JP2002116288A - 原子炉の燃料棒及びその製作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】粒子燃料を充填し振動を加えることにより軸方
向に多領域の燃料棒を製作するための製作工程を低減す
る。 【解決手段】軸方向に組成が別れた燃料棒を振動充填法
により製作する方法において、大粒径粒子の組成として
下部用及び上部用の大粒径粒子１０−１と中間部用の大
粒径粒子１０−２の２種類を、小粒径粒子１１の組成は
１種類を採用する。被覆管１の下部から大粒径粒子１０
−１，大粒径粒子１０−２，大粒径粒子１０−１及び小
粒径粒子１１を順次充填する。次に、振動発生機３によ
り振動を加えて小粒径粒子１１を下部へ浸透させること
により、軸方向の密度は均一で組成が別れている燃料領
域を一度の粒子燃料の充填及び振動の工程で製作でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉に使用され
る燃料棒に関わり、特に粒子燃料を充填する燃料棒及び
その製作方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉に装荷する核燃料棒の一つとして
振動充填燃料棒があり、この燃料棒は被覆管内に粒径及
び組成の異なる粒子燃料を充填し、一定時間の振動を加
えることにより高密度に粒子燃料を充填するものであ
る。このような、燃料棒の製作方法は、特開平１２−１
９９７９４号公報にて公開されている。

【０００３】燃料熱伝導度の向上及び燃料装荷量の増大
のためには充填密度は大きい方が望ましい。被覆管に充
填する球状の粒子燃料の粒径が１種類のときは充填密度
は６０％程度であり、２種類の時は小さい粒子が大きい
粒子間の間隙に充填されるため充填密度は増加し、同様
に更に粒子径の種類が増加すると理論的に充填密度は増
加することが分かっている。

【０００４】燃料棒の軸方向の燃料領域については、組
成について数種類の燃料領域に区分することで軸方向の
出力分布の調整を可能とする設計や、高速炉用燃料棒の
ように燃料棒の上部及び下部は炉心から漏れ出る中性子
を捕獲するためのブランケット燃料領域とした設計等が
ある。そのような例が特開平１０−１０４３７９号広報
に掲載されている。

【０００５】燃料棒の軸方向に組成（核分裂性物質濃
度，核分裂生成物等）が異なる燃料の製作方法として
は、予め種々の組成または粒径の粒子燃料を配合し所定
の組成とし軸方向に充填する方法がある。また、他の方
法として、始めに燃料棒下部の燃料領域を形成するため
に下部から１番目領域用の粒子の充填及び振動を行い、
順次２番目領域用，３番目領域用，最上部領域用の粒子
燃料の充填及び振動を繰り返して軸方向に組成が異なる
燃料棒を製作する方法がある。

【０００６】また、粒子燃料の振動前の充填密度は振動
後の充填密度に比べ３０％程度小さいため、燃料領域部
全長を形成するための粒子燃料を被覆管内へ一度に充填
することが困難であり、数回に分けて充填及び振動を繰
り返す必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】軸方向に組成の異なる
領域がある振動充填燃料の製作において、種々の方法が
考えられてきたが、次の点で課題がある。

【０００８】予め種々の組成または粒径の粒子燃料を配
合し所定の組成とし軸方向に充填する方法は、振動を加
えている最中に大きい粒子が浮き上がる現象（偏析）を
生じ易く、充填率が軸方向に均一にならない可能性があ
る。

【０００９】各軸方向燃料領域毎に粒子燃料の充填及び
振動を領域の数だけ繰り返す場合は、燃料棒製造の工程
の増加及び振動時間の増加に課題がある。

【００１０】軸方向燃料領域の区分方法として領域の境
界に混合セラミックス燃料体を使用する方法も特開平９
−２５１０８９号公報にて提案されているが、工程の増
加及び混合セラミックス燃料体等の使用部材の増加に課
題がある。

【００１１】また、被覆管内に粒子燃料を充填する工程
においては、粒子燃料は被覆管上部より自由落下により
充填されるが、充填時は充填密度が小さいため燃料棒の
軸方向の全領域分の粒子燃料を一度に充填することが不
可能な燃料棒仕様が生じ、充填及び振動の繰り返し工程
が増加する課題がある。

【００１２】本発明の目的は、製作工程を短縮及び使用
部材の低減に好適な燃料棒及びその製作方法を提供する
ことにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、被覆管内に種
々の粒径及び組成の異なる粒子燃料を充填し、振動を加
えることにより軸方向に組成が異なる高密度の燃料領域
を有する燃料棒の製作方法である。２種類の粒径の粒子
燃料を用いる場合は、始めに組成の異なる大粒径粒子を
被覆管下部より順次に充填することにより燃料棒の軸方
向に組成の異なる燃料領域を形成し、続いて同一組成の
小粒径粒子を大粒径粒子の上部に充填し、振動を加える
ことにより小粒径粒子は大粒径粒子間の間隙を通って被
覆管下部より順次充填されていく。一定時間の振動を加
えて小粒径粒子を軸方向の全燃料領域に亘って浸透させ
ることにより、軸方向に組成分布を有した高密度の燃料
棒を一度の粒子燃料の充填及び振動の工程で製作でき
る。

【００１４】３種類の粒径からなり、ｎ種類の組成の大
粒径粒子を用いて軸方向の燃料領域が燃料組成の違いに
よりｎ領域に分割されている燃料棒の製作においては、
始めに大粒径粒子について１種類目，２種類目、と順次
ｎ種類目まで充填し、最上部に同一組成の小粒径粒子を
充填し、１回目の振動充填を行い、次に、振動後の燃料
最上部に同一組成の最小粒径粒子を充填し２回目の振動
充填を行うことにより燃料棒を製作することができる。

【００１５】振動時間の短縮方法としては、組成の異な
る各軸方向の燃料領域の長さが、最小領域の長さの整数
倍となるように、各領域の最小領域の長さ毎に下部から
大粒径粒子と小粒径粒子を充填する充填方法により、最
小領域の長さを振動充填するための最短の振動時間で、
軸方向の全ての領域の充填が完了することができる。

【００１６】本発明では、軸方向に多領域の組成分布を
有する燃料棒製作においても粒子燃料充填及び振動の工
程は最小で１回である。また、振動前の粒子充填密度は
小さいため、燃料棒軸方向の全領域の粒子燃料を一度で
充填することが不可能な場合、粒子充填補助器を被覆管
上部に取り付け、被覆管内及び粒子充填補助器内に粒子
燃料を充填し、振動を加え、振動充填の終了後は、粒子
充填補助器を被覆管から取り外す。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に本発明の各実施例を図１か
ら図５に基づいて説明する。第１実施例である図１は軸
方向に３領域の燃料領域を有する燃料棒の製作方法を示
したものである。

【００１８】粒子燃料領域部は、核分裂性物質濃度が小
さい組成で構成される下部ブランケット燃料領域部２
０，核分裂性物質濃度が大きい組成で構成される炉心燃
料領域部２１及び下部ブランケット領域部２０と同組成
の上部ブランケット燃料領域部２２を有する設計であ
る。

【００１９】下部端栓２が溶接されている円筒状の被覆
管１は振動充填機３にセットされ、上部から粒子燃料供
給機等により粒子燃料が充填される。

【００２０】被覆管１は、下部端栓２と充填燃料の間
に、核分裂生成ガスを溜めるための下部プレナム４が設
けられる構造となっている。核分裂生成ガスを溜めるた
めの空間として燃料棒上部にプレナム５を設ける設計や
ブランケット燃料領域用としてペレット燃料を挿入する
設計もある。

【００２１】被覆管１は、粒子燃料を振動充填した後、
スペーサ６等の内部挿入物が挿入され、上部端栓７が被
覆管１の上端に溶接される。

【００２２】粒子燃料領域部において、粒子燃料の充填
密度を大きくするために、粒子燃料は大粒径及び小粒径
の２種類を充填する。ここで、大粒径の粒子は３個の大
粒径で形成される粒子間の隙間を通過できない粒径の粒
子燃料からなり、小粒径の粒子は３個の大粒径で形成さ
れる粒子間の隙間を通過できる粒径の粒子燃料からな
る。

【００２３】大粒径粒子の粒子燃料の組成は下部ブラン
ケット燃料領域用及び上部ブランケット燃料領域用のブ
ランケット燃料から成る大粒径粒子１０−１の粒子燃料
（以下、単に大粒径粒子１０−１という。）と炉心燃料
領域部用の炉心燃料から成る大粒径粒子１０−２の粒子
燃料の（以下、単に大粒径粒子１０−２という。）２種
類があり、小粒径粒子１１の粒子燃料（以下、単に小粒
径粒子１１という。）の組成は一例としてブランケット
燃料の１種類である。

【００２４】図１（ａ）に示すように被覆管１に粒子燃
料を充填する方法として、被覆管下部から大粒径粒子１
０−１，大粒径粒子１０−２，大粒径粒子１０−１及び
小粒径粒子１１を順次充填する。各粒子燃料の振動前の
充填量は振動後の充填密度及び各燃料領域長さから計算
される。

【００２５】各粒子燃料を充填した後、振動発生機３に
より被覆管を振動させると、その振動は各粒子燃料に加
わる。そのため、大粒径粒子は被覆管１内に密に充填さ
れると同時に小粒径粒子１１は大粒径粒子１０−１や大
粒径粒子１０−２間の空隙を通って下部方向へ浸透す
る。

【００２６】以上のように一定時間の振動を加えること
により図２（ｂ）に示すように軸方向に組成分布がある
大粒径粒子１０−１，大粒径粒子１０−２と軸方向に同
一組成の小粒径粒子１１が密に充填された下部ブランケ
ット燃料領域部２０，炉心燃料領域部２１及び上部ブラ
ンケット燃料領域部２２を有する燃料棒を製作すること
ができる。

【００２７】前述の振動を加える一定時間は、予め、実
験等により小粒径粒子１１が大粒径粒子１０−１，大粒
径粒子１０−２の領域に均等に分布する為に必要な時間
として把握しておく。また、振動発生機３が加振速度や
加振振幅を調整出来るものにあっては、その調整条件も
実験で最も良い分布状態となる条件を把握しておき、前
述の振動を加える際に調整を行うようにしてもよい。

【００２８】第２実施例である図２は大粒径粒子及び小
粒径粒子の２種類の粒径からなり、被覆管１の軸方向に
おける大粒径粒子の組成がｎ種類である燃料棒を製作す
る方法を示したものである。

【００２９】図２（ａ）に示すように被覆管１の下部か
ら１種類目の組成の大粒径粒子１０−１，２種類目の組
成の大粒径粒子１０−２、と順次ｎ種類目までの大粒径
粒子１０−ｎの粒子燃料（以下、単に大粒径粒子１０−
ｎという。）を充填し、最上部に同一組成の小粒径粒子
１１を充填する。

【００３０】次に、振動発生機３で一定時間の振動を被
覆管１に加えて粒子燃料を振動させて図２（ｂ）に示す
ように軸方向にｎ種類の組成領域，１領域目から上方へ
ｎ領域目まで、を有する燃料棒を製作する。この場合
も、予め振動時間など、ｎ種類の組成領域に小粒径粒子
１１をできるだけ均等に分布させるに適切な条件を実験
等で求めておき、その条件で振動を粒子燃料に加える。

【００３１】第３実施例である図３は３種類の粒径の粒
子燃料を用いて燃料棒を製作する実施例である。図３
（ａ）は、大粒径粒子１０−１，１０−２，１０−ｎ及
び小粒径粒子１１を用いて図２を用いて説明した実施例
と同様に被覆管１にそれらの各粒子を振動にて充填す
る。その次に、その充填にて形成した燃料領域部３０の
上部に最小粒径粒子１２の粒子燃料（以下、単に最小粒
径粒子１２という。）を充填したものである。ここで、
最小粒径粒子１２の組成はブランケット燃料であって、
その粒径は３個の小粒径粒子１１で形成される隙間を通
過できる粒径を有する。

【００３２】図３（ａ）の被覆管１を振動発生機３で振
動させて被覆管内の各燃料粒子に振動を加える。このこ
とにより最小粒径粒子１２は大粒径粒子１０−１，１０
−２，１０−ｎや小粒径粒子１１の間隙を通って下部へ
浸透する。

【００３３】その結果、図３（ｂ）に示すように、図２
（ｂ）よりも高密度で被覆管１の軸方向にｎ領域の粒子
燃料の組成分布を有する燃料棒を製作することができ
る。粒子燃料の粒径が４種類以上の場合も前記と同様な
粒子燃料の充填及び振動を加える方法により、さらに高
密度の充填燃料領域を得ることができる。この例でも、
各粒子燃料の組成領域に小粒径粒子１１や最小粒径粒子
１２をできるだけ均等に分布させるに適切な条件を実験
等で求めておき、その条件で振動を粒子燃料に加える。

【００３４】第４実施例である図４の実施例は、図４
（ｂ）に示すように組成の異なる各軸方向の燃料領域の
長さが、最小燃料領域の長さＡの整数倍となるような燃
料棒の設計例及びその設計による燃料棒の製作方法であ
る。

【００３５】各粒子燃料を振動により高密度に被覆管１
内に充填する工程において、大粒径粒子を下部に小粒径
粒子を上部に充填し振動を加える場合、燃料領域が長い
程小粒径の粒子が大粒径粒子間の間隙を通って下部まで
浸透するのに要する時間が長いため振動時間は長くな
る。

【００３６】そこで、この実施例では、最小燃料領域Ａ
を形成するのに必要な大粒径粒子１０−１と小粒径粒子
１１又は大粒径粒子１０−２と小粒径粒子１１の組み合
わせをを１充填単位４０とし、図４（ａ）に示すように
各領域の粒子燃料充填状態を１充填単位４０の整数倍で
構成されるように粒子燃料を充填する。

【００３７】これにより、図４（ａ）のように、各充填
単位４０毎に、大粒径粒子燃料の上に小粒径粒子燃料が
配置された状態となる。この状態で被覆管１を振動発生
機３で振動させることで、被覆管内の各粒子燃料に振動
を加えて図４（ａ）のように被覆管１内に各粒子燃料を
高密度に充填する。

【００３８】各充填単位４０毎の各粒子燃料の充填条件
は同じであるから、各充填単位４０毎の小粒径粒子１１
の大粒径粒子１０−１又は１０−２の層内への浸透時間
は同一となり、最小燃料領域を高密度に振動充填する最
短の振動時間で全ての領域の振動充填が同時に完了する
ことができる。

【００３９】また、この方法により各最小領域の振動時
間が同一のため、軸方向に燃料領域長さが異なる燃料棒
の粒子の充填状態を均一にすることができる。

【００４０】第５実施例である図５の実施例は、各粒子
燃料を被覆管１内へ充填する工程において、粒子燃料の
振動前の充填密度が振動後の振動充填後に比べ小さいた
め、被覆管１内に１本の燃料棒製作に必要な粒子量を１
回で充填できない場合、被覆管１上部に粒子充填補助器
８を取り付けて振動充填を行う。

【００４１】振動後の燃料充填領域の全長がＡ、振動前
の燃料粒子充填領域の平均充填率がＢ０、振動後の平均
充填率がＢ１、粒子充填可能な被覆管長さがＣの燃料棒
において、被覆管１と同一内径の粒子充填補助器８を用
いた場合、粒子充填補助器８の長さＤは下記の条件を満
たす構造とする。

【００４２】粒子燃料の振動充填は通常工程において常
温及び不活性ガス雰囲気で行われるため、粒子充填補助
器８の材質はゴム製，プラスチック製または金属製とす
ることができる。粒子充填補助器８は、嵌め込み又はね
じ止め構造で被覆管１に粒子燃料の充填前に取り付けら
れ、振動終了時に取り外す。粒子充填補助器８は、軸方
向に均一な組成領域を有する燃料棒の製作にも適用でき
る。

【００４３】Ｄ≧Ａ×（Ｂ０／Ｂ１）−Ｃ また、各大小各粒径の粒子燃料を一度に充填し燃料棒を
製作する方法として、下部プレナム４の長さが上部プレ
ナム５の長さより長い燃料寸法仕様の場合、燃料棒の上
下を反対にして粒子燃料の充填及び振動を加え、最後に
下部端栓を溶接する方法が有効である。

【００４４】この場合には、振動させる前の粒子燃料、
図５で例えれば、小粒径粒子１１を下部プレナム４に入
れることが出来るので、粒子充填補助機の機能を下部プ
レナム４に代用させることが出来、粒子充填補助機の手
配と採用が不要となり、手間がかからない。

【００４５】いずれの実施例も、大粒径粒子１０−１，
１０−２，１０−ｎは同じ粒径であるから振動を受けて
も大幅に混在し合うことはない。また、大粒径粒子１０
−１，１０−２，１０−ｎの粒子間に分布させる小粒径
粒子１１や最小粒径粒子１２は一種類の同一組成である
上、各大粒径粒子１０−１，１０−２，１０−ｎに小粒
径粒子１１や最小粒径粒子１２が混在した状態で、所望
する各組成の各粒子燃料領域が得られるように設計して
有る。

【００４６】したがって、小粒径粒子１１や最小粒径粒
子１２の組成を各大粒径粒子１０−１，１０−２，１０
−ｎに対応して変える場合は、各粒子燃料領域毎に振動
充填を繰り返えさねばならないが、各大粒径粒子１０−
１，１０−２，１０−ｎに同一組成の小粒径粒子１１や
最小粒径粒子１２が混在した状態で所望する各組成の各
粒子燃料領域が得られるように設計して充填すれば振動
充填回数が減って燃料棒の製作が容易である。

【００４７】いずれの実施例も、被覆管内の粒子燃料の
組成領域数よりも少ない振動作業回数で短時間に高密度
の多数組成領域の燃料領域を有する燃料棒が製作出来
る。その製作にあたっては、各組成領域を区画する手段
を被覆管内に装備する必要も無いので、構造簡単で経済
的である。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、原子炉に装荷する軸方
向に多種類の組成領域を有する燃料棒の製作工程が短縮
出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による燃料棒の製作過程を
示した断面図であり、（ａ）図は振動前の粒子燃料充填
状態を示し、（ｂ）図は振動後の充填状態を示す図であ
る。

【図２】本発明の第２実施例による燃料棒の製作過程を
示した断面図であり、（ａ）図は振動前の粒子燃料充填
状態を示し、（ｂ）図は振動後の充填状態を示す図であ
る。

【図３】本発明の第３実施例による燃料棒の製作過程を
示した断面図であり、（ａ）図は振動前の粒子燃料充填
状態を示し、（ｂ）図は振動後の充填状態を示す図であ
る。

【図４】本発明の第４実施例による燃料棒の製作過程を
示した断面図であり、（ａ）図は振動前の粒子燃料充填
状態を示し、（ｂ）図は振動後の充填状態を示す図であ
る。

【図５】本発明の第５実施例による燃料棒の製作過程を
示した断面図であり、振動前の粒子燃料充填状態を示す
図である。

【符号の説明】

１…被覆管、３…振動発生機、８…粒子充填補助器、１
０…大粒径粒子、１１…小粒径粒子、１２…最小粒径粒
子、２０…下部ブランケット燃料領域部、２１…炉心燃
料領域部、２２…上部ブランケット燃料領域部、４０…
１充填単位。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 正典 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 深澤 哲生 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所原子力事業部内 (72)発明者 笹平 朗 茨城県日立市大みか町七丁目２番１号 株 式会社日立製作所電力・電機開発研究所内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被覆管内の粒子燃料の組成が前記被覆管の
   軸方向に分布を有し、前記粒子燃料よりも小粒径であっ
   て組成が均一な他の粒子燃料が前記粒子燃料の組成の各
   分布領域に装荷されている原子炉の燃料棒。
2. 【請求項２】被覆管内に粒径及び組成の異なる粒子燃料
   を充填し、前記被覆管の軸方向に核燃料物質の組成が異
   なる燃料領域を構成した原子炉の燃料棒において、前記
   粒子燃料は粒径について大粒径と小粒径の２種類あり、
   大粒径の粒子燃料は３個の大粒径の粒子燃料で形成され
   る粒子燃料間の隙間を通過できない粒径の粒子燃料から
   なり、小粒径の粒子燃料は３個の前記大粒径の粒子燃料
   で形成される粒子燃料間の隙間を通過できる粒径の粒子
   燃料からなり、前記大粒径の粒子燃料の組成は前記被覆
   管の軸方向に分布があり、小粒径粒子の組成は軸方向に
   均一であることを特徴とする原子炉の燃料棒。
3. 【請求項３】被覆管内に複数種類の組成の異なる粒子燃
   料を充填し、前記被覆管の軸方向に核燃料物質の組成が
   異なる燃料領域を構成した原子炉の燃料棒において、前
   記粒子燃料は粒径の大きさが複数種類あり、前記複数種
   の粒子燃料の内での比較上で大粒径の粒子燃料は３個の
   その大粒径の粒子燃料で形成される粒子燃料間の隙間を
   通過できない粒径の粒子燃料からなり、同じく比較上小
   粒径の粒子燃料は３個の前記大粒径の粒子燃料で形成さ
   れる粒子燃料間の隙間を通過できる粒径であって組成が
   一種類の粒子燃料からなり、前記複数種類の組成の大粒
   径の粒子燃料を組成領域の順番に応じて順次前記被覆管
   内に前記組成の種類毎に入れ、その後に前記被覆管内に
   前記小粒径の粒子燃料を入れ、前記各燃料粒子に振動を
   加えて前記大粒径の粒子燃料の領域内に前記小粒径の粒
   子燃料を分布させることを特徴とする原子炉燃料棒の製
   作方法。
4. 【請求項４】請求項３において、前記各粒径の粒子燃料
   に振動を加えた後に、３個の小粒径粒子で形成される隙
   間を通過できる最小粒径を有し且つ同一組成の最小粒径
   の粒子燃料を被覆管内に入れ、再度振動を加えることを
   特徴とする原子炉燃料棒の製作方法。
5. 【請求項５】被覆管内に複数種類の組成の異なる粒子燃
   料を充填し、前記被覆管の軸方向に核燃料物質の組成が
   異なる燃料領域を構成した原子炉の燃料棒において、前
   記粒子燃料は粒径の大きさが複数種類あり、前記複数種
   の粒子燃料の内での比較上で大粒径の粒子燃料は３個の
   その大粒径の粒子燃料で形成される粒子燃料間の隙間を
   通過できない粒径の粒子燃料からなり、同じく比較上小
   粒径の粒子燃料は３個の前記大粒径の粒子燃料で形成さ
   れる粒子燃料間の隙間を通過できる粒径の粒子燃料から
   なり、前記組成の異なる粒子燃料の前記軸方向の各領域
   の長さが、前記各領域の内の最小の領域の長さの整数倍
   となるように、前記被覆管内に前記各領域の最小領域の
   長さ毎に下部に前記大粒径の粒子燃料をその上部に前記
   小粒径の粒子燃料を入れ、前記各燃料粒子に振動を加え
   て前記大粒径の粒子燃料の領域内に前記小粒径の粒子燃
   料を分布させることを特徴とする原子炉燃料棒の製作方
   法。
6. 【請求項６】請求項３から請求項５までのいずれか一項
   において、前記被覆管の上部に粒子充填補助器を連通し
   装備させ、前記粒子充填補助器内に前記被覆管内に充填
   すべき粒子燃料を入れた状態で、前記被覆管内と前記粒
   子充填補助器内の各粒子燃料に振動を加えて前記粒子充
   填補助器内の前記粒子燃料を前記被覆管内に充填するこ
   とを特徴とする原子炉燃料棒の製作方法。