JP2023511835A - 原子炉用のスキューピン（ｓｐｉｎ）減速材ブロック - Google Patents

Abstract

原子炉炉心は、複数の燃料要素と、原子炉炉心内側部分及び原子炉炉心外側部分を形成するためのスキューピン減速材ブロックのスキューピン減速材ブロックアレイとを含む。原子炉炉心内側部分は、１つ以上の燃料要素が内部に配置された複数の内側燃料開口部を含む複数の内側孔で形成された内側減速材マトリックスを含む。複数の内側孔は、冷媒を流すための複数の内側冷却剤通路をさらに含む。原子炉炉心外側部分は、１つ以上の燃料要素が内部に配置された複数の外側燃料開口部を含む複数の外側孔で形成された外側減速材マトリックスを含む。複数の外側孔は、冷却剤を流すための複数の外側冷却剤通路をさらに含む。内側孔は、外側孔に対して不規則に間隔を置いている。【選択図】 図１Ａ

Description

関連出願の相互参照

[0001]本出願は、２０２０年１月２５日に出願された「Ｓｋｅｗｅｄ－Ｐｉｎ（ＳＰｉｎ）Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ Ｂｌｏｃｋｓ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｉｓｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」と題する米国仮特許出願第６２／９６５，８２９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

[0002]本主題は、例えば、宇宙空間などの遠隔領域における発電及び推進力のための原子炉システム及び原子炉の例に関する。本主題はまた、スキューピン減速材ブロックアレイを含む原子炉炉心アーキテクチャを含む。

[0003]原子炉炉心は、核***反応が起こり、熱が発生する原子炉の一部である。出力ピーキング係数は、原子炉炉心の最も高温の部分における最も高い局所出力密度を原子炉炉心の平均出力密度で割ったものである。原子炉炉心の最も高温の部分は、最も高い局所出力密度と同じ場所に配置される。原子炉炉心の最も高温の部分と原子炉炉心の平均との間の温度差は、出力ピーキング係数に比例する。原子炉炉心の平均出力密度は、最も高い局所出力密度を有する原子炉炉心の最も高温の部分における原子炉炉心材料の能力によって制限されるため、高い出力ピーキング係数は、原子炉炉心の性能及び信頼性に対する障壁である。

[0004]一般に、核***炉には、熱式又は高速型の原子炉が含まれる。核***炉は、原子炉炉心内の核燃料と、核***が継続できるように高速中性子を減速させる減速材とを含む。典型的には、核燃料は、円筒形状の燃料コンパクト又はペレットで形成される。燃料コンパクトは、燃料ピン又はロッドに装填され、原子炉炉心内の燃料要素の多数のカラムの内部に覆われて、積み重ねられる。次いで、これらの燃料要素は、減速材ブロックに差し込まれる。

[0005]原子炉炉心では、減速材ブロックは、典型的には、グラファイト、ベリリウム、酸化ベリリウム、ベリリド又は水素化物などの固体中性子減速材材料で形成され、規則的に間隔を置かれた円筒形状の孔を含む。規則的に間隔を置かれた円筒形状の孔は、核燃料を含む燃料開口部と、冷却剤を流す冷却剤通路とを含む。残念なことに、規則的に間隔を置かれた孔は、原子炉炉心内、しばしば原子炉炉心の半径方向中心付近で出力ピーキング係数を増加させる。

[0006]高出力ピーキング係数は、原子炉炉心の性能及び信頼性を制限する。原子炉炉心材料が設計される上限温度を超えると、シャットダウンを必要とする原子炉に関する安全性又は信頼性の問題を引き起こす可能性がある。したがって、原子炉炉心のいかなる部分も確実に上限温度を超えないように注意が払われ、それにより残念ながら性能が低下する。他方で、低出力ピーキング係数により、原子炉炉心の性能が改善される。例えば、最も高い局所出力密度が低下すると、原子炉炉心の様々な領域の温度がより均一になるため、原子炉の全原子炉炉心出力を増加し得る。さらに、原子炉炉心の出力ピーキング係数を低減することにより、より予測可能な出力レベルで動作することによって、原子炉をより小型（例えば、より小さい）、より軽量（例えば、質量を低減）、かつより信頼性の高いものにすることができる。より小型で、より軽量、かつ、より信頼性の高い原子炉炉心を有することにより、単位質量当たりの出力がより高い原子炉システムが可能になり、ペイロードを削減することにより、将来の宇宙空間の探査及び移住の成功裡の実施態様を可能にし得る。

[0007]高温ガス炉（ＨＴＧＲ）などの核***炉では、核燃料を包含するすべての燃料開口部は、通常、同じ直径を有する。同様に、冷却剤を流す冷却剤通路は、通常、同じ直径を有する。残念なことに、冷却剤通路間の直径のばらつきの欠如は、高出力ピーキング係数を悪化させる。冷却材通路の平均の冷却材通路の直径が原子炉炉心の中心付近で狭すぎる場合、より多くの量の冷却材が原子炉炉心の最も高温部分を通って流れることを妨げられ、出力ピーキング係数が増加する。追加で、平均の冷却材通路の直径が炉心の縁部付近で広すぎる場合、燃料開口部近くの核燃料が過度に冷却され、全体的な効率を低下させる。

[0008]さらに、原子炉炉心の半径方向中心付近に存在する冷却剤通路は最も高温であり、冷却剤チャネル出力ピーキング位置を、核燃料出力ピーキング位置と同じ位置の原子炉炉心の半径方向中心に配置する。冷却材チャネル出力ピーキング位置と核燃料出力ピーキング位置とのこの共同配置は、原子炉炉心の半径方向中心を原子炉炉心の最も高温の部分にし、その結果、最も故障の可能性の高い点にする。したがって、原子炉炉心用の減速材ブロックの改善が必要とされている。

[0009]本明細書に開示される様々な例は、宇宙又は陸上（例えば、陸地又は水域）用途の両方に対する原子炉システムのための原子炉炉心技術に関する。出力ピーキング係数を低減するために、原子炉炉心１０１は、燃料の体積に対する減速材の体積の比が原子炉炉心の半径方向中心に向かって増加し、原子炉炉心の周辺部に向かって減少するような幾何学的形状を有する「スキューピン」（ＳＰｉｎ）減速材ブロックのＳＰｉｎ減速材ブロックアレイを含む。ＳＰｉｎ減速材は、固体減速材を有する任意の原子炉炉心１０１の半径方向出力プロファイルを平坦化する。これにより、核燃料ピン出力ピーキング係数及び冷却剤チャネル出力ピーキング係数が減少し、所与の出力におけるピークコア温度が低下する。したがって、特定の原子炉炉心材料が固定された最高温度限界を有する場合、全原子炉炉心出力を増加させることができる。代替で、原子炉炉心は、固定出力でより小さく（又は質量が少なく）なるように再設計され得る。これは、総質量が重要な性能測定基準である原子炉熱推進（ＮＴＰ）炉などの宇宙炉にとって特に有利である。しかしながら、ＳＰｉｎ減速材ブロックアレイ技術は、ＨＴＧＲなどの地上用途で利用され得る。

[0010]スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、いくつかの有利な技術を実装する。第１に、原子炉炉心半径方向中心１５６付近ではより小さく、原子炉炉心半径方向周辺部１５７付近ではより大きい孔の間隔及び減速材の「ウェブ厚さ」が、「スキューピン」幾何学形状をもたらす。第２に、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ又は内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの孔径は、原子炉炉心半径方向中心１５６の近くでより小さく、外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍ又は外側燃料開口部１３２Ａ０Ｎの孔径は、原子炉炉心半径方向コア周辺部１５７の近くでより大きい。実装された孔の間隔及び孔径の両方が、原子炉炉心１０１内の出力ピーキング係数を低減する。

[0011]例示的な原子炉炉心１０１は、複数の燃料要素１５０Ａ～Ｎと、原子炉炉心内側部分１２３Ａ及び原子炉炉心外側部分１２３Ｂを形成するスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎのスキューピン減速材ブロックアレイ１１３とを含む。原子炉炉心内側部分１２３Ａは、１つ以上の燃料要素１５０Ａ～Ｎが内部に配置された複数の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍを含む複数の内側孔１６１Ａ～Ｚで形成された内側減速材マトリックス１２１Ａを含む。複数の内側孔１６１Ａ～Ｚは、冷却剤を流すための複数の内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍをさらに含む。原子炉炉心外側部分１２３Ｂは、１つ以上の燃料要素１５０Ａ～Ｎが内部に配置された複数の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを含む複数の外側孔１６２Ａ～Ｚで形成された外側減速材マトリックス１２１Ｂを含む。複数の外側孔１６２Ａ～Ｚは、冷却剤を流すための複数の外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍをさらに含む。内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚは、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いている。

[0012]例のさらなる目的、利点及び新規な特徴は、以下の説明に部分的に記載され、以下及び添付の図面を検討することによって当業者に部分的に明らかになるか、又は例の作製又は作業によって習得され得る。本主題の目的及び利点は、添付の特許請求の範囲において特に指摘される方法、手段及び組み合わせによって実現及び達成され得る。

[0013]図面は、限定ではなく例としてのみ、本概念による１つ以上の実施態様を示す。図において、同様の参照符号は、同一又は同様の要素を指す。

固定直径を有する複数の燃料開口部と固定直径を有する複数の冷却剤通路とを含むスキューピン減速材ブロックアレイを有する原子炉炉心の断面図である。 固定直径を有する燃料開口部及び固定直径を有する冷却剤通路の詳細を示す、図１Ａの原子炉炉心の断面の拡大図である。 固定直径を有する燃料開口部及び固定直径を有する冷却剤通路の詳細を示す、図１Ｂの原子炉炉心の拡大詳細図の斜視図である。 固定直径を有する複数の燃料開口部と可変直径を有する複数の冷却剤通路とを含むスキューピン減速材ブロックアレイを有する原子炉炉心の断面図である。 固定直径を有する燃料開口部及び可変直径を有する冷却剤通路の詳細を示す、図２Ａの原子炉炉心の断面の拡大図である。 固定直径を有する燃料開口部及び可変直径を有する冷却剤通路の詳細を示す、図２Ｂの原子炉炉心の拡大詳細図の斜視図である。 可変直径を有する燃料開口部及び固定直径を有する冷却剤通路の詳細を示す、図２Ｂの原子炉炉心の拡大詳細図の代替例の斜視図である。 外側燃料開口部のサイズが内側燃料開口部のサイズを超える、図２Ｄの逆の代替例である。 内側冷却剤通路のサイズが外側冷却剤通路のサイズを超える、図２Ｃの逆の代替例である。 六角形の減速材ブロックと同様のタイルカットを含む、図１Ａのスキューピン減速材ブロックアレイを有する原子炉炉心の断面図である。 燃料開口部及び冷却材通路の詳細を示す、図３Ａの原子炉炉心の断面の拡大図である。 燃料開口部及び冷却剤通路の詳細を示す、図３Ｂの原子炉炉心の拡大詳細図の斜視図である。 外側スキューピン減速材ブロックから分離して示された中心スキューピン減速材ブロックの斜視図である。 中心スキューピン減速材ブロックから分離して示された外側スキューピン減速材ブロックの斜視図である。 他の係数と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーキング係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかをパレートフロンティアが示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 他の係数と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーキング係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかをパレートフロンティアが示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 他の係数と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーキング係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかをパレートフロンティアが示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 他の係数と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーキング係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかをパレートフロンティアが示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 他の係数と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーキング係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかをパレートフロンティアが示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 他の要因と組み合わせた燃料開口部の半径方向の間隔の変化が例示的な原子炉炉心の出力ピーク係数及びｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比にどのように影響し得るかを示す、例示的な原子炉炉心設計空間を示す散布図である。 原子炉炉心半径方向中心から様々な半径方向距離に燃料開口部の４つのリングを有する原子炉炉心の異なる部分（部品）の発熱マップ図である。 原子炉炉心半径方向中心から様々な半径方向距離に燃料開口部の４つのリングを有する原子炉炉心の異なる部分（部品）の発熱マップ図である。 原子炉炉心半径方向中心から様々な半径方向距離に燃料開口部の４つのリングを有する原子炉炉心の異なる部分（部品）の発熱マップ図である。 原子炉炉心半径方向中心から様々な半径方向距離に燃料開口部の４つのリングを有する原子炉炉心の異なる部分（部品）の発熱マップ図である。

１００ 原子炉システム
１０１ 原子炉炉心
１０３Ａ－Ｎ スキューピン減速材ブロック
１０３Ｏ 中心スキューピン減速材ブロック
１０３Ｐ－Ｕ 外側スキューピン減速材ブロック
１０７ 原子炉
１１３ スキューピン減速材ブロックアレイ
１１５Ａ－Ｎ 制御ドラム
１１６ 反射体材料
１１７ 吸収体材料
１２１Ａ 内側減速材マトリックス
１２１Ｂ 外側減速材マトリックス
１２２ 減速材ウェブ
１２３Ａ 原子炉炉心内側部分
１２３Ｂ 原子炉炉心外側部分
１３１Ａ－Ｍ 内側燃料開口部
１３２Ａ－Ｍ 外側燃料開口部
１３５Ａ－Ｎ 制御ドラムチャネル１３５Ａ～Ｎ
１４０ 反射体
１４１Ａ－Ｍ 内側冷却剤通路
１４２Ａ－Ｍ 外側冷却剤通路
１５０Ａ－Ｎ 燃料要素
１５５Ａ 内側単位面積
１５５Ｂ 外側単位面積
１５６ 原子炉炉心半径方向中心
１５７ 原子炉炉心半径方向周辺部
１６０ 圧力容器
１６１Ａ－Ｚ 内側孔
１６２Ａ－Ｚ 外側孔
１９０ 詳細区域
２３１Ａ－Ｍ 内側燃料開口部
２３２Ａ－Ｍ 外側燃料開口部
２３３ 内側燃料開口部のサイズ
２３４ 外側燃料開口部のサイズ
２４１Ａ－Ｍ 内側冷却剤通路
２４２Ａ－Ｍ 外側冷却剤通路
２４３ 内側冷却剤通路のサイズ
２４４ 外側冷却剤通路のサイズ
２９０ 詳細区域
２６１Ａ－Ｚ 内側孔
２６２Ａ－Ｚ 外側孔
３８１Ａ－Ｆ 中心減速材界面壁
３９０ 詳細区域
３９１Ａ－Ｃ 外側減速材界面壁
４００Ａ リング１出力ピーキング性能プロット
４００Ｂ リング２出力ピーキング性能プロット
４００Ｃ リング３出力ピーキング性能プロット
４００Ｄ リング４出力ピーキング性能プロット
４０１Ａ－Ｚ 設計データ点
４０２Ａ－Ｚ 設計データ点
４０３Ａ－Ｚ 設計データ点
４０４Ａ－Ｚ 設計データ点
４０５ 出力ピーキング係数
４０６Ａ－Ｚ 設計データ点
４０７Ａ－Ｚ 設計データ点
４１０ Ｋ－実効比
４１５ 燃料要素間隔変動係数
４２０Ａ～Ｄ－０．１５間隔のパレートフロンティア
４２５Ａ－Ｄ－０．１間隔のパレートフロンティア
４３０Ａ～Ｄ ０．０間隔のパレートフロンティア
４３５Ａ－Ｄ ０．１間隔のパレートフロンティア
４４０Ａ～Ｄ ０．１５間隔のパレートフロンティア
４５０ 外径出力ピーキング性能プロット
４５５ ９５．０直径のパレートフロンティア
４６０ ９９．０直径のパレートフロンティア
４６５ １０３．０直径のパレートフロンティア
４６６ 最小燃料要素距離出力ピーキング性能プロット
４７０ 燃料要素最小距離
４７５ ７．２２５間隔のパレートフロンティア
４８０ ７．６５間隔のパレートフロンティア
４８５ ８．５間隔のパレートフロンティア
４９０ ９．３５間隔のパレートフロンティア
４９５ ９．７７５間隔のパレートフロンティア
５００Ａ－Ｄ 原子炉炉心発熱マップ
５０５ 正規化された半径方向アセンブリ出力
５１０ 円形リング貫通線
５１５ 六角形リング貫通線
５２５ リング１
５３０ リング２
５３５ リング３
５４０ リング４

[0031]以下の詳細な説明では、関連する教示の完全な理解を提供するために、例として多数の具体的な詳細が記載される。しかしながら、本教示がそのような詳細なしで実施され得ることは、当業者には明らかであるはずである。他の例では、周知の方法、手順、構成要素、及び／又は回路は、本教示の態様を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細なしに比較的高レベルで説明されている。

[0032]本明細書で使用される「結合された」という用語は、任意の論理的又は物理的接続を指す。別段の記載がない限り、結合された要素又は装置は、必ずしも互いに直接連結されている必要はなく、中間構成要素、要素などによって分離されてもよい。

[0033]特に明記しない限り、以下の特許請求の範囲を含む本明細書に記載されている任意の、及びすべての測定値、値、定格、位置、大きさ、サイズ、角度、及び他の仕様は、近似的であり、正確ではない。そのような量は、それらが関連する機能及びそれらが関連する技術分野で慣用的なものと一致する合理的な範囲を有することが意図されている。例えば、特に明記しない限り、パラメータ値などは、記載された量から±５％程度又は±１０％程度変化し得る。「およそ」又は「実質的に」という用語は、パラメータ値などが記載された量から±１０％まで変動することを意味する。

[0034]図面のいずれかに示されているような、原子炉炉心１０１、原子炉１０７、関連する構成要素、及び／又はスキューピン減速材ブロックアレイ１１３及びスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを組み込んだ任意の原子炉システム１００の向きは、例示及び説明の目的のため例としてのみ与えられている。特定の原子炉炉心１０１の動作において、原子炉は、原子炉の特定の用途に適した任意の他の方向、例えば直立、横方向、又は任意の他の向きに配向されてもよい。また、本明細書で使用される範囲で、横方向、長手方向、上、下、上方、下方、上部、底部、及び側面などの任意の方向を示す用語は、例としてのみ使用され、本明細書で別途説明されるように構築された任意の原子炉炉心１０１又は原子炉炉心１０１の構成要素の方向又は向きに関して限定するものではない。

[0035]Ａはアルファベットの最初の文字であり、Ｚはアルファベットの２６番目の文字であるが、アルファベットの制約により、１０３、１３１、１３２、１４１、１４２、１６１、１６２などの参照符号に続く場合、名称「Ａ～Ｍ」、「Ａ～Ｎ」、及び「Ａ～Ｚ」は、それらの同一要素の２６を超えるものを指すことができる。ここで、添付の図面に示され、以下で説明される例を詳細に参照する。

[0036]図１Ａは、原子炉システム１００の原子炉炉心１０１の断面図である。原子炉システム１００は、原子炉１０７を含む。原子炉１０７は、制御された原子核連鎖反応が起こり、エネルギーが放出される原子炉炉心１０１を含む。原子炉炉心１０１内の中性子連鎖反応は、各核***原子核からの単一の中性子が別の原子核の***をもたらし、危険であり、連鎖反応は制御されなければならない。

[0037]出力ピーキング係数を低減するために、原子炉炉心１０１は、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３を含む。図示のように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、不規則に間隔を置かれた内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚを有することによって、原子炉炉心１０１の出力ピーキング係数を低減する。図１Ａ～図１Ｃ及び図２Ａ～図２Ｄでは、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、モノリシックな全炉心のスキューピン減速材ブロック１０３Ａとして示されている。しかしながら、図３Ａ～図３Ｅに示すように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、複数のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを含み得る。

[0038]スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、以下の強化技術のうちの１つ以上を実装する。第１に、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、炉心半径方向中心１５６付近でより小さく、炉心半径方向周辺部１５７付近でより大きい孔間隔及び減速材の「ウェブ厚さ」を含み、「スキューピン」の幾何学形状をもたらす。第２に、図２Ｄに示すように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、原子炉炉心半径方向周辺部１５７付近の外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの外側燃料開口部のサイズ２３４と比較して、原子炉炉心半径方向中心１５６付近でより小さい内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの内側燃料開口部のサイズ２３３を含む。第３に、図２Ａ～図２Ｃに示すように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、原子炉炉心半径方向周辺部１５７付近の外側冷却材通路２４２Ａ～Ｍの外側冷却材通路のサイズ２４４と比較して、原子炉炉心半径方向中心１５６付近でより大きい内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの内側冷却剤通路のサイズ２４３を含む。内側燃料開口部のサイズ２３３、外側燃料開口部のサイズ２３４、内側冷却剤通路のサイズ２４３、及び外側冷却剤通路のサイズ２４４は、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの形状に応じて、直径、周囲、円周などに関して指定され得る。

[0039]原子炉システム１００は、原子炉炉心１０１内の出力ピーキング係数を最小にするためにスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装する高温ガス冷却熱スペクトル炉であり得る。原子炉炉心１０１の出力ピーキング係数を低減することにより、原子炉システム１００の総炉心出力を増加させることができる。代替で、原子炉炉心１０１及び原子炉システム１００は、出力ピーキング係数が低減される場合、固定出力でより小さく、又は質量が少なくなるように再設計され得る。

[0040]制御された核***を持続することにより、原子炉システム１００は熱エネルギーを生成する。例示的な実施態様では、原子炉システム１００は、冷却剤が性能向上を達成するためのガスであるガス冷却原子炉１０７として実装される。ガス冷却原子炉１０７では、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３によって、原子炉炉心１０１の高出力密度、定格出力、及び安全ケースが可能になる。しかしながら、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３の技術はまた、大型実用向け規模の原子炉、ヒートパイプ原子炉、及び溶融塩冷却原子炉を含む他の熱スペクトル原子炉システムにおいて飛躍的性能を実現することができる。

[0041]対照的に、規則的に間隔を置かれた円筒形状の孔を有する従来の原子炉炉心では、原子炉炉心の半径方向軸線に沿って出力ピーキングが発生する傾向があり、原子炉の平均出力密度は、いくつかの特定の炉心材料の固定された最高温度限界によって制限され得る。従来の原子炉炉心の半径方向軸線は、原子炉炉心半径方向中心１５６が図１Ａ、図２Ａ、及び図３Ａに示される原子炉炉心１０１内に配置される場所に配置される。従来の原子炉炉心では、燃料開口部と冷却材通路との間の間隔をそれぞれ表す燃料開口部及び冷却材通路の個体群密度は、原子炉炉心全体にわたって略一致する。すなわち、原子炉炉心半径方向中心１５６付近の所与の内側単位面積１５５Ａは、原子炉炉心半径方向周辺部１５７により近い外側単位面積１５５Ｂと同じ数の燃料開口部を含む。横方向配置に関して、原子炉炉心半径方向中心１５６は、原子炉炉心１０１の中心に位置する部分であり、原子炉炉心１０１の頂部と底部との間に長手方向に延びる。原子炉炉心半径方向中心１５６は、原子炉炉心内側部分１１３Ａの中心で中心に位置する部分であり、原子炉炉心外側部分１１３Ｂから最も遠い原子炉炉心内側部分１１３Ａ内にある。したがって、原子炉炉心半径方向中心１５６はまた、内側減速材マトリックス１２１Ａの中心で中心に位置する部分であり、外側減速材マトリックス１２１Ｂから最も遠い内側減速材マトリックス１２１Ａ内にある。原子炉炉心半径方向周辺部１５７は、原子炉炉心１０１の外側に位置する部分である。横方向配置に関して、原子炉炉心半径方向周辺部１５７は、原子炉炉心１０１の外側境界であり、原子炉炉心１０１の頂部と底部との間に長手方向に延びる。原子炉炉心半径方向周辺部１５７は、原子炉炉心外側部分１１３Ｂの外周であり、原子炉炉心内側部分１１３Ａから最も離れた原子炉炉心外側部分１１３Ｂの外側境界である。したがって、原子炉炉心半径方向周辺部１５７はまた、内側減速材マトリックス１２１Ａから最も離れた外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側境界でもある。

[0042]スキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装する原子炉炉心１０１において、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの個体群密度は、原子炉炉心半径方向中心１５６から原子炉炉心半径方向周辺部１５７の方向に生じる原子炉炉心１０１の極軸に沿って、又は原子炉炉心の２つの極軸の間で、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの個体群密度を見ると、原子炉炉心１０１を通って実質的に減少する。これは、原子炉炉心半径方向中心１５６付近の所与の外側単位面積１５５Ａが、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に近い外側単位面積１５５Ｂ内の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの数よりも多い数の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍを含むことを意味する。

[0043]図１Ａを含むいくつかの例では、内側孔１６１Ａ～Ｚと外側孔１６２Ａ～Ｚとの間の間隔の増加は勾配変化のようであり、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの個体群密度の減少は指数関数的又は多項式的である。しかしながら、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの個体群密度の減少は直線的であり、任意の数の面積及び密度関数によって記述され得る。間隔の関数は、２次元関数である必要はなく、例えば、黄金比スパイラル２又は３次元密度関数を使用して、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの適切な個体群密度を決定することができる。さらに、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの個体群密度は、単一ステップ関数で記述され得る。そのような例では、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、原子炉炉心内側部分１２３Ａと原子炉炉心外側部分１２３Ｂとに分割される。原子炉炉心内側部分１２３Ａは、内側減速材マトリックス１２１Ａを含み、原子炉炉心半径方向中心１５６に最も近い原子炉炉心１０１の部分である。原子炉炉心外側部分１２３Ｂは、外側減速材マトリックス１２１Ｂを含み、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に最も近い原子炉炉心１０１の部分である。

[0044]内側減速材マトリックス１２１Ａと外側減速材マトリックス１２１Ｂとに分割されたこのようなスキューピン減速材ブロックアレイ１１３では、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの個体群密度関数をさらに単純化することができる。内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側減速材マトリックス１２１Ａ内及び原子炉炉心内側部分１２３Ａの境界内で製造された孔であり、外側孔１６２Ａ～Ｚは、外側減速材マトリックス１２１Ｂ内及び原子炉炉心外側部分１２３Ｂの境界内で製造された孔である。内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側パターンを形成し、原子炉炉心内側部分１２３Ａの境界内の燃料開口部である内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍと、原子炉炉心内側部分１２３Ａの境界内の冷却剤通路である内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍとを含む。外側孔１６２Ａ～Ｚは、外側パターンを形成し、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの境界内の燃料開口部である外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍと、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの境界内の冷却剤通路である外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍとを含む。内側減速材マトリックス１２１Ａ及び外側減速材マトリックス１２１Ｂ内の内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚの内側及び外側パターンは、減速材マトリックス１２１Ａ～Ｂ内の内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚのパターン及び集合体である減速材ウェブ１２２を形成するため集合する。

[0045]原子炉炉心１０１の出力ピーキング係数を低減するために、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚの個体群密度が、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚの個体群密度よりも低いことが有効である。したがって、単一ステップの削減、例えば、内側減速材マトリックス１２１Ａ内のサンプル内側単位面積１５５Ａに３６個の内側孔１６１Ａ～Ｚを有することから、同じ寸法のサンプル外側単位面積１５５Ｂ内の１８個の外側孔１６２Ａ～Ｚのステップまでのステップであっても、出力ピーキング係数は減少する。例えば、原子炉炉心１０１は、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側減速材マトリックス密度が全体にわたって均一であるような外側孔１６２Ａ～Ｚの均一な個体群密度を含むことができる。原子炉炉心１０１はまた、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側減速材マトリックス密度が全体にわたって均一であるような内側孔１６１Ａ～Ｚの均一な個体群密度を含むことができる。図１Ａに示すように、外側減速材マトリックス密度が内側減速材マトリックス密度よりも小さい場合、原子炉炉心１０１は、外側減速材マトリックス密度が内側減速材マトリックス密度に等しい従来の原子炉炉心よりも低い出力ピーキング係数を経験する。これらの特徴は、図１Ｂ～図１Ｃにさらに詳細に示され、詳細区域１９０に示されている。

[0046]追加で、前述したように、出力ピーキング係数は、ラジアルピン出力ピーキング係数及び冷却剤チャネル出力ピーキング係数の２つの形態になる。ラジアルピン出力ピーキング係数は、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍによって駆動され、冷却剤チャネル出力ピーキング係数は、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍによって駆動される。内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの個体群密度、又は内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの個体群密度を記述する個体群密度関数は、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの個体群密度、又は内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの個体群密度を記述する個体群密度関数を反映する必要はない。例えば、冷却剤通路出力ピーキングのピーキングは、ラジアルピン出力ピーキングのピーキングよりも極端であり得る。そうである場合、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの集合密度を記述する関数は、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの個体群密度を記述する関数よりも大きい個体群密度の減少を記述することができる。これらの個体群密度の差は、燃料要素１５０Ａ～Ｎ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍに対して選択された冷却剤に基づくことができ、選択された冷却剤の流量及び粘度に基づくことができる。追加で、異なる内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍは、点在しているか、又は原子炉炉心半径方向中心１５６への近接度に基づいて、異なる核燃料及び異なるタイプの冷却剤を有することができる。

[0047]図示の例では、原子炉熱推進（ＮＴＰ）システムなどの原子炉炉心１０１を有する原子炉システム１００は、宇宙環境で利用される。原子炉炉心１０１のスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装することができる例示的なＮＴＰシステムは、図１及び図２並びにその全体が参照により本明細書に組み込まれる、「Ｐａｓｓｉｖｅ Ｒｅａｃｔｉｖｉｔｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」と題する、２０２０年５月５日発行の、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに対する米国特許第１０，６４３，７５４号明細書の関連する本文に記載されている。別の例では、原子炉炉心１０１を有する原子炉システム１００は、惑星表面での電力生成のために宇宙原子炉で利用される。

[0048]従来の宇宙原子炉設計は、典型的には、低質量及び高温出力の両方を有するために、ウラン－２３５、ウラン－２３９、又はプルトニウム－２３９などの特別な核物質（例えば、カテゴリＩ）を利用する。本明細書に記載の原子炉炉心１０１のアーキテクチャは、効率を高めるために低質量高温低濃縮ウラン（ＬＥＵ）燃料特殊核物質（例えば、カテゴリＩＩ及びＩＩＩ）原子炉の開発を可能にするために直接適用可能であり、特に宇宙用途向けに設計することができる。例えば、原子炉炉心１０１は、原子核熱ロケット原子炉、原子核電気推進原子炉、火星表面原子炉、又は月面原子炉であり得る。

[0049]そのようなＮＴＰシステム（例えば、小型宇宙原子炉）では、生成された推力は、ロケット、ドローン、無人航空機（ＵＡＶ）、航空機、宇宙船、ミサイルなどの原子炉炉心１０１を収容する、原子炉炉心１０１と一体的に形成される、原子炉炉心に連結する、又は原子炉炉心に取り付ける車両を推進する。典型的には、これは、原子炉炉心１０１からの熱エネルギーを利用することによって、推進剤、典型的には低分子量水素を２，６００ケルビンを越えて加熱することによって行われる。追加で、ＮＴＰ原子炉システム１００は、潜水艦又は船舶の推進に使用することができる。

[0050]上述したように、原子炉システム１００はまた、例えば、宇宙空間、天体、惑星体、及び地球上の遠隔地域を含む遠隔地域用途のために原子力（例えば、熱及び／又は電力）を提供するための陸上用途の原子力発電所であり得る。原子炉炉心１０１のスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装することができる例示的な陸上原子炉システムは、図１Ａ及びその全体が参照により本明細書に組み込まれる、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する、２０２０年１月２３日公開、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの米国特許公開第２０２０／００２７５８７号明細書の関連する本文に記載されている。

[0051]原子炉システム１００はまた、核***表面発電（ＦＳＰ）システム用の原子力電気推進（ＮＥＰ）システムなどの地上発電システムであり得る。ＮＥＰは、ロボット及び有人宇宙船用のホール効果スラスタなどの電気スラスタに動力を供給する。ＦＳＰは、月や火星などの惑星体に電力を供給する。ＮＥＰ及びＦＳＰ電力用途では、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３の技術によって可能になる原子炉炉心１０１は、電力変換システム（例えば、Ｂｒａｙｔｏｎ）を介して作動流体（例えば、Ｈｅ、ＨｅＸｅ、Ｎｅ、ＣＯ_２）を加熱して電気を生成する。さらに、ＮＥＰ及びＦＳＰの発電用途では、原子炉炉心１０１は推進剤を含まず、むしろ電力を生成するときに原子炉入口を通過する作動流体を含む。ＮＥＰ及びＦＳＰ発電用途では、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、原子炉入口作動流体（例えば、復熱器から出る流れ）を介して冷却することができる。

[0052]本明細書に記載のスキューピン減速材ブロックアレイ１１３の技術を利用することにより、高温、コンパクトで、事故耐性があり、原子炉システム１００の寿命全体にわたって安全かつ確実に動作する原子炉システム１００が可能になる。例えば、原子炉炉心１０１は、短期的な宇宙作業用の小型商用核***発電システム、月着陸機、又は高出力宇宙船及び現場資源利用などの大規模な地上作業用の商用核***発電システム内にあり得る。

[0053]図示のように、原子炉炉心１０１は、スキューピン減速材ブロック技術を実装するスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を含む。スキューピン減速材ブロック技術により、出力ピーキングが低減され、商業的に実行可能な十分に大きい出力密度、定格出力、及び寿命を有する小型原子炉システム１００の構築を可能にする。図示のように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、１つ以上のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを含む。それぞれのスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、例えば、低温固相減速材で形成することができる。しかしながら、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、低温減速材であることに限定されず、高温又は中温減速材であり得る。

[0054]スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、低密度炭化物、金属炭化物、金属酸化物、又はそれらの組み合わせを含むことができる。追加で、グラファイトなどの任意の固体中性子減速材料、工業用ダイヤモンド又は非晶質炭素などの他の形態の炭素、ベリリウム金属、酸化ベリリウム、ベリリウム－ジルコニウムなどのベリリド、水素化ジルコニウム又は水素化イットリウムなどの水素化物、あるいはＭｇＯ、ＳｉＣ、又はＺｒＣなどの高温マトリックス中の水素化物又はベリリドなどの中性子減速材料を含む化合物及び複合材料。さらに、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、低密度ＳｉＣ、安定化酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、低密度ＺｒＣ、低密度炭素、又はそれらの組み合わせを含むことができる。スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎはまた、ＭｇＨ_ｘ、ＹＨ_ｘ、ＺｒＨ_ｘ、ＣａＨ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ、ＣａＯ_ｘ、ＢｅＯ_ｘ、ＢｅＣ_ｘ、Ｂｅ、濃縮炭化ホウ素、^１１Ｂ_４Ｃ、ＣｅＨ_ｘ、ＬｉＨ_ｘ、又はそれらの組み合わせを含む低温固相減速材で形成することもできる。

[0055]原子炉炉心１０１は、燃料要素１５０Ａ～Ｎへの熱伝達を増加させ、安全マージンを効果的に低減し、より高出力の原子炉システムを提供し、その結果、原子炉炉心１０１の経済性を改善するために燃料形状に形成された燃料要素１５０Ａ～Ｎをさらに含む。

[0056]燃料要素１５０Ａ～Ｎはそれぞれ、核燃料を含む。核燃料は、高温マトリックスの内部に埋め込まれた三構造等方性（ＴＲＩＳＯ）燃料粒子などのコーティングされた燃料粒子で構成される燃料コンパクト（例えば、円筒形状又は他の適切な形状）を含む。いくつかの実施態様では、核燃料は、高温マトリックスの内部に埋め込まれた二構造等方性（ＢＩＳＯ）燃料粒子で構成される燃料コンパクトを含む。高温マトリックスは、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化ニオブ、タングステン、モリブデン、又はそれらの組み合わせを含む。ＴＲＩＳＯ燃料粒子の各々は、多孔質炭素バッファ層、内側熱分解炭素層、二元炭化物層（例えば、ＳｉＣのセラミック層又は高融点金属炭化物層）、及び外側熱分解炭素層によって取り囲まれた燃料核を含むことができる。ＴＲＩＳＯ燃料粒子の高融点金属炭化物層は、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化タンタル、炭化ハフニウム、ＺｒＣ－ＺｒＢ_２複合材、ＺｒＣ－ＺｒＢ_２－ＳｉＣ複合材、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つを含むことができる。高温マトリックスは、ＴＲＩＳＯ燃料粒子の二元炭化物層と同じ材料で形成することができる。

[0057]ＴＲＩＳＯ様コーティングは、安全性の影響及び製造の実現可能性に応じて単純化又は排除され得る。ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、原子炉炉心１０１内に蓄積する核***生成物に耐えるように設計されている。例における燃料要素１５０Ａ～Ｎは、ＴＲＩＳＯ燃料粒子又はＢＩＳＯ燃料粒子などのコーティングされた燃料粒子を含むが、燃料要素１５０Ａ～Ｎは、コーティングされていない燃料粒子を含み得る。

[0058]円筒形状の核燃料コンパクトを形成するために炭化ケイ素マトリックス中に分散されたＴＲＩＳＯ燃料粒子の説明は、ワシントン州シアトルのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの以下の特許及び特許公開、「Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｎｕｃｌｅａｒ ｆｕｅｌ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する２０１６年３月２９日交付の米国特許第９，２９９，４６４号明細書、「Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏ－ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ（ＦＣＭ）ｆｕｅｌ ｆｏｒ ＣＡＮＤＵ ａｎｄ Ｏｔｈｅｒ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」 と題する２０１８年７月２４日交付の米国特許第１０，０３２，５２８号明細書、「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｕｌｌｙ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ」と題する２０１８年１０月２３日交付の米国特許第１０，１０９，３７８号明細書、「Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｍｉｃｒｏ－ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ（ＤＣＭ）Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ ａｎｄ Ｒｅｌａｔｅｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ」と題する２０１７年４月１１日交付の米国特許第９，６２０，２４８号明細書及び２０１９年１１月１２日交付の米国特許第１０，４７５，５４３号明細書、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ」と題する２０２０年１月２３日公開の米国特許公開第２０２０／００２７５８７号明細書、「Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｕｅｌ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｈａｖｉｎｇ ａ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｖｅｓｓｅｌ Ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ Ｌａｙｅｒｓ ｏｆ Ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ Ｇｒａｐｈｉｔｅ ａｎｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ」と題する２０２０年２月２５日交付の米国特許第１０，５７３，４１６号明細書に提供されており、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。これらのＵｌｔｒａ Ｓａｆｅ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの特許に記載されているように、核燃料は、一般に、円筒形状核燃料コンパクトを作成するために炭化ケイ素マトリックスの内側に埋め込まれたＴＲＩＳＯ燃料粒子からなる円筒形の燃料コンパクト又はペレットを含む。

[0059]ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、１，６００°Ｃを超える温度で応力又は核***ガス圧力に起因して亀裂しないように設計されており、したがって、最悪の事故シナリオでは燃料核を含むことができる。ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、原子炉炉心１０１を含み、ＬＷＲの温度よりもはるかに高い温度で動作する高温ガス冷却炉（ＨＴＧＲ）で使用するように設計されている。ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、１５００°Ｃ未満では極めて故障が少ない。

[0060]ＴＲＩＳＯ燃料粒子で形成された燃料要素１５０Ａ～Ｎは、直流焼結（ＤＣＳ）によって形成され得る。燃料要素１５０Ａ～Ｎは、高レベルの燃料燃焼度（＞＞１００ＧＷｄ／ｔ）を達成し、極端な温度（例えば、約１，２００°Ｃ）で動作し、放射線照射下で優れた挙動を有する。燃料要素１５０Ａ～Ｎは、５０％を超える体積充填率のＴＲＩＳＯ燃料粒子を含むことができる。ＴＲＩＳＯ燃料粒子は、低密度炭素、二元炭化物層、及び熱分解グラファイトの交互又は連続層によってコーティングされた燃料核を含むことができる。二元炭化物層は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、又は炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ジルコニウム（ＺｒＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、若しくはそれらの組み合わせなどの高融点金属炭化物を含むことができる。二元炭化物層が高融点金属炭化物で形成される場合、いくつかの利点を提供することができる。第１に、二元炭化物層を形成する高融点金属炭化物は、ＴＲＩＳＯ燃料粒子が、超高温動作（＞３０００度ケルビン）のための核***性燃料核を保持する複数の保護障壁を提供することを可能にする。第２に、高融点金属炭化物はまた、核***生成物を減衰させて、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎの放射線照射損傷を低減する。したがって、高融点炭化物層は、原子炉システム１００内の冷却材（例えば、水素などの推進剤）への漏出を防止するために核***生成物を捕捉する圧力容器層として挙動する。

[0061]ＮＴＰ、ＮＥＰ、又はＦＳＰ原子炉システム１００では、原子炉１０７は、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎに形成された複数の制御ドラムチャネル１３５Ａ～Ｎを占有する複数の制御ドラム１１５Ａ～Ｎを含み得る。制御ドラム１１５Ａ～Ｎは、制御ドラムチャネル１３５Ａ～Ｎ内で回転される。制御ドラム１１５Ａ～Ｎは、制御ドラム１１５Ａ～Ｎを回転させることによって原子炉炉心１０１の反応性を変化させるために、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎのスキューピン減速材ブロックアレイ１１３、及び燃料要素１５０Ａ～Ｎを横方向に囲むことができる。図示のように、制御ドラム１１５Ａ～Ｎは、圧力容器１６０の周囲又は周辺部に存在し、原子炉炉心１０１のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎ、及び燃料要素１５０Ａ～Ｎの周りに円周方向に位置付けられる。制御ドラム１１５Ａ～Ｎは、運転中に中性子集団及び原子炉出力レベルを選択的に調節するために、外側減速材マトリックス１２１Ｂ及び任意選択の反射体１４０の区域、例えば、原子炉炉心１０１を直接取り囲む外側反射体領域に配置することができる。任意選択の反射体１４０は、外側減速材マトリックス１２１Ｂを横方向に取り囲む複数の反射体ブロック、及び内側減速材マトリックス１２１Ａを横方向に取り囲む外側減速材マトリックス１２１Ｂを含むことができる。

[0062]例えば、制御ドラム１１５Ａ～Ｎは、円筒形状とすることができ、第１の外面上の反射体材料１１６（例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、ＢｅＳｉＣ、ＢｅＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３など）及び第２の外面上の吸収体材料１１７の両方で形成することができる。反射体材料１１６及び吸収体材料１１７は、制御ドラム１１５Ａ～Ｎの円筒形状の対向する両側、例えば外周の部分にあり得る。反射体材料１１６は、円筒又はその切頭部分として成形された反射体基板を含むことができる。吸収体材料１１７は、吸収体プレート又は吸収体コーティングを含むことができる。吸収体プレート又は吸収体コーティングは、制御ドラム１１５Ａ～Ｎのそれぞれの円筒形状を形成するため反射体基板上に配置される。例えば、吸収体プレート又は吸収体コーティングは、反射体材料で形成された反射体基板を覆い、制御ドラム１１５Ａ～Ｎを形成する。

[0063]図示の円筒形状の制御ドラム１１５Ａ～Ｎを回転させると、制御ドラム１１５Ａ～Ｎの吸収体材料１１７（例えば、炭化ホウ素、Ｂ_４Ｃ）の原子炉炉心１０１への近接度が変化し、中性子反射量が変化する。反射体材料１１６が原子炉炉心１０１に向かって内向きであり、吸収体材料１１７が外向きである場合、中性子は散乱されて原子炉炉心１０１内に戻って（反射されて）、より多くの核***を引き起こし、原子炉炉心１０１の反応度を高める。吸収体材料１１７が原子炉炉心１０１に向かって内向きであり、反射体材料１１６が外向きであるとき、中性子が吸収され、さらなる核***が停止して原子炉炉心１０１の反応性が低下する。陸上用途では、原子炉炉心１０１は、それ自体が核***することなく多くの中性子を吸収することができるホウ素、銀、インジウム、及びカドミウムなどの化学元素で構成された制御ロッド（図示せず）を含むことができる。

[0064]圧力容器１６０は、アルミニウム合金、炭素複合材、チタン合金、放射弾性ＳｉＣ複合材、ニッケル基合金（例えば、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）又はＨａｙｎｅｓ（商標））、又はそれらの組み合わせで形成することができる。圧力容器１６０及び原子炉炉心１０１は、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍを通って流れる推進剤（例えば、水素ガス又は液体）などの冷却剤を移送する円筒、配管、及び貯蔵タンクを含む他の構成要素で構成することができる。冷却剤は、例えば、ＮＴＰ原子炉システム１００における推力発生のための原子炉炉心１０１の燃焼サイクル中に液体からガス状態に移行する気体又は液体であり得る。水素はＮＴＰ原子炉システム１００用である。ＮＥＰ又はＦＳＰ原子炉１０７では、代わりにＨｅ、ネオン、ＨｅＸｅ、ＣＯ_２などの作動流体が循環される。冷却剤ループは、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎから熱を能動的に除去して、原子炉炉心１０１の動作中にスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎをより低い温度に維持することができる。

[0065]原子炉システム１００は、冷却剤が内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍを通って流れることを可能にする。内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍは、例えば、別個の核燃料冷却剤ループ内で推進するために、燃料冷却剤が原子炉炉心１０１内を通過して推力室（図示せず）に入ることを可能にするチャネル又は孔である。代替で、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍは、冷却剤が、例えば、専用冷却剤ループを介して原子炉炉心１０１を通過してヒートシンク（図示せず）に入ることを可能にする。スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを通って流れる冷却剤は、ヘリウム、フッ化リチウム（ＬｉＦ）で形成されたＦＬｉＢｅ溶融塩、フッ化ベリリウム（ＢｅＦ_２）、ナトリウム、Ｈｅ、ＨｅＸｅ、ＣＯ_２、ネオン、又はＨｅＮを含むことができる。

[0066]ヒートシンクに関して、閉ループ出力サイクルの場合、温度を下げるための最も直接的な方法は、出力サイクルのコールドエンドである。別の選択肢は、非加熱原子炉入口であり、冷却剤は、原子炉入口、圧縮機出口、又は出力サイクルのコールドエンドなどの出力サイクルの冷却部から来る。追加で、外部ヒートシンク、外部コールドシンク、又は別個の出力サイクルを一緒に使用することもできる。

[0067]図１Ａの図示の例を参照すると、原子炉炉心１０１は、複数の燃料要素１５０Ａ～Ｎと、原子炉炉心内側部分１２３Ａ及び原子炉炉心外側部分１２３Ｂを形成するための１つ以上のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎのスキューピン減速材ブロックアレイ１１３とを含む。原子炉炉心内側部分１２３Ａは、複数の内側孔１６１Ａ～Ｚで形成された内側減速材マトリックス１２１Ａを含む。複数の内側孔１６１Ａ～Ｚは、燃料要素１５０Ａ～Ｎのうちの１つ以上が内部に配置された複数の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍを含み、冷却剤を流すための複数の内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍも含む。原子炉炉心外側部分１２３Ｂは、複数の外側孔１６２Ａ～Ｚで形成された外側減速材マトリックス１２１Ｂを含む。複数の外側孔１６２Ａ～Ｚは、燃料要素１５０Ａ～Ｎのうちの１つ以上が内部に配置された複数の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを含み、冷却剤を流すための複数の外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍも含む。内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚは、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いている。一例では、不規則に間隔を置いているとは、間隔が不均一な間隔であることを意味する。

[0068]さらに、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側孔１６１Ａ～Ｚの内側パターンが、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚの外側パターンと比較して互いにより密接にクラスタ化されるように、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いている。

[0069]追加で、内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚ間の内側孔間隔が外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚ間の外側孔間隔と比較して小さくなるように、互いにより密接にクラスタ化される。

[0070]さらに、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍは、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。内側減速材マトリックス１２１Ａの内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍは、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。

[0071]内側減速材マトリックス１２１Ａ及び外側減速材マトリックス１２１Ｂは、集合的に、原子炉炉心１０１の出力ピーキング係数を最小にする減速材ウェブ１２２を形成する。減速材ウェブ１２２は、内側減速材マトリックス１２１Ａが外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚと比較して内側孔１６１Ａ～Ｚのより緊密なクラスタ化を含むように、不均一なクラスタ化を含む。出力ピーキング係数は、原子炉炉心１０１の最も高い局所出力密度を原子炉炉心１０１の平均出力密度で割ったものとして定義される。

[0072]具体的には、内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側孔１６１Ａ～Ｚの内側孔密度が、外側孔１６２Ａ～Ｚの外側孔密度と比較して高くなるように、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いている。内側孔密度は、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側単位面積１５５Ａ当たりの内側孔１６１Ａ～Ｚの数であり、外側孔密度は、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側単位面積１５５Ｂ当たりの外側孔１６２Ａ～Ｚの数である。

[0073]さらに、内側減速材マトリックス１２１Ａから外側減速材マトリックス１２１Ｂに半径方向外側に行くにつれて燃料開口部密度が減少する。一般に、燃料開口部密度は、単位面積１５５Ａ～Ｂ当たりの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの数である。したがって、内側単位面積１５５Ａ内の内側燃料開口部密度は、内側単位面積１５５Ａ当たりの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの数であり、外側単位面積１５５Ｂの外側燃料開口部密度は、外側単位面積１５５Ｂ当たりの外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの数である。内側燃料開口部密度は、外側燃料開口部密度よりも高い。冷却剤通路密度は、内側減速材マトリックス１２１Ａから外側減速材マトリックス１２１Ｂに半径方向外側に行くにつれて減少する。一般に、冷却剤通路密度は、単位面積１５５Ａ～Ｂ当たりの内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの数である。したがって、内側単位面積１５５Ａ内の内側冷却剤通路密度は、内側単位面積１５５Ａ当たりの内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍの数であり、外側単位面積１５５Ｂ内の外側冷却剤通路密度は、外側単位面積１５５Ｂ当たりの外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの数である。内側冷却剤通路密度は、外側冷却剤通路密度よりも高い。

[0074]さらに、燃料開口部密度は、内側減速材マトリックス１２１Ａから外側減速材マトリックス１２１Ｂに半径方向外側に行くにつれて連続的に減少する。冷却剤通路密度は、内側減速材マトリックス１２１Ａから外側減速材マトリックス１２１Ｂに半径方向外側に行くにつれて連続的に減少する。

[0075]追加で、単位長又は内側単位面積１５５Ａ当たりの１つ以上の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び単位長又は外側単位面積１５５Ｂ当たりの１つ以上の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを数える燃料開口部の数は、原子炉炉心半径方向中心１５６から原子炉炉心半径方向周辺部１５７まで、単位長又は内側単位面積１５５Ａ当たりの第１の燃料開口部の数から単位長又は外側単位面積１５５Ｂ当たりの第２の燃料開口部の数まで減少する。単位長又は内側単位面積１５５Ａ当たりの１つ以上の内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び単位長又は外側単位面積１５５Ｂ当たりの１つ以上の外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍを数える冷却剤通路の数は、原子炉炉心半径方向中心１５６から原子炉炉心半径方向周辺部１５７まで、単位長又は内側単位面積１５５Ａ当たりの第１の冷却剤通路の数から単位長又は外側単位面積１５５Ｂ当たりの第２の冷却剤通路の数まで減少する。

[0076]図１Ｂは、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの詳細を示す、図１Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域１９０の拡大図である。具体的には、詳細区域１９０は、原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側孔１６１Ａ～Ｚの内側パターンが原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚの外側パターンと比較して互いにより密接にクラスタ化されるように、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いていることを示す。その結果、内側孔１６１Ａ～Ｚは、原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚ間の内側孔間隔が原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚ間の外側孔間隔と比較して小さくなるように、互いにより密接にクラスタ化される。原子炉炉心内側部分１２３Ａから原子炉炉心外側部分１２３Ｂに外向きに行くにつれて、燃料開口部密度及び冷却材通路密度は徐々に減少するが、図１Ｂ～図１Ｃの詳細区域１９０及び図２Ｂ～図２Ｆの詳細区域２９０の図は、クラスタ化の違いを示すために幾分誇張されている。

[0077]さらに、詳細区域１９０は、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの両方、並びにこの挙動を示す内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍを示す。したがって、原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍは、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍは、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。

[0078]図１Ｃは、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの詳細を示す、図１Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域１９０の斜視図である。

[0079]いくつかの例では、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍは円筒形状として示されており、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍも円筒形状として示されている。しかしながら、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎ、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４２１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍは、様々な形状として形成することができる。２次元空間で円形又は他の丸形であることに加えて、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍは、楕円形、正方形、長方形、三角形、又は別の多角形であり得る。

[0080]原子炉炉心１０１のアーキテクチャは、出力ピーキングを低減し、それによって原子炉炉心１０１内のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎの冷却を改善する。より高い温度に到達させると、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは解離又は分解を開始し、反応性の正味の損失をもたらし、***又は連鎖反応を遅くすることができる。内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚ、特に内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍのスキューピン形成を使用することによって、小さいサイズに最適化された高温原子炉炉心１０１が達成される。

[0081]１つ以上のスキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎは、グラファイト、炭素、炭化物、ベリリウム（例えば、ベリリウム金属）、酸化ベリリウム、ベリリド、水素化物、又はそれらの組み合わせを含むことができる。一例では、スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを形成するための低温固相減速材の使用は、核燃料として低濃縮ウラン（ＬＥＵ）を使用する小さいサイズに最適化された高温原子炉に有用であり得る。低温固相減速材は、ＭｇＨ_ｘ、ＹＨ_ｘ、ＺｒＨ_ｘ、ＣａＨ_ｘ、ＺｒＯ_ｘ、ＣａＯ_ｘ、ＢｅＯ_ｘ、ＢｅＣ_ｘ、Ｂｅ、濃縮炭化ホウ素、^１１Ｂ_４Ｃ、ＣｅＨ_ｘ、ＬｉＨ_ｘ、又はそれらの組み合わせを含む。スキューピン減速材ブロック１０３Ａ～Ｎを形成する低温固相減速材は、より高い減速力及び減速比（巨視的減速力）を有するので、低温固相減速材は、燃料要素１５０Ａ～Ｎ内のより少量の核***性材料（例えば、原子炉炉心１０１内で必要とされるウランの量を低減する）で小型原子炉炉心１０１を可能にする。したがって、図示の原子炉炉心１０１は、より広い範囲の動作温度、ループ構成、及び用途を提供する。

[0082]図１Ａ～図１Ｃでは、１つ以上の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの各々の燃料開口部のサイズは一致しており、１つ以上の内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍの各々の冷却剤通路のサイズもまた一致しており、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３全体にわたって固定されている。すなわち、１つ以上の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの各々の燃料開口部のサイズは、１つ以上の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍのそれぞれの燃料開口部１３２Ａの燃料開口部のサイズに等しい。１つ以上の内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍの各々の冷却剤通路のサイズは、１つ以上の外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍのそれぞれの冷却剤通路１４２Ａの冷却剤通路のサイズに等しい。しかしながら、図２Ａ～図２Ｆは、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚのサイズが異なる、同様の原子炉炉心１０１を示す。具体的には、図２Ｂ～図２Ｃ及び図２Ｆは、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍのサイズの変化を示し、図２Ｄ～図２Ｅは、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍのサイズの変化を示す。

[0083]図２Ａは、図１Ａと同様の内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの密度、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの密度、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの密度、及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの密度を有する原子炉炉心１０１を示す。図２Ｂは、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの詳細を示す、図２Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域２９０の拡大図である。図２Ｃは、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの詳細を示す、図２Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域２９０の斜視図である。

[0084]図２Ｂ～図２Ｃは、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの内側冷却剤通路のサイズ２４３、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの外側冷却剤通路のサイズ２４４、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの内側燃料開口部のサイズ２３３、及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの外側燃料開口部のサイズ２３４を示す。具体的には、図２Ｂ～図２Ｃは、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍのより大きい（例えば、より広い）外側冷却剤通路のサイズ２４４と比較して、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍのより小さい（例えば、より狭い）内側冷却剤通路のサイズ２４３を示す。図２Ｂ～図２Ｃでは、内側燃料開口部のサイズ２３３は、外側燃料開口部のサイズ２３４と同じサイズである。

[0085]図１Ｂ～図１Ｃとは対照的に、図２Ｂ～図２Ｃでは、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの内側冷却剤通路のサイズ２４３及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの外側冷却剤通路のサイズ２４４は、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの密度によって変化する。内側冷却剤通路のサイズ２４３及び外側冷却剤通路のサイズ２４４は、原子炉炉心１０１内の関連する内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの半径方向位置に基づいて変化する。これは、外側減速材マトリックス１２１Ｂ内の冷却剤の量を増加させる実用的な効果を有し、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍ内の燃料要素１５０Ａ～Ｎの熱をさらに低減することができ、それによって半径方向ピン出力ピーキングをさらに低減する。代替として、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの内側冷却剤通路のサイズ２４３及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの外側冷却剤通路のサイズ２４４は、原子炉炉心半径方向周辺部１５７から原子炉炉心半径方向中心１５６まで増加することができる。原子炉炉心半径方向中心１５６に向かう冷却剤の増加は、冷却剤チャネル出力ピーキング係数をさらに減少させることができる。

[0086]具体的には、詳細区域２９０は、原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍが、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化されていることを示す。原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍは、原子炉炉心内側部分１２３Ａの外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。詳細区域２９０はまた、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍが異なるようにサイズ設定され、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して直径が異なることを示している。具体的には、外側冷却剤通路のサイズ２４４は、内側冷却剤通路のサイズ２４３を超える。したがって、外側冷却剤通路の直径は、内側冷却剤通路の直径を超える。

[0087]図２Ｄ～図２Ｅは、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍ、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ、及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの代替的な詳細を示す、図２Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域２９０の代替的な図である。図２Ｄ～図２Ｅでは、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの内側燃料開口部のサイズ２３３及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの外側燃料開口部のサイズ２３４は、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの密度によって変化する。内側燃料開口部のサイズ２３３及び外側燃料開口部のサイズ２３４のこれらの変化はまた、原子炉炉心１０１内の出力ピーキングをさらに低減することができる。具体的には、詳細区域２９０は、原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍが、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化されていることを示す。原子炉炉心内側部分１２３Ａの内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍは、原子炉炉心外側部分１２３Ｂの外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して互いにより密接にクラスタ化される。図２Ｆでは、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの内側冷却剤通路のサイズ２３及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの外側冷却剤通路のサイズ２４４は変化する。内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの個体群密度も変化する。内側冷却剤通路のサイズ２４３及び外側冷却剤通路のサイズ２４４並びに個体群密度におけるこれらの変化はまた、原子炉炉心１０１内の出力ピーキングをさらに低減することができる。

[0088]図２Ｄ～図２Ｅでは、詳細区域２９０はまた、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍが異なるようにサイズ設定され、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍと比較して直径が異なることを示している。具体的には、図２Ｄでは、内側燃料開口部のサイズ２３３は外側燃料開口部のサイズ２３４を超える。したがって、内側燃料開口部の直径は外側燃料開口部の直径を超える。図２Ｄは、図２Ｃの例と同様の効果を示し、両方の例において、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの表面積に対する内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの表面積の比は、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの表面積に対する外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの表面積の比よりも高い。図２Ｅは図２Ｄの逆であり、外側燃料開口部のサイズ２３４が内側燃料開口部のサイズ２３３を超えている。したがって、外側燃料開口部の直径は内側燃料開口部の直径を超える。

[0089]図２Ｆでは、詳細区域２９０はまた、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍが異なるようにサイズ設定され、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して直径が異なることを示している。具体的には、内側冷却剤通路のサイズ２４３は、外側冷却剤通路のサイズ２４４を超える。したがって、内側冷却剤通路の直径は外側冷却剤通路の直径を超える。図２Ｆは、図２Ｅの例と同様の効果を示し、両方の例において、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの表面積に対する外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの表面積の比は、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの表面積に対する内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの表面積の比よりも高い。

[0090]要約すると、図２Ａ～図２Ｅの図示の例では、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔２６１Ａ～Ｚは、内側孔２６１Ａ～Ｚの内側パターンが、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔２６２Ａ～Ｚの外側パターンと比較して、互いにより密接にクラスタ化されるように、外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔２６２Ａ～Ｚに対して不規則に間隔を置いている。しかしながら、図１Ａ～図１Ｃの原子炉炉心１０１は、以下のように変更される。内側パターン及び外側パターンは、（ｉ）内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍが外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して異なるようにサイズ設定される（図２Ｂ～図２Ｃを参照）、（ｉｉ）内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍが外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍと比較して異なるようにサイズ設定される（図２Ｄ～図２Ｅを参照）、又はそれらの組み合わせのように、互いに対して可変孔サイズを有する。

[0091]さらに、可変孔サイズは、可変孔径である。しかしながら、他の例では、可変孔サイズは、内側孔２６１Ａ～Ｚ又は外側孔２６２Ａ～Ｚの形状に応じて、内側孔２６１Ａ～Ｚ又は外側孔２６２Ａ～Ｚの周囲、円周、直径に関して測定することができる。この例では、内側孔２６１Ａ～Ｚ及び外側孔２６２Ａ～Ｚは円形形状の開口部であるが、内側孔２６１Ａ～Ｚ及び外側孔２６２Ａ～Ｚは、多角形の開口部形状を含む他の開口部形状を含むことができる。内側孔２６１Ａ～Ｚは、外側孔２６２Ａ～Ｚと比較して異なる形状の開口部を有することができ、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍは、内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍと比較して異なる形状の開口部を有することができる。内側孔２６１Ａ～Ｚ及び外側孔２６２Ａ～Ｚは、内側孔２６１Ａ～Ｚ及び外側孔２６２Ａ～Ｚの開口部からスキューピン減速材ブロックアレイ１１３内に延びる様々なサイズを有することができる。内側冷却剤通路２４１Ａ～Ｍの各々は、内側冷却剤通路のサイズ２４３を有し、外側冷却剤通路２４２Ａ～Ｍの各々は、外側冷却剤通路のサイズ２４４を有する。外側冷却剤通路のサイズ２４４は、内側冷却剤通路のサイズ２４３を超える。図２Ｄに示すように、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍに同じ又は同様のサイズ計算関数を適用することができる。すなわち、内側燃料開口部２３１Ａ～Ｍの各々は、内側燃料開口部のサイズ２３３を有し、外側燃料開口部２３２Ａ～Ｍの各々は、外側燃料開口部のサイズ２３４を有する。内側燃料開口部のサイズ２３３は、外側燃料開口部のサイズ２３４を超える。

[0092]図３Ａは、図１Ａと同様の原子炉炉心１０１の断面図である。しかしながら、図３Ａのスキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、モノリシックな全炉心のスキューピン減速材ブロック１０３Ａではなく、代わりに、従来の高温ガス炉における通常の六角形の減速材ブロックと同様に、タイルとして共に嵌合する別個に切断されたモジュール式のスキューピン減速材ブロック１０３Ｏ～Ｕである。この特定の例では、熱機械分析は、原子炉級のグラファイト減速材ブロックを図３Ａに示す幾何学形状で切断し、長年にわたって放射線照射下の温度勾配に耐えることができることを示している。

[0093]図３Ａでは、スキューピン減速材ブロック１０３Ｏ～Ｕは角柱として成形されているが、図１Ａ～図１Ｃ及び図２Ａ～図２Ｆのように円筒として成形することもできる。中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、原子炉炉心１０１の長手方向の視点から見て、実質的に、六角柱又は六角形として成形される。残りの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、原子炉炉心１０１の長手方向の視点から見て、実質的に、三角柱又は丸みを帯びた面を有する三角形様に成形される。この例では、単一の中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏがあるが、いくつかの例では、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏを構成する複数の内側スキューピン減速材ブロックがあり得る。

[0094]中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕの数、この例では６に等しい複数の中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆを含み、中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆは、それぞれの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕに隣接する。外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕはそれぞれ、３つの外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃを有する。

[0095]第１に、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐは、それぞれの中心減速材界面壁３８１Ａ、並びに隣接する外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｑの第３の外側減速材界面壁３９１Ｃと接する第１の（例えば、内向き）外側減速材界面壁３９１Ａを有する。第１の外側減速材界面壁３９１Ａは、わずかに凸状であり、中心減速材界面壁３８１Ａは、わずかに凹状である。

[0096]第２に、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐは、隣接する外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｕの第１の外側減速材界面壁３９１Ａと接する第２の（例えば、半径方向）外側減速材界面壁３９１Ｂを有する。第２の外側減速材界面壁３９１Ｂは、隣接する外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｕの凸状の第１の外側減速材界面壁３９１Ａを収容するためにわずかに凹状である。

[0097]第３に、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐは、圧力容器１６０と接し、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏとは反対側を向く第３の（例えば、外向き）外側減速材界面壁３９１Ｃを有する。第３の外側減速材界面壁３９１Ｃは、わずかに凹状であり、球面又は非球面（複数可）で形成される。図３Ａ及び図３Ｅに示すように、第３の外側減速材界面壁３９１Ｃは、その中に形成された３つの制御ドラムチャネル１３５Ａ～Ｃを含む。

[0098]中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏ及び外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、観察者には、多くのファセットを有する切断されたジェムストーンのような湾曲面又は平坦面として見える。「ファセット」は、平坦化セグメント（例えば、平面）又は湾曲セグメント（例えば、非球面又は球面）とすることができる。外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕの複数の第３の外側減速材界面壁３９１Ｃは、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に連続した（例えば、均一又は滑らかな）丸い（例えば、円形又は楕円形）周縁を形成することができる。しかしながら、複数の第３の外側減速材界面壁３９１Ｃはまた、任意選択の反射体１４０の充填材要素を収容するために、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に不連続な（例えば、不均一又はのこぎり歯様）縁部を形成することができる。本明細書で使用する場合、「界面壁」は、第３の（例えば、外向き）外側減速材界面壁３９１Ｃのような１つのファセット（単一のファセット）で形成され得る。代替で、「界面壁」は、第１の（例えば、内向き）外側減速材界面壁３９１Ａ及び第２の（例えば、半径方向）外側減速材界面壁３９１Ｂのような複数のファセット（複数のファセット）で形成され得る。

[0099]図３Ｂは、２つの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｑと中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏとの間の交差部のさらなる詳細を示す、図３Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域３９０の拡大断面図である。具体的には、図３Ｂは、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚのいくつかの構造が、図示されている中心減速材界面壁３８１Ａ、又は図示されている第１の外側減速材界面壁３９１Ａ及び第２の外側減速材界面壁３９１Ｂによって分断（例えば、二分割）され得ることを示している。追加で、図３Ｂは、中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆ及び外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃがスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を通って延びることを示す。

[0100]図示された図３Ａ～図３Ｅの例では、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、内側孔１６１Ａ～Ｚのみを含み、内側孔１６１Ａ～Ｔの第１のサブセットがその中に形成される。スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、内側孔１６１Ｕ～Ｚの第２のサブセットと、その中に形成された外側孔１６２Ａ～Ｚとを含む。したがって、第１の例では、内側孔１６１Ａ～Ｚは、すべて中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏ内にあるわけではなく、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、外側孔１６２Ａ～Ｚを含むだけではない。図示されていないが、第２の例では、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、内側孔１６１Ａ～Ｚと、その中に形成された外側孔１６２Ａ～Ｆの第１のサブセットの両方を含むことができる。外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、その中に形成された外側孔１６２Ｇ～Ｚのみを含む。第３の例では、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、その中に形成された内側減速材マトリックス１２１Ａの全体を含むことができる。外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、その中に形成された外側減速材マトリックス１２１Ｂの全体を含むことができ、それにより、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏ内にのみ形成された内側孔１６１Ａ～Ｚと外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕ内にのみ形成された外側孔１６２Ａ～Ｚとの間の個体群密度及びサイズの差を画定することができる。第４の例では、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、内側孔１６１Ａ～Ｔの第１のサブセットと、その中に形成された外側孔１６２Ａ～Ｆの第１のサブセットの両方を含むことができる。外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、内側孔１６１Ｕ～Ｚの第２のサブセットと、その中に形成された外側孔１６２Ｇ～Ｚの第２のサブセットの両方を含むことができる。

[0101]図３Ｃは、図３Ｂと同様の詳細を示す、図３Ａの原子炉炉心１０１の詳細区域３９０の斜視図である。図３Ｃは、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚが、スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕの本体を通って、スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕのそれぞれの上面から延びることを示す断面図をさらに示す。図３Ｃの断面には示されていないが、内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚは、中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆ及び／又は外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃのファセットとして形成され得ることを理解されたい。

[0102]要するに、図３Ａ～図３Ｃの図示の例では、１つ以上のスキューピン減速材ブロック１０３Ｏ～Ｕは、角柱又は円筒として成形されるが、角柱又は円筒は、複数のファセットを含み得る。内側孔１６１Ａ～Ｚは、内側減速材マトリックス１２１Ａの内側孔１６１Ａ～Ｚ間の内側孔間隔が外側減速材マトリックス１２１Ｂの外側孔１６２Ａ～Ｚ間の外側孔間隔と比較して小さくなるように、互いにより密接にクラスタ化される。スキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、内側パターンを有し、原子炉炉心内側部分１２３Ａ内に位置付けられた１つ以上の内側又は中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏと、外側パターンを有し、１つ以上の内側又は中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏを取り囲むため原子炉炉心外側部分１２３Ｂ内に位置付けられた１つ以上の外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕとを含む。

[0103]図３Ａ～図３Ｃでは、１つ以上の内側スキューピン減速材ブロック１０３Ｏ～１０３Ｕは、複数の外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕによって囲まれた中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏを含む。中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、複数の中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆを含む。それぞれの中心減速材界面壁３８１Ａは、それぞれの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕと接する。中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏは、多角柱として成形され、それぞれの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕは、三角柱として成形される。しかしながら、多角柱又は三角柱は、複数のファセットを含むことができる。それぞれの外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐは、複数の外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃを含む。中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆ及び外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃは、平面、非球面、球面、又は自由曲面である。本明細書で使用される場合、「自由曲面」は、平面などの規則的な面とは異なり、堅い半径方向寸法、あるいは非球面又は球面（例えば、円筒面、円錐面、二次面）を有さない。

[0104]複数の外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃは、内向き又は第１の外側減速材界面壁３９１Ａを含む。第１の外側減速材界面壁３９１Ａの一部は、それぞれの中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｆと境界面で接する。複数の外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃは、半径方向又は第２の外側減速材界面壁３９１Ｂをさらに含む。第２の外側減速材界面壁３９１Ｂの一部は、別の外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｑと境界面で接する。複数の外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｃは、外向き又は第３の外側減速材界面壁３９１Ｂをさらに含む。外側減速材界面壁３９１Ａ～Ｂの一部は、制御ドラム１１５Ａ～Ｂと境界を接する制御ドラムチャネル１３５Ａ～Ｂを含む。

[0105]図３Ｄは、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ～Ｕから分離して示された中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏの斜視図である。説明を容易にするために、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び内側冷却剤通路１４１Ａ～Ｍなどの内側孔１６１Ａ～Ｚは、図３Ｄには示されていない。

[0106]図３Ｅは、中心スキューピン減速材ブロック１０３Ｏから分離して示された外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐの斜視図である。説明を容易にするために、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ及び外側冷却剤通路１４２Ａ～Ｍなどの内側孔１６１Ａ～Ｚ及び外側孔１６２Ａ～Ｚは、図３Ｅに示されない。第１の外側減速材界面壁３９１Ａは、その中に球面として形成された制御ドラムチャネル１３５Ａを含む。第２の外側減速材界面壁３９１Ｂはまた、その中に球面として形成された第２の制御ドラムチャネル１３５Ｂを含む。第３の制御ドラムチャネル１３５Ｃは、外側スキューピン減速材ブロック１０３Ｐ内の第３の外側減速材界面壁３９１Ｃの近くに形成される。図３Ｄ～図３Ｅには示されていないが、中心減速材界面壁３８１Ａ～Ｃ及び外側減速材界面壁３９１Ａ～３９１Ｃの両方の内側孔１６１Ａ～Ｚ及び／又は外側孔１６２Ａ～Ｚのために形成することができるファセット。

[0107]図４Ａ～図４Ｆは、ＮＴＰ用の原子炉１０７の原子炉炉心１０１の例示的な設計空間における傾向を調べる散布図である。図４Ａ～図４Ｆの散布図の強調された傾向は、他の要因と組み合わせた半径方向の間隔の変化が、十分に高いｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）比を維持しながら半径方向のピーキングをどのように最小化できるかを示している。図４Ａのすべてのプロットされた設計データ点４０１Ａ～Ｚ、図４Ｂの４０２Ａ～Ｚ、図４Ｃの４０３Ａ～Ｚ、図４Ｄの４０４Ａ～Ｚ、図４Ｅの４０６Ａ～Ｚ、及び図４Ｆの４０７Ａ～Ｚは、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの４つのリングを含む核熱推進システム原子炉１０７の構成を表す。これらの設計点は組み合わせ方式で生成され、図５Ａ～図５Ｄの燃料要素間隔変動係数のリング１ ５２５、図５Ａ～図５Ｄの燃料要素間隔変動係数のリング２ ５３０、図５Ａ～図５Ｄの燃料要素間隔変動係数のリング３ ５３５、図５Ａ～図５Ｄのリング４ ５４０、原子炉１０７の外径、及び最小燃料要素距離のすべての有効な組み合わせが生成された。繰り返すと、図４Ａ～図４Ｆの各図は同じ設計点を有するが、異なる傾向が強調されている。

[0108]図４Ａ～図４Ｆは、これらの多数の設計データ点４０１Ａ～Ｚ、４０２Ａ～Ｚ、４０３Ａ～Ｚ、４０４Ａ～Ｚ、４０６Ａ～Ｚ、４０７Ａ～Ｚを、ｋ－実効比４１０及び出力ピーキング係数４０５の空間によってソートする。高いｋ－実効比４１０及び低い出力ピーキング係数４０５を有する設計点が、この設計空間において望ましい。１．０００を超えるｋ－実効比４０５は、原子炉１０７が動作するために必要であり、１．０００を超えるｋ－実効比４０５は、設計の不確実性におけるより大きなマージンを可能にするか、又は原子炉１０７がより高い核***性材料の燃焼を達成することを可能にする。

[0109]繰り返すと、図４Ａ～図４Ｆの各図は同じ設計点を有するが、異なる傾向が強調されている。図４Ａ～図４Ｆの情報は、設計空間内の最適な設計点に影響を及ぼす要因に関する洞察を技術者に与え、技術者に、ｋ－実効比、出力ピーキング係数、炉心外径、及び最小燃料要素厚さなどの要因を交換する最適な設計点を決定させる。

[0110]より具体的には、図４Ａ～図４Ｄは、原子炉炉心１０１内の様々なｋ－実効比における出力ピーキング係数（ＰＰＦ）に関して原子炉炉心半径方向中心１５６からの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの半径方向距離を変化させることの影響を示す散布図である。中性子増倍係数としても知られる係数ｋ－実効（ｋ－ｅｆｆ）は、燃料要素１５０Ａ～Ｎの高温マトリックスに懸濁された燃料粒子中の核***性材料の臨界状態を特徴付ける。一般に、ｋ－ｅｆｆ＝生成された中性子の数／失われた中性子の数（漏れ又は吸収による）である。図４Ａ～図４Ｄの例では、原子炉炉心１０１は、中心の内側燃料開口部１３１Ａ及び内側燃料開口部１３１Ｂ～Ｍと外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを取り囲む４つのリングとを含む。

[0111]図４Ａは、リング１出力ピーキング性能プロット４００Ａを含む。図５Ａ～図５Ｄのリング１ ５２５は、内側燃料開口部１３１Ｂ～１３１Ｍのリングの向きの例である。リング１出力ピーキング性能プロット４００Ａは、４つのリング原子炉炉心１０１の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの最も内側のリングの性能プロットである。各設計データ点４０１Ａ～Ｚは、所与のｋ－実効比４１０及び燃料要素間隔変動係数４１５における出力ピーキング係数４０５の測定値である。Ｘ軸上の出力ピーキング係数４０５は、燃料要素間隔変動係数４１５が使用されたとして、所与のｋ－実効比４１０で原子炉炉心１０１が経験する出力ピーキングの量である。Ｙ軸上のｋ－実効比４１０は、実効中性子増倍率であり、核***を生じない数に対する、核***を生じる中性子の比である。

[0112]１．０００未満のＫ－実効比４１０の値は、原子炉１０７の亜臨界構成を示し、原子炉炉心１０１が原子炉炉心１０１内の核***を持続することができないことを示す。１．０００より大きいＫ－実効比４１０の値は、原子炉炉心１０１が加熱しており、大量の核***を生成している臨界超過状態を達成することができる原子炉１０７の構成を示す。１．０００におけるＫ－実効比４１０の値は、臨界反応を示し、原子炉炉心１０１が安定しており、一定量の核***を生成することを示す。原子炉炉心１０１は、一般に、１．０００付近のｋ－実効比４１０で動作するが、原子炉炉心１０１がエネルギー出力を増加させている場合にはｋ－実効比４１０を増加させるか、又は原子炉炉心１０１がエネルギー出力を減少させている場合にはｋ－実効比４１０を減少させることができる。

[0113]燃料要素間隔変動係数４１５は、従来の原子炉炉心１０１からの間隔変動の増加又は減少である。例えば、０．０燃料要素間隔変動係数４１５は、従来の原子炉炉心１０１の間隔を示す。－０．１５燃料要素間隔変動係数は、内側燃料要素１３１Ａ～Ｍが、従来の原子炉炉心の内側燃料要素よりも試験された原子炉炉心１０１内で互いにより近接して間隔を置いていることを示す。

[0114]したがって、図４Ａは、リング１ ５２５上の燃料要素間隔変動係数４１５の影響を強調している。各燃料要素間隔変動係数のパレートフロンティアは、線で示されている。一例として、燃料要素間隔変動係数が０．１５の設計データ点４０１Ａ～Ｚのセットは、０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ａを有する。パレートフロンティアは、所与の燃料要素間隔変動係数４１５に対してｋ－実効比４１０を低下させることなく、線上のすべての設計データ点４０１Ａ～Ｚが可能な限り低い出力ピーキング係数４０５を有することを示す。

[0115]燃料要素間隔変動係数４１５の５つの変形の各々はまた、パレートフロンティアとして示される最大出力ピーキング係数間隔線グラフを有する。－０．１５の燃料要素間隔変動は、例えば、－０．１５間隔のパレートフロンティア４２０Ａ線を有する。－０．１間隔のパレートフロンティア４２５Ａ線、０．０間隔のパレートフロンティア４３０Ａ線、０．１間隔のパレートフロンティア４３５Ａ線、及び０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ａ線もすべて示されている。これらの線は、所与の燃料要素間隔変動係数４１５に対してｋ－実効比４１０を低下させることなく、可能な限り低い出力ピーキング係数４０５を有するすべての設計データ点４０１Ａ～Ｚを示す。高いｋ－実効比及び低い出力ピーキング係数を有する設計データ点４０１Ａ～Ｚが所望されるため、パレートフロンティアは直接関連する。

[0116]間隔線４２０Ａ、４２５Ａ、４３０Ａ、４３５Ａ、４４０Ａに対するパレートフロンティアは、原子炉炉心１０１の第１のリング５２５内にあるときに内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの間隔を変更するときにわずかな改善を示す。－０．１５の低減された燃料要素間隔変動係数４１５の設計データ点４０１Ａ～Ｚは、より高いｋ－実効比４１０及びより高い出力ピーキング係数４０５の近くに集まる傾向がある一方で、０．１５の増大された燃料要素間隔変動係数４１５の設計データ点４０１Ａ～Ｚは、より低いｋ－実効比４１０及びより低い出力ピーキング係数４０５の近くに集まる傾向があるが、０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ａ及び－０．１５間隔のパレートフロンティア４２０Ａ線は非常に類似している。しかしながら、－０．１５間隔のパレートフロンティア４２０Ａ線は、１．１５未満の出力ピーキング係数４０５を有する値を有さず、０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ａは、１．３０を超える出力ピーキング係数４０５を有する出力ピーキング係数４０５を有さない。

[0117]図４Ｂは、リング２出力ピーキング性能プロット４００Ｂを含み、設計空間内の図５Ａ～図５Ｄのリング２ ５３０上の燃料要素間隔変動係数４１５を強調している。図５Ａ～図５Ｄのリング２ ５３０は、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍのリング方向の例である。リング２出力ピーキング性能プロット４００Ｂは、４リング原子炉炉心１０１の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍの２番目に最も内側のリングに対する性能プロットである。設計データ点４０２Ａ～Ｚは収集され、図４Ａからの設計データ点４０１Ａ～Ｚと同様のデータを表す。設計データ点４０２Ａ～Ｚは、リング１出力ピーキング性能プロット４００Ａにグラフ化された第１のリング５２５ではなく、原子炉炉心１０１の第２のリング５３０に対する燃料要素間隔変動係数４１５の変更に関する。

[0118]図４Ｂでは、図４Ａと比較して、様々な間隔４２０Ｂ、４２５Ｂ、４３０Ｂ、４３５Ｂ、４４０Ｂのパレートフロンティアは、重なり合いが少なく、燃料要素間隔変動係数に基づく出力ピーキング係数４０５のより多くの変動を示す。－０．１５間隔のパレートフロンティア４２０Ｂ線は、１．２５出力ピーキング係数４０５で始まり、１．４０の出力ピーキング係数４０５まで続く。代替で、０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ｂは、１．０７から１．２５の範囲の出力ピーキング係数４０５を示す。これらの設計データ点４０２Ａ～Ｚは、燃料要素間隔変動係数４１５を増加させるとパレートフロンティアが減少することを示している。追加で、１．０００のｋ－実効比値４１０でリング２出力ピーキング性能プロット４００Ｂを見渡すと、より大きい燃料要素間隔変動係数に関連する設計データ点４０２Ａ～Ｚは、一般により低い出力ピーキング係数４０５で１．０００の効率的なｋ－実効比４１０で動作する。－０．１の減少した燃料要素間隔変動係数４１５に関連する設計データ点４０２Ａ～Ｚは、１．２０未満の出力ピーキング係数では動作することができない。

[0119]図４Ｃは、リング３出力ピーキング性能プロット４００Ｃを含み、設計空間内の図５Ａ～図５Ｄのリング３ ５３５上の燃料要素間隔変動係数４１５を強調している。図５Ａ～図５Ｄのリング３ ５３５は、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍのリングの向きの例である。リング３出力ピーキング性能プロット４００Ｃは、４リング原子炉炉心１０１の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの２番目に最も外側のリングの性能プロットである。設計データ点４０３Ａ～Ｚは収集され、図４Ａからの設計データ点４０１Ａ～Ｚと同様のデータを表す。設計データ点４０３Ａ～Ｚは、リング１出力ピーキング性能プロット４００Ａにグラフ化された第１のリング５２５ではなく、原子炉炉心１０１の第３のリング５３５に対する燃料要素間隔変動係数４１５の変更に関する。

[0120]図４Ｂと比較した図４Ｃでは、様々な間隔４２０Ｃ、４２５Ｃ、４３０Ｃ、４３５Ｃ、４４０Ｃの線のパレートフロンティアは、さらに重なり合いが少なく、燃料要素間隔変動係数４１５に基づいて出力ピーキング係数４０５の明確な描写を示す。０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ｃ線は、１．０００のｋ－実効比４１０に達することなく増加する出力ピーキング係数４０５を示す。これは、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍが臨界を達成することができず、原子炉炉心１０１が持続的なエネルギー出力を生成することができないとき、０．１５の燃料要素間隔変動係数４１５が大きすぎることを示すことができる。代替で、０．１間隔のパレートフロンティア４３５Ｃ線は、ｋ－実効比が１．０００をわずかに上回ったままである間、０．１の燃料要素間隔変動係数４１５が出力ピーキング係数４０５を増加させることを示す。これは、０．１の間隔変動係数４１５が幾分効率的であることを示しており、持続可能なｋ－実効比１．０００でこの間隔構成を有する原子炉炉心１０１を動作させると、原子炉炉心１０１が適切に動作される場合に出力ピーキング係数４０５を増加させることができない。言い換えれば、出力ピーキング係数４０５は、０．１間隔のパレートフロンティア４３５Ｃ上の設計データ点４０３Ａ～Ｚのｋ－実効比４１０に影響を及ぼさない。

[0121]図４Ｄは、リング４出力ピーキング性能プロット４００Ｄを含み、設計空間における有効な原子炉炉心１０１の外径でもあるリング４ ５４０上の燃料要素間隔変動係数４１５の影響を強調している。図５Ａ～図５Ｄのリング４ ５４０は、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍのリング方向の例である。リング４出力ピーキング性能プロット４００Ｄは、４リング原子炉炉心１０１の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの最も外側のリングの性能プロットである。設計データ点４０４Ａ～Ｚは収集され、図４Ａからの設計データ点４０１Ａ～Ｚと同様のデータを表す。設計データ点４０３Ａ～４０３Ｚは、リング１出力ピーキング性能プロット４００Ａにグラフ化された第１のリング５２５ではなく、原子炉炉心１０１の第４のリング５４０に対する燃料要素間隔変動係数４１５の変更に関する。図４Ａと比較した図４Ｄでは、様々な間隔４２０Ｃ、４２５Ｃ、４３０Ｃ、４３５Ｃ、４４０Ｃの線のパレートフロンティアは、最小限に重なり合い、燃料要素間隔変動係数４１５に基づいて出力ピーキング係数４０５の明確な描写を示す。具体的には、０．１５間隔のパレートフロンティア４４０Ｄ線は、図４Ｃの０．１間隔のパレートフロンティア４３５Ｃと同様に、１．０００に近いｋ－実効比４１０を有するいくつかの間隔構成があることを示している。

[0122]図４Ｅは、中心燃料開口部１３１Ａ及び内側燃料開口部１３１Ｂ～Ｇと外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを取り囲む４つのリングを有する原子炉炉心１０１における、様々なｋ－実効比での出力ピーキング係数に対する内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの半径方向距離操作の効果を示す散布図である。図４Ｅは、外径が変化する原子炉炉心１０１の性能プロットである外径出力ピーキング性能プロット４５０を含む。各設計データ点４０６Ａ～Ｚは、所与のＫ－実効比４１０及び原子炉炉心外径４４５における出力ピーキング係数４０５の測定値である。原子炉炉心外径４４５は、原子炉炉心１０１の直径である。

[0123]原子炉炉心外径４４５の３つの変形の各々はまた、パレートフロンティア間隔線グラフを有する。９５．０の原子炉炉心外径４４５は、例えば、９５．０の直径のパレートフロンティア４５５線を有する。９９．０直径のパレートフロンティア４６０線、及び１０３．０直径のパレートフロンティア４６５線もすべて示されている。

[0124]外径出力ピーキング性能プロット４５０は、一般に、増大した原子炉炉心外径４４５が所与の出力ピーキング係数４０５に対してより高いｋ－実効比４１０を可能にすることを示す。９５．０の直径を有する原子炉炉心１０１の構成はいずれも、１．３０の出力ピーキング係数で動作するまで、１．０００のｋ－実効比に達することさえできない。代替で、１０３．０の直径を有するいくつかの原子炉炉心１０１は、１．０５を超える出力ピーキング係数４０５を経験することなく、１．０００を超えるｋ－実効比で動作することができる。

[0125]図４Ｆは、中心燃料開口部１３１Ａ及び内側燃料開口部１３１Ｂ～Ｍと外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを取り囲む４つのリングを有する原子炉炉心１０１における、様々なｋ－実効比での出力ピーキング係数に対して内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの半径方向距離操作が及ぼす影響を示す散布図である。図４Ｆは、最小燃料要素距離が変化する原子炉炉心１０１の性能プロットである最小燃料要素距離出力ピーキング性能プロット４６６を含む。燃料要素最小距離４７０は、原子炉炉心１０１内の任意の２つの内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ又は外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの間の最小距離である。各設計データ点４０６Ａ～Ｚは、所与のｋ－実効比４１０及び燃料要素最小距離４７０における出力ピーキング係数４０５の測定値である。

[0126]燃料要素最小距離４７０の５つの変形の各々はまた、パレートフロンティア間隔線グラフを有する。７．２２５の燃料要素最小距離４７０は、例えば、７．２２５間隔のパレートフロンティア４７５線を有する。７．６５間隔のパレートフロンティア４８０線、８．５間隔のパレートフロンティア４８５線、９．３５間隔のパレートフロンティア４９０線、及び９．７７５間隔のパレートフロンティア４９５線もすべて示されている。

[0127]間隔のパレートフロンティアラインの線４７５、４８０、４８５、４９０、４９５は、原子炉炉心１０１内の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍと外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍとの間の最小距離を変更すると、わずかな改善を示す。７．２２５の低減された燃料要素最小距離７７０の設計データ点は、より高いｋ－実効比４１０及びより高い出力ピーキング係数４０５の近くに集まる傾向がある。９．７７５の増大された燃料要素最小距離４７０の設計データ点は、より低いｋ－実効比４１０及びより低い出力ピーキング係数４０５の近くに集まる傾向があるが、７．２２５間隔のパレートフロンティア４７５及び９．７７５間隔のパレートフロンティア４２０Ａ線は非常に類似している。全体として、最小燃料要素距離出力ピーキング性能プロット４６６は、燃料要素最小距離４７０の単純で純粋な増加は、性能の改善につながらないことを示している。図４Ｂ～図４Ｄの性能改善を見るために、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍを別個のエンティティとして標的とする戦略を採用すべきである。図４Ａ～図４Ｆは、出力プロファイルを平坦化することにより、すべての燃料要素１５０Ａ～Ｎが最大動作温度に達することを可能にし、原子炉１０７の平均出口温度を上昇させることができることを実証する。

[0128]図５Ａは、原子炉炉心半径方向中心１５６から様々な半径方向距離にある内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの４つのリング５２５、５３０、５３５、５４０を有する原子炉炉心１０１の異なる部分の原子炉炉心発熱マップ５００Ａである。正規化された半径方向アセンブリ出力５０５は、所与の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ又は外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍによって生成される出力、したがって熱の量を示す。図５Ａはまた、非典型的な横方向の幾何学的形状を示しており、線５１０を通る円形リング上の原子炉炉心１０１の所与のリング５３５内の外側燃料開口部１３１Ａ～Ｍを配置するためにオフグリッド間隔が実装される。図５Ａの原子炉炉心１０１では、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの内側３つのリング５２５、５３０、５３５は、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの第４の外側リング５４０よりも略高い正規化された半径方向アセンブリ出力５０５を有する。

[0129]図５Ｂは、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装する原子炉炉心１０１の異なる部分の原子炉炉心発熱マップ５００Ｂを示す。図５Ｂでは、原子炉炉心１０１のサブセット又はすべての内側燃料開口部１３１Ｂ～Ｍは、原子炉炉心内側部分１１３Ａ内にリング１ ５２５又はリング２ ５３０などの円形形状又は楕円形状として配置される。図５Ｂの設計は、原子炉炉心１０１を原子炉炉心内側部分１１３Ａ又は原子炉炉心外側部分１１３Ｂに分離するように改良され、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装する。２つの内側リング５２５、５３０を備える原子炉炉心内側部分１１３Ａは、図５Ａと比較して図５Ｂにおいてより緊密に詰め込まれており、原子炉炉心１０１のサイズを縮小することができる。図５Ｂの原子炉炉心１０１のこの設計選択は、図４Ａ～図４Ｂに基づいており、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ間の間隔を増加させることによる顕著な性能改善を示さなかった。

[0130]さらに、原子炉炉心外側部分１１３Ｂ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍは、図５Ａと比較して、原子炉炉心内側部分１１３Ａから遠い。図５Ｂの原子炉炉心１０１のこの設計選択は、図４Ｃ～図４Ｄに基づいており、図４Ｃの第３のリング５３５に従来の原子炉炉心が提供するよりも大きな間隔が与えられた場合に改善された性能を示した。追加で、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの第４のリング５４０は、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの第３のリング５３５により近く、第４のリング５４０が少なくとも１．０００のｋ－実効比４１０に達することができない図４Ｄが示した問題を潜在的に克服する。

[0131]全体として、図５Ｂに示す原子炉炉心１０１は、図５Ｃの従来の設計と比較して、出力ピーキング４０５が低減され、性能が向上している。特に、原子炉炉心内側部分１１３Ａの中心は、周囲のリング５２５、５３０、５３５、５４０よりも実際に発生する熱が少なく、その原子炉炉心半径方向中心１５６での出力ピーキングは実質的に低減される。追加で、原子炉炉心外側部分１１３Ｂの正規化された半径方向アセンブリ出力５０５が増加し、それにより、外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ、特に第４のリング５４０の外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍをはるかに効率的にする。

[0132]好適には、図５Ｂでは、実装されたスキューピン減速材ブロックアレイ１１３は、均一な間隔を実装する図５Ｃの従来の原子炉炉心設計と比較して、出力ピーキング係数（ＰＰＦ）を約４０％低減する。図示されたオフグリッド配置の燃料要素１５１Ａ～Ｎが、図５Ｂのスキューピン減速材ブロックアレイ１１３の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの内側に配置される場合、原子炉炉心１０１の電力平坦化は、最小限の濃縮ゾーニング又はオリフィシングで達成される。

[0133]図５Ｃは、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの４つのリング５２５、５３０、５３５、５４０を有する従来の原子炉炉心１０１の異なる部分の原子炉炉心発熱マップ５００Ｃを示す。従来、図５Ｃに示すように、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍは、単位面積当たりの燃料開口部の総量を増加させるために六角形に配置されている。孔の間隔は、図５Ｃの従来の原子炉炉心１０１全体にわたって均一である（例えば、規則的に間隔を置いている）。したがって、図５Ｃは、例えば、原子炉炉心１０１が内側減速材マトリックス１２１Ａと外側減速材マトリックス１２１Ｂとに分割されるように、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装しない。

[0134]図５Ａ～図５Ｂとは異なり、図５Ｃの原子炉炉心１０１は、原子炉炉心１０１の４つのリング５２５、５３０、５３５、５４０の各々を貫通する六角形のリング貫通線５１５を有する。これは、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ及び外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍの配置を六角形のパターンで空間的に最大化することができるため、図５Ａよりも従来の設計である。原子炉炉心半径方向中心１５６に最も近い内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍは、最も高い正規化された半径方向アセンブリ出力５０５を有し、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に最も近い外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍは、最も低い正規化された半径方向アセンブリ出力５０５を有する。

[0135]図５Ｄは、図５Ｂと同様の方法で、先の図４Ａ～図４Ｄで説明した改善を利用する、原子炉炉心１０１の異なる部分の原子炉炉心発熱マップ５００Ｄを示す。図５Ｄは、内側燃料開口部１３１Ｂ～Ｍのサブセット又はすべてが、原子炉炉心内側部分１１３Ａ内にリング１ ５２５又はリング２ ５３０などの多角形状として配置されている原子炉炉心１０１を示す。ここで、リング１ ５２５は六角形であり、リング２ ５３０は円形形状である。

[0136]しかしながら、原子炉炉心発熱マップ５００Ｄは、線５１０を通る円形リングを実装せず、むしろ従来の六角形リング貫通線５１５を実装する。原子炉炉心発熱マップ５００Ｄは、原子炉炉心内側部分１１３の内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍ間の間隔の減少に起因して、原子炉炉心発熱マップ５００Ｃと比較してより均一な正規化された半径方向アセンブリ出力５０５を示す。原子炉炉心発熱マップ５００Ｄの均一性はまた、原子炉炉心外側部分１１３Ｂの外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍ間の間隔の減少に起因し、内側燃料開口部１３１Ａ～Ｍと外側燃料開口部１３２Ａ～Ｍとの間の間隔が増大している。

[0137]しかしながら、図５Ｄは、円形リング貫通線５１０ではなく従来の六角形リング貫通線５１５を実装するため、図５Ｄの原子炉炉心は、図５Ｂの原子炉炉心１０１と比較して、原子炉炉心半径方向中心１５６でより高い出力ピーキング４０５を有する。したがって、図５Ｄの原子炉炉心の性能は、図５Ｂと図５Ｃとの間に出力ピーキング係数を有する。

[0138]要約すると、図５Ｂの原子炉炉心１０１は、本明細書に記載のスキューピン減速材ブロックアレイ１１３を実装し、最も低い出力ピーキング係数を達成する。図５Ｃは、従来の原子炉炉心を実装し、最も高い出力ピーキング係数を有する。図５Ａ及び図５Ｄは、スキューピン減速材ブロックアレイ１１３のハイブリッド設計を実施し、異なる性能トレードオフを伴う図５Ｂと図５Ｃとの間の中間出力ピーキング係数を達成する。図５Ａは、原子炉炉心半径方向中心１５７付近の比較的低温の中心内側燃料開口部１３１Ａを示す。図５Ｄは、均一な温度を示すが、原子炉炉心半径方向周辺部１５７に向かってそれほど高温ではない。

[0139]保護の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。その範囲は、本明細書及び以下の審査履歴に照らして解釈されるときに特許請求の範囲で使用される文言の通常の意味と一致するほど広く、すべての構造的及び機能的均等物を包含するように意図され、解釈されるべきである。それにもかかわらず、特許請求の範囲のいずれも、米国特許法第１０１条、１０２条又は１０３条の要件を満たさない主題を包含することを意図しておらず、そのように解釈されるべきでもない。このような主題の意図しない包含は、本明細書によって放棄される。

[0140]本明細書で使用される用語及び表現は、特定の意味が本明細書に別途記載されている場合を除いて、それらの対応するそれぞれの調査及び研究の分野に関してそのような用語及び表現に与えられる通常の意味を有することが理解されよう。第１及び第２などの関係用語は、そのような実体又は動作間の実際のそのような関係又は順序を必ずしも必要とせず、又は暗示せずに、１つの実体又は動作を別の実体又は動作から区別するためにのみ使用され得る。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「有する（ｈａｓ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、「有する（ｗｉｔｈ）」、「形成される（ｆｏｒｍｅｄ ｏｆ）」という用語、又はそれらの任意の他の変形は、非排他的な包含を網羅することを意図しており、それにより、要素又は工程の列挙を備える又は含むプロセス、方法、物品、又は装置は、それらの要素又は工程のみを含むのではなく、明示的に列挙されていない、又はそのようなプロセス、方法、物品、若しくは装置に固有ではない他の要素又は工程を含むことができる。「ａ」又は「ａｎ」が先行する要素は、さらなる制約なしに、その要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置における追加の同一の要素の存在を排除しない。

[0141]追加で、上記の詳細な説明では、本開示を簡素化する目的で、様々な特徴が様々な例で一緒にグループ化されていることが分かる。この開示方法は、特許請求される例が各請求項に明示的に記載されているよりも多くの特徴を必要とするという意図を反映すると解釈されるべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が反映するように、保護されるべき主題は、任意の単一の開示された例のすべての特徴よりも少ない特徴にある。したがって、以下の特許請求の範囲は詳細な説明に組み込まれ、各請求項は別個に特許請求される主題として独立している。

[0142]上記は、最良の形態及び／又は他の例であると考えられるものを説明したが、その中で様々な修正が行われてもよく、本明細書に開示される主題は様々な形態及び例で実装されてもよく、それらは多数の用途に適用されてもよく、そのうちのいくつかのみが本明細書に記載されていることが理解される。以下の特許請求の範囲によって、本概念の真の範囲内に入る任意の、及びすべての修正及び変形を請求することが意図されている。

[0001]本出願は、２０２１年１月２５日に出願された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０１４８５８の米国移行出願であり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０２１／０１４８５８は、２０２０年１月２５日に出願された「Ｓｋｅｗｅｄ－Ｐｉｎ（ＳＰｉｎ）Ｍｏｄｅｒａｔｏｒ Ｂｌｏｃｋｓ ｆｏｒ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｆｉｓｓｉｏｎ Ｒｅａｃｔｏｒｓ」と題する米国仮特許出願第６２／９６５，８２９号の優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (24)

1. 複数の燃料要素と、
   原子炉炉心内側部分及び原子炉炉心外側部分を形成するための１つ以上のスキューピン減速材ブロックのスキューピン減速材ブロックアレイと
   を備える、 原子炉炉心であって、
   前記原子炉炉心内側部分が、
   前記燃料要素のうちの１つ以上が内部に配置された複数の内側燃料開口部と、冷却剤を流すための複数の内側冷却剤通路とを含む複数の内側孔で形成された内側減速材マトリックスを含み、
   前記原子炉炉心外側部分が、
   前記燃料要素のうちの１つ以上が内部に配置された複数の外側燃料開口部と、前記冷却剤を流すための複数の外側冷却剤通路とを含む複数の外側孔で形成された外側減速材マトリックスを含み、
   前記内側減速材マトリックスの前記内側孔が、前記外側減速材マトリックスの前記外側孔に対して不規則に間隔を置いている、原子炉炉心。
2. 前記内側減速材マトリックスの前記内側孔が、前記外側減速材マトリックスの前記外側孔の外側パターンと比較して前記内側孔の内側パターンが互いにより密接にクラスタ化されるように、前記外側減速材マトリックスの前記外側孔に対して不規則に間隔を置いている、請求項１に記載の原子炉炉心。
3. 前記内側孔が、前記内側減速材マトリックスの前記内側孔間の内側孔間隔が前記外側減速材マトリックスの前記外側孔間の外側孔間隔と比較して小さくなるように、互いにより密接にクラスタ化されている、請求項２に記載の原子炉炉心。
4. 前記内側減速材マトリックスの前記内側燃料開口部が、前記外側減速材マトリックスの前記外側燃料開口部と比較して互いにより密接にクラスタ化され、
   前記内側減速材マトリックスの前記内側冷却剤通路が、前記外側減速材マトリックスの前記外側冷却剤通路と比較して互いにより密接にクラスタ化されている、請求項２に記載の原子炉炉心。
5. 前記内側減速材マトリックス及び前記外側減速材マトリックスが、集合的に、前記原子炉炉心の出力ピーキング係数を最小にする減速材ウェブを形成している、請求項２に記載の原子炉炉心。
6. 前記減速材ウェブが、前記内側減速材マトリックスが前記外側減速材マトリックスの前記外側孔と比較して前記内側孔のより緊密なクラスタ化を含むように、不均一なクラスタ化を含む、請求項５に記載の原子炉炉心。
7. 前記出力ピーキング係数が、前記原子炉炉心の最も高い局所出力密度を前記原子炉炉心の平均出力密度で割ったものとして定義される、請求項５に記載の原子炉炉心。
8. 前記内側パターン及び前記外側パターンが、
   （ｉ）前記内側冷却剤通路が、前記外側冷却剤通路と比較して異なるようにサイズ設定される、
   （ｉｉ）前記内側燃料開口部が、前記外側燃料開口部と比較して異なるようにサイズ設定される、又は
   （ｉｉｉ）それらの組み合わせのように、互いに対して可変孔サイズを有する、
   請求項２に記載の原子炉炉心。
9. 前記可変孔サイズが、可変孔径であり、
   前記内側冷却剤通路の各々が、内側冷却剤通路の直径を有し、
   前記外側冷却剤通路の各々が、外側冷却剤通路の直径を有し、
   前記外側冷却剤通路の直径が、前記内側冷却剤通路の直径を超える、請求項８に記載の原子炉炉心。
10. 前記内側燃料開口部の各々が、内側燃料開口部の直径を有し、
    前記外側燃料開口部の各々が、外側燃料開口部の直径を有し、
    前記内側燃料開口部の直径が、前記外側燃料開口部の直径を超える、請求項９に記載の原子炉炉心。
11. 前記内側孔が、前記外側孔の外側孔密度と比較して前記内側孔の内側孔密度が高くなるように、前記外側減速材マトリックスの前記外側孔に対して不規則に間隔を置き、
    前記内側孔密度が、前記内側減速材マトリックスの単位面積当たりの前記内側孔の数であり、
    前記外側孔密度が、前記外側減速材マトリックスの単位面積当たりの前記外側孔の数である、請求項１に記載の原子炉炉心。
12. 燃料開口部密度が、前記内側減速材マトリックスから前記外側減速材マトリックスに半径方向外側に行くにつれて減少し、
    前記燃料開口部密度が、単位面積当たりの内側燃料開口部及び外側燃料開口部の数であり、
    冷却剤通路密度が、前記内側減速材マトリックスから前記外側減速材マトリックスに半径方向外側に行くにつれて減少し、
    前記冷却剤通路密度が、単位面積当たりの内側冷却剤通路及び外側冷却剤通路の数である、請求項１１に記載の原子炉炉心。
13. 燃料開口部密度が、前記内側減速材マトリックスから前記外側減速材マトリックスに半径方向外側に行くにつれて連続的に減少し、
    冷却剤通路密度が、前記内側減速材マトリックスから前記外側減速材マトリックスに半径方向外側に行くにつれて連続的に減少する、請求項１１に記載の原子炉炉心。
14. 前記１つ以上のスキューピン減速材ブロックが、角柱又は円筒として成形されている、請求項１に記載の原子炉炉心。
15. 前記内側孔が、前記内側減速材マトリックスの前記内側孔間の内側孔間隔が前記外側減速材マトリックスの前記外側孔間の外側孔間隔と比較して小さくなるように、互いにより密接にクラスタ化され、
    前記スキューピン減速材ブロックアレイが、
    内側パターンを有し、かつ、前記原子炉炉心内側部分に位置付けられた１つ以上の内側スキューピン減速材ブロックと、
    外側パターンを有し、かつ、前記１つ以上の内側スキューピン減速材ブロックを取り囲むように前記原子炉炉心外側部分に位置付けられた１つ以上の外側スキューピン減速材ブロックと
    を含む、請求項１４に記載の原子炉炉心。
16. 前記１つ以上の内側スキューピン減速材ブロックが、複数の外側スキューピン減速材ブロックによって取り囲まれた中心スキューピン減速材ブロックを含み、
    前記中心スキューピン減速材ブロックが、複数の中心減速材界面壁を含み、
    それぞれの中心減速材界面壁が、それぞれの外側スキューピン減速材ブロックに隣接している、請求項１５に記載の原子炉炉心。
17. 前記中心スキューピン減速材ブロックが、多角柱として成形され、
    前記それぞれの外側スキューピン減速材ブロックが、三角柱として成形されている、請求項１６に記載の原子炉炉心。
18. 前記それぞれの外側スキューピン減速材ブロックが、複数の外側減速材界面壁を含み、
    前記中心減速材界面壁及び前記外側減速材界面壁が、平面、非球面、球面、又は自由曲面である、請求項１６に記載の原子炉炉心。
19. 前記複数の外側減速材界面壁が、第１の外側減速材界面壁を含み、
    前記第１の外側減速材界面壁の一部が、それぞれの中心減速材界面壁と境界面で接する、請求項１８に記載の原子炉炉心。
20. 前記複数の外側減速材界面壁が、第２の外側減速材界面壁をさらに含み、
    前記第２の外側減速材界面壁の一部が、別の外側スキューピン減速材ブロックと境界面で接する、請求項１９に記載の原子炉炉心。
21. 前記１つ以上のスキューピン減速材ブロックが、グラファイト、炭素、炭化物、ベリリウム、酸化ベリリウム、ベリリド、水素化物、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の原子炉炉心。
22. 前記内側燃料開口部のサブセット又はすべてが、前記原子炉炉心内側部分に多角形形状として配置されている、請求項１に記載の原子炉炉心。
23. 前記多角形形状が、六角形である、請求項２２に記載の原子炉炉心。
24. 前記内側燃料開口部のサブセット又はすべてが、前記原子炉炉心内側部分に円形形状又は楕円形状として配置されている、請求項１に記載の原子炉炉心。
    
    

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