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公開番号2025016489
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-04
出願番号2024175540,2022520139
出願日2024-10-07,2020-09-28
発明の名称インボリュート曲線形状のクラッディングアームを有するセグメントクラッディング本体を備える核分裂炉
出願人ビーダブリューエックスティ・アドバンスト・テクノロジーズ・リミテッド・ライアビリティ・カンパニー,BWXT Advanced Technologies LLC
代理人個人,個人,個人
主分類G21C 5/00 20060101AFI20250128BHJP(核物理;核工学)
要約【課題】燃料要素の中性子工学および熱性能を満たしつつ、設計および製造の柔軟性および信頼性を向上させるために、代替設計を提供すること。
【解決手段】複数の層は、核分裂原子炉構造を形成する。それぞれの層は、内側セグメント本体、中間セグメント本体、および外側セグメント本体を有する。層は、半径方向内側端部から半径方向外側端部までらせん状に外側に放射するインボリュート曲線形状を有する複数のクラッディングアームを含む。インボリュート曲線形状のクラッディングアームのチャンバは、燃料組成(および/または減速材および妨害物質などの他の材料)を含む。インボリュート曲線形状のクラッディングアームの設計および材料の組成は、核分裂原子炉に対する中性子工学および熱管理要件に準拠し、製造の複雑性および製造のばらつきを低減するよう、十分な共通設計であり、および/または十分小さいばらつきを有する。
【選択図】図12
特許請求の範囲【請求項１】
複数の層を備える核分裂原子炉構造であって、
前記複数の層のそれぞれの層は、
内側セグメント本体の第１側面から内側セグメント本体の第２側面まで軸方向に延びる内側開口部を含む内側セグメント本体と、
前記内側セグメント本体の半径方向外側にある中間セグメント本体と、
前記中間セグメント本体の半径方向外側にある外側セグメント本体と、
前記内側セグメント本体と前記中間セグメント本体とを分離する第１内部接触面と、
前記中間セグメント本体と前記外側セグメント本体とを分離する第２内部接触面と、
を含み、
前記軸方向に延びる内側開口部に垂直な平面における平面断面図において、
前記内側セグメント本体は、前記内側開口部に隣接する第１半径方向内側端部から前記第１内部接触面の第１半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第１インボリュート曲線形状を有する複数の内側クラッディングアームを含み、
前記中間セグメント本体は、前記第１内部接触面に隣接する第２半径方向内側端部から前記第２内部接触面の第２半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第２インボリュート曲線形状を有する複数の中間クラッディングアームを含み、
前記外側セグメント本体は、前記第２内部接触面に隣接する第３半径方向内側端部から前記外側セグメント本体の半径方向外側表面の第３半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第３インボリュート曲線形状を有する複数の外側クラッディングアームを含み、
ここで、第１インボリュート曲線形状と、第２インボリュート曲線形状と、第３インボリュート曲線形状とは、前記内側開口部から前記外側セグメント本体の前記半径方向外側表面まで延びる連続したインボリュート曲線形状を形成し、
第１インボリュート曲線形状、第２インボリュート曲線形状、および第３インボリュート曲線形状のそれぞれは、異なる曲率を有し、
複数の内側クラッディングアームと、複数の中間クラッディングアームと、複数の外側クラッディングアームとは、複数のチャンバを含み、
前記クラッディングアームに沿って異なる位置にあるチャンバは、異なる核分裂性の燃料組成を含み、
前記クラッディングアームに沿って異なる位置にあるチャンバは、異なる減速材を含み、
前記内側クラッディングアームは、前記内側セグメント本体の前記第１側面から前記内側セグメント本体の第２側面まで延びる対向する側面を有し、
少なくとも１つの突起が少なくとも１つの前記対向する側面から外側に突出している、
核分裂原子炉構造。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
複数の層を備える核分裂原子炉構造であって、
前記複数の層のそれぞれの層は、
内側セグメント本体の第１側面から内側セグメント本体の第２側面まで軸方向に延びる内側開口部を含む内側セグメント本体と、
前記内側セグメント本体の半径方向外側にある中間セグメント本体と、
前記中間セグメント本体の半径方向外側にある外側セグメント本体と、
前記内側セグメント本体と前記中間セグメント本体とを分離する第１内部接触面と、
前記中間セグメント本体と前記外側セグメント本体とを分離する第２内部接触面と、
を含み、
前記軸方向に延びる内側開口部に垂直な平面における平面断面図において、
前記内側セグメント本体は、前記内側開口部に隣接する第１半径方向内側端部から前記第１内部接触面の第１半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第１インボリュート曲線形状を有する複数の内側クラッディングアームを含み、
前記中間セグメント本体は、前記第１内部接触面に隣接する第２半径方向内側端部から前記第２内部接触面の第２半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第２インボリュート曲線形状を有する複数の中間クラッディングアームを含み、
前記外側セグメント本体は、前記第２内部接触面に隣接する第３半径方向内側端部から前記外側セグメント本体の半径方向外側表面の第３半径方向外側端部までらせん状に外側に放射する第３インボリュート曲線形状を有する複数の外側クラッディングアームを含む、
核分裂原子炉構造。
【請求項３】
第１インボリュート曲線形状と、第２インボリュート曲線形状と、第３インボリュート曲線形状とは、前記内側開口部から前記外側セグメント本体の前記半径方向外側表面まで延びる連続したインボリュート曲線形状を形成する、
請求項２に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項４】
前記連続したインボリュート曲線形状の表面の突起は、前記第１内部接触面と前記第２内部接触面とを横切って延び、前記複数の内側クラッディングアームの１つの表面、前記複数の中間クラッディングアームの１つの表面、および前記複数の外側クラッディングアームの１つの表面のそれぞれと一致する、
請求項３に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項５】
前記第１インボリュート曲線形状、前記第２インボリュート曲線形状、および前記第３インボリュート曲線形状のそれぞれは、前記内側開口部から前記外側セグメント本体の半径方向外側表面まで延びる連続したインボリュート曲線形状の異なる部分に対応する、
請求項２に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項６】
前記連続したインボリュート曲線形状の表面の突起は、前記第１内部接触面と前記第２内部接触面とを横切って延び、前記複数の内側クラッディングアームの１つの表面、前記複数の中間クラッディングアームの１つの表面、および前記複数の外側クラッディングアームの１つの表面のそれぞれと一致する、
請求項５に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項７】
前記第１インボリュート曲線形状、前記第２インボリュート曲線形状、および前記第３インボリュート曲線形状のそれぞれは、異なる曲率を有する、
請求項１から６のいずれか１項に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項８】
前記連続したインボリュート曲線形状の表面の突起は、前記第１内部接触面と前記第２内部接触面とを横切って延び、前記複数の内側クラッディングアームの１つの表面、前記複数の中間クラッディングアームの１つの表面、および前記複数の外側クラッディングアームの１つの表面のそれぞれと一致する、
請求項１から７のいずれか１項に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項９】
前記複数の内側クラッディングアーム、前記複数の中間クラッディングアーム、および前記複数の外側クラッディングアームのそれぞれは、複数のチャンバを含む、
請求項１から８のいずれか１項に記載の核分裂原子炉構造。
【請求項１０】
それぞれの前記クラッディングアームの前記チャンバは、ウェブにより互いに分離している、
請求項９に記載の核分裂原子炉構造。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、核分裂炉（ｆｉｓｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒ）、および核分裂炉内の核分裂原子炉（ｎｕｃｌｅａｒｆｉｓｓｉｏｎｒｅａｃｔｏｒ）空間に関する構造に関する。特に、核分裂性の核燃料組成を含む燃料要素などの熱生成構造は、クラッディング（ｃｌａｄｄｉｎｇ）などの格納構造により被覆されている。熱生成構造は、インボリュート曲線形状を有し、複数のそのような形状が組み立てられて、円筒型の原子炉層を形成する。インボリュート曲線形状は、円筒型の原子炉層の半径方向の位置に基づいて変化するが、インボリュート曲線形状の均一化により、所望の原子炉性能プロファイルを達成するためにそれぞれの熱生成構造に投入される燃料要素（または減速材および／または妨害物質（ｐｏｉｓｏｎｓ）などの他の特徴）の固有の形状の数を最小化する。熱生成構造のインボリュート曲線形状により、燃料要素およびクラッディングの厚さを均一化することができる、および、個別の熱生成構造の間の冷却材空間を均一化することができる。本開示は、特に、熱生成構造の少なくともインボリュート曲線形状のクラッディング構造の、積層造形プロセスによる製造に適合している。開示されている核分裂炉は、小型船舶（宇宙船および人工衛星など）の動力源、核熱推進（ＮＴＰ：ｎｕｌｃｅａｒｔｈｅｒｍａｌｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ）、および同位体生成を含む様々な用途で使用するのに適している。
続きを表示（約 3,300 文字）【背景技術】
【０００２】
以下の議論において、特定の構造および／または方法について言及する。しかし、以下の参考文献は、これらの構造および／または方法が従来技術を構成することを認めるものとして解釈されるべきではない。出願人は、そのような構造および／または方法が、本発明に対する先行技術として的確でないことを証明する権利を明示的に留保する。
【０００３】
核分裂炉用の新しい熱生成機能および構造を設計する際に、核分裂原子炉空間全体にわたるそれぞれの燃料要素の十分な冷却は、しばしば制限的な設計因子である。１つ前の原子炉の設計において、ウラン燃料は、例えば、冷間圧延プロセスにより圧延金属板内に封入されていた。図１の概略図を参照すると、２つのクラッド層（第１クラッド層４ａおよび第２クラッド層４ｂ）の間の燃料組成層２を含む層１の配置が、冷間圧延装置のローラ６のニップ（ｎｉｐ）に供給される。冷間圧延プロセスは、１つまたは複数の冷間圧延ステップにおいて、層１の配置の厚さを初期厚さから最終厚さまで減少させる。このプロセスにおいて、材料の様々な層（図示されている例では、燃料組成層２、および、２つのクラッド層４ａおよび４ｂ）が、クラッド層４ａおよび４ｂが燃料組成層２の両側に封入層を提供する単一層構造８（図１において断面で示されている）に冶金学的に接合されて（ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌｌｙｂｏｎｄｅｄ）いる（図１において燃料組成層２と２つのクラッド層４ａおよび４ｂとの間の界面に破線で示されている）。帯状または板状のいずれに形成されているかに関わらず、単位層構造８は、従来の金属成型技術を使用してさらに処理することができる。一実施例において、このような板状の単位層構造８をインボリュートの形状に湾曲させて、オークリッジ国立研究所（ＯＲＮＬ：ＯａｋＲｉｄｇｅＮａｔｉｎｏａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙ）にある核研究用原子炉である高中性子束同位体反応炉（ＨＦＩＲ：ＨｉｇｈＦｌｕｘＩｓｏｔｏｐｅＲｅａｃｔｏｒ）１０の炉心アセンブリ（図１に部分断面図を示す）に組み込んでいる。ＨＦＩＲ設計において、インボリュート形状１２は、均一化された冷却材空間の間に配置された均一な厚さのウラン／クラッドプレートを提供する。
【０００４】
ＨＦＩＲにおける単一層構造およびインボリュート形状は、設計の柔軟性を低下させるいくつかの欠点を有する。例えば、中性子工学（ｎｅｕｔｒｏｎｉｃ）および熱管理要件に準拠するために、燃料組成層２の組成は、板または帯内の位置に対して空間的に不均一であるとともに、炉心アセンブリ内の位置に基づいて調整される。しかし、同時に、単一層構造の組成および層分布は、燃料組成層２と２つのクラッド層４ａおよび４ｂとのプロセス、例えば冷間圧延の際に固定される。したがって、ＨＦＩＲのそれぞれの位置の構造は、独自に構築された単一層構造を有していなければならず、独自に構築された単一層構造は、他の形式では互換性がない。
【発明の概要】
【０００５】
上記を考慮すると、炉心アセンブリにおけるクラッド燃料要素の形状、位置、および組成をより柔軟に変化させることがより有利であろう。さらに、核分裂原子炉設計における中性子工学および熱管理要件を満たすことは、クラッド燃料要素の幾何学的および組成的な変化をより少なくしつつ、部品製造および核分裂原子炉の組み立ての複雑性も減少させることができるため有利であろう。さらに、モジュール化され反復性があり、十分な大きさの寸法の設計により、積層造形などの製造方法の適用が可能になる。
【０００６】
核分裂原子炉の炉心設計における燃料要素の中性子工学および熱性能は、とりわけ、例えば、形状、大きさ、および相対位置などの燃料要素、燃料要素を囲むクラッディング、および冷却材チャネルの構造により、および燃料要素、クラッディング、および冷却材の熱輸送特性により、影響を受ける。上記のように、燃料要素の中性子工学および熱性能を満たしつつ、設計および製造の柔軟性および信頼性を向上させるために、代替設計が必要とされる。
【０００７】
代替設計の一例（図２参照）では、一連の半径方向に同心の燃料リング３２を含む層（層の６０度部分３０が図２に示されている）を円筒形の核分裂原子炉空間に組み立てる。それぞれの燃料リング３２において、燃料リングのエッジ３４ａと内部ウェビング３４ｂとは、クラッディングとして機能し、ボウタイ（ｂｏｗｔｉｅ）形状を有する燃料組成３６を含む容積を画定する。エッジ３４ａとウェビング３４ｂとはまた、図２において断面に円形の形状を有する冷却材チャネル３８の形状を画定することができる。燃料組成３６を含む容積は、燃料リング３２のそれぞれにおいて同じ断面積を有する。同様に、それぞれの燃料リング３２における冷却材チャネル３８は、同じ断面積を有する。中性子工学および熱管理の目的のために、それぞれの燃料リング３２は、異なる燃料組成（一定の燃料断面積の場合）または異なる燃料形状（一定の燃料組成の場合）を必要とする。例えば、リング３２ｂに適合するサイズの燃料組成は、リング３２ｆで使用することはできず、また、中性子工学および熱管理の観点からもうまく動作させることができない。したがって、さらなる例において、図２に示す１０個のリング設計は、１つまたは複数の燃料組成および燃料形状が変化するいくつかの異なる燃料を必要とするであろう。
【０００８】
代替設計の別の例（図３Ａおよび図３Ｂに示す）は、部分５０内に同心円状かつ放射状に分布した燃料要素５４用のポケット５２を含む層（層の１５度部分５０が図３Ａおよび図３Ｂに示されている）を組み立てる。複数の部分５０は、円筒形状の核分裂原子炉空間に組み立てることができる。図２の例と比較すると、図３Ａおよび図３Ｂの例は、燃料要素５４の形状をボウタイ形状からより三角形または矩形の形状に変更している。楕円形の冷却材孔５６が、それぞれのポケット５２の間のクラッドウェブ構造５８に配置されている。図２の例と同様に、それぞれ異なる大きさおよび位置の燃料要素５４は、異なる燃料組成または異なる燃料形状を必要とし、全体として、図３Ａおよび図３Ｂの例においても、１つまたは複数の燃料組成および燃料形状が変化する十分大きい数の異なる燃料を必要とするであろう（ボウタイ形状からより三角形または矩形形状への変化により、このような要素の製造を単純化するだけでなく様々な燃料組成を有するこのような要素の製造を単純化するが）。しかし、図３Ａおよび３Ｂに示す設計のための中性子工学および熱性能の分析は、燃料要素のための種々の異なる形状および位置のうち、適切に冷却することのできる唯一の燃料要素形状が、半径方向の最も外側の位置の薄い形状の燃料要素５４ａ、すなわち、長さと幅の比率が最も大きい燃料要素であることを証明した。
【０００９】
上記２つの例は、構造が中性子工学および熱性能基準を満たす核分裂炉のための熱生成機能および構造の設計における課題を示し、製造の複雑性と製造のばらつきとを低減する（そして、それによって製造上の欠陥の可能性を低減する）ために十分に共通の設計であり、および／または十分少ないばらつきを有している。
【００１０】
一般に、本開示は、核分裂性の核燃料組成を含む燃料要素がインボリュート曲線の形状を有する封入クラッディング構造の軸に沿って配置された核分裂原子炉構造に関する。複数のそのようなインボリュート曲線形状のクラッディング構造がリングを形成するよう配置され、複数の同心リングが核分裂原子炉構造の層を形成するよう配置される。複数の層自体が組み立てられて、核分裂原子炉構造を形成する。例示的な実施の形態において、核分裂原子炉構造は、核分裂原子炉の活性炉心（ａｃｔｉｖｅｃｏｒｅ）領域である。
（【００１１】以降は省略されています）

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