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技術 原子炉用の核燃料要素

出願人 株式会社東芝
発明者 樋口真一
出願日 1998年10月13日 (21年5ヶ月経過) 出願番号 1998-291070
公開日 2000年4月28日 (19年10ヶ月経過) 公開番号 2000-121766
状態 未査定
技術分野 原子炉燃料及び部品の製造
主要キーワード 機械的相互作用 粉状充填材 金属ボンド 重水炉 合金化合物 スエリング ペレット温度 充填部材
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年4月28日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (3)

課題

規模設備投資なく製造でき、反応度事故時のように急激に燃料ペレットの温度が上昇しても、燃料ペレットと被覆管との間隙熱伝達率を高く維持できる核燃料要素を提供する。

解決手段

被覆管と、この被覆管内に挿入された燃料ペレットと、被覆管の内壁と燃料ペレットとの間に形成される間隙に充填された高融点金属または高融点金属化合物間隙充填部材と、被覆管の端部に燃料ペレットとの間にコイルスプリングを介して挿入された被覆管を封止するためのプラグとを有し、間隙充填部材が粉状、箔状、あるいは繊維状である核燃料要素。

概要

背景

軽水炉または重水炉は、軽水または重水冷却材減速材として用いる。こうた軽水炉や重水炉に使用する核燃料集合体は、上下のタイプレートで固定された複数の棒状の核燃料要素束ねられた構成をしている。上下のタイプレートの間隔はスペーサを複数設けることによって、一定に保たれている。

この核燃料要素は、ペレット状に成形したウランプルトニウム等の核燃料物質酸化物を金属の被覆管整列挿入し、へリウムなどの不活性ガス封入し、被覆管の上下に端栓溶接した構造になっている。

燃料ペレットで発生した熱は、燃料ペレットと被覆管の間隙を介して被覆管に伝達され、冷却水に伝わる。燃焼初期の間隙における熱伝達は、間隙内に存在するガスによる熱伝導で行われる。

燃焼が進むにつれて燃料ペレットがスエリングし、間隙の幅が狭まり、ついには、燃料ペレットと被覆管が接触するようになる。こうなると、間隙における熱伝達は、固体の接触で行われるようになる。

しかし、燃料ペレットや被覆管の表面は完全に滑らかなわけではない。巨視的には接触している状態でも、微視的には隙間が多く、実際には熱伝達の主過程はガスの熱伝導による。

燃焼初期には、製造時に封入されたへリウムガスで熱が伝導されるが、燃焼が進むと、燃料ペレットに蓄積された核分裂生成物ガスが燃料ペレットから放出され、へリウムガスと混合していく。核分裂生成物ガスは主としてキセノンである。キセノンは、質量がへリウムに比較して30倍以上も大きく熱伝導率が低いため、燃焼が進むにつれて、間隙に存在するガスの熱伝導率は低下していく。

したがって、間隙における熱伝達率は燃焼の進行と共に減少していく。

反応度事故時には、燃料ペレット内に瞬時に熱が発生する。上述のように、燃焼が進んだ燃料においては、間隙の熱伝達率が低下しているので、燃料ペレットはほぼ断熱的な状態におかれ、ペレット温度が急激に大きく上昇する。

燃料ペレットの熱膨張量が増加すると、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用が増加し、被覆管が破損する可能性が高くなる。

また、燃料ペレットの温度が高くなると、核分裂生成物ガスの放出量が増加し、燃料要素内圧が高まる。上述のペレットと被覆管の間の機械的相互作用による被覆管の破損を免れても、過度内圧上昇で被覆管が膨れ、破損に至る可能性が高い。

したがって、反応度事故の被覆管の破損を防ぐには、燃焼が進んだ燃料を含む燃料要素の使用を避ける必要がある。このことは、燃料の燃焼度を高め高出力密度を達成する上で問題となっており、反応度事故時のように、急激に燃料ペレットの温度が上昇しても、燃焼度の高い燃料を含む燃料要素の間隙の熱伝達率を高く維持できる燃料要素が望まれていた。

間隙の熱伝達率を改善する試みとして、間隙を液体金属(所謂金属ボンド)で埋める方法が報告されている (J.S.Tulenko et al., An Innovative Fuel Design Concept for Improved Light Water Reactor Performance and Safety, Proc.Int.Topl.Mtg.LWR Fuel Performance, Avignon, France, April 21-24, 1991,Vol.1,p.210.)。

原子炉運転中の炉水温度(約270℃以下)の条件下では、間隙を埋める金属は固体である。従って、製造時の温度でもこの金属は固体であり、間隙を埋めるためには、金属を溶融させ、かつ酸化を防ぎつつ被覆管の温度も高温に保たねばならないので、従来の燃料要素製造施設を大規模に変更する必要がある。

このため、金属ボンドを使用する方法は実現に到っていない。

概要

大規模な設備投資なく製造でき、反応度事故時のように急激に燃料ペレットの温度が上昇しても、燃料ペレットと被覆管との間隙の熱伝達率を高く維持できる核燃料要素を提供する。

被覆管と、この被覆管内に挿入された燃料ペレットと、被覆管の内壁と燃料ペレットとの間に形成される間隙に充填された高融点金属または高融点金属化合物間隙充填部材と、被覆管の端部に燃料ペレットとの間にコイルスプリングを介して挿入された被覆管を封止するためのプラグとを有し、間隙充填部材が粉状、箔状、あるいは繊維状である核燃料要素。

目的

本発明は、こうした問題を解決するためになされたものであり、大規模な設備投資なく製造でき、燃料ペレットと被覆管との間隙の熱伝達率が高い核燃料要素を提供することを目的とする。

また、高燃焼度の燃料を含んでいても、反応度事故時のように急激に燃料ペレットの温度が上昇する際に、被覆管が破損しない核燃料要素を提供することを目的とする。

さらに、核燃料出力密度を向上させる核燃料要素を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

被覆管と、前記被覆管内に挿入された燃料ペレットと、前記被覆管の内壁と前記燃料ペレットとの間に形成される間隙充填された金属または金属化合物間隙充填部材と、前記被覆管の端部に前記燃料ペレットとの間にコイルスプリングを介して挿入された前記被覆管を封止するためのプラグとを有することを特徴とする核燃料要素

請求項2

前記間隙充填部材が粉状、箔状、あるいは繊維状であることを特徴とする核燃料要素。

請求項3

前記金属または金属化合物が、原子炉通常運転時においては溶融しないことを特徴とする請求項1または2記載の核燃料要素。

請求項4

前記金属または金属化合物が、原子炉の事故時においては溶融することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の核燃料要素。

請求項5

前記金属または金属化合物が、アルミニウムもしくはセリウムまたはこれらの少なくとも1種を含む合金化合物であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の核燃料要素。

技術分野

0001

本発明は原子炉に使用される核燃料要素に関する。

0002

詳しくは、燃料ペレット被覆管の間に形成される間隙熱伝達率が高く、燃焼度を高め出力密度を向上させることができる核燃料要素、さらに詳しくは、反応度事故時における燃料要素の破損を効率よく防げる核燃料要素に関する。

背景技術

0003

軽水炉または重水炉は、軽水または重水冷却材減速材として用いる。こうた軽水炉や重水炉に使用する核燃料集合体は、上下のタイプレートで固定された複数の棒状の核燃料要素が束ねられた構成をしている。上下のタイプレートの間隔はスペーサを複数設けることによって、一定に保たれている。

0004

この核燃料要素は、ペレット状に成形したウランプルトニウム等の核燃料物質酸化物を金属の被覆管に整列挿入し、へリウムなどの不活性ガス封入し、被覆管の上下に端栓溶接した構造になっている。

0005

燃料ペレットで発生した熱は、燃料ペレットと被覆管の間隙を介して被覆管に伝達され、冷却水に伝わる。燃焼初期の間隙における熱伝達は、間隙内に存在するガスによる熱伝導で行われる。

0006

燃焼が進むにつれて燃料ペレットがスエリングし、間隙の幅が狭まり、ついには、燃料ペレットと被覆管が接触するようになる。こうなると、間隙における熱伝達は、固体の接触で行われるようになる。

0007

しかし、燃料ペレットや被覆管の表面は完全に滑らかなわけではない。巨視的には接触している状態でも、微視的には隙間が多く、実際には熱伝達の主過程はガスの熱伝導による。

0008

燃焼初期には、製造時に封入されたへリウムガスで熱が伝導されるが、燃焼が進むと、燃料ペレットに蓄積された核分裂生成物ガスが燃料ペレットから放出され、へリウムガスと混合していく。核分裂生成物ガスは主としてキセノンである。キセノンは、質量がへリウムに比較して30倍以上も大きく熱伝導率が低いため、燃焼が進むにつれて、間隙に存在するガスの熱伝導率は低下していく。

0009

したがって、間隙における熱伝達率は燃焼の進行と共に減少していく。

0010

反応度事故時には、燃料ペレット内に瞬時に熱が発生する。上述のように、燃焼が進んだ燃料においては、間隙の熱伝達率が低下しているので、燃料ペレットはほぼ断熱的な状態におかれ、ペレット温度が急激に大きく上昇する。

0011

燃料ペレットの熱膨張量が増加すると、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用が増加し、被覆管が破損する可能性が高くなる。

0012

また、燃料ペレットの温度が高くなると、核分裂生成物ガスの放出量が増加し、燃料要素の内圧が高まる。上述のペレットと被覆管の間の機械的相互作用による被覆管の破損を免れても、過度内圧上昇で被覆管が膨れ、破損に至る可能性が高い。

0013

したがって、反応度事故の被覆管の破損を防ぐには、燃焼が進んだ燃料を含む燃料要素の使用を避ける必要がある。このことは、燃料の燃焼度を高め高出力密度を達成する上で問題となっており、反応度事故時のように、急激に燃料ペレットの温度が上昇しても、燃焼度の高い燃料を含む燃料要素の間隙の熱伝達率を高く維持できる燃料要素が望まれていた。

0014

間隙の熱伝達率を改善する試みとして、間隙を液体金属(所謂金属ボンド)で埋める方法が報告されている (J.S.Tulenko et al., An Innovative Fuel Design Concept for Improved Light Water Reactor Performance and Safety, Proc.Int.Topl.Mtg.LWR Fuel Performance, Avignon, France, April 21-24, 1991,Vol.1,p.210.)。

0015

原子炉運転中の炉水温度(約270℃以下)の条件下では、間隙を埋める金属は固体である。従って、製造時の温度でもこの金属は固体であり、間隙を埋めるためには、金属を溶融させ、かつ酸化を防ぎつつ被覆管の温度も高温に保たねばならないので、従来の燃料要素製造施設を大規模に変更する必要がある。

0016

このため、金属ボンドを使用する方法は実現に到っていない。

発明が解決しようとする課題

0017

上述のように、従来の核燃料要素において、燃料の燃焼が進むにつれて燃料ペレットと被覆管との間隙の熱伝達率が悪化することは、燃料の燃焼度を高める上で問題となっていた。

0018

また、間隙を金属ボンドで埋める方法は、核燃料要素の製造施設への大規模な設備投資が必要であり実用化が難しかった。

0019

本発明は、こうした問題を解決するためになされたものであり、大規模な設備投資なく製造でき、燃料ペレットと被覆管との間隙の熱伝達率が高い核燃料要素を提供することを目的とする。

0020

また、高燃焼度の燃料を含んでいても、反応度事故時のように急激に燃料ペレットの温度が上昇する際に、被覆管が破損しない核燃料要素を提供することを目的とする。

0021

さらに、核燃料の出力密度を向上させる核燃料要素を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0022

本発明の核燃料要素は、被覆管と、前記被覆管内に挿入された燃料ペレットと、前記被覆管の内壁と前記燃料ペレットとの間に形成される間隙に充填された金属または金属化合物間隙充填部材と、前記被覆管の端部に前記燃料ペレットとの間にコイルスプリングを介して挿入された前記被覆管を封止するためのプラグとを有することを特徴とする。

0023

金属は、ヘリウムガスより熱伝導率が高いため、本発明の核燃料要素においては、従来のヘリウムガス充填型核燃料要素より効率良く、燃料ペレットで発生した熱を被覆管を介して冷却水に伝えることができる。したがって、燃料ペレットの温度上昇を防ぎ、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用や燃料要素の過度の内圧上昇を抑えることができる。

0024

前記間隙充填部材の形状は、製造時に溶融しなくても、固体のままで間隙を充填できる形状であればよい。粉状、箔状、あるいは繊維状であることが望ましいが、これに、限られるものではなく、スポンジ状、網状あるいは不定形等でもよい。

0025

こうした形状とすれば、製造時に金属を溶融する必要がなく取り扱いが簡単で、製造施設を大規模に変更する必要もない。

0026

また、こうした形状であれば、間隙への充填率を100%より少なくして、ペレットのスエリングや熱膨張による体積増加を吸収する空間を確保できる。充填率60〜80%程度であれば、充填が容易であり、かつ、ペレットの体積増加を吸収できるので好ましい。

0027

前記金属または金属化合物は、原子炉の通常運転時においては溶融しないことが望ましい。

0028

上述のように、間隙の空間は充填部材で100%充填されているわけではないから、原子炉の通常運転時に、間隙の熱伝達率を高く維持するためには、燃料有効長全域に亙って充填部材が存在する必要がある。したがって原子炉の通常運転時では溶融しない金属あるいは金属化合物を充填部材として選ぶことが望ましい。

0029

そのためには、前記金属または金属化合物の融点が、原子炉の通常運転状態における間隙温度より高いことが望ましい。

0030

前記金属または金属化合物が、原子炉の事故時においては溶融することが望ましい。

0031

こうした構成によれば、原子炉の反応事故等で間隙温度が通常運転時の温度より高くなると、固体状の金属が溶融し液体状となる。したがって、ペレットが熱膨張しても、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用を過度に増加させることがない。また、溶融した金属は、燃料ペレットや被覆管の表面粗さに濡れなじみ、熱伝達率を一層向上させる。

0032

前記金属または金属化合物が、アルミニウムもしくはセリウムまたはこれらの少なくとも1種を含む合金化合物であることが望ましい。

0033

上述のように、前記金属または金属化合物は、原子炉の通常運転時においては溶融せず、事故時においては溶融することが望ましい。通常運転時の間隙温度はおよそ500℃以下であり、反応度事故時の間隙温度は1000℃を超える場合もある。また、水を減速材とする熱中性子炉での使用を考慮すると、熱中性子吸収断面積が小さい金属あるいは金属化合物が望ましい。こうした条件からアルミニウム(融点660℃)もしくはセリウム(融点798℃)またはこれらを含む合金化合物が好ましく用いられるものである。

発明を実施するための最良の形態

0034

本発明の実施の形態を図を用いて説明する。

0035

以下の実施例あるいは図の説明において、同一の要素には同一の符号をつけ重複する説明を省略する。

0036

(実施例1)図1は、本発明の一実施形態に係る核燃料要素を長軸方向に沿って切った部分断面図である。図2は、図1に示す核燃料要素を長軸方向に直交する方向で切った断面図である。

0037

図に示すように、本実施例の核燃料要素においては、燃料ペレット1と被覆管2との間隙に粉状充填材3が充填されている。

0038

粉状充填材3は融点660℃のアルミニウム粉末である。通常の振動粉末充填により間隙へ充填されている。アルミニウムの代わりにセリウムの粉末、または、アルミニウムもしくはセリウムを含む合金の粉末を充填してもよい。

0039

本実施例においては、間隙への粉状充填材3の充填率は70%である。この程度の充填率であれば、充填が容易であり、また、スエリングや熱膨張によるペレットの体積増加を吸収する空間を確保できるので好ましい。金属が充填されていない空間やプレナム部4には、従来通りへリウムガスを充填した。さらに熱伝達率を高める効果が期待できるからである。

0040

本実施例においては、通常運転時の間隙温度では溶融しないアルミニウムを粉状充填物3としたため、原子炉の通常運転時に燃料有効長の全域に亙って粉状充填材3が存在する。したがって、通常運転時の間隙の熱伝達率を高く維持できる。

0041

また、アルミニウムの融点は660℃であるから、例えば、反応度事故で間隙温度が局所的に上昇すると、粉状充填材3は溶融して燃料ペレット1や被覆管2の表面粗さに濡れなじみ、間隙の熱伝達率を一層高めることができる。したがって、冷却水に効率よく熱を伝えて、燃料ペレット1の温度上昇を効率よく抑制できる。また、粉状充填材3が液体状態になれば、ペレット1と被覆管2の機械的相互作用に悪影響を与えない。

0042

以上のように、本実施例によれば、燃料ペレット1と被覆管2との間隙を、アルミニウムの粉状充填材3で充填することで、原子炉の通常運転時及び反応度事故時においても、大きな間隙熱伝達率を維持できる。

0043

(実施例2)本実施例の核燃料要素は、粉状充填材3の代わりに箔状充填材を使用した以外は、実施例1と同様の構成からなる。

0044

箔状充填材は、実施例1の粉状充填材3と同様に、融点660℃のアルミニウムからなる。このアルミニウム箔をあらかじめ円筒状にして被覆管内に入れ、その後にペレットを挿入する。

0045

こうした構成により、原子炉の通常運転時及び反応度事故時においても、大きな間隙熱伝達率を維持できる。

0046

(実施例3)本実施例の核燃料要素は、粉状充填材3の代わりに繊維状充填材を使用した以外は、実施例1と同様の構成からなる。

0047

繊維状充填材は、実施例1の粉状充填材3と同様に、融点660℃のアルミニウムからなる。このアルミニウム繊維を重ねて、実施例2のアルミニウム箔と同様にして、間隙に充填する。

0048

こうした構成により、原子炉の通常運転時及び反応度事故時においても、大きな間隙熱伝達率を維持できる。

発明の効果

0049

このように、本発明の核燃料要素によれば、原子炉の通常運転時及び事故時において、従来のへリウムガス充填型に比較して高い間隙伝達率を達成できる。燃焼の進んだ燃料を含む核燃料要素であっても、反応度事故時に大きな間隙伝達率を維持できるため、従来に比べて、燃料ペレットの温度を低下させ、被覆管の破損を防げる。

0050

また、ペレットと被覆管との間の機械的相互作用および燃料要素の内圧の過度の上昇を抑えることで、燃料要素の破損を更に効果的に防ぐことができる。

0051

したがって、従来と比べて高燃焼度の核燃料を使用しても、反応度事故時の被覆管の破損の恐れがなくなる。

0052

これにより、従来のヘリウムガス充填型燃料被覆管においては、破損の恐れが高いため為し得なかった高燃焼度化を可能とし、安全性の向上、高出力密度化エネルギー発生効率や燃料サイクル効率の向上を図れる。発電コストの軽減にもつながる。

図面の簡単な説明

0053

図1本発明の一実施形態に係る核燃料要素を長軸方向に沿って切った部分断面図である。
図2図1に示す核燃料要素を長軸方向に直交する方向で切った断面図である。

--

0054

1…核燃料ペレット、2…被覆管、3…粉状充填材、4…プレナム部

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