特表 2024-507583 原子炉燃料

(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】2024-02-20

(54)【発明の名称】原子炉燃料

(51)【国際特許分類】

   G21C 3/26 20060101AFI20240213BHJP

   G21C 3/62 20060101ALI20240213BHJP

   G21C 3/28 20060101ALI20240213BHJP

【ＦＩ】

G21C3/26

G21C3/62 700

G21C3/62 120

G21C3/28 600

G21C3/62 600

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023552023

(86)(22)【出願日】2022-02-25

(85)【翻訳文提出日】2023-10-16

(86)【国際出願番号】 US2022018036

(87)【国際公開番号】W WO2022225611

(87)【国際公開日】2022-10-27

(31)【優先権主張番号】63/153,439

(32)【優先日】2021-02-25

(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】523059903

【氏名又は名称】オクロ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】デウィット， ジェイコブ

(57)【要約】

核燃料システム（２１０）、核燃料粒子（１００）、および核燃料システムを動作させる方法が、開示される。核燃料システムは、マトリクス（１３０）材料と、マトリクス材料の中に配置された複数の燃料粒子（１００）とを含み、各燃料粒子は、燃料核（１１０）と、燃料核の表面を覆っている燃料コーティング（１２０）とを備えている。燃料核は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９のうちの１つ以上を備えている核分裂性材料を備えている。燃料コーティングは、密度において関数的に段階化されている。燃料コーティングの密度は、燃料核の中心を基準として外向き半径方向に沿って増加する。燃料コーティングは、中性子減速材料を備えている。燃料粒子の体積分率は、核燃料コンパクトの体積の３５パーセント以上である。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

核燃料システムであって、前記核燃料システムは、
マトリクス材料と、
前記マトリクス材料の中に配置された複数の燃料粒子と
を備え、
各燃料粒子は、
燃料核と、
前記燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングと
を備えている、核燃料システム。

【請求項2】

前記燃料核は、核分裂性材料を備えている、請求項１に記載の核燃料システム。

【請求項3】

前記核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９、酸化ウラン、オキシ炭化ウラン、窒化ウラン、ケイ化ウラン、またはホウ化ウランのうちの１つ以上を備えている、請求項２に記載の核燃料システム。

【請求項4】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、密度において関数的に段階化されている、請求項１－３のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項5】

前記少なくとも１つの燃料コーティングの密度は、前記燃料核の中心を基準として外向き半径方向に沿って増加する、請求項１－４のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項6】

前記表面は、前記燃料核の全表面を備えている、請求項１－５のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項7】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、化学的蒸着方法または放電プラズマ焼結方法を使用して製作される、請求項１－６のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項8】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、中性子減速材料を備えている、請求項１－７のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項9】

前記中性子減速材料は、黒鉛またはベリリウムのうちの１つ以上を備えている、請求項８に記載の核燃料システム。

【請求項10】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、ＣＥＲＣＥＲ材料を備えている、請求項１－９のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項11】

前記ＣＥＲＣＥＲ材料は、ホウ化物、窒化物、またはケイ化物のうちの１つ以上を備えている、請求項１０に記載の核燃料システム。

【請求項12】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、内側層と、外側層とを備えている、請求項１－１１のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項13】

前記外側層は、前記マトリクス材料と同じ材料組成を備えている、請求項１２に記載の核燃料システム。

【請求項14】

前記内側層は、前記外側層の材料の密度と比較して低い密度を有する材料を備えている、請求項１２－１３のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項15】

前記内側層の材料は、黒鉛、炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化チタン、または炭化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを備えている、請求項１４に記載の核燃料システム。

【請求項16】

前記内側層の材料は、窒化ハフニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、または窒化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを備えている、請求項１４に記載の核燃料システム。

【請求項17】

前記内側層の材料は、ホウ化ハフニウム、ホウ化ニオブ、ホウ化チタン、またはホウ化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを備えている、請求項１４に記載の核燃料システム。

【請求項18】

前記マトリクス材料は、放電プラズマ焼結方法を使用して製作される、請求項１－１７のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項19】

前記マトリクス材料は、炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化チタン、または炭化ジルコニウムのうちの１つ以上を備えている、請求項１－１８のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項20】

前記マトリクス材料は、中性子減速材料を備えている、請求項１－１９のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項21】

前記少なくとも１つの燃料コーティングと前記マトリクス材料とは、物質的に適合性がある、請求項１－２０のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項22】

放電プラズマ焼結を介して製造された核燃料コンパクトをさらに備え、前記複数の燃料粒子および前記マトリクス材料は、前記核燃料コンパクトの中に配置されている、請求項１－２１のいずれか１項に記載の核燃料システム。

【請求項23】

燃料粒子の体積分率は、前記核燃料コンパクトの体積の３５パーセント以上である、請求項２２に記載の核燃料システム。

【請求項24】

燃料粒子の体積分率は、前記核燃料コンパクトの体積の５０パーセント以上である、請求項２２に記載の核燃料システム。

【請求項25】

前記燃料核は、酸化物、炭化物、オキシ炭化物、ホウ化物、または窒化物のうちの少なくとも１つを備えている、請求項１に記載の核燃料システム。

【請求項26】

前記燃料核の表面を覆っている前記少なくとも１つの燃料コーティングは、多孔質材料を備えている単一のコーティング層を備えている、請求項１に記載の核燃料システム。

【請求項27】

核燃料粒子であって、前記核燃料粒子は、
燃料核と、
前記燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングと
を備えている、核燃料粒子。

【請求項28】

前記燃料核は、核分裂性材料を備えている、請求項２７に記載の核燃料粒子。

【請求項29】

前記核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９のうちの１つ以上を備えている、請求項２８に記載の核燃料粒子。

【請求項30】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、密度において関数的に段階化されている、請求項２７－２９のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項31】

前記少なくとも１つの燃料コーティングの密度は、前記燃料核の中心を基準として外向き半径方向に沿って増加する、請求項２７－３０のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項32】

前記表面は、前記燃料核の全表面を備えている、請求項２７－３１のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項33】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、化学的蒸着方法または放電プラズマ焼結方法を使用して製作される、請求項２７－３２のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項34】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、中性子減速材料を備えている、請求項２７－３３のいずれか１項に記載の核燃料粒子

【請求項35】

前記中性子減速材料は、黒鉛またはベリリウムのうちの１つ以上を備えている、請求項３４に記載の核燃料粒子。

【請求項36】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、ＣＥＲＣＥＲ材料を備えている、請求項２７－３５のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項37】

前記ＣＥＲＣＥＲ材料は、ホウ化物、窒化物、またはケイ化物のうちの１つ以上を備えている、請求項３６に記載の核燃料粒子。

【請求項38】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、内側層と、外側層とを含む、請求項２７－３７のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項39】

前記外側層は、前記核燃料粒子を包囲するマトリクス材料と同じ材料組成を備えている、請求項３８に記載の核燃料粒子。

【請求項40】

前記内側層は、前記外側層と比較して低い密度を有する低い密度の材料を含む、請求項３９に記載の核燃料粒子。

【請求項41】

前記低い密度の材料は、黒鉛、炭化ケイ素、または炭化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを備えている、請求項４０に記載の核燃料粒子。

【請求項42】

前記少なくとも１つの燃料コーティングは、前記核燃料粒子を包囲するマトリクス材料と物質的に適合性がある、請求項２７－４１のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項43】

前記燃料核は、酸化物、炭化物、オキシ炭化物、ホウ化物、または窒化物のうちの少なくとも１つを備えている、請求項２７－４２のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項44】

前記燃料核の表面を覆っている前記少なくとも１つの燃料コーティングは、多孔質材料を備えている単一のコーティング層を備えている、請求項２７－４３のいずれか１項に記載の核燃料粒子。

【請求項45】

方法であって、前記方法は、
複数の核燃料要素を用いて核分裂プロセスを促進することと、
前記核分裂プロセスから熱を発生させることと、
前記核分裂プロセスから発生させられた前記熱を使用して電力を生産することと
を含み、
前記複数の核燃料要素の各核燃料要素は、
マトリクス材料と、
前記マトリクス材料の中に配置された複数の燃料粒子と
を備え、
各燃料粒子は、燃料核と、前記燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングとを備えている、方法。

【請求項46】

核燃料要素を製作する方法であって、前記方法は、
ゾルゲルプロセスを使用して複数の燃料粒子を形成することと、
前記燃料粒子を乾燥させることと、
前記燃料粒子をか焼することと、
前記燃料粒子を焼結することと、
燃料コーティングで前記燃料粒子をコーティングすることと、
前記コーティングされた燃料粒子をマトリクス材料内に充填することと、
前記マトリクス材料の中の前記コーティングされた燃料粒子を焼結し、前記核燃料要素を形成することと
を含む、方法。

【請求項47】

燃料要素コーティングにおいて、前記核燃料要素をコーティングすることをさらに含む、請求項４６に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、原子炉に関し、より具体的に、粒子燃料形態に関する。

【背景技術】

【0002】

地球規模のエネルギー増大、および汚染および排出物を減らすための意欲は、新しい炉技術の商業化および設計を取り囲む新しい活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、高温において動作し、高温性能を支援するために、コーティングされた粒子燃料を使用するように設計される炉を含む。コーティングされた粒子燃料設計は、多くの場合、三重等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料と称される３つの層のコーティングを使用する。これらのコーティングは、多くの場合、内部の黒鉛層と、炭化ケイ素層と、外部の黒鉛層とを含む。これらの層は、核分裂生成物を保持するために含まれる。各粒子上に使用される異なる材料は、製作の複雑性および費用を導入する。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0003】

関数的段階化コーティングされた粒子燃料の製作および使用のための技法が、開示される。開示される技法は、核粒子燃料の製作を単純化し、費用を減らし、核分裂性密度を増加させることができる。例示的燃料粒子は、燃料核の周囲に、単一の多孔質コーティングを含む。多くの粒子が、核分裂生成物の保持を提供するマトリクス内に設置されることができる。

【0004】

例示的実装では、核燃料システムは、マトリクス材料と、マトリクス材料の中に配置された複数の燃料粒子とを含む。各燃料粒子は、燃料核と、燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングとを含む。

【0005】

例示的実装と組み合わせ可能な側面において、燃料核は、核分裂性材料を含む。

【0006】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９、酸化ウラン、オキシ炭化ウラン、窒化ウラン、ケイ化ウラン、またはホウ化ウランのうちの１つ以上を含む。

【0007】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、密度において関数的に段階化される。

【0008】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングの密度は、燃料核の中心を基準として外向き半径方向に沿って増加する。

【0009】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、表面は、燃料核の全表面を含む。

【0010】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、化学的蒸着方法または放電プラズマ焼結方法を使用して製作される。

【0011】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、中性子減速材料を含む。

【0012】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、中性子減速材料は、黒鉛またはベリリウムのうちの１つ以上を含む。

【0013】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、ＣＥＲＣＥＲ材料を含む。

【0014】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、ＣＥＲＣＥＲ材料は、ホウ化物、窒化物、またはケイ化物のうちの１つ以上を含む。

【0015】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、内側層と、外側層とを含む。

【0016】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、外側層は、マトリクス材料と同じ材料組成を含む。

【0017】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、内側層は、外側層の材料の密度と比較して低い密度を有する材料を含む。

【0018】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、内側層の材料は、黒鉛、炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化チタン、または炭化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを含む。

【0019】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、内側層の材料は、窒化ハフニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、または窒化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを含む。

【0020】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、内側層の材料は、ホウ化ハフニウム、ホウ化ニオブ、ホウ化チタン、またはホウ化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを含む。

【0021】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、マトリクス材料は、放電プラズマ焼結方法を使用して製作される。

【0022】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、マトリクス材料は、炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化チタン、または炭化ジルコニウムのうちの１つ以上を含む。

【0023】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、マトリクス材料は、中性子減速材料を含む。

【0024】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングとマトリクス材料とは、物質的に適合性がある。

【0025】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面は、放電プラズマ焼結を介して製造された核燃料コンパクトをさらに含み、複数の燃料粒子およびマトリクス材料は、核燃料コンパクト内に配置される。

【0026】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料粒子の体積分率は、核燃料コンパクトの体積の３５パーセント以上である。

【0027】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料粒子の体積分率は、核燃料コンパクトの体積の５０パーセント以上である。

【0028】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料核は、酸化物、炭化物、オキシ炭化物、ホウ化物、または窒化物のうちの少なくとも１つを含む。

【0029】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングは、多孔質材料を含む単一のコーティング層を含む。

【0030】

別の例示的実装では、核燃料粒子は、燃料核と、燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングとを含む。

【0031】

例示的実装と組み合わせ可能な側面において、燃料核は、核分裂性材料を含む。

【0032】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、核分裂性材料は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９のうちの１つ以上を含む。

【0033】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、密度において関数的に段階化される。

【0034】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングの密度は、燃料核の中心を基準として外向き半径方向に沿って増加する。

【0035】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、表面は、燃料核の全表面を含む。

【0036】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、化学的蒸着方法または放電プラズマ焼結方法を使用して製作される。

【0037】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、中性子減速材料を含む。

【0038】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、中性子減速材料は、黒鉛またはベリリウムのうちの１つ以上を含む。

【0039】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、ＣＥＲＣＥＲ材料を含む。

【0040】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、ＣＥＲＣＥＲ材料は、ホウ化物、窒化物、またはケイ化物のうちの１つ以上を含む。

【0041】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、内側層と、外側層とを含む。

【0042】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、外側層は、核燃料粒子を包囲するマトリクス材料と同じ材料組成を含む。

【0043】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、内側層は、外側層と比較して低い密度を有する低い密度の材料を含む。

【0044】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、低い密度の材料は、黒鉛、炭化ケイ素、または炭化ジルコニウムのうちの少なくとも１つを含む。

【0045】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、少なくとも１つの燃料コーティングは、核燃料粒子を包囲するマトリクス材料と物質的に適合性がある。

【0046】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料核は、酸化物、炭化物、オキシ炭化物、ホウ化物、または窒化物のうちの少なくとも１つを含む。

【0047】

先の側面のいずれかと組み合わせ可能な別の側面において、燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングは、多孔質材料を含む単一のコーティング層を含む。

【0048】

別の例示的実装では、方法は、複数の核燃料要素を用いて核分裂プロセスを促進することと、核分裂プロセスから熱を発生させることと、核分裂プロセスから発生させられた熱を使用して、電力を生産することとを含む。複数の核燃料要素の各核燃料要素は、マトリクス材料と、マトリクス材料の中に配置された複数の燃料粒子とを含み、各燃料粒子は、燃料核と、燃料核の表面を覆っている少なくとも１つの燃料コーティングとを含む。

【0049】

別の例示的実装では、核燃料要素を製作する方法は、ゾルゲルプロセスを使用して、複数の燃料粒子を形成することと、燃料粒子を乾燥させることと、燃料粒子をか焼することと、燃料粒子を焼結することと、燃料コーティングを用いて燃料粒子をコーティングすることと、コーティングされた燃料粒子をマトリクス材料の中に充填することと、マトリクス材料の中のコーティングされた燃料粒子を焼結し、核燃料要素を形成することとを含む。

【0050】

例示的実装と組み合わせ可能な側面は、燃料要素コーティングにおいて、核燃料要素をコーティングすることをさらに含む。

【0051】

本開示による関数的段階化コーティングされた粒子燃料の実装は、以下の利点のうちの１つ以上を結果としてもたらすことができる。例えば、単一のコーティング層または２つのコーティング層の使用は、３つの層を含む粒子燃料と比較して、粒子燃料の製作を単純化し、その費用を減らすことができる。いくつかの例では、コーティング層の減らされた数は、核分裂性密度を増加させ、電力発生の効率を改良することができる。いくつかの例では、単一のコーティングが、燃料核の周囲に使用されることができ、燃料粒子は、核分裂生成物の保持を提供するマトリクス内に配置されることができる。このように、適正な核分裂生成物の保持は、コーティング層の減らされた数を伴って達成されることができる。低い密度のコーティングを伴う、コーティングされた燃料粒子は、核分裂ガスおよび燃料膨張に適応するために実装され得る。開示されるシステムおよび技法は、粒子間の最小間隔が減らされ得るので、他のアプローチより優れた燃料粒子の充填分率を可能にする。加えて、開示されるシステムおよび技法は、より大きな燃料粒子サイズに適応するために実装されることもできる。

【0052】

本開示において説明される主題の１つ以上の実装の詳細は、付随の図面および下記の説明において記述される。主題の他の特徴、側面、および利点は、本説明、図面、および請求項から明白な状態になるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0053】

【図1】図１は、本開示によるコーティングされた燃料粒子の例示的実装の概略的例証である。

【0054】

【図2】図２Ａおよび２Ｂは、本開示によるコーティングされた粒子燃料コンパクトの例示的実装の上部断面図を示す概略的例証である。

【0055】

【図3】図３Ａおよび３Ｂは、本開示によるコーティングされた粒子燃料コンパクトの例示的実装の側面断面図を示す概略的例証である。

【0056】

【図4】図４は、本開示による燃料要素を製作するための例示的プロセスのフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0057】

本開示の実施形態は、ここで、図面を参照して詳細に説明され、これらは、当業者が、例示的実施形態を実践することを有効にするように、本発明の実施形態の例証的例として提供される。とりわけ、図および例は、本開示の範囲を単一の実施形態に限定することを意味せず、他の実施形態も、説明または例証される要素のいくつかまたは全ての交換によって、可能である。さらに、本開示のある要素が、既知の構成要素を使用して、部分的または完全に実装され得る場合、本開示の理解のために必要とされるそのような既知の構成要素のそれらの部分のみが、説明され、そのような既知の構成要素の他の部分の詳細な説明は、例示的実施形態を曖昧にしないように省略されるであろう。

【0058】

地球規模のエネルギー増大および汚染および排出物を減らすための意欲は、新しい炉技術の商業化および設計を取り囲む新しい活動を刺激している。これらの技術のうちのいくつかは、高温において動作し、高温性能を支援するために、コーティングされた粒子燃料を使用するように設計される、炉を含む。コーティングされた粒子燃料設計は、多くの場合、三重等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料と称される３つの層のコーティングを使用することができる。これらのコーティングは、内部の黒鉛層と、炭化ケイ素層と、外部の黒鉛層とを含むことができる。これらの層は、核分裂生成物を保持するために含まれる。各粒子上に使用される異なる材料は、製作の複雑性および費用を導入する。製作を単純化し、費用を減らし、核分裂性密度を増加させるために、単一のコーティングが、燃料の周囲に使用されることができ、粒子は、核分裂生成物の保持を提供するマトリクス内に設置される。

【0059】

図１は、本開示によるコーティングされた燃料粒子１００の例示的実装の概略的例証である。原子炉は、ウラン２３３、ウラン２３５、またはプルトニウム２３９等の核分裂性材料を含む燃料を含むことができる。核分裂性材料は、燃料核１１０の形態であることができる。燃料核１１０は、例えば、核分裂性材料の球状核であることができる。燃料核１１０は、燃料を包囲する多孔質コーティング材料の１つ以上の層１２１、１２２を含む燃料コーティング１２０においてコーティングされる。マトリクス材料１３０は、コーティングされた燃料粒子１００を包囲する。

【0060】

炉は、気体、超臨界流体、または液体等のクーラントによって冷却されることができる。核分裂性材料は、燃料コンパクトまたは燃料要素内に含まれることができ、燃料要素は、炉容器の内側に保持されることができる。

【0061】

核分裂性材料は、酸化物、炭化物、オキシ炭化物、ホウ化物、または窒化物であることができる。ホウ化物が使用される場合、ホウ素は、同位体ホウ素１１内に、同位体的に濃縮されることができる。燃料核１１０は、例えば、０．０３センチメートル（ｃｍ）以上、０．１０ｃｍ以上、または０．２ｃｍ以上の半径１１５を有することができる。

【0062】

燃料核１１０を包囲するものは、１つ以上のコーティング層１２１、１２２を含む燃料コーティング１２０である。燃料コーティング１２０は、燃料核１１０とマトリクス材料１３０との間の多孔質緩衝層として機能する。燃料コーティング１２０は、例えば、０．０１ｃｍ以下、０．０２ｃｍ以下、または０．０３ｃｍ以下の厚さ１２３を有することができる。

【0063】

いくつかの実装では、燃料コーティング１２０は、多孔質材料を備えている単一のコーティング層を含む。いくつかの実装では、単一のコーティング層は、均一な材料組成を有する。

【0064】

いくつかの実装では、燃料コーティング１２０は、内側層１２１と、外側層１２２とを含む。いくつかの実装では、燃料コーティング１２０は、内側層１２１と外側層１２２との間に、追加のコーティング層を含むことができる。いくつかの実装では、各コーティング層１２１、１２２は、互いに異なる材料組成のコーティング層を有する。

【0065】

いくつかの実装では、内側層１２１は、燃料膨張および核分裂ガス放出に適応するために、黒鉛、炭化ケイ素、または炭化ジルコニウム等の低い密度の材料から形成される。

【0066】

いくつかの実装では、外側層１２２は、マトリクス材料と同じ材料組成を有する。いくつかの例では、燃料コーティング１２０とマトリクス材料１３０とは、物質的に適合性がある。例えば、外側層１２２は、高温（例えば、１，５００℃～３，０００℃、および随意に、３，０００℃を超える）において、マトリクス材料１３０と物理的かつ化学的に適合性がある材料を含むことができる。適合性がある材料は、例えば、接触しているとき、酸化および腐食に対して耐性がある材料であり得る。

【0067】

いくつかの例では、燃料コーティング１２０は、ホウ化物、窒化物、またはケイ化物から作製される材料を含むことができる。いくつかの例では、燃料コーティング１２０の材料は、セラミックマトリクス内に分散させられたセラミック粒子（例えば、ＣＥＲＣＥＲ材料）として組み合わせられることができる。

【0068】

燃料コーティング１２０は、密度において関数的に段階化されることができる。密度は、相対密度の観点において、本明細書に説明される。相対密度は、材料の全体積に対する固体材料の体積の比率として定義されることができる。相対密度は、空隙体積分率、例えば、材料の全体積に対する空隙の体積の比率の観点において表され得る。これは、材料の多孔性または空隙分率と関連して、空隙分率と相対密度との合計が１００パーセントであるということになる。例えば、７０パーセントの空隙分率を有する材料は、３０パーセントの密度を有するとして説明されることができる。

【0069】

関数的段階化コーティング材料は、多様な組成および構造を有することができる。例えば、関数的段階化燃料コーティング１２０は、外側表面近傍で、より高密度であり、密度は、内向き半径方向に沿って徐々に減少し得る。内向き半径方向は、燃料コーティング１２０の外部表面から燃料核１１０の中心１２５に向かう方向として定義されることができる。いくつかの実装では、密度は、燃料コーティング１２０を通して、内向き半径方向に沿ってほぼ線形に減少する。いくつかの実装では、密度は、燃料コーティング１２０を通して、内向き半径方向に沿って段階的に減少する。

【0070】

したがって、燃料核１１０により近くにある燃料コーティング１２０の部分は、概して、燃料核１１０からより遠くにある燃料コーティング１２０の部分より低密度である。燃料核１１０に隣接する、燃料コーティング１２０の低い密度の材料は、核分裂ガスおよび燃料膨張に適応することができる。

【0071】

関数的段階化コーティングは、例えば、約３０パーセント～約７０パーセントの範囲にある密度を有することができる。例示的実装では、燃料コーティング１２０の内部部分（例えば、燃料核１１０に最も近い部分）は、３０パーセント以上の密度を有し、燃料コーティング１２０の外部部分（例えば、燃料核１１０から最も遠い部分）は、７０パーセント以下の密度を有する。

【0072】

いくつかの実装では、燃料核１１０の周囲のコーティング層のうちの１つ以上は、密度がコーティング層を通して均一であるように、特定の密度を有し得る。例えば、内側層１２１は、第１の密度を有し得、外側層１２２は、第１の密度より大きい第２の密度を有し得る。

【0073】

いくつかの実装では、燃料核１１０の周囲の１つ以上のコーティング層は、コーティング層内に段階化された密度を有し得る。例えば、内側層１２１内では、密度は、外向き半径方向に沿って増加し得る。同様に、外側層１２２内では、密度は、外向き半径方向に沿って増加し得る。外向き半径方向は、燃料核１１０の中心１２５から燃料コーティング１２０の外部表面に向かう方向として定義されることができる。

【0074】

いくつかの実装では、燃料コーティング１２０は、均一な密度を有する少なくとも１つのコーティング層と、段階化された密度を有する少なくとも１つのコーティング層とを含むことができる。例えば、内側層１２１は、均一な密度を有し得、外側層１２２は、外向き半径方向に沿って増加する密度を有し得る。

【0075】

図２Ａおよび２Ｂは、本開示によるコーティングされた粒子燃料コンパクト２１０の例示的実装の上部断面図を示す概略的例証である。例えば、燃料コンパクト２１０は、中実の円筒形状を有する。図２Ａは、燃料コンパクト２１０の斜視図を示し、燃料コンパクト２１０内のコーティングされた燃料粒子１００の断面上面図を含む。図２Ｂは、燃料コンパクト２１０の断面上面図を示す。燃料コンパクト２１０は、他の燃料コンパクト２１１、２１２、２１３、２１４に近接して示される。

【0076】

図３Ａおよび３Ｂは、本開示によるコーティングされた粒子燃料コンパクト２１０の例示的実装の側面断面図を示す概略的例証である。図３Ａは、燃料コンパクト２１０の斜視図を示し、燃料コンパクト２１０内のコーティングされた燃料粒子１００の断面側面図を含む。図３Ｂは、燃料コンパクト２１０の断面側面図を示す。

【0077】

図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、および３Ｂにおいて示される、燃料コンパクト２１０は、円筒形状を有するが、いくつかの例では、燃料コンパクトは、球状形状を有することができる。いくつかの例では、燃料コンパクトは、環状円筒形状を有することができる。いくつかの例では、燃料コンパクトは、長方柱または直方体形状を有することができる。

【0078】

燃料コンパクト２１０は、マトリクス材料１３０中のコーティングされた燃料粒子１００を含む。コーティングされた燃料粒子１００は、燃料コンパクト体積の３５パーセント未満～６０パーセントを超える範囲にある体積分率または充填分率において、一緒に充填されることができる。いくつかの実装では、マトリクス材料１３０中のコーティングされた燃料粒子１００の体積分率は、４０パーセント以上（例えば、４５パーセント以上、５０パーセント以上、５５パーセント以上）。

【0079】

マトリクス材料１３０は、例えば、放電プラズマ焼結方法によって製作されることができ、核分裂生成物放出に対する障壁としての機能を果たすことができる。マトリクス材料１３０は、黒鉛、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、二ホウ化ジルコニウム、またはこれらの材料の組み合わせを含むことができる。マトリクス材料１３０は、約７５パーセント～１００パーセントの密度を有することができる。いくつかの実装では、マトリクス材料１３０は、９０パーセント以上（例えば、９２パーセント以上、９５パーセント以上、９７パーセント以上）の密度を有する。いくつかの実装では、マトリクス材料１３０は、９０パーセント以上の密度を有し、燃料コンパクト２１０は、燃料要素コーティング２２０を有しない。いくつかの実装では、マトリクス材料１３０は、９０パーセントを下回る密度を有し、燃料要素コーティング２２０が、燃料コンパクト２１０に塗布される。燃料要素コーティング２２０は、完全に高密度であることができ、例えば、９０パーセント～１００パーセントの密度を有する。

【0080】

燃料コーティング１２０、マトリクス材料１３０、またはその両方は、複合材料を含むことができる。燃料コーティング１２０、マトリクス材料１３０、またはその両方は、水素暴露または酸素暴露に起因する劣化に対する耐性等の所望の性能特性を達成するために、複合材料を含むことができる。いくつかの例では、燃料コーティング１２０またはマトリクス材料１３０は、固定された吸収材または可燃性毒物としての機能を果たし得る。いくつかの例では、燃料コーティング１２０、マトリクス材料１３０、またはその両方は、減速材としての機能を果たし得るか、または、金属水素化物等の中性子減速材料を含むことができる。

【0081】

図４は、本開示による燃料要素を製作するための例示的プロセス４００のフロー図である。プロセス４００は、ゾルゲルプロセスを使用して、ゲル燃料粒子を形成すること（４０２）を含む。ゾルゲルプロセスは、小分子から固体材料を生産するための方法である。方法は、金属酸化物の製作のために使用される。プロセスは、コロイド溶液（ゾル）へのモノマーの変換に関与し、コロイド溶液は、別々の粒子または網状化ポリマーの統合された網状体（またはゲル）のための前駆体としての機能を果たす。

【0082】

プロセス４００は、粒子を乾燥させること、か焼すること、または焼結すること（４０４）のうちの少なくとも１つを含む。乾燥させることは、材料からの（化学的に結合されていない）液体水分の熱的除去である。乾燥させることは、通常、湿潤固体を高温燃焼ガスと接触させることによって遂行される。か焼は、空気または酸素が不在の状態で、固体を高温まで加熱することを指す。焼結することは、融点を下回る温度において、熱または圧力によって、材料を圧縮し、材料の固体塊を形成し、塊自体内の固体燃料の燃焼によって生産される熱によって引き起こされる初期融合によって、多孔質かつ凸凹状の塊への鉱物粒子の凝集を引き起こすプロセスである。材料内の原子は、粒子の境界を横断して拡散し、粒子を一緒に融合し、１つの固体片を生成する。焼結することは、熱処理として実施され、材料の強度および構造的完全性を増加させることができる。乾燥させるプロセス、か焼するプロセス、および焼結するプロセスは、所望のサイズおよび密度の核を取得するために実施される。

【0083】

プロセス４００は、多孔質保護膜を用いて粒子をコーティングすること（４０６）、または形成型枠内にマトリクス材料を伴う粒子を充填すること（４０８）を含む。例えば、いくつかの側面において、粒子は、別個にコーティングされることができるか、または、粒子は、コーティングされていないマトリクス材料の中に入れられることができる。マトリクス／粒子界面を伴う焼結動態は、所望の関数的段階化を誘発することができるか、または、所望の関数的段階化は、コーティングが粒子の周囲に完全密度を有するように、焼結制御を通して抑制されることができる。これは、燃料粒子を使用する短い持続時間の核熱推進システムのため等、関数的段階化、例えば、多孔質緩衝層が必要とされない場合、行われることができる。

【0084】

粒子は、蒸着または放電プラズマ焼結を使用して、多孔質保護膜を用いてコーティングされることができる。放電プラズマ焼結は、電場支援焼結、パルス式電流焼結、またはプラズマ圧力コンパクションとしても公知であり得る焼結方法である。放電プラズマ焼結中、熱は、粉末コンパクトの高密度化を結果としてもたらし、それは、従来の焼結技法と比較して、より低い焼結温度において、改良された密度を達成することを結果としてもたらす。熱の発生は、内部にあり、それは、非常に高い加熱または冷却率（最大１，０００Ｋ／分）を促進する。したがって、焼結プロセスは、概して、非常に高速（例えば、数分以内）である。

【0085】

蒸着、例えば、化学的蒸着は、高品質かつ高性能な固体材料を生産するために使用される真空堆積方法である。プロセスは、薄膜を生産および適用するために使用されることができる。蒸着において、基板が、１つ以上の揮発性前駆体にさらされ、１つ以上の揮発性前駆体は、基板表面上で反応および／または分解し、所望の堆積物を生産する。蒸着は、形状一致したフィルムを堆積し、基板表面を増強するために使用されることができる。蒸着は、十分な厚さおよび均一性を伴うコーティングを生産するために使用されることができる。粒子は、多孔質保護膜を用いてコーティングされ、コーティングされた燃料粒子１００を生産する。

【0086】

プロセス４００は、マトリクス内の粒子を放電プラズマ焼結するステップ（４１０）を含む。マトリクスは、マトリクス材料１３０から作製されることができる。マトリクス内で焼結された粒子は、燃料要素、例えば、燃料コンパクト２１０を形成する。

【0087】

プロセス４００は、随意に、燃料要素をコーティングするステップ（４１２）を含む。例えば、９０パーセントを下回る密度を有するマトリクス材料１３０を伴う、燃料要素に関して、燃料要素は、完全に高密度な燃料要素コーティング２２０を用いてコーティングされることができる。燃料要素コーティング２２０は、１００パーセントまたは１００パーセントに近い密度、例えば、９５～１００パーセントの密度を有する材料から形成され得る。例として、燃料要素のコーティングは、黒鉛、炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化タンタル、炭化チタン、または炭化ジルコニウムのうちの１つ以上であることができる。燃料要素のコーティングは、窒化ハフニウム、窒化ホウ素、窒化チタン、または窒化ジルコニウム等の窒化物であることもできる。燃料要素のコーティングは、ホウ化ハフニウム、ホウ化ニオブ、ホウ化チタン、またはホウ化ジルコニウム等のホウ化物であることもできる。

【0088】

本明細書において、単体の構成要素を示す実施形態が、限定するものと見なされるべきではなく、むしろ、本開示は、本明細書内で別様に明示的に記述されない限り、複数の同じ構成要素を含む、他の実施形態も包含することが意図され、その逆も同様である。さらに、本出願人らは、本明細書または請求項内のいかなる用語も、そのようなものとして明示的に記述されない限り、一般的ではない、または特別な意味に属すると見なされることを意図しない。さらに、本開示は、例証として、本明細書内で参照される既知の構成要素に対する現在および将来の公知の均等物を包含する。

【0089】

本明細書は、多くの具体的な実装詳細を含むが、これらは、任意の発明または請求され得る内容の範囲への限定として解釈されるべきではなく、むしろ、特定の発明の特定の実装に特有の特徴の説明として解釈されるべきである。別個の実装の文脈において、本明細書に説明されるある特徴は、単一の実装において、組み合わせて実装されることもできる。逆に言えば、単一の実装の文脈において説明される種々の特徴は、別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて、複数の実装において実装されることもできる。さらに、特徴が、ある組み合わせにおいて作用するものとして上で説明され、最初にそのようなものとして請求され得るが、請求される組み合わせからの１つ以上の特徴は、ある場合に、その組み合わせから削除されることができ、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。

【0090】

同様に、動作が、図面において、特定の順序で描写されるが、これは、そのような動作が、望ましい結果を達成するために、示される特定の順序で、または順次順序で実施されること、または全ての図示される動作が、実施されることを要求するものとして理解されるべきではない。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上で説明される実装における種々のシステム構成要素の分離は、全ての実装において、そのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、これは、説明されるプログラム構成要素およびシステムが、概して、単一のソフトウェア製品内にともに統合される、または複数のソフトウェア製品の中にパッケージ化され得ることを理解されたい。

【0091】

いくつかの実装が、説明されている。それにもかかわらず、種々の修正が、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、行われ得ることが理解されるであろう。例えば、本明細書に説明される、例示的動作、方法、またはプロセスは、説明されるものより多くのステップまたはそれより少ないステップを含み得る。さらに、そのような例示的動作、方法、またはプロセスにおけるステップは、図において説明または図示されるものとは異なる並びにおいて実施され得る。故に、他の実装が、以下の請求項の範囲内にある。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【国際調査報告】