JP2004101199A - 振動充填型原子炉燃料棒 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料粒子の種類を少なくし、しかも充填率を高めることができ、歩留まりの向上並びに製造コストの削減を図ることができるようにする。
【解決手段】被覆管１０内に燃料粒子を装荷し、振動を加えることで所定の燃料密度の燃料領域１６を形成し、被覆管の両端を端栓１８，２０で密封する構造の原子炉燃料棒である。被覆管内に装荷する燃料粒子は、球状燃料粒子と不定形塊状燃料粒子とからなり、球状燃料粒子の粒径は不定形塊状燃料粒子の粒径よりも大きく、それらがほぼ均一に混在している。例えば、大粒径の球状燃料粒子３０と小粒径の不定形塊状燃料粒子３４の２種類とし、球状燃料粒子の粒径が７００〜１０００μｍ、不定形塊状燃料粒子の粒径が１００μｍ以下であり、球状燃料粒子の装荷比率が５０〜７０重量％とする。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料粒子を被覆管内で振動充填する構造の原子炉燃料棒に関し、更に詳しく述べると、燃料粒子として球状燃料粒子とそれよりも小粒径の不定形塊状燃料粒子を組み合わせて用いる振動充填型原子炉燃料棒に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
原子炉に装荷する核燃料棒の一種として、燃料粒子（粒子状の核燃料物質）を被覆管に装荷した構造の振動充填型原子炉燃料棒がある。この種の原子炉燃料棒は、粒子形状による分類によって、種々の粒子径を有する球状燃料粒子を装荷する球状粒子装荷燃料棒と種々の大きさを有する不定形塊状燃料粒子を装荷する非球状粒子装荷燃料棒に大別できる。
【０００３】
球状粒子装荷燃料棒に使用する燃料粒子は、外部ゲル化法や内部ゲル化法等により製作され、不定形塊状粒子装荷燃料棒に使用する燃料粒子は乾式再処理法等により製作される。このような技術は、例えば「プルトニウム燃料工学」（社団法人日本原子力学会「次世代燃料」研究専門委員会編著、１９９８、社団法人日本原子力学会刊）に述べられている。
【０００４】
このような原子炉燃料棒の製作にあたっては、被覆管内に粒子燃料を装荷した後、一定時間の振動を加えることにより燃料粒子を高密度に充填する。ここで、原子炉燃料棒の特性として重要な燃料装荷量の増大及び燃料熱伝導度の向上のためには燃料粒子の充填密度は高い方が望ましい。
【０００５】
充填密度の増加には、粒径の異なった燃料粒子を組み合わせる方法が有効である。例として、球状粒子装荷燃料棒では、粒径が１種類の場合には充填率（充填燃料粒子全体積／燃料領域部体積）は０．６程度であるのに対して、粒径が２種類の場合には小さい粒子が大きい粒子の間隙に充填されるため、充填密度は増加する。同様の理由で、更に粒径の種類が増加すると理論的に充填密度が増加することが分かっている。
【０００６】
しかし、球状燃料粒子の種類が多くなると、粒子の製作や管理が煩雑になるため、球状粒子装荷燃料棒では２〜３種類の粒径の球状燃料粒子を使用している。また、不定形塊状粒子装荷燃料棒では、塊状燃料を砕いて、篩い分けにより６種類程度以下の粒径の燃料粒子を用いている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
球状燃料粒子を装荷する原子炉燃料棒の製作において、高密度に燃料粒子を充填するためには、上記のように複数の種類の粒径の燃料粒子を組み合わせて振動充填する方法が考えられてきたが、次の点で課題がある。
（１）燃料粒子の種類を多くすると、燃料粒子の製作ライン及び保管ラインが増加すると共に燃料粒子の燃料棒への装荷ラインの増加や計量工程等が増加する。
（２）大粒径の燃料粒子の隙間を中粒径や小粒径の球状粒子が緻密に充填することで充填率は上昇する。従って、小粒径の球状粒子が小さいほど充填密度は増加するが、球状燃料粒子製作においては製作可能な粒径の最小値には限界があることから最高到達充填密度にも限界がある。
（３）粒子の製作個数は粒径の３乗で増加するため、粒子が小さいほど製作粒子個数の増加により製作コストが増加する。
（４）球状燃料粒子は、粒子製作時において割れ等が発生した場合には不良品となるため歩留まりが低下し、割れ等が発生した粒子は燃料製作の初期工程に戻され再製作となるので製作コストが増加する。
【０００８】
本発明の目的は、燃料粒子の種類を少なくしても充填率を高めることができ、また歩留まりの向上並びに製造コストの削減を図ることができる振動充填型原子炉燃料棒を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、被覆管内に燃料粒子を装荷し、振動充填によって所定の燃料密度の燃料領域を形成し、被覆管の両端を端栓で密封する構造の原子炉燃料棒において、前記被覆管内に装荷される燃料粒子は、球状燃料粒子と不定形塊状燃料粒子とからなり、球状燃料粒子の粒径は不定形塊状燃料粒子の粒径よりも大きく、それらがほぼ均一に混在していることを特徴とする振動充填型原子炉燃料棒である。
【００１０】
ここで燃料粒子が、大粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の２種類からなり、球状燃料粒子の直径を７００〜１０００μｍ、塊状燃料粒子の直径を１００μｍ以下とし、球状燃料粒子の装荷比率が５０〜７０重量％とすることが好ましい。
【００１１】
あるいは燃料粒子が、大粒径の球状燃料粒子と中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の３種類からなる構成でもよい。その場合、大粒径の球状燃料粒子の直径が７００〜１０００μｍ、中粒径の球状燃料粒子の直径が３５０〜５００μｍ、不定形塊状燃料粒子の直径が１００μｍ以下とし、大粒径の球状燃料粒子の装荷比率が２０〜４０重量％、残りの中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の装荷比率がほぼ等しい条件が好ましい。
【００１２】
このように本発明によれば、被覆管内に球状燃料粒子とそれよりも小粒径の不定形塊状燃料粒子を装荷し、振動を加えることにより高密度に充填された燃料領域を有する原子炉燃料棒を得ることができる。なお本発明は、原子炉の炉型を問わず、例えば、高速炉、軽水炉（沸騰水型、加圧水型）など各種の原子炉燃料棒に適用できる。
【００１３】
【実施例】
図１は、本発明の一実施例として、高速炉用の振動充填型原子炉燃料棒の基本的な構想を表している。Ａは振動充填型原子炉燃料棒の縦断面を示しており、Ｂは燃料粒子の振動充填時の状態を示している。原子炉燃料棒は、円筒状の金属製の被覆管１０の内部に、上部スペーサ１２や下部スペーサ１４などの構成部品を配置し、それらの間に燃料粒子（粒子状の核燃料物質）を振動充填して燃料領域１６を形成し、前記被覆管１０の上下両端を上部端栓１８と下部端栓２０により密封した構造である。被覆管１０内の上部及び下部の空間は、燃料棒内部ガスを溜める上部プレナム２２及び下部プレナム２４となっている。
【００１４】
この実施例では、燃料粒子として、大粒径の球状燃料粒子３０と小粒径の不定形塊状燃料粒子３４の２種類を用いている。大粒径の球状燃料粒子３０の粒径は７００〜１０００μｍ、小粒径の不定形塊状燃料粒子３４の粒径は１００μｍ以下とする。これは、例えば大粒径の球状粒子と小粒径の球状粒子の組み合わせの場合を参考にすると、大粒径粒子の粒径は被覆管内径（６．９ｍｍ）の１／８〜１／１０程度が適しているとされ、小粒径粒子の粒径は大粒径粒子の１／８〜１／１０程度が有効とされていることによる。そして、大粒径の球状燃料粒子の装荷比率は全体の５０〜７０重量％とする。
【００１５】
燃料物質は、例えばＭＯＸ（ＰｕＯ_２とＵＯ_２の混合酸化物）燃料等であり、現在注目されている低除染燃料（ＮｐやＡｍが混入）等も含まれる。大粒径の球状燃料粒子３０は、ゲル化法（外部ゲル化法や内部ゲル化法）により製造する。外部ゲル化法は、対象核物質の硝酸塩溶液にＰＶＡ等の高分子有機物を含む溶液を出発原料液とし、それをアンモニア水中に滴下することで、液滴の外側からゲル化反応が進むことを利用している。内部ゲル化法は、出発原料液中にＨＭＴＡ（アンモニアドナー）を混合しておき、液滴とした後、熱分解で発生するアンモニアによって内部からゲル化反応が進むことを利用している。いずれにしても、ゲル化後、洗浄、乾燥、仮焼、焼結して、球状燃料粒子を得る。小粒径の不定形塊状燃料粒子３４は、既に実績がある乾式再処理法等により製作された燃料を砕いて小粒化したもの、あるいはゲル化法により製造された燃料を砕いて小粒化したものが使用できる。またゲル化法により製作した球状燃料粒子の中で割れや欠けが生じた燃料粒子も砕いて小粒径化することで不定形塊状粒子として使用できる。いずれにしても砕いて小粒化したものから篩い分けなどの手法により所定の粒径範囲の不定形塊状燃料粒子を選び出す。
【００１６】
このような燃料粒子を用いる原子炉燃料棒は、振動充填法により製作する。製法的には、図１のＢに示すように、予め下部端栓２０及び下部スペーサ１４が取り付けられている被覆管１０内に燃料粒子を装荷する。燃料粒子を構成している大粒径の球状燃料粒子３０と小粒径の不定形塊状燃料粒子３４は、予め所定の装荷割合となるように混合しておく。この燃料粒子を装荷し、振動充填機４０により一定時間にわたって振動を与える。その振動は各燃料粒子に伝わり、小粒径の不定形塊状燃料粒子は大粒径の球状燃料粒子間の空間へ移動し、次第に高密度に充填される。その後、上部スペーサ１２等の構造物を取り付け、ヘリウムガス等を被覆管１０の内部に充填した後、上部端栓１８で密封する。
【００１７】
燃料粒子を充填する際の振動方法には浸透法と混合法がある。浸透法は、弱い振動で充填するもので球状粒子に適用する。混合法は、強い振動（共振）で充填するもので非球状粒子に適用する。本発明は、球状粒子と不定形塊状（非球状）粒子が混在したものであるが、小粒径粒子が不定形であり流動性が良好でないため浸透し難い。そこで混合法による充填条件を最適化することで、高い充填率を得ている。
【００１８】
図２に、大粒径の球状粒子の装荷割合に対する充填率の関係を示す。充填試験には、被覆管として高速炉用の内径約７ｍｍのステンレス管を用い、実機の燃料粒子（ウラン、プルトニウム等）の模擬物質としてガラスを使用した。球状燃料粒子には所定の粒径範囲のガラスビーズを用い、不定形塊状燃料粒子にはガラスビーズを破砕して所定の粒径範囲に篩い分けをしたガラス粒を使用した。粒子充填方法は、塊状燃料の充填などに用いられている混合法により、被覆管への粒子装荷後に被覆管へ振動を与える方法であり、充填率への影響を検討した。振動条件は５００〜３０００Ｈｚの範囲で周波数を掃引し、毎分の掃引回数は５回、加速度３０Ｇで行った。この結果から、前記のように、大粒径の球状粒子の装荷比率を５０〜７０重量％とすることで極めて良好な充填率が得られることが分かる。特に大粒径の球状粒子が６０重量％（従って小粒径の不定形塊状粒子が４０重量％）の場合には充填率ほぼ８７％が得られた。
【００１９】
本実施例では、球状燃料粒子として大粒径粒子（１種類）のみを製造すればよく、そのため燃料粒子の製造が簡素化され、原子炉燃料棒の製作のための粒子装荷ライン数を減少できる利点がある。
【００２０】
図３は、本発明の他の実施例を示す説明図である。原子炉燃料棒の基本的な構成は図１のＡと同様であるので、対応する部材に同一符号を付し、それらについての説明は省略する。
【００２１】
この実施例では、燃料粒子として、大粒径の球状燃料粒子３０と中粒径の球状燃料粒子３２と小粒径の不定形塊状燃料粒子３４の３種類を用いている。大粒径の球状燃料粒子３０の粒径は７００〜１０００μｍ、中粒径の球状燃料粒子３２の直径が３５０〜５００μｍ、小粒径の不定形塊状燃料粒子３４の粒径は１００μｍ以下とし、大粒径の球状燃料粒子の装荷比率を２０〜４０重量％、残りの中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の装荷比率がほぼ等しい状態とする。
【００２２】
燃料物質や球形燃料粒子の製造方法は、前記実施例と同様であってよい。中粒径の球状燃料粒子もゲル化法（外部ゲル化法や内部ゲル化法）により製造する。原子炉燃料棒は、前記実施例と同様、振動充填法により製作する。燃料粒子を構成している大粒径の球状燃料粒子と中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子を予め所定の割合で混合し、この燃料粒子を被覆管内に装荷し、振動充填機により一定時間の振動を与えて充填し燃料領域を形成する。
【００２３】
図４は中粒径の球状粒子の粒径の違いによる充填率の変化を示している。曲線ａは、大粒径の球形粒子は粒径が７００〜１０００μｍ、中粒径の球形粒子は粒径が３５０〜５００μｍ、小粒径の不定形塊状粒子の粒径が１００μｍ以下である。曲線ｂは、大粒径の球形粒子は粒径が７００〜１０００μｍ、中粒径の球形粒子は粒径が１７７〜２５０μｍ、小粒径の不定形塊状粒子の粒径が１００μｍ以下である。曲線ａと曲線ｂとは、中粒径の球形粒子の粒径のみが異なる。図４の横軸は、大粒径と中粒径の球状粒子の合計の装荷割合である。
【００２４】
図４に示す結果から、中粒径の球形粒子は、その粒径が３５０〜５００μｍというように大きめの方が高い充填率が得られることが分かる。
【００２５】
図５は、粒子形状の違い（即ち、３種の球状粒子のみの組み合わせ（従来例）と、２種の球状粒子及び１種の不定形塊状粒子の組み合わせ（本発明））において、大粒径粒子の装荷割合に対する充填率の関係を示している。使用した被覆管及び模擬粒子は、前記の試験と同様である。大粒径の球形粒子は粒径が７１０〜９９０μｍ、中粒径の球形粒子は粒径が３５０〜５００μｍである。従来例で用いた小粒径の球形粒子は粒径が約５０μｍであり、本発明で用いた小粒径の不定形塊状粒子の粒径は１０６μｍ以下である。粒子充填方法も、前記の試験と同様である。なお、中粒径粒子と小粒径粒子の装荷割合は同じ量に設定している。
【００２６】
図５から、小粒径球状燃料粒子の代わりに不定形塊状燃料粒子を用いた場合、種々の大粒径粒子の装荷割合において燃料粒子の充填率は増加する傾向にあることが判明した。この結果より、本発明の球状と塊状の燃料粒子の組み合わせにより、充填率の増加、すなわち、燃料領域の空間部の減少による燃料装荷量の増大と燃料熱伝導度の上昇の観点から好適な燃料領域を有する振動充填燃料棒が製作できることが分かる。大粒径の球状燃料粒子の装荷比率を２０〜４０重量％（残りの中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の装荷比率がほぼ等しい）とすると、充填率ほぼ８４％以上が得られた。特に、大粒径の球状燃料粒子が４０重量％、中粒径の球状燃料粒子が３０重量％、小粒径の不定形塊状燃料粒子が３０重量％の条件で充填率８５％が得られた。
【００２７】
ところで、現時点において燃料設計サイドからは、燃料領域の燃料密度が８２％以上であることが要求されている。燃料密度とは、核燃料物質自体がその空間に占める割合を意味している。ゲル化法による燃料粒子の焼結密度はほぼ９８％であるので、充填率がほぼ８４％以上であれば燃料密度は８２％以上となる。従って、本発明によれば、１〜２種類の球状燃料粒子と１種類の不定形塊状燃料粒子の組み合わせにより、燃料設計サイドからの上記の要求を十分に満たすことができる燃料密度（８２％以上）が得られる充填率８４％以上が達成できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上記のように、被覆管内に装荷される燃料粒子が球状燃料粒子と不定形塊状燃料粒子とからなり、球状燃料粒子の粒径は不定形塊状燃料粒子の粒径よりも大きく、それらがほぼ均一に混在している振動充填型原子炉燃料棒であるから、球状燃料粒子の間に小粒径の不定形塊状燃料粒子が入り込むため高い充填率が得られ、球状燃料粒子の種類を削減でき、そのため球状燃料粒子の製作工程を削減でき、燃料粒子の管理を簡素化できる。
【００２９】
特に、燃料粒子の種類を大粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の２種類とすると、製作する必要のある球状燃料粒子の種類は最小限となり、燃料棒製作のための燃料粒子装荷ライン数を減少することができる。
【００３０】
また小粒径の不定形塊状燃料粒子の製作においては、製作可能な粒径の最小値に限界がなく、塊状燃料を砕いた後に篩い分けなどにより所定の粒径範囲の不定形塊状粒子を容易に得ることができる。従って、球状燃料粒子よりも小粒径の燃料粒子を容易に且つ大量に得ることができる。更に、球状燃料粒子の製作時において割れや欠け等が発生した場合は、それら不良品となる燃料粒子を砕くことで不定形塊状燃料粒子として再使用できる。これらによって、燃料粒子の製造歩留まりの向上と製造コストの大幅な削減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動充填型原子炉燃料棒とその振動充填工程の一実施例を示す説明図。
【図２】２種類粒子系における大粒径の球状粒子の装荷割合に対する充填率の関係を示すグラフ。
【図３】本発明に係る振動充填型原子炉燃料棒の他の実施例を示す説明図。
【図４】３種類粒子系における中粒径の球状粒子の粒径の違いと充填率の関係を示すグラフ。
【図５】３種類粒子系における小粒径粒子の粒子形状の違いと充填率の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０　被覆管
１２　上部スペーサ
１４　下部スペーサ
１６　燃料領域
１８　上部端栓
２０　下部端栓
２２　上部プレナム
２４　下部プレナム
３０　大粒径の球状燃料粒子
３２　中粒径の球状燃料粒子
３４　小粒径の不定形塊状燃料粒子
４０　振動充填機

Claims (4)

1. 被覆管内に燃料粒子を装荷し、振動充填によって所定の燃料密度の燃料領域を形成し、被覆管の両端を端栓で密封する構造の原子炉燃料棒において、
   前記被覆管内に装荷される燃料粒子は、球状燃料粒子と不定形塊状燃料粒子とからなり、球状燃料粒子の粒径は不定形塊状燃料粒子の粒径よりも大きく、それらがほぼ均一に混在していることを特徴とする振動充填型原子炉燃料棒。
2. 燃料粒子が、大粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の２種類からなり、球状燃料粒子の粒径が７００〜１０００μｍ、不定形塊状燃料粒子の粒径が１００μｍ以下であり、球状燃料粒子の装荷比率が５０〜７０重量％である請求項１記載の振動充填型原子炉燃料棒。
3. 燃料粒子が、大粒径の球状燃料粒子と中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の３種類からなる請求項１記載の振動充填型原子炉燃料棒。
4. 大粒径の球状燃料粒子の直径が７００〜１０００μｍ、中粒径の球状燃料粒子の直径が３５０〜５００μｍ、不定形塊状燃料粒子の直径が１００μｍ以下であり、大粒径の球状燃料粒子の装荷比率が２０〜４０重量％、残りの中粒径の球状燃料粒子と小粒径の不定形塊状燃料粒子の装荷比率がほぼ等しい請求項３記載の振動充填型原子炉燃料棒。

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