(57)【要約】原子炉用燃料集合体、燃料集合体の燃料棒（４）、および燃料棒のセラミック核燃料ペレット（１０）を、開示する。該燃料ペレットは、ＵＢ２の第１の核分裂性材料を含む。該ＵＢ２のホウ素は、天然Ｂよりも高い同位体１１Ｂの濃度を有するように濃縮される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料ペレット（１０）がＵＢ２の第１の核分裂性材料（２０）を含む原子炉用のセラミック核燃料ペレット（１０）であって、
ＵＢ２のホウ素が濃縮されて、天然Ｂよりも高い同位体１１Ｂの濃度を有することを特徴とする、前記セラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項２】
前記同位体１１Ｂの濃度が少なくとも８５重量％である、請求項１に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項３】
前記同位体１１Ｂの濃度が少なくとも９０重量％である、請求項１に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項４】
前記同位体１１Ｂの濃度が少なくとも９５重量％である、請求項１に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項５】
前記同位体１１Ｂの濃度が約１００重量％である、請求項１に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項６】
前記核燃料ペレット（１０）がＵＢ２からなる、請求項１または２に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項７】
前記核燃料ペレット（１０）は、少なくとも１つの第２の核分裂性材料（２１）を含む、請求項１または２に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第２の核分裂性材料（２１）が、アクチニド窒化物、アクチニドケイ化物およびアクチニド酸化物のうちの１つを含む、請求項７に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第２の核分裂性材料（２１）は、ＵＮ、Ｕ３Ｓｉ２、ＵＯ２、Ｕ３Ｓｉ、ＵＳｉ、ＰｕＮ、Ｐｕ３Ｓｉ２、ＰｕＯ２、Ｐｕ３Ｓｉ、ＰｕＳｉ、ＴｈＮ、Ｔｈ３Ｓｉ２、ＴｈＯ２、Ｔｈ３Ｓｉ、およびＴｈＳｉのうちの１つを含む、請求項７に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの第２の核分裂性材料（２１）がＵＢｘを含み、ｘが２より大きい、請求項７または９に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項１１】
前記第１の核分裂性材料（２０）および前記少なくとも１つの第２の核分裂性材料（２１）が、前記核燃料ペレット（１０）に混合される、請求項７〜１０のいずれか一項に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項１２】
前記核燃料ペレット（１０）は焼結核燃料ペレットである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセラミック核燃料ペレット（１０）。
【請求項１３】
クラッド管（１１）と請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複数の核燃料ペレット（１０）とを備える、燃料棒（４）。
【請求項１４】
前記燃料棒（４）は、ＵＢ２を含む複数の吸収ペレット（１７）を含み、前記ＵＢ２のホウ素は、前記核燃料ペレット（１０）の前記第１の核分裂性材料（２０）のＵＢ２よりも高い前記同位体１０Ｂの濃度を有する、請求項１３に記載の燃料棒（４）。
【請求項１５】
前記吸収ペレット（１７）のＵＢ２中の前記同位体１０Ｂの濃度が、少なくとも２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０または１００重量％である、請求項１４に記載の燃料棒（４）。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の複数の燃料棒（４）を備える、燃料集合体（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉用セラミック核燃料ペレットであって、前記核燃料ペレットがＵＢ２の第１核分裂性材料を含む、前記セラミック核燃料ペレットに関する。本発明はまた、被覆管および複数の核燃料ペレットを含む燃料棒、ならびに複数の燃料棒を含む燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在使用されている主要な核燃料は、二酸化ウラン、ＵＯ２の焼結核燃料ペレットを含む。二酸化ウランは、２８６５℃の融点を有する優れた核燃料である。しかしながら、いくつかの点で改善が求められている。ウラン密度の増加は、燃料の経済性を改善するであろう。熱伝導率の増加は、ペレットの反応器挙動を改善し、したがって、ペレットを次世代反応器により適したものにし、いわゆる事故耐性燃料、ＡＴＦを受け入れることができる属性を提供する。
【０００３】
特許文献１には、アクチニド燃料のみを有する燃料要素と、アクチニド燃料およびホウ素化合物、例えばＵＢ２を有する燃料要素との様々な組成を含む複数の燃料棒が開示されている。ホウ素化合物の目的は、中性子を吸収することであり、従って、ホウ素は、天然であってもよく、または濃縮されて、同位体１０Ｂの濃度を増大させてもよい。
【０００４】
特許文献２には、アクチニド燃料とホウ素含有化合物、例えばＵＢ２との焼結混合物を有する少なくとも１つの燃料ペレットを含む燃料集合体が開示されている。ホウ素は、天然ホウ素であってもよく、または同位体１０Ｂがより高濃度である濃縮ホウ素であってもよい。
【０００５】
非特許文献１は、可能な将来の核燃料を調査することに言及している。燃料の１つは、混合燃料ＵＮ／ＵＢ４である。ＵＢ４のホウ素含有量は、１１Ｂに１００％濃縮されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第２００８／０３１３９８号
【特許文献２】欧州特許第１  ６４７  ９９３号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｂｒｏｗｎ  ｅｔ．  ａｌ．“Ｎｅｕｔｒｏｎｉｃ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  ｕｒａｎｉｕｍ  ｎｉｔｒｉｄｅ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｆｕｅｌｓ  ｉｎ  ａ  ＰＷＲ”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、代替の核燃料を提供することである。特に、本発明は、いわゆる事故耐性燃料、ＡＴＦの要件を満たす核燃料を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、最初に定義された核燃料ペレットによって達成され、この核燃料ペレットは、ＵＢ２のホウ素が、天然のＢよりも高い同位体１１Ｂの濃度を含有するように濃縮されることを特徴とする。
【００１０】
ホウ素同位体１１Ｂは、非常に小さい中性子断面積、すなわち、小さい中性子の吸収を有する。ホウ素同位体１１Ｂの中性子断面積は、ホウ素同位体１０Ｂについては３８３５バーンであり、天然ホウ素については７６７バーンであるのと比較して、０．００５５バーンである。
【００１１】
このように濃縮されたＵＢ２の核分裂性材料を含むか、またはそれからなる核燃料ペレットは、したがって、核分裂プロセスにおいてより高い割合の中性子を使用することができるので、高能率を確保することができる。
【００１２】
ＵＢ２は、２４００℃超の融点を有するセラミックであり、したがって超高温セラミックであるＵＴＨＣであると考えられる。したがって、ＵＢ２の核分裂性材料を含むか、またはそれからなる核燃料ペレットは、非常に高温に耐えることができ、これは、とりわけ、ＵＯ２と比較してその優れた熱伝導率と組み合わされた場合に、事故耐性燃料として適したものにする。
【００１３】
ＵＢ２の密度は約１２．７４ｇ／ｃｍ３、ウラン密度は１１．６６ｇ／ｃｍ３である。ＵＢ２を含むかまたはそれからなる核燃料ペレットにより、したがって、核分裂プロセスの高能率が確保され得る。これは、約１０．９ｇ／ｃｍ３の密度および９．７ｇ／ｃｍ３のウラン密度を有するＵＯ２と比較して有意な改善である。
【００１４】
ＵＢ２は、水との接触において比較的安定であり、ＵＢ２の水との反応は、少なくともドーパントなしで水中では６００℃および大気中では４００℃を超えるまで、急速には進行しない。
【００１５】
動作中のＵＢ２の腫脹は中等度である。このように、ＵＢ２を含むか、またはそれからなる核燃料ペレットは、例えば、事故に耐性のある燃料のための被覆として提案された炭化ケイ素構造の、従来にない被覆管に含まれるのに適しているかもしれない。
【００１６】
本発明の一実施形態によれば、同位体１１Ｂの濃度は、少なくとも８５重量％である。同位体１１Ｂの天然濃度は、約８０重量％である。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、同位体１１Ｂの濃度は、少なくとも９０重量％である。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、同位体１１Ｂの濃度は、少なくとも９５重量％である。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、同位体１１Ｂの濃度は、約１００重量％である。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、核燃料ペレットは、ＵＢ２からなる。上述の技術的利点は、唯一の構成要素としてＵＢ２を含む核燃料ペレットを用いて達成される。
【００２１】
本発明の一実施形態によれば、核燃料ペレットは、第２の核分裂性材料を含む。上述の技術的利点はまた、第１の核分裂性材料であるＵＢ２に加えて第２の核分裂性材料を含む核燃料ペレットによって達成することができる。第２の核分裂性材料の濃度は、燃料棒内の核燃料ペレットの位置に応じて変化し得る。例えば、第２の核分裂性材料の濃度は、少なくとも９９．９体積％、少なくとも９０体積％、少なくとも８０体積％、少なくとも７０体積％、少なくとも６０体積％、少なくとも５０体積％または４０体積％であり得る。さらに、第２の核分裂性材料の濃度は、最大４０体積％、最大３０体積％、最大２０体積％、最大１０体積％、または最大５体積％であり得る。
【００２２】
本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの第２の核分裂性材料は、アクチニド窒化物、アクチニドケイ化物、およびアクチニド酸化物のうちの１つを含む。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの第２の核分裂性材料は、ＵＮ、Ｕ３Ｓｉ２、ＵＯ２、Ｕ３Ｓｉ、ＵＳｉ、ＰｕＮ、Ｐｕ３Ｓｉ２、ＰｕＯ２、Ｐｕ３Ｓｉ、ＰｕＳｉ、ＴｈＮ、Ｔｈ３Ｓｉ２、ＴｈＯ２、Ｔｈ３Ｓｉ、およびＴｈＳｉのうちの１つを含む。
【００２４】
本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの第２の核分裂性材料は、ＵＢｘを含み、ｘは２よりも大きく、例えばＵＢ４である。この実施形態は、核燃料ペレットまたは燃料棒内のホウ素濃縮を変化させることなく、核燃料ペレットのホウ素含有量を調整することによって、中性子吸収能力を調整する可能性を作り出す。
【００２５】
本発明の一実施形態によれば、第１の核分裂性材料および少なくとも１つの第２の核分裂性材料を、核燃料ペレット内で混合する。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、核燃料ペレットは、焼結核燃料ペレットである。
【００２７】
この目的はまた、上述した実施形態のいずれか１つによる、被覆管と複数の核燃料ペレットとを含む、最初に定義した燃料棒によって達成される。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、燃料棒は、ＵＢ２を含む複数の吸収ペレットを含み、ＵＢ２のホウ素は、核燃料ペレットの第１の核分裂性材料のＵＢ２よりも高い同位体１０Ｂの濃度を有する。したがって、燃料棒は、核燃料ペレットと吸収ペレットの両方を含むことができる。吸収ペレットは、原子炉内の燃料の経済性および利用を改善するために、燃料棒内の可燃性毒物として作用するように調整することができる。
【００２９】
本発明の一実施形態によれば、吸収ペレットのＵＢ２中の同位体１０Ｂの濃度は、少なくとも２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０または１００重量％である。
【００３０】
この目的はまた、上述したような複数の燃料棒を含む、最初に定義した燃料集合体によって達成される。燃料集合体は、核燃料ペレットを含む燃料棒と、吸収ペレットを含む燃料棒とを含むことができる。
【００３１】
本発明を、ここで、様々な実施形態の説明を通して、添付の図面を参照して、より詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】原子炉用燃料集合体の縦断面図を概略的に開示する。
【図２】図１の燃料集合体の燃料棒の縦断面図を概略的に開示する。
【図３】第１の実施形態による、図２の燃料棒を収容するのに適した核燃料ペレットの縦断面図を開示する。
【図４】第２の実施形態による、図２の燃料棒を収容するのに適した核燃料ペレットの縦断面図を開示する。
【図５】図１に示す燃料集合体に適した別の燃料棒の縦断面図を概略的に開示する。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、原子炉、特に沸騰水型原子炉、ＢＷＲまたは加圧水型原子炉、ＰＷＲのような水冷軽水型原子炉、ＬＷＲの炉心に導入されるように構成された燃料集合体１を開示している。コアは、高燃焼領域および低燃焼領域を含むかまたはそれらからなってもよい。
【００３４】
燃料集合体１は、底部部材２と、頂部部材３と、底部部材２と頂部部材３との間に延在する複数の細長い燃料棒４とを備える。燃料棒４は、複数のスペーサ５によってその位置に保持されている。
【００３５】
さらに、燃料集合体１は、例えば、ＢＷＲにおいて使用するべき場合、破線６で示され、燃料棒４を取り囲む流路または燃料ボックスを備えることができる。
【００３６】
図２は、図１の燃料集合体１の燃料棒４の１つを開示している。燃料棒４は、複数の核燃料ペレット１０の形態の核燃料と、核燃料ペレット１０を包囲する被覆管１１とを含む。燃料棒４は、被覆管１１の下端を封止する底部プラグ１２と、燃料棒４の上端を封止する頂部プラグ１３とを含む。核燃料ペレット１０は、被覆管１１内にパイル状に配置されている。したがって、被覆管１１は、燃料ペレット１０およびガスを封入する。
【００３７】
ばね１４が、核燃料ペレット１０のパイルと頂部プラグ１３との間の上部プレナム１５内に配置されている。ばね１４は、核燃料ペレット１０のパイルを底部プラグ１２に対して圧縮する。
【００３８】
核燃料ペレット１０の１つの第１の実施形態を、図３に開示する。核燃料ペレット１０は、セラミック核燃料ペレット１０であり、ＵＢ２の第１の核分裂性材料を含むか、またはそれからなる。
【００３９】
核燃料ペレット１０の１つの第２の実施形態を図４に開示し、それによれば、セラミック核燃料ペレット１０は、第１の核分裂性材料２０に加えて、少なくとも１つの第２の核分裂性材料２１を含むことができる。第２の核分裂性材料２１の濃度は、燃料棒内または燃料集合体内の核燃料ペレットの位置に応じて変化し得る。
【００４０】
低燃焼領域、例えば原子炉の炉心の下方領域では、第２の核分裂性材料の濃度は比較的高く、温度がより高いと予想される炉心の高燃焼領域では、第２の核分裂性材料の濃度は比較的低い場合がある。
【００４１】
例えば、第２の核分裂性材料の濃度は、低燃焼領域において９９．９体積％、少なくとも９０体積％、少なくとも８０体積％、少なくとも７０体積％、少なくとも６０体積％、少なくとも５０体積％または少なくとも４０体積％であってもよい。高燃焼領域では、第２の核分裂性材料２１の濃度は、最大４０体積％、最大３０体積％、最大２０体積％、最大１０体積％、または最大５体積％であってもよい。
【００４２】
したがって、少なくとも高燃焼領域では、第１の核分裂性材料２０が主核分裂性材料を構成し、第２の核分裂性材料２１が副核分裂性材料を構成することができる。
【００４３】
少なくとも１つの第２の核分裂性材料２１は、アクチニド窒化物、アクチニドケイ化物、およびアクチニド酸化物のうちの１つを含む。開示した実施形態では、第２の核分裂性材料２１は、ホウ素を含まない。
【００４４】
例えば、少なくとも１つの第２の核分裂性材料２１は、ＵＮ、Ｕ３Ｓｉ２、ＵＯ２、Ｕ３Ｓｉ、ＵＳｉ、ＰｕＮ、Ｐｕ３Ｓｉ２、ＰｕＯ２、Ｐｕ３Ｓｉ、ＰｕＳｉ、ＴｈＮ、Ｔｈ３Ｓｉ２、ＴｈＯ２、Ｔｈ３Ｓｉ、およびＴｈＳｉのうちの１つを含むことができる。
【００４５】
さらに、少なくとも１つの第２の核分裂性材料２１は、ｘが２より大きいＵＢｘ、例えばＵＢ４を含むことができる。このようなＵＢｘ化合物は、燃料棒４内の核燃料ペレット１０の全部または一部の中性子吸収能力を増大させる可能性を提供する。
【００４６】
第１の核分裂性材料２０および少なくとも１つの第２の核分裂性材料２１、または第２の核分裂性材料２１を、核燃料ペレット１０内で密接に混合することができる。
【００４７】
第１および第２の実施形態の核燃料ペレット１０では、天然のＢよりも高い同位体１１Ｂの濃度を含むように、ＵＢ２のホウ素が濃縮されている。同位体１１Ｂの濃度は、少なくとも８５重量％、好ましくは少なくとも９０重量％、より好ましくは少なくとも９５重量％または最も好ましくは約１００重量％、または１００重量％であってよい。
【００４８】
これらの濃度は、約８０重量％である同位体１１Ｂの天然の濃度と比較しての濃縮を構成する。
【００４９】
セラミック核燃料ペレット１０は、焼結核燃料ペレットであってもよい。第１の核分裂性材料の粉末と、可能であれば第２の核分裂性材料（単数）または材料（複数）の粉末とを混合して、混合物を形成することができる。この混合物を圧縮して未焼結体とし、これを好適なオーブン中で焼結して核燃料ペレット１０とする。
【００５０】
核燃料ペレット１０をまた、代替として、他の方法、例えば鋳造または押出によって製造してもよい。
【００５１】
図５は、核燃料ペレット１０に加えて、複数の吸収ペレット１７、例えば２０、４０、６０、８０または１００％の吸収ペレット１７も含み、残りのペレットは核燃料ペレット１０である点で、図２の燃料棒４とは異なる別の燃料棒４を開示する。
【００５２】
また、吸収ペレット１７は、ＵＢ２を含む。しかしながら、吸収ペレット１７では、ＵＢ２のホウ素は、核ペレット１０の第１の核分裂性材料のＵＢ２よりも高い同位体１０Ｂの濃度を有する。
【００５３】
吸収ペレット１７のＵＢ２中の同位体１０Ｂの濃度は、少なくとも２５、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０または１００重量％であってよい。
【００５４】
吸収ペレット１７はまた、第１の核分裂性材料として、およびおそらくは上述のように少なくとも１つの第２の核分裂性材料として、ＵＢ２を含んでもよい。
【００５５】
本発明は、本明細書に開示し、説明した実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲内で変更および修正され得る。
【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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【国際調査報告】
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