JP2007248447A - 内部被覆管及び外部被覆管の熱流速調節が可能な環形核燃料棒 - Google Patents

Abstract

【課題】 内部環形焼結体と外部環形焼結体との組み合わせにより、内部被覆管及び外部被覆管の熱流速調節が可能な環形核燃料棒の提供。
【解決手段】 外部被覆管と、該外部被覆管と同軸で配置され該外部被覆管より小さい直径を有する内部被覆管と、該外部被覆管と該内部被覆管との間で該内部被覆管側に隣接するように装入される複数の内部環形焼結体と、該外部被覆管と該内部被覆管との間で該外部被覆管側に隣接するように装入される複数の外部環形焼結体と、を含み、該内部環形焼結体と該外部環形焼結体との間に中央間隙が形成されることからなる環形核燃料棒。本発明によれば、従来の環形核燃料棒が有する熱流速の不均衡を解決し、かつ内部被覆管及び外部被覆管の熱流速を調節することができ、環形核燃料棒の安全性を増進する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内部被覆管及び外部被覆管で構成される環形核燃料棒に関する。さらに詳しくは、内部環形焼結体及び外部環形焼結体を組み合わせで装入することにより、内部被覆管及び外部被覆管の熱流速調節が可能な環形核燃料棒に関する。

図４は従来のシリンダ形状の核燃料棒の断面図を示し、図５は従来のシリンダ形状の核燃料棒に使用される焼結体２の斜視図を示す。

現在常用原子力発電に使用されている従来のシリンダ形状の核燃料棒は、ジルコニウム合金被覆管１と焼結体２で構成され、被覆管１と焼結体２との間には間隙３が形成されている。具体的には、一つの被覆管チューブの中に数百個の円柱形状（cylinder type）の焼結体を装入し、スプリングで焼結体を押した状態で被覆管１の両端を密封した形態を備えている。一般的には、焼結体２の直径は約９mm、長さは約１０mmであり、核燃料棒の直径は約１０mm、長さは約４mである。しかしながら、このうち約３．６mは焼結体２を装入したものであり、残りはスプリングである。

焼結体２は、通常、ウラニウム、プルトニウム等の核分裂性物質を含有しているセラミック材料として、核分裂性物質の粉末を圧縮成形し高温で焼結する方法で製造される。

原子炉で核燃料棒が燃焼する間、焼結体２から発生する熱は間隙３及び被覆管１を通じて冷却水へ伝達される。冷却水は被覆管１と接触しながら核燃料棒の外部を流れる。

このような構成を有する従来のシリンダ形状の核燃料棒は、温度と熱流速（heat flux）の観点から性能に限界がある。具体的には、焼結体２の熱伝導度が低いため核分裂によって生産された熱が冷却水まで素早く伝達できなくなり、結局、焼結体２は冷却水より非常に高い温度を有することとなる。

冷却水の温度は３２０〜３４０℃の範囲にあり、焼結体の温度は中心が最も高く表面が最も低い。正常に燃焼する核燃料棒における焼結体２の中心温度は１０００〜１５００℃の範囲である。焼結体２は高い温度状態にあるため、温度に依存する全ての反応が加速されるにつれ、材料性能が低下する。特に燃焼度が高くなる程性能低下が深刻になる。また、焼結体２が高い温度状態にあると、種々の仮想原子炉事故からの安全性に対する余裕度（margin）を蚕食することとなる。例えば、冷却水喪失事故では事故直前の核燃料の温度が高い程余裕度が小さくなる。従って、核燃料棒の温度は制限値を超ないよう設計され、温度が低い程安全性が増進されることとなる。

また、核燃料棒の熱流速が高くなると核沸騰離脱（Departure of nucleate boiling）が発生し得る。核沸騰離脱が発生スルト被覆管１の表面に気泡膜が形成されるため、熱伝達が非常に低下し、核燃料棒が破損する。従って、核燃料棒は核沸騰離脱が発生しないように設計し、熱流速が低い程安全性が増進される。

このような従来のシリンダ形状の核燃料棒構造が有する温度及び熱流速に関する限界を克服するため、特許文献１には核燃料棒の構造を環形にして冷却水を燃料棒外部と燃料棒内部に同時に流れるようにする環形核燃料棒が開示されている。

図６は上記従来の環形核燃料棒の断面図を示し、図７は従来の環形核燃料棒に使用される環形焼結体の斜視図を示す。

このような従来の環形核燃料棒は、２個の被覆管（内部及び外部）１１、１２と、２個の被覆管１１、１２の間の空間に装入される環形焼結体２０で構成されている。即ち、環形焼結体２０を内部被覆管１１と外部被覆管１２が囲んでいる構造であって、環形焼結体２０をスプリングで押した状態で両被覆管の両端を溶接して環形焼結体２０を密封した形態である。冷却水は内部被覆管１１の内側空間と外部被覆管１２の外側の周囲に流れる。

従って、上記従来の環形核燃料棒は、従来のシリンダ形状の核燃料棒において、最も温度の高い中心に沿って冷却水を追加的に流すため核燃料棒温度は大きく減少し、また核燃料棒当り熱伝達面積が大きく増加して熱流速(heat flux)が減少する。このため熱的余裕度の向上を期待できる。

しかし、上記従来の環形核燃料棒の環形焼結体２０から発生する熱は、内部被覆管１１と外部被覆管１２の両側から冷却水へ伝達されるため、一つの側へ熱が多く伝達されると他の側ではそれだけ伝達熱が減少する。発生熱が両側被覆管のうちどの被覆管を通じてより多く伝達されるかは両側の熱抵抗と関係があり、熱抵抗がより小さい方へより多くの熱が分配され流れるため、一つの側の被覆管の熱流速が他の側の被覆管より非常に高くなるという問題が発生する。

上記従来の環形核燃料棒の熱抵抗を詳しく分析すると次の通りである。

図６に示すように、環形核燃料棒は中心から内部冷却水、内部被覆管１１、内部間隙３１、環形焼結体２０、外部間隙３３、外部被覆管１２、外部冷却水の順で構成される。環形核燃料棒に存在する熱抵抗は、焼結体自体の熱抵抗と、焼結体と被覆管との間に存在する間隙の熱抵抗、そして被覆管自体の熱抵抗に区分できる。上記３個の熱抵抗のうち焼結体及び被覆管の熱抵抗は、熱物性であるため核燃料棒が原子炉で燃焼する間殆ど変わらない。その反面、間隙の熱抵抗は間隙の大きさに比例するため、環形核燃料棒が原子炉で燃焼する間、内部間隙３１及び外部間隙３３が各々変わることにより影響を受ける。

製造後、環形焼結体２０と被覆管１１、１２との間の間隙は、通常５０〜１００μmの範囲にある。間隙３１、３３は熱抵抗を減らすために製造可能な範囲内で小さく設定される。原子炉で環形核燃料棒が燃焼する間、環形焼結体２０は、熱膨張によって内径と外径が同時に膨張する。また、燃焼が進行するにつれて、環形焼結体２０のスウェリング(swelling)により外径が漸次増加する。従って、環形焼結体２０の寸法変化は、内部間隙３１を大きくし、外部間隙３３を小さくすることとなる。一方、冷却水の圧力が高いため、内部被覆管１１と外部被覆管１２は両方とも環形焼結体２０の方向に漸次変形することとなる。このような被覆管の変形は内部間隙３１及び外部間隙３３を減少させる。

焼結体の熱膨張及びスウェリング(swelling)は、セラミック材料を使用すると避けることのできない現象であり、被覆管の変形は金属材料を使用すると避けることのできない現象である。従って、内部間隙３１及び外部間隙３３の変化は、セラミック材料の種類や被覆管金属の種類に関係なく環形核燃料棒から発生する。

従来の環形核燃料棒が原子炉で燃焼する間、初期には外部間隙３３が内部間隙３１より小さく、時間が経つと外部被覆管１２と環形焼結体２０が接触しながら外部間隙３３が消滅し、内部間隙３１は存在する状態が維持される。時間がさらに経過すると、内部被覆管１１と環形初期０が接触しながら内部間隙３１が消滅する。

このような内部間隙３１／外部間隙３３の大きさの変化により、熱抵抗は大きく影響を受ける。燃焼初期に熱抵抗は外部被覆管１２方向が内部被覆管１１方向より減少することとなる。特に間隙の熱抵抗は間隙が消滅すると急激に減少する特徴があるため、外部間隙３３が消滅し内部間隙３１は存在する場合に外部方向の熱抵抗が内部方向の熱抵抗より非常に小さくなる。

このような熱抵抗の変化により、外部被覆管１２の熱流速が増加し、内部被覆管１１の熱流速はそれだけ減少することとなる。特に、燃焼中に外部間隙３３が消滅し、内部間隙３１がそのまま残っている場合には、外部被覆管１２の熱流速が内部被覆管１１のそれより高すぎてしまう問題が発生する。従って、従来の環形核燃料棒も従来のシリンダ形状の核燃料棒と同一の問題点を有することとなる。

米国特許第３９２８１３２号（Roko Bujas, Annular fuel element for high temperature, 1975）

本発明の目的は、従来の環形核燃料棒の上記した問題点を解決すべく提案されたものであり、内部被覆管と外部被覆管との間で発生し得る熱流速の不均衡を解決し、さらに内部被覆管及び外部被覆管の熱流速を調節できる環形核燃料棒を提供するにある。

上記の目的を達成すべく、本発明による環形核燃料棒は、外部被覆管と、該外部被覆管と同軸で配置され該外部被覆管より小さい直径を有する内部被覆管と、該外部被覆管と該内部被覆管との間で該内部被覆管側に隣接するように装入される複数の内部環形焼結体と、該外部被覆管と該内部被覆管との間で該外部被覆管側に隣接するように装入される複数の外部環形焼結体と、を含み、該内部環形焼結体と該外部環形焼結体との間に中央間隙が形成されることを特徴とする。

本発明の目的と技術的構成及びそれによる作用効果に関する詳しい事項は、本発明の好ましい実施例を図示している添付図面を参照に下記説明により明確に理解されるであろう。

本発明の環形核燃料棒によれば、内部環形焼結体及び外部環形焼結体を組み合わせて使用することにより、従来の環形核燃料棒が有している熱流速の不均衡問題を解決される。また、本発明によれば、外部環形焼結体及び内部環形焼結体の体積比率又は核分裂性物質とその濃度を調節することにより、内部被覆管及び外部被覆管の熱流速調節が可能となり、その結果、環形核燃料棒の安全性が増進される。

以下、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の環形核燃料棒１００の断面図を示し、図２は環形核燃料棒に使用される環形焼結体１２０の斜視図を示す。

本発明の環形核燃料棒１００は核燃料物質となる環形焼結体１２０、環形焼結体１２０が複数個で装入される被覆管１１１、１１２を含む。より詳しくは、環形焼結体１２０は内部環形焼結体１２１と内部環形焼結体１２１より大きい直径の外部環形焼結体１２２に分けられる。被覆管は内部被覆管１１１と内部被覆管より大きい直径の外部被覆管１１２で形成される。複数個の内部環形焼結体１２１は内部被覆管１１１側に隣接するように装入され、複数個の外部環形焼結体１２２は外部被覆管１１２側に隣接するように装入される。環形核燃料棒１００の長さはこれが使用される原子炉によって異なり、通常数１０cmから約４mの範囲にある。

内部被覆管１１１、外部被覆管１１２の両端は溶接で内部環形焼結体１２１、外部環形焼結体１２２を密封した構造を有し、冷却水は内部被覆管１１１の内側と外部被覆管１１２の外側に流れながら核燃料棒を冷却する。

内部被覆管１１１、外部被覆管１１２は、従来の環形核燃料棒と実質的に同一の構造を有し、一般的にジルコニウム合金被覆管が使用される。

内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２は、ウラニウム、プルトニウム、トリウムのような核分裂性物質の粉末を圧縮成形し高温で焼結する方法により製造される。

一方、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２は直径方向に隔離されて中央間隙１３２が形成されている。中央間隙１３２は内部環形焼結体１２１、外部環形焼結体１２２の間の熱伝達を遮断する熱抵抗として機能する。換言すると、内部環形焼結体１２１から発生した熱は内部被覆管１１１に伝達され、外部環形焼結体１２２から発生した熱は外部被覆管１１２に伝達される。

内部被覆管１１１と内部環形焼結体１２１との間には内部間隙１３１が、外部環形焼結体１２２と外部被覆管１１２との間には外部環形１３３が形成されている。

以下、内部冷却水、内部被覆管１１１、内部間隙１３１、内部環形焼結体１２１、中央間隙１３２、外部環形焼結体１２２、外部間隙１３３、外部被覆管１１２及び外部冷却水間の熱伝達の流れを図１を参照して説明する。

熱が伝達されるためには熱抵抗を克服できる熱勾配が必要であり、焼結体と被覆管との間には大きい熱勾配があり、内部間隙１３１又は外部間隙１３３による熱抵抗が存在するに係わらず、焼結体から被覆管に熱が伝達される。しかしながら、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２との間では熱勾配が非常に小さいため、中央間隙１３２の大きさが内部間隙１３１、外部間隙１３３の大きさよりも小さく設計されても焼結体間の相互熱伝達を効果的に遮断することができる。中央間隙１３２の大きさを増加させると、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２との間の熱伝達をさらに遮断できることとなる。

従って、内部環形焼結体１２１から発生した熱は内部被覆管１１１に伝達され、外部環形焼結体１２２から発生した熱は外部被覆管１１２に伝達される。上記の原理を利用して、内部被覆管１１１と外部被覆管１１２の熱流速を調節することができる。

一方、原子炉で核燃料棒が燃焼している間、熱膨張により内部環形焼結体１２１の外径と外部環形焼結体１２２の内径は同一に膨張し、またスウェリング(swelling)によっても同一に膨張することとなる。被覆管は金属材料材料を使用するため、内部被覆管１１１は内部環形焼結体１２１の方向に変形し、外部被覆管１１２は外部環形焼結体１２２の方向に変形しながら内部間隙１３１、外部間隙１３３は減少する。結果として、中央間隙１３２の大きさは殆ど変わらず、内部間隙１３１、外部間隙１３３の熱抵抗が減少する間に中央間隙１３２の熱抵抗はそのまま維持される。従って、本発明による環形核燃料棒１００は、原子炉で燃焼中には所望とした熱伝達遮断効果より内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２との間の熱伝達をさらに遮断するという長所がある。

従来の環形核燃料棒において熱流速問題が最も深刻な場合は、外部間隙が消滅し内部間隙が残っているために生じる焼結体の熱が外部被覆管へ過度に伝達される場合である。本発明による環形核燃料棒１００では、外部間隙１３３が消滅されても中央間隙１３２の熱抵抗が存在し、このような中央間隙１３２の熱抵抗は内部間隙１３１の熱抵抗より大きいため、内部環形焼結体１２１の熱は外部環形焼結体１２２へ伝達されず内部間隙１３１を通じて内部被覆管１１１に伝達される。このような方式で、従来の環形核燃料棒が有している外部被覆管の過度な熱流速問題が解決される。

本発明による環形核燃料棒１００において、中央間隙１３２の大きさは、内部間隙
１３１、外部間隙１３３の大きさと比較して設計時の制限を受けることが少ない。中央間隙１３２の大きさを内部間隙１３１、外部間隙１３３の大きさと同一又は大きく設計すると、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２との間の熱伝達を充分遮断することができる。また、中央間隙１３２の大きさを内部間隙１３１、外部間隙１３３より小さく設計する場合でも、中央間隙１３２の熱勾配が内部間隙１３１、外部間隙１３３の熱勾配より非常に小さいため、効果的に熱伝達を遮断できる。

一方、中央間隙１３２の大きさが大きくなると、核燃料棒に装入される焼結体の体積の減少により、一つの燃料棒当りの発生熱が減少し、経済性の側面から不利である。このため、中央間隙１３２の大きさは製造可能な範囲内で小さく設計することが有利である。中央間隙１３２の大きさは５００μm以内が好ましい。

本発明による環形核燃料棒１００においては、内部被覆管１１１及び外部被覆管１１２の熱流速を調節することが可能である。これについて次に詳細に説明する。

内部被覆管１１１及び外部被覆管１１２の熱流速調節が可能であるのは、内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２から発生する熱量を各々調節できるからである。

内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２はウラニウム、プルトニウム、トリウムのような核分裂性物質を含有しているセラミック材料である。内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２が同一の核分裂性物質を同一の濃度で含有している場合、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２の重さ比率又は体積比率を調節すると、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２の熱量を各々調節することができる。

又、内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２の重さ比率又は体積比率を調節する方法以外にも、各々の焼結体に含有された核分裂性物質と濃度を調節する方法を使用すると、各焼結体から発生する熱量を調節することができる。即ち、核分裂性物質の濃度、例えば、ウラニウム−２３５の濃縮度を高くすると小さい体積でもより多い熱が発生する。

本発明による環形各燃料棒１００において、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２の重さ比率又は体積比率と核分裂性物質の量は、各焼結体から発生する熱を考慮して総合的に決定される。

本発明による環形核燃料棒１００では、内部被覆管１１１の熱伝達面積は外部被覆管１１２の熱伝達面積よりも小さい。従って、内部被覆管１１１の熱流速と外部被覆管１１２の熱流速を同一に保つためには、内部環形焼結体１２１から発生する熱が外部環形焼結体１２２から発生する熱よりも小さくするべきである。内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２から発生する熱が同一である場合には、内部被覆管１１１の熱流速が外部被覆管１１２の熱流速より高くなるが、安全性という観点からは許容範囲である。しかしながら、内部環形焼結体１２１から発生する熱が外部環形焼結体１２２から発生する熱よりも大きい場合には、内部被覆管１１１の熱流速が外部被覆管１１２の熱流速より過度に高くなり、従来の環形核燃料棒と類似な問題を発生する。従って、被覆管１１１の熱流速と外部被覆管１１２の熱流速が互いに均衡するように内部環形焼結体１２１から発生する熱が外部環形焼結体１２２から発生する熱より小さいか互いに同じであるように設計される。

さらに詳しく説明すると、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２は、各々の体積を同一又は異なるように設計することができる。また、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２は同一の核分裂性物質を含有しつつ、その濃度は互いに同一又は異なるように設計することができる。また、核分裂性物質は、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２で互いに異なるように構成することもできる。

内部環形焼結体１２１及び外部環形焼結体１２２の長さは、熱伝達に影響を与えないため設計上の制限は無い。製造方法によって数mmから数cmの長さが可能である。

以下、本発明の他の実施例による環形核燃料棒１００Ａについて図３を参照して説明する。

図３は本発明の他の実施例による環形核燃料棒１００Ａの概略図を示す。環形核燃料棒１００Ａは、装入される環形焼結体として２種類の異なる形態の環形焼結体を使用する点を除いては、上記一実施例による環形核燃料棒１００の構成と実質的に同じである。よって同一の構成要素にかんする説明は省略する。

環形核燃料棒１００Ａは、その一部領域に内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２の組み合わせで形成された複数の組み合わせ型環形焼結体を装入し、他の領域には従来の一体型環形焼結体２０（図７参照）を装入したものである。即ち、一つの環形核燃料棒１００Ａの中に上記２種類の焼結体を装入することとなる。一体型環形焼結体２０は、内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２に分離されず一つに合体された環形焼結体２０を意味する。

一般的に、環形核燃料棒で熱流速が問題となる領域は、冷却水温度が相対的に高い核燃料棒の上部である。従って、環形核燃料棒１００Ａの上部に内部環形焼結体１２１と外部環形焼結体１２２を組み合わせて使用し、環形核燃料棒１００Ａの下部には一体型環形焼結体２０を使用する方法が経済性の点で有利である。これは、環形核燃料棒は中央間隙の体積ほど核分裂性物質の減少で一つの燃料棒当りの発生熱が減少し、また内部環形焼結体２１と外部環形焼結体１２２の組み合わせ型環形焼結体は、従来の一体型環形焼結体２０より製造費用が多くなるからである。

本発明の一実施例を示す環形核燃料棒の断面図を示す。 本発明の環形核燃料棒に使用される環形焼結体の斜視図を示す。 本発明の他の実施例により環形核燃料棒の斜視図を示す。 従来のシリンダ形状の核燃料棒の断面図を示す。 従来のシリンダ形状の核燃料棒に使用される焼結体の斜視図を示す。 従来の環形核燃料棒の断面図を示す。 従来の環形核燃料棒に使用される環形焼結体の斜視図を示す。

符号の説明

１００ 環形核燃料棒
１２０ 環形焼結体
１２１ 内部環形焼結体
１２２ 外部環形焼結体
１１１ 内部被覆管
１１２ 外部被覆管
１３１ 内部間隙
１３２ 中央間隙
１３３ 外部間隙

Claims (12)

1. 外部被覆管と、
   該外部被覆管と同軸で配置され該外部被覆管より小さい直径を有する内部被覆管と、
   該外部被覆管と該内部被覆管との間で該内部被覆管側に隣接するように装入される複数の内部環形焼結体と、
   該外部被覆管と該内部被覆管との間で該外部被覆管側に隣接するように装入される複数の外部環形焼結体と、を含み、
   該内部環形焼結体と該外部環形焼結体との間に中央間隙が形成されていることを特徴とする環形核燃料棒。
2. 内部環形焼結体は、ウラニウム、プルトニウム及びトリウムからなる群から選択された少なくとも一つの核分裂性物質を含有したセラミック材料であることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
3. 外部環形焼結体は、ウラニウム、プルトニウム及びトリウムからなる群から選択された少なくとも一つの核分裂性物質を含有したセラミック材料であることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
4. 外部環形焼結体と前記内部環形焼結体の重さ比率又は体積比率を選択することにより、内部被覆管及び外部被覆管の熱流速を調節することを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
5. 外部環形焼結体と内部環形焼結体に含有された核分裂性物質の種類と濃度を選択することにより、内部被覆管及び外部被覆管の熱流速を調節することを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
6. 中央間隙の大きさは５００μm以内であることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
7. 内部環形焼結体から発生する熱は、外部環形焼結体から発生する熱より小さいかほぼ同一であることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
8. 内部環形焼結体と前記外部環形焼結体は、同一の核分裂性物質を含有し、該核分裂性物質の濃度はほぼ同一又は異なることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
9. 内部環形焼結体と外部環形焼結体は、互いに異なる核分裂性物質を含有することを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
10. 内部被覆管と外部被覆管との間の全体領域には、内部環形焼結体と外部環形焼結体との組み合わせで形成された複数の組み合わせ型環形焼結体が装入されることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
11. 内部被覆管と外部被覆管との間の一部領域には、内部環形焼結体と外部環形焼結体との組み合わせで形成された複数の組み合わせ型環形焼結体が装入され、残りの他の領域には、内部環形焼結体と外部環形焼結体で分離されず合体された複数の一体型環形焼結体が装入されることを特徴とする請求項１記載の環形核燃料棒。
12. 組み合わせ型環形焼結体が装入される一部領域近辺の冷却水の温度は、一体型環形焼結体が装入される他の領域近辺の冷却水の温度より高いことを特徴とする請求項１１記載の環形核燃料棒。

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