば、０−１００％、１−９９％、１−５０％、等）を形成してよい。例えば、バーナブルポイズンを有する複数の燃料要素２０は、出力分配制御を提供するため、および動作サイクル中の初期の溶解性ホウ素濃度を低減するために、バーナブルポイズンを有さない複数の燃料要素２０をも含む集合体１０の燃料集合体格子内において、複数の戦略的位置に配置されてよい。同様に、バーナブルポイズンを有する複数の燃料要素２０を含む複数の精選燃料集合体１０は、出力分配制御を提供するため、および動作サイクル中の初期の溶解性ホウ素濃度を低減するために、バーナブルポイズンを有する複数の燃料要素２０を含まない複数の集合体１０に対して、原子炉炉心内の複数の戦略的位置に配置されてよい。そのような複数の一体的バーナブル吸収材の使用は、広範な複数の動作サイクルの設計を容易にする。
【００９９】
代替的に、および／または付加的に、別個の複数の非燃料ベアリングバーナブルポイズン棒が、燃料集合体１０中に含まれてよい（例えば、複数の燃料要素２０に隣接して、１または複数の燃料要素２０の代わりに、複数の制御棒を受け取らない複数の燃料集合体１０中の複数のガイドチューブに挿入されて、等）。１または複数の実施形態においては、そのような複数の非燃料バーナブルポイズン棒は、Ｂａｂｃｏｃｋ  ａｎｄ  ＷｉｌｃｏｘまたはＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅで設計された複数の原子炉（バーナブルポイズン棒集合体（ＢＰＲＡ）と呼ばれている）において用いられるものと同様なスパイダ集合体に設計されることができる。次にこれらは、複数の制御棒ガイドチューブに挿入され、複数の精選燃料集合体１０に固定されてよい。そこでは、反応性制御のための動作の初期サイクルに対する複数の制御バンクが無い。バーナブルポイズンクラスタが用いられる場合、それは、次の燃料サイクルのために燃料集合体が再配置される際に除去されてよい。別個の複数の非燃料ベアリングバーナブルポイズン棒が１または複数の燃料要素２０の代わりに配置される代替的実施形態に従うと、複数の非燃料バーナブルポイズン棒は、燃料集合体１０に留まり、燃料集合体１０がその耐用期間に到達した際に、その他の複数の燃料要素２０と一緒に排出される。
【０１００】
複数の燃料要素２０は、粉末冶金共押出によって製造される。通常、粉末の耐火金属および粉末の金属燃料物質（もしもカーネル１００中に含まれる場合には粉末のバーナブルポイズンも）が燃料カーネル１００用に混合され、ディスプレーサ１１０ブランクが粉末混合物内に配置され、次に、粉末とディスプレーサ１１０の組み合わせが（例えば、混合物を焼結するべく、様々な期間にわたって様々な程度に加熱される鋳型中で）押され、焼結されて燃料炉心ストック／ビレットになる。ディスプレーサ１１０ブランクは、最終的に形成されるディスプレーサ１１０と同じ、または同様な断面形状を有してよい。代替的に、ディスプレーサ１１０ブランクは、押出の際にディスプレーサ１１０の意図された断面形状へと変形するように設計された形状を有してよい。燃料炉心ストック（ディスプレーサ１１０および焼結された燃料カーネル１００物質を含む）が、封止されたチューブベースおよび他端の開口を有する中空のクラッド１２０チューブに挿入される。他端の開口は、次に、ビレットを形成するために、クラッドと同じ物質で形成された末端プラグによって封止される。ビレットは、例えば図５および９に示されるように、円筒状に形成されてよく、あるいは要素２０の最終的な断面形状にもっとよく似た形状を有してよい。ビレットは次に、温度および圧力をかけた状態でダイセットを通して共押出しされて、最終的に形成されるカーネル１００、クラッド１１０、およびディスプレーサ１２０を含む要素２０を形成する。非円筒状のディスプレーサ１１０を利用する様々な実施形態に従うと、ビレットは、ディスプレーサ１１０の複数の角が燃料要素２０の複数の突出部２０ｂと位置合わせされるように、押出プレスダイに対して適切に向きを合わされてよい。押出処理は、直接押出（すなわち、固定したダイを通してビレットを移動させる）または間接押出（すなわち、固定したビレットに向けてダイを移動させる）のいずれかによって行われてよい。この処理は、燃料カーネル１００に金属結合されているクラッド１２０をもたらす。これは、燃料カーネル１００からクラッド１２０が剥離する危険性を低減する。クラッド１２０のチューブと末端プラグは、クラッド１２０内に燃料カーネル１００を封止するために、互いに対して金属結合する。複数の燃料要素１０中で用いられる複数の耐火金属の高い融点は、粉末冶金を、これら複数の金属から複数の構成要素を製造するための選択法とするのに役立つ。
【０１０１】
１または複数の代替的実施形態に従うと、複数の燃料要素２０の燃料炉心ストックは、焼結の代わりに鋳造によって製造されてよい。粉末またはモノリシックな耐火金属、および粉末またはモノリシックな燃料物質（もしもカーネル１００中に含まれる場合には、粉末のバーナブルポイズンも）が混合され、溶融され、鋳型中に流し込まれてよい。クラッド１２０が加えられて押出されるべきビレットを形成するのと同じ様式で、カーネル１００が流し込まれた後にディスプレーサ１１０ブランクが挿入されてよいように、鋳型は、流し込まれたカーネル１００中にディスプレーサブランク形状の隙間を形成してよい。複数の燃料要素２０を製造するための残りの複数の段階は、鋳造の代わりに焼結を利用する上述の実施形態と同じまたは同様のままでよい。続く押出は、ディスプレーサ１１０とカーネル１００との間、並びに、カーネル１００とクラッド１２０との間の金属結合を生じさせる。
【０１０２】
１または複数の代替的実施形態に従うと、複数の燃料要素２０は、粉末の金属燃料物質の代わりに粉末のセラミック燃料物質を用いて製造される。残りの複数の製造段階は、粉末の金属燃料物質を用いた複数の実施形態に関する上述のものと同じであってよい。様々な金属燃料の実施形態およびセラミック燃料の実施形態において、製造プロセスは、金属非燃料物質の母材中に配置された燃料物質を含む燃料カーネル１００を生じてよい。金属燃料の複数の実施形態の１または複数において、結果として生じる燃料カーネル１００は、金属燃料物質と金属非燃料物質の母材の合金（例えばウラン−ジルコニウム合金）を含む金属燃料合金カーネルを含む。セラミック燃料の複数の実施形態の１または複数において、カーネル１００は、金属非燃料物質の母材中に配置された（例えば全体にわたって点在した）セラミック燃料物質を含む。様々な実施形態に従うと、製造プロセスにおいて用いられるセラミック燃料物質は、粉末の酸化ウランまたは酸化プルトニウム、粉末の窒化ウランまたは窒化プルトニウム、粉末の炭化ウランまたは炭化プルトニウム、粉末の水素化ウランまたは水素化プルトニウム、またはそれらの組み合わせを含んでよい。チューブ中に複数のＵＯ２ペレットが配置される従来の複数のＵＯ２燃料要素とは対照的に、本発明の１または複数の実施形態に従った製造プロセスは、非燃料物質の固体の母材（例えばジルコニウム母材）中に配置されているセラミック燃料を生じる。
【０１０３】
図４に示されるように、複数のらせん状リブ１３０の軸方向の巻き付けピッチは、隣接する複数の燃料要素１０の複数の軸を、１つの燃料要素の断面における複数の角を横切る幅と等しい間隔で配置するための条件に応じて選択され、燃料要素２０の長さの５％から２０％であってよい。一実施形態に従うと、ピッチ（すなわち、１つの突出部／リブが完全な１回転を形成するための軸方向の長さ）は約２１．５ｃｍである。これに対して、要素２０の全活性長は約４２０ｃｍである。図３に示されるように、複数の燃料要素１０の鉛直配置の安定性は、底部においては下部タイプレート７０によって、最上部においては上部タイプレート８０によって、そして、炉心の高さに対してはシュラウド３０によって提供される。図１に示されるように、任意の２つの隣接する燃料要素１０の複数の突出した外形が、燃料要素束の少なくとも１つの断面において、２つの隣接する燃料要素１０の複数の軸を通る共通の対称面を有するように、複数の燃料要素１０は、円周方向性を有する。
【０１０４】
図１に示されるように、複数の燃料要素２０のらせん状のねじれは、それらの方向と組み合わせて、１または複数の自己離間平面が存在することを確実にする。図１に示されるように、そのような複数の自己離間平面においては、隣接する複数の要素２０の複数のリブが互いに接触して、そのような複数の要素２０間の適当な間隔を確実にする。従って、複数の要素２０の中心から中心までの間隔は、各要素２０の角から角までの幅とおよそ同じであろう（図５に示される要素においては１２．６ｍｍ）。各燃料要素２０の突出部２０ｂの数および複数の燃料要素２０の相対的な幾何配置に応じて、隣接する複数の燃料要素２０の全て、または隣接する複数の燃料要素２０の一部分のみが互いに接触するであろう。例えば、示されている四葉型の実施形態においては、各燃料要素２０が、それぞれの自己離間平面において、隣接する４つの燃料要素２０の全てと接触する。しかしながら、複数の燃料要素が六角形パターンで配置されている三葉型の燃料要素の実施形態においては、各燃料要素が、所与の自己離間平面において、隣接する６つの燃料要素のうちの３つのみと接触するであろう。三葉型の燃料要素は、軸方向に間隔があけられた次の自己離間平面（すなわち、前の自己離間平面から６分の１回転ずれている）において、隣接する他の３つの燃料要素と接触するであろう。
【０１０５】
１つの特定の燃料要素２０に対してｎ個の燃料要素が隣接しているｎ葉型の要素２０においては、らせんのｎ分の１回転毎に（例えば、４つの他の燃料要素２０が当該燃料要素２０に隣接するように正方形パターンに配置された四葉型の要素２０ではらせんの４分の１回転毎に、３つの燃料要素が当該燃料要素に隣接する三葉型の要素ではらせんの３分の１回転毎に（すなわち、燃料要素の外周周りに１２０度毎に））、自己離間平面が存在するであろう。らせんのピッチは、複数の燃料要素２０の軸方向長さにわたって、より多くの、あるいはより少ない自己離間平面を形成するために変更されてよい。一実施形態に従うと、複数の燃料要素２０の束の軸方向長さにわたって複数の自己離間平面があるように、各四葉型の燃料要素２０は複数のねじれを含む。
【０１０６】
示されている実施形態においては、複数の要素２０の全てが同じ方向にねじれる。しかしながら、代替的実施形態に従うと、本発明の範囲から逸脱することなく、隣接する複数の要素２０が反対方向にねじれてよい。
【０１０７】
燃料棒の長さに沿った自己離間平面の数についての式は以下のようである。
Ｎ＝ｎ＊Ｌ／ｈ
ここで
Ｌ：燃料棒の長さ
ｎ：突出部（リブ）の数、且つ１つの燃料要素に隣接する燃料要素の数
ｈ：らせん状のねじれのピッチ
もしも、突出部の数と１つの燃料要素に隣接する燃料要素の数が同じでない場合には、この式はわずかに異なる。
【０１０８】
そのような自己離間の結果、燃料集合体１０は、集合体１０の長さに沿って適当な要素間隔を確実にするための自己離間が無い場合には必要となったであろう複数のスペーサー格子を省いてよい。複数のスペーサー格子を除くことにより、冷却材は、集合体１０を通ってもっと自由に流れることができよう。これは、有利なことに、複数の要素２０から冷却材への熱伝達を増大させる。しかしながら、本発明の代替的な複数の実施形態に従うと、集合体１０は、本発明の範囲から逸脱することなく、スペーサー格子を含んでよい。
【０１０９】
図３に示されるように、シュラウド３０は、複数の燃料要素２０の全長に沿って軸方向に延び、複数の要素２０を取り囲む管状のシェルを形成する。しかしながら、本発明の代替的実施形態に従うと、シュラウド３０は、軸方向に間隔があけられた複数のバンドを含んでよく、そのそれぞれが複数の燃料要素２０を取り囲む。１または複数のそのようなバンドが、複数の自己離間平面によって軸方向に位置合わせされてよい。軸方向に延びる複数の角の支持物は、複数のバンドを支持し、複数のバンドの配置を維持し、集合体を強化するために、軸方向に間隔があけられたそのような複数のバンドの間で延びてよい。代替的に、および／または付加的に、それらが無ければ管状／多角形のシュラウド３０には、シュラウド３０が必要無いような、または支持用にはシュラウド３０が所望されないような複数の位置に、複数の穴が切り込まれてよい。完全なシュラウド３０の使用は、それぞれ個々の燃料集合体１０を通る複数の別個な冷却材の流れの、より良い制御を容易にするであろう。逆に、複数の穴を有する複数のバンドまたはシュラウドの使用は、隣接する複数の燃料集合体１０間でのより良好な冷却材の混合を容易にし得る。これは、有利なことに、隣接する複数の燃料集合体１０間での冷却材の複数の温度勾配を低減し得る。
【０１１０】
図１に示されるように、シュラウド３０の断面の外周は、集合体１０がその中で用いられる原子炉に適合する形状を有する。複数の正方形の燃料集合体を利用するＡＰ−１０００のような複数の原子炉中では、シュラウドは正方形の断面を有する。しかしながら代替的にシュラウド３０は、その中で自身が用いられる原子炉に依存して、任意の適切な形状を取ってよい（（例えば、米国特許出願公開第２００９／０２５２２７８号明細書の図１に示されるように）例えばＶＶＥＲ原子炉中での使用に対しては六角形の形状）。
【０１１１】
複数のガイドチューブ４０は、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）、銀インジウムカドミウム（Ａｇ、Ｉｎ、Ｃｄ）、チタン酸ジスプロシウム（Ｄｙ２Ｏ３・ＴｉＯ２）、または、反応性制御（図には示されない）のために用いられるその他の適切な複数の合金あるいは物質をベースとする複数の制御用吸収材要素、並びに、炭化ホウ素、酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、またはその他の適切な複数の物質（図には示されない）をベースとする複数のバーナブル吸収材要素の挿入を提供し、上部ノズル５０中に配置され、弾性による軸方向変位能力を持つ。複数のガイドチューブ４０は、ジルコニウム合金を含んでよい。例えば、図１に示されるガイドチューブ４０の配置は、ＡＰ−１０００原子炉中で用いられる配置におけるものである（例えば、１７×１７の格子中に示される複数の位置において２つの環状の列に配置された２４のガイドチューブ）。
【０１１２】
フレーム２５の形状、サイズ、および複数の特徴は、集合体１０が用いられるべき特定の原子炉炉心に依存する。従って、当業者は、燃料集合体１０に対して適切に形成され、大きさを合わせられたフレームをどのようにして形成するのか理解するであろう。例えば、フレーム２５は、従来の原子力発電所の原子炉炉心用の従来の酸化ウランまたは混合酸化物燃料集合体の代わりに、その発電所の原子炉炉心に適合するように形成および構成されてよい。原子力発電所は、２０１０年より前に実際に使用されていた原子炉炉心設計（例えば、２、３、または４ループのＰＷＲ；ＢＷＲ−４）を備えてよい。代替的に、原子力発電所は、燃料集合体１０を用いた使用に向けて特に調整された全く新たな設計のものであってよい。
【０１１３】
上述のように、示される燃料集合体１０は、ＡＰ−１０００またはＥＰＲ原子炉中での使用に向けて設計されている。集合体は、複数の燃料要素２０の１７×１７のアレイを含む。そのうちの２４個は、上述のように複数のガイドチューブ４０によって置き換えられており、ＥＰＲにおいては合計２６５個の燃料要素２０となり、あるいはＡＰ−１０００においては２６４個の燃料要素２０となる（ＡＰ−１０００においては、複数のガイドチューブによって置き換えられる２４個の燃料要素に加えて、中央の燃料要素もまた、装備される１つのチューブによって置き換えられる）。
【０１１４】
複数の要素２０は、好ましくは、燃料集合体１０全体の核分裂性物質の１００％を提供する。代替的に、集合体１０の核分裂性物質のいくらかは、複数の要素２０以外の複数の燃料要素（例えば、非突起型の複数の燃料要素、複数の酸化ウラン要素、複数の要素２０とは異なる複数の燃料比率および／または濃縮を有する複数の要素）を介して提供されてよい。そのような様々な代替的実施形態に従うと、複数の燃料要素２０は、燃料集合体１０の全核分裂性物質のうち体積で少なくとも５０％、６０％、７０％、７５％、８０％、８５％、９０％、および／または９５％を提供する。
【０１１５】
本発明の１または複数の実施形態に従った複数の金属燃料要素２０の使用は、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅの設計によるＡＰ−１０００、ＡＲＥＶＡの設計による複数のＥＰＲ原子炉、またはＧＥの設計によるＡＢＷＲのような、（複数の沸騰水型原子炉および加圧水型原子炉を含む）軽水炉（ＬＷＲ）中で従来用いられている酸化ウランまたは混合酸化物燃料に対する様々な利点を容易にする。例えば、１または複数の実施形態に従うと、既存の複数の種類のＬＷＲまたは提案されてきている新たな複数の種類のＬＷＲにおいて現在用いられている標準的な酸化ウラン燃料および燃料集合体を、複数の全金属燃料要素２０および／または燃料集合体１０によって置換することにより、標準的な酸化ウランまたは混合酸化物燃料で動作するＬＷＲの定格出力が最大約３０％増大され得るであろう。
【０１１６】
標準的な酸化ウラン燃料で動作する複数のＬＷＲの定格出力を増大することに対する複数の主要な制約のうちの１つは、そのような燃料が利用する円筒状の複数の燃料要素の表面積の小ささであった。円筒状の燃料要素は、あらゆる種類の燃料要素の断面外形の中で、体積に対する表面積の比率が最も低い。標準的な酸化ウラン燃料にとっての別の主要な制約は、許容可能な燃料性能の基準は依然として満たしながらも、そのような複数の燃料要素が到達し得るであろう燃焼度が比較的低いことであった。その結果、標準的な酸化ウランまたは混合酸化物燃料に関連したこれら複数の因子が、既存の原子炉の定格出力を増大し得る程度を、著しく制限している。
【０１１７】
複数の全金属燃料要素２０の１または複数の実施形態は、上記の複数の制限を克服する。例えば上述のように、複数のスペーサー格子が無いことは、油圧抵抗を低減するであろう。従って、冷却材の流れおよび複数の要素２０から一次冷却材への熱流束を増大させる。複数の燃料要素２０のらせん状のねじれは、冷却材の混合および乱流を増大させるであろう。これもまた、複数の要素２０から冷却材への熱流束を増大させるであろう。
【０１１８】
本発明の１または複数の実施形態に従った予備的な中性子工学および熱油圧解析が、以下のことを示してきた。
・ＬＷＲ原子炉の定格熱出力は、最大３０．７％またはそれ以上まで増大することができた（例えば、ＥＰＲ原子炉の定格熱出力は４．５９ＧＷｔｈから６．０ＧＷｔｈへと増大することができた）。
・ウラン−ジルコニウム混合物における２５％のウラン体積分率および１９．７％のウラン−２３５濃縮を用いると、四葉型の金属燃料要素２０の構成を有するＥＰＲ原子炉炉心は、６．０ＧＷｔｈという増大した定格熱出力において、１バッチ当り７２個の燃料集合体が（１８ヶ月毎に一度）置き換えられた場合には、約５００−５２０定格出力運転日数（ＥＦＰＤ）にわたって動作できた。あるいは、１バッチ当り８０個の燃料集合体が（１８ヶ月毎に一度）置き換えられた場合には、５４０−５６０ＥＦＰＤにわたって動作できた。
・複数突出部型の燃料要素中の増大した表面積に起因して、６．０ＧＷｔｈの増大した定格出力においてさえも、複数突出部型の燃料要素の平均表面熱流束は、４．５９ＧＷｔｈの定格熱出力で動作している円筒状の複数の酸化ウラン燃料要素の平均表面熱流束に比べて、４−５％低いことが示される。これは、臨界熱流束に関して安全マージンの増大（例えば、複数のＰＷＲにおける核沸騰限界マージンの増大、または複数のＢＷＲにおける限界出力比を制限する最大分率の増大）を提供することができた。さらにこれは、複数のバーナブルポイズンを有する１つの集合体当り、１２個の燃料要素を用いる可能性を与えることができた。サイクルの開始時における過剰な反応性を除くため、または炉心の加熱の間のドップラー効果を増大させるために、複数のバーナブルポイズンが用いられ得た。
・従って、複数の燃料集合体１０は、従来の複数の酸化ウランまたは混合酸化物燃料集合体に比べて、より低い燃料動作温度において、より大きな熱出力を提供するであろう。
【０１１９】
集合体１０の増大した出力を利用するために、従来の複数の発電所は改修されることができるであろう（例えば、より大きな、および／または追加の複数の冷却材ポンプ、蒸気発生器、熱交換器、加圧器、タービン）。実際のところ、１または複数の実施形態に従うと、改修によって、既存の原子炉から、３０−４０％多くの電気を提供することができるであろう。そのような可能性は、完全な第２の原子炉を建造する必要を回避するであろう。改修費用は、増大した電気出力によって、すぐに元が取れるであろう。代替的に、複数の集合体１０のより高い熱出力を処理し、利用するための適切な複数の構造を含むために、複数の新たな発電所が建造されることができるであろう。
【０１２０】
さらに、本発明の１または複数の実施形態は、原子炉の主要な変更を何ら行わなくても、ＬＷＲが、既存の複数の原子炉システムを用いた標準的な酸化ウランまたは混合酸化物燃料によって得られるものと同じ定格出力で動作することを可能とするだろう。例えば、一実施形態に従うと：
・ＥＰＲは、従来の酸化ウラン燃料が用いられた場合と同じ出力を有するであろう：４．５９ＧＷｔ。
・ウラン−ジルコニウム混合物における２５％のウラン体積分率およびおよそ１５％のウラン−２３５濃縮を用いると、四葉型の金属燃料要素２０の構成を有するＥＰＲ原子炉炉心は、１バッチ当り７２個の燃料集合体が置き換えられた場合には、約５００−５２０定格出力運転日数（ＥＦＰＤ）にわたって動作できた。あるいは、１バッチ当り８０個の燃料集合体が置き換えられた場合には、５４０−５６０ＥＦＰＤにわたって動作できた。
・複数の要素２０に対する平均表面熱流束は、従来の酸化ウラン燃料による円筒状の複数の棒の場合に比べて、およそ３０％低減される（例えば３９．９４対５７．３４Ｗ／ｃｍ２）。集合体１０を通る冷却材の温度上昇（例えば、入口温度と出口温度との間の差）および集合体１０を通る冷却材の流量は、従来の複数の燃料集合体と比べて大体同じのままであるので、低減された平均表面熱流束は、臨界熱流束に関する増大した安全マージン（例えば、複数のＰＷＲにおける核沸騰限界マージンの増大、または複数のＢＷＲにおける限界出力比を制限する最大分率の増大）に寄与する、燃料棒表面温度の対応する低下をもたらす。
【０１２１】
付加的におよび／または代替的に、本発明の１または複数の実施形態に従った複数の燃料集合体１０は、従来の複数の燃料集合体の代わりに、原子炉炉心中に段階的に／段々と実行されることができる。移行期間の間に、従来の複数の燃料集合体と同等な核分裂性／中性子工学的／熱的出力を有する複数の燃料集合体１０は、発電所の複数の動作パラメータを変更することなく、連続的な燃料の変更を通してそのような従来の複数の燃料集合体と徐々に置き換わることができる。従って、複数の燃料集合体１０は、移行期間の間は重要であろう既存の炉心中に組み込まれることができる（すなわち、複数の燃料集合体１０を有する部分的な炉心から始めて、複数の燃料集合体１０の完全な炉心へと徐々に移行する）。
【０１２２】
さらに、複数の集合体１０の核分裂性充填量は、設備のオペレータによって所望される特定の移行に合わせて調整されることができる。例えば、複数の集合体１０が置き換える従来の複数の燃料集合体の使用と比べて、原子炉の熱出力を０％から３０％、あるいはそれより高いところのどこかまで増大させるべく、核分裂性充填量は適切に増大されることができる。結果的に、発電所のオペレータは、既存の設備のインフラストラクチャーまたは発電所の能力に基づいて、複数の改修の間に何度も、所望される具体的な出力率の向上を選択することができる。
【０１２３】
複数の燃料集合体１０および複数の燃料要素２０の１または複数の実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく、（複数の軽水炉とは対照的に）複数の高速炉に用いられてよい。複数の高速炉においては、燃料カーネル１００の非燃料金属が好ましくは耐火金属、例えばモリブデン合金（例えば、純粋なモリブデンまたはモリブデンと他の複数の金属との組み合わせ）であり、クラッド１２０は好ましくはステンレス鋼（それらの任意の合金のバリエーションを含む）、または、そのような複数の原子炉中の冷却材（例えばナトリウム）と共に使用するのに適切な他の物質である。そのような複数の燃料要素２０は、上述の共押出プロセスによって製造されてよい。あるいは、任意の他の適切な方法（例えば真空溶解）により製造されてよい。
【０１２４】
図７Ａ、７Ｂおよび８に示されるように、本発明の１または複数の実施形態に従った複数の燃料集合体５１０は、ＣＡＮＤＵ炉のような加圧重水型原子炉５００中（図８を参照）で用いられてよい。
【０１２５】
図７Ａおよび７Ｂに示されるように、燃料集合体５１０は、フレーム５２０に取り付けられた複数の燃料要素２０を含む。フレーム５２０は、複数の燃料要素２０の反対側の軸方向端部に（例えば、溶接、締まりばめ、下部タイプレート７０に複数の要素２０を取り付けるための上述の様々な種類の取り付け方法の任意のものによって）取り付ける２つのエンドプレート５２０ａ、５２０ｂを備える。燃料集合体５１０中で用いられる複数の要素２０は、通常、集合体１０中で用いられる複数の要素２０よりもずっと短い。様々な実施形態および原子炉５００に従うと、原子炉５００中で用いられる複数の要素２０および複数の集合体５１０は、長さ約１８インチであってよい。
【０１２６】
複数の要素２０は、複数の自己離間平面が集合体１０に関する上述の様式で複数の要素２０間の間隔を維持するように、集合体５１０中で互いに対して配置されてよい。代替的に、集合体５１０の複数の要素２０は、隣接する複数の要素２０が決して互いに接触しないようにお互いから間隔があけられてよく、その代わりに、要素２０の間隔を維持するためのフレーム５２０に完全に依存してよい。付加的に、隣接する複数の要素２０に接触するため、および要素２０の間隔を維持することを支援するために、複数の要素２０の軸方向長さに沿った様々な位置に、（例えば、加圧重水型原子炉用の従来の複数の燃料集合体の従来の複数の燃料棒に対する、棒の間隔維持を支援するための複数のスペーサーの用いられ方と同様な様式で）複数のスペーサーが複数の要素２０またはそれらの複数のリブに取り付けられてよい。
【０１２７】
図８に示されるように、複数の集合体５１０は、原子炉５００（時々、当該分野においてはカランドリア５００と呼ばれる）の複数のカランドリアチューブ５００ａに送り込まれる。原子炉５００は、減速材および一次冷却材として重水５００ｂを使用する。一次冷却材５００ｂは、複数のチューブ５００ａを通って水平に循環し、次に熱交換器へと循環する。熱交換器では、タービンによって電気を生成するために通常用いられる二次冷却材のループへと熱が伝えられる。通常、原子炉５００が動作している間に、複数のカランドリアチューブ５００ａの片側に複数の燃料集合体５１０を充填し、使用済みの複数の集合体５１０を複数のチューブ５００ａの反対側から押し出すために、複数の燃料集合体充填機構（図には示されない）が用いられる。
【０１２８】
複数の燃料集合体５１０は、既存の従来の複数の加圧重水型原子炉（例えば複数のＣＡＮＤＵ炉）用の、従来の複数の燃料集合体（当該分野においては複数の燃料束としても知られる）を直接置換すべきものとして設計されてよい。そのような一実施形態においては、複数の集合体５１０が、従来の複数の集合体／束の代わりに原子炉５００中に送り込まれる。そのような複数の燃料集合体５１０は、置き換えられる従来の複数の集合体と同様な複数の中性子工学的／熱的性質を持つように設計されてよい。代替的に、複数の燃料集合体５１０は、熱出力率の向上を提供するように設計されてよい。そのように率の向上された複数の実施形態において、新たな、または改修された複数の原子炉５００は、より高い熱出力を提供するように設計されることができる。
【０１２９】
本発明の様々な実施形態に従うと、燃料集合体１０は、従来の原子炉の従来の燃料集合体を置き換えるように設計される。例えば、図１に示される燃料集合体１０は、複数のＵＯ２燃料棒の１７×１７のアレイを利用する従来の燃料集合体を置き換えるために、具体的に設計されている。もしも集合体１０の複数のガイドチューブ４０が、従来の燃料集合体での使用に対してそうだったものと正確に同一の位置に残され、且つ、複数の燃料要素２０の全てが同じサイズの場合、複数の燃料要素／棒の間のピッチは、従来のＵＯ２燃料集合体と燃料集合体１０の１または複数の実施形態との間で変化しないままである（例えば１２．６ｍｍピッチ）。言い換えると、複数の燃料要素２０の複数の長軸は、従来の複数のＵＯ２燃料棒の複数の長軸が、同等な従来の燃料集合体において配置されたであろう場所と同じ複数の場所に配置されてよい。様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素２０は、同等な複数のＵＯ２燃料棒より大きな外接直径を有してよい（例えば、典型的なＵＯ２燃料棒の外径９．５ｍｍに比べて１２．６ｍｍ）。その結果、図１に示される自己整合平面において、複数の燃料要素２０によって占有される空間の断面の長さおよび幅は、従来の燃料集合体において従来の複数のＵＯ２燃料棒により占有されるものよりもわずかに大きくてよい（例えば、９．５ｍｍの複数のＵＯ２燃料棒がお互いから１２．６ｍｍピッチで分離された１７×１７のアレイを含む従来のＵＯ２燃料集合体が２１１．１ｍｍであるのとは対照的に、燃料集合体１０は２１４．２ｍｍである（すなわち、１７個の燃料要素２０×１つの燃料要素当り１２．６ｍｍの外接直径））。従来の複数のＵＯ２燃料集合体においては、スペーサー格子が複数の燃料棒を取り囲み、従来の燃料集合体の全体的な断面包絡線を２１４ｍｍ×２１４ｍｍまで増大させる。燃料集合体１０においては、シュラウド３０が、燃料集合体１０の断面包絡線を同様に増大させる。シュラウド３０は、任意の適切な厚さ（例えば０．５ｍｍまたは１．０ｍｍ厚）であってよい。１．０ｍｍ厚のシュラウド３０を利用する一実施形態においては、燃料集合体１０の一実施形態の全体的な断面包絡線は、２１６．２ｍｍ×２１６．２ｍｍであってよい（例えば、直径１２．６ｍｍの燃料要素２０の１７個分によって２１４ｍｍが占有され、シュラウド３０の厚さ１．０ｍｍを２倍した分が加えられる）。その結果、本発明の１または複数の実施形態に従うと、燃料集合体１０は、典型的なＵＯ２燃料集合体（２１４ｍｍ×２１４ｍｍ）よりもわずかに大きくてよい（例えば２１６．２ｍｍ×２１６．２ｍｍ）。より大きなサイズは、従来の複数のＵＯ２燃料集合体での使用に向けて設計された１または複数の従来の原子炉の燃料集合体の複数の位置に、集合体１０が適切に適合する能力を損なうであろう。サイズのこの変化に適合するために、本発明の１または複数の実施形態に従って新たな原子炉が設計されてよく、複数の燃料集合体１０のより大きなサイズに適合するように建造されてよい。
【０１３０】
本発明の代替的実施形態に従うと、複数の燃料要素２０の全ての外接直径は、燃料集合体１０の全体的な断面サイズを低減するために、わずかに縮小されてよい。例えば、それぞれの燃料要素２０の外接直径が、０．１３ｍｍだけ縮小されて１２．４７ｍｍとなってよい。それにより、燃料集合体１０によって占有される全体的な断面空間は、従来の２１４ｍｍ×２１４ｍｍの燃料集合体と同等なままである（例えば、直径１２．４７ｍｍの燃料要素２０の１７個分に、シュラウドの厚さ１．０ｍｍの２つ分を加えると、合計は約２１４ｍｍとなる）。１７×１７アレイのサイズのそのような縮小は、従来の燃料集合体における複数のガイドチューブ位置に対して、燃料集合体１０における複数のガイドチューブ４０の位置をわずかに変化させるであろう。複数のチューブ４０の位置におけるこのわずかな位置の変化に適合するために、対応する制御棒アレイの複数の位置および原子炉中の複数の制御棒駆動機構は、再配置された複数のガイドチューブ４０に適合するように同様にシフトされてよい。代替的に、もしも従来の原子炉中において複数の制御棒に対して十分な間隔および許容値が与えられれば、従来のように配置される複数の制御棒は、燃料集合体１０のわずかにシフトされた複数のチューブ４０に適切に適合するであろう。
【０１３１】
代替的に、従来の複数の燃料集合体用に設計された従来の原子炉に集合体１０全体が適合するように、外縁にある複数の燃料要素２０の直径がわずかに縮小されてよい。例えば、燃料集合体の合計のサイズが２１４ｍｍ×２１４ｍｍであるように、複数の燃料要素２０のより外側の列の外接直径が、１．１ｍｍ分縮小されてよい（例えば、１２．６ｍｍの燃料要素２０を１５個分に加えて１１．５ｍｍの燃料要素２０を２個分、これに加えてシュラウド３０の厚さ１．０ｍｍの２つ分）。代替的に、燃料集合体の合計のサイズが２１４ｍｍ×２１４ｍｍのままであるように、複数の燃料要素２０のより外側の２つの列の外接直径が、それぞれ０．５５ｍｍ分縮小されてよい（例えば、１２．６ｍｍの燃料要素２０を１３個分に加えて１２．０５ｍｍの燃料要素を４個分、これに加えてシュラウド３０の厚さ１．０ｍｍの２つ分）。それぞれの実施形態においては、複数のガイドチューブ４０が、従来の原子炉中の制御棒アレイおよび複数の制御棒駆動機構と位置合わせされるように、複数の燃料要素２０および複数のガイドチューブ４０から成る中央の１３×１３のアレイのピッチおよび位置は変えられないままである。
【０１３２】
図１０は、本発明の代替的実施形態に従った燃料集合体６１０を示す。様々な実施形態に従うと、様々な従来の複数のＵＯ２燃料集合体との使用に向けて設計された複数の原子炉の制御棒配置を維持しながらも、従来の原子炉中の従来のＵＯ２燃料集合体を置き換えるべく燃料集合体６１０は設計される。燃料集合体６１０は、図１に示される上述の燃料集合体１０と概ね同様であるが、複数の制御棒位置または複数の制御棒駆動機構を変更することなしに、集合体６１０が１または複数の既存の原子炉の種類（例えば、複数のＵＯ２棒による１７×１７のアレイを利用するＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅの燃料集合体設計を用いた複数の原子炉）に対してより良好に適合するのに役立つ、いくつかの差異を含む。
【０１３３】
図１０に示されるように、燃料集合体は、複数の空間による１７×１７のアレイを含む。中央の１５×１５のアレイは、図１に示された同様な燃料集合体１０に関して上述したように、２００個の燃料要素２０および２５個のガイドチューブ４０によって占有される。特定の原子炉設計に依存して、もしも原子炉設計が中央のチューブ４０を利用しない場合には、追加の燃料要素２０によって中央のガイドチューブ４０が置き換えられてよい（すなわち、２０１個の燃料要素２０および２４個のガイドチューブ４０）。複数のガイドチューブ４０の位置は、従来の複数のＵＯ２燃料集合体を使用するべく設計された複数の原子炉中にて用いられる複数のガイドチューブの位置に対応する。
【０１３４】
燃料集合体６１０の１７×１７のアレイ／パターンの外縁にある複数の位置（すなわち、複数の燃料要素２０から側方外側に配置された複数の位置）は、６４個のＵＯ２燃料要素／棒６５０によって占有される。当該分野において知られているように、複数の燃料棒６５０は、中空の棒中に配置された標準的なペレット化されたＵＯ２燃料を含んでよい。ペレット化されたＵＯ２燃料は、Ｕ−２３５によって、２０％未満、１５％未満、１０％未満、および／または５％未満濃縮されてよい。複数の棒６５０は、複数の燃料要素２０の外接直径よりもわずかに小さい直径（例えば９．５０ｍｍ）を有してよい。これは、従来のＵＯ２燃料集合体に割り当てられた空間に集合体６１０がより良好に適合するように、燃料集合体６１０の全体的な断面寸法をわずかに縮小する。
【０１３５】
示される実施形態においては、複数の燃料棒／要素６５０は、ペレット化されたＵＯ２燃料を含む。しかしながら、複数の燃料棒／要素６５０は、代替的に、１または複数の核分裂性物質および／または核燃料親物質（例えば、トリウム、プルトニウム、ウラン−２３５、ウラン−２３３、それらの任意の複数の組み合わせ）の任意の他の適切な組み合わせを利用してよい。そのような複数の燃料棒／要素６５０は、金属および／または酸化物燃料を含んでよい。
【０１３６】
１または複数の代替的実施形態に従うと、複数の燃料棒６５０は、６４個の外縁位置の全てのうちの一部を占有してよい。例えば、複数の燃料棒６５０は、外縁の最上部の横列および左側の縦列を占有してよく、これに対して、外縁の最下部の横列および右側の縦列は複数の燃料要素２０によって占有されてよい。代替的に、複数の燃料棒６５０は、燃料集合体の外縁にある任意の他の２つの辺を占有してよい。シュラウド６３０は、燃料集合体の外縁にある追加の複数の燃料要素２０を包囲するように変更されてよい。そのように変更された複数の燃料集合体は、互いに隣接して配置されてよい。それにより、１つの集合体中の外縁にある複数の燃料要素６５０の１つの横列／縦列は、隣接する燃料集合体中の複数の燃料要素２０の１つの横列／縦列に常に隣接するようになる。その結果、隣接する複数の集合体間の接触面が、複数の燃料要素６５０を周囲の接触面側に含む集合体に向かってわずかにシフトされるという事実によって、複数の燃料集合体に対して追加の空間が提供される。そのような変更は、複数の燃料集合体６１０によって提供されるよりも高い熱出力の複数の燃料要素２０を、より数多く使用することを提供するであろう。
【０１３７】
シュラウド６３０は、複数の燃料要素２０のアレイを取り囲み、複数の要素２０を複数の要素６５０から分離する。複数のノズル５０、６０、シュラウド６３０、それらの間に形成される複数の冷却材流路、複数の要素２０および要素６５０を通っての相対的な複数の圧力低下、および／または複数の要素６５０を囲むスペーサー格子６６０（以下で議論される）を通っての増大する圧力低下は、シュラウド６３０の外側および相対的により低い熱出力の複数の燃料棒６５０を通り過ぎた流量と比べて、シュラウド６３０の内側およびより高い熱出力の複数の燃料要素２０を通り過ぎた場合に、より高い冷却材流量をもたらすであろう。複数の要素２０、６５０を通り過ぎた相対的な冷却材流量を、それらのそれぞれの熱出力および設計される動作温度に基づいて最適化するように、複数の流路および／またはその中にある複数の開口が設計されてよい。
【０１３８】
様々な実施形態に従うと、燃料集合体６１０の複数の燃料要素２０に対する減速材：燃料の比率は、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、および／または１．８より小さいかまたは等しい。示される実施形態においては、減速材：燃料の比率は、（２）シュラウド６３０内の複数の燃料要素２０の複数のカーネル１００の断面積の合計、に対する（１）冷却材／減速材にとって利用可能なシュラウド６３０内の合計の面積（例えば、（複数のガイドチューブ４０が冷却材で充填されていると仮定して）シュラウド６３０内の合計の断面積から複数の燃料要素２０によって占有される断面積の合計を引くことによって近似される）の比率に等しい。
【０１３９】
本発明の代替的実施形態に従うと、シュラウド６３０は、１または複数の環状のバンドによって置き換えられてよい。あるいは、上述のように、シュラウド６３０中に複数の穴が提供されてよい。複数のバンドまたはシュラウド６３０中の複数の穴の使用は、複数の燃料要素２０と複数の燃料要素６５０との間の冷却材の交差混合を容易にするであろう。
【０１４０】
図１０に示されるように、複数の燃料要素６５０は、従来のＵＯ２燃料集合体中で用いられるスペーサー格子の外側の部分と概して同等な環状のスペーサー格子６６０内に配置される。スペーサー格子６６０は（例えば複数の溶接、ボルト、ネジ、または他の締結具によって）シュラウド６３０に強固に接続してよい。中央の複数の燃料要素２０同士の間で提供されるように、複数の燃料要素６５０と複数の燃料要素２０との間で同じピッチ（例えば、全ての燃料要素２０、６５０の複数の軸間での１２．６ｍｍピッチ）を提供するように、好ましくは、スペーサー格子６６０は大きさを合わせられる。そのような間隔を提供するために、複数の燃料要素６５０は、シュラウド６３０およびスペーサー格子６６０の内側に対してよりも、スペーサー格子６６０の外側により近いように配置されてよい。燃料集合体６１０およびスペーサー格子６６０はまた、好ましくは、隣接する複数の燃料集合体の複数の燃料要素６５０間に同じピッチ（例えば１２．６ｍｍピッチ）が提供されるように、大きさを合わせられ、配置される。しかしながら、本発明の範囲から逸脱することなく、複数の燃料要素２０、６５０の任意のものの間の間隔は、その他の複数の燃料要素２０、６５０の間の間隔に対して変動してよい。
【０１４１】
様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素２０が、燃料集合体６１０の全ての核分裂性物質含有燃料要素２０、６５０の総体積のうち少なくとも６０％、６５％、７０％、７５％、および／または８０％を提供する。例えば、それぞれが約７０ｍｍ２の断面積を有する２０１個の燃料要素２０、および、それぞれが９．５ｍｍの直径を有する６４個の燃料要素６５０を燃料集合体６１０が含むような１または複数の実施形態に従うと、複数の燃料要素２０が、全ての燃料要素２０、６５０の総体積のうち約７５．６％を提供する（２０１個の燃料要素２０×７０ｍｍ２は１４０７０ｍｍ２に等しく、６４個の燃料要素６５０×π×（９．５／２）２＝４５３４ｍｍ２、燃料要素２０、６５０の複数の面積は本質的に複数の燃料要素の体積に比例する、（１４０７０ｍｍ２／（１４０７０ｍｍ２＋４５３４ｍｍ２）＝７５．６％））。
【０１４２】
燃料集合体６１０の高さは、集合体６１０が置き換えることができる同等な従来の燃料集合体の高さ（例えば、ＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅまたはＡＲＥＶＡ原子炉設計に対する標準的な燃料集合体の高さ）に一致させる。
【０１４３】
示される燃料集合体６１０は、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ  ４−ループ設計、ＡＰ１０００、またはＡＲＥＶＡ  ＥＰＲのような１７×１７のＰＷＲ中に用いられてよい。しかしながら、燃料集合体６１０の設計はまた、様々な他の原子炉設計（例えば、六角形の外縁が複数のＵＯ２棒によって占有され、これに対して、内側の複数の位置が複数の燃料要素２０によって占有される場合のような六角形の燃料集合体を利用する複数の原子炉設計、または複数の沸騰水型原子炉、または複数の小型でモジュール式の複数の原子炉）に適合するように変更されてよい。特定の複数の寸法が特定の複数の実施形態に関して説明されているものの、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な代替的な寸法の複数の燃料要素２０、６５０および複数の燃料集合体１０が、様々な原子炉または原子炉の種類に関連して用いられてよい。
【０１４４】
特定の原子炉設計に応じて、燃料集合体の追加的な複数の棒の位置が、複数のＵＯ２棒によって置き換えられてよい。例えば、燃料集合体６１０が複数のＵＯ２棒を外縁の列にのみ含むのに対して、本発明の範囲から逸脱することなく、集合体６１０は代替的に、外側の２つの列に複数のＵＯ２棒を含むことができるであろう。
【０１４５】
様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素６５０を支持する燃料集合体６１０の一部分は、複数の燃料要素２０を支持する燃料集合体６１０の一部分から分離できない。様々な実施形態に従うと、（たとえ個々の燃料要素２０、６５０が、例えば、個々の燃料要素の破損に基づいて、集合体６１０から除去され得るものであったとしても）複数の燃料要素２０は、燃料集合体６１０の複数の燃料要素６５０からユニットとして分離できない。同様に、燃料集合体６１０の燃料要素２０部分に対して燃料集合体の燃料要素６５０部分を選択的に固定する固定機構が存在しない。様々な実施形態に従うと、燃料集合体６１０全体が原子炉内で用いられ、その後単一の使用済みユニットとして除去されるように、燃料集合体６１０の複数の燃料要素２０と複数の燃料要素６５０とは、同じ設計寿命サイクルを有する。
【０１４６】
様々な実施形態に従うと、燃料集合体６１０内の複数の燃料要素２０の増大した熱出力は、集合体６１０が置き換える全てＵＯ２の従来の燃料棒集合体と比べて、出力率の向上を提供することができる。様々な実施形態に従うと、出力率の向上は少なくとも５％、１０％、および／または１５％である。様々な実施形態に従うと、率の向上は、１から３０％、５から２５％、および／または１０から２０％の間であってよい。様々な実施形態に従うと、燃料集合体６１０は少なくとも１８か月の燃料サイクルを提供するが、２４＋あるいは３６＋か月の燃料サイクルへと移すこともまた容易にするであろう。図１０に示される要素２０に関して上記にて説明された複数の例示的パラメータを有する複数の燃料要素２０を使用する燃料集合体６１０の一実施形態に従うと、集合体６１０は、以下の複数の表において特定される複数の動作パラメータの下において、従来のＵＯ２燃料集合体と比べて１７％の率の向上を提供する。
0006366689.tif 000003
0006366689.tif 000004
【０１４７】
図１１−１３は、本発明の代替的実施形態に従った燃料集合体７１０を示す。様々な実施形態に従うと、従来のＵＯ２燃料をベースとする原子炉の制御棒配置を維持しながらも、従来の原子炉中の従来のＵＯ２燃料集合体を置き換えるように燃料集合体７１０は設計される。燃料集合体７１０は、燃料集合体６１０の外縁の列における複数のＵＯ２棒６５０が複数の金属燃料要素７３０、７４０によって置き換えられていることを除いて、燃料集合体６１０と概ね同様または同一である。以下に説明されるように、複数の燃料要素７３０、７４０は、複数の制御棒位置、複数の制御棒駆動機構、または燃料集合体の外形寸法を変更することなく、１または複数の既存の原子炉の種類（例えば、複数のＵＯ２棒による１７×１７のアレイを利用するＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅの燃料集合体設計を用いる複数の原子炉）に集合体７１０がより良好に適合することを支援するように変更される。複数の燃料要素７３０、７４０は、燃料集合体７１０の全ての燃料要素２０、７３０、７４０のサブセットを定義する。ここでサブセットは、燃料集合体７１０の１７×１７の格子パターンの複数の格子位置のうち、外縁の列／外周／環に沿って配置される。
【０１４８】
図１１は、自己離間平面において示される燃料集合体７１０の部分的な断面図である。複数の燃料要素２０、７３０、７４０は、それらの複数の中心軸が１７×１７の正方格子パターン状に配置されるように配置されている。示される実施形態においては、燃料集合体７１０中の任意の２つの隣接する燃料要素２０、７３０、７４０間の中心線から中心線までの間隔が、好ましくは同じ（例えば１２．６ｍｍ）であり、複数の燃料要素２０、７３０、７４０の外接直径に一致する。従来の複数のガイドチューブ４０位置を用いた従来の複数の原子炉（例えばＡＰ−１０００）において利用可能な空間包絡線中に適合するように、複数の燃料要素７３０、７４０の複数の外側部は、シュラウド７５０内に適合するように、サイズが側方に縮小されている。図１１においては、側方の面積の減少が点線によって示されている。
【０１４９】
図１３Ａおよび１３Ｂに示されるように、複数の燃料要素２０、７３０は同様であり、好ましくは同じ外接直径（例えば１２．６ｍｍ）を有する。これは複数の燃料要素２０、７３０間の自己離間を容易にする。燃料要素７３０は、（１）燃料要素７３０の燃料カーネル７６０が燃料要素２０の燃料カーネル１００より小さいこと、（２）燃料要素７３０のクラッド７７０が平均すると燃料要素２０のクラッド１２０より厚いこと、および（３）元のクラッド７７０の一部分７７０ｂを除くために、クラッド７７０の１つの外周側面７７０ａが他の複数の外周側面と比べて側方に縮小されていることを除いて、燃料要素２０と同様または同一であってよい。
【０１５０】
燃料カーネル７６０をより小さくすること、およびクラッド７７０をより厚くすることは、カーネル７６０の周りのクラッド７７０の十分に厚い層を依然として確保しながらも、クラッド７７０の一部分７７０ｂが除去されることを可能にする。様々な実施形態に従うと、クラッド７００の厚さは、燃料要素７３０の全体にわたって、少なくとも０．４、０．５、および／または０．６ｍｍである。
【０１５１】
除去される一部分７７０ｂは、好ましくは、燃料要素７３０がらせん状の突出した形状に形成された後に除去される。除去される一部分７７０ｂは、任意の適切な方法（例えば研削、ホーニング、粉砕、等）によって除去されてよい。らせんの結果、除去される一部分７７０ｂは、燃料要素７３０の複数の突出部上の周囲に位置合わせされた複数の一部分から除去されるであろう。言い換えると、シュラウド７５０に隣接し且つシュラウド７５０と境を接するであろう燃料要素７３０の側面７７０ａに突出部が配置される領域において、クラッド７７０の複数の突出部の複数の一部分７７０ｂが除去される。複数の燃料要素７３０のらせん状のねじれに起因して、クラッド７７０は、燃料要素７３０から均一には除去されない。シュラウド７５０によって制限されるので、むしろ、集合体７１０の包絡線境界に衝突する複数の突出部の複数の先端部７７０ａのみにおいて除去される。様々な実施形態に従うと、除去される一部分７７０ｂの半径方向における短縮距離７８０は、燃料要素７３０の外接直径Ｄの少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、および／または１０％であってよい。および／または、３０、２０、および／または１５％未満であってよい。様々な実施形態に従うと、半径方向における短縮距離７８０は、少なくとも０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、および／または１．３ｍｍであってよい。および／または、４．０、３．０、２．０、および／または１．５ｍｍ未満であってよい。
【０１５２】
複数の代替的な実施形態に従うと、燃料要素７３０は、除去される複数の一部分７７０ｂが決して存在しておらず、除去される必要が無いように、元から、その最終的な形状に形成されてよい。
【０１５３】
図１１に示されるように、角の燃料要素７４０は、（燃料要素７３０において成されたように１つの側面７７０ａだけではなく）燃料要素７４０のクラッド７７０の円周方向に間隔があけられた２つの側面７７０ａが、複数の一部分７７０ｂを除くために側方に縮小されていることを除いて、側面の燃料要素７３０と本質的に同一であってよい。これにより燃料要素７４０は、燃料集合体７１０の角の格子位置に適切に適合するとともに、シュラウド７５０の直交する２つの側面に境を接する。
【０１５４】
いくつかの非限定的な実施形態に従うと、複数の燃料要素７３０、７４０の複数の燃料カーネル７６０は、複数の燃料要素２０の複数のカーネル１００より小さな体積（あるいは、燃料集合体の延伸された軸方向に対して垂直な断面で見た場合の面積）を有する。複数の燃料カーネル７３０、７４０は、本明細書中の他の箇所において説明されるような、燃料要素２０の形状および設計によって提供される様々な他の恩恵を保持する。様々な実施形態に従うと、カーネル７６０の体積がより小さいことを相殺するために、複数のカーネル７６０の核分裂性充填量は、外縁にはない複数のカーネル２０と比べて（例えば、より高く濃縮されたウランによって）増大されてよい。
【０１５５】
図１３Ｂに示されるように、除去される一部分７７０ｂの除去により、結果として、複数の燃料要素７３０、７４０の幾何的な軸方向中心線８００（すなわち、燃料要素７３０のらせん状にねじられた形状を囲む円の中心）が、複数の燃料要素７３０、７４０の軸方向の重心８１０（および／またはクラッド７７０の軸方向の重心）からずらされている。様々な非限定的実施形態に従うと、ずれ量は、外接直径Ｄの少なくとも０．１、０．３、０．４、０．５、１．０、２．０、３．０、４．０、および／または５．０％であってよい。および／または、外接直径Ｄの３０、２０、および／または１０％未満であってよい。様々な非限定的実施形態に従うと、カーネル７６０の軸方向の重心（図１３Ｂを参照のこと）は、燃料要素７３０の軸方向中心線８００に留まる。
【０１５６】
様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素２０、７３０、７４０は、（軸方向に測定される）長さが１から５メートルの間であり、外接直径は６から４０ｍｍの間、６から３０ｍｍの間、６から２０ｍｍの間、９から１５ｍｍの間、および／または約１２．６ｍｍである。様々な実施形態に従うと、複数の燃料要素７３０、７４０の外接直径Ｄに対するそれらの軸方向長さの比率は、少なくとも１０：１、２０：１、３０：１、４０：１、５０：１、１００：１、２００：１、および／または３００：１であり、および／または１０００：１未満である。
【０１５７】
図１１に示される自己離間平面においては、複数の燃料要素２０、７３０、７４０の自己離間を容易にするために、複数の燃料要素７３０、７４０の側方に縮小された複数の側面７７０ａが、シュラウド７５０と接触する。
【０１５８】
図１２は、２つの自己離間平面間の中間で軸方向に（例えば、燃料集合体７１０の延伸された長さに沿って）配置された平面内で示される燃料集合体７１０の断面図である。この平面内では、複数の燃料要素７３０、７４０から、いずれのクラッド７７０も除去されていない。何故ならば、複数の燃料要素７３０、７４０のこの軸方向位置では、複数の一部分７７０ｂが除去されなくても複数の燃料要素７３０、７４０が適合するように、複数の燃料要素７３０、７４０の複数の突出部は、シュラウド７５０から十分に間隔があけられているからである。
【０１５９】
複数の燃料要素７３０、７４０および燃料集合体７１０は、その中に埋め込まれた特定のガイドチューブパターンを持った１７×１７の正方格子パターンの燃料集合体を利用する原子炉中での使用に向けて設計されているように示されるものの、燃料集合体７１０および複数の燃料要素２０、７３０、７４０は、代替的に、様々な他の複数の種類の原子炉（例えば、１６×１６または１４×１４の格子パターンを利用する複数の原子炉、複数の六角形の燃料要素格子パターンおよび複数の燃料集合体を有する複数の原子炉）で用いられてよい。例えば、もしも、複数の六角形の燃料集合体および格子パターン用に設計された原子炉中での使用に向けた燃料集合体に対して複数の燃料要素２０が適切に適合しないような場合、好ましくは原子炉の複数のガイドチューブ位置を再配置する必要無しに、そのような燃料集合体の六角形格子の外縁にある列が、特定の要求される包絡線に適合させるべくそれらの外側部が削られるように変更されている、複数の燃料要素７３０、７４０のような複数の燃料要素を含んでよい。
【０１６０】
図１４−２０は、本発明の代替的実施形態に従った燃料集合体９１０を示す。様々な実施形態に従うと、燃料集合体９１０は、従来の原子炉（例えば、２０１２年の時点で使用中の原子炉）の制御棒の配置を維持しながらも、従来の原子炉中の従来のＵＯ２燃料集合体を置き換えるように設計されている。燃料集合体９１０は、（１）燃料集合体９１０の複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄの全てが、好ましくは互いに幾何的に同一であること、（２）外縁にある列から４つの燃料要素が除去されること、（３）角にはない外縁の列にある複数の燃料要素９２０ａの複数の中心線９２０ａ'が、隣接するが角にはない外縁の燃料要素９２０ａの複数の中心線９２０ａ'および外縁ではないうちの最も外側の列の燃料要素９２０ｃの中心線９２０ｃ'とともに複数の正三角形を形成するべく内側にシフトされていること、および（４）外縁の角にある複数の燃料要素９２０ｂの中心線９２０ｂ'が、複数の燃料集合体６１０、７１０の複数の燃料要素７４０、６５０に対して内側にシフトされていることを除いて、複数の燃料集合体６１０、７１０と概ね同様または同一である。
【０１６１】
図１４に示されるように、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄの全ては、互いに幾何的に同一であってよく、全てが上述の複数の燃料要素２０を含んでよい。しかしながら、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄのうちの異なる複数のものの核分裂性充填量は、（例えば、燃料集合体９１０にわたって生成される熱負荷を均等にするために）異なっていてよい。複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄのそれぞれは、同じ外接直径（例えば１２．６ｍｍ）を有する。複数の代替的な実施形態に従うと、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄは、互いに幾何的に同一ではない。
【０１６２】
複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂの外縁の列／サブセットを側方内側にシフトさせることにより、十分な空間が提供される。それにより、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄの間の中心線から中心線までの間隔と同じ外接直径を有する複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄが、上述した従来の複数の原子炉中に提供される空間の包絡線内に適合しながら用いられ得る。
【０１６３】
図１４に示されるように、中央の複数の燃料要素９２０ｃ、９２０ｄおよび複数のガイドチューブ４０に対する複数の格子位置による中央の１５×１５の正方形パターンは、原子炉用の従来の複数の燃料集合体における中央の１５×１５の正方形パターンおよび複数の位置に一致する。
【０１６４】
複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｃによる外縁の列は、燃料集合体９１０の中心に向けて側方内側にシフトされている。内方側へシフトさせることは、制御棒／ガイドチューブ４０の複数の位置、複数の制御棒駆動機構、または燃料集合体の複数の寸法を変更することなく、集合体９１０が、１または複数の既存の原子炉の種類（例えば、複数のＵＯ２棒の１７×１７のアレイを利用するＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅの燃料集合体設計を用いた複数の原子炉）に対して、より良好に適合するのに役立つ。
【０１６５】
図１６に示される実施形態においては、外接直径が１２．６ｍｍである複数の燃料要素９２０ａが、側方内側にシフトされている。それにより、複数の燃料要素９２０ａの複数の中心線９２０ａ'と複数の燃料要素９２０ｃの複数の中心線９２０ｃ'との間の中心から中心までの距離は、中央の１５×１５の格子パターンの横列／縦列格子方向に突き出されるように、約１０．９ｍｍずらされている。複数の燃料要素９２０ａが、従来の１７×１７の格子パターンの複数の位置を維持していたとするならば、ずれ量は１０．９ｍｍではなく１２．６ｍｍであったろう。複数の燃料要素９２０ａを内方側へシフトさせることは、結果として、約２１１ｍｍ（１２．６ｍｍピッチが全部で１５回、これに加えて１０．９ｍｍピッチが全部で２回）の横列または縦列全体の幅を生じる。これは、シュラウド９４０内での約２１１ｍｍの横列および縦列包絡線内に適合する。シュラウド９４０の厚さが加えられると、燃料集合体９１０の横列および縦列全体の幅は、燃料集合体９１０がこれに適合するように設計されている例示的な従来の原子炉によって提供される２１４ｍｍの包絡線内に適合する。
【０１６６】
複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂを内方側にシフトさせることを容易にするために、従来の燃料集合体と比べて、外縁の列／環から４つの燃料要素が省かれている。図１４に示される実施形態においては、複数の燃料要素の外縁の列／環は、燃料要素９２０ａが５６個と、燃料要素９２０ｂが４個とで、合計６０個の燃料要素を含む。参照として、従来の１７×１７の燃料集合体であれば、複数の格子位置による外縁の列／環には６４個の燃料要素を含むであろう。
【０１６７】
図１５に示されるように、外縁の次の列にある複数の燃料要素９２０ｃの複数の軸方向中心線９２０ｃ'と、角ではない外縁の列にある複数の燃料要素９２０ａの複数の軸方向中心線９２０ａ'とが複数の正三角形を形成し、そこでは、中心から中心までの複数の距離が、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｃの外接直径に等しい。
【０１６８】
図１５−１８に示されるように、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｃおよびシュラウド９４０は、燃料集合体９１０に沿って異なる複数の軸方向位置において、様々な異なる部分自己離間平面を有する。図１５および１６に示される断面においては、複数の燃料要素９２０ａは、お互いに、およびシュラウド９４０と、境を接するとともに自己離間する。図１７および１８に示される断面においては、それぞれの燃料要素９２０ａが、複数の燃料要素９２０ｃのうちの１つと隣接し、自己離間する。全体としては、図１５に示される方向において見ると、それぞれの燃料要素９２０ａは、シュラウド９４０とは０度において（図１５に示される）、隣接する複数の燃料要素９２０ａとは９０度および２７０度において（図１５に示される）、内側の燃料要素９２０ｃの１つとは１５０度において（図１８に示される）、および、内側の燃料要素９２０ｃの別のものとは２１０度において（図１７に示される）自己離間点を有する。複数の部分自己離間平面のこの組み合わせが結びついて、複数の燃料要素９２０ａの適当な自己離間を提供する。
【０１６９】
図１４および１５に示されるように、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｃ、９２０ｄは、以下を含む混合格子パターン状に配置される。（１）複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄの共通の外接直径Ｄに等しいような複数の横列と複数の縦列との間の中心線から中心線までの距離を有する正方形に配置された複数の横列および複数の縦列から形成される第１格子パターン（複数の燃料要素９２０ｃ、９２０ｄによる中央の１５×１５のアレイ）。および、（２）それぞれの三角形の各辺の長さ（すなわち、それぞれの三角形の複数の角を定義する、隣接する複数の燃料要素間の中心線から中心線までの距離）が、複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄの共通の外接直径Ｄであるような複数の正三角形によって形成される第２格子パターン（複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｃにより形成される２つの外縁の列）。従って、第２／三角形格子パターンは、第１／正方格子パターンとは異なる。複数の代替的な実施形態に従うと、本発明の範囲から逸脱することなく、追加の、および／または代替的な複数の格子パターン（例えば、複数の長方形の格子パターン、複数の等角三角形パターン、複数の平行四辺形パターン、その他の複数の規則的な繰り返しパターン）もまた用いられることができる。
【０１７０】
複数の燃料要素９２０ａ、９２０ｂ、９２０ｃ、９２０ｄは、重ならない第１（複数の燃料要素９２０ｄ）、第２（複数の燃料要素９２０ａ）、第３（複数の燃料要素９２０ｃ）、および第４（複数の燃料要素９２０ｂ）サブセットを含む。第１サブセット（複数の燃料要素９２０ｄ）は、第１／正方格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置される。第２サブセット（複数の燃料要素９２０ａ）は、第２／三角形格子パターンによって定義されるそれぞれの格子位置内に配置される。第３サブセット（複数の燃料要素９２０ｃ）は、それぞれが第１／正方格子パターンと第２／三角形格子パターンとの両方に含まれるそれぞれ重なり合う格子位置内に配置される。第４サブセット（複数の燃料要素９２０ｂ）は、第１または第２格子パターンによって定義される複数の格子位置のいずれの内にも配置されない。
【０１７１】
図１９に示されるように、外縁の角にある複数の燃料要素９２０ｂは、横列および縦列の方向に突き出されるので、中心線９２０ｂ'から中心線９２０ｃ'までの距離が約８．９ｍｍである。図２０に示されるように、これは、１２．６ｍｍの外接した燃料要素９２０ｂに対して、燃料要素９２０ｂの２２５度の位置に、燃料要素９２０ｂと内側の隣接する燃料要素９２０ｃとの間の部分自己離間平面を与える。図１９に示されるように、シュラウド９４０の角は、燃料要素９２０ｃとシュラウド９４０との間において、燃料要素９２０ｂのおよそ０度と９０度の位置に２点の部分自己離間平面を提供するように形成されてよい。複数の部分自己離間平面のこの組み合わせが結びついて、複数の燃料要素９２０ｂの適当な自己離間を提供する。
【０１７２】
燃料集合体９１０に関して様々な例示的な複数の直径、中心から中心までの間隔、複数の格子サイズ、および他の複数の寸法が説明されているが、これらの例示的な複数の値は非限定的である。むしろ、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な代替的な複数の値が用いられ得ることを理解するであろう。
【０１７３】
図２１は、燃料集合体９１０に存在していた４つの外側の角にある燃料要素９２０ｂが省かれている、および／または複数のガイドチューブ１０２０、１０３０によって置き換えられていることを除いて、燃料集合体９１０と概ね同様な燃料集合体１０１０を示す。
【０１７４】
図２２−３８は、複数の燃料集合体１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０の様々な実施形態を示す。これらは、図３９−４４に説明される種類の従来の／標準的な１６×１６の複数の燃料集合体の代わりに用いられてよい。これら複数の集合体１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０の様々な実施形態が、従来のＣＥ原子炉（例えば２０１２年の時点で使用中の原子炉）の制御棒配置を維持しながらも、従来の軽水ＰＷＲ原子炉中の従来の１６×１６のＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＣＥ）ＵＯ２燃料集合体を置き換えるように設計される。
【０１７５】
図２２は、１６×１６の燃料集合体設計に向けられた代替的実施形態に従った燃料集合体１１１０を示す。集合体１１１０は、上述の複数の要素２０と同様であるか、あるいは同一であってよい燃料要素１１２０を２３６個含む。そのため、複数の要素２０、１１２０の共通の態様についての冗長な議論は省略する。様々な実施形態に従うと、燃料集合体１１１０の複数の燃料要素１１２０の全てが、互いに幾何的に同一である。従来の１６×１６の集合体（例えば、図３９−４４にて説明される）を置き換える集合体１１１０に対して利用可能な原子炉の空間においては、２０７．８ｍｍの燃料集合体のピッチで、隣接する複数の燃料集合体の間に、相対的に大きな初期のウォーターギャップがある（例えば５．３ｍｍ）。その結果、様々な実施形態に従うと、従来のように配置された複数のガイドチューブの既存の配置を変更することなく、且つ、例えば０．５０６インチ（１２．８５２ｍｍ）である既存の棒から棒までのピッチを維持しながらも、集合体１１１０は、正方形のアレイ／配置の１６列全てに配置された、同一、または実質的に同一な複数の燃料要素１１２０を備えてよい。様々な実施形態に従うと、集合体１１１０は、シュラウド９４０と概ね同様であるが、１６×１６の燃料集合体に大きさを合わせられたシュラウド１１３０を含む。様々な実施形態に従うと、シュラウドの厚さは０．１から２．０ｍｍの間、０．２から０．８ｍｍの間、０．３から０．７ｍｍの間、および／または、およそ０．４８ｍｍである。相対的に薄いシュラウド１１３０は、従来の１６×１６の複数の燃料集合体の代わりに使用されるように適切に適合されたままでありながらも、複数の燃料要素１１２０およびウォーターギャップ用に十分な間隔を提供する。１または複数の実施形態に従うと、集合体１１１０は、１．２ｍｍのウォーターギャップを有し、８．１３４インチ（２０６．６ｍｍ）の最大燃料集合体包絡線／幅を可能とする原子炉内に適合する。例えば、燃料要素のピッチおよび幅が１２．８５２ｍｍであり、且つシュラウド１１３０が０．４８ｍｍ厚である１または複数のそのような実施形態に従うと、燃料集合体１１１０の幅は２０６．９５ｍｍ（（１２．８５２ｍｍ／要素×１６要素）＋（２×０．４８ｍｍ／シュラウド側面））であり、これは２０６．６ｍｍの包絡線内に適合する。
【０１７６】
図２２に示されるように、集合体１１１０は、複数の制御棒用に５つのガイドチューブ１１４０を含む。図２３に示されるように、それぞれのガイドチューブ１１４０は、内側ガイドチューブ部１１４０ａおよび外側スペーサーリング部１１４０ｂを含む。内側部および外側部１１４０ａ、１１４０ｂは一体的に形成されてよく、あるいは、別々に形成されて互いに対して取り付けられてよい。様々な実施形態に従うと、内側ガイドチューブ部１１４０ａの内径は、その中に挿入されるべき制御棒チューブの外径よりもわずかに大きい。例えば、様々な実施形態に従うと、内側ガイドチューブ部１１４０ａの内部の直径は約０．９インチであって、０．８１６インチの外径を有し、且つ（例えば、０．７３７インチの直径を有する）バーナブル吸収材／バーナブルポイズン物質を含む制御棒をその中に収容するように構成される。
【０１７７】
図２３に示されるように、外側スペーサーリング部１１４０ｂは、複数の燃料要素１１２０の外径によって定義されるとともに、複数の燃料要素１１２０のらせん状のねじれにわたる複数の燃料要素１１２０の外側の広がりを定義する複数の円（図２３に示される）に境を接する外径を有する。例えば、複数の燃料要素１１２０が０．５０６インチの外径を有し、ガイドチューブ１１４０が１．０９４インチの外径を有するような一実施形態においては、複数の外接した円は、０．５０６インチの直径を有し、それぞれの燃料要素１１２０の格子／アレイ位置の中心線の位置に中心が置かれる。結果的に、ガイドチューブ１１４０に隣接する複数の横列および縦列にある８個の燃料要素１１２０が、各燃料要素１１２０の軸方向長さに沿った様々な位置においてガイドチューブ１１４０と境を接する（例えば、４つのリブのそれぞれについて、燃料要素１１２０の完全な３６０度のねじれのそれぞれに対して、燃料要素からガイドチューブへの接触点が１つある）。図２４および２５は、４つの隣接する燃料要素１１２０の異なる複数の組み合わせがガイドチューブ１１４０に境を接する場合の複数の断面を示す。図２３に示される断面がホームまたは０度位置と見なされた場合、図２４は、複数の燃料要素１１２０が時計回りに約１８°回転されている／ねじられている平面（すなわち、要素１１２０の１回分の完全な３６０°のねじれのうち、およそ１／２０だけホーム／０度位置の平面からずらされた平面）における断面を示す。同様に図２５は、複数の要素１１２０の７２°のねじれであり、要素１１２０の１回分の完全な３６０°のねじれのうち、およそ１／５だけホーム／０度位置の平面からずらされた断面を示す。
【０１７８】
図２６−３０は、代替的実施形態に従った燃料集合体１２１０を示す。集合体１２１０は、複数の燃料要素１２２０ｃ、１２２０ｄによる中央の１４×１４のアレイおよび複数のガイドチューブ１２４０を含み、これらは、集合体１１１０における複数の燃料要素１１２０による中央の１４×１４のアレイおよび複数のガイドチューブ１１４０と、位置、形状、および構造が同様である。または同一である。しかしながら、集合体１２１０中の複数の燃料要素１２２０ａによる最も外側の外縁の環の（すなわち、横列１および１６と縦列１および１６の）数および位置は、集合体１１１０におけるそれらとは異なる。正方形の１６×１６のアレイ内の複数の格子位置に配置される代わりに、複数の燃料要素１２２０の外縁の環、複数の燃料要素１２２０ａは、同等な１７×１７の燃料集合体９１０に対して上述したようなものと同じ様式で、複数の燃料要素１２２０ｃと複数の正三角形を形成するように配置される。また、図３０に最も良く示されるのであるが、集合体９１０中のように、複数の燃料要素１２２０ｂをそれらの適当な複数の位置に維持するための３つの接触点を提供するべく、複数の燃料要素１２２０ｂが、少なくとも２つの異なる位置（または連続的な弧）においてシュラウド１２３０に接触するとともに複数の燃料要素１２２０ｃのうちの角の１つに接触するように、集合体１２１０は、他の複数の燃料要素に対して配置された角の複数の燃料要素１２２０ｂおよびシュラウド１２３０を含む。
【０１７９】
図２６に示されるように、様々な非限定的実施形態に従うと、複数の燃料要素１２２０ａ、ｂ、ｃ、ｄのそれぞれは、互いに対して同一または実質的に同一であってよく、複数の燃料要素２０と同一または実質的に同一であってよい。図２６に示されるように、様々な実施形態に従うと、集合体１２１０は２３２個の燃料要素１２２０ａ,ｂ,ｃ,ｄを含む。
【０１８０】
図２７に示される断面平面がホーム／０°平面と見なされた場合、図２８に示される断面は、複数の要素１２２０におけるねじれの３０°分（すなわち、複数の要素１２２０の完全な３６０°のねじれの１／１２）だけホーム／０°平面からずらされている断面平面に対応する。同様に図２９は、複数の要素１２２０におけるねじれの６０°分（すなわち、複数の要素１２２０の完全な３６０°のねじれの１／６）だけホーム／０°平面からずらされている断面平面に対応する。同様に図３０は、複数の要素１２２０におけるねじれの４５°分（すなわち、複数の要素１２２０の完全なねじれの１／８）だけホーム／０°平面からずらされている断面平面に対応する。
【０１８１】
様々な実施形態に従うと、集合体１２１０の外周に沿った三角形の格子の使用は、（ａ）全ての要素が１６×１６の正方格子／アレイ（例えば、図２２に示される集合体１１１０の１または複数の実施形態）に配置される様々な実施形態に従って可能なものよりも、より厚く、より強いシュラウド１２３０の使用、および／または、（ｂ）より大きなウォーターギャップの使用、を容易にする。様々な実施形態に従うと、シュラウド１２３０の厚さは０．４から４ｍｍの間、０．４から３ｍｍの間、０．５から２．５ｍｍの間、１から２ｍｍの間、および／または約２ｍｍである。
【０１８２】
様々な実施形態に従うと、燃料集合体１２１０の複数の燃料要素１２２０ａ、ｂ、ｃ、ｄの全ては、互いに幾何的に同一であり、複数の要素２０と同一または実質的に同一であってよい。
【０１８３】
図３１は、角構造１３５０がシュラウド１２３０の外側に配置され、取り付けられていることを除いて、燃料集合体１２１０と概ね同一な燃料集合体１３１０を示す。図３１に示されるように、角構造１３５０は、シュラウド１２３０の角の曲がった輪郭に概ね従い、もしもシュラウド１２３０の複数の角が曲がったものでなかったとした場合にシュラウド１２３０によって定義されるであろう正方形内に適合する断面形状を有する。様々な実施形態に従うと、角構造１３５０は、燃料集合体１３１０の軸方向の長さ全体（または、複数の燃料要素１２２０および／またはシュラウド１２３０の軸方向の長さ全体）にわたって延びる。代替的に角構造１３５０は、集合体１３１０、シュラウド１２３０、および／または複数の燃料要素１２２０（複数の燃料要素１２２０ａ、ｂ、ｃ、およびｄを含む）よりも、軸方向により短かくてよい。角構造１３５０は、その軸方向の長さ全体にわたって図３１に示される断面形状を保持してよい。あるいは断面形状は、角構造１３５０の軸方向の長さにわたって変動してよい。
【０１８４】
角構造１３５０の使用は、燃料集合体１３１０が、シュラウド１２３０の外側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にするであろう。
【０１８５】
図３２は、集合体１３１０に関連して示されるようなシュラウド１２３０の外側とは対照的に、集合体１４１０の角構造１４５０が、集合体１４１０のシュラウド１４３０の内部に配置されることを除いて、燃料集合体１３１０と実質的に同様な燃料集合体１４１０を示す。角構造１４５０は、シュラウド１４３０の内側の角に取り付けられる。シュラウド１４３０は、シュラウド１２３０における場合よりも、シュラウド１４３０の複数の角がより鋭い（すなわち、より小さく曲がった／面取りされた）ことを除いて、シュラウド１２３０と概ね同様である。
【０１８６】
図３２に示されるように、複数の位置において（または、部分的な円筒によって定義される弧にわたって連続的に）燃料要素１２２０ｂと境を接するように、角構造１４５０の内側の輪郭は部分的に円筒状である。様々な実施形態に従うと、部分的な円筒形状は、約９０度の弧に及び、燃料要素１２２０ｂをその正しい位置に維持するために、燃料要素１２２０ｂの半径に一致する半径を有する。
【０１８７】
角構造１４５０の使用は、燃料集合体１３１０が、シュラウド１４３０の１または複数の角の内側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にする。
【０１８８】
図３３は、集合体１４１０における角構造１５５０の部分的に円筒状の内側表面が、集合体１４１０の角構造１４５０より大きな弧Ａにわたって延びることを除いて、燃料集合体１４１０と実質的に同様な燃料集合体１５１０を示す。様々な実施形態に従うと、弧Ａは９０°から３１０°の間、１２０°から３１０°の間、１５０°から３１０°の間、１８０°から３１０°の間、および／または、およそ２７０°である。図３３に示されるように、様々な実施形態に従うと、角構造１４５０はまた、複数の燃料要素１２２０ａをそれらの正しい複数の位置に維持するために、隣接する複数の燃料要素１２２０ａとも境を接する。
【０１８９】
角構造１５５０の使用は、燃料集合体１５１０が、シュラウド１４３０の１または複数の角の内側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にするであろう。
【０１９０】
図３４は、外周の角にある複数の燃料要素が完全に省かれている（例えば、集合体１５１０中には存在していた燃料要素１２２０ｂが省かれている）こと、および、省かれていなければそのような角にある燃料要素１２２０ｂによって占められていたであろう空間を占有するために角構造１６５０が拡張されていることを除いて、燃料集合体１５１０と実質的に同様な燃料集合体１６１０を示す。図３４に示されるように、角構造１６５０は、２つの隣接する燃料要素１２２０ａおよび隣接する燃料要素１２２０ｃと境を接する。これは、これら３つの要素１２２０ａ、ｃをそれらの正しい複数の位置に維持するためである。
【０１９１】
角構造１６５０の使用は、燃料集合体１６１０が、シュラウド１４３０の１または複数の角の内側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にするであろう。
【０１９２】
図３５は、集合体１２１０の角にある燃料要素１２２０ｂが角構造１７５０によって置き換えられていることを除いて、燃料集合体１２１０と実質的に同様な燃料集合体１７１０を示す。様々な実施形態に従うと、構造１７５０は管状であり、角の燃料要素１２２０ｃをその正しい位置に保持するために、構造１７５０がシュラウド１２３０上の複数の点および角にある燃料要素１２２０ｃに境を接するようにさせる直径（例えば１５ｍｍ）を有する。角構造１７５０は、チューブに（例えば溶接によって）取り付けられるワイヤのような物質がらせん状に巻き付けられたチューブを備えてよい。それにより、上述のように隣接する複数の燃料要素のらせん状のねじれがそうしたのと同じまたは同様な方法で、角構造が、隣接する複数の燃料要素をそれらの正しい位置に維持する。
【０１９３】
角構造１７５０の使用は、燃料集合体１７１０が、シュラウド１２３０の１または複数の角の内側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にするであろう。
【０１９４】
図３６は、角構造１８５０が、凹状で部分的に円筒状に形成され、隣接する複数の燃料要素１２２０ａのそれぞれおよび隣接する角の燃料要素１２２０ｃと１つずつ境を接する３つの面を有することを除いて、燃料集合体１６１０と実質的に同様な燃料集合体１８１０を示す。凹状で部分的に円筒状に形成された３つの面の半径および位置は、角構造１８５０が、拡張された複数の弧Ａ、Ｂ、Ｃを通じて複数の燃料要素１２２０ａ、１２２０ｃと境を接するように、嵌合する複数の燃料要素１２２０ａ、１２２０ｃの複数の半径および複数の位置と一致する。拡張された複数の弧Ａ、Ｂ、Ｃの接触は、隣接する複数の燃料要素１２２０ａ、１２２０ｃをそれらの正しい複数の位置に維持する。
【０１９５】
図３６に示されるように、角構造１８５０は、シュラウド１８３０の角を定義してよい。例えば、シュラウド１８３０は、その複数の端部が角構造１８５０に接続する複数のプレート１８３０ａを備えてよい。代替的に、シュラウド１８３０はシュラウド１２３０と同様または同一であってよく、角構造１８５０は、シュラウド１８３０の内側に配置され、取り付けられてよい。
【０１９６】
角構造１８５０の使用は、燃料集合体１８１０が、集合体１８１０の１または複数の角の内側に配置される利用可能な空間を利用することを可能にするであろう。
【０１９７】
様々な実施形態に従うと、角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０は、燃料集合体１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０の４つの角のそれぞれに配置される。しかしながら、複数の代替的な実施形態に従うと、角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０は、集合体１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０の４つの角のうちの１つ、２つ、および／または３つにだけ配置されてよい。
【０１９８】
様々な実施形態に従うと、角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０は、ジルコニウム、および／またはウラン、および／またはプルトニウム、および／またはトリウム、および／またはこれら複数の物質のいずれでもないバーナブルポイズン、鋼、合金、またはセラミックの１または複数を含んでよい。様々な実施形態に従うと、角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０は固体であってよい。様々な実施形態に従うと、角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０は、（例えば、管状の鋼および／または複数のジルコニウム金属または複数の合金で形成された）中空の構造を含んでよい。中空の構造は、（１）そこを通る流れを可能にするために端部が開放されて中身の無いもの、（２）端部が閉じられていて中身の無いもの、および／または（３）端部が閉じられていて、部分的または完全に物質（例えば、ペレットまたは他の形態の酸化物燃料、バーナブルポイズン等）によって充填されたもの、であってよい。
【０１９９】
複数の角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０および関連した複数のシュラウド１２３０、１４３０、１８３０は、従来の１６×１６の複数の燃料集合体の代わりに使用するように設計された複数の燃料集合体１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０に関連して示されているが、そのような複数の角構造１３５０、１４５０、１５５０、１６５０、１７５０、１８５０および関連した複数のシュラウドの構成は、本発明の範囲から逸脱することなく、代替的に、従来の１７×１７の複数の燃料集合体の代わりに使用するように設計された上述の複数の燃料集合体９１０、１０１０に対して適用されることもできるであろう。
【０２００】
図３７は、（集合体１２１０におけるように外側の環だけではなく）複数の燃料要素１９２０ａによる最も外側の環と複数の燃料要素１９２０ｂによる２番目に最も外側の環の両方が、複数の要素１９２０ｃによる３番目に最も外側の環との正三角形の格子アレイに向けて内側にシフトされていることを除いて、燃料集合体１２１０と実質的に同様な燃料集合体１９１０を示す。複数の要素１９２０ｃによる３番目に最も外側の環および複数の要素１９２０ｄによる中央の１０×１０のアレイ（集合的に複数の要素１９２０ｃ、１９２０ｄによる中央の１２×１２のアレイ）は、正方格子／アレイ状に配置される。
【０２０１】
図３７に示されるように、複数の燃料要素１９２０ａによる最も外側の環の複数の角から、複数の燃料要素が省かれている（すなわち、（例えば、集合体１１１０に関連して図２２に示されるような）最も外側の環内の各格子位置が１つの燃料要素によって占有されている集合体中の燃料要素の数と比べて、４つの燃料要素を省いている））。複数の要素１９２０ｂによる２番目に最も外側の環からは、（例えば、集合体１１１０に関連して図２２に示されるような）２番目に最も外側の環内の各格子位置が１つの燃料要素によって占有されている集合体中の燃料要素の数と比べて、同様に４つの燃料要素が省かれている。複数の燃料要素１９２０ｂによる２番目に最も外側の環の残った燃料要素１９２０ｂ'は、複数の燃料要素１９２０ｂによる２番目に最も外側の環の複数の角のそれぞれに配置されている。
【０２０２】
様々な実施形態に従うと、複数の角および複数の燃料要素１９２０ｂ'に隣接する複数の燃料要素１９２０ａの正しい複数の位置を維持することを支援するために、複数のスペーサーおよび／または複数の角構造が加えられてよい。
【０２０３】
様々な実施形態に従うと、（図２６の集合体におけるような１つの環だけとは対照的に）複数の要素による２つの外側の環における正三角形の間隔の使用は、燃料集合体１９１０にとって利用可能な包絡線内に、追加の空間を提供する。そのような空間は、例えば、より厚シュラウド１９３０またはより大きなウォーターギャップのために用いられてよい。
【０２０４】
様々な実施形態に従うと、燃料集合体１９１０の複数の燃料要素１９２０ａ、１９２０ｂ、１９２０ｂ'、１９２０ｃ、１９２０ｄの全ては、互いに幾何的に同一であり、複数の要素２０と同一または実質的に同一であってよい。図３７に示されるように、様々な実施形態に従うと、集合体１９１０は２２８個の燃料要素１９２０ａ、ｂ、ｂ'、ｃ、ｄを備える。
【０２０５】
図３８は、図３７に示される集合体１９１０における角に隣接して配置された２つの燃料要素１９２０ａの代わりに、複数の要素２０２０ａによる最も外側の環において単一の角の燃料要素２０２０ａ'が用いられることを除いて、燃料集合体１９１０と実質的に同様な燃料集合体２０１０を示す。その結果、燃料集合体２０１０は、燃料集合体１９１０に存在しているものよりも４個少ない燃料要素を有する。図３８に示されるように、様々な実施形態に従うと、集合体２０１０は２２４個の燃料要素２０２０ａ、ａ'、ｂ、ｂ'、ｃ、ｄを備える。
【０２０６】
様々な実施形態に従うと、燃料集合体２０１０の複数の燃料要素２０２０ａ、２０２０ａ'、２０２０ｂ、２０２０ｂ'、２０２０ｃ、２０２０ｄの全ては互いに幾何的に同一であり、複数の要素２０と同一または実質的に同一であってよい。
【０２０７】
様々な寸法が様々な図面中に示されているものの、そのような複数の寸法はただ単に例示的であり、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されるべきである。むしろこれら複数の寸法は、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な面において変更されてよい（より大きく、またはより小さく、あるい質的に異なる）。
【０２０８】
複数の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０は、好ましくは、陸上型原子炉９０、５００（例えば、複数の陸上型ＬＷＲ（複数のＢＷＲおよび複数のＰＷＲを含む）、複数の陸上型高速炉、電気および／または電気以外の目的のために用いられる熱（例えば海水脱塩、化学処理、蒸気発生、等）を生成するように設計された複数の陸上型重水炉）での使用に向けて熱力学的に設計され、物理的に形成されている。そのような複数の陸上型原子炉９０は、とりわけ、ＶＶＥＲ、ＡＰ−１０００、ＥＰＲ、ＡＰＲ−１４００、ＡＢＷＲ、ＢＷＲ−６、ＣＡＮＤＵ、ＢＮ−６００、ＢＮ−８００、Ｔｏｓｈｉｂａ  ４Ｓ、Ｍｏｎｊｕ、ＣＥ、等を含む。しかしながら、本発明の代替的な複数の実施形態に従うと、複数の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０は、複数の海洋型の原子炉（例えば、複数の船舶または潜水艦動力装置、沿岸での使用に向けた出力（例えば電気）を生成させるように設計された複数の浮体式発電所）での使用、または他の複数の原子炉の応用に向けて設計されてよいし、用いられてよい。
【０２０９】
複数の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０、および関連する複数の原子炉炉心は、複数の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０が、適合する複数の幾何的包絡線を有する他の複数の燃料集合体のすぐ隣（例えば、複数のすぐ隣の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０）に配置されるように設計され、構成されている。様々な実施形態に従うと、複数の燃料集合体１０、５１０、６１０、７１０、９１０、１０１０、１１１０、１２１０、１３１０、１４１０、１５１０、１６１０、１７１０、１８１０、１９１０、２０１０は、原子炉炉心によって定義される燃料集合体格子パターン（例えば、正方形の複数の燃料集合体（例えばＡＰ−１０００、ＣＥ）を受け入れるように設計された原子炉炉心用の正方形パターン中、六角形の複数の燃料集合体（例えばＶＶＥＲ）を受け入れるように設計された原子炉炉心用の三角形／六角形パターン中）において互いに対して隣接して配置される。
【０２１０】
示された前述の複数の実施形態は、本発明の構造的および機能的な複数の原理を示すために提供されるものであって、限定するものであることは意図されない。それとは反対に本発明の複数の原理は、任意且つ全ての変更、修正、および／または置換を、以下の複数の特許請求項の主旨および範囲内に包含することが意図されている。
【図１】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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