(57)【要約】  本開示は、燃料−クラッド化学的相互作用（ＦＣＣＩ）耐性核燃料要素およびそれらの製造技術を記載する。核燃料要素は、クラッドと核物質との間のＦＣＣＩの影響を低減するために、鋼クラッド上に設けられた異なる材料の２つ以上の層（すなわち、隣接する障壁は、異なる基礎材料のものである）を含む。実施形態によると、層は、構造要素（すなわち、クラッドおよび障壁からなる構成要素全体の５０％を超える強度を提供するのに十分な厚さの層）であってもよく、或いは、構造構成要素の表面（例えば、クラッド、または燃料の構造形態）に何らかの方式で適用されるライナーまたはコーティングとしてより適切に記載されてもよい。
2020527722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素にて使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択された初期の構成要素を製作するステップと、
２層の中間要素を生成するために、第２の層を上記初期の構成要素に取り付けるステップと、
３層の中間要素を生成するために、第３の層を上記２層の中間要素に取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、最終層を上記３層の中間要素上に取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にあるステップとを含む方法。
【請求項２】
上記燃料要素のクラッドとして使用するためのクラッド材料を選択するステップであって、上記クラッド材料が上記核物質と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持される場合に、上記核物質は、上記クラッド材料内への第１の相互拡散距離を示すステップと、
上記燃料要素の上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料が上記核物質と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持される場合に、上記核物質は、上記燃料側障壁材料内への第２の相互拡散距離を示し、第２の相互拡散距離は第１の相互拡散距離よりも短いステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第３の相互拡散距離を示し、
上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第４の相互拡散距離を示し、第３の相互拡散距離は第４の相互拡散距離よりも長い、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
上記初期の構成要素が上記クラッドであり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、かつ、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
上記初期の構成要素が上記クラッド側障壁であり、上記第２の層が上記クラッドであり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記クラッドであり、上記最終層が上記燃料構成要素である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記燃料構成要素であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
上記初期の構成要素が上記燃料構成要素であり、上記第２の層が上記燃料側障壁であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
上記クラッド側障壁は、上記クラッド上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッドに取り付けられる、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
上記燃料側障壁は、上記燃料側障壁上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッド側障壁に取り付けられる、請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
上記クラッド側障壁は、上記クラッド側障壁上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記燃料側障壁に取り付けられる、請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
上記燃料側障壁は、上記燃料構成要素上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着によって、上記燃料構成要素に取り付けられる、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
上記クラッド側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
上記燃料側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
上記取り付けは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、熱蒸着、スパッタリング、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、陰極アーク、または電気スパーク蒸着（ＥＳＤ）によるものである、請求項９〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を備えており、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、かつ、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
上記初期の構成要素、上記第２の層、および上記第３の層が、共押出し成形される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項１９】
上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項２０】
上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項２１】
上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、請求項２または３に記載の方法。
【請求項２２】
上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、請求項２または３に記載の方法。
【請求項２３】
上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、請求項２または３に記載の方法。
【請求項２４】
核物質を保持するための二重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＨＴ９鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ鋼、合金３３鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側障壁と、
上記燃料側障壁と上記クラッドとの間のクラッド側障壁とを備え、
上記燃料側障壁は第１の材料であり、上記クラッド側障壁は、第１の材料とは基礎化学元素が異なる第２の材料である、核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【請求項２５】
上記第１の材料および上記第２の材料が２ヶ月間ウランと接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第１の材料は、上記第２の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、請求項２４に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【請求項２６】
２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第２の材料は、上記第１の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項２４に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【請求項２７】
上記第１の材料がＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択され、かつ、上記燃料側障壁が１．０〜１５０．０μｍの厚さである、請求項２４および２５のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【請求項２８】
上記第２の材料がＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択され、かつ、上記クラッド側障壁が１．０〜１５０．０μｍの厚さである、請求項２４〜２６のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【請求項２９】
核物質を保持するための三重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＨＴ９鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ鋼、合金３３鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側ＦＣＣＩ障壁と、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁と上記クラッドとの間のクラッド側ＦＣＣＩ障壁と、
上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁と上記燃料側ＦＣＣＩ障壁との間の中間ＦＣＣＩ障壁とを備え、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁は第１の材料であり、上記中間ＦＣＣＩ障壁は、第１の材料とは基礎材料が異なる第２の材料であり、かつ、上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁は、第２の材料とは基礎化学元素が異なる第３の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３０】
２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第１の材料は、上記第２の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、請求項２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３１】
２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第２の材料は、上記第１の材料の相互拡散が上記第３の材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３２】
２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第３の材料は、上記第２の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、請求項２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３３】
上記第１の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、請求項２９〜３２のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３４】
上記第２の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、請求項２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３５】
上記第３の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、請求項３４に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【請求項３６】
上記燃料側障壁、上記クラッド側障壁、および上記中間ＦＣＣＩ障壁の各々が、１．０〜１５０．０μｍの厚さである、請求項２９〜３２および３５のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願はＰＣＴ国際出願として２０１８年７月１９日に出願されており、２０１７年７月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／５３４，５６１号の優先権の利益を主張する。その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
〔序論〕
原子炉で使用される場合、核燃料は、典型的にはクラッドを備えている。クラッドは、燃料を収容するために、燃料が外部環境と相互作用するのを防止するために、および／または、冷却材が核分裂生成物で汚染されるのを防止するために設けられてもよい。例えば、いくつかの核燃料は、冷却材その他の材料との化学的反応性を有しているが、そうではない場合、上記冷却材その他の材料と接触してもよく、上記クラッディングがセパレータとして作用しなくてもよい。
【０００３】
クラッドは管、球、または細長い角柱の形状の容器の形態をとってもよく、その中に燃料を収容してもよい。いずれの場合も、燃料とクラッドとの組み合わせは、しばしば、「燃料要素」、「燃料棒」、または「燃料ピン」と呼ばれる。
【０００４】
金属燃料システムにおける燃料−クラッド化学的相互作用（ＦＣＣＩ）は、１つ以上の構成要素の相互拡散による核燃料とクラッド構成要素との間の化学反応を指す。より高い燃焼度（＞２０％）では、クラッド（またはその近傍）への燃料および核分裂生成物の相互拡散または燃料へのクラッド合金元素の拡散が、例えば化学的相互作用、脆化、強度の損失、意図しない合金の形成などのいくつかのメカニズムのうちの１つによって、燃料−クラッドシステムの強度を低下させ得る。具体的には、クラッド構成要素（鉄およびニッケル）が、ウランおよびプルトニウムの両方と低融点金属間化合物を形成する燃料中に移動することができ、一方、ランタニド核分裂生成物（ネオジム、セリウムなど）は、共晶反応も起こりやすい脆性金属間化合物を形成するクラッド中に外向きに移動する。
【０００５】
〔燃料−クラッド化学的相互作用耐性核燃料要素およびその製造方法〕
本開示は、燃料−クラッド化学的相互作用（ＦＣＣＩ）耐性核燃料要素およびそれらの製造技術を記載する。核燃料要素は、クラッドと核物質との間のＦＣＣＩの影響を低減するために、鋼クラッド上に設けられた異なる材料の２つ以上の層（すなわち、隣接する障壁は、異なる基礎材料のものである）を含む。実施形態によると、層は、構造要素（すなわち、クラッドおよび障壁からなる構成要素全体の５０％を超える強度を提供するのに十分な厚さの層）であってもよく、或いは、構造構成要素の表面（例えば、クラッド、または燃料の構造形態）に何らかの方式で適用されるライナーまたはコーティングとしてより適切に記載されてもよい。
【０００６】
〔図面の簡単な説明〕
以下の図面は、本出願の一部を形成するものであり、記載された技術を例示するものであって、任意の方式にて特許請求された本発明の範囲を限定することを意味するものではなく、その範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲に基づくべきである。
【０００７】
図１は、二重ＦＣＣＩ障壁または障壁装備クラッド（ＢＥＣ）を備えるクラッドの直線断面の切欠図を示す。
【０００８】
図２は、図１のＢＥＣの管状実施形態の断面図を示す。
【０００９】
図３は、例えば核燃料のような核物質と接触している、図１のＢＥＣを示す。
【００１０】
図４は、二重障壁を備えた管状クラッド内に含まれる核物質を有する、図２のＢＥＣの管状実施形態の断面図を示す。
【００１１】
図５は、ＦＣＣＩ耐性ＢＥＣおよび燃料要素のための障壁層材料を選択するための方法の実施形態を示す。
【００１２】
図６は、ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造するための方法の実施形態を高レベルで示す。
【００１３】
図７は、三重ＦＣＣＩ障壁を備えるクラッドの直線断面の切欠図を示す。
【００１４】
図８は、図７の三重ＢＥＣの管状実施形態の断面図を示す。
【００１５】
図９は、例えば核燃料のような核物質と接触している、図７の三重ＢＥＣを示す。
【００１６】
図１０は、三重障壁を備える管状クラッド内に含まれる核物質を有する、図８の三重ＢＥＣの管状実施形態の断面を示す。
【００１７】
図１１ａは、上述の燃料要素のうちの１つ以上を利用する核燃料アセンブリの部分図を提供する。
【００１８】
図１１ｂは、一実施形態による燃料要素の部分図を提供する。
【００１９】
〔詳細な説明〕
ＦＣＣＩ耐性核燃料要素およびそれらの製造方法が開示され、説明される前に、本開示は本明細書で開示される特定の構造、プロセスステップ、または材料に限定されず、当業者によって認識されるように、それらの等価物に拡張されることを理解されたい。本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明する目的でのみ使用され、限定することを意図しないことも理解されるべきである。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は文脈が沿わないことを明確に指示しない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。したがって、例えば、「水酸化リチウム」への言及は定量的または供給源限定として解釈されるべきではなく、「ステップ」への言及は複数のステップを含むことができ、反応の「生成する」または「生成物」への言及は反応の生成物のすべてであると解釈されるべきではなく、「反応する」への言及はそのような反応ステップの１つまたは複数への言及を含むことができる。したがって、反応する工程は、同定された反応生成物を生成するために、類似の物質の複数のまたは反復された反応を含み得る。
【００２０】
本開示は、ＦＣＣＩ耐性核燃料要素およびそれらの製造技術を記載する。以下に説明する実施形態では、核燃料要素は、クラッドと核物質との間のＦＣＣＩの影響を低減するために鋼クラッド上に設けられた異なる材料の２つ以上の層（すなわち、隣接する障壁は異なる基礎材料のものである）を含む。実施形態に応じて、層は、構造要素（すなわち、クラッドおよび障壁からなる構成要素全体の強度の５０％を超える強度を提供するのに十分な厚さの層）であってもよく、または、構造構成要素の表面（例えば、クラッド、または燃料の構造形態）に何らかの様式で適用されるライナーまたはコーティングとしてより適切に記載されてもよい。これらの層は、ＦＣＣＩを防止または低減する機能を強調するために、「ＦＣＣＩ障壁」または単に「障壁」と呼ばれる。クラッドとＦＣＣＩ障壁との組み合わせは、ＦＣＣＩ障壁装備クラッド（ＢＥＣ）と呼ばれる。ＢＥＣと、ＢＥＣに含まれる任意の核物質との組み合わせは、燃料要素と呼ばれる。
【００２１】
燃料およびクラッドの特定の構成、例えばウラン燃料を含む鋼クラッドでは、複数のＦＣＣＩ障壁を使用することができ、各障壁界面は上記の相互作用の任意の１つまたは複数を最小限に抑えるように選択される。さらに、障壁は、障壁界面間の相互作用が最小限に抑えられるか、または妨げられるように選択されてもよい。特定の例では、障壁は、燃料クラッド相互作用を妨げる１つ以上の構成化学元素を有する合金からなってもよい。他の実施形態では、合金は、その中の構成成分の濃度が燃料クラッド相互作用を妨げるのに有益な方法で段階的に変化するように生成されてもよい。
【００２２】
しかしながら、特定の材料の組み合わせは、高燃焼度には適していない場合がある。例えば、いくつかの障壁材料は、長期間にわたって高温に曝されたときに鋼を脱炭するように作用することがある。他の障壁材料は、鋼では良好に機能するが、ウランなどの燃料中に拡散することがある。本開示は、燃料で安定であって、クラッドで安定な第２の障壁によって囲まれた、燃料側障壁の生成を可能にするＢＥＣおよび材料の選択プロセスを記載する。障壁はまた、互いに照射されても安定である。複数のＦＣＣＩ障壁の開示された構成は、クラッドに対する有害な影響を低減する。
【００２３】
本開示の目的のために、比較の目的のために、ＦＣＣＩ特性は、２つの材料を接触させて（以下に議論されるように互いに取り付けさせて）、不活性雰囲気中にて６５０℃で２ヶ月間保持することによって決定される。次に、材料は例えば走査型電子顕微鏡によって検査され、異なる材料への対象となる１つ以上の化学元素（例えば、ウラン、クロム等）の相互拡散距離が決定される。例えば、バナジウム層は、ウラン層に結合され、６５０℃で２ヶ月間保持され、次いで、ウランがバナジウム中にどの程度拡散したかを決定するために検査されてもよい。本明細書に記載される材料の多くは、異なる濃度の複数の元素を含有する合金である。以下で論じる場合、特に断らない限り、第３の材料に関して、障壁またはクラッド材料が第２の材料よりも良好なＦＣＣＩ特性または良好な相互拡散距離を有すると言われる場合、それは、第３の材料において、第１の材料の基礎要素（合金中で最高重量％を有する要素）の上記相互融合距離は、第２の材料の基礎要素の上記相互拡散距離よりも小さいことを意味する。例えば、上記の方法によって決定されたことは、ＺｒＮはＨＴ９鋼に関してバナジウムよりも良好なＦＣＣＩ特性を有すること、すなわち、６５０℃で２ヶ月間接触させた後に、ＺｒＮは、ＨＴ９中に拡散したバナジウムよりもＨＴ９中への拡散距離が小さいことが観察されたことである。したがって、以下でさらに説明するように、特にＨＴ９が主要な構造層である場合であってＺｒＮおよびバナジウムが薄いコーティングである場合、ＺｒＮは、バナジウム層とＨＴ９層との間で使用される良好な障壁材料である。
【００２４】
クラッド−障壁−燃料システムを機械的に結合することにより、燃料とクラッドとの間の熱抵抗が低減される。これは、液体ナトリウムのような従来の結合材料を省略することを可能にする。特に明記しない限り、本明細書に記載の実施形態は結合材料を有さず、例えば、層間に液体ナトリウムを有さない。代替の実施形態では、燃料とクラッドとの間の熱抵抗を低減するために、ＢＥＣまたは燃料要素の層間の冶金学的結合を、プレス（例えば熱間等静圧圧縮成形）などによって形成することができる。
【００２５】
以下の議論は、クラッドの隣接する層が機械的結合、冶金学的結合、または拡散結合によって接続されてもよく、従来の結合材料を使用しないことを認識する。機械的に結合された層は、対向する表面が物理的に接触している層を指す。締まり嵌めによって接続された部品は、機械的に結合された層の一例である。機械的に結合された層はいくらかの空隙を有してもよく、界面全体に沿って完全に接触していなくてもよいが、近接および物理的接触は層間の良好な熱エネルギー伝達を可能にする。これは、層間の或る種の熱転写材料の必要性を除去するために使用することができる。冶金学的に結合された層は、２層の表面上の原子間に、空隙を完全にまたは実質的に含まない物理的界面を作り出すために、さらに処理されるか、または他の方法で処理されており、その結果、層間に不連続の界面がもたらされる。冶金学的結合は、そのより良好な接触ゆえに、機械的結合よりも良好な熱エネルギー伝達を有するが、層間の材料の相互拡散が実質的にないという点で、依然として不連続の界面を維持する。熱間等静圧圧縮成形または蒸着によって形成された界面は、冶金学的結合によって接続された層の例である。最後に、層は、２層の材料がゆっくりと混合されて界面に拡散区域を生成する拡散結合で結合されてもよい。拡散結合では、２層の間に明確な界面はなく、むしろ、材料が一方の層のものから他方の層のものに徐々に移行する区域がある。拡散結合は拡散区域内の材料特性を変化させ、一方、機械的結合および冶金学的結合はいずれの層の特性にも実質的に影響を及ぼさず、２層の間の不連続の界面を維持する。
【００２６】
図１は、２層または二重のＦＣＣＩ障壁を有するＢＥＣの直線部分、すなわち「壁要素」の切欠図を示す。ＢＥＣ１００は、核燃料を外部環境から分離する任意の機器、容器、または構成要素の一部であってもよい。例えば、ＢＥＣ１００は、核燃料を保持するための、管、直方柱、立方体、または任意の他の形状の容器または貯蔵容器の壁の一部であってもよい。代替の実施形態では、ＢＥＣは、容器の壁の一部ではなく、以下に記載されるように、何らかの蒸着または他の製造技術によって生成された固体核燃料の表面上に結果として生じる層であってもよい。核物質を保持する場合、ＢＥＣおよび核物質は共に燃料要素と呼ばれる。
【００２７】
使用される製造技術にかかわらず、図１に示されるＢＥＣ１００は、異なる基礎材料の２つのＦＣＣＩ障壁１０２、１０４とクラッド１０６とからなる。ＢＥＣの層は、それぞれ、その層との界面に沿って、その隣接する層に機械的または冶金学的に結合される。例えば、図２のような管状の実施形態では、ＢＥＣの層は、層間の周辺界面に沿って機械的にまたは冶金学的に一緒に結合される。第１のＦＣＣＩ障壁１０２は、燃料側障壁と呼ばれる。燃料側障壁１０２は、第２のＦＣＣＩ障壁１０４から、燃料、または燃料がまだ供給されていない場合に燃料が配置される貯蔵領域を分離する。第２のＦＣＣＩ障壁は、クラッド側障壁と呼ばれ、燃料側障壁１０２とクラッド１０６との間にある。したがって、燃料側障壁１０２は、一方の表面が燃料に露出され、他方の表面がクラッド側障壁１０４に露出された材料の層であり、一方、クラッド側障壁１０４は、燃料側障壁に面する表面と、クラッド１０６に接続された表面とを有する。
【００２８】
クラッド１０６は一方の表面で外部環境と接触し、反対側の表面でクラッド側障壁と接触する。したがって、クラッド１０６は、二重ＦＣＣＩ障壁を外部環境から分離する。
【００２９】
一実施形態では、クラッド１０６はＢＥＣの構造要素である。すなわち、クラッド１０６は、使用時に燃料要素の形状を保持するための強度および剛性を提供する。この実施形態では、障壁１０２、１０４は、ＦＣＣＩを防止するのに適した任意の厚さとすることができる。障壁１０２、１０４の厚さは、ＢＥＣの構造的完全性に多くのまたは任意の機械的支持を与えるのに十分であってもよいし十分でなくてもよい。一実施形態では、８μｍの最小燃料側障壁厚さを課すことができる。場合によっては、障壁１０２、１０４は薄く（例えば、５０μｍ未満の厚さ）、コーティングに似ていてもよい。代替の実施形態では、障壁１０２、１０４の一方または両方はより厚く（５０μｍ以上の厚さ）、ライナーと見なされてもよい。様々な実施形態では、各障壁１０２、１０４は独立して、厚さの範囲の下端で１．０、２．０、２．５、３．０、または５．０μｍの厚さであってもよく、範囲の上端への境界として、３．０、５．０、７．５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、７５、１００、または１５０μｍまでの厚さであってもよい。
【００３０】
図１に示されるＢＥＣ１００は、クラッド１０６および貯蔵された燃料の両方の特性に対するＦＣＣＩの影響を低減するように選択され、また、２つの障壁１０２、１０４間の有害な化学的相互作用の影響を低減するように選択された材料の燃料側障壁１０２を有する。
【００３１】
後述するように、クラッド側障壁および燃料側障壁に使用される材料は、それぞれクラッド材料および核物質との適合性に基づいて選択される。前記のように、適切である可能性のあるクラッド側障壁材料は、耐火金属（例えば、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、またはＲｅ、およびそれらの合金）、または類似の特性を有する金属（例えば、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、またはＮｉ、およびそれらの合金）、または耐火セラミック（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ）を含む。また、適切である可能性のある燃料側障壁材料は、耐火金属（例えば、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、またはＲｅ、およびそれらの合金）、または類似の特性を有する金属（例えば、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、またはＮｉ、およびそれらの合金）、または耐火セラミック（ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ）を含む。材料候補の同一のリストが各障壁層について列挙されているが、一実施形態では、すべての実装形態が、それぞれの障壁層の間で異なる基礎材料を使用する。「基礎材料」または「基礎化学元素」とは、材料中の重量で最大の化学元素を意味する。例えば、１つの化学元素が５０％を超える合金の場合、基礎材料は、合金の５０重量％を超える化学元素である。Ｖ、Ｚｒ、Ｍｏなどの元素材料の場合、基礎材料はその化学元素である。
【００３２】
図１に示すＢＥＣ１００は、燃料側障壁材料とは異なる基礎材料を有する材料からなるクラッド側障壁１０４を有する（例えば、クラッド側障壁はＴｉ合金であってもよく、燃料側障壁は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、ＴｉＮ、ＺｒＮ、ＶＮ、ＴｉＣ、ＺｒＣ、ＶＣ、またはＮｉの合金など、主にＴｉではない任意の材料であってもよい）。この場合も、クラッド側障壁材料は、クラッド１０６および貯蔵された核物質の特性に対するＦＣＣＩの影響を低減するように選択され、また、２つの障壁１０２、１０４間の有害な化学的相互作用の影響を低減するように選択される。
【００３３】
一実施形態では、燃料とクラッドとの両方の適合性要件を満たすためには二重層ＦＣＣＩ障壁が必要とされるという本来の前提では、個々のＦＣＣＩ障壁を適用するのには２つの異なる製造方法が最も適している場合がある。異なる障壁層に対して異なる製造方法を信頼することは、単一点破損の可能性を低減するという追加の利点を有しており、これは、異なる方法によって製造／適用される両方の層の間での整列の欠陥の可能性は非常に小さいと考えられるからである。ランタニド核分裂生成物の可動性および攻撃性ゆえに、この冗長性は特に魅力的であり、これは、燃料要素の高温（内側クラッド温度＞５５０℃）領域におけるＦＣＣＩ障壁のいかなる欠陥も、鋼クラッドを有する金属燃料装置における破損点につながることが予想されるからである。
【００３４】
クラッド１０６は、任意の適切な鋼または公知のクラッド材料であってもよい。適切な鋼の例には、マルテンサイト鋼、フェライト鋼、オーステナイト鋼、アルミニウム含有ステンレス鋼を含むステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金などの先進鋼、ＨＴ９、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、ＨＴ９鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ（Ｆｅ−２２重量％Ｃｒ−５．８重量％Ａｌ）および合金３３（鉄、クロム、およびニッケルの混合物、名目上３２重量％Ｆｅ−３３重量％Ｃｒ−３１重量％Ｎｉ）が含まれる。鋼は、任意の種類の微細構造を有することができる。例えば、一実施形態では、クラッド１０６内の実質的にすべての鋼が、焼戻しマルテンサイト相、フェライト相、およびオーステナイト相から選択される少なくとも１つの相を有する。一実施形態では、鋼はＨＴ９鋼またはＨＴ９鋼の修正版である。
【００３５】
あるいは、クラッド１０６は、モリブデンまたはモリブデン合金、ジルコニウムまたはジルコニウム合金（例えば、ジルカロイ−２およびジルカロイ−４などのＺｉｒｃａｌｏｙ（商標）合金のいずれか）、ニオブまたはニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金（例えば、Ｍ５およびＺＩＲＬＯ）、ニッケルまたはニッケル合金（例えば、ＨＡＳＴＥＬＬＯＹ（商標）Ｎ）など、鋼以外の材料または合金から作製されてもよい。
【００３６】
一実施形態では、改質ＨＴ９鋼は、９．０〜１２．０重量％のＣｒ、０．００１〜２．５重量％のＷ、０．００１〜２．０重量％のＭｏ、０．００１〜０．５重量％のＳｉ、０．５重量％までのＴｉ、０．５重量％までのＺｒ、０．５重量％までのＶ、０．５重量％までのＮｂ、０．３重量％までのＴａ、０．１重量％までのＮ、０．３重量％までのＣ、および０．０１重量％までのＢであり、残りはＦｅおよび他の化学元素であり、鋼はこれらの他の元素のそれぞれを０．１５重量％以下含み、これらの他の元素の合計は０．３５重量％を超えない。他の実施形態では、鋼は０．１〜０．３重量％のより狭い範囲のＳｉを有してもよい。鋼層１０４の鋼は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、Ｎｂ、ＴａまたはＢの炭化物析出物、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの窒化物析出物、および／またはＴｉ、Ｚｒ、Ｖ、ＮｂまたはＴａの炭窒化物析出物のうちの１つ以上を含んでもよい。
【００３７】
一実施形態では、完成したＢＥＣの層１０２、１０４、１０６は、それらの間にギャップまたはスペースなしに取り付けられる。以下でより詳細に論じるように、これは、機械的取り付けプロセス（例えば、ピルガ圧延または圧入）または蒸着法のいずれかの結果である。
【００３８】
図２は、図１のＢＥＣの管状実施形態を示す。図示の実施形態では、壁要素２００は、内面および外面を有する管の形態であり、燃料側障壁２０２は管の内面を形成し、鋼のクラッド２０６は管の外面を形成している。クラッド側障壁２０４は、燃料側障壁２０２とクラッド２０６との間に挟まれている。燃料貯蔵領域は、管の中央領域にある。燃料が管内に配置されると、燃料からクラッド２０６が分離されるのと同時に、燃料が反応性外部環境から保護される。
【００３９】
壁要素という一般的な用語は、本明細書では、管、柱、または他の形状の容器が複数の異なる壁または壁の一部を有していてもよく、それらのすべてがＢＥＣであるわけではないことを認めるために使用される。燃料要素の実施形態は、図１に示すようなＢＥＣ１００ではない材料で構成された１つまたは複数の壁要素ならびにＢＥＣ１００の壁要素を有するものを含む。例えば、管は、図２に記載されたＢＥＣ１００の円筒形壁要素を有する一方で、異なる構造のエンドキャップを有していてもよい。同様に、多角形構造、例えば、長方形（ボックス）または六角柱形状の燃料容器は、図１に示すように構成された側壁および底壁を有する一方で、異なる構造の頂部を有していてもよい。
【００４０】
図３は、図１の壁要素を示すが、今度は、燃料側障壁３０２と接触する、核燃料を含むがこれに限定されない核物質３１０を有する燃料要素３００として示す。燃料側障壁３０２は、クラッド側障壁３０４によってクラッド３０６から分離されている。この場合も、障壁３０２、３０４は、上記で定義したような薄いコーティングから、主要な構造要素であるクラッド３０６の厚さの５０％までの、任意の厚さとすることができる。
【００４１】
図示されていない代替実施形態では、主要な構造要素は、障壁のうちの１つ（クラッド側障壁３０４または燃料側障壁３０２のいずれか）である。この実施形態では、クラッドは、鋼の薄層であってもよい。
【００４２】
この場合も、ＢＥＣの層（すなわち、クラッド３０６、クラッド側障壁３０４、および燃料側障壁３０２）は、それぞれ、その層との界面に沿って、その隣接する層に機械的または冶金学的に結合される。例えば、図４のような管状の実施形態では、ＢＥＣの層は、層間の周辺界面に沿って機械的にまたは冶金学的に一緒に結合される。実施形態に応じて、核物質３１０は、以下でより詳細に論じるように、燃料側障壁３０２に機械的または冶金学的に結合されていても、されていなくてもよい。
【００４３】
同様に、図４は図２のＢＥＣの管状の実施形態を示すが、今度は、核燃料を含むがこれに限定されない核物質４１０を含む燃料要素４００として示す。核物質４１０は、ＢＥＣの中空中心にあり、燃料側障壁４０２と接触している。燃料側障壁４０２は、クラッド側障壁４０４によってクラッド４０６から分離されている。この場合も、障壁４０２、４０４は、上記で定義したような薄いコーティングから、主要な構造要素であるクラッド４０６の厚さの５０％までの、任意の厚さとすることができる。
【００４４】
核物質４１０は、図示したように中実であってもよいし、あるいは、完成した燃料要素が中心で中空であるように、環状の物質であってもよい。別の実施形態では、燃料要素は、核物質４１０の膨張のための、燃料要素の中心内の空間を与えるために、ローブ（lobed）形状または任意の他の断面を有していてもよい。
【００４５】
本出願の目的のために、核物質は、それが核燃料として使用され得るかどうかにかかわらず、アクチニドを含有する任意の物質を含む。したがって、任意の核燃料は核物質であるが、より広義には、微量またはそれ以上のＵ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、および／またはＰｕを含有する任意の物質は核物質である。核物質の他の例には、使用済み燃料、劣化ウラン、黄色ケーキ、二酸化ウラン、金属ウラン、ジルコニウムおよび／またはプルトニウムを含む金属ウラン、モリブデンおよび／またはプルトニウムを含む金属ウラン、二酸化トリウム、トリアナイト、四塩化ウランおよび／または三塩化ウランを含む塩のような塩化ウラン塩、およびフッ化ウラン塩が含まれる。
【００４６】
一方、核燃料は、任意の核分裂可能な物質を含む。核分裂可能な物質は、低エネルギー熱中性子または高エネルギー中性子に曝露された場合に核分裂を受けることができる任意の核種を含む。さらに、核分裂可能な物質は、任意の核分裂性物質、任意の燃料親物質、または核分裂性物質および燃料親物質の組み合わせを含む。これには、公知の金属、酸化物、および混合酸化物形態の核燃料が含まれる。核分裂可能な物質は、金属および／または金属合金を含有していてもよい。一実施形態では、燃料は金属燃料であってもよい。金属燃料は比較的高い重金属負荷および優れた中性子経済性を提供し得、これは核分裂原子炉の増殖および燃焼処理に望ましいことが理解され得る。用途に応じて、燃料は、Ｕ、Ｔｈ、Ａｍ、Ｎｐ、およびＰｕから選択される少なくとも１つの元素を含んでもよい。一実施形態では、燃料は、少なくとも約９０重量％のＵ、例えば、少なくとも９５重量％、９８重量％、９９重量％、９９．５重量％、９９．９重量％、９９．９９重量％、またはそれ以上のＵを含んでもよい。燃料は、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、およびＩｒから選択される少なくとも１つの元素を含んでもよい耐火性または高温受容可能な材料をさらに含んでもよい。一実施形態では、燃料は、ホウ素、ガドリニウム、エルビウム、またはインジウムなどの追加の可燃性毒物を含んでもよい。さらに、金属燃料は、照射中に燃料を寸法的に安定化させるために、約３重量〜約１０重量％のジルコニウムで合金化されてもよい。
【００４７】
核物質が分離される反応性環境または物質の例には、Ｎａ、ＮａＫ、超臨界ＣＯ２、鉛、および鉛ビスマス共晶およびＮａＣｌ−ＭｇＣｌ２などの原子炉冷却材が含まれる。
【００４８】
図５は、ＦＣＣＩ耐性ＢＥＣおよび燃料要素のための障壁層材料を選択するための方法の実施形態を示す。図示の実施形態では、方法５００は、核物質識別動作５０２において、燃料要素によって保持される核物質の識別から始まる。核物質は、任意の公知の材料から選択されてもよく、または、選択肢の範囲は、入手可能性または他の制約ゆえに、いくつかの材料または１つの材料のみに限定されてもよい。いくつかの可能な核物質のリストは、上記で提供されている。
【００４９】
クラッド材料は、クラッド識別動作５０４においても決定される。クラッド材料は、ほんの数例を挙げると、強度要件、厚さ要件、中性子要件、利用可能性、コスト、外部環境に対する耐食性、製造可能性、および寿命などの１つまたは複数の要因に基づいて決定することができる。いくつかの可能なクラッド材料のリストは、上記で提供されている。
【００５０】
選択されたクラッド材料にかかわらず、クラッド材料は、核物質に対して或る種の化学的相互作用特性を有する。これらの特性は、選択された核物質にクラッド材料が直接接触していると仮に仮定した場合にＦＣＣＩがクラッド材料をどの程度損傷するかを決定する。
【００５１】
クラッド材料および核物質が知られている状態で、燃料側障壁材料は、燃料側障壁材料選択動作５０６において選択されてもよい。この動作５０６では、クラッド材料に対して、燃料側障壁を通って核物質および核分裂生成物が拡散するのを低減または排除する燃料側障壁材料が選択される。すなわち、選択されたクラッド材料よりも、核物質とのより良好な化学的相互作用特性を有する燃料側障壁材料が選択される。例えば、一実施形態では、燃料側障壁材は、クラッド材料が有している耐性よりも、ランタニド核分裂生成物の相互拡散に対する耐性が改善されている。障壁厚さは、この動作５０６の一部として決定されてもよい。
【００５２】
この選択動作５０６は、原子炉運転中に最終核燃料要素が曝される、予想される熱的、物理的（例えば、圧力および構成）、および中性子環境を考慮に入れる。例えば、一実施形態では、ＦＣＣＩ障壁の主要な機能的要件は、燃料、核分裂生成物、およびクラッド構成要素との相互作用を最小限に抑えながら、高温（５５０〜６２５℃）で設計寿命（４０〜６０年）に耐えることである。
【００５３】
クラッド側障壁材料は、クラッド側障壁材料選択動作５０８においても選択される。この動作５０８では、選択された燃料側障壁材料に対して、クラッド材料との有害な化学的相互作用を低減または排除する、燃料側障壁材料とは基礎材料が異なるクラッド側障壁材料が選択される。すなわち、選択されたクラッド側障壁材料は、燃料側障壁材料が有している化学的相互作用特性よりも、クラッドとのいくらか良好な化学的相互作用特性を有する。例えば、選択されたクラッド側材料は、燃料側障壁材料よりも、クラッド材料からの１つ以上の化学元素の相互拡散に対する改善された耐性を有していてもよい。別の例として、一実施形態では、クラッド材料は炭素含有鋼であり、選択されたクラッド側障壁材料は、燃料側障壁材料よりも、クラッド材料の脱炭が少ないことを示す。クラッド材料中の成分と合金化する傾向を含む他の化学的相互作用特性が知られている。さらに、一実施形態では、クラッド側障壁材料は、燃料側障壁材料との適合性についても選択される。クラッド側障壁厚さも、この動作５０８の一部として決定することができる。
【００５４】
例えば、炭素含有鋼で観察される１つの有害な化学的相互作用は、原子力環境における時間経過に伴い起こる鋼の脱炭である。燃料側障壁材料とは基礎材料が異なるクラッド側障壁材料としては、原子炉運転中に最終核燃料要素が曝される、予想される熱的、物理的（例えば、圧力および構成）、および中性子環境下で観察される脱炭の量を低減することが証明されているものを選択してもよい。例えば、特定の実施形態では、障壁材料の各々は、関心のある移動種の拡散を妨げるようにも選択される。
【００５５】
次に、分析動作５１０において、２つの選択された障壁材料の適合性を検証するために、適合性チェックが実行される。この動作５１０は、予想される動作状態での２つの選択された障壁材料の適合性を決定する。クラッド側障壁材料と燃料側障壁材料との適合性が十分でないと判定された場合、３層以上の障壁の実施形態を調査してもよい。一実施形態では、これは、燃料側障壁およびクラッド側障壁の両方に適合する中間障壁の材料および厚さを選択することを含んでもよい。隣接する障壁、燃料、および／またはクラッドに対し、各層の材料、厚さ、および適用が適切に選択されて用いられるような追加の障壁層を適切に考慮してもよい。
【００５６】
図６は、ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造するための方法の実施形態を高レベルで示す。４つ以上の層のそれぞれについて選択された材料および厚さのセットが与えられると、方法６００は、最終的な燃料要素を製造する。
【００５７】
図示の実施形態では、方法６００が製造動作６０２において燃料要素の初期構成要素層の製造から開始する。これは、前述した層、すなわち、クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、または燃料のいずれであってもよい。この初期構成要素は、製造動作６０２において、他の層を後で取り付け得る所望の形状のスタンドアロン構成要素として製造される。
【００５８】
例えば、クラッドがＨＴ９鋼である実施形態では、製造動作６０２がＨＴ９鋼を従来通りに鍛造加工し、それを管またはシートに引き抜き加工することを含んでもよい。同様に、クラッド側障壁が最初の構成要素である実施形態では、製造動作６０２がクラッド側障壁材料を従来どおりに鍛造し、それを管またはシートに引き抜き加工して、スタンドアロン構成要素を作製してもよい。また、三次元印刷を使用して、初期の構成要素を製造してもよい。
【００５９】
初期の構成要素が製造された後、第２の層を初期の構成要素に取り付ける第２の層取り付け動作が実行される。取り付け動作６０４において、第１および第２の層は、２層の界面で機械的または冶金学的に結合される。例えば、管状の実施形態では、第１および第２の層が２層の周辺界面に沿って機械的または冶金学的に一緒に結合される。具体的な例として、ＨＴ９の管を引き抜き加工し、次いで、後述の技術のいずれか１つを使用して、上記で提供されたリストから選択されたクラッド側障壁材料で内面をコーティングしてもよい。
【００６０】
使用される取り付け技術は、取り付けられる材料のタイプによって知らされる。取り付け技術の例は、以下により詳細に議論される。その結果、２層中間構成要素が得られる。二重障壁燃料要素について、２層中間構成要素は、ａ）クラッドおよびクラッド側障壁中間体、ｂ）クラッド側障壁および燃料側障壁中間体、またはｃ）燃料側障壁および核物質中間体のうちの１つであり、初期の構成要素が何であるかに依存する。この動作６０４の一部として、第２の層が最初に製作されてから取り付けられてもよいし、或いは、第２の層が初期の構成要素上に堆積されると同時に、上記取り付けおよび上記製作が行われてもよい。
【００６１】
次に、第３の層を２層中間構成要素に取り付けるために、第３の層取り付け動作６０６が行われる。第３の層取り付け動作６０６では、第３の層が２層中間構成要素の２層のうちの１つに機械的または冶金学的に結合される。例えば、管状の実施形態では、第２および第３の層が２層の周辺界面に沿って機械的または冶金学的に一緒に結合される。これにより、３層中間構成要素が形成される。二重障壁燃料要素の場合、３層中間構成要素は、初期の構成要素が何であったかと、層が取り付けられた順序とに応じて、ＢＥＣまたはクラッド側障壁／燃料側障壁／核物質中間体のいずれかである。この場合も、この動作６０６の一部として、第３の層が最初に製作されてから取り付けられてもよいし、或いは、第３の層が２層中間構成要素上に堆積されると同時に、上記取り付けおよび上記製作が行われてもよい。
【００６２】
具体例として、ＨＴ９の管を引き抜き加工し、次いでクラッド側障壁中間体材料でコーティングしてもよいし、次いで燃料側障壁材料の管を製造し、ＨＴ９／クラッド側障壁中間体構成要素に挿入してもよい。次に、クラッド側障壁と燃料側障壁との間の結合を改善するために、３層中間構成要素を熱間引き抜き加工してもよいし、或いは冷間引き抜き加工してもよい。
【００６３】
次に、二重ＦＣＣＩ障壁燃料要素は、最終取り付け動作６０８で完成する。この動作において、クラッドまたは核物質のいずれかである最終層は最終燃料要素を形成するために、３層中間構成要素と組み合わされる。これは、最終製品への全ての層の取り付けを完了するために、いくつかの最終的な処理動作または結合動作を含んでもよい。例えば、一実施形態では、最終取り付け動作６０８が、以前の動作で以前に機械的に結合された１つまたは複数の層の間に最終冶金学的結合を提供するプロセスを含む。
【００６４】
また、最終取り付け動作６０８は、使用に必要な任意の外部取り付け具の取り付けを含んでもよい。例えば、最終取り付け動作６０８は、燃料要素上に１つ以上のエンドキャップを適用することを含んでもよい。また、任意の追加のハードウェアまたは構成要素も、この動作６０８の一部として提供されてもよい。
【００６５】
中間の焼なましは、方法６００の動作のいずれかの一部として、所望に応じて真空条件下または還元条件下で行ってもよい。焼ならしおよび焼戻しを含む最終熱処理も、所望に応じて実行されてもよい。
【００６６】
上述のように、初期の構成要素は、任意の従来の様式で製造動作６０２において製作され得る。その後の取り付け動作６０４、６０６、６０８は、選択された材料のそれぞれの層を形成し、それを初期または中間構成要素に取り付けるための任意の適切な技術を含む。一実施形態では、クラッドおよび障壁は、気体の核分裂生成物の容易な移動を防止し、壁貫通欠陥または亀裂が製造中に生成されないために、それぞれ気密である。さらに、ＢＥＣの層間に機械的または冶金学的結合を使用することにより、液体ナトリウムなどの熱結合材料を使用することなく、良好な熱伝導率が得られる。適切な技術の例としては、問題の材料に応じて、取り付けられる層の個々の従来の製作（例えば冷間引き抜きまたは三次元印刷）が挙げられ、挿入、圧延、圧入、スエージング、共引き抜き、共押出、またはピルガ圧延（冷間または熱間）などによる単純な機械的結合が挙げられる。機械的取り付け技術は、亀裂その他の変形なしに層と層との間に良好な取り付けを形成するのを支援するために、高温（例えば、熱間ピルガ圧延または熱間等静圧圧縮成形）を含んでもよい。
【００６７】
場合によっては、燃料要素の構築中に熱膨張の差を使用することは、最終取り付け動作６０８の一部として可能であり得る。この方法では、障壁および／または核物質は、ＢＥＣ内に「スライド」され、定常状態の原子炉作動温度、燃料補給温度、または燃料が製造後に出荷される温度などの所定の熱条件に合致すると、所望の状態に到達してもよい。したがって、図１〜図４および図７〜図１０に示す実施形態は、様々な層を、それらの接触面に沿って互いに完全に結合されたものとして示しているが、特に層が互いに機械的に結合されている場合には製造プロセス中の異なる時点ではそうではない場合がある。加えて、理想的ではあるが、境界面に沿った全ての点におけるそのような完全な結合は実際には達成可能ではないかもしれない。
【００６８】
さらに、障壁は、層の材料をターゲットの構成要素上に堆積させることによって生成され、取り付けられてもよい。これは、例えば、電気めっき、化学蒸着（ＣＶＤ）（特に有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ））、または物理蒸着（ＰＶＤ）（特に熱蒸着、スパッタリング、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、陰極アーク、および電気スパーク蒸着（ＥＳＤ））によって達成され得る。これらの取り付け技術の各々は、当該技術分野において公知である。
【００６９】
いくつかの実施形態では、核物質が燃料側障壁に取り付けられる必要はなく、むしろ、少なくとも一部がＢＥＣによって形成された容器内に単に収容されることが可能である。例えば、ペレット化された核燃料は単に、閉じた管その他の何らかの形状の容器の形態でＢＥＣに装填されてもよい。
【００７０】
あるいは、１つ以上の層の間の冶金学的結合が方法６００の一部として、例えば、熱プレス（例えば、熱間等静圧圧縮成形）によって生成されてもよい。例えば、一実施形態では、クラッド、クラッド側障壁、および中心空隙を有する燃料側障壁の管状ビレットからなる３層中間構成要素は、個々の材料管の機械的取り付け、材料の堆積、または両方の組合せのいずれかによって生成されてもよい。次に、３層中間構成要素は、定圧（熱間等静圧圧縮成形またはＨＩＰ）を使用して熱プレスされて、３層中間体の層の間に冶金学的結合を形成してもよい。次に、３層中間構成要素を押し出しまたはピルガ圧延（または両方の組み合わせ）し、続いて冷間圧延または冷間引き抜きして最終形状にしてもよい。
【００７１】
代替の実施形態では、プロセスの第１のステップが熱間押出であってもよい。例えば、熱間押出に続くＨＩＰ、およびＨＩＰに続く熱間押出は、冶金学的結合を達成するための代替方法である。
【００７２】
例えば、ＢＥＣは、クラッド材料、クラッド側障壁材料および燃料側障壁材料の管を組み立て、次いでそれらをホットプレスし、続いて押出および冷間圧延または冷間引き抜きして、ＢＥＣの最終形態ファクタにすることによって、製造してもよい。代替的な冶金学的結合の実施形態では、最初に中間構成要素を押し出しまたはピルガ圧延（または両方の組み合わせ）し、次に熱プレスして冶金学的結合を提供してもよい。次に、中間構成要素は、最終的なフォームファクタまたは、後続の処理ステップに必要とされるフォームファクタに処理されてもよい。
【００７３】
以下の表１は、異なる取り付け順序および異なる可能な取り付け技術を含む、二重ＦＣＣＩ障壁燃料要素のための可能な製造方法の実施形態のいくつかを示す。図６の方法の様々な並び替えは、例えば、環状燃料がＰＶＤ（両方の障壁）によってコーティングされ、燃料／燃料側障壁／クラッド側障壁の中間体上にクラッドがスエージ加工されることを含む。また、方法６００に含まれる実施形態では、燃料を押し出し、鋳造、ピルガ圧延、または管溶接してもよい。
【００７４】
具体的には、図６の方法に含まれる実施形態では、障壁およびクラッドが、第３の層取り付け動作６０６の完了として、または最終取り付け動作６０８の一部として、共押出しされてもよい。例えば、第３の層取り付け動作６０６は、ＢＥＣの全ての層を共押出しまたはピルガ圧延して、核物質との最終的な組み立て前の最終的な形態ファクタにすることを含んでもよい。同様に、最終取り付け動作６０８は、核物質を含む全ての層を共押出しまたはピルガ圧延して、燃料要素の最終形態にする工程を含んでもよい。
【００７５】
別の例示的な実施形態として、方法６００は、「薄い」燃料側障壁を冷間引き抜きし、その外側にクラッド側障壁をＰＶＤコーティングし、次いでクラッドの内側に二重障壁を挿入し、冷間空引き／引き抜き動作を行って層を機械的に結合することを含む。
【００７６】
方法６００のさらに別の実施形態（図示せず）では、ＢＥＣまたは完成した燃料要素が、例えば、すべての層を同時に３次元印刷することによって、最初の製作動作６０２および取り付け動作６０４、６０６、６０８が同時に実行される単一の製作動作の一部として作成されてもよい。
【００７７】
また、鋳造技術も燃料を生成するために使用され得る。場合によっては、鋳造がライナおよび／またはクラッドの内部の燃料ピン内で直接行われてもよい。また、鋳造は、核分裂の生成物を収集または輸送するための内部構造を提供するために行われてもよい。
【００７８】
また、上記で示した二重障壁の実施形態に加えて、３つのＦＣＣＩ障壁がいくつかの状況で有用であり得る。３つの障壁、すなわち三重障壁の実施形態は、クラッド側障壁と燃料側障壁との間に中間層を設けることを含み、これにより、これら２つの障壁間の相互作用が低減され、これら２層の間のより良好な取り付けが提供され、或いは外部環境への核物質または核分裂生成物の相互拡散に対する追加の保護が提供される。他の点では、三重障壁の実施形態は、各障壁が任意の隣接する１つまたは複数の障壁とは異なる基礎材料である二重障壁の実施形態と同様である。クラッドは主要な構造要素であってもよく、あるいは３つの障壁のうちの１つが主要な構造要素であってもよい。
【００７９】
表１−二重ＦＣＣＩ燃料要素の製造の実施形態
【００８０】
【表１】
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【００８１】
図７〜１０は、ＢＥＣおよびＦＣＣＩ耐性燃料要素のための三重障壁の実施形態を示す。図７〜図１０は、図１〜図４に示される二重障壁の実施形態の提示を反映する。
【００８２】
図７は、三重ＦＣＣＩ障壁を有するＢＥＣの直線断面、すなわち「壁要素」の切欠図を示す。再び、ＢＥＣ７００は、核燃料を外部環境から分離する任意の機器、容器、または構成要素の一部であってもよい。ＢＥＣ７００は、３つのＦＣＣＩ障壁７０２、７０４、７０８およびクラッド７０６からなる。燃料側障壁１０２は、燃料、または燃料がまだ供給されていない場合に燃料が配置される予定である貯蔵領域を、中間ＦＣＣＩ障壁７０８から分離する。中間ＦＣＣＩ障壁７０８は、燃料側障壁７０２とクラッド側障壁７０４との間にある。クラッド側障壁７０４は、中間障壁７０８とクラッド７０６との間にある。クラッド１０６は一方の表面で外部環境と接触し、反対側の表面でクラッド側障壁１０４と接触する。
【００８３】
ＦＣＣＩ障壁７０２、７０４、７０８は、図１〜４の障壁を参照して上述した材料のいずれであってもよい。しかしながら、一実施形態では、２つの隣接する障壁が同じ基礎材料でなくてもよい。すなわち、この実施形態では燃料側障壁７０２およびクラッド側障壁７０４が同じ基礎材料であってもよいが、中間障壁７０８は燃料側障壁７０２およびクラッド側障壁７０４の両方とは異なる材料である。他のすべての点において、ＢＥＣ７００は、図１を参照して上述したものと同じである。
【００８４】
図８は、図７の三重ＢＥＣの管状実施形態を示す。図示の実施形態では、壁要素８００が内面および外面を有する管の形態であり、燃料側障壁８０２は管の内面を形成し、鋼のクラッド８０６は管の外面を形成する。中間ＦＣＣＩ障壁８０８は、燃料側障壁８０２とクラッド側障壁８０４との間に挟まれている。燃料貯蔵領域は、管の中央領域にある。燃料は管内に配置されると、反応性外部環境から保護されると同時に、クラッド８０６が燃料との化学的相互作用から分離され保護される。再び、壁要素という一般的な用語は、管または他の形状の容器が複数の異なる壁を有してもよいし、或る壁の複数の部分を有してもよく、それらの全てがＢＥＣからなるわけではないことを認識するために使用されている。
【００８５】
図９は図７の三重障壁要素を示すが、今度は、核燃料を含むがこれに限定されない核物質９１０が燃料側障壁９０２と接触している燃料要素として示す。燃料側障壁９０２は、中間障壁９０８によってクラッド側障壁９０４から分離されている。再び、障壁９０２、９０４、９０８は、薄いコーティングから、主要な構造要素（クラッド９０６）の厚さの５０％までの任意の厚さであってもよい。
【００８６】
同様に、図１０は、図８の三重ＢＥＣの管状実施形態を示すが、今度は核燃料を含むがこれに限定されない核物質１０１０を含む燃料要素１０００として示す。核物質１０１０はＢＥＣの中空中心にあり、燃料側障壁１００２と接触している。燃料側障壁１００２は、異なる材料の中間障壁１００８によってクラッド側障壁１００４から分離されている。再び、障壁１００２、１００４、１００８は、薄いコーティングから、主要な構造要素（クラッド１００６）の厚さの５０％までの任意の厚さであってもよい。他のすべての点において、ＢＥＣ９００は、図３を参照して上述したものと同じである。
【００８７】
核物質１０１０は図示されるように中実であってもよいし、或いは、完成した燃料要素が中心で中空であるように、環状の材料であってもよい。別の実施形態では、燃料要素は、燃料要素の内部に核物質１０１０の膨張のための空間を与えるために、ローブまたは任意の他の断面を有してもよい。他の全ての点において、燃料要素１０００は、図４を参照して上述したものと同じである。
【００８８】
図７〜図１０の三重燃料要素およびＢＥＣは、図５および図６の方法と同様の方法を使用して製造されてもよい。図５の材料選択方法は、中間障壁材料の選択のための追加の動作を含むように変更される。この動作は、クラッド側障壁材料および燃料側障壁材料と化学的に適合する材料を選択することを含む。一実施形態では、中間障壁材料は、隣接する障壁が互いに行うよりも、その隣接する障壁のそれぞれとの１つまたは複数の良好な化学的相互作用特性を有する。
【００８９】
同様に、図６の製造方法は、追加の層取り付け動作を含むように変更される。もちろん、第３の障壁の追加により、マトリックスにもう１つの構成要素が追加され、これは、様々な層を製作し取り付ける多くの異なる可能な順序があることを意味する。
【００９０】
燃料要素および燃料アセンブリ
図１１ａは、上述の二重または三重ＢＥＣのうちの１つ以上を利用する核燃料アセンブリ１０の部分図を提供する。燃料アセンブリ１０は、図示のように、格納構造１６内に保持された多数の個々の燃料要素（または「燃料棒」または「燃料ピン」）１１を含む。
【００９１】
図１１ｂは、一実施形態に従う燃料要素１１の部分図を提供する。この実施形態に示されるように、燃料要素は、二重または三重ＢＥＣ１３と、燃料１４と、場合によっては少なくとも１つのギャップ１５とを含む。単一の要素として図示されているが、二重または三重ＢＥＣ１３は上述の２つの障壁または３つの障壁クラッドから、全体的にまたは少なくとも部分的に構成されている。
【００９２】
燃料は、外部ＢＥＣ１３によって形成されたキャビティ内に密封される。場合によっては、複数の燃料材料を図１１ｂに示すように軸方向に積み重ねてもよいが、そうする必要はない。例えば、燃料要素は、１つの燃料材料のみを含むことができる。一実施形態では、燃料材料とＢＥＣとの間にギャップ１５が存在してもよいが、ギャップが存在する必要はない。一実施形態では、ギャップが、加圧されたヘリウム雰囲気などの加圧された雰囲気で満たされる。
【００９３】
一実施形態では、個々の燃料要素１１が、クラッド管の周囲に螺旋状に巻き付けられた直径約０．８ｍｍ〜約１．６ｍｍの細いワイヤ１２を有して、燃料アセンブリ１０（冷却剤ダクトとしても機能する）のハウジング内に冷却剤空間および個々の燃料要素１１の機械的分離を提供してもよい。一実施形態では、二重または三重ＢＥＣ１３、および／または、ワイヤラップ１２は、実験データの集まりによって示されるような照射性能のために、フェライト−マルテンサイト鋼から製作されてもよい。
【００９４】
上記燃料要素は、外部の形状および内部の燃料貯蔵領域の形状の両方に関して、任意の幾何学的形状を有してもよい。例えば、上述のいくつかの実施形態では、燃料要素は、円筒形であり、円筒形ロッドの形態を採用してもよい。さらに、燃料要素に関するいくつかの擬似角錐台（prismatoid）の形状は、特に効率的であり得る。例えば、燃料要素は、３つ以上の側面と、基部に関して任意の多角形形状とを有する、直角柱、斜角柱、または切頭プリズムであってもよい。六角形プリズム、長方形プリズム、正方形プリズム、および三角形プリズムは、全て、燃料アセンブリに充填するための潜在的に効率的な形状である。
【００９５】
燃料要素および燃料アセンブリは、原子力発電プラントの一部である発電用原子炉の一部であってもよい。核反応によって発生した熱は、燃料要素の外部と接触する冷却材を加熱するために使用される。次に、この熱は、除去され、タービンその他の機器を駆動するために使用されて、除去された熱から動力が有益に獲得される。
【００９６】
添付の特許請求の範囲にかかわらず、本開示は、以下の項目によっても定義される。
【００９７】
＜１＞ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素にて使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択された初期の構成要素を製作するステップと、
２層の中間要素を生成するために、第２の層を上記初期の構成要素に取り付けるステップと、
３層の中間要素を生成するために、第３の層を上記２層の中間要素に取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、最終層を上記３層の中間要素上に取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にあるステップとを含む方法。
【００９８】
＜２＞上記燃料要素のクラッドとして使用するためのクラッド材料を選択するステップであって、上記クラッド材料が上記核物質と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持される場合に、上記核物質は、上記クラッド材料内への第１の相互拡散距離を示すステップと、
上記燃料要素の上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料が上記核物質と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持される場合に、上記核物質は、上記燃料側障壁材料内への第２の相互拡散距離を示し、第２の相互拡散距離は第１の相互拡散距離よりも短いステップとをさらに含む、項目１に記載の方法。
【００９９】
＜３＞上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第３の相互拡散距離を示し、
上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料と２ヶ月間接触して配置され、６５０℃に保持された場合に、上記クラッド材料内への第４の相互拡散距離を示し、第３の相互拡散距離は第４の相互拡散距離よりも長い、項目２に記載の方法。
【０１００】
＜４＞上記初期の構成要素が上記クラッドであり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、かつ、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目１〜３の何れかに記載の方法。
【０１０１】
＜５＞上記初期の構成要素が上記クラッド側障壁であり、上記第２の層が上記クラッドであり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目１〜４の何れかに記載の方法。
【０１０２】
＜６＞上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記クラッドであり、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目１〜５の何れかに記載の方法。
【０１０３】
＜７＞上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記燃料構成要素であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、項目１〜６の何れかに記載の方法。
【０１０４】
＜８＞上記初期の構成要素が上記燃料構成要素であり、上記第２の層が上記燃料側障壁であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、項目１〜７の何れかに記載の方法。
【０１０５】
＜９＞上記クラッド側障壁は、上記クラッド上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッドに取り付けられる、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１０６】
＜１０＞上記燃料側障壁は、上記燃料側障壁上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッド側障壁に取り付けられる、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１０７】
＜１１＞上記クラッド側障壁は、上記クラッド側障壁上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着のうちの１つによって、上記燃料側障壁に取り付けられる、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１０８】
＜１２＞上記燃料側障壁は、上記燃料構成要素上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、または物理蒸着によって、上記燃料構成要素に取り付けられる、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１０９】
＜１３＞上記クラッド側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１１０】
＜１４＞上記燃料側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目２〜８の何れかに記載の方法。
【０１１１】
＜１５＞上記取り付けは、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、熱蒸着、スパッタリング、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、陰極アーク、または電気スパーク蒸着（ＥＳＤ）によるものである、項目９〜１４のいずれかに記載の方法。
【０１１２】
＜１６＞上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を備えており、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、かつ、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、項目１〜１５のいずれかに記載の方法。
【０１１３】
＜１７＞上記初期の構成要素、上記第２の層、および上記第３の層が、共押出し成形される、項目１〜１６の何れかに記載の方法。
【０１１４】
＜１８＞上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、項目２〜１７の何れかに記載の方法。
【０１１５】
＜１９＞上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素である、項目２〜１８の何れかに記載の方法。
【０１１６】
＜２０＞上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素である、項目２〜１９の何れかに記載の方法。
【０１１７】
＜２１＞上記クラッド材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド材料の基礎化学元素である、項目２〜１７の何れかに記載の方法。
【０１１８】
＜２２＞上記燃料側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記燃料側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記燃料側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記燃料側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、項目２〜１８の何れかに記載の方法。
【０１１９】
＜２３＞上記クラッド側障壁材料が有する基礎化学元素は、上記クラッド側障壁材料の５０重量％よりも大きく、かつ、上記クラッド側障壁材料中の少なくとも１つの化学元素は、上記クラッド側障壁材料の基礎化学元素とは異なる、項目２〜１９の何れかに記載の方法。
【０１２０】
＜２４＞核物質を保持するための二重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＨＴ９鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ鋼、合金３３鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側障壁と、
上記燃料側障壁と上記クラッドとの間のクラッド側障壁とを備え、
上記燃料側障壁は第１の材料であり、上記クラッド側障壁は、第１の材料とは基礎化学元素が異なる第２の材料である、核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【０１２１】
＜２５＞２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第１の材料は、上記第２の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、項目２４に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【０１２２】
＜２６＞２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第２の材料は、上記第１の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、項目２４に記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【０１２３】
＜２７＞上記第１の材料がＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択され、かつ、上記燃料側障壁が１．０〜１５０．０μｍの厚さである、項目２４および２５のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【０１２４】
＜２８＞上記第２の材料がＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択され、かつ、上記クラッド側障壁が１．０〜１５０．０μｍの厚さである、項目２４〜２６のいずれかに記載の核物質を保持するための二重障壁装備クラッド。
【０１２５】
＜２９＞核物質を保持するための三重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＨＴ９鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ鋼、合金３３鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側ＦＣＣＩ障壁と、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁と上記クラッドとの間のクラッド側ＦＣＣＩ障壁と、
上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁と上記燃料側ＦＣＣＩ障壁との間の中間ＦＣＣＩ障壁とを備え、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁は第１の材料であり、上記中間ＦＣＣＩ障壁は、第１の材料とは基礎材料が異なる第２の材料であり、かつ、上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁は、第２の材料とは基礎化学元素が異なる第３の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１２６】
＜３０＞２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第１の材料は、上記第２の材料よりも少ないウランの相互拡散を示す、項目２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１２７】
＜３１＞２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第２の材料は、上記第１の材料の相互拡散が上記第３の材料の相互拡散よりも少ないことを示す、項目２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１２８】
＜３２＞２ヶ月間接触させて配置され、６５０℃に保持された場合に、上記第３の材料は、上記第２の材料の相互拡散が上記クラッド材料の相互拡散よりも少ないことを示す、項目２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１２９】
＜３３＞上記第１の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目２９〜３２のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１３０】
＜３４＞上記第２の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目２９に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１３１】
＜３５＞上記第３の材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目３４に記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１３２】
＜３６＞上記燃料側障壁、上記クラッド側障壁、および上記中間ＦＣＣＩ障壁の各々が、１．０〜１５０．０μｍの厚さである、項目２９〜３２および３５のいずれかに記載の核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１３３】
＜３７＞ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造する方法であって、
燃料要素に使用される核物質を燃料構成要素として識別するステップと、
クラッド、クラッド側障壁、燃料側障壁、および上記燃料構成要素から選択される初期の構成要素を製作するステップと、
２層の中間要素を生成するために、上記初期の構成要素に第２の層を取り付けるステップと、
３層の中間要素を生成するために、上記２層中間要素に第３の層を取り付けるステップと、
上記燃料要素を生成するために、上記３層の中間要素上に最終層を取り付けるステップであって、上記燃料要素は、上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を有し、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、かつ、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、方法
＜３８＞上記燃料要素のクラッドとして使用するためのクラッド材料を選択するステップであって、上記クラッド材料は、上記核物質との第１の化学的相互作用特性を有するステップと、
上記燃料要素における上記燃料側障壁として使用するための燃料側障壁材料を選択するステップであって、上記燃料側障壁材料は、上記クラッド材料よりも良好な、上記核物質との第１の化学的相互作用特性を有し、かつ、上記クラッド材料との第２の化学的相互作用特性を有するステップと、
上記燃料要素における上記クラッド側障壁として使用するためのクラッド側障壁材料を選択するステップであって、上記クラッド側障壁材料は、上記燃料側障壁材料よりも良好な、上記クラッド材料との第２の化学的相互作用特性を有するステップとをさらに含む、項目３７に記載の方法。
【０１３４】
＜３９＞上記初期の構成要素が上記クラッドであり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目３７に記載の方法。
【０１３５】
＜４０＞上記初期の構成要素が上記クラッド側障壁であり、上記第２の層が上記クラッドであり、上記第３の層が上記燃料側障壁であり、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目３７に記載の方法。
【０１３６】
＜４１＞上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記クラッド側障壁であり、上記第３の層が上記クラッドであり、上記最終層が上記燃料構成要素である、項目３７に記載の方法。
【０１３７】
＜４２＞上記初期の構成要素が上記燃料側障壁であり、上記第２の層が上記燃料構成要素であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、項目３７に記載の方法。
【０１３８】
＜４３＞上記初期の構成要素が上記燃料構成要素であり、上記第２の層が上記燃料側障壁であり、上記第３の層が上記クラッド側障壁であり、上記最終層が上記クラッドである、項目３７に記載の方法。
【０１３９】
＜４４＞上記クラッド側障壁は、上記クラッド上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、熱間押出、熱間等静圧圧縮成形、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッドに取り付けられる、項目３７に記載の方法。
【０１４０】
＜４５＞上記燃料側障壁は、上記燃料側障壁上への上記クラッド側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、熱間押出、熱間等静圧圧縮成形、または物理蒸着のうちの１つによって、上記クラッド側障壁に取り付けられる、項目３７に記載の方法。
【０１４１】
＜４６＞上記クラッド側障壁は、上記クラッド側障壁上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、熱間押出、熱間等静圧圧縮成形、または物理蒸着のうちの１つによって、上記燃料側障壁に取り付けられる、項目３７に記載の方法。
【０１４２】
＜４７＞上記燃料側障壁は、上記燃料構成要素上への上記燃料側障壁材料の機械的取り付け、電気めっき、化学蒸着、熱間押出、熱間等静圧圧縮成形、または物理蒸着によって、上記燃料構成要素に取り付けられる、項目３７に記載の方法。
【０１４３】
＜４８＞上記クラッド側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目３７に記載の方法。
【０１４４】
＜４９＞上記燃料側障壁材料が、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｚｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｓｃ、Ｆｅ、Ｎｉ、これら材料のいずれかの合金、セラミックＴｉＮ、セラミックＺｒＮ、セラミックＶＮ、セラミックＴｉＣ、セラミックＺｒＣ、またはセラミックＶＣから選択される、項目３７に記載の方法。
【０１４５】
＜５０＞上記取り付けが、有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）、熱蒸着、熱間押出、熱間等静圧圧縮成形、スパッタリング、パルスレーザ蒸着（ＰＬＤ）、陰極アーク、または電気スパーク蒸着（ＥＳＤ）によるものである、項目４４〜４９のいずれかに記載の方法。
【０１４６】
＜５１＞上記燃料要素が上記クラッド、上記クラッド側障壁、上記燃料側障壁、および上記燃料構成要素を備えており、上記クラッド側障壁が上記クラッドと上記燃料側障壁との間にあり、上記燃料側障壁が上記クラッド側障壁と上記燃料構成要素との間にある、項目３７〜４９のいずれかに記載の方法。
【０１４７】
＜５２＞核物質を保持するための三重障壁装備クラッドであって、
ステンレス鋼、ＦｅＣｒＡｌ合金、ＨＴ９鋼、酸化物分散強化鋼、Ｔ９１鋼、Ｔ９２鋼、３１６鋼、３０４鋼、ＡＰＭＴ鋼、合金３３鋼、モリブデン、モリブデン合金、ジルコニウム、ジルコニウム合金、ニオブ、ニオブ合金、ジルコニウム−ニオブ合金、ニッケル、またはニッケル合金から選択されたクラッド材料からなるクラッドと、
燃料側ＦＣＣＩ障壁と、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁と上記クラッドとの間のクラッド側ＦＣＣＩ障壁と、
上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁と上記燃料側ＦＣＣＩ障壁との間の中間ＦＣＣＩ障壁とを備え、
上記燃料側ＦＣＣＩ障壁は、核物質との化学的相互作用特性が上記クラッド材料に比べて改善された第１の材料からなり、上記中間ＦＣＣＩ障壁は、上記第１の材料とは基礎材料が異なる第２の材料であり、かつ、上記クラッド側ＦＣＣＩ障壁は、上記第２の材料とは基礎材料が異なる第３の材料である、核物質を保持するための三重障壁装備クラッド。
【０１４８】
特に断らない限り、本明細書および特許請求の範囲で使用される混合材料の量、分子量などの特性、反応条件、などを表すすべての数字は、すべての場合において、「約」という語句によって修飾されていると理解されるべきである。したがって、反対に示されない限り、前述の明細書および添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、取得を望む所望の特性に応じて変化し得る近似値である。
【０１４９】
本技術の広い範囲を示す数値範囲およびパラメータは近似値であるにもかかわらず、特定の具体例に示される数値は、可能な限り正確に報告される。しかし、任意の数値は、それぞれの試験測定において見出される標準偏差から必然的に生じる特定の誤差を本質的に含む。
【０１５０】
本明細書に記載されるシステムおよび方法は、言及される目的および利点、ならびにその中に固有のものを達成するように十分に適合されることが明らかである。当業者であれば、本明細書内の方法およびシステムは多くの方法で実施することができ、そのような方法は前述の例示的な実施形態および実施例によって限定されるものではないことを認識するであろう。この点に関して、本明細書に記載される異なる実施形態の任意の数の特徴が、１つの単一の実施形態に組み合わされてもよく、本明細書に記載される特徴の全てよりも少ないか、またはそれよりも多い特徴を有する代替の実施形態が可能である。
【０１５１】
本開示の目的のために様々な実施形態を説明してきたが、本開示によって十分に企図される範囲内にある様々な変更および修正を行うことができる。当業者には容易に示唆され、本開示の精神に包含される多数の他の変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５２】
【図１】二重ＦＣＣＩ障壁または障壁装備クラッド（ＢＥＣ）を備えるクラッドの直線断面の切欠図である。
【図２】図１のＢＥＣの管状実施形態の断面図である。
【図３】例えば核燃料のような核物質と接触している、図１のＢＥＣを示す図である。
【図４】二重障壁を備えた管状クラッド内に含まれる核物質を有する、図２のＢＥＣの管状実施形態の断面図である。
【図５】ＦＣＣＩ耐性ＢＥＣおよび燃料要素のための障壁層材料を選択するための方法の実施形態を示す図である。
【図６】ＦＣＣＩ耐性燃料要素を製造するための方法の実施形態を高レベルで示す図である。
【図７】三重ＦＣＣＩ障壁を備えるクラッドの直線断面の切欠図である。
【図８】図７の三重ＢＥＣの管状実施形態の断面図である。
【図９】例えば核燃料のような核物質と接触している、図７の三重ＢＥＣを示す図である。
【図１０】三重障壁を備える管状クラッド内に含まれる核物質を有する、図８の三重ＢＥＣの管状実施形態の断面を示す図である。
【図１１ａ】上述の燃料要素のうちの１つ以上を利用する核燃料集合体の部分図である。
【図１１ｂ】一実施形態による燃料要素の部分図である。
【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１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【国際調査報告】
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