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(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】2024-04-19
(54)【発明の名称】加圧重水炉のトリウムベース燃料設計
(51)【国際特許分類】
G21C 3/62 20060101AFI20240412BHJP
G21C 1/18 20060101ALI20240412BHJP
G21C 3/28 20060101ALI20240412BHJP
G21C 3/06 20060101ALI20240412BHJP
G21C 3/326 20060101ALI20240412BHJP
【ＦＩ】
G21C3/62
G21C3/62 225
G21C1/18
G21C3/28 110
G21C3/06
G21C3/326
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023570083
(86)(22)【出願日】2021-08-26
(85)【翻訳文提出日】2024-01-05
(86)【国際出願番号】 US2021047719
(87)【国際公開番号】W WO2022240432
(87)【国際公開日】2022-11-17
(31)【優先権主張番号】63/186,990
(32)【優先日】2021-05-11
(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】523426633
【氏名又は名称】クリーン コア トリウム エナジー エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＣＬＥＡＮ ＣＯＲＥ ＴＨＯＲＩＵＭ ＥＮＥＲＧＹ ＬＬＣ
【住所又は居所原語表記】４０４ Ｆｏｘ Ｔｒａｉｌ Ｌａｎｅ Ｏａｋ Ｂｒｏｏｋ， Ｉｌｌｉｎｏｉｓ ６０５２３ ＵＳ
(74)【代理人】
【識別番号】100126572
【弁理士】
【氏名又は名称】村越 智史
(72)【発明者】
【氏名】シャー， メユール
(72)【発明者】
【氏名】ミラーニ， ライダー
(72)【発明者】
【氏名】シルバン， コーロッシュ
(57)【要約】
トリウムベースの燃料バンドルは、既存の加圧重水炉（例：インド型２２０ＭＷｅ加圧重水炉、インド型５４０ＭＷｅ加圧重水炉、インド型７００ＭＷｅ加圧重水炉、ＣＡＮＤＵ３００／６００／９００）において、従来のウランベースの燃料バンドルに代わって、原子炉をほとんど、あるいはまったく改造することなく使用されている。このようなバンドルの燃料組成は、トリウムが６０ｗｔ％以上であり、残りの燃料は、濃縮度が１３～１９．９５％の235Ｕである低濃縮ウラン（ＬＥＵ）によって賄われる。様々な実施形態によれば、このようなトリウムベースの燃料バンドルの使用により、（１）炉心の全ライフサイクルにわたる公称出力の１００％、（２）高燃焼度、（３）１２ｗｔ％未満の全同位体ウラン濃度を有する非増殖性使用済み燃料バンドルが提供される。使用済み燃料の再処理も回避できる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
加圧重水炉で使用するように構成された新鮮な燃料ペレットであって、トリウム燃料とウラン燃料を含み、前記燃料ペレットの燃料組成は、トリウムが５５～９０ｗｔ％であり、
前記燃料組成は、ウランが１０～４５ｗｔ％であり、
前記ウランの235Ｕ濃縮度は１０．５～２０％である、燃料ペレット。
【請求項2】
前記燃料ペレットが貫通孔を有する環状である、請求項１に記載の燃料ペレット。
【請求項3】
前記貫通孔の直径が０．３～１．０ｃｍである、請求項２に記載の燃料ペレット。
【請求項4】
前記燃料組成はトリウムが７０～９０ｗｔ％である、請求項１に記載の燃料ペレット。
【請求項5】
前記ウランの235Ｕ濃縮度は１５～１９％である、請求項１に記載の燃料ペレット。
【請求項6】
加圧重水炉で使用するように構成された燃料ピンであって、密閉管と、
複数の請求項１に記載の燃料ペレットと、を備え、
前記複数の燃料ペレットは前記密閉管の内側に配置される、燃料ピン。
【請求項7】
前記燃料ピンの燃料組成は、トリウムが７０～８５ｗｔ％である、請求項６に記載の燃料ピン。
【請求項8】
前記複数の燃料ペレットの各々は、可燃性毒物を含む、請求項６に記載の燃料ピン。
【請求項9】
加圧重水炉で使用されるように構成された燃料バンドルであって、当該燃料バンドルは、請求項６に記載の燃料ピンを複数含み、当該複数の燃料ピンのうちの少なくとも１つの燃料ピンの燃料組成は、当該複数の燃料ピンのうちの少なくとも１つの他の燃料ピンの燃料組成と異なる、燃料バンドル。
【請求項10】
前記燃料バンドルは、２２０ＭＷｅ加圧重水炉で使用されるように成形および構成され、前記複数の燃料ピンは、１本の中央燃料ピンと、前記１本の中央燃料ピンから半径方向外側に配置された６本の中間燃料ピンと、前記６本の中間燃料ピンから半径方向外側に配置された１２本の外側燃料ピンとを含む、正確に１９本の燃料ピンからなり、
前記中央燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合が、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成に占めるトリウムの重量割合よりも低い、
請求項９に記載の燃料バンドル。
【請求項11】
前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が５５～７５ｗｔ％であり、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６５～９０ｗｔ％であり、
前記１２本の外側燃料ピンの各々は、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々よりもトリウムの含有重量割合が高い、
請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項12】
前記中央燃料ピンの燃料組成は、前記６本の中間燃料ピンの各々よりもトリウムの含有重量割合が低く、前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成よりもトリウムの含有重量割合が低い、
請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項13】
前記中央燃料ピンの燃料組成は、トリウムの含有割合が５５～７０ｗｔ％であり、前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６０～８０ｗｔ％であり、
前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６５～９０ｗｔ％である、
請求項１２に記載の燃料バンドル。
【請求項14】
前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物をさらに含む、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項15】
前記外側燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物が配置されていない、請求項１４に記載の燃料バンドル。
【請求項16】
前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物をさらに含み、前記外側燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物が配置されていない、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項17】
前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された前記可燃性毒物がユーロピウムからなる、請求項１６に記載の燃料バンドル。
【請求項18】
前記１２本の外側燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物をさらに含む、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項19】
前記中央燃料ピンまたは前記中間燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物が配置されていない、請求項１８に記載の燃料バンドル。
【請求項20】
前記燃料バンドルの前記燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物が配置されていない、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項21】
前記中央燃料ピン、前記中間燃料ピン、および前記外側燃料ピンの各々のウランの235Ｕ濃縮度が少なくとも１２％である、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項22】
前記中央燃料ピン、前記中間燃料ピン、および前記外側燃料ピンの各々の燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度が少なくとも１５％である、請求項１０に記載の燃料バンドル。
【請求項23】
前記１２本の外側燃料ピンの各々の前記燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度が、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度よりも低い、請求項２２に記載の燃料バンドル。
【請求項24】
前記燃料バンドルは、ＣＡＮＤＵ型加圧重水炉で使用されるように成形および構成され、前記複数の燃料ピンは、正確に３７本の燃料ピンからなり、当該３７本の燃料ピンは、
１本の中央燃料ピンと、
前記１本の中央燃料ピンから半径方向外側に配置された６本の第１リング燃料ピンと、
前記６本の第１リング燃料ピンから半径方向外側に配置された１２本の第２リング燃料ピンと、
前記１２本の第２リング燃料ピンから半径方向外側に配置された１８本の外側リング燃料ピンと、を含む、
請求項９に記載の燃料バンドル。
【請求項25】
前記中央燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合が、前記第２リング燃料ピンと前記外側リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合よりも低い、請求項２４に記載の燃料バンドル。
【請求項26】
前記中央燃料ピンと前記第１リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、５０～７０ｗｔ％であり、前記第２リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、６０～９０ｗｔ％であり、
前記外側リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、７５～９９ｗｔ％である、
請求項２４に記載の燃料バンドル。
【請求項27】
前記中央燃料ピンおよび前記第１リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度が、前記第２リング燃料ピンまたは前記外側リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度よりも高い、請求項２４に記載の燃料バンドル。
【請求項28】
前記第２リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度が、前記外側リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度よりも高い、請求項２７に記載の燃料バンドル。
【請求項29】
前記中央燃料ピン、前記第１リング燃料ピン、および前記第２リング燃料ピンがそれぞれ可燃性毒物を含む、請求項２４に記載の燃料バンドル。
【請求項30】
前記可燃性毒物が酸化ユーロピウムからなる、請求項２９に記載の燃料バンドル。
【請求項31】
前記外側リング燃料ピンが可燃性毒を含まない、請求項２９に記載の燃料バンドル。
【請求項32】
原子炉容器と、前記原子炉容器内に配置された炉心であって、請求項９に記載の燃料バンドルを複数含む炉心と、を備え、
前記複数の燃料バンドルは、第１のタイプの燃料バンドルと第２のタイプの燃料バンドルを含み、
前記第１のタイプの燃料バンドルは、可燃性毒物を含み、
前記第２のタイプの燃料バンドルは、可燃性毒物を含まない、
加圧重水炉。
【請求項33】
前記第１および第２のタイプの燃料バンドルは、前記第２のタイプの燃料バンドルが可燃性毒物を含むことを除いて、互いに同一である、請求項３２に記載の加圧重水炉。
【請求項34】
加圧重水炉で使用するように構成された燃料ペレットであって、トリウム燃料とウラン燃料を含み、前記燃料ペレットの燃料組成は、トリウムが５５～９０ｗｔ％であり、
前記燃料組成は、ウランが１０～４５ｗｔ％であり、
前記ウランの235Ｕ濃縮度は５～２０％であり、
前記燃料ペレットが貫通孔を有する環状である、燃料ペレット。
【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、米国特許仮出願第６３／１８６，９９０号（出願日：２０２１年５月１１日、名称：「加圧重水炉のトリウムベース燃料設計」）に基づく優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、米国特許仮出願第６３／１８６，９９０号（出願日：２０２１年５月１１日、名称：「加圧重水炉のトリウムベース燃料設計」）に基づく優先権を主張し、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
様々な実施形態は、全般的に、加圧重水炉（「ＰＨＷＲ」）用の燃料ペレット、ピン、バンドル、および炉心装荷に関し、特に、当該ペレット、ピン、バンドル、および炉心用のトリウムベースの燃料組成物に関する。
【背景技術】
【0003】
２２０ＭＷｅの加圧重水炉は、原子炉容器１０を有する重水減速重水冷却炉である。原子炉は、高圧の冷却材が流れる水平圧力管の形態を有する３０６本の燃料チャネルを含む。各チャネルには１２本の燃料バンドルがあるが、炉心には１０本しかない。高温の燃料チャネルを低温の減速材から隔離するため、圧力管は重水減速材で囲まれたカランドリア管に装荷される。圧力管は格子ピッチ２２．８４ｃｍの正方格子状に配置されている。重水減速材反射体および例示的な燃料バンドルを含む炉心２０の形状を図１に示す。図１では、例示的なバンドルは２つのみ示されているが、追加の燃料バンドル（図１には示されていない）が３０６本の各チャネルに設けられていることを理解されたい。
【0004】
燃料バンドルは、１バンドルあたり１９本の燃料ピンの集合体である。燃料バンドルの全長は４９．５３ｃｍである。燃料はジルカロイ－４ピンで被覆された二酸化ウランペレットの形態である。燃料スタックの長さは４８．１ｃｍであり、燃料ピンは、燃料ピンの端部に溶接されたエンドキャップで密閉されている。燃料バンドルの構造的完全性を維持するため、２枚のエンドプレートが燃料ピンのエンドキャップに溶接されている。
【0005】
燃料チャネルに加え、炉心には多くの反応度制御装置がある。すべての反応度装置は燃料チャネルに対して垂直で、原子炉圧力容器を上から下まで貫通している。原子炉の出力調整は、通常８０％挿入されている２本の出力調整棒によって行われる。出力形状の制御とキセノンオーバーライドのために、４本の調節棒が取り付けられており、これらは通常は完全に挿入されている。原子炉の停止は、通常炉心外に保管されている１４本の停止棒からなる一次停止システムによって行われる。緊急時や一次停止システムの故障時には、１２個の液体毒物コンパートメントからなる二次停止システムによって、停止機能を独立して提供することができる。これらの液体コンパートメントは通常ヘリウムガスで満たされており、必要に応じて液体中性子毒を短時間で注入し、原子炉を安全に停止させる。さらに、原子炉には２本のシム棒があり、必要に応じてシムモード運転をサポートする。これらは通常炉心外に保管されている。
【0006】
カナダ特許出願公開第２８１０１３３号明細書は、トリウムを含む核燃料バンドルおよび当該核燃料バンドルを含む原子炉を開示している。米国特許出願公開第２０１６／００３５４４１号も参照されたい。
【発明の概要】
【0007】
一または複数の非限定的な実施形態は、本明細書で開示され、特許請求されるように、加圧重水炉用のトリウムベースの燃料（例えば、燃料ペレット、燃料ピン、および／または燃料バンドル）、ならびにその製造方法および使用方法を提供する。
【0008】
一または複数の非限定的な実施形態は、加圧重水炉で使用されるように構成された新鮮な燃料ペレットを提供する。燃料ペレットにはトリウム燃料とウラン燃料が含まれる。燃料ペレットの燃料組成は、トリウムが５５～９０ｗｔ％、ウランが１０～４５ｗｔ％である。ウランの235Ｕ濃縮度は１０．５％から２０％である。
【0009】
これらの実施形態の１つ以上によれば、ペレットは貫通孔を有する環状である。
【0010】
これらの実施形態の１つ以上によれば、貫通孔は０．３～１．０ｃｍの直径を有する。
【0011】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記燃料組成はトリウムが７０～９０ｗｔ％である。
【0012】
これらの実施形態のうちの一つ以上によれば、前記ウランの235Ｕ濃縮度は１５～１９％である。
【0013】
一または複数の非限定的な実施形態は、加圧重水炉で使用されるように構成された燃料ピンを提供する。燃料ピンは、密閉管と、本明細書に開示された実施形態の１つ以上による複数の燃料ペレットとを含む。前記複数の燃料ペレットは前記密閉管の内側に配置される。
【0014】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記燃料ピンの燃料組成は、トリウムが７０～８５ｗｔ％である。
【0015】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記複数の燃料ペレットの各々は、可燃性毒物を含む。
【0016】
一または複数の非限定的な実施形態は、加圧重水炉で使用されるように構成された燃料バンドルを提供する。燃料バンドルは、本明細書に開示された実施形態の１つによる複数の燃料ピンを含む。当該複数の燃料ピンのうちの少なくとも１つの燃料ピンの燃料組成は、当該複数の燃料ピンのうちの少なくとも１つの他の燃料ピンの燃料組成と異なる。
【0017】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記燃料バンドルは、２２０ＭＷｅ加圧重水炉で使用されるように成形および構成され、前記複数の燃料ピンは、１本の中央燃料ピンと、前記１本の中央燃料ピンから半径方向外側に配置された６本の中間燃料ピンと、前記６本の中間燃料ピンから半径方向外側に配置された１２本の外側燃料ピンとを含む、正確に１９本の燃料ピンからなる。前記中央燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成に占めるトリウムの重量割合よりも低い。
【0018】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が５５～７５ｗｔ％であり、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６５～９０ｗｔ％であり、前記１２本の外側燃料ピンの各々は、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々よりもトリウムの含有重量割合が高い。
【0019】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンの燃料組成は、前記６本の中間燃料ピンの各々よりもトリウムの含有重量割合が低く、前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成よりもトリウムの含有重量割合が低い。
【0020】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンの燃料組成は、トリウムの含有割合が５５～７０ｗｔ％であり、前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６０～８０ｗｔ％であり、前記１２本の外側燃料ピンの各々の燃料組成は、トリウムの含有割合が６５～９０ｗｔ％である。
【0021】
これらの実施形態の１つ以上によれば、燃料バンドルは、前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物をさらに含む。
【0022】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記外側燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物は配置されていない。
【0023】
これらの実施形態の１つ以上によれば、燃料バンドルは、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物をさらに含み、前記外側燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物は配置されていない。
【0024】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された前記可燃性毒物はユーロピウムを含む。
【0025】
これらの実施形態の１つ以上によれば、燃料バンドルは、前記１２本の外側燃料ピンの各々の前記密閉管内に配置された可燃性毒物を含む。
【0026】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンまたは前記中間燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物は配置されていない。
【0027】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記燃料バンドルの前記燃料ピンのうちのいずれの前記密閉管内にも可燃性毒物は配置されていない。
【0028】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピン、前記中間燃料ピン、および前記外側燃料ピンの各々のウランの235Ｕ濃縮度は少なくとも１２％である。
【0029】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピン、前記中間燃料ピン、および前記外側燃料ピンの各々の燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度は少なくとも１５％である。
【0030】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記１２本の外側燃料ピンの各々の前記燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度は、前記中央燃料ピンと前記６本の中間燃料ピンの各々の燃料ペレットの各々のウランの235Ｕ濃縮度よりも低い。
【0031】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記燃料バンドルは、ＣＡＮＤＵ型加圧重水炉で使用されるように成形および構成され、前記複数の燃料ピンは、正確に３７本の燃料ピンからなり、当該３７本の燃料ピンは、１本の中央燃料ピンと、前記１本の中央燃料ピンから半径方向外側に配置された６本の第１リング燃料ピンと、前記６本の第１リング燃料ピンから半径方向外側に配置された１２本の第２リング燃料ピンと、前記１２本の第２リング燃料ピンから半径方向外側に配置された１８本の外側リング燃料ピンと、を含む。
【0032】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、前記第２リング燃料ピンと前記外側リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合よりも低い。
【0033】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンと前記第１リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、５０～７０ｗｔ％であり、前記第２リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、６０～９０ｗｔ％であり、前記外側リング燃料ピンの燃料組成に占めるトリウムの重量割合は、７５～９９ｗｔ％である。
【0034】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピンおよび前記第１リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度は、前記第２リング燃料ピンまたは前記外側リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度よりも高い。
【0035】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記第２リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度は、前記外側リング燃料ピンのウランの235Ｕ濃縮度よりも高い。
【0036】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記中央燃料ピン、前記第１リング燃料ピン、および前記第２リング燃料ピンはそれぞれ可燃性毒物を含む。
【0037】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記可燃性毒物は酸化ユーロピウムを含む。
【0038】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記外側リング燃料ピンは可燃性毒を含まない。
【0039】
一または複数の非限定的な実施形態は、原子炉容器と、前記原子炉容器内に配置された炉心とを備える加圧重水炉を提供する。前記炉心は、本明細書に開示された実施形態の１つ以上による複数の燃料バンドルを含む。前記複数の燃料バンドルは、第１のタイプの燃料バンドルと第２のタイプの燃料バンドルを含む。前記第１のタイプの燃料バンドルは、可燃性毒物を含む。前記第２のタイプの燃料バンドルは、可燃性毒物を含まない。
【0040】
これらの実施形態の１つ以上によれば、前記第１および第２のタイプの燃料バンドルは、前記第２のタイプの燃料バンドルが可燃性毒物を含むことを除いて、互いに同一である。
【0041】
一または複数の実施形態は、加圧重水炉で使用するように構成された燃料ペレットを提供する。燃料ペレットにはトリウム燃料とウラン燃料が含まれる。燃料ペレットの燃料組成は、トリウムが５５～９０ｗｔ％、ウランが１０～４５ｗｔ％である。ウランの235Ｕ濃縮度は５％から２０％である。前記燃料ペレットは貫通孔を有する環状である。
【0042】
バンドル、ピン、および／またはペレットを原子炉から取り出した後のこれらの実施形態の１つ以上によれば、使用済燃料ペレット、ピン、および／またはバンドル内の全同位体ウラン濃度（使用済燃料ペレット、ピン、及びバンドルに占める重量割合）は、１２、１１、１０、９、８、および／または７％未満である。
【0043】
本発明の様々な実施形態のこれらおよび／または他の態様の１つ以上、並びに関連する構造要素の動作方法および機能、そして製造における各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ、以下の説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってより明らかになるであろう。これらは何れも本明細書の一部を構成する。本明細書において、同様の参照符号は種々の図における対応部分を表す。一実施形態において、本明細書に例示される構造部品は、正確な縮尺で描かれている。しかしながら、添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。更に、本明細書における任意の一実施形態に示される、または説明される構造的特徴は、他の各実施形態においても用いられ得ることが理解されるべきである。本明細書および特許請求の範囲における用法によれば、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によって別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。
【0044】
本明細書において開示されるすべての閉鎖式の値の範囲（例えば、「ＡとＢの間」）及び開放式の値の範囲（例えば、「Ｃより大きい」）は、その範囲内のすべての範囲を明示的に含む。例えば、１から１０までと開示された範囲は、２から１０まで、１から９まで、３から９まで、などの範囲をも開示しているものと理解される。同様に、複数のパラメータ（例えば、パラメータＣ、パラメータＤ）が範囲を有するものとして別個に開示されている場合、本明細書に開示される実施形態は、一のパラメータ（例えば、パラメータＣ）の開示された範囲内の任意の値を、他の任意のパラメータ（例えば、パラメータＤ）の開示された範囲内の任意の値と組み合わせた実施形態を、明示的に包含する。
【図面の簡単な説明】
【0045】
様々な実施形態並びにそれらの他の目的および更なる特徴をより理解するために、以下の説明を添付図面を参照しつつ記載する。
【0046】
【図1】一又は複数の実施形態による加圧重水炉の概略端面図である。
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【図6】ＣＡＮＤＵ原子炉の一又は複数の非限定的な代替実施形態による燃料バンドルおよび原子炉の一部の概略端面図である。
【0054】
【発明を実施するための形態】
【0055】
２２０ＭＷｅ加圧重水炉は、インドで開発・運転されている標準化された加圧重水炉設計である。このよく知られたタイプの原子炉は、物理的にインドに設置されていなくても、以下では「２２０ＭＷｅ加圧重水炉」と呼称する。
【0056】
インド型２２０ＭＷｅ加圧重水炉は、低燃焼度のオープン燃料サイクルで天然ウラン（すなわち非濃縮ウラン）を使用する。天然ウランの使用、プルトニウム生産のための利用の可能性、並びに放射性廃棄物への懸念から、現在の設計では輸出は好まれず、利用は国内の電力生産に限定されている。２２０ＭＷｅ加圧重水炉では、使用済み燃料の燃焼度は低い。本発明の様々な非限定的実施形態は、核拡散と核廃棄物の懸念に対処するため、２２０ＭＷｅ加圧重水炉で使用する代替燃料サイクルを提供する。本発明の様々な非限定的実施形態は、トリウムベースの高燃焼度ワンススルー燃料サイクルのための２２０ＭＷｅ設計の適応に基づいており、トリウム－ＬＥＵ燃料バンドル１００を含む炉心２００を収容する原子炉１０を有する２２０ＭＷｅのトリウム加圧重水炉５を提供する。
【0057】
図２に示すように、原子炉１０は、燃料バンドル１００が配置されるチャネルを画定する複数のカランドリア管３０および圧力管４０を含む。カランドリア管３０及び圧力管４０は、１つ又は複数の実施形態が対象とする従来の２２０ＭＷｅ加圧重水炉の周知の構成要素であるので、２２０ＭＷｅ加圧重水炉のこれらの従来の構成要素に関する網羅的な説明は省略する。
【0058】
様々な実施形態によれば、トリウムベースの燃料サイクルは、核拡散リスクを低減または排除する。その理由は、核分裂性プルトニウムの増殖が顕著ではなく、またウラン２３３が、関連するウラン２３２の汚染のために、核兵器に使用するには実用的ではないからである。一方、高燃焼度燃料サイクルは、放射性廃棄物の発生量が大幅に削減されるため好まれる。様々な非限定的実施形態によれば、加圧重水炉のトリウム－ＬＥＵ燃料は、すべての水炉タイプの中で最も優れた核拡散抵抗性を提供することができる。
【0059】
本発明の様々な非限定的な実施形態によれば、２２０ＭＷｅ加圧重水炉（図１参照）の全体的なシステムとプラント設計は、２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉５、１０を形成するに際して、現行の２２０ＭＷｅ加圧重水炉から維持される。本発明の様々な非限定的実施形態によれば、燃料バンドル１００は、高燃焼度トリウム燃料サイクルを提供する。
【0060】
本発明の様々な非限定的な実施形態によれば、設計変更（２２０ＭＷｅ加圧重水炉を２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉５、１０に変換）の影響は、プラント５の全体ではなく、炉心２０の特性に限定されるため、変更された設計の実装とライセンス取得に必要な労力を軽減することができる。
【0061】
本発明の様々な非限定的な実施形態によれば、設計変更の影響は、以下のうちの１つ以上を含み得る。
ｉ）２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉５，１０の炉心２０の原子炉物理特性は、燃料組成の変更とトリウム燃料特有の中性子特性のために全く異なる。
ｉｉ）高燃焼度サイクルの適応は、現行／従来の燃料バンドルの構造が低燃焼度燃料サイクルで使用されていることを考慮すると、燃料バンドル１００の構造的完全性に課題をもたらす可能性がある。
ｉ）２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉５，１０の炉心２０の原子炉物理特性は、燃料組成の変更とトリウム燃料特有の中性子特性のために全く異なる。
ｉｉ）高燃焼度サイクルの適応は、現行／従来の燃料バンドルの構造が低燃焼度燃料サイクルで使用されていることを考慮すると、燃料バンドル１００の構造的完全性に課題をもたらす可能性がある。
【0062】
本発明の様々な非限定的実施形態によれば、トリウム燃料サイクルは、以下の制限に基づく。
ｉ）燃料バンドルの設計変更は、燃料ピンの内部寸法に限定され、燃料バンドルの全体的な形状や構造は現行／従来の設計を維持する。この制限により、炉心の安全性および設計解析の大部分は、本発明の様々な非限定的実施形態に適用できる。
ｉｉ）燃料バンドルと炉心の設計を最適化する際、運転中の２２０ＭＷｅ加圧重水炉に課せられている現在の出力制限を、２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉１０でも尊重する。この制限は、熱伝達システムおよび熱水力学の現在の設計が、修正を必要とすることなく、本発明の様々な非限定的実施形態に適用されることを意味する。
ｉ）燃料バンドルの設計変更は、燃料ピンの内部寸法に限定され、燃料バンドルの全体的な形状や構造は現行／従来の設計を維持する。この制限により、炉心の安全性および設計解析の大部分は、本発明の様々な非限定的実施形態に適用できる。
ｉｉ）燃料バンドルと炉心の設計を最適化する際、運転中の２２０ＭＷｅ加圧重水炉に課せられている現在の出力制限を、２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉１０でも尊重する。この制限は、熱伝達システムおよび熱水力学の現在の設計が、修正を必要とすることなく、本発明の様々な非限定的実施形態に適用されることを意味する。
【0063】
本発明の様々な非限定的実施形態によれば、トリウム燃料を用いたワンススルー高燃焼度原子炉サイクルが提供される。
【0064】
一又は複数の非限定的な実施形態は、２２０ＭＷｅ加圧重水炉の全ての設計上の特徴を可能な限り維持している。このようなアプローチは、原子炉の安全状態を確立するために必要な労力を最小化することにつながり、近い将来、一又は複数の非限定的な実施形態を実用化することが可能になる。炉心側では、炉心の形状、燃料チャネルの数、炉心の大きさに変更はない。燃料バンドル側では、燃料ピンの外形寸法や燃料バンドルの形状に変更はない。すなわち、一又は複数の非限定的な実施形態は、全長４９．５３ｃｍの燃料ピンを１９本収容する燃料バンドル１００を提供する。様々な非限定的な実施形態による燃料バンドル１００の設計の変更は、以下のものに限定され得る。
ｉ）燃料組成、および／または
ｉｉ）燃料ピン２００の内部設計と構造。
ｉ）燃料組成、および／または
ｉｉ）燃料ピン２００の内部設計と構造。
【0065】
以下により詳細に説明するように、トリウム加圧重水炉５は、燃料バンドル１００からなる炉心２０を収容する原子炉および原子炉容器１０（図１では円形で示す）を含む。燃料バンドル１００は燃料ピン２００からなる。燃料ピン２００は、燃料ペレット３００が充填された密閉管２１０を含む。
【0066】
一又は複数の実施形態による各ペレット３００の燃料組成は、低濃縮ウラン（ＬＥＵ）を含むトリウム－ウラン混合酸化物である。初期の設計研究では、燃料組成はトリウム８０重量％、ウラン濃縮度２０％に指定されていた。
【0067】
本明細書では、「トリウム」および「酸化トリウム」という用語は互換的に使用され、どちらも酸化トリウム（ＴｈＯ2）を指す。同様に、本明細書では、「ウラン」および「酸化ウラン」という用語は互換的に使用され、どちらも酸化ウラン（ＵＯ2）を指す。
【0068】
燃料性能解析によると、現在の設計を使用した場合、高燃焼度条件下で大きな核分裂ガス放出と燃料ピン内圧が予想される。さらに、被覆管の過度の損傷も予測された。これら２つの問題に対処するため、燃料バンドル１００の設計は以下のように変更された。
ｉ）核分裂ガスを収容し、ピン２００の内圧を下げるため、燃料ペレット３００に中心孔３１０が導入された（図２、３参照）。
ｉｉ）被覆管とペレットの相互作用を減らすため、初期の燃料－被覆管ギャップを大きくした。
ｉｉｉ）照射損傷による燃料ピンの完全性への影響を低減するため、被覆管の厚さを増加させた。
ｉｖ）最後に、高燃焼度で実績のある先進的な被覆管材料（ジルコニウム、ＺｉｒｌｏTMなど）が選ばれた。
ｉ）核分裂ガスを収容し、ピン２００の内圧を下げるため、燃料ペレット３００に中心孔３１０が導入された（図２、３参照）。
ｉｉ）被覆管とペレットの相互作用を減らすため、初期の燃料－被覆管ギャップを大きくした。
ｉｉｉ）照射損傷による燃料ピンの完全性への影響を低減するため、被覆管の厚さを増加させた。
ｉｖ）最後に、高燃焼度で実績のある先進的な被覆管材料（ジルコニウム、ＺｉｒｌｏTMなど）が選ばれた。
【0069】
燃料ペレット３００
【0070】
図３に示すように、各燃料ペレット３００は、中央に軸方向に延びる貫通孔３１０を有する概ね円筒形の環状形状を有する。様々な非限定的実施形態によれば、燃料ペレット３００は以下の物理的パラメータを有する。
ｉ）燃料ペレット３００の外径：少なくとも０．９、１．０、１．１、１．２、および／または１．３ｃｍ、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、および／または１．０ｃｍ以下、任意の２つのそのような値の間（例えば、０．９～２．０ｃｍ、１．１～１．７ｃｍ、１．２～１．４ｃｍ、１．３～１．４ｃｍ、約１．３７６ｃｍ）。
ｉｉ）燃料ペレット中心孔直径：少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、および／または０．９ｃｍ、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、および／または０．３ｃｍ以下、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．１～１．１ｃｍ、０．２～１．０ｃｍ、０．４～０．８ｃｍ、０．５～０．７ｃｍ、約０．６ｃｍ）。
ｉｉｉ）燃料ペレット軸方向長さ：少なくとも０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、および／または１．５ｃｍ、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、および／または０．７ｃｍ以下、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．６～２．０ｃｍ、０．８～１．２ｃｍ、０．９～１．１ｃｍ、約１．０ｃｍ）。
ｉｖ）燃料ペレット３００の真密度：９７％。
ｖ）燃料ペレットの表面粗さ：商用の加圧重水炉燃料と同程度の０．７６μｍ。
ｖｉ）燃料ペレット粒径：１０～６０μｍ。
ｉ）燃料ペレット３００の外径：少なくとも０．９、１．０、１．１、１．２、および／または１．３ｃｍ、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、および／または１．０ｃｍ以下、任意の２つのそのような値の間（例えば、０．９～２．０ｃｍ、１．１～１．７ｃｍ、１．２～１．４ｃｍ、１．３～１．４ｃｍ、約１．３７６ｃｍ）。
ｉｉ）燃料ペレット中心孔直径：少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、および／または０．９ｃｍ、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、および／または０．３ｃｍ以下、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．１～１．１ｃｍ、０．２～１．０ｃｍ、０．４～０．８ｃｍ、０．５～０．７ｃｍ、約０．６ｃｍ）。
ｉｉｉ）燃料ペレット軸方向長さ：少なくとも０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、および／または１．５ｃｍ、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、および／または０．７ｃｍ以下、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．６～２．０ｃｍ、０．８～１．２ｃｍ、０．９～１．１ｃｍ、約１．０ｃｍ）。
ｉｖ）燃料ペレット３００の真密度：９７％。
ｖ）燃料ペレットの表面粗さ：商用の加圧重水炉燃料と同程度の０．７６μｍ。
ｖｉ）燃料ペレット粒径：１０～６０μｍ。
【0071】
図３に示すように、穴とペレット３００の軸方向端部との間の交差部は面取りされており、これにより、装填中および取り扱い中のペレットの欠けを減少させ、照射の結果としてペレットが膨張したときに、ペレットおよび／または管のひずみを減少させることができる。
【0072】
様々な実施形態によれば、各ペレット３００（ひいては、そのようなペレット３００で構成された各燃料ピン２００）の燃料組成（重量％ベース）は、以下の構成からなる。
ｉ）少なくとも５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、および／または９０ｗｔ％のトリウム（例えば、酸化トリウム）、１００、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、および／または５５％以下のトリウム、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、５０～９５ｗｔ％のトリウム、６０～９０ｗｔ％のトリウム、６５～８５ｗｔ％のトリウム）、
ｉｉ）少なくとも５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、および／または５０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、５０、４９、４８、４７、４６、４５、４４、４３、４２、４１、４０、３９、３８、３７、３６、３５、３４、３３、３２、３１、３０、２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、および／または５ｗｔ％以下の酸化ウランＬＥＵ、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、５～５０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、１０～４０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、１０～３０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、約３０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、約１５ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ）、および
ｉｉｉ）任意選択で、少なくとも０．０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、および／または０．３ｗｔ％（ペレット全体の重量に対する％）の可燃性毒物（例えば、酸化ホウ素）、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、および／または０．２ペレットｗｔ％未満、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．０～１．０ペレットｗｔ％、０．５～０．３ペレットｗｔ％、０．１～０．３ペレットｗｔ％、０．１５～０．３ペレットｗｔ％、０．２～０．３ペレットｗｔ％、約０．２２ペレットｗｔ％）の濃度の酸化ホウ素などの可燃性毒物。酸化ホウ素以外の可燃性毒物を使用する場合は、等価な量／濃度のそのような他の材料を使用することができる。以下に説明するように、このような可燃性毒物は、特定の燃料ピン（例えば、以下に説明する中間リング燃料ピン２００ｂ）に使用される特定の燃料ペレット３００ａ’に含まれ得る。
特に断りのない限り、本明細書に記載されている組成のパーセンテージはすべて重量％（ｗｔ％）である。
ｉ）少なくとも５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、および／または９０ｗｔ％のトリウム（例えば、酸化トリウム）、１００、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、および／または５５％以下のトリウム、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、５０～９５ｗｔ％のトリウム、６０～９０ｗｔ％のトリウム、６５～８５ｗｔ％のトリウム）、
ｉｉ）少なくとも５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、３０、３１、３２、３３、３４、３５、３６、３７、３８、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９、および／または５０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、５０、４９、４８、４７、４６、４５、４４、４３、４２、４１、４０、３９、３８、３７、３６、３５、３４、３３、３２、３１、３０、２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、および／または５ｗｔ％以下の酸化ウランＬＥＵ、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、５～５０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、１０～４０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、１０～３０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、約３０ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ、約１５ｗｔ％の酸化ウランＬＥＵ）、および
ｉｉｉ）任意選択で、少なくとも０．０、０．０５、０．１、０．１５、０．２、および／または０．３ｗｔ％（ペレット全体の重量に対する％）の可燃性毒物（例えば、酸化ホウ素）、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、および／または０．２ペレットｗｔ％未満、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．０～１．０ペレットｗｔ％、０．５～０．３ペレットｗｔ％、０．１～０．３ペレットｗｔ％、０．１５～０．３ペレットｗｔ％、０．２～０．３ペレットｗｔ％、約０．２２ペレットｗｔ％）の濃度の酸化ホウ素などの可燃性毒物。酸化ホウ素以外の可燃性毒物を使用する場合は、等価な量／濃度のそのような他の材料を使用することができる。以下に説明するように、このような可燃性毒物は、特定の燃料ピン（例えば、以下に説明する中間リング燃料ピン２００ｂ）に使用される特定の燃料ペレット３００ａ’に含まれ得る。
特に断りのない限り、本明細書に記載されている組成のパーセンテージはすべて重量％（ｗｔ％）である。
【0073】
以下にさらに詳しく説明するように、燃料ペレット３００の中には、ウランを完全に除去し、その結果得られるペレット３００ｃの燃料組成が１００％トリウムとなるものもある。以下に説明するように、ペレット３００ｃはトリウム燃料ピン２００ｄに使用され、これはトリウムバンドル１００ｃに使用される。
【0074】
様々な実施形態によれば、異なる燃料組成の燃料ペレット３００を単一のピン２００内、または異なるピン２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、２００ｄ内で使用することができる。例えば、図４に示すように、１つ以上の実施形態によれば、
ｉ）中央燃料ピン２００ａで使用される燃料ペレット３００ａの燃料組成は、トリウム７０％、ウラン３０％であり、
ｉｉ）中間リング燃料ピン２００ｂに使用される燃料ペレット３００ａ’の燃料組成は、トリウム約７０％、ウラン約３０％、および酸化ホウ素（または他の可燃性毒物）０．２２ｗｔ％であり、
ｉｉｉ）特定の外側燃料ピン２００ｃに使用される燃料ペレット３００ｂの燃料組成は、トリウム８５％およびウラン１５％であり、
ｉｖ）他の特定の燃料ピン２００ｄおよび燃料バンドル３００ｃに使用される燃料ペレット３００ｃの燃料組成は、トリウム１００％である。
ｉ）中央燃料ピン２００ａで使用される燃料ペレット３００ａの燃料組成は、トリウム７０％、ウラン３０％であり、
ｉｉ）中間リング燃料ピン２００ｂに使用される燃料ペレット３００ａ’の燃料組成は、トリウム約７０％、ウラン約３０％、および酸化ホウ素（または他の可燃性毒物）０．２２ｗｔ％であり、
ｉｉｉ）特定の外側燃料ピン２００ｃに使用される燃料ペレット３００ｂの燃料組成は、トリウム８５％およびウラン１５％であり、
ｉｖ）他の特定の燃料ピン２００ｄおよび燃料バンドル３００ｃに使用される燃料ペレット３００ｃの燃料組成は、トリウム１００％である。
【0075】
様々な実施形態によれば、燃料ペレット３００のＬＥＵは、少なくとも５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、および／または１６％の235Ｕ濃縮度、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、および／または６％以下の235Ｕ濃縮度、および／または任意の２つのそのような値の間の任意の値（例えば、５～２０％、１０～１８％、１２～１６％、約１３％、約１５％の235Ｕ濃縮度）を有する。様々な実施形態によれば、ＬＥＵの235Ｕ濃縮度は、単一のピン２００内の異なる燃料ペレット３００間で異なる。様々な実施形態によれば、図４に示すように、１つ以上のピン２００ａ、２００ｂで使用される燃料ペレット３００ａ、３００ａ’のＬＥＵの235Ｕ濃縮度（例えば、１３．０％の濃縮度）は、１つ以上の他のピン２００ｃで使用される燃料ペレット３００ｂのＬＥＵの濃縮度（例えば、１５％の濃縮度）よりも低い。図４に示す実施形態では、濃縮度の差は２．０絶対％（１３％対１５％）である。しかしながら、代替実施形態によれば、濃縮度の絶対差は、より高くても低くてもよい。例えば、少なくとも０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．５、３．０、３．５、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、７．０、８．０、９．０、および／または１０．０絶対％の差、１０．０、９．０、８．０、７．０、６．０、５．５、５．０、４．５、３．０、２．５、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、および／または０．２絶対％未満の差、および／または任意の２つのそのような値の間（例えば、０．２～１０．０絶対％の差、１．０～８．０絶対％の差、約２絶対％の差）である。本明細書で使用される場合、濃縮度の差は、パーセンテージの相対的な差ではなく、絶対的な差を意味する。したがって、５％濃縮ＬＥＵと１５％濃縮ＬＥＵの差は、２００％ではなく、１０％（１５％から５％を引いた値）である。
【0076】
燃料ピン２００
【0077】
図２に示すように、各燃料ピン２００は、密閉された被覆管２１０を含む。様々な実施形態によれば、密閉管２１０は、各端部にエンドキャップが（例えば、溶接を介して）取り付けられた環状管からなる。軸方向に整列された４０～５０個（例えば、４８個）の燃料ペレット３００が密閉管２１０内に配置されるが、本発明の範囲から逸脱することなく、ピン２００当たりにより多いまたはより少ないペレット３００を使用することができる。例えば、核分裂ガスが蓄積するスペースを確保するために、ペレット３００の数を少なくすることができる。例えば、ペレット３００を軸方向に短くすれば、より多くのペレット３００を使用することができる。様々な実施形態によれば、管２１０は１．４０ｃｍの内径と０．０６ｃｍの厚さを有する。管２１０は、そのエンドキャップを含め、任意の適切な材料（例えば、ジルコニウム合金）から構成され得る。様々な実施形態によれば、密閉管２１０の内部空洞は、充填剤（例えば、ヘリウム）を介して０．５Ｍｐａまで加圧充填される。
【0078】
図４に示すように、ピン２００の異なるバリエーションには、以下のように異なるタイプの燃料ペレット３００が充填される。
ｉ）燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａと燃料組成が一致するように、燃料ペレット３００ａから構成される（例えば、トリウム７０％、ウラン３０％（濃縮度１３％））。
ｉｉ）燃料ピン２００ｂ
ｉ）燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａと燃料組成が一致するように、燃料ペレット３００ａから構成される（例えば、トリウム７０％、ウラン３０％（濃縮度１３％））。
ｉｉ）燃料ピン２００ｂ
【0079】
燃料バンドル１００
【0080】
図２に示すように、各燃料バンドル１００は複数の燃料ピン２００で構成されている。一実施形態による２２０ＭＷｅトリウム加圧重水炉１０の場合、燃料バンドル１００は、１９本の燃料ピン２００、すなわち、１本の中央燃料ピン２００ａと、中央燃料ピン２００ａから半径方向外側にリング状に配置された６本の中間燃料ピン２００ｂと、ピン２００ｂの中間リングから半径方向外側にリング状に配置された１２本の外側燃料ピン２００ｃとを含む。
【0081】
従来の燃料バンドルと同様に、燃料ピン２００ａ、２００ｂ、２００ｃの軸方向端部には、冷却材が通過する開口部を備えた円形のエンドプレートが溶接などで取り付けられており、ピン２００を図２に示す位置に維持している。
【0082】
これらを考慮して、図４に示すように、１つまたは複数の実施形態による燃料バンドル１００ａの燃料組成を以下のように決定した。
ｉ）中央燃料ピン２００ａは、トリウム７０ｗｔ％とウラン３０ｗｔ％（具体的には235Ｕ濃縮度１３％のウラン）の組成を有する燃料を含む。この燃料組成は、様々な実施形態に従って、燃料ピン２００ａに燃料ペレット３００ａを充填することによって達成される。
ｉｉ）中間リングの燃料ピン２００ｂは、概ね燃料ピン２００ａと類似しているが、燃料ピン２００ｂは、可燃性毒物を除いた燃料ペレット３００ａではなく、可燃性毒物（例えば、０．２２ペレットｗｔ％の酸化ホウ素または他の同等の材料と配置の組み合わせ）も含む燃料ペレット３００ａ’で充填されている点で異なっている。したがって、燃料ピン２００ｂおよび燃料ペレット３００ａ’は、少量のトリウムおよびウランが可燃性毒物に置き換わるため、燃料ピン２００ａおよび燃料ペレット３００ａよりもトリウムおよびウランがわずかに少ない。
ｉｉｉ）外側リングの燃料ピン２００ｃの燃料組成は、トリウム８５ｗｔ％とウラン１５ｗｔ％（具体的には235Ｕ濃縮度１５％のウラン）である。この燃料組成は、様々な実施形態に従って、一致する燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂをピン２００ｃに充填することによって達成される。
ｉ）中央燃料ピン２００ａは、トリウム７０ｗｔ％とウラン３０ｗｔ％（具体的には235Ｕ濃縮度１３％のウラン）の組成を有する燃料を含む。この燃料組成は、様々な実施形態に従って、燃料ピン２００ａに燃料ペレット３００ａを充填することによって達成される。
ｉｉ）中間リングの燃料ピン２００ｂは、概ね燃料ピン２００ａと類似しているが、燃料ピン２００ｂは、可燃性毒物を除いた燃料ペレット３００ａではなく、可燃性毒物（例えば、０．２２ペレットｗｔ％の酸化ホウ素または他の同等の材料と配置の組み合わせ）も含む燃料ペレット３００ａ’で充填されている点で異なっている。したがって、燃料ピン２００ｂおよび燃料ペレット３００ａ’は、少量のトリウムおよびウランが可燃性毒物に置き換わるため、燃料ピン２００ａおよび燃料ペレット３００ａよりもトリウムおよびウランがわずかに少ない。
ｉｉｉ）外側リングの燃料ピン２００ｃの燃料組成は、トリウム８５ｗｔ％とウラン１５ｗｔ％（具体的には235Ｕ濃縮度１５％のウラン）である。この燃料組成は、様々な実施形態に従って、一致する燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂをピン２００ｃに充填することによって達成される。
【0083】
燃料バンドル１００の燃料組成を図４にまとめる。
【0084】
様々な代替実施形態によれば、燃料ピン２００、２００ａ、２００ｂの燃料組成はいずれも、本発明の範囲から逸脱することなく、上述の燃料組成（またはさらなる代替燃料組成）のいずれかを有する燃料ペレット３００を使用することによって変化させることができる。
【0085】
このような様々な組み合わせの結果は以下の通りである。
ｉ）Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ａは以下の通り構成される。
（１）Ｔｈ／Ｕ中心燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａ（７０％Ｔｈ、３０％Ｕ（濃縮度１３％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（２）６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂは、燃料ペレット３００ａ’（７０ｗｔ％Ｔｈ、３０ｗｔ％Ｕ（濃縮度１３％）、０．２２ペレットｗｔ％の酸化ホウ素の燃料組成）から構成される。
（３）１２本の外側燃料ピン２００ｃは、燃料ペレット３００ｂ（８５ｗｔ％Ｔｈ、１５ｗｔ％Ｕ（濃縮度１５％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
ｉｉ）Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ｂは、６つの中間燃料ピン２００ｂのペレット３００ａ’に可燃性毒物が含まれていない（したがって、これらの中間燃料ピン２００ｂを中央燃料ピン２００ａと実質的に同一にする）ことを除いて、Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ａと概ね同一であってもよい。その結果、燃料バンドル１００ｂは、可燃性毒物を含まず、以下の構成を有する。
（１）Ｔｈ／Ｕ中心燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａ（７０％Ｔｈ、３０％Ｕ（濃縮度１３％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（２）６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂは、燃料ペレット３００ａ（７０ｗｔ％Ｔｈ、３０ｗｔ％Ｕ（濃縮度１３％））から構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（３）１２本の外側燃料ピン２００ｃは、燃料ペレット３００ｂ（８５ｗｔ％Ｔｈ、１５ｗｔ％Ｕ（濃縮度１５％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
ｉｉｉ）Ｔｈ燃料バンドル１００ｃは、Ｔｈ燃料ペレット３００ｃ（１００％トリウム）を含む燃料ピン２００ｄで構成され、可燃性毒物は含まれていない。
ｉ）Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ａは以下の通り構成される。
（１）Ｔｈ／Ｕ中心燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａ（７０％Ｔｈ、３０％Ｕ（濃縮度１３％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（２）６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂは、燃料ペレット３００ａ’（７０ｗｔ％Ｔｈ、３０ｗｔ％Ｕ（濃縮度１３％）、０．２２ペレットｗｔ％の酸化ホウ素の燃料組成）から構成される。
（３）１２本の外側燃料ピン２００ｃは、燃料ペレット３００ｂ（８５ｗｔ％Ｔｈ、１５ｗｔ％Ｕ（濃縮度１５％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
ｉｉ）Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ｂは、６つの中間燃料ピン２００ｂのペレット３００ａ’に可燃性毒物が含まれていない（したがって、これらの中間燃料ピン２００ｂを中央燃料ピン２００ａと実質的に同一にする）ことを除いて、Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００ａと概ね同一であってもよい。その結果、燃料バンドル１００ｂは、可燃性毒物を含まず、以下の構成を有する。
（１）Ｔｈ／Ｕ中心燃料ピン２００ａは、燃料ペレット３００ａ（７０％Ｔｈ、３０％Ｕ（濃縮度１３％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（２）６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂは、燃料ペレット３００ａ（７０ｗｔ％Ｔｈ、３０ｗｔ％Ｕ（濃縮度１３％））から構成され、可燃性毒物は含まれていない。
（３）１２本の外側燃料ピン２００ｃは、燃料ペレット３００ｂ（８５ｗｔ％Ｔｈ、１５ｗｔ％Ｕ（濃縮度１５％））で構成され、可燃性毒物は含まれていない。
ｉｉｉ）Ｔｈ燃料バンドル１００ｃは、Ｔｈ燃料ペレット３００ｃ（１００％トリウム）を含む燃料ピン２００ｄで構成され、可燃性毒物は含まれていない。
【0086】
燃料バンドル、ピン、ペレットの代替組成
【0087】
本明細書に記載の燃料バンドル１００ａ、１００ｂ、ピン２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、およびペレット３００ａ、３００ａ’、３００ｂの組成は、様々な代替実施形態に従って様々な方法で変更することができる。
【0088】
燃料バンドル１００ａ、１００ｂ、および／または燃料ピン２００ａ、２００ｂ、２００ｃの１つまたは複数の代替実施形態によれば、燃料ペレット３００ａ、３００ａ’、３００ｂは、上述した実施形態の１つまたは複数よりも高い濃縮度のウランを利用することができる（例えば、（ａ）少なくとも１５、１６、１７、および／または１８％の235Ｕ濃縮度、（ｂ）１９．９５、１９、および／または１８％以下の235Ｕ濃縮度、および／または（ｃ）任意の２つのそのような上限値と下限値との間（例えば、１５～１９．９５％の235Ｕ濃縮度、１６～１９％の235Ｕ濃縮度、約１７．８％の235Ｕ濃縮度）。
【0089】
これらの実施形態の１つ以上によれば、ペレット３００ａ、３００ａ’、３００ｂの各々におけるウランの235Ｕ濃縮レベルは、燃料バンドル１００ａ、１００ｂ、燃料ピン２００ａ、２００ｂ、２００ｃ、および／または燃料ペレット３００ａ、３００ａ’、３００ｂの多くまたは全てにわたって標準化され得る。
【0090】
これらの実施形態の１つ以上によれば、可燃性毒物は、中間リング燃料ピン２００ｂおよびペレット３００ａ’ではなく、外側リングピン２００ｃおよびペレット３００ｂに設けることができる。様々な実施形態によれば、外側リングピン２００ｃおよびペレット３００ｂに使用される可燃性毒物は、酸化エルビウムを含み、その濃度は、（ａ）ペレットの少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、および／または１．３ｗｔ％、（ｂ）ペレットの３．０、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、および／または１．３ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、ペレットの０．１～３．０ｗｔ％、ペレットの１．０～２．０ｗｔ％、ペレットの約１．３ｗｔ％）である。
【0091】
これらの実施形態の１つ以上によれば、中間リングピン２００ｂのペレット３００ａ、３００ａ’中の燃料のトリウム濃度は、上述の実施形態の１つ以上におけるよりも高くてもよく、例えば、（ａ）燃料の少なくとも７１、７２、７３、７４、および／または７５ｗｔ％、（ｂ）燃料の８４、８３、８２、８１、８０、７９、７８、７７、７６、および／または７５ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、燃料の７１～８４ｗｔ％、燃料の７２～７８ｗｔ％、燃料の約７５ｗｔ％）である。
【0092】
図５は、これらの実施形態の１つ以上による燃料バンドル１００ａ、１００ｂの組成を示す図である。
【0093】
様々な代替実施形態によれば、Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００は以下の構成を有し得る。
ｉ）以下を含むＴｈ／Ｕ中央燃料ピン２００ａ。
（１）Ｔｈが６０％、Ｕが４０％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａと、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉ）以下を含む６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂ。
（１）Ｔｈが６５ｗｔ％、Ｕが３５ｗｔ％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａ’と、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉｉ）以下を含む１２本の外側燃料ピン２００ｃ。
（１）Ｔｈが７０ｗｔ％、Ｕが３０ｗｔ％（濃縮度１０％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂと、
（２）可燃性毒物は含まない。
様々な非限定的な実施形態によれば、異なる組成を有していた上述のバンドル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの代わりに、同じタイプの燃料バンドル（例えば、直前に記載したようなもの）を原子炉内の全ての位置で使用することができる。
ｉ）以下を含むＴｈ／Ｕ中央燃料ピン２００ａ。
（１）Ｔｈが６０％、Ｕが４０％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａと、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉ）以下を含む６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂ。
（１）Ｔｈが６５ｗｔ％、Ｕが３５ｗｔ％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａ’と、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉｉ）以下を含む１２本の外側燃料ピン２００ｃ。
（１）Ｔｈが７０ｗｔ％、Ｕが３０ｗｔ％（濃縮度１０％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂと、
（２）可燃性毒物は含まない。
様々な非限定的な実施形態によれば、異なる組成を有していた上述のバンドル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの代わりに、同じタイプの燃料バンドル（例えば、直前に記載したようなもの）を原子炉内の全ての位置で使用することができる。
【0094】
様々な代替実施形態によれば、Ｔｈ／Ｕ燃料バンドル１００は以下の構成を有し得る。
ｉ）以下を含むＴｈ／Ｕ中央燃料ピン２００ａ。
（１）Ｔｈが６０％、Ｕが４０％（濃縮度１６％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａと、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉ）以下を含む６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂ。
（１）Ｔｈが６５ｗｔ％、Ｕが３５ｗｔ％（濃縮度１６％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａ’と、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉｉ）以下を含む１２本の外側燃料ピン２００ｃ。
（１）Ｔｈが８０ｗｔ％、Ｕが２０ｗｔ％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂと、
（２）可燃性毒物は含まない。
様々な非限定的な実施形態によれば、異なる組成を有していた上述のバンドル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの代わりに、同じタイプの燃料バンドル（例えば、直前に記載したようなもの）を原子炉内の全ての位置で使用することができる。
ｉ）以下を含むＴｈ／Ｕ中央燃料ピン２００ａ。
（１）Ｔｈが６０％、Ｕが４０％（濃縮度１６％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａと、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉ）以下を含む６本のＴｈ／Ｕ中間燃料ピン２００ｂ。
（１）Ｔｈが６５ｗｔ％、Ｕが３５ｗｔ％（濃縮度１６％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ａ’と、
（２）０．６ｗｔ％のユーロピウム（Ｅｕ）可燃性毒物。
ｉｉｉ）以下を含む１２本の外側燃料ピン２００ｃ。
（１）Ｔｈが８０ｗｔ％、Ｕが２０ｗｔ％（濃縮度１５％）の燃料組成を有する燃料ペレット３００ｂと、
（２）可燃性毒物は含まない。
様々な非限定的な実施形態によれば、異なる組成を有していた上述のバンドル１００ａ、１００ｂ、１００ｃの代わりに、同じタイプの燃料バンドル（例えば、直前に記載したようなもの）を原子炉内の全ての位置で使用することができる。
【0095】
ＣＡＮＤＵ型６００ＭＷｅ原子炉の実施形態
【0096】
図６は、１つ以上の非限定的な代替実施形態による原子炉１００５を示す。図示した原子炉１００５は、上述した実施形態と概ね同様であるので、類似又は同一の構造及び特徴についての重複した説明は省略する。図６に示すように、原子炉１００５の原子炉容器１０１０は、燃料バンドル１１００が配置されるチャネルを画定する複数のカランドリア管１０３０および圧力管１０４０からなる炉心１０２０を収容する。
【0097】
図示された実施形態において、原子炉１００５、原子炉容器／ハウジング１０１０、カランドリア管１０３０、および圧力管１０４０は、１つ以上の非限定的な実施形態が対象とするＣＡＮＤＵ型原子炉の周知の構成要素であるので、ＣＡＮＤＵ型原子炉のこれらの従来の構成要素についての網羅的な説明は省略する。同様に、燃料バンドル１１００及びピン１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃ、１２００ｄの寸法及び構成は、様々な非限定的な実施形態が対象とするＣＡＮＤＵ炉に関連して同様に周知であるので、そのような寸法及び構成の網羅的な説明は省略する。
【0098】
図６に示すように、各燃料バンドル１１００は、３７本の燃料ピンで構成され、その内訳は、燃料ペレット１３００ａを含む１本の中央燃料ピン１２００ａ、燃料ペレット１３００ａを含む６本の第１リング燃料ピン１２００ｂ、燃料ペレット１３００ｂを含む１２本の第２リング燃料ピン１２００ｃ、および燃料ペレット１３００ｃを含む１８本の外側リング燃料ピン１２００ｄである。
【0099】
図７に示される非限定的な実施形態に示されるように、１つ以上の実施形態による燃料バンドル１１００の燃料ピン１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃ、１２００ｄの燃料ペレット１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃの組成は、従来の３７ピンＣＡＮＤＵ燃料バンドルにおける組成とは異なる。
【0100】
燃料バンドル１１００および／または燃料ピン１２００ａ、１２００ｂ、１２００ｃ、および／または１２００ｄの１つまたは複数の実施形態によれば、燃料ペレット１３００ａ、１３００ｂ、および／または１３００ｃが利用するウランの濃縮度は、（ａ）少なくとも１３、１４、１５、１６、１７、および／または１８％の235Ｕ濃縮度、（ｂ）１９．９５、１９、１８、および／または１７％以下の235Ｕ濃縮度、および／または（ｃ）任意の２つのそのような上限値と下限値の間（例えば、１３～１９．９５％の235Ｕ濃縮度、１６～１９％の235Ｕ濃縮度、約１６、１７、１８、または１９％の235Ｕ濃縮度）である。
【0101】
様々な非限定的な実施形態によれば、中央燃料ピン１２００ａおよび／または第１リング燃料ピン１２００ｂ内の燃料ペレット１３００ａの235Ｕ濃縮度は互いに等しい。しかしながら、１つ以上の代替実施形態によれば、中央ピン１２００ａ内の燃料ペレットの濃縮度は、第１リング燃料ピン１２００ｂ内の燃料ペレットの濃縮度よりも高くても低くてもよい。
【0102】
様々な非限定的な実施形態によれば、中央燃料ピン１２００ａおよび／または第１リング燃料ピン１２００ｂ内の燃料ペレット１３００ａの235Ｕ濃縮度は、第２リングピン１２００ｃ内の燃料ペレット１３００ｂおよび／または外側リングピン１２００ｄ内の燃料ペレット１３００ｃの235Ｕ濃縮度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、６．５、７．０、７．５、および／または８．０絶対％、（ｂ）８．０、７．５、７．０、６．５、６．０、５．５、５．０、４．５、４．０、３．９、３．８、３．７、３．６、３．５、３．４、３．３、３．２、３．１、３．０、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、および／または０．２絶対％、および／または（ｃ）そのような上限値と下限値の間の任意の値（例えば、０．１～８．０絶対％、０．５～１．５絶対％、１．５～２．５絶対％、約１絶対％、約３絶対％）である。本明細書で使用する濃縮度の「絶対％」は、濃縮度のパーセンテージを意味し、別の濃縮度値からの偏差のパーセンテージではない。その結果、濃縮度１９％の燃料ペレット１３００ａは、濃縮度１７％のペレット１３００ｂよりも２絶対％高い濃縮度を有する。
【0103】
様々な非限定的な実施形態によれば、第２のリングピン１２００ｃ内の燃料ペレット１３００ｂの235Ｕ濃縮度は、外側リングピン１２００ｄ内の燃料ペレット１３００ｃの235Ｕ濃縮度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、２．２、２．３、２．４、２．５、２．６、２．７、２．８、２．９、３．０、３．１、３．２、３．３、３．４、３．５、３．６、３．７、３．８、３．９、４．０、４．５、５．０、５．５、６．０、６．５、および／または７．０絶対％、（ｂ）７．０、６．５、６．０、５．５、５．０、４．５、４．０、３．９、３．８、３．７、３．６、３．５、３．４、３．３、３．２、３．１、３．０、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、および／または０．２絶対％以下、および／または（ｃ）そのような上限値と下限値の間の任意の値（例えば、０．１～７．０絶対％、０．５～１．５絶対％、約１絶対％）である。
【0104】
１つ以上の非限定的な実施形態によれば、燃料ペレット１３００ａおよび／または１３００ｂおよび／またはピン１２００ａ、１２００ｂ、および／または１２００ｃは、可燃性毒物を含む。種々の実施形態によれば、ペレット１３００ａおよび／または１３００ｂおよび／またはピン１２００ａ、１２００ｂ、および／または１２００ｃに使用される可燃性毒物は、酸化ユーロピウムを含み、当該酸化ユーロピウムの濃度は、（ａ）ペレットの少なくとも０．０５、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、０．１、０．１１、０．１２、０．１３、０．１４、０．１５、０．１６、０．１７、０．１８、０．１９、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、および／または１．３ｗｔ％、（ｂ）ペレットの３．０、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１５、０．１４、０．１３、０．１２、０．１１、０．１、０．０９、０．０８、０．０７、０．０６、および／または０．０５ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、ペレットの０．０５～３．０ｗｔ％、ペレットの１．０～２．０％、ペレットの約１．２ｗｔ％、０．０５～０．２ｗｔ％、０．０５～０．１５ｗｔ％）である。様々な実施形態によれば、燃料ペレット１３００ａおよび／または中央および第１のピン１２００ａ、１２００ｂ中の可燃性毒物濃度は、燃料ペレット１３００ｂおよび／または第２のリングピン１２００ｃ中の可燃性毒物（例えば、酸化ユーロピウム）濃度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、および／または１．０絶対ｗｔ％、（ｂ）２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、および／または０．１絶対ｗｔ％未満、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、０．１～２．０絶対ｗｔ％、０．５～１．７絶対ｗｔ％、約１．１絶対ｗｔ％）である。１つ以上の非限定的な実施形態によれば、燃料ペレット１３００ａは１．２ｗｔ％の酸化ユーロピウム濃度を有し、燃料ペレット１３００ｂは０．１ｗｔ％の酸化ユーロピウム濃度を有する。よって、ペレット１３００ａはペレット１３００ｂよりも１．１絶対ｗｔ％高い酸化ユーロピウム濃度を有する。１つまたは複数の代替実施形態によれば、任意の他の可燃性毒物（例えば、酸化エルビウム）を追加的および／または代替的に使用することができる。
【0105】
様々な代替実施形態によれば、可燃性毒物（例えば、上記の実施形態のいずれかで記載された濃度の酸化ユーロピウムおよび／または酸化エルビウム）が、追加的および／または代替的に、燃料ペレット１３００ｃおよび／またはピン１２００ｄ内に配置されてもよい。
【0106】
１つまたは複数の実施形態によれば、中央ピン１２００ａおよび／または第１リングピン１２００ｂの燃料ペレット１３００ａ中のトリウム燃料濃度（すなわち、燃料全体の重量の一部としてのトリウムのｗｔ％）は、（ａ）少なくとも４５、５０、５５、５７．５、６０、６２．５、および／または６５ｗｔ％、（ｂ）９０、８５、８０、７５、７０、６５、６２．５、および／または６０ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、４５～９０ｗｔ％、５０～７０ｗｔ％、５５～６５ｗｔ％、５７．５～６２．５ｗｔ％、約６５ｗｔ％）である。様々な非限定的な実施形態によれば、ペレットの燃料組成の残余はウランである（例えば、６５ｗｔ％のトリウムと３５ｗｔ％のウラン）。
【0107】
１つまたは複数の実施形態によれば、第２リングピン１２００ｃの燃料ペレット１３００ｂ中のトリウム燃料濃度（すなわち、燃料全体の重量の一部としてのトリウムのｗｔ％）は、（ａ）少なくとも５５、６０、６５、７０、７２．５、７５、および／または７７．５ｗｔ％、（ｂ）９５、９０、８５、８０、７７．５、７５、および／または７２．５ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、５５～９５ｗｔ％、６５～８５ｗｔ％、７０～８０ｗｔ％、７２．５～７７．５ｗｔ％、約７５ｗｔ％）である。様々な非限定的な実施形態によれば、ペレットの燃料組成の残余はウランである（例えば、７５ｗｔ％のトリウムと２５ｗｔ％のウラン）。
【0108】
１つまたは複数の実施形態によれば、外側リングピン１２００ｄの燃料ペレット１３００ｃ中のトリウム燃料濃度（すなわち、燃料全体の重量の一部としてのトリウムのｗｔ％）は、（ａ）少なくとも５５、６０、６５、７０、７５、８０、８２．５、８５、および／または８７．５ｗｔ％、（ｂ）９９、９５、９０、８７．５、８５、および／または８２．５ｗｔ％以下、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間（例えば、５５～９９ｗｔ％、７５～９５ｗｔ％、８０～９０ｗｔ％、８２．５～８７．５ｗｔ％、約８５ｗｔ％）である。様々な非限定的な実施形態によれば、ペレットの燃料組成の残余はウランである（例えば、８５ｗｔ％のトリウムと１５ｗｔ％のウラン）。
【0109】
これらの実施形態の１つ以上によれば、外側リングピン１２００ｄのペレット１３００ｃ中のトリウム燃料濃度は、第２リングピン１２００ｃ、第１リングピン１２００ｂ、および／または中央ピン１２００ａの燃料ペレット１３００ｂおよび／または１３００ｃ中のトリウム燃料濃度よりも高い。様々な非限定的な例によれば、ペレット１３００ｃ中のトリウム燃料濃度（すなわち、燃料全体の重量の一部としてのトリウムのｗｔ％）は、ペレット１３００ｂ中のトリウム燃料濃度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、および／または１５絶対ｗｔ％、（ｂ）２５、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、および／または１絶対ｗｔ％未満、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間の値（例えば、１～２５絶対ｗｔ％、５～１５ｗｔ％、約１０ｗｔ％）である。様々な非限定的な例によれば、ペレット１３００ｃ中のトリウム燃料濃度は、ペレット１３００ａ中のトリウム燃料濃度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、および／または３０絶対ｗｔ％、（ｂ）３０、２９、２８、２７、２６、２５、２４、２３、２２、２１、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、および／または１絶対ｗｔ％未満、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間の値（例えば、１～３０絶対ｗｔ％、２０～３０ｗｔ％、約２５ｗｔ％）である。
【0110】
１つまたは複数の実施形態によれば、第２リングピン１２００ｃのペレット１３００ｂ中のトリウム燃料濃度は、第１リングピン１２００ｂおよび／または中央ピン１２００ａの燃料ペレット１３００ａ中のトリウム燃料濃度よりも高い。様々な非限定的な例によれば、ペレット１３００ｂ中のトリウム燃料濃度は、ペレット１３００ａ中のトリウム燃料濃度よりも高く、その差は、（ａ）少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および／または２０絶対ｗｔ％、（ｂ）３０、２５、２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、および／または１絶対ｗｔ％未満、および／または（ｃ）任意の２つのそのような値の間の値（例えば、１～３０絶対ｗｔ％、５～２５絶対ｗｔ％、１０～２０絶対ｗｔ％、および／または約１５全体ｗｔ％）である。
【0111】
本明細書で使用する「絶対ｗｔ％」とは、燃料全体の含有量に対するパーセンテージを意味し、他の値からの偏差を意味するものではない。その結果、トリウム燃料濃度が６０ｗｔ％の燃料ペレット１３００ａは、トリウム燃料濃度が７５ｗｔ％の燃料ペレット１３００ｂよりも、濃度が１５絶対ｗｔ％低い。
【0112】
様々な非限定的な実施形態によれば、中央ピン１２００ａおよび／または第１リングピン１２００ｂ内の全ての燃料ペレット１３００ａの組成（例えば、235Ｕ濃縮度、トリウム／ウラン濃度、毒物濃度）は同じであってもよい。様々な非限定的な実施形態によれば、第２リングピン１２００ｃ内の全ての燃料ペレット１３００ｂの組成は同じであってもよい。様々な非限定的な実施形態によれば、外側リングピン１２００ｄ内の全ての燃料ペレット１３００ｃの組成は同じであってもよい。様々な代替実施形態によれば、所定のリング内の異なるピンは、異なる組成のペレットを利用してもよい。様々な代替実施形態によれば、所定のピン内の燃料ペレットは、互いに異なる組成を有することができる。
【0113】
様々な非限定的実施形態によれば、燃料は、トリウムがＵ２３３に遷移し、それが原位置で燃焼されるオープン燃料サイクルで利用される。様々な非限定的な実施形態によれば、燃料は、現在のＣＡＮＤＵ／加圧重水炉燃料では達成不可能なレベルまで燃焼される。様々な非限定的実施形態によれば、核分裂性物質の残留量は、非動力炉用途に使用できるほどではない。この燃料は、強い負の燃料温度反応度係数や冷却材ボイド反応度の低減といった固有の安全性を特徴としている。
【0114】
代替原子炉
【0115】
上述した実施形態は、２２０ＭＷｅ加圧重水炉用の燃料１００、２００、３００、またはＣＡＮＤＵ型６００ＭＷｅ原子炉用の燃料１１００、１２００、１３００に関する。しかし、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態を他のタイプの加圧重水炉に使用することができる。例えば、上述した様々な実施形態は、他のインド型加圧重水炉（例えば、インド型５４０ＭＷｅ加圧重水炉、インド型７００ＭＷｅ加圧重水炉）または他のＣＡＮＤＵ炉（例えば、３００ＭＷｅまたは９００ＭＷｅ）に適用することができ、上述した実施形態における１９ピンおよび３７ピンの実施形態よりも多いまたは少ないピンを有する燃料バンドルを使用することができる。
【0116】
特に明示しない限り、本明細書におけるペレット、ピン、燃料バンドルの組成（例えば、ｗｔ％、燃料、可燃性毒物など）は、原子炉内での照射後の組成ではなく、原子炉内で使用される前の新鮮な非照射ペレット、ピン、燃料バンドルの組成を指す。新鮮なペレットは、再利用されたウラン、劣化ウラン、天然ウラン、および／または、他の任意の供給源からのウランで構成され得るが、これは以前に照射されたウランの供給源を含む。同様に、新鮮なペレットは、以前に照射された供給源を含む、任意の供給源からのトリウムで構成され得る。
【0117】
上記の例示的な各実施形態は、様々な実施形態の構造的および機能的な原理を示すために提示されたものであって、限定することを意図したものではない。むしろ、本発明の原理は、その任意および全ての変更、改変、および／または代替（例えば、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲内にある任意の改変）を含むことを意図している。
【図1】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【国際調査報告】