特表 2023-552753 マイクロ原子炉で使用するベリリウム系（Ｂｅ、ＢｅＯまたはＢｅ２Ｃ）スリーブに取り囲まれた燃料ペレット／コンパクト

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-19

(54)【発明の名称】マイクロ原子炉で使用するベリリウム系（Ｂｅ、ＢｅＯまたはＢｅ２Ｃ）スリーブに取り囲まれた燃料ペレット／コンパクト

(51)【国際特許分類】

   G21C 5/00 20060101AFI20231212BHJP

   G21C 15/257 20060101ALI20231212BHJP

   G21C 3/07 20060101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

G21C5/00 A

G21C5/00 C

G21C15/257

G21C3/07

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023533322

(86)(22)【出願日】2021-11-30

(85)【翻訳文提出日】2023-07-16

(86)【国際出願番号】 US2021072638

(87)【国際公開番号】W WO2022120331

(87)【国際公開日】2022-06-09

(31)【優先権主張番号】17/108,602

(32)【優先日】2020-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】501010395

【氏名又は名称】ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー

(74)【代理人】

【識別番号】100091568

【弁理士】

【氏名又は名称】市位 嘉宏

(72)【発明者】

【氏名】レビンスキー、アレックス

(57)【要約】

ある態様において、原子炉ユニットセル（２０２）を開示する。当該原子炉ユニットセルは、黒鉛減速材構造体（２０４）と、当該黒鉛減速材構造体内に配置されたヒートパイプ（２０８）と、当該黒鉛減速材構造体内に配置された燃料集合体（２１０）とを含む。当該燃料集合体は、酸化ベリリウム製スリーブ（２１２）と、当該酸化ベリリウム製スリーブ内に配置された原子燃料（２１４）とを備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

黒鉛減速材構造体と、
当該黒鉛減速材構造体内に配置されたヒートパイプと、
当該黒鉛減速材構造体内に配置された燃料集合体と
を備える原子炉ユニットセルであって、当該燃料集合体は、
酸化ベリリウム製スリーブと、
当該酸化ベリリウム製スリーブ内に配置された原子燃料と
を備えることを特徴とする原子炉ユニットセル。

【請求項2】

前記燃料集合体が、前記酸化ベリリウム製スリーブ内に配置された複数の酸化ベリリウムペレットをさらに含む、請求項１の原子炉ユニットセル。

【請求項3】

前記燃料集合体が、前記酸化ベリリウム製スリーブと結合可能な端部キャップをさらに備え、前記酸化ベリリウムペレットが当該端部キャップと前記原子燃料との間に配置される、請求項２の原子炉ユニットセル。

【請求項4】

前記原子燃料と前記酸化ベリリウム製スリーブとの間に半径方向の隙間が画定されている、請求項１の原子炉ユニットセル。

【請求項5】

前記半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、請求項４の原子炉ユニットセル。

【請求項6】

前記半径方向の隙間が約０．００７ｃｍ～約０．０１ｃｍの範囲である、請求項４の原子炉ユニットセル。

【請求項7】

前記燃料集合体と前記黒鉛減速材構造体との間に半径方向の隙間が画定されている、請求項１の原子炉ユニットセル。

【請求項8】

前記半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、請求項７の原子炉ユニットセル。

【請求項9】

前記半径方向の隙間が約０．１ｃｍ～約０．２ｃｍの範囲である、請求項７の原子炉ユニットセル。

【請求項10】

前記酸化ベリリウム製スリーブが、約０．１５ｃｍ～約０．４ｃｍの範囲の壁厚を有する、請求項１の原子炉ユニットセル。

【請求項11】

前記原子燃料がＴＲＩＳＯ燃料を含む、請求項１の原子炉ユニットセル。

【請求項12】

黒鉛減速材基材と、
当該黒鉛減速材基材内に配置されたヒートパイプと、
当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体と
を備える原子炉ユニットセルであって、当該複数の燃料集合体が当該ヒートパイプを取り囲み、当該複数の燃料集合体のうちの少なくとも１つの燃料集合体が、
ベリリウム系材料で構成されたスリーブと、
当該スリーブ内に配置された原子燃料と
を備えることを特徴とする原子炉ユニットセル。

【請求項13】

前記少なくとも１つの燃料集合体が、ベリリウム系材料で構成された複数のペレットをさらに含み、当該ペレットが前記スリーブ内に配置されている、請求項１２の原子炉ユニットセル。

【請求項14】

前記少なくとも１つの燃料集合体が、前記スリーブと結合可能な端部キャップをさらに備え、前記ペレットが当該端部キャップと前記原子燃料との間に配置されている、請求項１３の原子炉ユニットセル。

【請求項15】

前記スリーブと前記黒鉛減速材基材との間に第１の半径方向の隙間が画定され、且つ前記原子燃料と前記スリーブとの間に第２の半径方向の隙間が画定されており、当該第１の半径方向の隙間が当該第２の半径方向の隙間とは異なる、請求項１２の原子炉ユニットセル。

【請求項16】

前記第１の半径方向の隙間が約０．１ｃｍ～約０．２ｃｍの範囲であり、前記第２の半径方向の隙間が約０．００７ｃｍ～約０．１ｃｍの範囲である、請求項１５の原子炉ユニットセル。

【請求項17】

前記第１の半径方向の隙間および前記第２の半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、請求項１５の原子炉ユニットセル。

【請求項18】

複数の原子炉ユニットセルを備える原子炉炉心であって、
当該原子炉ユニットセルの少なくとも１つは、
黒鉛減速材基材と、
当該黒鉛減速材基材内に配置された複数のヒートパイプと、
当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体と
を備え、当該複数の燃料集合体の少なくとも１体は、原子燃料を収容するように構成された酸化ベリリウム製スリーブを備えることを特徴とする原子炉炉心。

【請求項19】

前記少なくとも１体の燃料集合体と前記黒鉛減速材基材との間に半径方向の隙間が画定されている、請求項１８の原子炉炉心。

【請求項20】

前記酸化ベリリウム製スリーブが、約０．１５ｃｍ～約０．４ｃｍの範囲の壁厚を有する、請求項１８の原子炉炉心。

【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、参照によりその全体が組み込まれる、２０２０年１２月１日に出願された「ＦＵＥＬＰＥＬＬＥＴＳ／ＣＯＭＰＡＣＴＳ ＳＵＲＲＯＵＮＤＥＤ ＢＹ ＢＥＲＹＬＩＵＭ－ＢＡＳＥＤ（Ｂｅ ｏｒ ＢｅＯ ｏｒ Ｂｅ_２Ｃ）ＳＬＥＥＶＥＦＯＲ ＵＳＥ ＩＮ Ａ ＭＩＣＲＯ－ＲＥＡＣＴＯＲ」と題する米国非仮特許出願第１７／１０８，６０２号に基づく優先権を主張する。
政府支援

【0002】

本発明は、エネルギー省との契約第ＤＥ－ＮＥ０００８８５３号に基づく政府支援の下でなされたものである。米国政府は、本発明に対して一定の権利を有している。

【0003】

本発明は概して、小型モジュール炉（ＳＭＲ）やマイクロ原子炉などの原子炉に関する。

【背景技術】

【0004】

電力市場は、集中型と分散型に分けることができる。集中型市場は、大型発電機（数百ＭＷｅ規模）と大容量・高密度の送配電網を基盤としている。一方、分散型または送電網外の市場は、通常、小規模な地域配電網またはマイクログリッドに接続された小型発電機（１５ＭＷｅ未満）に依存している。現在、分散型市場の例として、遠隔地にある移動住宅のコミュニティ、遠隔地の鉱山、軍事基地、島嶼の地域社会などが挙げられる。現在、送電網外市場の電力は、主にディーゼル発電機で供給されている。このことは、電気料金の高騰、化石燃料への依存、負荷の制限、複雑な燃料供給ロジスティックス、インフラの老朽化などの原因となっている。送電網外市場に求められる厳しい要件として、手頃な価格、信頼性、柔軟性、回復力、持続可能性（クリーンエネルギー）、エネルギーセキュリティ、迅速な設置、最小限の保守作業などがある。これらの要件は全て、原子力エネルギーで対処することが可能である。

【0005】

マイクロ原子炉は、発電能力が１０ＭＷｅ未満で、遠隔地に適用可能な原子炉である。マイクロ原子炉は、比較的小型の容器に収めることが可能であり、人員の積極的な関与なしに運転でき、従来の原子力発電所よりも長期間にわたって燃料の補給・交換なしに運転することができる。

【0006】

そのようなマイクロ原子炉のひとつが、ウェスチングハウス・エレクトリック・カンパニーが設計したｅＶｉｎｃｉマイクロ原子炉システムである。マイクロ原子炉は、比較的小型の容器に収めることが可能であり、人員の積極的な関与なしに運転でき、従来の原子力発電所よりも長期間にわたって燃料の補給・交換なしに運転することができる。マイクロ原子炉の別の例が、「ＨＩＧＨＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＨＹＤＲＩＤＥ ＭＯＤＥＲＡＴＯＲ ＥＮＡＢＬＩＮＧ ＣＯＭＰＡＣＴ ＡＮＤ ＨＩＧＨＥＲ ＰＯＷＥＲ ＤＥＮＳＩＴＹ ＣＯＲＥＳ ＩＮＮＵＣＬＥＡＲ ＭＩＣＲＯ－ＲＥＡＣＴＯＲＳ」と題する共有の米国仮特許出願第６２／９８４，５９１号、ならびに「ＭＯＢＩＬＥ ＨＥＡＴ ＰＩＰＥ ＣＯＯＬＥＤ ＦＡＳＴＲＥＡＣＴＯＲ ＳＹＳＴＥＭ」と題する米国特許出願第１４／７７３，４０５号（米国特許出願公開第２０１６／００２７５３６号として公開）に記述されており、両出願ともその全体が参照により本願に組み込まれる。

【0007】

図１は、例示的なマイクロ原子炉１００の断面図である。マイクロ原子炉１００には、燃料、減速材チャンネル、ヒートパイプ、および反応度制御チャンネル（運転停止棒）を収容する炉心１０２を含めることができる。燃料は炉心１０２に封入することができる。またヒートパイプは、燃料により発生した熱を抽出できるように、炉心１０２の外側でマイクロ原子炉１００の二次側まで延ばすことができる。

【0008】

一態様において、炉心１０２は、軸方向反射体と半径方向反射体によって囲まれる。図１に示すように、半径方向反射体１１８には、６つの反応度制御ドラム１０６を埋め込むことができる。他の様々な実施形態において、炉心１０２は、６を超える個数の制御ドラム１０６（例えば１２個の制御ドラム１０６）で囲まれる。制御ドラム１０６の各々には、反射部１０８と吸収部１１０を含めることができる。使用時に制御ドラム１０６は、制御ドラムの反射部１０８がモノリス型炉心１０２に面して炉心内の反応度を高める反射位置と、吸収部１１０が炉心１０２に面して炉心内の反応度を低下させる吸収位置との間で、回転することが可能である。これらの反射体は複数のハウジング内に収容することができ、当該複数のハウジングには、構造容器１１２、中性子吸収材容器１２２、および炭化ホウ素（ガンマ線・中性子遮蔽体）１１４を含めることができる。また、中性子吸収材容器１２２と炭化ホウ素遮蔽体１１４の間には、遮蔽体冷却とガンマ線遮蔽のために空隙１１６を設けることができる。これらの構成要素は全て、外側の構造キャニスター１２０の内部に配置してよい。

【0009】

技術上、業務上の観点から、炉心は複数の基準を満たすことが要求される。そのような基準の１つは、炉心が中性子に対して可撓性があり、様々な減速材を組み合わせて使用することが可能なことである。かかる減速材の例として、完全な黒鉛減速材や、参照によりその全体が本願に組み込まれる２０２０年１０月２６日出願の「ＥＮＨＡＮＣＥＤＧＲＡＰＨＩＴＥ ＮＥＵＴＲＯＮ ＲＥＦＬＥＣＴＯＲ ＷＩＴＨ ＢＥＲＹＬＬＩＵＭ ＯＸＩＤＥ ＩＮＣＬＵＳＩＯＮＳ」と題する共有の米国特許出願第１７／０８０，２４１号に記述された酸化ベリリウム（ＢｅＯ）減速材ピンを有する黒鉛減速材や、ＹＨ_ｘまたはＺｒＨ_ｘ減速材ピンを有する黒鉛減速材が挙げられる。また別の基準として、例えば、ヒートパイプが故障したときの熱除去量の低下を勘案した弾力性を有するなど、熱機械的な観点で炉心が自立していることが挙げられる。別の基準は、炉心が、利用可能な製造能力をサポートできることである。別の基準は、炉心が、制御ドラムのような半径方向反射体など他の炉心構成部品と一体化し、初期形状を維持したまま１ユニットとして輸送できるコンパクトな形態であることである。もう１つの基準は、炉心が可搬型、定置型、移動型の原子炉に使用できることである。

【0010】

上記の条件を満たすことに加え、用途によってはさらにコンパクトな炉心が必要となる。それと同時に、燃料の取り扱いや原子炉組み立ての簡略化も求められる。

【0011】

上記の事項に加え、一部の原子炉では、三重被覆（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子を使用する。ＴＲＩＳＯ燃料を使用する場合、複数の金属同位体がヒートパイプから拡散過程を経て移動するが、その移動からＴＲＩＳＯ燃料を保護することについて、懸念がある。そのような同位体、特にニッケルは、ＴＲＩＳＯ粒子中の炭化ケイ素層を損ない、それによりＴＲＩＳＯ核から核分裂生成物およびガスが放出されるおそれがある。原子炉の設計を考える上で、上記の炉心設計の基準に加えて、燃料の量とそれに伴うコストの最小化が非常に重要である。

【0012】

したがって、上記の技術的な問題や要件の全てではないにしても一部を解決するのに役立ち、かつ開発されたユニットセルと炉心設計を保全できるような炉心改造を特定することが求められる。

【発明の概要】

【0013】

様々な実施形態において、黒鉛減速材構造体と、当該黒鉛減速材構造体内に配置されたヒートパイプと、当該黒鉛減速材構造体内に配置された燃料集合体とを含む原子炉ユニットセルが開示されている。当該燃料集合体は、酸化ベリリウム製スリーブと、当該酸化ベリリウム製スリーブ内に配置された原子燃料とを備える。

【0014】

様々な実施形態において、黒鉛減速材基材と、当該黒鉛減速材基材内に配置されたヒートパイプと、当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体とを含む原子炉ユニットセルが開示されている。当該複数の燃料集合体は、ヒートパイプを取り囲んでいる。当該複数の燃料集合体のうちの少なくとも１体は、ベリリウム系材料で構成されたスリーブと、当該スリーブ内に配置された原子燃料とを備える。

【0015】

様々な実施形態において、複数の原子炉ユニットセルを含む原子炉炉心が開示されている。少なくとも１つの原子炉ユニットセルは、黒鉛減速材基材と、当該黒鉛減速材基材内に配置されたヒートパイプと、当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体とを備える。当該複数の燃料集合体のうち少なくとも１体は、原子燃料を収容するように構成された酸化ベリリウム製スリーブを備える。

【図面の簡単な説明】

【0016】

本願に記載する実施形態の様々な特徴とその利点を、下記の添付図面を参照して以下に説明する。

【0017】

図１は、例示的なマイクロ原子炉を示す。

【0018】

図２は、本開示の少なくとも１つの態様による、機能強化された炉心の複数の原子炉ユニットセルを示す。

【0019】

図３は、本開示の少なくとも１つの態様による、原子燃料を収容するスリーブの側面図である。

【0020】

同一の参照符号は、いくつかの図面を通して対応する部品を指している。本願に記載された実施例は、本発明の様々な実施形態の一形態を示すものであり、かかる例示は、いかなる様式においても本発明の範囲を限定的に解釈するものではない。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本願に記載され、添付の図面に例示されているような実施形態の全体的構造、機能、製造、および使用について綿密に理解できるよう、数多くの具体的な詳細事項を記載する。本願に記載された実施形態が不明瞭なものとならないようにするため、よく知られた操作、構成部品、および要素については詳述しない。読者においては、本願で説明および図示する実施形態が非限定的な例であり、したがって、本願で開示する特定の構造および機能の詳細が代表的かつ例示的であり得ることを理解されたい。これらの実施形態は、本願の特許請求の範囲から逸脱することがなければ、変形・変更される可能性がある。

【0022】

ここで、本開示の少なくとも１つの態様による、機能強化された炉心２００の一部を示す図２を参照する。炉心２００には、炉心２００内で互いに隣接して配置された複数の原子炉ユニットセル２０２を含めることが可能である。ある態様において、原子炉ユニットセル２０２は、参照により本願に組み込まれる米国仮特許出願第６２／９８４，５９１号に記載の原子炉炉心ブロックに類似したものでもよい。説明のため５つの原子炉ユニットセル２０２を示しているが、炉心２００内に任意の数の原子炉ユニットセル２０２を含めることが可能であることを理解されたい。

【0023】

様々な実施形態において、原子炉ユニットセル２０２の各々は黒鉛減速材構造体（基材）２０４を含んでよい。ある態様において、黒鉛減速材構造体２０４は単体構造であってもよい。別の態様では、黒鉛減速材構造体２０４は、複数のより小さな黒鉛支持構造体構成部品を組み合わせて形成されたものであってもよい。黒鉛減速材構造体２０４は、以下に詳述するように、複数のヒートパイプ２０８および複数の燃料集合体２１０を収容できるサイズの複数のチャネル２０６を画定することができる。図２は、チャネル２０６、ヒートパイプ２０８、および燃料集合体２１０のうちの一部のみを示している。

【0024】

図２に示すように、黒鉛支持構造体２０４のチャネル２０６は、１つのヒートパイプ２０８を複数の燃料集合体２１０が取り囲むように配置することができる。一例として、図２に示すように、１つのヒートパイプ２０８を６つの燃料集合体２１０が取り囲むようにチャネル２０６を配置することができる。他の実施形態として、１つのヒートパイプ２０８を６体を超える燃料集合体２１０（例えば８、１０、または１２体の燃料集合体２１０）が取り囲む構成が想定される。他の例示的な実施形態として、１つのヒートパイプ２０８を６体未満の燃料集合体２１０（例えば５、４、または３体の燃料集合体２１０)が取り囲む構成が想定される。ある例示的な実施形態では、図２に示すように、原子炉ユニットセルあたりの燃料集合体２１０の数とヒートパイプ２０８の数の比を、２４：７とすることができる。他の例示的な実施形態として、燃料集合体２１０の数とヒートパイプ２０８の数の比が２４：７よりも大きく、例えば約４：１、５：１、６：１、または７：１であるものが想定される。他の例示的な実施形態として、燃料集合体２１０の数とヒートパイプ２０８の数の比が２４：７よりも小さく、例えば約３：１、２．５：１、または２：１であるものが想定される。複数のヒートパイプ２０８を複数の燃料集合体２１０が取り囲むようにチャネル２０６が配置される、例示的な実施形態も想定される。

【0025】

ここで図２および図３を参照すると、燃料集合体２１０の各々には、黒鉛減速材構造体２０４によって画定されたチャネル２０６内に配置できる円筒形スリーブ２１２を含めることが可能である。さらに、燃料集合体２１０の各々には、スリーブ２１２内に配置された原子燃料２１４を含めることが可能である。様々な実施形態において、スリーブ２１２の少なくとも一部がチャネル２０６によって半径方向に取り囲まれ、スリーブ２１２の別の部分がチャネル２０６によって半径方向に取り囲まれることがないように、スリーブ２１２がチャネル２０６内に配置される。換言すると、スリーブ２１２の少なくとも一部分が黒鉛支持構造体２０４内で半径方向に取り囲まれ、スリーブ２１２の別の部分が黒鉛支持構造体２０４の外に延びるように、スリーブ２１２をチャネル２０６内に配置することができる。図３に示すような他の様々な実施形態では、スリーブ２１２がチャネル２０６によって完全に半径方向に取り囲まれるように、スリーブ２１２をチャネル２０６内に配置することができる。

【0026】

様々な実施形態において、スリーブ２１２は、例えば酸化ベリリウム（ＢｅＯ）や炭化ベリリウム（Ｂｅ_２Ｃ）のようなベリリウム系材料で構成することができる。ベリリウム系スリーブ２１２を原子燃料２１４の周囲に配置することは、中性子工学の観点で非常に有益である。例えば、ベリリウム系材料は、原子燃料２１４に中性子減速の効果を及ぼすだけでなく、約１．８ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ中性子の（ｎ、２ｎ）反応によって反応度に部分的に寄与する。

【0027】

ある態様では、スリーブ２１２の側壁２１６の厚さは、原子燃料２１４にとって必要な減速、ならびに炉心２００内の温度勾配および応力を勘案して定めることができる。いくつかの例示的な実施形態では、側壁２１６の厚さを約０．１５ｃｍ～約０．４ｃｍの範囲とすることができる。側壁２１６の厚さが０．４ｃｍより大きい（例えば０．５ｃｍ、０．６ｃｍ、０．７ｃｍなど）、他の様々な実施形態が想定される。側壁２１６の厚さが０．１５ｃｍより小さい（例えば０．１２５ｃｍ、０．１ｃｍ、０．０７５ｃｍなど）、他の様々な実施形態も想定される。

【0028】

図３に最もよく示されているように、スリーブ２１２の側壁２１６と、スリーブ２１２が収容配置されている黒鉛支持構造体２０４のチャネル２０６の内縁２２０との間に、第１の半径方向の隙間２１８を画定することができる。ある態様では、第１の半径方向の隙間２１８のサイズを、照射下でのベリリウム系材料の膨張と黒鉛の収縮、ならびにベリリウム系材料と黒鉛の相対的な熱膨張を勘案して定めることができる。様々な実施形態において、第１の半径方向の隙間２１８は、約０．１ｃｍ～約０．２ｃｍの範囲としてもよい。第１の半径方向の隙間２１８が０．２ｃｍより大きい（例えば０．２５ｃｍ、０．３ｃｍ、０．４ｃｍなど）、他の様々な実施形態が想定される。第１の半径方向の隙間２１８が０．１ｃｍより小さい（例えば０．７５ｃｍ、０．５ｃｍ、０．２５ｃｍなど）、他の様々な実施形態も想定される。

【0029】

引き続き図２および図３を参照すると、前述のように、燃料集合体２１０には、スリーブ２１２内に配置された原子燃料２１４を含めることが可能である。様々な実施形態において、原子燃料２１４にはＴＲＩＳＯ燃料を含めることが可能である。様々な実施形態において、原子燃料２１４には、例えばＵＮのようなウランベースの燃料など、原子炉で使用可能な他の任意の適切な原子燃料を含めることができる。図３に最もよく示されているように、スリーブ２１２の側壁２１６と原子燃料２１４の半径方向の縁部２２４との間に、第２の半径方向の隙間２２２を画定することができる。ある態様では、第２の半径方向の隙間２２２の大きさを、燃料の取り扱いおよび組み立てプロセス、ならびに照射下での燃料コンパクトの変化を勘案して定めることが可能である。様々な実施形態において、第２の半径方向の隙間２２２は、約０．００７ｃｍ～約０．０１ｃｍの範囲であってよい。第２の半径方向の隙間２２２が０．０１ｃｍより大きい（例えば０．０２ｃｍ、０．０２５ｃｍ、０．０３ｃｍなど）、他の様々な実施形態が想定される。第２の半径方向の隙間２２２が０．００７ｃｍより小さい（例えば０．００６ｃｍ、０．００５ｃｍ、０．００４ｃｍなど）、他の様々な実施形態も想定される。

【0030】

上述のように、第１の半径方向の隙間２１８は、スリーブ２１２の側壁２１６と黒鉛支持構造体２０４のチャネル２１６の内縁２２０との間に画定することができる。同様に上述のように、第２の半径方向の隙間２２２は、スリーブ２１２の側壁２１６と原子燃料２１４の半径方向の縁部２２４との間に画定することができる。ある態様では、第１の半径方向の隙間２１８と第２の半径方向の隙間２２２のサイズの比が、約１０：１から約３０：１の範囲となる場合がある。第１の半径方向の隙間２１８と第２の半径方向の隙間２２２のサイズの比が１０：１より小さい（例えば９：１、７：１、５：１など）、他の様々な実施形態も想定される。第１の半径方向の隙間２１８と第２の半径方向の隙間２２２のサイズの比が３０：１より大きい（例えば３２：１、３５：１、４０：１など）、他の様々な実施形態も想定される。

【0031】

ある態様では、第１の半径方向の隙間２１８および第２の半径方向の隙間２２２を、各隙間の大きさを保つため、および、燃料集合体２１０の外への熱伝達を促進するために、ガスで充填することができる。ある例示的な実施形態においては、第１の半径方向の隙間２１８と第２の半径方向の隙間２２２を、ヘリウムガスで充填することが可能である。第１の半径方向の隙間２１８と第２の半径方向の隙間２２２を、燃料集合体２１０の外への熱伝達を促進できる任意の適切なガスで充填する、他の様々な実施形態も想定される。

【0032】

図３に示すように、燃料集合体２１０には、第１の端部キャップ２２６と第２の端部キャップ２３０をさらに含めることが可能である。第１の端部キャップ２２６と第２の端部キャップ２３０は、それぞれスリーブ２１２の第１の開端部２２８およびスリーブ２１２の第２の開端部２３２と接続することにより、スリーブ２１２内に原子燃料２１４を封入することができる。様々な実施形態において、第１および第２の端部キャップ２２６、２３０を、それぞれ第１および第２の開端部２２８、２３２に圧入して、スリーブ２１２内に原子燃料２１４を封入することができる。様々な実施形態において、第１および第２の端部キャップ２２６、２３０を、それぞれ第１および第２の開端部２２８、２３２に溶接して、スリーブ２１２内に原子燃料２１４を封入することができる。様々な実施形態において、第１および第２の端部キャップ２２６、２３０を、それぞれ第１および第２の開端部２２８、２３２に当てて保持し、ラッチ機構を用いて、スリーブ２１２内に原子燃料２１４を封入することができる。様々な実施形態において、第１および第２のエンドキャップ２２６、２３０を例えばＢｅＯやＢｅ_２Ｃなどのベリリウム系材料で構成することにより、原子燃料２１４に対して軸方向にスリーブ２１２と同様の利点をもたらすことができる。

【0033】

また、燃料集合体２１０には、第１および第２の端部キャップ２２６、２３０と原子燃料２１４の軸方向の縁部２３６との間に配置可能な、軸方向の反射体ペレット２３４をさらに含めることが可能である。ある態様では、軸方向の反射体ペレット２３４を例えばＢｅＯやＢｅ_２Ｃなどのベリリウム系材料で構成することにより、原子燃料２１４に対して軸方向にスリーブ２１２および端部キャップ２２６、２３０と同様の利点をもたらすことができる。

【0034】

本願に記載された上述のベリリウム系スリーブおよびその他の改良は、先行技術に比べて多くの利点をもたらし、原子炉設計および燃料の検討に関連する前述の要件の多くを満たすことがわかっている。従来、ベリリウム系材料は入手困難であり、そのためコストも高いことから、原子炉への応用が検討されることはなかった。また、ベリリウム系材料は、大型発電炉で見られる高い中性子束によって割れや形状変化が生じるため、原子炉への応用が検討されることはなかった。一方、中性子束が低めのマイクロ原子炉のような小型の発電炉には、ベリリウム系材料の使用が適している。

【0035】

先行技術に対する利点の一例として、上述の機能強化により、例えばＴＲＩＳＣＯ燃料などの燃料を約５％～１２％削減できることが判明している。この削減は、燃料の有効長、炉心の長さ、および炉心とその周辺の構成部品の重量の削減につながる。さらに、ヒートパイプの物理的挙動を適切にモデル化した３次元熱機械解析を用いて、上記の機能強化により原子炉システムの許容可能な燃料温度範囲を満たせることも判明している。また、原子力システムの性能は、過渡状態での安全要件も満たしており、特に負の出力反応度係数に適合している。

【0036】

さらに、上述の機能強化により、ヒートパイプや、原子炉計装など原子炉内のその他の金属部品から起こり得る、ニッケルなどの金属同位体の移動からＴＲＩＳＯ燃料などの原子燃料を保護することが可能になる。さらに、ベリリウム系スリーブにより、原子炉の各燃料チャンネル内に配置される原子燃料の「容器」が提供され、原子炉の組み立てが容易となる。他の多くの利点が、上記の開示に照らし、当業者にとって直ちに明白となるであろう。

【0037】

本願に記載された主題の様々な態様を、以下の実施例にて記載する。

【0038】

〔実施例１〕黒鉛減速材構造体と、当該黒鉛減速材構造体の中に配置されたヒートパイプと、当該黒鉛減速材構造体の中に配置された燃料集合体とを備える原子炉ユニットセルであって、当該燃料集合体が、酸化ベリリウム製スリーブと、当該酸化ベリリウム製スリーブの中に配置された原子燃料とを備える原子炉ユニットセル。

【0039】

［実施例２］前記燃料集合体が、前記酸化ベリリウム製スリーブ内に配置された複数の酸化ベリリウムペレットをさらに含む、実施例１の原子炉ユニットセル。

【0040】

〔実施例３〕前記燃料集合体が、前記酸化ベリリウム製スリーブと結合可能な端部キャップをさらに備え、前記酸化ベリリウムペレットが当該端部キャップと前記原子燃料との間に配置される、実施例２の原子炉ユニットセル。

【0041】

〔実施例４〕前記原子燃料と前記酸化ベリリウム製スリーブとの間に半径方向の隙間が画定されている、実施例１～３のいずれか１つの原子炉ユニットセル。

【0042】

〔実施例５〕前記半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、実施例４の原子炉ユニットセル。

【0043】

〔実施例６〕前記半径方向の隙間が約０．００７ｃｍ～約０．０１ｃｍの範囲である、実施例４または５の原子炉ユニットセル。

【0044】

〔実施例７〕前記燃料集合体と前記黒鉛減速材構造体との間に半径方向の隙間が画定されている、実施例１～６のいずれか１つの原子炉ユニットセル。

【0045】

〔実施例８〕前記半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、実施例７の原子炉ユニットセル。

【0046】

〔実施例９〕前記半径方向の隙間が約０．１ｃｍ～約０．２ｃｍの範囲である、実施例７または８の原子炉ユニットセル。

【0047】

〔実施例１０〕前記酸化ベリリウム製スリーブが、約０．１５ｃｍ～約０．４ｃｍの範囲の壁厚を有する、実施例１～９のいずれか１つの原子炉ユニットセル。

【0048】

〔実施例１１〕前記原子燃料がＴＲＩＳＯ燃料を含む、実施例１～１０のいずれか１つの原子炉ユニットセル。

【0049】

〔実施例１２〕黒鉛減速材基材と、当該黒鉛減速材基材内に配置されたヒートパイプと、当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体とを備える原子炉ユニットセルであって、当該複数の燃料集合体が当該ヒートパイプを取り囲み、当該複数の燃料集合体のうちの少なくとも１つの燃料集合体が、ベリリウム系材料で構成されたスリーブと、当該スリーブ内に配置された原子燃料とを備えることを特徴とする原子炉ユニットセル。

【0050】

〔実施例１３〕前記少なくとも１つの燃料集合体が、ベリリウム系材料で構成された複数のペレットをさらに含み、当該ペレットが前記スリーブ内に配置されている、実施例１２の原子炉ユニットセル。

【0051】

〔実施例１４〕前記少なくとも１つの燃料集合体が、前記スリーブと結合可能な端部キャップをさらに備え、前記ペレットが当該端部キャップと前記原子燃料との間に配置される、実施例１３の原子炉ユニットセル。

【0052】

〔実施例１５〕前記スリーブと前記黒鉛減速材基材との間に第１の半径方向の隙間が画定され、且つ前記原子燃料と前記スリーブとの間に第２の半径方向の隙間が画定されており、当該第１の半径方向の隙間が当該第２の半径方向の隙間とは異なる、実施例１２～１４のいずれか１つの原子炉ユニットセル。

【0053】

〔実施例１６〕前記第１の半径方向の隙間が約０．１ｃｍ～約０．２ｃｍの範囲であり、前記第２の半径方向の隙間が約０．００７ｃｍ～約０．１ｃｍの範囲である、実施例１５の原子炉ユニットセル。

【0054】

〔実施例１７〕前記第１の半径方向の隙間および前記第２の半径方向の隙間にヘリウムガスが含まれている、実施例１５または１６の原子炉ユニットセル。

【0055】

〔実施例１８〕複数の原子炉ユニットセルを含む原子炉炉心であって、当該原子炉ユニットセルの少なくとも１つは、黒鉛減速材基材と、当該黒鉛減速材基材内に配置された複数のヒートパイプと、当該黒鉛減速材基材内に配置された複数の燃料集合体とを備え、当該複数の燃料集合体の少なくとも１体は、原子燃料を収容するように構成された酸化ベリリウム製スリーブを備えることを特徴とする原子炉炉心。

【0056】

〔実施例１９〕前記少なくとも１体の燃料集合体と前記黒鉛減速材基材との間に半径方向の隙間が画定されている、実施例１８の原子炉炉心。

【0057】

〔実施例２０〕前記酸化ベリリウム製スリーブが、約０．１５ｃｍ～約０．４ｃｍの範囲の壁厚を有する、実施例１８または１９の原子炉炉心。

【0058】

前述の開示から明らかなように、特に指定がない限り、前述の開示全体を通じて、「処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）」、「コンピュータの使用（ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）」、「計算（ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ）」、「決定（ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ）」、「表示（ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ）」などの用語を用いた議論は、コンピュータシステムまたは同様の電子計算装置の動作およびプロセスを指し、その際に、当該コンピュータシステムのレジスタおよびメモリ内の物理的（電子的）量として表されるデータが、当該コンピュータシステムのメモリまたはレジスタまたは他の情報記憶、伝送、表示装置内の物理的量として同様に表される他のデータに操作・変換されるということが理解される。

【0059】

本願において１つまたは複数の構成要素が、「～に構成される（ｃｏｎｆｉｇｕｒｅｄｔｏ）」、「～に構成可能である（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ ｔｏ）」、「～に操作可能である／操作される（ｏｐｅｒａｂｌｅ／ｏｐｅｒａｔｉｖｅ ｔｏ）」、「適応された／適応可能な（ａｄａｐｔｅｄ／ａｄａｐｔａｂｌｅ）」、「～が可能である（ａｂｌｅｔｏ）」「～に適合可能である／適合した（ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ／ｃｏｎｆｏｒｍｅｄ ｔｏ）」等と称されることがある。当業者であれば、「～に構成される」という表現は、文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、一般的に活動状態の構成要素および／または非活動状態の構成要素および／または待機状態の構成要素を包含し得るということがわかるだろう。

【0060】

通常、本願において、特に添付の特許請求の範囲（例えば添付の特許請求の範囲の本体部）において使用される用語は、一般に「非限定的（ｏｐｅｎ）」な用語として意図されているということが、当業者であればわかるだろう（例えば、用語「含めて（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は「含めるがそれに限定しない」と解釈し、用語「有する（ｈａｖｉｎｇ）」は「少なくとも～を有する」と解釈し、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」は「含むがそれに限定しない」と解釈すべきである等）。さらに当業者は、請求項で導入される記載事項の数が具体的であることが意図される場合、そのような意図は当該請求項において明示的に記載されるものであり、かかる記載がない場合、かかる意図は存在しないものと理解するであろう。例えば、理解の一助として、添付の特許請求の範囲は、請求項の記載事項の導入のために、「少なくとも１つ（ａｔｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」および「１つ以上（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」という導入句を使用する場合がある。しかしながら、そのような句の使用は、「ａ」または「ａｎ」という不定冠詞によって請求項の記載を導入した場合に、たとえ同一の請求項内に「１つ以上の」または「少なくとも１つの」といった導入句と「ａ」または「ａｎ」といった不定冠詞が共に含まれる場合であっても、かかる導入された請求項の記載を含むいかなる特定の請求項も、かかる記載事項を１つだけ含む請求項に限定されることが示唆される、と解釈すべきではない（例えば、「ａ」および／または「ａｎ」は、通常、「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味すると解釈すべきである）。同じことが、定冠詞を用いて請求項の記載を導入する場合にも当てはまる。

【0061】

また、請求項で導入される記載事項の具体的な数が明示的に記載されている場合でも、そのような記載は、少なくとも当該記載された数であるの意味に解釈すべきことが、当業者であればわかるだろう（例えば、他の修飾語を伴わずに「２つの記載事項（ｔｗｏｒｅｃｉｔａｔｉｏｎｓ）」と記載されている場合、少なくとも２つの記載事項または２つ以上の記載事項という意味である）。さらに、「Ａ、Ｂ、およびＣなどの少なくとも１つ」に類似する慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢの両方、ＡとＣの両方、ＢとＣの両方、ならびに／またはＡとＢとＣの全てなどを有するシステムを含むが、それらに限定されない）。さらに、「Ａ、Ｂ、またはＣなどの少なくとも１つ」に類似する慣例表現が使用されている事例では、通常、そのような構文は、当業者がその慣例表現を理解するであろう意味で意図されている（例えば、「Ａ、Ｂ、またはＣの少なくとも１つを有するシステム」は、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡとＢの両方、ＡとＣの両方、ＢとＣの両方、ならびに／またはＡとＢとＣの全てなど有するシステムを含むが、それらに限定されない）。一般的に、２つ以上の選択的な用語を表す選言的な語および／または句は、明細書、特許請求の範囲、または図面のどこにあっても、文脈上他の意味で解釈すべき場合を除き、当該用語のうちの１つ、当該用語のいずれか、または当該用語の両方を含む可能性を企図するということを理解すべきであることも、当業者であればわかるであろう。例えば、句「ＡまたはＢ」は、一般的に「Ａ」、「Ｂ」、または「ＡおよびＢ」の可能性を含むものと理解されよう。

【0062】

添付の特許請求の範囲に関して、当業者であれば、そこに記載された動作は一般的に任意の順序で実行され得ることを理解するであろう。また、様々な動作のフロー図はある順序で示されているが、様々な動作は、図示されている順序とは別の順序で実行されてもよいし、同時に実行されてもよいということを理解すべきである。そのような代替の順序付けの例として、文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、重複した、挿入した、中断した、再順序付けした、増加した、予備的な、追加的な、同時発生の、逆の、またはその他様々な順序付けを含めてもよい。さらに、「～に応答する（ｒｅｓｐｏｎｓｉｖｅｔｏ）」、「～に関連する（ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ）」といった用語や他の過去時制の形容詞は、文脈上他の意味に解釈すべき場合を除き、一般にかかる変化形を除外することが意図されるものではない。

【0063】

「ある態様（ｏｎｅ ａｓｐｅｃｔ）」、「１つの態様（ａｎ ａｓｐｅｃｔ）」、「１つの実施例（ａｎ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、「ある実施例（ｏｎｅ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」などへの参照は、その態様に関連して記載される特定の特徴物、構造、または特性が少なくとも１つの態様に含まれることを意味することは、特記に値する。したがって、本願の全体を通じて様々な箇所に見られる句「ある態様では（ｉｎ ｏｎｅ ａｓｐｅｃｔ）」、「１つの態様では（ｉｎ ａｎ ａｓｐｅｃｔ）」、「１つの実施例では（ｉｎ ａｎ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」、および「ある実施例では（ｉｎ ｏｎｅ ｅｘｅｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）」は、必ずしも全てが同じ態様を指すものではない。さらに、特定の特徴物、構造、または特性は、１つ以上の態様において任意の適当な方式で組み合わせることができる。

【0064】

本願で参照され、かつ／または任意の出願データシートに列挙される任意の特許出願、特許、非特許刊行物、または他の開示資料は、組み込まれる資料が本願と矛盾しない範囲で、参照により本願に組み込まれる。そのため、必要な範囲において、本願に明瞭に記載された開示内容は、それと矛盾する、参照により本願に組み込まれた資料に優先するものとする。参照により本願に組み込まれるとされているが、既存の定義、見解、または本願に記載されるその他の開示資料と矛盾する任意の資料またはその一部は、組み込まれる資料と既存の開示資料との間に矛盾が生じない範囲においてのみ組み込まれるものとする。

【0065】

「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」の語およびその派生語（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」など）、「有する（ｈａｖｅ）」の語およびその派生語（「ｈａｓ」、「ｈａｖｉｎｇ」など）、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ）」の語およびその派生語（「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」など）、「包有する（ｃｏｎｔａｉｎ）」の語およびその派生語（「ｃｏｎｔａｉｎｓ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」など）は、非限定的な連結動詞である。すなわち、１つ以上の要素を「備えている」、「有する」、「含む」、または「包有する」システムは、これらの１つ以上の要素を有しているが、これらの１つ以上の要素のみを有することに限定されるものではない。同様に、１つ以上の特徴物を「備えている」、「有する」、「含む」、または「包有する」システム、装置、または機器の要素は、これらの１つ以上の特徴物を有しているが、これらの１つ以上の特徴物のみを有することに限定されるものではない。

【0066】

本開示で使用される「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、「およそ（ａｂｏｕｔ）」、または「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」という用語は、特に指定がない限り、当業者によって決定される特定の値に対する許容誤差を意味し、これは値がどのように測定または決定されるかに部分的に依存する。特定の実施形態において、用語「実質的に」、「およそ」、または「約」は、標準偏差の１、２、３、または４倍の範囲内を意味する。特定の実施形態において、用語「実質的に」、「およそ」、または「約」は、所定の値から５０％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、または０．０５％以内の範囲を意味する。

【0067】

要約すると、本願に記載された概念を採用することによって得られる多くの利点を記載してきた。１つ以上の形態に関する上述の記載は、例示と説明の目的で提示されているものであり、開示された正確な形態を網羅的または限定的に示すことを意図するものではない。上記の教示に照らして、改修または変形が可能である。当該１つ以上の形態は、原理および実際の応用について例示し、それによって、様々な形態を様々な改修例と共に、想到される特定の用途に適するものとして当業者が利用できるようにするために、選択・説明したものである。本明細書と共に提示される特許請求の範囲によって、全体的な範囲が定義されることを意図している。

【図1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】