特許 7583015 細長いＳｉＣ燃料要素

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-05

(45)【発行日】2024-11-13

(54)【発明の名称】細長いＳｉＣ燃料要素

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/06 20060101AFI20241106BHJP

   G21C 3/07 20060101ALI20241106BHJP

   G21C 3/58 20060101ALI20241106BHJP

【ＦＩ】

G21C3/06 200

G21C3/07

G21C3/58

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2022500142

(86)(22)【出願日】2020-07-02

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-09-05

(86)【国際出願番号】 US2020040654

(87)【国際公開番号】W WO2021003364

(87)【国際公開日】2021-01-07

【審査請求日】2023-06-30

(31)【優先権主張番号】16/459,764

(32)【優先日】2019-07-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】521219442

【氏名又は名称】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

【氏名又は名称原語表記】ＷＥＳＴＩＮＧＨＯＵＳＥ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ ＬＬＣ

【住所又は居所原語表記】１０００ Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ Ｄｒｉｖｅ， Ｓｕｉｔｅ １４１， Ｃｒａｎｂｅｒｒｙ Ｔｏｗｎｓｈｉｐ， Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ １６０６６ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ユン ロング

(72)【発明者】

【氏名】ペン シェイ

(72)【発明者】

【氏名】エドワード ラホダ

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１３－５１３０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０３１５９６（ＷＯ，Ａ２）

【文献】特開２０１６－２００４６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１８－５２９０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０３２４４５９９（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ２１Ｃ ３／００－ ３／６４

Ｇ２１Ｃ ２１／００－ ２１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子炉で使用するための細長い燃料要素であって、
炭化ケイ素クラッディングと、
核燃料と、を備えており、
前記炭化ケイ素クラッディングは、対向する２つの細長い壁と、前記細長い壁よりも短い対向する２つの端壁と、を有し、
前記細長い壁と前記端壁は、エンクロージャを画定し、
前記エンクロージャは、端壁から端壁までの長さと、細長い壁から細長い壁までの幅と、を有し、
前記クラッディングは、長手軸と、前記長手軸に直交する横軸を有し、
前記核燃料は、前記エンクロージャ内に配置されており、
前記燃料は、２つの細長い表面と、前記細長い表面よりも短い２つの端面と、を有し、
前記２つの細長い表面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記細長い壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第１の距離だけ最小限に間隔を空けており、
前記端面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記端壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第２の距離だけ間隔を空けており、
前記第２の距離は、前記第１の距離よりも大きく、
前記第１及び第２の距離は、使用により前記燃料がスウェリングするときに、スウェリングする前記燃料が、前記第１の距離を超えて前記第２の距離以下までスウェリングして、前記クラッディングの前記端壁を変形させることなく、かつ前記クラッディングを０．１％を超えて歪ませることなく、前記クラッディングの前記細長い壁を変形させるように、寸法取りされ、
前記燃料は、断面において、より短い前記端面と凸状に湾曲した２つの細長い表面のそれぞれに頂点を画定する長円形状に構成され、
前記長円形状は、頂点から頂点まで延在する長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する、燃料要素。

【請求項2】

凸状に湾曲した細長い表面のそれぞれは、前記短軸に副頂点を画定しており、前記副頂点から各頂点まで湾曲して各頂点と交わり、
前記第１の距離は、前記副頂点と前記クラッディングの前記細長い壁との間で最小である、請求項１に記載の燃料要素。

【請求項3】

原子炉で使用するための細長い燃料要素であって、
炭化ケイ素クラッディングと、
核燃料と、を備えており、
前記炭化ケイ素クラッディングは、対向する２つの細長い壁と、前記細長い壁よりも短い対向する２つの端壁と、を有し、
前記細長い壁と前記端壁は、エンクロージャを画定し、
前記エンクロージャは、端壁から端壁までの長さと、細長い壁から細長い壁までの幅と、を有し、
前記クラッディングは、長手軸と、前記長手軸に直交する横軸を有し、
前記核燃料は、前記エンクロージャ内に配置されており、
前記燃料は、２つの細長い表面と、前記細長い表面よりも短い２つの端面と、を有し、
前記２つの細長い表面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記細長い壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第１の距離だけ最小限に間隔を空けており、
前記端面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記端壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第２の距離だけ間隔を空けており、
前記第２の距離は、前記第１の距離よりも大きく、
前記第１及び第２の距離は、使用により前記燃料がスウェリングするときに、スウェリングする前記燃料が、前記第１の距離を超えて前記第２の距離以下までスウェリングして、前記クラッディングの前記端壁を変形させることなく、かつ前記クラッディングを０．１％を超えて歪ませることなく、前記クラッディングの前記細長い壁を変形させるように、寸法取りされ、
前記クラッディングの前記細長い壁は、使用による変形の前は、前記燃料に向かって内方に凹状に湾曲しており、使用時には外方に変形される、燃料要素。

【請求項4】

前記燃料の前記細長い表面は、使用によるスウェリングの前は、互いに向かって内方に凹状に湾曲しており、使用時には外方にスウェリングして、前記第１の距離を超えて延在して前記クラッディングの前記細長い壁を変形させる凸状に湾曲した細長い表面を形成する、請求項３に記載の燃料要素。

【請求項5】

前記燃料の前記端面は、使用によるスウェリングの前は平坦であり、使用時には外方にスウェリングして、凸状に湾曲した端面を形成する、請求項４に記載の燃料要素。

【請求項6】

前記燃料の前記端面は、使用によるスウェリングの前は平坦であり、使用時には前記端面が平坦なままである、請求項４に記載の燃料要素。

【請求項7】

前記クラッディングの前記端壁は、使用によるスウェリングの前は平坦である、請求項３に記載の燃料要素。

【請求項8】

前記端壁は、使用時に平坦なままである、請求項７に記載の燃料要素。

【請求項9】

原子炉で使用するための細長い燃料要素であって、
炭化ケイ素クラッディングと、
核燃料と、を備えており、
前記炭化ケイ素クラッディングは、対向する２つの細長い壁と、前記細長い壁よりも短い対向する２つの端壁と、を有し、
前記細長い壁と前記端壁は、エンクロージャを画定し、
前記エンクロージャは、端壁から端壁までの長さと、細長い壁から細長い壁までの幅と、を有し、
前記クラッディングは、長手軸と、前記長手軸に直交する横軸を有し、
前記核燃料は、前記エンクロージャ内に配置されており、
前記燃料は、２つの細長い表面と、前記細長い表面よりも短い２つの端面と、を有し、
前記２つの細長い表面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記細長い壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第１の距離だけ最小限に間隔を空けており、
前記端面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記端壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第２の距離だけ間隔を空けており、
前記第２の距離は、前記第１の距離よりも大きく、
前記第１及び第２の距離は、使用により前記燃料がスウェリングするときに、スウェリングする前記燃料が、前記第１の距離を超えて前記第２の距離以下までスウェリングして、前記クラッディングの前記端壁を変形させることなく、かつ前記クラッディングを０．１％を超えて歪ませることなく、前記クラッディングの前記細長い壁を変形させるように、寸法取りされ、
前記燃料の前記細長い表面は、使用によるスウェリングの前は、互いに向かって内方に凹状に湾曲しており、使用時には、外方にスウェリングして、凸状に湾曲した細長い表面を形成し、前記凸状に湾曲した細長い表面は、前記第１の距離を超えて延在して前記クラッディングの前記細長い壁を変形させ、
前記燃料は、端面から端面まで延在する長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する、燃料要素。

【請求項10】

凹状に湾曲した表面のそれぞれは、前記短軸に副頂点を画定し、前記副頂点から各端面まで湾曲して各端面と交わる、請求項９に記載の燃料要素。

【請求項11】

前記燃料の前記端面は、使用によるスウェリングの前は、平坦な表面を画定しており、使用時には外方にスウェリングして、凸状に湾曲した端面を形成する、請求項１０に記載の燃料要素。

【請求項12】

前記燃料の前記端面は、使用によるスウェリングの前は、平坦な表面を画定しており、使用時には前記端面が平坦なままである、請求項１０に記載の燃料要素。

【請求項13】

原子炉で使用するための細長い燃料要素であって、
炭化ケイ素クラッディングと、
核燃料と、を備えており、
前記炭化ケイ素クラッディングは、対向する２つの細長い壁と、前記細長い壁よりも短い対向する２つの端壁と、を有し、
前記細長い壁と前記端壁は、エンクロージャを画定し、
前記エンクロージャは、端壁から端壁までの長さと、細長い壁から細長い壁までの幅と、を有し、
前記クラッディングは、長手軸と、前記長手軸に直交する横軸を有し、
前記核燃料は、前記エンクロージャ内に配置されており、
前記燃料は、２つの細長い表面と、前記細長い表面よりも短い２つの端面と、を有し、
前記２つの細長い表面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記細長い壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第１の距離だけ最小限に間隔を空けており、
前記端面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、前記クラッディングの前記端壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第２の距離だけ間隔を空けており、
前記第２の距離は、前記第１の距離よりも大きく、
前記第１及び第２の距離は、使用により前記燃料がスウェリングするときに、スウェリングする前記燃料が、前記第１の距離を超えて前記第２の距離以下までスウェリングして、前記クラッディングの前記端壁を変形させることなく、かつ前記クラッディングを０．１％を超えて歪ませることなく、前記クラッディングの前記細長い壁を変形させるように、寸法取りされ、
前記燃料は、使用によるスウェリングの前は、断面において、平坦な端面と、平坦な細長い表面と、を画定する直線的な形状に構成されており、
前記直線的な形状は、端面から端面まで延在する長軸と、前記長軸に直交する短軸と、を有する、燃料要素。

【請求項14】

前記燃料は、使用時には前記長軸と前記短軸の両方に沿って外方にスウェリングして、断面において長円形の構成を形成する、請求項１３に記載の燃料要素。

【請求項15】

前記クラッディングは、使用によるスウェリングの前は、断面において、平坦な端壁と、平坦な細長い壁と、を画定する直線的な形状に構成されており、
前記細長い壁は、使用により前記燃料がスウェリングするときに、外方に変形する、請求項１３に記載の燃料要素。

【請求項16】

前記燃料は、ＵＯ_２、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びウラニウム合金から成る群から選択される、請求項１～１５のいずれか一項に記載の燃料要素。

【請求項17】

前記燃料は、ＵＯ_２である、請求項１～１５のいずれか一項に記載の燃料要素。

【請求項18】

前記クラッディングの前記端壁は、断面において、前記クラッディングの前記細長い壁よりも厚い、請求項１～１５のいずれか一項に記載の燃料要素。

【請求項19】

前記燃料のスウェリングに起因する前記クラッディングの前記歪みは、０．０５％以下である、請求項１～１５のいずれか一項に記載の燃料要素。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本願は、「Ｅｌｏｎｇａｔｅ ＳＩＣ Ｆｕｅｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ」と題され２０１９年７月２日に出願された１６／４５９，７６４の便益を主張するものであり、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

（政府の権利の記載）
本発明は、エネルギー省によって与えられた契約番号第ＤＥ－ＮＥ０００８８２４号の下で政府支援により成された。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。

【0003】

本発明は、原子力発電所のための燃料要素に関し、より詳細には、細長いＳｉＣクラッディング内に収容される細長い燃料セグメントに関する。

【背景技術】

【0004】

炭化ケイ素（ＳｉＣ）は、非常に有望な事故耐性燃料（ＡＴＦ）クラッディングであることが示されてきたが、ＳｉＣの主要な課題のうちの１つは、ＳｉＣクラッディングにおける密封性（ｈｅｒｍｅｔｉｃｉｔｙ）を失うリスクを冒さずには、ＳｉＣクラッディング管内に収容された燃料ペレットがクラッディングとの強い接触を有することができないことである。

【0005】

ＵＯ_２燃料は、原子力産業において長期かつ上首尾の使用歴を有する。ＵＯ_２は、軽水クーラントとの低い反応性、適度なスウェリング（ｓｗｅｌｌｉｎｇ）、及び放射中の安定した構造を有するが、低い熱伝導性に見舞われ、そのことが、ＵＯ_２の使用を小径の燃料棒に限定する。使用時には核分裂生成物がＵＯ_２のスウェリングを引き起こし、燃料ペレットとＳｉＣなどの非延性クラッディングとの間に十分な大きさの初期間隙が存在しない限り、必然的なスウェリングが、ペレットとクラッディングとの間の強い機械的相互作用（ＰＣＭＩ）によるクラッディング破損をもたらす。ＰＣＭＩ問題を解決するために初期ペレット－クラッディング間隙を増大させることは、間隙内のヘリウムガスの低い熱伝導性及びウラニウム装填量の減少に起因する、さらに高い燃料中心線温度を生じさせることになる。この欠点は、亀裂及び密封性の損失を回避するために最小限の燃料－クラッディング機械的相互作用を必要とするＳｉＣなどの高度な事故耐性クラッディングを含む燃料棒内でＵＯ_２が使用される場合に明らかになる。従って、ＳｉＣクラッディング内でのＵＯ_２の使用は、厳しい経済的不利益を伴わずには、円筒形の燃料棒幾何形状に対しては不可能である。

【0006】

一方、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びウラニウム合金などの燃料は、それらの高い燃料熱伝導性、及びより大きなペレット－クラッディング間隙を残すことによる燃料中心線温度の低下により、ＰＣＭＩ問題を緩和することができるが、ウラニウム装填量の減少を犠牲にする。さらに、これらの燃料は、耐水腐食性が不十分であり、これは、燃料の事故耐性を損なうため、軽水炉でのリーク燃料事象中に悪影響をもたらす。

【0007】

２から４％の歪み能力（ｓｔｒａｉｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）を有するＺｒなどの金属クラッディングの場合、間隙は、ＰＣＭＩ問題ではないが、燃料ペレットを装填するのに十分な大きさであることだけを必要とする。しかし、漏れが発生した場合、例えば、Ｕ_３Ｓｉ_２は酸化して、Ｚｒクラッディング内で内部体積を増大させる。増大した体積は、クラッディングを膨らませて、クーラント経路の閉塞をもたらす。

【0008】

ＳｉＣクラッディングは、従来のＺｒベースの材料と比べて、事故状態中に、向上された高い温度性能を有する。しかし、ＳｉＣは、局部応力の蓄積を軽減し、かつ燃料とクラッディングとの間の機械的相互作用を最小限に抑えるために、限られた歪み能力（～０．０４から０．１％）を有するので、棒型燃料設計は、ＳｉＣ材料の潜在性を制限してきた。この問題を解決するための取り組みは、大きな燃料－クラッディング間隙を残すことであった。しかし、大きな間隙は、特にＵＯ_２などの低熱伝導性材料の場合に、燃料中心線温度を著しく高めて、大量の核分裂ガスの放出及び／又はスウェリングをもたらし、また、ウラニウム装填量を減少させて、厳しい経済的不利益をもたらす。

【0009】

１９６０年代及び１９７０年代に最初に開発された、米国特許第３，１７３，８４３号、第３，２９７，５４３号、第３，５８６，７４５号、第３，８５５，０６１号、第４，０３８，１３５号、及び第４，２２４，１０６号で開示されているものなどの板状燃料は、金属クラッディング（例えば、アルミニウム又はジルコニウム合金）、及び、金属燃料又は金属マトリクス（例えば、ＵＺｒ若しくはＵＭｏ）中に分散した燃料を使用した。そのような板状燃料は、実用炉には適していないことが分かり、見捨てられたが、現在は、試験炉で使用されており、小型モジュール炉での使用を評価されている。Ｍａｒｋ Ｄ．ＤｅＨａｒｔ、「Ｆｕｅｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ＬＥＵ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｓｔ Ｒｅａｃｔｏｒ」、ＩＮＬ／ＪＯＵ－１７－４１５３８ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ ０、２０１８年４月、Ｓａｍｕｅｌ Ｊ．Ｍｉｌｌｅｒら、「Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｕ１０Ｍｏ Ｆｕｅｌ Ｐｌａｔｅ Ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｂｅｈａｖｉｏｒ Ｖｉａ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｂｅｎｃｈｍａｒｋｉｎｇ」ＩＮＬ／ＣＯＮ－１２－２５０７４、２０１２年１１月、及び、Ｍｉｎ－Ｇｉｌ Ｋｉｍら、「Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ Ｒｏｄ Ｔｙｐｅ Ｆｕｅｌ ｔｏ Ｐｌａｔｅ－Ｔｙｐｅ Ｆｕｅｌ ｆｏｒ Ｓｍａｌｌ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」、ＩＣＡＰＰの議事録、２０１４年４月を参照されたい。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

以下の概要は、開示される実施形態に特有の革新的特徴のうちのいくつかの理解を促進するために提供されるものであり、完全な説明であることを意図されたものではない。実施形態の様々な態様の完全な認識は、明細書全体、特許請求の範囲、及び要約をまとめて解釈することによって得られ得る。

【0011】

特に軽水炉においてより大きなウラニウム装填量及びより良好な安全マージンを提供すると同時に、ＳｉＣクラッディングと核燃料との間のペレットクラッディング機械的相互作用に起因する問題に対処するために、細長い形状のＳｉＣクラッディングを有する細長い形状の燃料から成る新規な燃料要素が、本明細書において説明される。

【課題を解決するための手段】

【0012】

様々な態様では、原子炉で使用するための燃料要素は、炭化ケイ素クラッディングと、クラッディング内に収容された核燃料と、を含む。クラッディングは、対向する２つの細長い壁と、細長い壁よりも短い対向する２つの端壁と、を有する。細長い壁と端壁は、一緒にエンクロージャを画定する。エンクロージャは、端壁から端壁までの長さと、細長い壁から細長い壁までの幅と、を有し、クラッディングは、長手軸と、長手軸に直交する横軸と、を有する。核燃料は、２つの細長い表面と、細長い表面よりも短い２つの端面と、を有する。２つの細長い表面のそれぞれは、使用によるスウェリングの前は、クラッディングの細長い壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第１の距離だけ最小限に間隔を空けており（例えば、約０．０５から２．０ｍｍの間）、また、端面のそれぞれは、クラッディングの端壁のうちの異なる１つから、対向した関係で、第２の距離だけ間隔を空けている。第２の距離は、第１の距離よりも大きい。第１及び第２の距離は、使用時に燃料がスウェリングするときに、スウェリングする燃料が、第１の距離を超えて第２の距離以下までスウェリングして、クラッディングの端壁を変形させることなく、かつクラッディングを０．１％を超えて歪ませることなく、クラッディングの細長い壁を変形させるように、寸法取りされる。

【0013】

燃料のスウェリングに起因するクラッディングの歪みは、様々な態様では、０．０５％以下である。

【0014】

第２の距離は、燃料端面とクラッディング端壁との間の間隙を画定し、この間隙は、使用時に生成される核分裂ガスのための空間に加えて選択された燃料の最大スウェリングを可能にする寸法とされる。当業者は、選択された燃料が使用時に経験するスウェリングの最大量と、使用時に生成されるであろう核分裂ガスの量を、既知の手段によって計算するか又は歴史的使用によって判定して、第２の距離を決定することができる。第１の距離は、クラッディングの細長い壁のそれぞれと燃料の対向する細長い表面との間の間隙を画定する。第１の距離の間隙は、使用の前に燃料がクラッディングに挿入されることを可能にするのに十分なものであり、典型的には約０．０７ｍｍである。

【0015】

いくつかの態様では、燃料は、断面において、より短い端面のそれぞれに頂点を画定する長円形状に構成され得、２つの細長い表面は、凸状に湾曲している。長円形状は、頂点から頂点まで延在する長軸と、長軸に直交する短軸と、を有する。凸状に湾曲した表面のそれぞれは、短軸に副頂点（ｃｏ－ｖｅｒｔｅｘ）を有しており、副頂点から各頂点まで湾曲して各頂点と交わる。この実施形態における第１の距離は、副頂点とクラッディングの細長い壁との間で最小である。

【0016】

燃料要素のいくつかの態様では、クラッディングの細長い壁は、燃料に向かって内方に湾曲し得る。クラッディングの細長い壁は、使用による変形の前は、燃料に向かって内方に凹状に湾曲しており、使用時には外方に変形され得る。様々な態様におけるクラッディングの端壁は、使用の前は平坦であり、かつ、使用時に平坦のままであり得る。

【0017】

燃料の細長い表面は、使用によるスウェリングの前は、互いに向かって内方に凹状に湾曲しており、使用時には外方にスウェリングして、凸状に湾曲した細長い表面を形成することができ、凸状に湾曲した細長い表面は、第１の距離を超えて延在して、クラッディングの細長い壁を変形させる。各凹状に湾曲した細長い表面は、短軸に副頂点を画定しており、副頂点から各端面まで湾曲して各端面と交わる。燃料の端面は、使用によるスウェリングの前は、平坦であり、使用時には外方にスウェリングして、凸状に湾曲した端面を形成し得る。代替的には、燃料の端面は、使用によるスウェリングの前は平坦であり、使用時に平坦のままであり得る。

【0018】

様々な態様では、燃料は、使用によるスウェリングの前は、断面において、第１の端面と平坦な細長い表面とを画定する直線的な形状に構成され得る。直線的な形状は、端面から端面まで延在する長軸と、長軸に直交する短軸と、を画定する。燃料は、使用時には長軸と短軸の両方に沿って外方に膨張して、断面において長円形の構造を形成する。クラッディングは、使用によるスウェリングの前は、断面において、平坦な端壁と、平坦な細長い壁と、を画定する直線的な形状に構成されていてよく、これらの壁は、使用時に燃料がスウェリングするときに外方に変形する。

【0019】

様々な態様では、クラッディングの端壁は、クラッディングの細長い壁よりも断面が厚い。

【0020】

燃料は、ＵＯ_２、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びウラニウム合金から成る群から選択される核分裂性物質であり得る。

【0021】

細長い形状のＳｉＣクラッディングを含む細長い形状の燃料は、正常運転中と過渡条件下の両方での燃料性能を損なうことなく、ＳｉＣクラッディング材料の事故耐性特徴に加えて、ＵＯ_２などの燃料の証明済みの便益の利用を可能にする。細長い形状の燃料と、燃料膨張を可能にする端部間隙と、を含む、提案される細長い形状のＳｉＣクラッディングは、燃料とクラッディングとの間の小さな間隙又は直接接触による改善された熱伝達などの便益を提供する。細長い燃料を含む細長いＳｉＣクラッディングはまた、燃料の寿命にわたって最小限の間隙により、より低い燃料温度をもたらし、それにより、より少ない核分裂ガス放出及びスウェリングと、低い温度上昇に起因する過渡事象中のクラッディングのより少ない変形と、許容されるクラッディングの膨らみの増大されたスパンに起因する燃料とクラッディングとの間の激しい接触時の引張り応力の減少と、がもたらされる。細長いクラッディング表面は、場合により、局部応力の蓄積をさらに軽減するために、事前に湾曲され得る。本明細書において説明される、ＳｉＣで覆われる細長い燃料は、ＵＯ_２の経済性又はＳｉＣの事故耐性特徴を損なうことなく、ＵＯ_２燃料の使用を可能にする。

【0022】

本開示の特徴及び利点は、添付の図を参照することによってより良く理解され得る。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】細長い燃料要素の一実施形態のその初期構成における上面平面断面図の概略図である。

【0024】

【図2】凸形状の燃料セグメントと細長いクラッディングを、使用時にスウェリングした燃料セグメント（破線）と変形したクラッディング（破線）の構成と比較される初期構成（実線）で示す、細長い燃料要素の代替的な一実施形態の上面平面断面図の概略図である。

【0025】

【図3】初期構成（破線）における事前に湾曲されたクラッディング壁及び事前に湾曲された燃料セグメントと、スウェリング後の燃料及び変形後のクラッディング（実線）と、を示す燃料要素の別の実施形態の上面平面断面図の概略図である。

【0026】

【図4A】燃料が一体品（Ｄ）として又は積重ねセグメント（Ａ）として製作されてクラッディング内に挿入され得る組立体における燃料セグメントの一実施形態の正面断面図の概略図である。

【図4B】燃料が一体品（Ｄ）として又は積重ねセグメント（Ａ）として製作されてクラッディング内に挿入され得る組立体における燃料セグメントの一実施形態の上面断面図の概略図である。

【図4C】燃料が一体品（Ｄ）として又は積重ねセグメント（Ａ）として製作されてクラッディング内に挿入され得る組立体における燃料セグメントの一実施形態の側断面の概略図である。

【図4D】燃料が一体品（Ｄ）として又は積重ねセグメント（Ａ）として製作されてクラッディング内に挿入され得る組立体における燃料セグメントの一実施形態の別の正面断面図の概略図である。

【0027】

【図5A】炉心に挿入された図４の燃料要素組立体の正面断面図の概略図である。

【図5B】炉心に挿入された図４の燃料要素組立体の上面断面図の概略図である。

【図5C】炉心に挿入された図４の燃料要素組立体の側断面図の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

ここで使用される単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び、「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数を含む概念である。従って、冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、冠詞の文法オブジェクトの１つ又は複数（即ち少なくとも１つ）を指すために使用される。例として、「ａｎ ｅｌｅｍｅｎｔ」は、１つの要素又は複数の要素を意味する。

【0029】

ここで使用される方向表現、例えば、それらに限定されないが、上、下、左、右、下方、上方、前、後、及びそれらの変形形態は、添付の図面に示される要素の向きに関係し、特に明記しない限り、特許請求の範囲を限定しない。

【0030】

請求項を含む本願においては、別段の指示がない限り、量、値又は特性を表わす全ての数字は、全ての場合において「約」という用語によって修正されるものと理解されるべきであり、従って、「約」という用語がその数字で明示的に表されていなくても、数字は「約」という用語の前にあるかのように読み取ることができる。従って、反対に示されない限り、以下の説明に記載される任意の数値パラメータは、本開示による組成物及び方法において得ようとする所望の特性に応じて変化し得る。最低限でも、特許請求の範囲への均等論の適用を限定する試みとしてではなく、本明細書に記載される各数値パラメータは、少なくとも有効数字の数に照らして、かつ通常の丸め技法を適用することによって解釈されるべきである。

【0031】

さらに、本明細書に列挙される任意の数値範囲は、その中に包含される全てのサブ範囲を含むことが意図される。例えば、「１～１０」の範囲は、最小値１と最大値１０との間の（及びそれを含む）、即ち、１以上の最小値及び１０以下の最大値を有する任意の全てのサブ範囲を含むことが意図される。

【0032】

図１を参照すると、使用の前に最初に構成されたときの燃料要素１０が示されている。燃料要素１０は、核燃料セグメント１４を封入する細長い形状のＳｉＣクラッディング１２を含む。クラッディング１２は、断面において、細長い燃料セグメント１４を収容するための細長い矩形の形状として示されている。クラッディング１２は、初期構成において、対向する２つの細長い壁１８と、対向する２つのより短い端壁１６と、を有する。燃料セグメント１４はまた、最初は平行又は実質的に平行な２つの細長い側面２０と、セグメントの細長い側面に対して相対的に短い２つの端面２２と、を有する。燃料セグメント１４は、クラッディングの細長い壁１８と燃料セグメント１４の細長い側面２０との間の第１の距離に小さな間隙３２が存在して、セグメントがクラッディング１２内に装填されて積み重ねられるのに辛うじて足りるだけの空間を可能にするように、クラッディング１２に対してサイズ決めされる。クラッディング１２の各端部において、クラッディング１２の端壁１６とセグメント１４の端面２２との間の第２の距離に、より大きな間隙３４が存在する。より大きな間隙３４は、小さな間隙３２よりも大きい。間隙３４は、反応炉の設計圧力（例えば、従来の加圧水型炉（ＰＷＲ）の場合、３２０℃において２２００ｐｓｉａ）未満の圧力において核分裂ガスが集積することを可能にするようにサイズ決めされる。

【0033】

使用時には、燃料寿命サイクルの初めに、燃料セグメント１４はスウェリングする。燃料は等方性であり、そのため、燃料は、あらゆる方向に均等に膨張する。本明細書において説明される細長いクラッディングと燃料の構成によれば、細長い壁１８は、燃料が横断方向に（即ち、図１と図２に示されたＹ軸に沿って）自由にスウェリングするのを防ぐ力を提供する。壁１８の長い縁部に沿ったより小さな間隙３２により、膨張する燃料は、まず、クラッディング１２の壁１８を圧迫して、細長い壁１８を外方に変形させる。しかし、細長い壁１８に由来するスウェリングへの抵抗により、燃料は異方性になり、クラッディングの長手軸に沿って（即ち、図１及び２に示されたＸ軸に沿って）より抵抗のない方向により膨張することになると考えられる。より大きな端部間隙３４と、クラッディング１２の細長い壁１８の長さにより、スウェリングする燃料セグメント１４は、間隙３４内へ膨張し、スウェリングするセグメント１４により軸４４に沿って細長い壁１８に及ぼされる力は、より長い距離にわたって（軸４４から端壁１６まで）広がり、結果として、クラッディング１２上の軸４４から端壁１６までの距離にわたる全体的な歪みが少なくなる。より大きな端部間隙３４は、セグメント１４の端面２２とクラッディング１２の端壁１６との間に相当な力又は強い接触を働かせることなく、セグメント１４の長手方向の膨張を可能にする。本明細書において、強い接触（ｈａｒｄ ｃｏｎｔａｃｔ）とは、セグメント１４とクラッディングとの間の接触、具体的にはクラッディング壁に対抗する何らかの力を及ぼす接触を意味する。ＳｉＣは、亀裂が生じるまでに約０．０４％から０．１％の歪みに耐えることができ、様々な態様では約０．０５％から０．０７％の歪みに耐えることができ、そのため、燃料セグメント１４のスウェリングによって引き起こされる歪みをより長い長さの壁１８にわたって拡散させることにより、適用可能なパーセンテージ閾値を超える全体的な歪みの増大が制限される。

【0034】

様々な態様では、クラッディング壁１８の中心は、燃料の（軸４４から端壁１６への方向における）幅に起因する軸４４に沿ったＹ方向への大きな変位に耐えることができるので、燃料セグメントは、図２に示されるように凸形状を有することができる。

【0035】

図２を参照すると、燃料要素１００の代替的な一実施形態が示されている。この実施形態では、クラッディング１２は、図１に示された燃料要素１０のクラッディング１２と同じである。燃料要素１００のクラッディング１２は、断面において細長い矩形の構造であり、やはりＳｉＣから形成され、かつ、その初期構成において、実線で示された対向する２つの細長い壁１８と、対向するより短い２つの端壁１６と、を有する。その初期構成における燃料要素１００の燃料セグメント１１４は、断面において、凸状に湾曲した２つの細長い表面１２０と、２つの端部曲線又は頂点１２２と、を有する、楕円形又は長円形である。長軸が、頂点から頂点１２２までの長円形セグメント１１４の長さに沿って画定され、より短くかつ長軸に対して直交する短軸が、長円の幅にわたって画定される。

【0036】

好ましい装填様式では、セグメント１１４の長軸は、クラッディング１２の長手軸４０と整列しかつ長手軸４０と同軸であり、短軸は、クラッディングの横軸４４と同軸に整列する。上記のように、端部間隙３４がクラッディング１２の歪みを増大させることなくセグメント１１４のスウェリングを可能にする限り、好ましい配置からのある程度の逸脱が許容され得る。

【0037】

燃料セグメント１１４は、クラッディングの細長い壁１８と燃料セグメント１１４のより長い凸状に湾曲した細長い表面１２０の最大幅領域（短軸に沿った長円の副頂点と見なされる領域）との間に小さな間隙３２が存在して、装填中にクラッディング１２の内部表面２８に対して接触圧力を印加することなくセグメント１１４がクラッディング１２内に装填され、積み重ねられるのに辛うじて足りるだけの空間をペレットの最大幅領域に可能とするように、クラッディング１２に対してサイズ決めされる。長円形の形状により、間隙３２は、セグメント１１４が各副頂点から端部又は頂点１２２に向かって湾曲するにつれて、間隙３６へと広がる。燃料セグメント１１４は、クラッディング１２の端壁１６とセグメント１１４の端部曲線又は頂点１２２との間のクラッディング１２の各端部に、小さな間隙３２と比較してより大きな間隙３４が存在するように、クラッディング１２に対してサイズ決めされる。この形状は、端部間隙３４に向かう燃料１１４の側方膨張を促進し、燃料装填量を最大限に高める。端部間隙３４には燃料が存在しないので、ＳｉＣクラッディング１２は、端壁１６において、熱伝達と燃料温度に影響を及ぼすことなく厚くされ、強化され得る。

【0038】

図２はまた、セグメント１１４がスウェリング済み構成（ｓｗｏｌｌｅｎ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）１２４にスウェリングしてクラッディング１２の細長い壁１８を変形構成２６に変形させる燃料寿命サイクルの始まりでの使用期間後のクラッディング１２と燃料セグメント１１４の構成を破線で示す。燃料セグメント１１４がスウェリングするにつれて、凸状に湾曲した細長い側１２０は、外方に膨張し、接触領域３０においてクラッディング１２の細長い側壁１８に接触して、セグメント１１４の幅に沿った最大幅点（副頂点）においてクラッディング壁を外方に押す。セグメント頂点１２２とクラッディング端壁１６との間のより大きな間隙３４は、セグメント１１４がその最大寸法にスウェリングするときに、頂点１２２が、端壁１６にちょうど接触し得る（しなくてもよい）が、クラッディング１２の歪みを増大させるであろう相当な又は有効な力をクラッディング１２の端壁１６に印加しないように、寸法取りされる。代替的には、セグメント１１４がその最大寸法にスウェリングするときに、頂点１２２は、端壁１６に接触せずに、より小さな間隙３４’を残す。どちらの場合でも、端壁１６は、セグメント１１４のスウェリングによって変形されない。セグメント１１４の湾曲した形状は、たとえ矩形のクラッディング１２内で膨張した場合でも、燃料要素１００を使用した反応炉の動作中に放出される核分裂ガスに対応するための間隙３６を残す。

【0039】

スウェリングする前の初期構成における燃料端面２２／１２２とクラッディング端壁１６との間の間隙３４を画定する第２の距離は、使用時に生成される核分裂ガスのための空間に加えて、選択された燃料の最大のスウェリングを可能にする寸法とされる。当業者は、選択された燃料が使用時に経験するスウェリングの最大量と、使用時に生成されるであろう核分裂ガスの量を、既知の手段によって計算するか又は歴史的使用によって判定して、第２の距離を決定することができる。間隙３４は、反応炉の設計圧力（例えば、従来のＰＷＲの場合、３２０℃において２２００ｐｓｉａ）未満の圧力において核分裂ガスが集積することを可能にするようにサイズ決めされる。

【0040】

第１の距離は、スウェリングする前の初期構成におけるクラッディング１２の細長い壁１８と燃料の細長い表面２０／１２０との間の間隙３２を画定する。第１の距離の間隙３２は、使用の前に燃料がクラッディング内に挿入されることを可能にするのに十分なものであり、典型的には０．０７ｍｍである。

【0041】

ＳｉＣクラッディング１２は短い放射時間の後に外方に膨らむので、様々な態様において、クラッディングの細長い壁１８は、放射中の変位に適応し、局部応力の蓄積を軽減するために、燃料セグメントに向かって凹形状に、内方に事前に湾曲され得る。局部応力の蓄積は、燃料セグメントの初期膨張が張力よりもむしろ圧縮力をクラッディングに加えるために起こる。初期構成としての凹状湾曲は、ＳｉＣスウェリング勾配に由来する応力の蓄積を軽減する。さらに、又は代替的に、燃料は、短軸４４の方向における応力を最小限に抑えるために、凹状に成形され得る。

【0042】

図３を参照すると、燃料要素２００の代替的な初期構成が、破線で示されており、スウェリング後の構成が、実線で示されている。様々な態様では、燃料要素２００は、初期構成において凹状に成形された細長い表面２２０を有する燃料セグメント２１４を含み、細長い表面２２０は、凸状の表面２２０’にスウェリングする。燃料要素２１４は、平坦な又は湾曲した端面２２２を有し、この端面２２２は、膨張時に平坦な表面２２２’へと外方にスウェリングする。クラッディング２１２は、燃料要素１０におけるような直線的な平坦な壁を有するか、又は、初期凹状構成（破線）を有する細長い壁２１８を含むことができ、初期凹状構成は、壁２１８をより平坦な細長い壁２１８’構成（実線）に移動させるようにスウェリングして、クラッディング２１２に全体的に矩形の形状を与える。壁２１８はまた、凸形状へと外方に膨張されてよく、その場合、最終形状は、レンズ形状とされ、直線的ではない。図３は、クラッディングと燃料要素の両方を、初期の凹状に成形された構成で示す。しかし、燃料要素２１４は、図１と図２に示されたようなクラッディング１２内に燃料要素の頂部を通して挿入され得る。

【0043】

燃料要素１０、１００と同様に、より小さな間隙２３２が、初期構成におけるクラッディングの細長い壁２１８と燃料セグメントの細長い表面２２０との間に設けられる。スウェリングすると、燃料要素の細長い凹状表面２２０がＹ方向に膨張して細長い凸状表面２２０’になるので、間隙２３２は、横軸４４に沿った壁２１８’と表面２２０’との間の接触領域２３０において閉じる。初期構成では、クラッディング２１４の各端壁１６と燃料セグメント２１４の対向する端面２２２との間に、より大きな間隙２３４が設けられる。スウェリングすると、燃料要素２１４がＸ方向において長手軸４０に沿って膨張するので、各端部上のより大きな端部間隙２３４は、より小さいが依然として存在する間隙２３４’へと閉じる。クラッディング壁２１８の中心は、燃料セグメント２１４の（軸４４から端壁１６への方向における）幅に起因する軸４４に沿ったＹ方向への大きな変位に耐えることができる。この形状は、端部間隙２３４に向かう燃料２１４の側方膨張を促進し、かつ、燃料装填量を最大限に高める。端部間隙２３４には燃料が存在しないので、ＳｉＣクラッディング２１２は、端壁１６において、熱伝達及び燃料温度に影響を及ぼすことなく厚くされかつ強化され得る。

【0044】

ＳｉＣクラッディングは、好ましくは、その関連部分が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第６，２４６，７４０号、第５，３９１，４２８号、第５，３３８，５７６号、及び第５，１８２，０７７号と、米国特許出願公開第２００６／００３９５２４号、第２００７／０１８９９５２号、及び第２０１５／００７８５０５号と、での教示のように、ＳｉＣモノリス、ＳｉＣ繊維、又はそれら２つの組み合わせなどの材料で作られ得る。様々な態様では、セラミック糸は、ＳｉＣ繊維から形成される。ＳｉＣ繊維は、好ましくは、ＳｉとＣを主に含み、かつ微量の又は比較的少量のＯを含むＳｉＣ繊維であり得る。例示的な量は、
Ｓｉ：重量で５０％から７０％（より好ましくは６８％から７０％）
Ｃ：重量で３０％から４０％（より好ましくは３０％から３２％）
Ｏ：重量で０．０１％から１４％（より好ましくは０．０１％から０．５％）
を含み得る。ＳｉＣ繊維クラッディングは、トウ１つ当たり５００本から５０００本の間の繊維と１００ミクロンから６００ミクロンの間の厚さとを有する繊維トウの形態のＳｉＣを利用するであろう。

【0045】

燃料セグメント１０、１００、又は２００で使用される燃料は、これらに限定されないが、ＵＯ_２、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びウラニウム合金と他の酸化物燃料などのエネルギー生産のための商業用原子炉で使用するための知られた核分裂性物質から選択され得る。本明細書において説明される燃料要素設計は、任意の適切な知られた燃料に適応することができるが、これまでＳｉＣクラッディングとともに使用するのに不適当であったＵＯ_２に、特に有用である。

【0046】

図４Ｄに示されるように、燃料セグメントが１つの単体である実施形態における燃料セグメント１４（又は、１１４若しくは２１４）が、細長いクラッディング１２カラム内に挿入されるか、又は図４Ａに示されるように、複数の燃料セグメント１４が、細長いクラッディング１２カラム内に上下に積み重ねられる。どちらの場合にも、燃料セグメント１４、１１４、又は２１４は、垂直軸（軸４０、４４に対して直交するＺ方向に延びる軸）並びに横軸４４（クラッディング１２とペレット１４の幅に沿っており、クラッディング１２とペレット１４の中央を通って延びる軸）に沿って概ね中心に置かれる。複数の燃料要素１０、１００、又は２００が、図５Ａ～Ｃに示されるように、原子炉の炉心において燃料組立体５０に挿入される。

【0047】

上記のように、炭化ケイ素は、非常に有望な事故耐性燃料クラッディングであるが、従来の棒型燃料においてＳｉＣを実装することには、本明細書において説明される燃料要素構成が克服する課題が存在した。円筒形の棒型クラッディングの過度の歪みを防止するために、円筒棒クラッディングと円筒形燃料ペレットとの間に均一な環状間隙が存在し、この環状間隙は、典型的には６カ月を超える反応炉内でのある程度の時間後に径方向にスウェリングする燃料に適応するために、十分な大きさでなければならない。ＳｉＣクラッディングが燃料寿命サイクルの初めにスウェリングするときに、それはクラッディングをさらに膨張させて、初期の環状間隙を増大させる。寿命サイクルの初めに、燃料は収縮する。核分裂性内容物は、寿命の初めにその最高の状態にあるので、燃料ペレットは、その時点で最も多くの熱を生成し、また、初期に収縮するペレットとスウェリングするクラッディングと相まって、拡大する初期の間隙は、燃料ペレット中心線温度が寿命の早期にその融点を超える危険性を提示する。燃料サイクルが進行するにつれて、ペレットは収縮を停止して、元のウラニウム燃料よりも密度が低い核分裂生成物の蓄積により、膨張し始める。クラッディングのスウェリングは、寿命の早期に停止するので、膨張するペレットは、ＳｉＣクラッディングに接触してそれを破壊する可能性を有する。ＵＯ_２などの燃料は、熱伝導性があまり良くないので、より幅広の間隙は、低出力で稼働することを反応炉に求めることにより、エネルギー生産に悪影響を及ぼす。

【0048】

本明細書において示される実施形態では、燃料－クラッディング間隙は最小化され、それにより、過渡中の中心温度の上昇が最小限に抑えられ、また、燃料中の蓄積エネルギーが減少される。さらに、本明細書において説明される燃料要素１０、１００、２００は、さもなければ従来の棒型の構成におけるクラッディングに対して及ぼされる力と、結果として生じる高度の歪みとによる機械的な破損に見舞われることなく、燃料の熱膨張とスウェリングに適応するための機構を、クラッディング１２に提供する。

【0049】

クラッディング１２は、横方向に（Ｙ方向における軸４４の方向に）移動する自由を有しており、細長いクラッディングの幅（軸４４から各端壁１６までの距離）にわたる大きな広がりにより燃料１４／１１４／２１４からかなりの範囲まで歪みに耐えることができるので、本明細書において説明される、間隙３４、２３４を有する細長い形状の燃料１４、１１４、２１４と、細長いＳｉＣクラッディング１２は、スウェリングした燃料とクラッディングの細長い壁１８との間の接触に適応することができる。本明細書において説明される細長い燃料設計はまた、（２つの端壁１６上の端部間隙３４の長さに依存する）接触下においてクラッディング１２のより長い壁１８内の燃料セグメント１４／１１４／２１４に（Ｘ方向における軸４０の方向に）より多くの膨張を提供する。図１、２、３にそれぞれ示される燃料要素１０、１００、２００の様々な実施形態は、燃料温度を著しく低下させ、したがって過渡中のクラッディングに対する接触荷重を減少させる可能性を有する。クラッディングと燃料との間の全体的な間隙は最小化され得るので、本明細書において説明される細長い設計は、より多くの燃料を装填して燃料サイクル費を改善する可能性を有する。

【0050】

要約すると、燃料要素１０、１００、２００は、以下の便益を提供する：
１．円筒形燃料棒と比較して、燃料とクラッディングとの間のより小さな間隙又は直接接触による改善された熱伝達、
２．将来の燃料のスウェリングに適応するための過度の初期間隙がないことに起因する反応炉容積当たりのより大きな燃料体積、
３．より少ない核分裂ガス放出とスウェリングをもたらす、より小さな間隙に起因するより低い燃料温度、
４．クラッディングの面のより大きなスパンに起因する過渡中のクラッディングの局部的な変形におけるより少ない歪み、
５．燃料とクラッディングとの間の強い接触中の減少された引張り応力、
６．クラッディング表面の長い壁は、局部応力の蓄積をさらに軽減するために、事前に湾曲されてよく、又は、燃料は、凸状に成形され得る、
７．事故耐性特徴上の熱伝導性を高めるための添加物と追加の製造費を伴わずに、ＵＯ_２燃料を使用することを可能にする、
８．Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びＵ合金などの他の革新的な燃料物質によって動作する、
９．凹状設計の場合、密封性のための外側層における圧縮応力を確保するために、接触圧力が、特に端部において曲げ応力に変換される。

【0051】

本明細書において説明される燃料要素１０、１００、２００は、クラッディングと燃料との間に最小限の初期間隙を有して、ＵＯ_２燃料とともにＳｉＣクラッディングを利用することができる。燃料要素１０／１００／２００の端部上の間隙３４／２３４は、核分裂ガスと長軸４０に沿った燃料セグメント１４／１１４／２１４の膨張とのための体積を提供し、それにより、燃料セグメント１４／１１４／２１４とクラッディング１２とが接触しているときに、棒設計と比較して、クラッディング１２に対する応力が減少する。特定の態様では、ＳｉＣクラッディングの細長い側壁１８は、ＳｉＣスウェリング勾配に由来する応力の蓄積を軽減するために、事前に湾曲されてよく、及び／又は、燃料は、短軸４４の方向における応力を最小限に抑えるために、凸状に又は凹状に成形されてよい。

【0052】

本明細書において説明される燃料要素１０、１００、及び２００は、ＳｉＣクラッディングにおける応力の蓄積を著しく減少させ、燃料－クラッディング機械的相互作用に由来するＳｉＣの機械的な破損を軽減することができる。燃料要素１０、１００、２００は、軽水炉におけるＵＯ_２とのＳｉＣクラッディングの適合性を可能にし、また、Ｕ_３Ｓｉ_２、ＵＮ、及びウラニウム合金などの他の高熱伝導性燃料とともに動作する。

【0053】

本発明は、いくつかの実施例に従って記載されており、これらの実施例は、限定的ではなく、全ての局面において例示的であることが意図される。したがって、本発明は、詳細な実施において多くの変形が可能であり、それらは、当業者によって本明細書に含まれる説明から導き出すことができる。

【0054】

本明細書で言及される全ての特許、特許出願、刊行物、又は他の開示材料は、それぞれの個々の参考文献がそれぞれ参照により明確に組み込まれているかのように、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。参照によって本明細書に組み込まれると言われる全ての参照、及び任意の材料、又はその一部は、組み込まれる材料が、本開示で説明される既存の定義、ステートメント、又は他の開示材料と矛盾しない範囲でのみ本明細書に組み込まれる。したがって、必要な範囲で、本明細書に記載される開示は、参照により本明細書に組み込まれる任意の矛盾する材料、及び本出願の制御に明示的に記載される開示に取って代わる。

【0055】

本発明は、様々な例示的かつ例示的な実施形態を参照して説明されてきた。本明細書に記載された実施形態は、開示された発明の様々な実施形態の様々な詳細の例示的な特徴を提供するものとして理解され、したがって、特に指定されない限り、可能な範囲で、開示された実施形態の１つ又は複数の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、及び／又は態様は、開示された発明の範囲から逸脱することなく、開示された実施形態の１つ又は複数の他の特徴、要素、構成要素、構成要素、成分、構造、モジュール、及び／又は態様と組み合わされ、分離され、交換され、及び／又は再配置され得ることを理解されたい。したがって、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態のいずれかの様々な置換、修正、又は組み合わせを行うことができることが、当業者には理解されよう。さらに、当業者は、本明細書を検討する際に、本明細書に記載される本発明の様々な実施形態と同等の多くを認識するか、又は日常的な実験のみを使用して確かめることができるであろう。したがって、本発明は、様々な実施形態の説明によって限定されず、むしろ特許請求の範囲によって限定される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5A】

【図5B】

【図5C】