(57)【要約】      （修正有）【課題】内部に保有する核燃料の膨張を許容するように構成された核分裂反応炉用燃料集合体を提供する。【解決手段】燃料集合体は、互いにつながった開放セルの複数の各空隙８０または独立セルの複数の各空隙８０を規定する核燃料の発泡体７０を、封止した状態で収納する収納部壁６０を有する収納部５０を備えている。各空隙８０が設けられているので、熱発生および／または核分裂気体の放出などの原因によって発泡体７０が各空隙８０に向かって膨張しても、これを許容することができる。発泡体７０が膨張するにつれて、各空隙８０は収縮、つまり体積が減少する。発泡体７０は各空隙８０に向かって膨張し、さらに各空隙８０の内部にまで膨張して、収納部壁６０に向かって膨張しないので、収納部壁６０にかかる圧力が大幅に低減される。それゆえ、該各空隙８０は、発泡体７０が膨張可能な空間を提供する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体と、
（ｂ）上記核燃料の発泡体を封止した状態で収納する収納部と、
（ｃ）該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にあるように構成された、該収納部に連設された熱吸収部と、を備え、
上記発泡体は、外表面における各空隙を除いた部分が上記収納部の内壁に実質的に接触しており、
上記開放セルは、上記発泡体中に空間的に分布し、かつ、上記核燃料の発泡体の膨張分の体積を複数の上記開放セルにて収容し得るように、上記核燃料の発泡体中２０〜９７％の体積を有している核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項２】
（ａ）互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体と、
（ｂ）上記核燃料の発泡体を、封止した状態で収納する収納部と、
（ｃ）該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にある冷却用流体を搬送することができる、核燃料の発泡体を通って延びる熱吸収部導管とを備え、
上記発泡体は、外表面における各空隙を除いた部分が上記収納部の内壁に実質的に接触しており、
上記開放セルは、上記発泡体中に空間的に分布し、かつ、上記核燃料の発泡体の膨張分の体積を複数の上記開放セルにて収容し得るように、上記核燃料の発泡体中２０〜９７％の体積を有している核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項３】
（ａ）収納部と、
（ｂ）該収納部に封止した状態で設置され、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体と、
（ｃ）該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態に設けられた熱吸収部とを備え、
上記発泡体は、外表面における各空隙を除いた部分が上記収納部の内壁に実質的に接触しており、
上記開放セルは、上記発泡体中に空間的に分布し、かつ、上記核燃料の発泡体の膨張分の体積を複数の上記開放セルにて収容し得るように、上記核燃料の発泡体中２０〜９７％の体積を有している核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項４】
互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を、封止した状態で収納する収納部を設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を製造する方法であって、
上記発泡体は、外表面における各空隙を除いた部分が上記収納部の内壁に実質的に接触しており、
上記開放セルは、上記発泡体中に空間的に分布し、かつ、上記核燃料の発泡体の膨張分の体積を複数の上記開放セルにて収容し得るように、上記核燃料の発泡体中２０〜９７％の体積を有している核分裂反応炉用燃料集合体を製造する方法。
【請求項５】
互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を封止した状態で収納する収納部を、核反応炉格納器内に設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を作動させる方法であって、
上記発泡体は、外表面における各空隙を除いた部分が上記収納部の内壁に実質的に接触しており、
上記開放セルは、上記発泡体中に空間的に分布し、かつ、上記核燃料の発泡体の膨張分の体積を複数の上記開放セルにて収容し得るように、上記核燃料の発泡体中２０〜９７％の体積を有している核分裂反応炉用燃料集合体を作動させる方法。
【請求項６】
上記開放セルが、上記核燃料の発泡体によって生成される揮発性の核分裂生成物の搬送を容易にする経路を構成する、請求項１に記載の核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項７】
上記核燃料の発泡体が、核分裂性の核燃料の発泡体である、請求項１に記載の核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項８】
上記核燃料の発泡体が、燃料効率の高い核燃料の発泡体である、請求項１に記載の核分裂反応炉用燃料集合体。
【請求項９】
高速中性子核反応炉内に設置可能である、請求項１に記載の核分裂反応炉用燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般に核反応炉用燃料集合体に関し、具体的には、内部に保有する核燃料の膨張を許容するように構成された核分裂反応炉用燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
運転中の核分裂反応炉において、ある既知のエネルギーを有する中性子が、大きな原子量を有する核種によって吸収されることが知られている。その結果生じる化合物の核は、分裂し、原子量が該化合物より小さな２つの核分裂片や、崩壊生成物などの核分裂生成物を生成する。
【０００３】
すべての種々なエネルギーの中性子による、このような分裂を生じることが知られている核種としては、核分裂性核種である、ウラン２３３、ウラン２３５、およびプルトニウム２３９などがあげられる。例えば、０．０２５３ｅｖ（電子ボルト）の運動エネルギーを有する熱中性子は、Ｕ２３５の核を分裂させるために使用され得る。
【０００４】
トリウム２３２およびウラン２３８は、燃料効率の高い核燃料核種であり、少なくとも１ＭｅＶ（百万電子ボルト）の運動エネルギーを有する高速中性子と誘導核分裂を起こす。一回の分裂において放出される全運動エネルギーは、約２００ＭｅＶである。この運動エネルギーは、最終的には熱に変換される。
【０００５】
また、分裂プロセスは、初期の中性子供給源から始まり、中性子をさらに放出するとともに、運動エネルギーを熱に変換する。この結果、自立的な分裂の連鎖反応が起こり、この反応に続いて継続的なエネルギーの放出が起こる。つまり、核分裂性の核が枯渇するまでは、中性子が１つ吸収されるごとに、２つ以上の中性子が放出される。この現象が商業用核反応炉において使用されて熱を連続的に発生させ、この熱がつぎに電気の生成に有益に使用される。
【０００６】
前記の熱発生、さらに核分裂生成物の放出に起因する燃料集合体の膨張が、上記プロセスで起こることがある。この点について、燃料集合体は、異なる程度にて膨張したり、燃料ロッドのクラッド部の破裂発生が増加したりしかねない。燃料ロッドのクリープを起こしたり、核分裂気体の圧力の上昇や反応炉の運転中に膨張を起こしたりすることがある。
【０００７】
このようにして、燃料ペレットにひび割れが発生したり、燃料ロッドが反ったりすることが増加することがある。燃料ペレットがひび割れを起こすと、核分裂気体の放出の原因となり、通常より高い放射線レベルを引き起こすことがある。燃料ロッドが反ると、この反りがつぎに冷却剤の流路の妨害につながることがある。反応炉の設計に組み込んだ安全策としての余裕、および製造中の精密な品質制御によって、これらの現象の発生が低減でき、あるいは、システムの設計によって、このような現象が発生しても運転できるようにシステムを構成することが可能である。
【０００８】
熱発生および核分裂気体の放出に起因する燃料集合体の膨張に対処する１つの手法において、米国特許第３，０２８，３３０号明細書（発行日：１９６２年４月３日、発明者：Clarence I. Justheim他、発明の名称：「自己生成マトリクス（Autogenous Matrix）を有する核燃料要素およびその製造方法」）は、多孔性炭素質マトリクスを開示している。多孔性マトリクスのセルには、核分裂性物質の小片が含まれている。該核分裂性物質は、分裂可能な同位体で濃縮したウランの核燃料親同位体であってもよい。
【０００９】
上記特許によれば、上述のセルは、通常、熱循環および放射線による破壊の結果生じる核分裂片の体積の増加を許容するような、核分裂片に対するサイズを有する。上記特許は、核分裂片の体積の増加を許容するセルを有する多孔性マトリクスを開示するが、燃料集合体に含まれた核燃料の膨張を許容するように構成された核分裂反応炉用燃料集合体を開示してはいないようである。
【００１０】
米国特許第３，１８４，３９２号明細書（発行日：１９６５年５月１８日、発明者：Leslie Reginald Blake、発明の名称：「高速核反応炉用燃料要素」）には別の手法が開示されており、ここには多孔性の、独立セルを有する、核分裂性の核燃料塊を備えた核反応炉用燃料要素が記載されている。
【００１１】
さらに、この核燃料塊は、その多孔率性によって分散構造該を有しており、また、円筒状の保護鞘内に収納されていることが記載されている。この燃料は格子間空隙を提供し、燃料要素は部分的にしか充填されておらず、燃料の上方に空隙を残すようになっている。
【００１２】
上記特許によれば、上記保護鞘は、温度６００℃で、少なくとも１０，０００ｐｓｉの内部圧力に耐えることができ、燃料の上方の空隙は、燃料の膨張用スペースとしての役割をし、核分裂生成物を収容するスペースとしての役割もする。
【００１３】
上記特許は、多孔性の、独立セルを有する、核分裂性の核燃料塊を備えた核反応炉用燃料要素を開示するが、本出願中に開示およびその請求項に記載されているような、燃料集合体に含まれた核燃料の膨張を許容するように構成された核分裂反応炉用燃料集合体を開示してはいないようである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許第３，０２８，３３０号明細書（発行日：１９６２年４月３日）
【特許文献２】米国特許第３，１８４，３９２号明細書（発行日：１９６５年５月１８日）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の一態様によれば、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部を備えた核分裂反応炉用燃料集合体（核分裂反応炉用燃料構造体、核分裂反応炉用燃料アセンブリ）が提供される。
【００１６】
本開示の別の態様によれば、独立セルの複数の各空隙を規定する、燃料効率の高い核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部を備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００１７】
本開示のさらに別の態様によれば、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にあるように構成された、該収納部に連設(連合）された熱吸収部とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００１８】
本開示のさらに別の態様によれば、独立セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる、燃料効率の高い核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にあるように構成された、該収納部に連設された熱吸収部とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００１９】
本開示のさらに別の態様によれば、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にある冷却用流体を搬送することができる、核燃料の発泡体を通って延びる熱吸収部導管とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００２０】
本開示のさらに別の態様によれば、独立セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態にある冷却用流体を搬送することができる、核燃料の発泡体を通って延びる熱吸収部導管とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００２１】
本開示のさらに別の態様によれば、収納部と、該収納部に封止した状態で設置され、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる核燃料の発泡体と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態に設けられた熱吸収部とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００２２】
本開示のさらに別の態様によれば、収納部と、該収納部に封止した状態で設置され、独立セルの複数の各空隙を規定し、かつ、熱を発生させることができる、燃料効率の高い核燃料の発泡体と、該核燃料の発泡体が発生させた熱を吸収するために核燃料の発泡体と熱伝導状態に設けられた熱吸収部とを備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００２３】
本開示のさらに別の態様によれば、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する、コーティングされていない多孔性の核燃料物質を、封止した状態で収納するように構成された収納部を備えた核分裂反応炉用燃料集合体が提供される。
【００２４】
本開示のさらに別の態様によれば、方法には、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように収納部を設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を製造することが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００２５】
本開示のさらに別の態様によれば、方法には、独立セルの複数の各空隙を規定する、燃料効率の高い核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように収納部を設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を製造することが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００２６】
本開示のさらに別の態様によれば、方法には、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を封止した状態で収納する収納部を、核反応炉格納器内に設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を作動させることが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００２７】
本開示のさらに別の態様によれば、方法には、独立セルの複数の各空隙を規定する、燃料効率の高い核燃料の発泡体を封止した状態で収納する収納部を、核反応炉格納器内に設けるステップを含む、核分裂反応炉用燃料集合体を作動させることが含まれるが、これに限定されるものではない。
【００２８】
上記の記載に加えて、その他の方法の各態様を、本開示の一部を成す請求項、図面、および文章中に記載する。
【００２９】
本開示の特徴の一つは、互いにつながった開放セルの複数の各空隙を規定する核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部を設置することである。
【００３０】
本開示の別の特徴は、独立セルの複数の各空隙を規定する、燃料効率の高い核燃料の発泡体を、封止した状態で収納するように構成された収納部を設置することである。
【００３１】
上記の記載に加えて、その他の各種方法および／またはデバイスを、本開示の教唆、例えば文章（例えば、請求項および／または詳細な説明）および／または図面などにおいて説明および記載する。
【００３２】
上記の記載は要約であり、それゆえ、記載は簡潔かつ一般化された部分もあり、詳細については記載されている点もあれば、省略されている点もある。その結果、当業者であれば、この要約は例証を提供するだけのものであって、いかなる限定を加える意図がないことが理解されよう。上記の例証を提供する態様、実施形態、および特徴に加えて、さらに別の態様、実施形態、および特徴は、図面および以下の詳細な説明を参照することによって自ずと理解できるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
明細書は、本開示の主題を具体的に指摘し明確に請求する請求項を提示して完結するものである。その一方で、添付の図面とともに以下に記載する詳細な説明を参照することによって本開示がより良く理解されると思慮される。また、同一の符号を異なる図面において使用している場合、これは通常同様のまたは同一の構成要素を指し示すものである。
【図１】理解しやすいように部品を取り除いた状態の核分裂反応炉の部分的な立面図であって、反応炉の一部をなす略円筒状の複数の核分裂反応炉用燃料集合体も示している。
【図２】上記核分裂反応炉用燃料集合体のうちの一つの鉛直方向の断面図であって、その中の核燃料の発泡体を示している。
【図３】図２の線Ａ−Ａにそった断面図である。
【図４】内部に保有する独立セルの各空隙を規定する、コーティングされていない核燃料の発泡体の拡大図である。
【図５】内部に保有する開放セルの各空隙を規定する、コーティングされていない核燃料の発泡体の拡大図である。
【図６】内部に保有する独立セルの各空隙を規定する、コーティングされた核燃料の発泡体の拡大図である。
【図７】内部に保有する開放セルの各空隙を規定する、コーティングされた核燃料の発泡体の拡大図である。
【図８】略球状の核分裂反応炉用燃料集合体の鉛直方向の断面図である。
【図９】図８の線Ｂ−Ｂにそった断面図である。
【図１０】略半球状の核分裂反応炉用燃料集合体の立面図である。
【図１１】上記半球状の核分裂反応炉用燃料集合体の鉛直方向の断面図である。
【図１２】略ディスク状の核分裂反応炉用燃料集合体の鉛直方向の断面図である。
【図１３】図１２の線Ｃ−Ｃにそった断面図である。
【図１４】略六角形状の核分裂反応炉用燃料集合体の立面図である。
【図１５】図１４の線Ｄ−Ｄにそった断面図である。
【図１６】略平行六面体の形状を有する核分裂反応炉用燃料集合体の鉛直方向の断面図である。
【図１７】図１６の線Ｅ−Ｅにそった断面図である。
【図１８】核燃料の発泡体に核燃料ペレットが埋め込まれた、核分裂反応炉用燃料集合体の鉛直方向の断面図である。なお、燃料ペレットのサイズは理解しやすいように誇張してある。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下の詳細な説明では、その一部をなす添付の図面を参照する。図面中では、類似の記号は、文脈と矛盾しない限りにおいて、一般に類似の構成要素を示す。詳細な説明、図面、および請求項において説明する例証としての実施形態は、限定的なものではない。その他の実施形態を利用しても、また、その他の変更を加えてもかまわず、これらの利用や変更は、ここに提示した主題の精神または範囲から逸脱するものではない。
【００３５】
さらに、本願では、提示内容を理解しやすいように、正式な見出しを使用してある。ただし、これらの見出しは提示を目的とするものであって、出願中では異なるカテゴリーの主題を議論している場合もあることを理解されたい（例えば、プロセス／動作という見出しの下で、デバイス／構造を記載していることもあり、および／または構造／プロセスという見出しの下で、プロセス／動作を議論していることもあり、および／または単一の内容を２つ以上の見出しの下で記載している場合もある）。よって、正式な見出しの使用は、いかなる限定を加えることを意図したものではない。
【００３６】
また、ここに記載する主題は、異なった構成要素が、他の異なった構成要素に含まれるまたは接続されていることを例示していることがある。このように記載した構造は、単に代表的な例にすぎないのであって、実際には、同じ機能性を実現するその他の多数の構造が実施可能であることを理解されたい。発想的には、同じ機能性を実現する任意の構成要素の構成は、実際的には、所望の機能性が実現されるように「関連している」のである。
【００３７】
よって、特定の機能性を実現するためにここで組み合わせられる任意の２つの構成要素は、構造または中間構成要素とは無関係に、所望の機能性が実現されるように、互い「に関連している」と考えてもかまわない。同様に、このように関連している任意の２つの構成要素を、所望の機能性を実現するために、互いに「動作可能に接続」または「動作可能に結合」されていると考えてもよい。また、このように関連させることが可能な任意の２つの構成要素を、所望の機能性を実現するために、互いに「動作可能に結合可能」であると考えてもよい。
【００３８】
動作可能に結合可能である具体的な例としては、物理的に組み合わせ可能な構成要素および／もしくは物理的に相互作用する構成要素、ならびに／または無線で相互作用可能な構成要素および／もしくは無線で相互作用する構成要素、ならびに／または理論上相互作用する構成要素および／もしくは理論上相互作用可能な構成要素などがあげられるが、これらに限定されるものではない。
【００３９】
１つ以上の構成要素を、「．．．するように構成されている」、「．．．するように構成可能である」、「．．．するように動作可能である／動作する」、「構成されている／構成可能である」、「．．．することができる」、「．．．するように適合可能である／適合している」などとここで描写する場合もある。当業者であれば、「するように構成されている」という文言には、文脈と矛盾しない限りにおいて、一般に、アクティブな状態の構成要素、および／またはアクティブな状態ではない構成要素、および／またはスタンバイ状態にある構成要素などが含まれることが理解できるであろう。
【００４０】
したがって、図１を参照すると、例えばウラン２３５、ウラン２３３、またはプルトニウム２３９などの核分裂性核種の分裂に起因して熱を発生させるための、一般に１０として示される核分裂反応炉が図示されている。該核分裂反応炉１０は、「進行波」反応炉であってもよい。この場合、進行波炉は反応炉心を備えている。該反応炉心中の核分裂点火部が、核分裂爆燃波燃焼前線を生成する。炉心の核燃料が核分裂点火部によって点火された後、該核分裂爆燃波燃焼前線が生成されて核燃料を通って伝播する。一実施形態では、この分裂プロセスの間、反応炉用冷却剤の環状路によって、熱が、反応炉心から蒸気を生成するための熱交換体へ転送される。この蒸気は、発電用のタービン式発電機に転送される。
【００４１】
このような進行波炉は、同時係属中の米国特許出願公開第１１／６０５，９４３号明細書（出願日、２００６年１１月２８日；発明者、Ｒｏｄｅｒｉｃｋ  Ａ．  Ｈｙｄｅ，  ｅｔ  ａｌ．；発明の名称、「Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｐｏｗｅｒ  Ｒｅａｃｔｏｒ  Ｆｏｒ  Ｌｏｎｇ−Ｔｅｒｍ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ（長期運転のための自動原子力反応炉）」）に、より詳細に開示されている。なお、この特許出願は、本願の譲受人に譲渡されており、その開示内容はすべては参照によってここに引用されるものとする。
【００４２】
図１を続けて参照すると、上記核分裂反応炉１０は、放射性粒子、気体、または液体が反応炉１０から周辺環境へ漏洩することを防止するための容器２０、例えば圧力容器または格納容器を備えている。容器２０は、上記のような放射性物質の漏洩のリスクを低減および要求される圧力荷重を支持するために適したサイズおよび厚さの鋼、コンクリート、またはその他の物質であってもよい。１つの容器２０のみを図示しているが、１つの容器が別の容器を収納するように、さらに別の格納容器を設けて安全性を高めてもよい。容器２０は、内部に設けられたウェル３０を規定する。ウェル３０の中には、以下においてより詳細に説明するように、１つ以上の核分裂反応炉用燃料集合体４０が設けられている。
【００４３】
図２、図３、および図４においてもっともよく見えるように、それぞれの核分裂反応炉用燃料集合体４０は、核燃料の発泡体７０を封止した状態で内部に収納するための、複数の収納部壁６０を有する略円筒状の収納部５０を備えている。発泡体７０は、その中で空間的に分布する独立セル（独立気孔）の複数の各空隙８０を規定する。ここで使用しているように、「独立セルの各空隙」という用語は、各空隙８０が、互いに隣り合う空隙８０から分離されており、通常互いにつながっておらず、大量の気体、液体、または流体が空隙８０間を直接移動しないようになっていることを意味する。
【００４４】
上記の構成の替わりに、図５に示すように、発泡体または多孔性物質７０が、その中で空間的に分布する互いにつながった開放セル（連通セルまたは連通気孔）の複数の各空隙９０を規定してもよい。ここで使用しているように、「開放セルの各空隙」という用語は、各空隙が、それに隣り合う１つ以上の空隙に通常つながっており、気体、液体、または流体が各空隙９０間を直接移動できるようになっていることを意味する。該開放セルの各空隙を、ウェブ状構造またはハニカム構造を有する発泡体燃料物質によって規定してもよい。該開放セルの各空隙を、繊維状の構造またはロッド状の構造を有する多孔性燃料物質によって規定してもよく、または燃料粒子（例えば焼結したビーズまたは圧縮された球体）の互いにつながった収集体によって形成される多孔性燃料物質によって規定してもよい。また、開放セルの各空隙は、発泡体の特性または多孔性の特性が混合された特徴を有する、規定された燃料物質であってもよい。
【００４５】
発泡体または多孔性物質７０は、核分裂性の核燃料、例えばウラン２３３、ウラン２３５、および／またはプルトニウム２３９を備えていてもよい。あるいは、発泡体７０が、燃料効率の高い核燃料、例えばトリウム２３２、および／またはウラン２３８を備えていてもよい。さらに別の代替構成としては、発泡体または多孔性物質７０が、核分裂性の核燃料および燃料効率の高い核燃料の所定の混合物を備えていてもよい。
【００４６】
当業者であれば、燃料集合体４０が、熱中性子反応炉、高速中性子反応炉、中性子増殖型反応炉、高速中性子増殖型反応炉、または先述の進行波炉の中に設けられてもよいことが理解されるであろう。したがって、燃料集合体４０は、各種核反応炉の設計において有益に使用するのに十分な多目的性を有する。
【００４７】
図２、図３、図４、および図５を参照すれば、各空隙８０および各空隙９０の目的は、反応炉１０の運転中の熱的膨張および核分裂生成物である気体の放出に起因する、発泡体または多孔性物質７０の膨張分を収容またはその膨張を許容するように構成された収縮可能な体積を提供することにあることが理解されるであろう。発泡体または多孔性物質７０の空隙の体積は、全体的には、膨張を許容するために、およそ２０％からおよそ９７％であるが、この範囲外の割合が生成されてもかまわない場合もある。発泡体または多孔性物質７０の膨張分をこのように収容することによって、収納部壁６０に作用する圧力が低減される。
【００４８】
なぜならば、発泡体または多孔性物質７０が各空隙８０または各空隙９０に向かって膨張し、または各空隙８０または各空隙９０の内部にまで膨張するが、壁６０に向かって膨張しないからである。したがって、この構造は、通常、発泡体または多孔性物質７０が、収納部壁６０に向かって外向きに膨張して収納部壁６０に対して圧力をかけるのではなく、各空隙８０または各空隙９０に向かって内向きに膨張できるように構成される。収納部壁６０に作用する圧力を低減することによって、次に、収納部５０が膨張したり収納部壁６０がひび割れしたりするリスクが低減される。この２つのリスクを低減しないと、核分裂生成物の放出が起こり得る。
【００４９】
図５を参照すれば、互いにつながった開放セルの空隙９０の目的は、核燃料の発泡体または多孔性物質７０によって生成される、揮発性の核分裂生成物の搬送を容易にする経路を提供することにあることが理解されるであろう。この核分裂生成物は、ヨウ素、臭素、セシウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、キセノン、クリプトン、バリウム、またはその他のガス状物質または揮発性物質の同位体であってもよい。この搬送経路は、核分裂生成物の一部を、核分裂反応炉用燃料集合体４０の中性子の活動が活発な領域から除去するために、搬送容器を提供してもよい。こうして除去することによって、核分裂生成物による中性子の吸収を低減できる。
【００５０】
図２、図３、図４、および図５に示すように、発泡体または多孔性物質７０は、主に、金属、例えばウラン、トリウム、プルトニウム、またはこれらの合金を備えていればよい。あるいは、発泡体または多孔性物質７０は、主に、カーバイド、例えばウランカーバイド（ＵＣもしくはＵＣｘ）またはトリウムカーバイド（ＴｈＣ２もしくはＴｈＣｘ）を備えていてもよい。ウランカーバイドまたはトリウムカーバイドを、ニオブカーバイド（ＮｂＣ）およびジルコニウムカーバイド（ＺｒＣ）のマトリクスにスパッタリングによって打ち込んでもよい。
【００５１】
ニオブカーバイドおよびジルコニウムカーバイドを使用することの潜在的な利点は、ニオブカーバイドおよびジルコニウムカーバイドが、ウランカーバイドまたはトリウムカーバイドに対して、耐熱性の構造的基板を形成する点にある。また、発泡体または多孔性物質７０は、主に、酸化物、例えば二酸化ウラン（ＵＯ２）や二酸化トリウム（ＴｈＯ２）（酸化トリウム；または酸化ウラン（Ｕ３Ｏ８）とも称される）を備えていてもよい。
【００５２】
その一方で、発泡体または多孔性物質７０は、窒化物、例えば窒化ウラン（Ｕ２Ｎ３）または窒化トリウム（ＴｈＮ）であってもよい。また、ここまでの議論は、コーティングされていない発泡体または多孔性物質７０に関連していた。所望であれば、発泡体または多孔性物質７０が、適切な物質でコーティングされてもよい。
【００５３】
図６および図７を参照すれば、発泡体または多孔性物質７０は、コーティング層１００でコーティングされてもよく、コーティング層１００は炭素、ジルコニウムカーバイドなどを含んでいてもよい。所望のコーティングを実現するプロセスは、電気メッキ、無電解析出、蒸着、イオン蒸着、または任意のその他の適切なプロセスであればよい。発泡体または多孔性物質７０をコーティングすることによって、核分裂生成物が発泡体または多孔性物質７０から各空隙８０または各空隙９０へ拡散するのを防ぐバリアが提供される。
【００５４】
この核分裂生成物は、ヨウ素、臭素、セシウム、カリウム、ルビジウム、ストロンチウム、キセノン、クリプトン、バリウム、またはその他のガス状物質または揮発性物質の同位体であってもよい。発泡体または多孔性物質７０をコーティングすることによって、上記の構成の替わりに、あるいは、上記の構成に加えて、発泡体または多孔性物質７０に対する構造的なサポートが提供される。
【００５５】
図２に戻ると、一般に１１０として示される熱吸収部が、収納部５０に連設されており、発泡体または多孔性物質７０から発生する核分裂熱を吸収するために、発泡体または多孔性物質７０と熱伝導状態にあるように構成されている。一例をあげると、熱吸収部１１０は、発泡体または多孔性物質７０を通って延びる複数の、略円筒状の平行な導管またはパイプ１２０を備えていてもよい。ただしこの例は限定的なものではない。
【００５６】
各パイプ１２０は、次に記載する理由によって、流路１４０を規定するパイプ壁１３０を有する。パイプ１２０は、耐熱性の金属または合金、例えばニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）などから加工されてもよい。反応炉用冷却剤パイプ１２０は、その他の物質、例えばアルミニウム（Ａｌ）、鋼もしくはその他の鉄を含む合金、または非鉄合金、またはチタン系合金もしくはジルコニウム系合金、またはその他の適した金属および合金から作製されてもよい。
【００５７】
冷却剤、例えば加圧気体（図示せず）が、パイプ壁１３０を介した熱伝導を利用して、発泡体または多孔性物質７０からの熱を吸収するために、流路１４０にそって流れる。上記反応炉用冷却剤は、いくつかの加圧不活性気体、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、またはこれらの混合物から選択されてもよい。
【００５８】
あるいは、該冷却剤は、水、またはガス状の二酸化炭素もしくは超流体状の二酸化炭素、または液体金属、例えばナトリウムもしくは鉛、または液体金属合金、例えば鉛とビスマスとの合金（Ｐｂ−Ｂｉ）、または有機冷却剤、例えばポリフェニル、またはフルオロフッ化炭素であってもよい。あるいは、該冷却剤は、相転移を起こす組成、例えば水、カリウム（Ｋ）またはナトリウム（Ｎａ）であってもよい。
【００５９】
その一方で、熱吸収部１１０は熱電性物質、例えばテルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）、またはアンチモン化亜鉛（Ｚｎ４Ｓｂ３）であってもよい。当業者であれば、熱吸収部１１０またはパイプ１２０が図示されているように平行である必要はなく、所望であれば互いに十字形に交わる角度に設定されてもよいことが理解されるであろう。
【００６０】
次に図８および図９を参照すると、燃料集合体４０の別の実施形態が図示されている。この別の実施形態では、燃料集合体４０は、先述の略円筒状の収納部５０ではなく、略球状の収納部１５０を備えている。この球状の収納部１５０は、必要とされるクラッド部の材料の量を低減できる。球状の収納部１５０は、燃料の外形を整える際にも役立つ。
【００６１】
図１０および図１１を参照すると、燃料集合体４０のさらに別の実施形態が図示されている。このさらに別の実施形態では、燃料集合体４０は、略ディスク状の収納部１６０を備えている。このディスク状の収納部１６０を使用する潜在的な利点は、燃料の外形を整える際に有用であることである。
【００６２】
図１２および図１３を参照すると、燃料集合体４０の別の実施形態が図示されている。この別の実施形態では、燃料集合体４０は、略半球状の収納部１５５を備えている。この半球状の収納部１５５は、ウェル３０における燃料集合体の充填密度を増加させる。半球状の収納部１５５は、球状の外形を有しており、燃料の外形を整える際に役立つ。
【００６３】
図１４および図１５を参照すると、燃料集合体４０のさらに別の一実施形態が図示されている。このさらに別の実施形態では、燃料集合体４０は、（横方向の断面において）多角形形状を有する収納部１６５を備えている。この点について、該収納部１６５は、横方向の断面において六角形形状を有していてもよい。収納部１６５の六角形状の断面を使用する潜在的な利点は、構成によっては燃料集合体４０が比較的高い充填率を提供でき、また、他の形状を有する燃料集合体に比べて、ウェル３０に充填される燃料集合体の個数を増加させられることにある。先述の実施形態と同様、収納部１６５の六角形状の断面は燃料の外形を整える際に役立つ。
【００６４】
図１６および図１７を参照すると、燃料集合体４０のさらに別の実施形態が図示されている。このさらに別の実施形態では、燃料集合体４０は、平行六面体形状の収納部１７０を備えている。この平行六面体形状の収納部１７０は、ウェル３０において比較的高い充填密度も提供する。先述の実施形態と同様、平行六面体形状の収納部１７０は、燃料の外形を整える際に役立つ。
【００６５】
図１８を参照すると、発泡体または多孔性物質７０には、１つ以上の燃料ペレット１８０が埋め込まれていてもよい。一実施形態において、燃料ペレット１８０は、先述の核分裂連鎖反応を開始するための最初の反応性供給源として役立つ。別の一実施形態では、燃料ペレット１８０は、核燃料物質の実質的密度を増加させるために、高い密度を有する燃料成分として役立つ。
【００６６】
反応炉１０が作動すると、発泡体または多孔性物質７０は膨張する傾向を有する。この傾向が発生するのは、反応炉１０の作動中に、核分裂のプロセス中に発泡体または多孔性物質７０から発生する核分裂熱によって、発泡体または多孔性物質７０が熱的膨張を起こすことが原因である。該核分裂プロセスによって、核分裂気体も生成される。
【００６７】
これら２つの現象が、発泡体または多孔性物質７０を膨張させる傾向を有し、次に、この膨張が収納部壁６０に対して圧力をかける傾向を有する。この圧力は、収納部壁６０が破れ、つづいて核分裂生成物が燃料集合体４０から放出されるリスクを増加させることがある。
【００６８】
ここに開示した発泡体または多孔性物質７０は、収縮可能な各空隙８０または各空隙９０を提供することによって、この問題の解決を試みる。換言すれば、各空隙８０または各空隙９０は、発泡体または多孔性物質７０が各空隙８０または各空隙９０に向かって膨張すると、自らの体積を低減させることによって、発泡体または多孔性物質７０の膨張分を収容またはその膨張を許容することができる。このように、壁６０にかかる圧力の増加を未然に防ぎ、燃料集合体４０から核分裂生成物が放出されるリスクを同様に軽減する。
【００６９】
当業者であれば、ここに記載された構成要素（例えば、作動）、デバイス、目的、およびこれらに付帯する議論は、発想を分かりやすくすることを目的とする例として使用されていること、および各種構成の修正が可能であることが理解できるであろう。したがって、ここで使用されているように、説明された具体的な見本および付帯する議論は、より包括的なクラスを表わすものである。
【００７０】
一般に、任意の具体的な見本の使用は、そのクラスを表わすものであって、具体的な構成要素（例えば、作動）、デバイス、および目的が記載されていなくても、これを限定的に解釈すべきものではない。
【００７１】
また、当業者であれば、代表的な例としての、前述の具体的なプロセスおよび／またはデバイスおよび／または技術が、本明細書中の別の箇所、例えばここに提出した請求項および／または本願の別の箇所において教唆された、より包括的なプロセスおよび／またはデバイスおよび／または技術を表わしていることが理解できるであろう。
【００７２】
ここに記載した本主題の具体的な態様を図示説明したが、変更および修正を加えても、ここに記載した主題およびより広い態様から逸脱するものではないこと、したがって、付属の請求項は、その範囲内に、さらにここに記載した主題の真の精神および範囲内に、すべての変化および修正が含むことを、当業者は本明細書中の教唆に基づいて自ずと理解できるはずである。
【００７３】
当該技術分野の当業者であれば、一般に、ここで使用した用語、特に付属の請求項（例えば、付属の請求項の本文）で使用した用語が、一般に「オープン」な用語であることを意図したものであることが理解できるであろう（例えば、「．．．を含む」という用語は、「を含んでいるが、これらに限定されるものではない」と解釈すべきであり、「．．．を有する」という用語は、「少なくとも．．．を有する」と解釈すべきであり、「．．．を備えた」という用語は、「を備えているが、これらに限定されるものではない」と解釈すべきである）。
【００７４】
さらに、請求項において導入された構成要素について具体的な個数が意図されているのであれば、このような意図が請求項中で明示的に記載されるのであって、このような明示的な記載が無い場合には、このような意図は存在しないことが、当該技術分野の当業者は理解できるであろう。理解の一助として例を挙げると、下記の付属の請求項において、請求項の構成要素を導入するために、「少なくとも１つの」とか「１つ以上の」といった導入表現が使用されているかもしれない。
【００７５】
しかし、たとえこのような表現を使用していたとしても、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」によって請求項の構成要素を導入していることが、請求項に導入されたこの構成要素を含む任意の特定の請求項を、該構成要素を１つしか含まない請求項に限定していることを暗示しているのだと、解釈するべきものではない。
【００７６】
同様に、このような解釈は、たとえ同一請求項中に「１つ以上の」または「少なくとも１つの」という導入表現と、不定冠詞、例えば「ａ」または「ａｎ」とが含まれていても、やはりするべきものではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、通常、「少なくとも１つの」または「１つ以上の」を意味すると解釈すべきである）。同じことが、請求項の構成要素を導入するために使用された定冠詞の使用についても当てはまる。
【００７７】
さらに、たとえ請求項で導入された構成要素について具体的な個数が明示的に記載されていたとしても、当業者であれば、このような記載は、通常、少なくとも記載された個数が含まれていることを意味していると解釈されるべきであることが理解できるであろう（例えば、修飾語を使わずに単に「２つの構成要素」と記載されている場合、通常、該構成要素が少なくとも２つまたは２つ以上含まれていることを意味する）。
【００７８】
さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどのうちの少なくとも一つ」に類似の表現形式が使用されている場合、一般に、このような文構造は、当業者がその表現形式を理解するであろう意味を意図している（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも一つを有するシステム」には、Ａだけを有するシステム、Ｂだけを有するシステム、Ｃだけを有するシステム、ＡおよびＢをともに有するシステム、ＡおよびＣをともに有するシステム、ＢおよびＣをともに有するシステム、および／またはＡ、Ｂ、およびＣをともに有するシステムなどが含まれるが、これに限定されるものではない）。
【００７９】
「Ａ、Ｂ、またはＣなどのうちの少なくとも一つ」に類似の表現形式が使用されている場合、一般に、このような文構造は、当業者がその表現形式を理解するであろう意味を意図している（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも一つを有するシステム」には、Ａだけを有するシステム、Ｂだけを有するシステム、Ｃだけを有するシステム、ＡおよびＢをともに有するシステム、ＡおよびＣをともに有するシステム、ＢおよびＣをともに有するシステム、および／またはＡ、Ｂ、およびＣをともに有するシステムなどが含まれるが、これに限定されるものではない）。
【００８０】
さらに、当業者であれば、通常、選択肢となる２つ以上の用語を提示する選言的な言葉および／または表現は、それが明細書中、請求項中、または図面中のいずれであっても、文脈と矛盾しない限りにおいて、複数の用語のうちの一つを含んでいる可能性、複数の用語のうちの一方を含んでいる可能性、または複数の用語をともに含んでいる可能性を考慮しているものであると理解すべきことが理解できるであろう。例えば、「ＡまたはＢ」という表現は、通常、「Ａ」である可能性または「Ｂ」である可能性または「ＡおよびＢ」である可能性を含んだものであると理解される。
【００８１】
付属の請求項に関して、当業者であれば、請求項中に記載の動作は、一般に任意の順序で実施してもかまわないことが理解できるであろう。また、さまざまな動作の流れが一連の流れとして提示されているが、このさまざまな動作が、図示された順序とは他の順序で実施されても、または同時に実施されてもかまわないことは理解されるべきである。このような別の順序の例には、文脈と矛盾しない限りにおいて、繰り返し、交互実施、中断、順序変更、増分、準備、補充、同時、逆、またはその他の変形した各順序が含まれてもよい。
【００８２】
さらに、「．．．に反応して」とか「．．．に関連して」といった用語、またはその他の過去分詞から派生した形容詞は、文脈と矛盾しない限りにおいて、一般に、このような変形例を除外することを意図したものではない。
【００８３】
したがって、提供されるものは、ここに記載および請求するように、燃料集合体に含まれる核燃料の膨張を許容するように構成された、核分裂反応炉用燃料集合体である。
【００８４】
さまざまな態様および実施形態を、ここに開示したか、その他の態様および実施形態が可能であることは、当業者であれば自ずと理解できるはずである。ここに開示した各種態様および実施形態は、説明を目的とするものであって、限定を加えることを意図するものではない。また、真の範囲および精神は以下の請求項によって示されている。
【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７】
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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１３】
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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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