▶ ウェスティングハウス エレクトリック カンパニー エルエルシーの特許一覧
(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】2024-10-29
(54)【発明の名称】環状核燃料棒
(51)【国際特許分類】
G21C 3/28 20060101AFI20241022BHJP
G21C 3/07 20060101ALI20241022BHJP
G21C 3/62 20060101ALI20241022BHJP
G21C 21/02 20060101ALI20241022BHJP
【ＦＩ】
G21C3/28 700
G21C3/28 110
G21C3/07
G21C3/62 220
G21C21/02 110
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024523832
(86)(22)【出願日】2022-10-21
(85)【翻訳文提出日】2024-06-14
(86)【国際出願番号】 US2022078480
(87)【国際公開番号】W WO2023070067
(87)【国際公開日】2023-04-27
(31)【優先権主張番号】17/451,726
(32)【優先日】2021-10-21
(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】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】ルーク シー． オルソン
(72)【発明者】
【氏名】キャスリン イー． メッツガー
(72)【発明者】
【氏名】エドワード ジェイ． ラホダ
(72)【発明者】
【氏名】エルウィン ロバーツ
(72)【発明者】
【氏名】マイケル アール． イッキーズ
(72)【発明者】
【氏名】パオロ フェルローニ
(72)【発明者】
【氏名】デニス アドルノ－ロペス
(72)【発明者】
【氏名】ルーク ディー． チェルニアック
(72)【発明者】
【氏名】ファウスト フランチェスキーニ
(57)【要約】
環状核燃料棒が開示されている。環状核燃料棒は、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、外側被覆管と内側被覆管との間に位置する核燃料領域と、液体冷却材が流れるための開放チャネルとを備える。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
環状核燃料棒であって、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、
セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、
前記外側被覆管と前記内側被覆管との間に位置する核燃料領域と、
液体冷却材が流れるための開放チャネルと、を備え、
前記開放チャネルは、前記内側被覆管を通って延在する、
環状核燃料棒。
【請求項2】
前記セラミック複合材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ホウ素（ＢＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、カーボンファイバ（Ｃ）、他の超高温セラミックマトリックス複合材料（ＵＨＴＣＭＣ）、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＳｉＡｌＯＮ型セラミック、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴａＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｏＳｉ２、ＺｒＳｉ２、（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ）Ｃ等のファインセラミックス、又はそれらの組み合わせを備える、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項3】
前記サーメット複合材料は、金属と、
１つ若しくは複数のＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＣ、ＢＮ、Ｃ、ＵＨＴＣＭＣ、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＳｉＡｌＯＮ型セラミックス、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴａＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｏＳｉ２、ＺｒＳｉ２、（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ）Ｃ等のファインセラミックス、又はそれらの組み合わせと、を備える、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項4】
前記核燃料領域は、環状ペレット形態の核燃料を備える、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項5】
環状ペレット形態の前記核燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ２）、窒化ウラン（ＵＮ）、二ホウ化ウラン（ＵＢ２）、四ホウ化ウラン（ＵＢ４）、及び炭化ウラン（ＵＣ）からなる群から選択され、前記核燃料は、単体であるか、別の核燃料と組み合わされるか、又はＺｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わされる、請求項４に記載の環状核燃料棒。
【請求項6】
環状ペレット形態の前記核燃料は、５％よりも多い濃縮２３５Ｕを備える、請求項４に記載の環状核燃料棒。
【請求項7】
環状ペレット形態の前記核燃料は、少なくとも６％の濃縮２３５Ｕを備える、請求項４に記載の環状核燃料棒。
【請求項8】
前記環状核燃料棒は、さらに、前記外側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する外側ギャップと、
前記内側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する内側ギャップと、を備える、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項9】
前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管は、上端プラグ及び下端プラグによって密閉されている、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項10】
前記上端プラグ及び前記下端プラグは、ＳｉＣ環状端プラグ又は金属環状端プラグである、請求項９に記載の環状核燃料棒。
【請求項11】
前記ＳｉＣ環状端プラグは、セラミックろう付けを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、請求項１０に記載の環状核燃料棒。
【請求項12】
前記金属環状端プラグは、金属ろう付けを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び内前記側被覆管に取り付けられている、請求項１０に記載の環状核燃料棒。
【請求項13】
前記環状核燃料棒は、さらに、前記外側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する前記外側ギャップ内に液体金属を備える、請求項８に記載の環状核燃料棒。
【請求項14】
前記環状核燃料棒は、さらに、前記内側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する前記内側ギャップ内に液体金属を備える、請求項８に記載の環状核燃料棒。
【請求項15】
前記上端プラグ及び前記下端プラグは、機械的インターロッキング法を用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、請求項９に記載の環状核燃料棒。
【請求項16】
前記上端プラグ及び前記下端プラグは、機械的インターロッキング法、セラミックろう付け、金属ろう付け、又はそれらの組み合わせを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、請求項９に記載の環状核燃料棒。
【請求項17】
前記環状核燃料棒は、軽水炉（ＬＷＲ）、重水炉（ＨＷＲ）、鉛高速炉（ＬＦＲ）、ナトリウム高速炉、溶融塩炉、及びガス冷却炉からなる群から選択される原子炉で使用される、請求項１に記載の環状核燃料棒。
【請求項18】
環状核燃料棒であって、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、
セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、
前記外側被覆管と前記内側被覆管との間に位置するとともに、環状ペレット形態の核サーメット燃料を備える核燃料領域と、
液体冷却材が流れるための開放チャネルと、を備え、
前記開放チャネルは、前記内側被覆管を通って延在する、
環状核燃料棒。
【請求項19】
環状ペレット形態の前記核サーメット燃料は、不活性金属マトリックスと、
ＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、又はＵＣと、を備え、
前記ＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、又はＵＣは、単体であるか、組み合わせられるか、又はＺｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わせられる、請求項１８に記載の環状核燃料棒。
【請求項20】
環状ペレット形態の前記核サーメット燃料は、５％より多い濃縮２３５Ｕを備える、請求項１８に記載の環状核燃料棒。
【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、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０２１年１０月２１日に出願された「ＡＮＮＵＬＡＲ ＮＵＣＬＥＡＲ ＦＵＥＬ ＲＯＤ」と題する米国非仮出願第１７／４５１，７２６号の、米国特許法第１２０条に基づく利益および及び優先権を主張する。
本出願は、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０２１年１０月２１日に出願された「ＡＮＮＵＬＡＲ ＮＵＣＬＥＡＲ ＦＵＥＬ ＲＯＤ」と題する米国非仮出願第１７／４５１，７２６号の、米国特許法第１２０条に基づく利益および及び優先権を主張する。
【0002】
（政府支援）
本発明は、契約番号ＮＥ－０００８８２４の下で米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
本発明は、契約番号ＮＥ－０００８８２４の下で米国政府の支援を受けてなされた。米国政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【0003】
本発明は、一般に、内側チューブおよび及び外側チューブを備えた環状核燃料棒、より具体的には、セラミック複合材料または又はサーメット複合材料からなる内側チューブおよび及び外側チューブを備えた環状核燃料棒に関する。
【発明の概要】
【0004】
様々な実施形態では、環状核燃料棒が開示される。環状核燃料棒は、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、外側被覆管と内側被覆管との間に位置する核燃料領域と、液体冷却材が流れるための開放チャネルと、を備える。開放チャネルは、内側被覆管を通って延びている。
【0005】
様々な他の実施形態において、環状核燃料棒が開示されている。環状核燃料棒は、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、サーメット複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、外側被覆管と内側被覆管との間に位置し、環状ペレット形態の核サーメット燃料を含む核燃料領域と、液体冷却材が流れるための開放チャネルとを備えている。開放チャネルは、内側被覆管を通って延びている。
【0006】
本明細書に記載される実施形態の種々の特徴は、その利点と共に、以下の添付図面と併せて、以下の説明に従って理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【0008】
対応する参照文字は、いくつかの図を通して対応する部分を示す本明細書に記載された実例は、ある形態における本発明の種々の実施形態を示しており、そのような実例は、本発明の範囲を限定するものと決して解釈されるべきではない。
【発明を実施するための形態】
【0009】
本明細書に記載され、添付の図面に示されている実施形態の全体的な構造、機能、製造、及び使用を十分に理解するために、多数の具体的な詳細が記載される。本明細書に記載された実施形態を不明瞭にしないように、周知の操作、構成要素、及び要素は詳細には記載されていない。読者は、本明細書に記載され図示された実施形態が非限定的な例であることを理解し、従って、本明細書に開示された特定の構造的詳細及び機能的詳細は代表的かつ例示的なものであり得ることが理解されるであろう。それらへのさまざまな変形及び変更は、特許請求の範囲から逸脱することなく加えられてもよい。
【0010】
核燃料棒は、通常、ジルコニウム系被覆及び二酸化ウラン（ＵＯ２）燃料を備える。ジルコニウム系被覆及びＵＯ２燃料は、それらのエネルギー密度及び動作出力が制限される可能性がある。例えば、安全要件により、ＵＯ２燃料の中心線温度は、通常の出力レベルよりも高い出力レベルを引き起こす過渡現象及び事故状態の間、ＵＯ２の融点未満、かつ指定された被覆表面温度未満に制限される。
【0011】
従って、本開示の目的は、増加したエネルギー密度と、より高い出力レベルを可能にする燃料ペレットの低減された中心線温度と、５％より多い濃縮２３５Ｕを備える核燃料と、をもたらす環状核燃料棒を提供することである。
【0012】
ここで図１を参照すると、本開示の少なくとも１つの態様による環状核燃料棒１００が提供される。環状核燃料棒１００は、外側被覆管１０２と、内側被覆管１０４と、外側被覆管１０２と内側被覆管１０４との間に位置する核燃料領域１０６と、開放チャネル１０８とを備えてもよい。開放チャネル１０８は、内側被覆管１０４を通って延在してもよい。液体冷却材は、開放チャネル１０８内を流れてもよい。出力密度の増加は、核燃料領域１０６から、内側被覆管１０４を通って延在する開放チャネル１０８内の液体冷却材と、外側被覆１０２の外側の液体冷却材と、への体積当たりのさらなる伝熱面積により可能である。
【0013】
外側被覆管１０２は、セラミック複合材料又はサーメット複合材料から構成することができる。内側被覆管１０４は、セラミック複合材料又はサーメット複合材料から構成することができる。外側被覆管１０２及び内側被覆管１０４は、同じ複合材料（すなわち、セラミック／セラミック又はサーメット／サーメット）又は異なる複合材料（すなわち、セラミック／サーメット又はサーメット／セラミック）であることができる。
【0014】
セラミック複合材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ホウ素（ＢＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、カーボンファイバ（Ｃ）、他の超高温セラミックマトリックス複合材料（ＵＨＴＣＭＣ）、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＳｉＡｌＯＮ型セラミックス、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴａＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｏＳｉ２、ＺｒＳｉ２、（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ）Ｃのようなファインセラミックス、又はそれらの組み合わせを備えてもよい。
【0015】
前記サーメット複合材料は、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ、又はそれらの組み合わせといった金属を備えてもよい。前記サーメット複合材料は、さらに、本明細書に開示される１つ又は複数のセラミックス（即ち、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＣ、ＢＮ、Ｃ、超高音セラミックマトリックス複合材料、若しくはファインセラミックス）、又はそのセラミックスの組み合わせを備える。
【0016】
セラミック複合材料及びサーメット複合材料は、耐酸化性、高温（すなわち、５００℃より高い、１０００℃より高い、又は１５００℃より高い）での優れた強度を提供し、ジルコニウム系被覆に伴う動作上の制限（すなわち、事故及び過渡現象時に直面するより高い表面温度）及び偶発的な懸念事項の多くを排除するために使用される。
【0017】
核燃料領域１０６は、環状ペレット形態の核燃料を備えてもよい。環状ペレット形態の核燃料は、燃料ペレットの中心線温度を低下させる。環状ペレット形態の核燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ２）、窒化ウラン（ＵＮ）、二ホウ化ウラン（ＵＢ２）、四ホウ化ウラン（ＵＢ４）、及び炭化ウラン（ＵＣ）であってもよい。前記核燃料は、単体であるか、別の核燃料と組み合わされるか、又はＺｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わされてもよい。
【0018】
環状ペレット形態の核燃料は、５％よりも多い濃縮２３５Ｕを備えてもよい。環状ペレット形態の核燃料は、少なくとも６％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも６．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも７％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも７．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも８％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも８．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも９％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも９．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９．５％の濃縮２３５Ｕ、又は少なくとも２０％の濃縮２３５Ｕ、を備えてもよい。
【0019】
環状ペレット形態の核燃料は、５％より多く６％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く６．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く７％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く７．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く８％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く８．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く９％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く９．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１０％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１０．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１１％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１１．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１２％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１２．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１３％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１３．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１４％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１４．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１５．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１６％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１６．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１７％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１７．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１８％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１８．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１９％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１９．５％以下の濃縮２３５Ｕ、及び５％より多く２０％以下の濃縮２３５Ｕを備えてもよい。
【0020】
環状ペレット形態の核燃料は、少なくとも１０％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、及び少なくとも１９．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕを備えてもんでもよい。
【0021】
核燃料領域１０６は、環状ペレット形態の核サーメット燃料を備えてもよい。環状ペレット形態の核サーメット燃料は、燃料ペレットの中心線温度を低下させる。環状ペレット形態の核サーメット燃料は、不活性金属マトリックス（即ち、Ｍｏ、Ｚｒ、ステンレス鋼、Ａｌ、Ｗ、Ｔａ、Ｎｂ、ＦｅＣｒＡｌ、ＦｅＣｒＡｌＹ）及び本明細書に開示される任意の核燃料（即ち、ＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、ＵＣ。核燃料は、単体で、別の核燃料と組み合わせる、又は添加剤、例えば、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わせてもよい）を備えてもよい。不活性金属マトリックスは、燃料粒子からの高い熱輸送をもたらす。
【0022】
環状ペレット形態の核サーメット燃料は、５％より多い濃縮２３５Ｕを備えてもよい。環状ペレット形態の核サーメット燃料は、少なくとも６％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも６．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも７％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも７．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも８％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも８．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも９％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも９．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８．５％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９％の濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９．５％の濃縮２３５Ｕ、又は少なくとも２０％の濃縮２３５Ｕを備えてもよい。
【0023】
環状ペレット形態の核サーメット燃料は、５％より多く６％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く６．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く７％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く７．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く８％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く８．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く９％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く９．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１０％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１０．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１１％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１１．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１２％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１２．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１３％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１３．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１４％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１４．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１５．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１６％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１６．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１７％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１７．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１８％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１８．５％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１９％以下の濃縮２３５Ｕ、５％より多く１９．５％以下の濃縮２３５Ｕ、及び５％より多く２０％以下の濃縮２３５Ｕを備えてもよい。
【0024】
環状ペレット形態の核サーメット燃料は、少なくとも１０％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１０．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１１．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１２．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１３．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１４．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１５．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１６．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１７．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１８．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、少なくとも１９％から２０％までの濃縮２３５Ｕ、及び少なくとも１９．５％から２０％までの濃縮２３５Ｕを備えてもよい。
【0025】
様々な実施形態では、本明細書に開示される管状燃料棒は、外側被覆管２０２と核燃料領域２０６との間に位置し、５０μｍから２ｍｍの外側ギャップ２１０をさらに備えてもよい。様々な実施形態では、本明細書に開示される管状燃料棒は、内側被覆管２０４と核燃料領域２０６との間に位置し、５０μｍから２ｍｍの内側ギャップ２１２をさらに備えてもよい。他の実施形態では、図２に示されるように、本明細書に開示される管状燃料棒は、外側被覆管２０２と核燃料領域２０６との間に位置する外側ギャップ２１０と、内側被覆管２０４と核燃料領域２０６との間に位置する内側ギャップ２１２とをさらに備えてもよい。燃料ペレットと外側被覆管／内側被覆管との間に位置するギャップ（即ち外側ギャップ及び／又は内側ギャップ）は、セラミック被覆管又はサーメット被覆管の亀裂を防ぐことができ、それによって、使用中のペレットの膨張によるペレットと被覆との間の強い接触を回避することによって、気密性を維持することができる。
【0026】
様々な実施形態では、Ｎａ、Ｋ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｇａ及びそれらの混合物のような低い融点及び比較的高い沸点を有する液体金属又は合金（即ち液体金属接合）は、外側被覆管２０２と核燃料領域２０６との間に位置する外側ギャップ２１０内に含まれていてもよい。液体金属又は合金は、内側被覆管２０４と核燃料領域２０６との間に位置する内側ギャップ２１２内に含まれていてもよい。液体金属接合は、核燃料ペレット－被覆ギャップの熱伝導性を高めることができ、比較的大きいギャップサイズによる燃料膨張を増加させ、被覆内の亀裂又は穴から漏れが発生した場合に、燃料棒への冷却材の侵入を妨害する可能性があり、それによって、核分裂生成物を保持し、燃料－冷却材相互作用及び腐食を低減することに役立つ。
【0027】
液体金属接合による充填ウラン燃料粒子（即ちＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、又はＵＣ）、金属、及びサーメット燃料は、ピーク燃料温度を低下させることができ、それによって、より高い熱体積発生率、及び炉心平均されたときの燃料から冷却材へのより高い熱流束を可能にする。
【0028】
様々な実施形態では、外側被覆管、核燃料領域、及び内側被覆管は、上端プラグ及び下端プラグによって密閉されてもよい。上端プラグは、ＳｉＣ環状端プラグ（又は主要被覆材に適したセラミック若しくは複合材料プラグ）又は金属環状端プラグであってもよい。下端プラグは、ＳｉＣ環状端プラグ（又は主要被覆材に適したセラミック若しくは複合材料プラグ）又は金属環状端プラグであってもよい。特定の実施形態では、ＳｉＣ環状端プラグは、セラミックろう付けを用いて、外側被覆管、核燃料領域、及び内側被覆管に取り付けられてもよい。特定の実施形態では、金属環状端プラグは、金属ろう付けを用いて、外側被覆管、核燃料領域、及び内側被覆管に取り付けられてもよい。特定の実施形態では、上端プラグ及び下端プラグは、機械的インターロッキング法を用いて、外側被覆管、核燃料領域、及び内側被覆管に取り付けられてもよい。上端プラグ及び下端プラグは、機械的インターロッキング法、セラミックろう付け、金属ろう付け、又はそれらの組み合わせを用いて、外側被覆管、核燃料領域、及び内側被覆管に取り付けられてもよい。
【0029】
本明細書に開示される環状燃料棒は、極めて出力密度の高い炉心を提供することができ、高い２３５Ｕ含有量により、ウラン１メートルトン当たり６５ギガワット・日（ＧＷＤ／ＭＴＵ）より大きい燃焼度、７０ＧＷＤ／ＭＴＵより大きいの燃焼度、７５ＧＷＤ／ＭＴＵより大きいの燃焼度、８０ＧＷＤ／ＭＴＵより大きい燃焼度、８５ＧＷＤ／ＭＴＵより大きい燃焼度、９０ＧＷＤ／ＭＴＵより大きい燃焼度、９５ＧＷＤ／ＭＴＵより大きい燃焼度、又は１００ＧＷＤ／ＭＴＵより大きい燃焼度を達成することができる。
【0030】
本明細書に開示される環状燃料棒は、軽水炉（ＬＷＲ）、重水炉（ＨＷＲ）、鉛高速炉（ＬＦＲ）、ナトリウム高速炉、溶融塩炉、及びガス冷却炉からなる群から選択される原子炉で使用されてもよい。
【0031】
本明細書に記載される主題の様々な態様が、以下の例に示される。
【0032】
（例１）環状核燃料棒であって、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、前記外側被覆管と前記内側被覆管との間に位置する核燃料領域と、液体冷却材が流れるための開放チャネルと、を備え、前記開放チャネルは、前記内側被覆管を通って延在する環状核燃料棒。
【0033】
（例２）前記セラミック複合材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ホウ素（ＢＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、カーボンファイバ（Ｃ）、他の超高温セラミックマトリックス複合材料（ＵＨＴＣＭＣ）、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＳｉＡｌＯＮ型セラミックス、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴａＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｏＳｉ２、ＺｒＳｉ２、（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ）Ｃ等のファインセラミックス、又はそれらの組み合わせを備える、例１に記載の環状核燃料棒。
【0034】
（例３）前記サーメット複合材料は、金属と、１つ若しくは複数のＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＢＣ、ＢＮ、Ｃ、ＵＨＴＣＭＣ、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２、ＳｉＡｌＯＮ型セラミックス、ＺｒＢ２、ＨｆＢ２、ＴａＳｉ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＭｏＳｉ２、ＺｒＳｉ２、（Ｈｆ、Ｚｒ、Ｔａ）Ｃ等のファインセラミックス、又はそれらの組み合わせと、を備える、例１又は例２に記載の環状核燃料棒。
【0035】
（例４）前記核燃料領域は、環状ペレット形態の核燃料を備える、例１から３のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0036】
（例５）環状ペレット形態の前記核燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ２）、窒化ウラン（ＵＮ）、二ホウ化ウラン（ＵＢ２）、四ホウ化ウラン（ＵＢ４）、及び炭化ウラン（ＵＣ）からなる群から選択され、前記核燃料は、単体であるか、別の核燃料と組み合わされるか、又はＺｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わされる、例４に記載の環状核燃料棒。
【0037】
（例６）環状ペレット形態の前記核燃料は、５％よりも多い濃縮２３５Ｕを備える、例４又は５に記載の環状核燃料棒。
【0038】
（例７）環状ペレット形態の前記核燃料は、少なくとも６％の濃縮２３５Ｕを備える、例４又は５に記載の環状核燃料棒。
【0039】
（例８）前記環状核燃料棒は、さらに、前記外側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する外側ギャップと、前記内側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する内側ギャップと、を備える、例１から７のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0040】
（例９）前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管は、上端プラグ及び下端プラグによって密閉されている、例１から８のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0041】
（例１０）前記上端プラグ及び前記下端プラグは、ＳｉＣ環状端プラグ又は金属環状端プラグである、例９に記載の環状核燃料棒。
【0042】
（例１１）前記ＳｉＣ環状端プラグは、セラミックろう付けを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、例１０に記載の環状核燃料棒。
【0043】
（例１２）前記金属環状端プラグは、金属ろう付けを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び内前記側被覆管に取り付けられている、例１０に記載の環状核燃料棒。
【0044】
（例１３）前記環状核燃料棒は、さらに、前記外側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する前記外側ギャップ内に液体金属を備える、例８から１２のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0045】
（例１４）前記環状核燃料棒は、さらに、前記内側被覆管と前記核燃料領域との間に位置する前記内側ギャップ内に液体金属を備える、例８から１２のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0046】
（例１５）前記上端プラグ及び前記下端プラグは、機械的インターロッキング法を用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、例９から１４のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0047】
（例１６）前記上端プラグ及び前記下端プラグは、機械的インターロッキング法、セラミックろう付け、金属ろう付け、又はそれらの組み合わせを用いて、前記外側被覆管、前記核燃料領域、及び前記内側被覆管に取り付けられている、例９から１４のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0048】
（例１７）前記環状核燃料棒は、軽水炉（ＬＷＲ）、重水炉（ＨＷＲ）、鉛高速炉（ＬＦＲ）、ナトリウム高速炉、溶融塩炉、及びガス冷却炉からなる群から選択される原子炉で使用される、例１から１６のいずれか一つに記載の環状核燃料棒。
【0049】
（例１８）環状核燃料棒であって、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる外側被覆管と、セラミック複合材料又はサーメット複合材料からなる内側被覆管と、前記外側被覆管と前記内側被覆管との間に位置するとともに、環状ペレット形態の核サーメット燃料を備える核燃料領域と、液体冷却材が流れるための開放チャネルと、を備え、前記開放チャネルは、前記内側被覆管を通って延在する、環状核燃料棒。
【0050】
（例１９）環状ペレット形態の前記核サーメット燃料は、不活性金属マトリックスと、ＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、又はＵＣと、を備え、前記ＵＯ２、ＵＮ、ＵＢ２、ＵＢ４、又はＵＣは、単体であるか、組み合わせられるか、又はＺｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、ＺｒＢ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される添加剤と組み合わせられる、例１８に記載の環状核燃料棒。
【0051】
（例２０）環状ペレット形態の前記核サーメット燃料は、５％より多い濃縮２３５Ｕを備える、例１８に記載の環状核燃料棒。
【0052】
当業者は、一般に、本明細書、特に添付の請求項（例えば、添付の請求項のボディ）において使用される用語は、一般に「オープン」用語として意図されることを認識するであろう（例えば、用語「～を含んだ」は、「～を含むが限定されない」と解釈すべきであり、用語「～を有する」は、「～を少なくとも有する」と解釈すべきであり、用語「～を含む」は、「～を含むが限定されない」と解釈すべきである、など）。特定の数の前置きされた請求項の記載が意図される場合、そのような意図は請求項において明示的に記載され、そのような記載がない場合、そのような意図は存在しないことが当業者によってさらに理解されるであろう。例えば、理解を助けるために、以下の添付の請求項には、請求項の記載に前置きをつけるための前置きフレーズ「少なくとも１つ」及び「１つ又は複数」の使用を含んでもよい。しかしながら、そのようなフレーズの使用は、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」による請求項の記載の前置きが、たとえ同じ請求項が前置きフレーズ「１つ又は複数」又は「少なくとも１つ」及び「ａ」もしくは「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合でも、このように前置きした請求項の記載を含む任意の特定の請求項を、このような記載を１つのみ含む請求項に制限することを意味するものと解釈してはならない（例えば、「ａ」及び／又は「ａｎ」は、典型的には、「少なくとも１つ」又は「１つ又は複数」を意味すると解釈されるべきである）、請求項の記載に前置きするために使用される定冠詞の使用についても同じことが当てはまる。
【0053】
さらに、たとえ特定の数の前置きされた請求項が明示的に記載されている場合でも、当業者であれば、そのような記載は、典型的には、少なくとも記載された数を意味すると解釈すべきであることを認識するであろう（例えば、他の修飾語を伴わない「２つの記載」の単なる記載は、典型的には、少なくとも２つの記載、又は２つ以上の記載を意味する）。さらに、「Ａ、Ｂ、及びＣのうちの少なくとも１つ、など」に類似する慣例が使用される場合、一般に、そのような構成は、当業者が慣例を理解するであろう意味で意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、及び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及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、ならびに／又はＡ、Ｂ、及びＣを有するシステムを含むが、これに限定されない、など）。「Ａ、Ｂ、又はＣのうちの少なくとも１つ、など」に類似する慣例が使用される場合、一般に、そのような構成は、当業者が慣例を理解するであろう意味で意図される（例えば、「Ａ、Ｂ、又は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及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、ならびに／又はＡ、Ｂ、及びＣを有するシステムを含むが、これに限定されない、など）。当業者にはさらに、明細書、請求項、又は図面のいずれにおいても、典型的には、２つ以上の代替用語を提示する離接的な単語及び／又はフレーズは、文脈により別途指示されない限り、用語の１つ、用語のいずれか、又は両方の用語を含む可能性を想定していると理解されるべきであることが理解されるであろう。例えば、「Ａ又はＢ」というフレーズは、典型的には、「Ａ」又は「Ｂ」又は「Ａ及びＢ」の可能性を含むと理解されるであろう。
【0054】
「一態様」、「態様」、「実例」、「一実例」などへの任意の言及は、その態様に関連して記載される特定の特徴、構造、又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に留意する価値がある。本明細書を通して様々な箇所における「一態様では」、「態様では」、「実例では」、「一実例では」というフレーズの出現は、必ずしもすべて同一の態様を指しているわけではない。さらに、特定の特性、構造又は特性は、１つ又は複数の態様で任意の適切な方法で組み合わせてよい。
【0055】
本明細書で言及された、及び／又は出願データシートに列挙されたいかなる特許出願、特許、非特許文献、又はその他の開示資料も、組み込まれた資料が本明細書と矛盾しない範囲において、参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に明確に説明された開示は、このように、かつ必要な程度まで、本明細書に参照により組み込まれたいかなる矛盾する資料にも優先する。本明細書に参照により組み込むと述べた、ただし、本明細書に記載した既存の定義、記述、又は他の開示資料と矛盾する、あらゆる資料又はその一部は、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むものとする。
【0056】
「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」（ならびに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」などの含む（ｃｏｍｐｉｓｅ）の任意の形態）、「有する（ｈａｖｅ）」（ならびに「ｈａｓ」及び「ｈａｖｉｎｇ」などの有する（ｈａｖｅ）の任意の形態）、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅ）」（ならびに「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」及び「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」などの含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅ）の任意の形態）、又は「含有する、含む（ｃｏｎｔａｉｎ）」（ならびに「ｃｏｎｔａｉｎｓ」及び「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」などの含有する、含む（ｃｏｎｔａｉｎ）の任意の形態）という用語は、オープンエンドの連結動詞である。結果として、１つ又は複数の要素を「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、又は「含有する、含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」システムは、それらの１つ又は複数の要素を持つが、それらの１つ又は複数の要素を持つことに限定されない。同様に、１つ又は複数の特徴を「含む、備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、「有する（ｈａｓ）」、「含む、備える（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、又は「含有する、含む（ｃｏｎｔａｉｎｓ）」システム、デバイス、又は装置の要素は、それらの１つ又は複数の特徴を所有するが、それらの１つ又は複数の特徴のみを所有することに限定されない。
【0057】
用語「実質的に」、「約」、又は「およそ」は、本開示において使用される場合、別途指定されない限り、当業者によって決定される特定の値についての許容可能な誤差を意味し、これは、その値がどのように測定又は決定されるかに部分的に依存する。特定の実施形態では、用語「実質的に」、「約」、又は「およそ」は１、２、３、又は４標準偏差以内を意味する。特定の実施形態では、用語「実質的に」、「約」、又は「およそ」は、所定の値又は範囲の５０％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、又は０．０５％以内を意味する。
【0058】
要約すると、本明細書に記載された概念を採用することによって生じる多数の利点が記載されている。１つ又は複数の形態に関する前述の説明は、例示及び説明の目的で示されている。これは包括的であることも、開示されたそのままの形態に限定することも意図するものではない。上記教示を考慮すれば、変更又は変形が可能である。１つ又は複数の形態は、原理及び実用的応用を説明するために選択され、説明され、それによって、当業者が、想定される特定の使用に適した様々な変更を伴って、様々な形態を利用することを可能にする。本明細書と共に提出された請求項は、範囲全体を定義することを意図している。
【図1】
【図2】
【国際調査報告】