(57)【要約】  原子炉用の燃料バンドルが提供され、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及び／又はＥｕからなる少なくとも２種の中性子吸収材と共に、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及び／又はＰＵ−２４１の核分裂性物質を含む燃料要素を含み得て、核分裂性物質（複数可）及び少なくとも２種の中性子吸収材は、燃料要素内で均質に混合される。内部要素及び外部要素を有する燃料要素を含む原子炉用の燃料バンドルもまた提供され、少なくとも１種の内部要素は、核分裂性物質と少なくとも２種の中性子吸収材との均質混合物を含む。原子炉用の燃料要素もまた提供され、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及び／又はＥｕからなる少なくとも２種の中性子吸収材と共に、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及び／又はＰＵ−２４１の核分裂性物質を含み得て、核分裂性物質（複数可）及び少なくとも２種の中性子吸収材は、燃料要素内で均質に混合される。【選択図】図２
2018510361.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉用の燃料バンドルであって：
Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質と、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材とを含む燃料要素を含み；
少なくとも１種の核分裂性物質と、少なくとも２種の中性子吸収材とが、燃料要素内で均質に混合される、
上記燃料バンドル。
【請求項２】
前記燃料要素が第１の燃料要素であり、前記燃料バンドルが核分裂性物質を含む第２の燃料要素を更に含み、前記第１の燃料要素が燃料バンドルの内側部分に配置され、前記第２の燃料要素が燃料バンドルの外側部分に配置される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項３】
前記燃料バンドルの外側部分に配置される核分裂性物質を含む複数の燃料要素を更に含む、請求項２に記載の燃料バンドル。
【請求項４】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、０．９重量％超の濃縮度である、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項５】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度である、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項６】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含む、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項７】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項８】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項９】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項１０】
原子炉用の燃料要素であって：
Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質と、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材とを含み；
少なくとも１種の核分裂性物質と、少なくとも２種の中性子吸収材とが、燃料要素内で均質に混合される、
上記燃料要素。
【請求項１１】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、０．９重量％超の濃縮度である、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１２】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度である、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１３】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含む、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１４】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１５】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１６】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項１７】
原子炉用の燃料バンドルであって：
内部要素と外部要素とを含む複数の燃料要素を含み；
少なくとも１種の内部要素が、核分裂性物質と少なくとも２種の中性子吸収材との均質混合物を含む、
上記燃料バンドル。
【請求項１８】
前記核分裂性物質が、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含み、前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【請求項１９】
前記核分裂性物質が、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含み、前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で少なくとも１種の内部要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【請求項２０】
一般に円筒形の形状を有するＣＡＮＤＵ型燃料バンドルである、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]原子炉では、自由中性子がウラン−２３５（２３５Ｕ）などの核燃料内の核分裂性原子の原子核により吸収される、核連鎖反応（すなわち、核分裂）からエネルギーを発生する。自由中性子が吸収されると、核分裂性原子はより軽い原子に分裂し、他の核分裂性原子によって吸収される、より多くの自由中性子を放出し、結果として核連鎖反応をもたらす。核連鎖反応から放出された熱エネルギーは、当業者に周知の多くの他のプロセスを通して電気エネルギーに変換される。
【０００２】
[0002]低レベルの核分裂性含有物（例えば、天然ウランと同程度に低いレベル）を有する核燃料を燃焼するように構成された原子力発電炉の出現は、可燃性核燃料という多くの新しい供給源を生み出してきた。これらの供給源は、他の炉からの廃棄物又は再利用ウランを含む。これは、費用削減の観点から興味深いだけでなく、使用済みウランを燃料サイクルに戻し、本質的に再利用する能力に基づいている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003]このような核燃料は、炉心に加えられ、かつ除去され得る燃料バンドルにまとめられることが多い。出力発生を維持するために、新しい燃料バンドルが挿入され、有用寿命を超えて燃焼し尽くした使用済み燃料バンドルと置き換えられる。出力における局所的スパイクは、新しい原子炉燃料バンドルが挿入されたときに発生し得る。出力発生サイクル全体を通して一定に近い出力発生を維持するために、これらの出力スパイクを低減することが望ましい。中性子吸収材（本明細書で「毒物」、「可燃性毒物」、「吸収材」、「可燃性吸収材」などとも表され得る）は、一部の自由中性子を吸収することによって原子核連鎖反応を減少させ、それによってこれらの出力スパイクを低減するために、核分裂性含有物と共に燃料バンドル内に含まれ得る。しかしながら、原子炉の目標は出力を発生することであるため、一般に反応度を低減させることは望ましくないことであり得る。したがって、燃料バンドルが使用済みとなり新しい燃料バンドルが加えられたにもかかわらず、出力発生サイクル全体を通して相対的に一定した出力発生を達成することは、絶え間なくバランスをとる行為である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004]したがって、炉心の正常な稼働中に低出力影響（及び関連するパラメータ）を維持する一方、低反応度影響を達成し、燃料取出燃焼度を伸ばす配列及び組成物を有する核燃料バンドルを提供することが本開示の目的である。本発明に基づく燃料設計のいくつかの実施形態は、ＣＡＮＦＬＥＸ燃料を含み得るカナダ型重水（ＣＡＮＤＵ）原子炉燃料の内部領域において、かつ非ＣＡＮＤＵ型燃料集合体の燃料要素において、中性子吸収材材料のユニークな組合せ及び分布を使用することを特徴とする。
【０００５】
[0005]本開示のいくつかの実施形態では、原子炉用の燃料バンドルが提供され、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質を含み、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材を含む燃料要素を含み、少なくとも１種の核分裂性物質及び少なくとも２種の中性子吸収材は、燃料要素内で均質に混合される。
【０００６】
[0006]本発明のいくつかの実施形態は、原子炉用の燃料要素を提供し、燃料要素は、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質を含み、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材を含み、少なくとも１種の核分裂性物質及び少なくとも２種の中性子吸収材は、燃料要素内で均質に混合される。
【０００７】
[0007]本発明のいくつかの実施形態では、原子炉用の燃料バンドルが提供され、内部要素及び外部要素を含む複数の燃料要素を含み、少なくとも１種の内部要素は、核分裂性物質と少なくとも２種の中性子吸収材との均質混合物を含む。
【０００８】
[0008]本開示の他の態様は、詳細な説明及び添付の図面を考察することにより、明白となるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】[0009]図１は、図２〜６の任意の燃料バンドルを利用する原子炉の概略図である。
【図２】[0010]図２は、本開示に従った核燃料バンドルの第１構成の断面図であり、燃料バンドル内の多くの可能な燃料及び吸収材の配列を示す。
【図３】[0011]図３は、本開示に従った核燃料バンドルの第２構成の断面図であり、また燃料バンドル内の多くの可能な燃料及び吸収材の配列を示す。
【図４】[0012]図４は、本開示に従った核燃料バンドルの第３構成の断面図であり、また燃料バンドル内の多くの可能な燃料及び吸収材の配列を示す。
【図５】[0013]図５は、本開示に従った核燃料バンドルの第４構成の断面図であり、また燃料バンドル内の多くの可能な燃料及び吸収材の配列を示す。
【図６】[0014]図６は、異なる吸収材の反応度減衰の特徴を例証するグラフである。
【図７】[0015]図７は、様々な吸収材混合物の燃料補給の影響及び取出燃焼度における向上を例証するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0016]本開示の任意の構成が詳細に説明される前に、本開示は、以下の説明に明示されるか又は添付の図面内で例示される構成部分の構成及び配列の詳細にその適用を限定するものではないことを理解されたい。本開示は、他の構成が可能であり、かつ様々な手段で実践されるか又は実行され得る。
【００１１】
[0017]本開示の様々な構成に基づく多くの核燃料設計は、本明細書に記載され、例示される。これらの燃料は、種々の原子炉内で使用することができ、主として加圧型重水炉に関連して本明細書に記載される。重水炉は、例えば、その内部に燃料が配置される、加圧型の水平管又は垂直管を有し得る。このような炉の例は、カナダ型重水（ＣＡＮＤＵ）原子炉であり、その一部を図１に模式的に示す。他のタイプの炉は、開口部を備えた水平管又は垂直管などの非加圧型の水平管又は垂直管を有し得る。
【００１２】
[0018]加圧型重水原子炉は、本開示の様々な核燃料が燃焼され得る単に１つのタイプの原子炉である。したがって、このような炉は、単に一例として本明細書に記載され、本開示の様々な燃料は、他のタイプの原子炉内で燃焼され得ることを理解されたい。例えば、この核燃料設計はまた、本開示の最終部分までに記載されるように、超臨界水炉（ＳＣＷＲ）、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）、及び沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）などの軽水炉（ＬＷＲ）で利用されてもよい。
【００１３】
[0019]同様に、本明細書に記載される本開示の様々な燃料は、燃焼用に原子炉内部に任意の形態で配置され得る。単に一例として、燃料は管内に装荷され得るか又は他の形態で含まれ得る（それぞれ、一般的に「ピン」又は「要素」と呼ばれ、本明細書では簡単化するために「要素」としてのみ表される）。本開示のいくつかの構成において使用される要素の例は、図２〜５に２２で示され、円形断面を有し、以下により詳細を記載する。しかしながら、要素２２は、長方形又は正方形の断面形体などの他の断面形体を有してもよい。管内部に含まれる燃料の場合は、管は、ジルコニウム、ジルコニウム合金、若しくは他の好適な物質又は場合によっては低中性子吸収を特徴とする物質の組合せから作製され得るか又は含み得る。
【００１４】
[0020]複数の要素は共に、原子炉内部の燃料バンドルを規定し得る。このような燃料バンドルは、模式的に図１において１４で示される。燃料バンドル（複数可）は、図２〜５に示すものなどの、円筒形のバンドル形状（すなわち、断面において）を有してもよく、又はその代わりに、ｎ×ｎ燃料要素を有する軽水炉などの非ＣＡＮＤＵ型炉で使用されるものなどの正方形若しくは長方形の形状を有し得る。各バンドル１４の要素は、バンドル内で互いに平行に伸び得る。炉が複数の燃料バンドル１４を含む場合は、バンドル１４は、圧力管１８の内部の両端間に位置し得る。他のタイプの炉では、燃料バンドル１４は、所望されるように他の手法で配列され得る。圧力管１８、燃料バンドル１４、及び／又は燃料要素２２は、様々な形体及びサイズで構成され得る。例えば、圧力管１８、燃料バンドル１４、及び燃料要素２２は、所望される、任意の断面形体（すなわち、図２〜５に示される円形以外）及びサイズを有し得る。別の例として、各燃料バンドル１４内部の燃料要素２２は、任意の相対的サイズ（すなわち、均一サイズ又は図２〜５に示される燃料要素２２の２サイズのもの以外）を有し得る。
【００１５】
[0021]継続して図１を参照すると、炉１０が稼働中である場合、重水冷却材２６は燃料バンドル１４上を流動し、燃料要素を冷却して核分裂プロセスから熱を除去する。図２〜５に示されるように、重水冷却材２６は圧力管１８内部に含まれ、燃料バンドル１４の燃料要素２２の間の副流路を占める。本開示の核燃料はまた、熱輸送及び減速材システムにおいて液体／気体の異なる組合せを備える圧力管型炉にも適用可能である。いかなる場合も、核燃料から熱を吸収する冷却材２６は、熱を下流装置（例えば、蒸気発生器３０）に移動し、原動機（例えば、タービン３４）を駆動して電気エネルギーを生み出すことができる。
【００１６】
[0022]一例として図１〜４を参照すると、燃料要素２２は、中心要素（複数可）３８（１つ若しくは複数の中心環要素又は中心要素の他の群も含み得る）、中心要素３８から外側に放射状に配置されている第１の複数の要素４２、第１の複数の要素４２から外側に放射状に配置されている第２の環又は複数の要素４６、及び第２の複数の要素４６から外側に放射状に配置されている第３の環又は複数の要素５０を含み得る。図５の構成では、燃料要素２２はまた、第３の複数の要素５０から外側に放射状に配置されている第４の環又は複数の要素５２も含む。中心要素（複数可）３８は、本明細書全体で内部要素又は要素として表すことができ、第１、第２、第３及び／又は第４（又はそれ以上）の複数の要素４２、４６、５０、５４は、本明細書全体で外部要素として表すことができる。例えば、図２〜５は、それぞれ、ＣＡＮＤＵ型設計用の３７要素の燃料バンドル、ＣＡＮＦＬＥＸ型設計用の４３要素の燃料バンドル、４３要素のＣＡＮＦＬＥＸ改良型、及び６１要素のＣＡＮＦＬＥＸ改良型を例示する。他の構成では、燃料バンドル１４は、より少ないか又はより多い要素２２を含むことができ、非ＣＡＮＤＵ型適用のための正方格子集合体などの、図２〜５に例示されるもの以外の立体配置の要素２２を含み得ることを理解されたい。燃料要素２２はまた、１つ又は複数の平面内で互いに平行に配置されることもでき、要素は、ブロック形又は任意の他の断面形体を有するマトリックス又はアレイ内に配列されることもでき、任意の他の定型の又は無定型の立体配置で配列されることもできる。
【００１７】
[0023]本開示の様々な核燃料は、１つ又は複数の他の物質、同様に、より詳細が以下に記載される中性子吸収材と併せて使用される（例えば、ブレンドされた）核分裂性物質を含み得る。核燃料は、ペレット形態、粉末形態、若しくは別の好適な形態又は形態の組合せであり得る。いくつかの構成では、本開示の燃料は、所望の形態に圧縮された燃料棒、他の物質のマトリックス内部に含まれる燃料棒などの棒形態を取る。また、本開示に基づく物質から作製された燃料要素は、管及び棒並びに／又は他のタイプの要素の組合せを含み得る。
【００１８】
[0024]燃料要素２２は、核分裂性物質及び／又は核分裂性物質（複数可）と中性子吸収材との組合せを含み、以下の様々な構成に記載されるように、その要素２２の一部は他の要素２２と異なる組成物を有し得る。１９９６年４月２５日に出願されたカナダ特許出願第２，１７４，９８３号は、原子炉用の燃料バンドルの例を記載している。本明細書に記載される核分裂性物質は、その内容が参照により本明細書に組み込まれる、カナダ特許出願第２，１７４，９８３号の任意の核燃料を含み得る。例えば、核燃料は、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及び／又はＰＵ−２４１などの任意の１つ又は複数の様々なウラン同位体及び／又はプルトニウム同位体を含み、かつトリウムを含み得る。いくつかの構成では、１つ又は複数のＵ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９及び／又はＰＵ−２４１は、０．９重量％超の濃縮度を有する。より詳細には、いくつかの構成では、１つ又は複数のＵ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９及び／又はＰＵ−２４１は、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度を有する。他の構成では、１つ又は複数のＵ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９及び／又はＰＵ−２４１は、約０．９重量％〜約５．０重量％の濃縮度を有する。単に一例として、軽水炉適用のための、１つ又は複数のＵ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９及び／又はＰＵ−２４１は、約５．０重量％〜約２０重量％の濃縮度を有し得る。核燃料は、１つ又は複数のセラミック燃料タイプのウラン酸化物、プルトニウム酸化物、及び／又はトリウム酸化物を含んでもよい。核燃料はまた、２種以上の核分裂性物質の酸化物の混合物を含む混合酸化物（「ＭＯＸ」）燃料を含んでもよい。一例として、核燃料は、酸化プルトニウム及び酸化ウランの混合物を含み得て、いくつかの実施形態ではまた、トリウムも含み得る。
【００１９】
[0025]燃料バンドル１４は、その燃料要素２２（詳細には、その内部要素（複数可）など）のいくつかにおいて、核分裂性物質（複数可）を中性子吸収材材料の混合物（又は中性子吸収材混合物）と共に使用することを特徴とする。核分裂性物質（複数可）は、１つ又は複数の上述の核分裂性物質を含んでもよい。中性子吸収材材料の混合物（又は中性子吸収材混合物）は、２種以上の中性子吸収材を含む。２種以上の中性子吸収材は、２種以上のガドリニウム（Ｇｄ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ハフニウム（Ｈｆ）、エルビウム（Ｅｒ）、及びユウロピウム（Ｅｕ）を含んでもよい。いくつかの実施形態では、第１の中性子吸収材としてガドリニウム、並びに第２以上の中性子吸収材（複数可）として１つ又は複数のジスプロシウム、ハフニウム、エルビウム、及び／又はユウロピウムを含む中性子吸収材混合物は、様々な適用において特に効果的である。いくつかの好ましい実施形態では、中性子吸収材混合物は、ガドリニウム及びジスプロシウムを含む。
【００２０】
[0026]本開示に従った中性子吸収材混合物を伴う核分裂性物質（複数可）を有する燃料バンドル１４の様々な構成は、表１、表２、及び表３に提示される。いくつかの構成では、中性子吸収材混合物は、新しい燃料条件（fresh fuel condition）において、約１重量％〜約３０重量％の燃料ミート（fuel meat）を含む（表１）。いくつかのより特定の構成では、中性子吸収材混合物は、新しい燃料条件において、約１重量％〜約２０重量％の燃料ミートを含む（表２及び３）。いくつかの軽水炉適用では、中性子吸収材混合物は、新しい燃料条件において、約１０重量％〜約４０重量％の燃料ミートを含み得る（表２）。中性子吸収材混合物を伴う核分裂性物質（複数可）を含む内部要素（複数可）の量は、３７〜６１要素のＣＡＮＤＵ／ＣＡＮＦＬＥＸ型燃料バンドルに関して約１〜約１１本の要素、又は非ＣＡＮＤＵ型燃料集合体における複数の燃料要素では約１〜約１０重量％であってもよい（表１）。より詳細には、内部要素（複数可）の量は、３７要素のバンドル（図２）に関して約１〜約７本の要素、４３要素のバンドル（図３及び４）に関して約１〜約８本の要素、及び６１要素のバンドル（図５）に関して約１〜約１１本の要素であってもよい（表２）。残りの外部要素は、１つ又は複数の上述の核分裂性物質、好ましくはＵ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、ＰＵ−２４１、及びトリウムのいずれかを含む。
【００２１】
[0027]軽水炉適用のために、要素の一部か又は全ては、上述の核分裂性物質（複数可）と中性子吸収材混合物との組合せ（表２）を含んでもよい。あるいは、要素内にペレットを有する軽水炉適用のために、各要素内の一部か又は全てのペレットは、上述の核分裂性物質（複数可）と中性子吸収材混合物との組合せを有してもよい。
【００２２】
[0028]上述の核分裂性物質（複数可）と中性子吸収材混合物との組合せは、全要素２２のそれぞれ（又はペレット形態の燃料を利用する炉用のペレット）の全体を通して、核分裂性物質（複数可）及び中性子吸収材混合物の全体的に一定した分布を有する均質の組合せ又は混合物であることが好ましい。
【００２３】
[0029]図２の構成を参照すると、ＣＡＮＤＵ型設計用の３７要素の燃料バンドルが示される。１つの好ましい構成では、中心環３８は、上述の吸収材と任意の１つ又は複数の核分裂性物質との均質混合物を含み、第１、第２、及び第３の環４２、４６、５０は、任意の１つ又は複数の上述の核分裂性物質を含む。
【００２４】
[0030]図３の構成を参照すると、ＣＡＮＦＬＥＸ設計用の４３要素の燃料バンドルが示される。１つの好ましい構成では、中心環３８及び第１の環４２は、上述の吸収材と任意の１つ又は複数の核分裂性物質との均質混合物を有する１つ又は複数の要素２２を含み、第２、及び第３の環４６、５０は、任意の１つ又は複数の上述の核分裂性物質を含む。
【００２５】
[0031]ここで図４を参照すると、４３要素のＣＡＮＦＬＥＸ改良型が示される。１つの好ましい構成では、中心環３８は、上述の吸収材と任意の１つ又は複数の核分裂性物質との均質混合物を含み、第１、第２、及び第３の環４２、４６、５０は、任意の１つ又は複数の上述の核分裂性物質を含む。
【００２６】
[0032]最後に、図５を参照すると、６１要素のＣＡＮＦＬＥＸ改良型が示される。１つの好ましい構成では、中心環３８及び第１の環４２は、上述の吸収材と任意の１つ又は複数の核分裂性物質との均質混合物を有する１つ又は複数の要素２２を含み、第２、第３、及び第４の環４６、５０、５２は、任意の１つ又は複数の上述の核分裂性物質を含む。
【００２７】
【表１】
2018510361.tif 000003
【００２８】
【表２】
2018510361.tif 000004
【００２９】
【表３】
2018510361.tif 000005
【００３０】
[0034]中性子吸収材混合物の目的は、主として以下の設計パラメータ：冷却材ボイド反応度（coolant void reactivity）、線形要素等級（linear element rating）、燃料補給の影響（fueling impact）及び燃料燃焼度（fuel burnup）を同時に、効果的に制御することである。異なる中性子吸収材は、異なる劣化特性（depletion characteristic）を有する。２種以上の中性子吸収材を使用することにより、これらの劣化特性が組み合わせられ、吸収材が燃料劣化期間の異なる段階で機能することができるようになる。ガドリニウムなどの第１の中性子吸収材は、燃料がおよそ中間燃焼度でバーンアウトする間に、燃料の余剰反応度を提供することにより、反応度を制御する助けとなる。第２（又はそれ以上）の中性子吸収材は、燃料取出燃焼度の限界まで、冷却材ボイド反応度を低減する助けとなる。ガドリニウムは、短期間の反応度制御目的に効果的な吸収材として知られているが、しかしながら本開示に従って、天然ウランの中性子スペクトルより硬化された中性子スペクトルを有するＣＡＮＤＵタイプの炉（及び上で述べたいくつかの非ＣＡＮＤＵ型炉）におけるような特定の環境において、ガドリニウム（gadolidium）は長期間の反応度制御目的に使用され得ることが発見された。
【００３１】
[0035]図６及び７に例示されるように、本明細書に開示される燃料設計は、炉心の正常な稼働中に、低出力影響及び関連するパラメータを維持する一方、低反応度影響を達成し、したがって、燃料取出燃焼度を伸ばす。燃料の反応度減衰の態様から、減衰曲線（図６）は、Ｄｙ＋Ｇｄ及びＤｙ単独と比較して、併用された核分裂性物質（複数可）及び中性子吸収材材料の混合物の使用に伴い滑らかである。
【００３２】
[0036]更に、ＣＡＮＤＵ型炉などの加圧型重水原子炉において、冷却材ボイド反応度（ＣＶＲ）を低減し、負のＣＶＲを提供することさえ望ましい。その内容が全て参照により本明細書に組み込まれる、カナダ特許第２，０９７，４１２号は、特にＣＡＮＤＵ型炉における、冷却材ボイド反応度の低減の科学に関する有用な背景技術を提供する。本発明を用いて、ＣＶＲはまた、燃料取出燃焼度に著しい影響がなく、負に維持され得る。ＣＶＲを制限するために単一の可燃性毒物を使用する先行技術設計は、燃料取出燃焼度を減少させる。
【００３３】
[0037]これまでは、ＣＡＮＤＵ型燃料は、典型的には、約１０，０００ＭＷｄ／Ｔより高い燃焼度は達成できなかった。これは、主として、高燃焼度が濃縮燃料設計に基づいて達成され得るのみであるため、燃料補給の作動中の、高燃料補給の影響（出力ピーキング又は高チャネル及びバンドル出力など）に起因するものである。したがって、高燃焼度及び低反応度影響は、２つの競合する設計特色である。本明細書に開示される燃料は、この課題を解決することを意図し、燃料燃焼度をＣＡＮＤＵ型炉において３５，０００ＭＷｄ／Ｔまで、ＬＷＲ型炉において７０，０００ＭＷｄ／Ｔまで伸ばすことができる。単に一例として、いくつかの実施形態では、本明細書に開示される燃料は、燃料燃焼度をＣＡＮＤＵ型炉に関して約７，０００ＭＷＤ／Ｔ〜３０，０００ＭＷＤ／Ｔまで、及び／又はＬＷＲ型炉に関して約３０，０００ＭＷＤ／Ｔ〜６０，０００ＭＷＤ／Ｔまで伸ばすことができる。
【００３４】
[0038]上に詳述するように、本明細書に開示される燃料はまた、ＰＷＲなどの非ＣＡＮＤＵ型炉にも適用され、低減された出力ピーキング又は伸長された燃料燃焼度を有する燃料設計を達成することができる。高燃焼度の燃料は、核分裂性物質のより深部の燃焼を可能にし、したがって、更に中性子の無駄のない使用を可能にする。高燃焼度の燃料に到達する主な経済的利益は、炉内での長い燃料滞留時間（より少量の燃料製造、すなわち、ＣＡＮＤＵ  ＮＵの３分の１の燃料がかかる）、より少ない廃棄物処理（必要とされる保管場所がより少ない）、及び拡散の低減傾向である。
【００３５】
[0039]したがって、本開示はいくつかの実施形態において、ＣＡＮＤＵ型燃料の内部領域において、かつ非ＣＡＮＤＵ型燃料集合体の一部の燃料要素において、中性子吸収材材料の混合物を使用することを特徴とする燃料設計を提供する。中性子吸収材混合物は、炉心の反応度を抑制し、局所的出力ピークを制御し、及び／又は冷却材ボイド反応度を制御する。本開示の様々な特色及び利点は、以下の特許請求の範囲に明示される。
【図１】
2018510361.tif 000006
【図２】
2018510361.tif 000007
【図３】
2018510361.tif 000008
【図４】
2018510361.tif 000009
【図５】
2018510361.tif 000010
【図６】
2018510361.tif 000011
【図７】
2018510361.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月13日(2016.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉用の燃料バンドルであって：
Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質と、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材とを含む燃料要素を含み；
少なくとも１種の核分裂性物質と、少なくとも２種の中性子吸収材とが、燃料要素内で均質に混合され；
少なくとも２種の中性子吸収材の第１の中性子吸収材が、燃料要素の燃焼中に中性子吸収をもたらす第１の劣化特性を有し、少なくとも２種の中性子吸収材の第２の中性子吸収材が、第１の中性子吸収材より長い期間にわたり中性子吸収をもたらす、第１の劣化特性とは異なる第２の劣化特性を有する；
上記燃料バンドル。
【請求項２】
前記燃料要素が第１の燃料要素であり、前記燃料バンドルが核分裂性物質を含む第２の燃料要素を更に含み、前記第１の燃料要素が燃料バンドルの内側部分に配置され、前記第２の燃料要素が燃料バンドルの外側部分に配置される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項３】
前記燃料バンドルの外側部分に配置される核分裂性物質を含む複数の燃料要素を更に含む、請求項２に記載の燃料バンドル。
【請求項４】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、０．９重量％超の濃縮度である、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項５】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度である、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項６】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含む、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項７】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項８】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項９】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１に記載の燃料バンドル。
【請求項１０】
原子炉用の燃料要素であって：
Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の核分裂性物質と、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される少なくとも２種の中性子吸収材とを含み；
少なくとも１種の核分裂性物質と、少なくとも２種の中性子吸収材とが、燃料要素内で均質に混合され；
少なくとも２種の中性子吸収材の第１の中性子吸収材が、燃料要素の燃焼中に中性子吸収をもたらす第１の劣化特性を有し、少なくとも２種の中性子吸収材の第２の中性子吸収材が、第１の中性子吸収材より長い期間にわたり中性子吸収をもたらす、第１の劣化特性とは異なる第２の劣化特性を有する；
上記燃料要素。
【請求項１１】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、０．９重量％超の濃縮度である、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１２】
前記少なくとも１種の核分裂性物質が、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度である、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１３】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含む、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１４】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１５】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料要素。
【請求項１６】
前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項１７】
原子炉用の燃料バンドルであって：
内部要素と外部要素とを含む複数の燃料要素を含み；
少なくとも１種の内部要素が、核分裂性物質と少なくとも２種の中性子吸収材との均質混合物を含み；
少なくとも２種の中性子吸収材の第１の中性子吸収材及び少なくとも２種の中性子吸収材の第２の中性子吸収材が、燃料バンドルに関連する燃料劣化期間の異なる段階で中性子を吸収するように構成される、
上記燃料バンドル。
【請求項１８】
前記核分裂性物質が、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含み、前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【請求項１９】
前記核分裂性物質が、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含み、前記少なくとも２種の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で少なくとも１種の内部要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【請求項２０】
一般に円筒形の形状を有するＣＡＮＤＵ型燃料バンドルである、請求項１７に記載の燃料バンドル。
【請求項２１】
核燃料要素の燃焼度を制御する方法であって：
核燃料要素内に、核分裂性物質、第１の劣化特性を有する第１の中性子吸収材、及び第１の劣化特性とは異なる第２の劣化特性を有する第２の中性子吸収材の組合せを提供する工程と；
燃料劣化期間中に核燃料要素を燃焼する工程と；
燃料劣化期間の異なる段階で、第１の中性子吸収材及び第２の中性子吸収材を用いて中性子を吸収する工程と；
を含む、上記方法。
【請求項２２】
核燃料要素をバンドル内に取り付ける工程を更に含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
核燃料要素を取り付ける工程が、核燃料要素を、燃料バンドル内の他の燃料要素に対して燃料バンドルの内側部分に取り付ける工程を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記核分裂性物質が、０．９重量％超の濃縮度である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記核分裂性物質が、約０．９重量％〜約２０重量％の濃縮度である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の中性子吸収材が、Ｇｄであり、前記第２の中性子吸収材が、Ｄｙである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１及び第２の中性子吸収材が、新しい状態で核燃料要素内に約１重量％〜約３０重量％提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１及び第２の中性子吸収材が、新しい状態で核燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１及び第２の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙを含み、新しい状態で核燃料要素内に約１重量％〜約２０重量％提供される、請求項２１に記載の方法。
【請求項３０】
前記核分裂性物質が、Ｕ−２３３、Ｕ−２３５、ＰＵ−２３９、及びＰＵ−２４１からなる群から選択される少なくとも１種の物質を含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
原子炉用の燃料要素であって：
核分裂性物質；
第１の中性子吸収材；及び
第２の中性子吸収材；
を含み、
第１の中性子吸収材が、Ｇｄ及びＤｙからなる群から選択され；
第２の中性子吸収材が、Ｈｆ、Ｅｒ、及びＥｕからなる群から選択される、
上記燃料要素。
【国際調査報告】
2018510361.tif 000013
2018510361.tif 000014