Fuel rod with end piece of irradiation target material

例示的な実施形態は、一般に原子力発電所で使用される燃料構造および材料に関する。

一般に、原子力発電所は、核分裂によってエネルギーを生成するために、燃料が内部に配置されている炉心を備える。 米国の原子力発電所における一般的な設計は、炉心内部に配置された燃料集合体、すなわち、燃料バンドルとして一体に束ねられた複数の燃料棒の中に燃料を配置するものである。 これらの燃料棒は、集合体全体を通して構成要素を様々な軸方向位置に組み立てるために、燃料棒を接合する幾つかの要素を典型的に含む。

米国特許出願第１１／００２６７７号明細書

例示的な実施形態は、特殊な標的物質を閉じ込める端部品を両端に有する燃料棒に関する。 例示的な実施形態の端部品は、端部品位置で中性子線束に暴露されるときに所望の同位体に転化されうる材料を閉じ込めることができる。 例示的な実施形態の端部品は、１つまたは複数の選択された標的材料から製造可能であるか、または中空であり、１つまたは複数の標的材料を閉じ込めることが可能である。 例示的な実施形態の端部品は、様々な例示的な実施形態の完全長および／または部分長燃料棒と嵌り合い、かつ燃料棒を上部および／または下部締結板に嵌め合わせる上部および／または下部端栓として機能する。

例示的な実施形態の燃料棒は、核燃料を含む標準的な成分を別様に閉じ込め、かつ運転中の原子炉内で使用可能である。 例示的な実施形態の端部品を有する例示的な実施形態の燃料棒は、こうして様々な所望の同位体をその照射標的物質端部品の中で生成し、同時に運転中の炉心にエネルギーを供給する従来的な燃料棒として機能することができる。

例示的な実施形態は、実施例としてのみ提示されおり、よって本明細書の例示的な実施形態を限定することがない、同様の要素が同様の参照数字によって表される添付図面を詳細に説明することによってより明白になろう。

例示的な実施形態を詳細に説明する実施形態が本明細書に開示される。 しかし、本明細書に開示される特定の構造的かつ機能的な細部は、例示的な実施形態を説明する目的のために表示されているにすぎない。 しかし、例示的な実施形態は、多くの別法による形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される例示的な実施形態のみに限定されるものと考えられるべきではない。

第１の、第２のなどの用語が、様々な要素を説明するために本明細書で使用されうるが、これらの要素は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。 これらの用語は、１つの要素を別の要素から区別するために使用されているにすぎない。 例えば、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第１の要素が第２の要素と呼ばれることもありうるし、また同様に第２の要素が第１の要素と呼ばれることもありうる。 本明細書で使用されるように、「および／または」という用語は、関連して列挙された品目の１つまたは複数の任意の組合せおよび全部の組合せを含む。

要素が、別の要素に「連結される」、「結合される」、「嵌め合わされる」、「装着される」、または「固着される」と言及されるとき、それは、その他の要素に直接的に連結もしくは結合されてもよいし、または介在する要素が存在してもよいことが理解されよう。 対照的に、要素が、別の要素に「直接的に連結される」または「直接的に結合される」と言及されるとき、介在する要素は存在しない。 要素間の関係を説明するために使用される他の用語も同様の様態で解釈されるべきである（例えば、「間に」対「直接的に間に」、「隣接して」対「直接的に隣接して」など）。

本明細書で使用される用語は、特定の実施形態のみを説明する目的のためにあり、例示的な実施形態の限定を意図するものではない。 本明細書に使用されるように、不定冠詞および定冠詞を冠する単数形は、その言葉が明示的に別様に示さない限り、複数形も包含することが意図されている。 「備える」、「備えている」、「含む」および／または「含んでいる」という用語は、本明細書で使用されるとき、言及された特徴構造、完全体、段階、動作、要素、および／または成分の存在を特定するが、１つもしくは複数の他の特徴構造、完全体、段階、動作、要素、成分、および／またはこれらの集団の存在もしくは追加を排除するものではないことがさらに理解されよう。

幾つかの別法による実施態様では、留意される機能／動作が図において留意された順番から外れて生じうることにも留意されるべきである。 例えば、連続的に示される２つの図が、関与する機能／動作に応じて、実際では実質的に並行して実行されうるし、または時として逆の順番で実行されうる。

図１に示されているように、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）のような原子炉の燃料集合体１０が、上部締結板１４と下部締結板１６とを包囲する外部チャネル１２を含みうる。 複数の完全長燃料棒１８および／または部分長燃料棒１９が、燃料集合体１０の内部にマトリックスで配置されて、複数の隔板２０を貫通しうる。 例示的な実施形態の上部端部品１２０および／または下部端部品１３０が、燃料棒１８および１９を上部締結板１４および下部締結板１６に接合することが可能であり、部分長燃料棒１９の場合では、下部端部品１３０のみがそのように接合する。 例示的な実施形態の端部品１２０および１３０は、上部締結板１４および下部締結板１６のそれぞれと嵌り合い、締結棒の場合では、それらを貫通することが可能であり、これらの端部品は、燃料棒１８または１９を燃料集合体１０の中で軸方向へ固定することができる。

図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃは、それぞれに例示的な実施形態の完全長燃料棒１８、部分長燃料棒１９、およびセグメント棒１００を示し、それぞれが、例示的な実施形態の燃料棒１８、１９、および１００の両端に２つの例示的な実施形態の燃料棒端部品１２０および１３０を有する。 燃料棒１８および１９は、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０の他に、燃料要素２２および被覆を含めて様々な燃料棒に見られる従来の要素を含みうる。 例えば、図２Ａに示された例示的な実施形態の燃料棒１８は、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０を除けば、ＢＷＲ燃料集合体に従来から見られる完全長燃料棒でありうる。 図２Ｂに示された例示的な実施形態の燃料棒１９は、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０を除けば、ＢＷＲ燃料集合体に従来から見られる部分長燃料棒でありうる。 完全長燃料棒１８は、部分長燃料棒１９の短い長さを示すために、図２Ｂに影で示されている。 部分長燃料棒１９では、例示的な実施形態の端部品１３０は下部締結板（図示せず）と接合しうるが、例示的な実施形態の端部品１２０は、部分長燃料棒１９が中間バンドルで終わりうるので、いずれにも接合することができない。 部分長燃料棒１９は、例示的な実施形態の上部端部品１２０が集合体に接合できないので、例示的な実施形態の端部品１３０は、部分長燃料棒１９を下部締結板に固定するために、ねじ山が切られうるかまたは他の追加的な嵌め合い要素を有しうる。 図２Ｃに示されている例示的な実施形態の燃料棒１００はセグメント化が可能であり、２００７年１１月２８日出願の「ＳＥＧＭＥＮＴＥＤ ＦＵＥＬ ＢＵＮＤＬＥ ＤＥＳＩＧＮＳ ＵＳＩＮＧ ＦＩＸＥＤ ＳＰＡＣＥＲ ＰＬＡＴＥＳ」と題する関連出願第１１／００２６７７号および特許出願第＃＃／＃＃＃＃＃＃号に説明されているように、数個の棒セグメントが連結箇所１０３で着脱可能に接合している。 尚、この出願の燃料棒およびセグメントは、このような燃料棒およびセグメントの端栓を除いて、参照により本明細書に組み込まれている。 別法として、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）またはカナダ型重水炉（ＣＡＮＤＵ）型原子炉で使用される燃料棒が、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０と併用されうる。

例示的な実施形態の端部品１２０および１３０は、原子炉の炉心内で運転条件に暴露されるときに所望の同位体に転化されうる、カドミウム、コバルト、イリジウム、ニッケル、タリウム、ツリウム同位体のような同位体から製造されるかまたはそれを閉じ込めることができる。 例示的な同位体は、実質的な核断面積を有し、かつ、上部および下部端栓を製造するために使用される従来の材料（これらの材料は中性子線束と相互作用しないために選択されうる）とは異なって、中性子線束の存在でより容易に変化する。 例えば、端部品はイリジウム−１９１および／またはコバルト−５９から製造されてもよいし、またはこのような同位体が、例示的な端部品１２０および１３０の中に配置されてもよい。 例示的な実施形態の端部品１２０および１３０の位置における炉心内部の中性子線束は、イリジウム−１９１をイリジウム−１９２に（これは安定的なプラチナ−１９２に崩壊しうる）、すなわち、多様な新興技術で有用な相対的に稀少でかつ高価な材料に転化させることができる。 同様に、コバルト−５９は、同じ条件下で、癌治療に有用でありかつ高い需要があるコバルト−６０に転化しうる。

幾つかの他の同位体が、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０の中で生成されうる。 さらには、例示的な実施形態の端部品１２０および／または１３０が、特有の中性子線束水準を有する炉心内部の位置に、例えば、より低くかつより一定した線束プロファイルを有する炉心端部に配置されるので、より短い半減期またはより高い断面積を有する同位体は、これらの同位体から所望の材料を生成するのにより適切な線束水準に暴露されうる。

上部および下部締結板に連結しうる上部および下部端栓としてそれぞれ形作られた例示的な実施形態の端栓１２０および１３０が、図２Ａ、２Ｂ、および２Ｃに示されている。 この実施例では、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０が、様々な知られた燃料棒設計における従来の上部および下部端栓に置き代わりうる。 例示的な実施形態の端部品１２０および１３０は、上部および／または下部締結板と嵌め合いかつ例示的な実施形態の燃料棒１８、１９、および１００を上部および／または下部締結板に固定するために、一般にテーパ付き形態で形作られうる。

別法として、例示的な実施形態の端部品１２０および１３０は、締結板と連結しない非テーパ付きの端栓として形作られうる。 例えば、例示的な実施形態の燃料棒１００が部分長燃料棒であれば、例示的な実施形態の上部端部品１２０は、いずれにも連結することなく部分長燃料棒の端部から延びうる。

例示的な実施形態の端部品１２０および１３０は、様々な様態で例示的な実施形態の燃料棒１００と接合しうる。 例えば、例示的な端部品１２０および１３０は、例示的な実施形態の燃料棒に直接的に溶接されてもよいし、またはねじ／ねじ山付き穴、舌部／受け口、もしくは別の効果的な接合要素によって例示的な実施形態の燃料棒に着脱可能に嵌め合わされてもよい。 例示的な端部品１２０および１３０は、例示的な実施形態の燃料棒に沿って連続的な外径を呈して、例示的な実施形態の端部品と例示的な燃料棒との間に塵埃が捕らわれるのを低減または防止するように、例示的な実施形態の燃料棒と面一で嵌め合いかつ／または溶接されうる。

図３に示されているように、例示的な実施形態の端部品２００は、一般に中実かつ剛性でありうる。 例示的な実施形態の端部品２００は、連結要素２１０を含みうる。 連結要素２１０は、端部品２００と燃料棒とを着脱可能に固定するために、例示的な実施形態の燃料棒中のねじ山付き穴と嵌め合う図３のねじ山付き部分として示されている。 例示的な実施形態の端部品２００は、上で論じられたように締結板の中に嵌るように構成されたテーパ部２２０を含みうる。 テーパ部２２０はさらに、例示的な端部品２００と締結板との間に収まる伸張ばね（図示せず）を受け入れるように形作られてもよく、例示的な実施形態の燃料棒が締結板に対して軸方向へわずかに伸張および収縮することを可能にする。

例示的な実施形態の端部品２００は、この端部品２００が標的物質であり、かつ上部および下部締結板に連結しうるための端部品として依然として機能するように、中実かつ剛性である標的材料から形成されうる。 例えば、端部品２００は、全部がイリジウム−１９１から形成されてもよい。

別法として、例示的な実施形態の端部品２００には、ニッケルのような剛性で非反応性の被覆材料２３０がメッキまたは被覆されうる。 例示的な実施形態の端部品２００は、例えば、被覆材料２３０が存在するときに、コバルト−５９のような、剛性がより低くかつ／または取扱いがより難しい材料から製造されうる。 このような様態では、被覆材料２３０が、例示的な実施形態の端部品２００用の剛性閉込めとしての役目を果たしうる。

例示的な実施形態の端部品２００は、例えば、例示的な端部品の取扱い、連結、および取外しを容易にするために、基部が六角形状の断面を形成する一連の凹み２５０をさらに含みうる。 例示的な実施形態の端部品２００は、端部品２００とその内部に存在する任意の標的物質すなわち生成物同位体とを識別する標識２１５をさらに含みうる。 標識２１５は、例示的な端部品２００の中に直接的に刻印されてもよいし、または別様に端部品２００に固着されてもよい。

例示的な実施形態の端部品２００は、幾つかの様態で変更されうる。 例えば、例示的な端部品２００は、上部または下部締結板の中に嵌るようにテーパ付けまたはサイズ決めされなくてもよい。 同様に、例示的な実施形態の端部品２００は、例示的な端部品２００を含む例示的な実施形態の燃料棒上の頂部または底部位置で使用されてもよい。 さらには、連結要素２１０は、例示的な実施形態の端部品２００を例示的な実施形態の様々な燃料棒候補に着脱可能に装着するために、差込み、楔接合、またはスナップ嵌め式受け口のような様々な形態を取りうる。 連結要素２１０は別法として存在しなくてもよく、したがって例示的な実施形態の端部品は、例示的な実施形態の燃料棒に直接的に溶接されてもよい。

別の例示的な実施形態の端部品３００が、図４に詳細に示されている。 例示的な実施形態の端部品３００は、図３における例示的な実施形態の端部品２００と重複する幾つかの要素を含みうるが、それらの説明は割愛される。 例示的な実施形態の端部品３００は、例示的な実施形態の端部品２００のテーパ付き端部２２０よりも長いねじ山付きで、テーパが付けられていない端部３２０を含みうる。 このより長い端部３２０は、ねじ山または他の固締手段を含み、例示的な実施形態の端部品３００を上部締結板（図１における要素１４）に剛接合するのに適切でありうる。 例示的な実施形態の端部品３００は、長さが増大したことにより、上部締結板を貫通することが可能であり、この端部品が接合される例示的な実施形態の燃料棒が、締結棒としての役目を果たすことを可能にする。 すなわち、ねじ山付きのより長い端部３２０は、締結棒が従来の燃料集合体で果たすように、これらの端部を含む例示的な実施形態の燃料棒が締結棒の役目を果たすことを可能にして、締結棒を含む例示的な燃料集合体に対するアクセスおよび取扱いを可能にする。

別の例示的な実施形態の端部品４００が、図５に詳細に示されている。 図５に示されているように、例示的な端部品４００は、中空である筐体４４０を含むことが可能であり、１つまたは複数の照射標的物質を収容しかつ閉じ込めることが可能である。 例示的な実施形態の端部品４００は、例えば、ジルコニウム合金および／またはアルミニウムを含めて、原子炉内部で運転条件に暴露されるときに、実質的にその核特性を維持する剛性で、非反応性の材料から製造されうる。

筐体４４０は、照射標的物質を収容し、かつ例示的な端部品４００の強度および閉込め能力を維持するために形作られうる。 固体、液体、または気体の照射標的物質が、例示的な端部品４００の製造時に筐体４４０の中へ直接的に配置されうる。 別法として、追加的な容器４６０が所望の照射標的物質を保持してもよく、この容器は筐体４４０の内部に配置されうる。 容器４６０は、米国特許出願第１１／００２６７７号で説明された容器でよく、この出願の閉込め組立体が参照により組み込まれる。 多容器４６０は、異なる標的物質を混交することなく、異なる種類の個々に閉じ込められた照射標的物質を利用するために、筐体４４０の内部に配置されうる。 各容器４６０は、個々の容器４６０の内容物を識別する容器標識４６１を含みうる。 別法として、筐体４４０は、例示的な端部品４００に剛着され、この筐体４４０を隔室化する１つまたは複数のウェーハまたはキャップ４７０を含みうる。 このような様態で、筐体４４０内部の多照射標的物質が、ウェーハまたはキャップ４７０によって分離されうる。

例示的な実施形態の端部品４００は、他の実施形態における場合と同様の凹み（または六角形）４５０を含みうる。 六角形４５０はさらに、筐体４４０にアクセスするためにより低い破壊トルクを特定の箇所に与えることによって、筐体４４０内部に閉じ込められた照射標的物質を収穫するために、例示的な端部品４００を取り外す際の補助になりうる。 標識４１５は、例示的な実施形態の端部品４００の外側に付着または刻印可能であり、どんな（１つまたは複数の）標的物質が筐体４４０の内部に閉じ込められているかを示す。

図５に示されているように、例示的な実施形態の端部品は、下部締結板の中へ直接的に螺合しうるねじ山付き端部４２０を含むことができる。 このようなねじ山付き端部４２０とねじ山付き端部を有する例示的な実施形態の端部品とは、燃料バンドルを持ち上げかつ移動させるために使用される締結棒と併用可能であり、この燃料バンドルは、その剛性連結部に締結棒と一緒に移動する。 例示的な実施形態の端部品４００は、他の例示的な実施形態とは異なるスナップ嵌め受け口型端部品４１０およびねじ山付き端部４２０を有して示されているが、上で論じられた任意の嵌合い要素および／または端部構成が例示的な端部品３００と組み合わせて使用されうることが理解される。

例示的な実施形態の端部品２００、３００、および４００が別々に論じられたが、１つの例示的な実施形態の特徴構造が、他の例示的な実施形態と組み合わせて使用されうることが理解されよう。 例えば、１つの例示的な実施形態に対して示された被覆が、被覆は存在しないが筐体を有する別の例示的な実施形態に対して使用されてもよい。 同様に、製造材料および照射標的物質が、例示的な実施形態にわたって別法による組合せで使用されてもよい。 同様に、筐体および被覆が、上部および／または下部端部品として使用されている例示的な実施形態の端部品に対して使用されてもよい。 さらには、ねじ山を有する例示的な実施形態の端部品が、テーパ部を有する例示的な実施形態の端部品からの他の要素と置き換えられてもよい。

例示的な実施形態の端部品および燃料棒は、従来の燃料棒では不可能な位置に照射標的物質を配置するので、例示的な実施形態は、特有の照射および照射標的物質生成が可能となる。 例えば、炉心端部におけるより低くかつ／または一定の線束領域に照射標的物質を配置することは、より短い半減期を有する同位体、またはその放射性系列が、より高い線束箇所で破壊されうるより高い断面積を有する元素を含む同位体を成功裡に転化させかつ収穫することを可能にする。

このように例示的な実施形態が説明されているが、例示的な実施形態は、日常的な実験を通じてかつさらなる発明的な営為を伴うことなく変更されうることが当業者には理解されよう。 変更は、例示的な実施形態の趣旨および範囲からの逸脱と考えられるべきではなく、当業者には明白なこのような変更のすべてが、添付の特許請求の範囲内に包含されるものである。

燃料棒に固着された例示的な実施形態の端部品を有する燃料集合体を示す図である。

例示的な実施形態の端部品を含む例示的な実施形態の燃料棒を示す図である。

例示的な実施形態の端部品を含む例示的な実施形態の燃料棒を示す図である。

例示的な実施形態の端部品を含む例示的な実施形態の燃料棒を示す図である。

例示的な実施形態の端部品を詳細に示す図である。

別の例示的な実施形態の端部品を詳細に示す図である。

別の例示的な実施形態の端部品を詳細に示す図である。

符号の説明

１０ 燃料バンドル １２ 外部チャネル １４ 上部締結板 １６ 下部締結板 １８ 完全長燃料棒 １９ 部分長燃料棒 ２０ 隔板 ２２ 燃料要素 １００ セグメント燃料棒 １０３ 連結箇所 １２０ 上部端部品 １３０ 下部端部品 ２００、３００、４００ 端部品 ２１０、３１０ 連結要素 ２１５、３１５、４１５ 標識 ２２０ テーパ部 ２３０ 被覆材料 ２５０、３５０、４５０ 凹み ４１０ スナップ式連結部 ４２０ 締結棒と併用するためのねじ山付き端部 ４４０ 筐体 ４６０ 追加的な容器 ４６１ 容器標識 ４７０ キャップ