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公開番号2025037894
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-18
出願番号2024200958,2021564622
出願日2024-11-18,2020-04-27
発明の名称コンパクトな容器、長寿命な炉心、及びPOOL型原子炉における燃料補給の容易化を支援する一般的なPLENUM燃料アセンブリ設計
出願人ウェスティングハウスエレクトリックカンパニーエルエルシー,WESTINGHOUSE ELECTRIC COMPANY LLC
代理人弁理士法人快友国際特許事務所
主分類G21C 3/30 20060101AFI20250311BHJP(核物理;核工学)
要約【解決手段】燃料バンドルと、前記燃料バンドル上に配置されたプレナムヘッダ接続部と、前記燃料バンドルから延びるマストと、前記マストから延びる共通の核分裂ガスプレナムとを備える、原子炉で使用される燃料集合体が開示されている。原子炉は、容器および容器内に配置された冷却材を含む。燃料バンドルは、その中に位置決めされた核燃料材料を含む複数の燃料要素を含む。プレナムヘッダ接続部は、核燃料材料と流体連通する複数の通路を有する。細長いマストは、共通の核分裂ガスプレナムをプレナムヘッダ接続部の複数の通路に接続する内部通路を備え、その結果、共通の核分裂ガスプレナムは、運転中に核燃料材料によって生成された量の核分裂ガスを受け入れるように構成される。共通の核分裂ガスプレナムは、他の点では使用されていない容器の部分に配置される。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
容器を有し、さらに前記容器内に配置された冷却材を有する原子炉で使用するための燃料アセンブリであって、
第１の部分と、
第２の部分と、を備え、
前記第１の部分は、
細長いダクトと、
複数の流路が形成されたプレナムヘッダ接続部と、
前記細長いダクト内に位置決めされた複数の燃料要素と、を備え、
各燃料要素は、その中に形成された内部領域を含む被覆管を備え、
前記内部領域は、その中に位置決めされた核燃料材料を含み、
前記複数の燃料要素の内部領域は、前記複数の流路と流体連通しており、
前記第２の部分は、
前記プレナムヘッダ接続部の前記複数の流路と流体連通している共通の核分裂ガスプレナムを備え、
前記共通の核分裂ガスプレナムは、前記容器の他の未使用部分内に位置決めされ、
前記共通の核分裂ガスプレナムは、前記原子炉の運転中に前記核燃料材料によって生成される核分裂ガスの量を受け取るように構成される、燃料アセンブリ。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
前記燃料アセンブリは、前記冷却材によって前記燃料アセンブリに加えられる摩擦力、形状抗力、および浮力のうちの少なくとも１つに抵抗し、前記複数の燃料要素を前記冷却材内に保持するために、保持力が加えられるように構成される、請求項１に記載の燃料アセンブリ。
【請求項３】
前記燃料アセンブリは、前記第１の部分と前記第２の部分との中間に配置された第３の部分を備え、
前記第３の部分は、前記第１の部分と前記第２の部分とを互いに流体連通させる通路を含む、請求項１に記載の燃料アセンブリ。
【請求項４】
前記第１の部分は、第１の直径内に画定された第１の最外面を含み、
前記第２の部分は、第２の直径内に画定された第２の最外面を含み、
前記第３の部分は、前記第１の直径よりも小さい第３の直径内に画定された第３の最外面を含む、請求項３に記載の燃料アセンブリ。
【請求項５】
前記第３の直径は、前記第２の直径よりも小さい、請求項４に記載の燃料アセンブリ。
【請求項６】
前記共通の核分裂ガスプレナム、前記通路、前記流路、前記プレナムヘッダ接続部、及び前記複数の燃料要素のうちの少なくとも１つは、前記共通の核分裂ガスプレナムから前記複数の燃料要素に向かう方向に核分裂ガスが流れないよう抵抗する逆止弁を含む、請求項３に記載の燃料アセンブリ。
【請求項７】
前記逆止弁が流体ダイオードを備える、請求項６に記載の燃料アセンブリ。
【請求項８】
前記プレナムヘッダ接続部は、その中に画定された複数の冷却材流路を備える、請求項１に記載の燃料アセンブリ。
【請求項９】
前記プレナムヘッダ接続部は、前記プレナムヘッダ接続部の前記複数の流路を前記第３の部分の前記通路に流体接続するように構成された中央収集通路をさらに備える、請求項３に記載の燃料アセンブリ。
【請求項１０】
容器を有し、さらに前記容器内に配置された冷却材を有する原子炉で使用するための燃料アセンブリであって、
複数の燃料要素を含む燃料バンドルであって、
各燃料要素は、その中に位置決めされた核燃料材料を含む、前記燃料バンドルと、
内部に画定された複数の通路を含むプレナムヘッダ接続部であって、プレナムヘッダ接続部は前記燃料バンドル上に配置され、前記複数の通路は前記核燃料材料と流体連通している、前記プレナムヘッダ接続部と、
燃料バンドルから延びる細長いマストであって、内部通路を含む前記細長いマストと、
前記細長いマストから延びる共通の核分裂ガスプレナムであって、前記内部通路が前記共通の核分裂ガスプレナムを前記プレナムヘッダ接続部の複数の通路に接続し、その結果、前記共通の核分裂ガスプレナムは、前記原子炉の運転中に前記核燃料材料によって生成された核分裂ガスの量を受け取るように構成され、前記共通の核分裂ガスプレナムは、前記容器の他の未使用部分内に配置される、前記共通の核分裂ガスプレナムと、を備える、燃料アセンブリ。
（【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】
（関連出願の相互参照）本出願は、米国仮特許出願第６２／８４０，７７５号（発明の名称:Common Plenum Fuel assembly design supporting a compact vessel、Long-life cores、and Eased refueling in Pool-type reactors、平成３１年４月３０日出願）の利益を主張し、その開示は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
続きを表示（約 2,800 文字）【背景技術】
【０００２】
液体金属冷却（または将来的には塩冷却）原子炉に燃料を補給する課題は、軽水原子炉の場合よりも著しく高い。これは、燃料補給の間隔を長くすることでメリットが得られる可能性があることを示唆する。特定の高速炉は、独特の燃料サイクルを利用することができ、非常に高いエネルギーコア、有意な増殖を提供し、Ｕ：Ｐｕ、Ｐｕ＋Ｕ：Ｐｕ、Ｕ：Ｔｈ、およびＵ＋ＭｉｎｏｒＡｃｔｉｎｉｄｅｓ：Ｐｕの供給原料を可能にし、ここで、Ｘ：Ｙは種元素：ブランケットブリード材料を表す。しかしながら、高増殖比／高エネルギーコアを利用することに対する主な制限の１つは、プレナム長さの線形単位当たりの核分裂ガスプレナムの体積が比較的小さいことである。現在の技術は、最悪の場合の核分裂ガスを最も制限的なピンに収容するために、有効燃料長より潜在的に長い、非常に長い燃料棒プレナム又は被覆管を実施することにより、この要求に応答している。統合された核分裂ガスの放出、及びそれに伴う高い燃料棒内圧は、被覆管が原子あたりの変位（ｄｐａ）として測定される中性子損傷によって引き起こされる脆化及び膨潤を経験した時、高い燃料曝露で発生する。高い内圧による被覆管の膨潤／脆化と高い被覆管応力との組み合わせは、多くの場合、最大許容燃料暴露（すなわち、炉心滞留時間）を確立し、それによって、平準化された燃料サイクルコストを決定付け、高速炉の利点を利用する肯定的なビジネスケースを得る能力を困難にする。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の少なくとも１つの態様は、燃料暴露を最大化し、それによって複数の手段による燃料補給を単純化することを目標とし、したがって単純化を向上させプラントからコストを削減する。これらの改善およびそれらの実施については、以下でより詳細に説明する。
【０００４】
共通の核分裂ガスプレナム又はタンクは、燃料バンドルの上方に配置された収集ヘッダ又は上端取付具に接続され、それらの上方に配置されている。上端取付部の上方にある共通の核分裂ガスプレナムの位置は、炉心及び炉のフロー領域の上方にあり、これにより、原子炉のフロー領域内又は他の共有されたプレナム設計において可能であるよりも、プレナムの長さあたりの実質的に大きなプレナム体積が可能になる。これは、共通の核分裂ガスプレナムが、以前に使用されていなかった原子炉容器空間内に配置されているため、ペナルティなしに、より大きなサイズの共通の核分裂ガスプレナムを可能にし、また（従来の、燃料棒プレナムと比較して）、バンドルフロー領域のほとんどがが、プレナム体積に対して利用可能である。さらに、共通の核分裂ガスプレナムのための構造材料の量は、個々の燃料棒プレナムの現在の技術に必要とされるものよりもはるかに少ない。
【０００５】
上端取付具又は収集ヘッダは、燃料バンドルから放出された核分裂ガスを収集し、上端取付具の上方に配置された減少された直径のマストに核分裂ガスを導くチャネル又は通路を備える。核分裂ガスは、減少された直径のマスト内の通路を通って、減少された直径のマストの上方に配置された共通の核分裂ガスプレナム内に移動する。上端取付部と、燃料バンドルから出た後に核分裂ガスが移動する共通の核分裂ガスプレナムとの間の通路は、核分裂ガス収集体積を規定すると考えることができる。共通のプレナムは、燃料アセンブリ体の限定条件が、製造及び設計の不確実性の最も制限的なセットで最大出力で作動するピークピンによって規定される必要がない。むしろ、燃料棒内圧及び揮発性核分裂生成物を貯蔵する燃料棒の能力においてはるかに低い不確実性を有する燃料バンドルの平均値によって規定されるように、個々の燃料核分裂ガス放出を均等化する。（注：その後の核分裂生成物または核分裂ガスへの言及は、揮発性核分裂生成物のみを指す。
【０００６】
各燃料棒は、上端取付具内に設けられた接続部を介して共通の核分裂ガスプレナムに接続されている。各燃料棒は、燃料棒漏れが発生した場合、プレナムからの逆流を防止するために一方向弁または流体ダイオードを有してもよい。
【０００７】
共通の核分裂ガスプレナムは、燃料棒内のプレナム空間の必要性を排除し、従って、潜在的に、最大６倍又はそれ以上の燃料棒の長さを最小化する。これにより、燃料スタックが長くなるとバンドル長が短くなり、燃料棒内に従来の核分裂ガスプレナムを採用した設計と比較して燃料負荷を大きくすることができ、結果的に燃料サイクルが長くなる。
【０００８】
上記に加えて、図１Ａは、本開示の少なくとも１つの態様による共通の核分裂ガスプレナム体積と、異なるピッチ対直径比での燃料棒付きプレナム体積との比を示すグラフ表示を示す。この比較はWestinghouse LFRと歴史的（運転中）液体金属高速炉について描かれている。
【０００９】
さらに、上述のことに対して、燃料マスト及び共通の核分裂ガスプレナムは、冷却材の表面を貫通し、従って、燃料の直接的な取り扱いを可能にし、更に、燃料アセンブリの構造に加えられる下向きの垂直方向の保持力（図６の矢印ＤＦ参照）を通して容易な保持を提供し、最も顕著には、冷却材内に位置し、燃料アセンブリ上の浮力、摩擦力及び冷却材の抗力に抵抗する活性燃料部分を含む燃料アセンブリの大部分を保持する。少なくとも１つの実施例では、燃料マスト及び共通の核分裂ガスプレナムは、冷却材の表面に（例えば、表面を貫くことなく）近づくことができる。このような配置では、燃料マスト及び／又は共通の核分裂ガスプレナムが冷却材の表面に侵入することなく、燃料のより容易な取扱いが実現され得る。
【００１０】
本開示の少なくとも１つの態様は、所与の原子炉容器サイズおよび熱出力定格に対する燃料出力密度の低下をもたらす。加えて、本開示の少なくとも１つの態様は、燃料補給期間の負荷を低下させる（例えば、燃料サイクルを長くし、燃料サイクル期間からの全体的な設備利用率の影響を減少するために）。燃料補給の期間の負荷を減らすと、ドライリフト給油が容易になる場合がある。ドライリフト給油は、通常、一次冷却材プールから使用済燃料貯蔵区域又はキャスクへの輸送中に燃料棒の健全性を確保する必要性によって制約される。燃料出力密度の減少及びはるかに大きな利用可能な核分裂ガス貯蔵体積は、燃料棒圧力の構造的制限が生じる前に、燃料統合核分裂の増加に伴って核分裂ガス圧力の速度を減少させることにより、燃料燃焼度及び増殖率の著しい増加を可能にする。燃料出力密度が減少し、利用可能な核分裂ガス貯蔵容積がはるかに大きくなると、燃料サイクルが長くなる可能性がある。
（【００１１】以降は省略されています）

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