JP2010145234A

JP2010145234A - 核燃料棒

Info

Publication number: JP2010145234A
Application number: JP2008322515A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Goto; 大輔後藤
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2008-12-18
Filing date: 2008-12-18
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】燃焼期間全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供する。
【解決手段】核燃料棒の被覆管１内に収納された燃料ペレット４と、燃料ペレット４と端栓２、３との間に形成されたプレナム５とを有する核燃料棒において、前記被覆管１の内部に設けられ前記プレナム５を軸方向に２つ以上の領域に分割する隔壁６０を備え、前記燃料ペレット側の領域は高圧のヘリウムガスが封入され、前記端栓側の領域は低圧のヘリウムガスが封入されるとともに、前記隔壁６０の少なくとも一部は前記被覆管１内の内圧が所定内圧に達したときに破裂する厚みであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽水炉用の核燃料棒に関し、特に、核燃料棒内の内圧上昇を抑制できる軽水炉用の核燃料棒に関する。

軽水炉で用いられる核燃料棒は、図８に示すように、被覆管１に下部端栓２及び上部端栓３を溶接して密閉され、内部にUO₂やPuO₂などの燃料物質を焼結して製造された燃料ペレット４が収納されている。

通常、この燃料ペレット４は核燃料棒全長にわたって装填されていることはなく、核燃料棒内の一部にプレナム５と呼ばれる空間部分が残されている。また、核燃料棒内にはヘリウムなどの不活性気体が封入され、プレナム５や、燃料ペレット４と被覆管１の間隙を満たしている。なお、前記プレナム５は、図８では核燃料棒も上部に設けられているが、核燃料棒の最下部や、中央部に設ける場合もある。また、プレナム５内には燃料ペレット４の移動を抑えるためのスプリング等の部品が配置されている（図示せず）。

原子炉運転時の核燃料棒の温度分布は、外側を流れる冷却材に接している被覆管１の外面の温度が冷却材温度にほぼ等しく、核燃料棒内部に向かうにつれて温度が上昇し、発熱体である燃料ペレット中心部で最も温度が高くなっている。

不活性気体を封入する目的は、燃料ペレット４と被覆管１の間の熱伝達を促し、燃料ペレット４の温度を低減することにある。燃料ペレット４の温度が過度に高くなると、燃料ペレット４が想定以上に熱膨張したり、溶融したり、後述するように燃料ペレットの核分裂生成物（ＦＰ）の保持能力が低下したりするという悪影響を引き起こす。

したがって、封入する不活性気体として、熱伝達率の良好なヘリウムガスが使われることが多い。また、従来は、常圧のヘリウムを使っていたが、圧力が高いほどヘリウムの熱伝達率が高くなるため、最近では１０気圧程度まで封入圧を高めている。

次に、燃焼に伴う核燃料棒内の内圧の変化について説明する。
燃料物質が燃焼すると、燃料ペレット４内にＦＰが蓄積する。このＦＰは燃料ペレット４内に保持されるが、そのうちＦＰは時間とともに燃料ペレット４内を拡散して、やがて一部が燃料ペレット４外面からＦＰガスとして放出される。なお、この拡散速度は燃料ペレット４の温度が高いほど大きくなるため、前述した高圧の封入ヘリウムガスにより燃料ペレット温度を低減することは、ＦＰガス放出量を抑制する効果も持っている。
燃焼が進むにつれ、核燃料棒内の空隙を満たしている気体は、当初のヘリウムに徐々にFPガスが追加され、核燃料棒内圧は増加してゆく。

また、ＦＰガスの主成分はキセノンやクリプトンであり、ヘリウムに比べて熱伝達率が小さいため、ＦＰガスが放出されるにつれて燃料ペレット４と被覆管１の間の間隙部分の熱抵抗を増加させるとともに、燃料ペレット内に蓄積されたＦＰガスも燃料ペレットの熱伝導率を低下させることにより、燃料ペレットの温度上昇、ＦＰガスの放出が加速される。

このようなメカニズムにより、核燃料棒の内圧はある時期から急激に上昇し、燃焼により燃料出力が低下しても、燃料寿命末期まで増加し続ける。図９は、燃焼が進むにつれて核燃料棒の内圧が上昇していく様子を表した図である。なお、図９は原子炉運転中の核燃料棒内圧を示したものであり、核燃料棒内は燃料ペレットの発熱により高温になっている。このため、図の初期内圧は、製造時に封入された常温のヘリウム圧の２倍以上になっている。

このように、特に、燃焼末期では、核燃料棒の内圧が著しく上昇するため、被覆管の膨張変形によって燃料健全性が損なわれる可能性があるので、核燃料棒内圧を適切に抑制する必要がある。

そのため、核燃料棒内のプレナム部に減圧カプセルを配置し、燃料ペレットが燃焼が進についれて膨張することを利用して、その膨張による動きによって減圧カプセルを物理的に開口させ、核燃料棒の内圧を減少させる技術が提案されている（特許文献１）。
特開平６−２２２１７４号公報

上述した従来の核燃料棒は、被覆管内のプレナムに配置した減圧カプセルを物理的に破壊させることにより被覆管内圧の上昇を抑制するものであるが、カプセルを破壊するために余分な部材が必要であり、また、所定圧でカプセルを破壊するための調整及び製造工程が複雑となっている。さらに、燃料ペレットは温度上昇にともなう膨張がいつも一定とは限らず、カプセルと破壊部材との間を所定の間隙に設定しても、所定の内圧でカプセルが必ず破壊されるとは限らず、その場合は、燃料ペレットの溶融又は核分裂生成ガスの漏洩を引き起こす可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、燃焼期間全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の核燃料棒は、核燃料棒の被覆管内に収納された燃料ペレットと、燃料ペレットと端栓との間に形成されたプレナムとを有する核燃料棒において、前記被覆管の内部に設けられ前記プレナムを軸方向に２つ以上の領域に分割する隔壁を備え、前記燃料ペレット側の領域は高圧のヘリウムガスが封入され、前記端栓側の領域は低圧のヘリウムガスが封入されるとともに、前記隔壁の少なくとも一部は前記被覆管内の内圧が所定内圧に達したときに破裂する厚みであることを特徴とする。

また、本発明の核燃料棒は、核燃料棒の被覆管内に収納された燃料ペレットと、燃料ペレットと端栓との間に形成されたプレナムとを有する核燃料棒において、前記プレナムに配置された筒状の隔壁からなる密閉筒を備え、前記プレナムは高圧のヘリウムガスが封入され、前記密閉筒には低圧のヘリウムガスが封入されるとともに、前記密閉筒の隔壁の少なくとも一部は前記被覆管内の内圧が所定内圧に達したときに破裂するか収縮する厚みであることを特徴とする。

本発明によれば、燃焼期間全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することができる。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、上記した従来技術と同じ構成部分については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図である。
図１（ａ）において、プレナム部５は薄い隔壁６０により、軸方向に第１プレナム５１及び第２プレナム５２の二つの領域に分割されている。第１プレナム５１は燃料ペレット４と被覆管１の間隙で良好な熱伝達を達成し、ＦＰガス放出を遅らせる観点から、高い圧力のヘリウムが初期封入されている。典型的な例としては１０気圧のヘリウムガスが封入されている。一方、第２プレナム５２は低圧、例えば１気圧以下のヘリウムが初期封入されている。また、隔壁６０は、溶接等により被覆管１の内面に固着されている。

このような構成の核燃料棒において、燃焼が進むにつれて第１プレナム５１の内圧は増加するが、第２プレナム５２は初期内圧から変化しない。そして、両者の圧力差がある値に達した時点で隔壁５０は変形し始め、ついには図１（ｂ）のように破裂して両プレナムは連結する。すると内圧は破裂前に比して大幅に低下する。図２は本実施形態の核燃料棒内圧の燃焼に伴う変化の例を示したものである。核燃料棒内圧の最大値は、隔壁６０も破裂により大幅に低下するため、その余裕によりさらに燃料の燃焼度増加を図ることができる。

隔壁６０の材料は、核特性上、被覆管と同じ材料が好ましく、本第１の実施形態では、核燃料棒の被覆管１の材料としてジルカロイが用いられていることから、隔壁６０もジルカロイが用いられる。また、隔壁の６０の厚みは、被覆管１が変形する前に所定の内圧で隔壁６０が確実に破裂するような厚みに設定される。
本第１の実施形態では、理論的な計算から、隔壁６０の厚みを被覆管１の厚みの５０％以下、好ましくは４０〜５０％としている。また、隔壁６０の形状は、全体を一定の肉厚としてもよいが、一部のみ所定の内圧で破裂する肉厚としてもよい。

本第１の実施形態によれば、単に、プレナム部を隔壁により分割し、一方に低圧のヘリウムガスを封入したことにより、燃焼期間全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図である。
本第２の実施形態では、プレナム５を、２つの隔壁６１、６２により、第１プレナム５３、第２プレナム５３及び第３プレナム５５の３つの領域に分割している。第１〜第３プレナム５３〜５５には、例えば第１プレナム５３は１０気圧、第２及び第３プレナム５４、５５は１気圧以下のヘリウムで満たされている。第１プレナム内圧が上昇すると、図４に示すように、隔壁６１及び６２が順次破裂していき、燃焼期間の全体にわたって核燃料棒内圧をより一定に制御することができる。

また、各隔壁６１、６２の厚みは、それぞれ所定の内圧で隔壁が確実に破裂するような厚みに設定される。さらに、図４では、２つの隔壁６１、６２は、内圧が約４０気圧で破裂するように設定されているが、隔壁６１はより低圧で破裂するように設定してもよい。

なお、本第２の実施形態では、隔壁を２つ設けているが、３つ以上としてもよいことはもちろんである。
本第２の実施形態によれば、単に、プレナム部を複数の隔壁により分割し、上部端栓側の複数の分割されたプレナムに低圧のヘリウムガスを封入したことにより、燃焼期間の全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することができる。

（第３の実施形態）
図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図である。
本第３の実施形態では、内部に低圧のヘリウムが封入された筒状の隔壁からなる第２プレナム５７の端部を上部端栓に固着するようにしてプレナム５内に配置される。この筒状の第２プレナム５７は、上部端栓と一体的に製造してもよいので、製造工程がより簡素化される。

このように構成された核燃料棒は、初期状態において、上記の実施形態と同様に、例えば第１プレナム５６は１０気圧、第２プレナム５７は１気圧以下のヘリウムで満たされている。第１プレナム内圧が上昇すると、図５（ｂ）に示すように差圧によって隔壁が収縮するか、図５（ｃ）のように破裂するため、図６のように第１プレナム５３の内圧上昇を抑えることができる。なお、図６は隔壁が内圧によって収縮する場合の内圧変化図で、Ａは隔壁が設けられていない従来のプレナム内の内圧変化図、Ｂは本第３の実施形態に係るプレナムの内圧変化図で、内圧上昇が低く抑えられていることがわかる。また、第２プレナム部の隔壁の厚みは、所定の内圧で隔壁が確実に破裂又は収縮するような厚みに設定される。

本第３の実施形態によれば、上部端栓に隔壁を固着して第２プレナムを形成したことにより、燃焼期間の全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することができる。

（第４の実施形態）
図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図である。
本第４の実施形態では、一部または全部が薄い隔壁６４で構成された密閉筒５９が挿入されている。この場合、密閉筒５９の内部が第２プレナム、被覆管内部で密閉筒外部の空間５８が第１プレナムとなる。上記実施形態と同様に、初期状態において、第１プレナムは高圧のヘリウムで満たされ、第２プレナムは低圧のヘリウムで満たされる。

このように構成された核燃料棒は、密閉筒５９を構成する隔壁６４の全て又はその一部の厚さを適切に設定することにより、第１プレナムの内圧上昇にしたがって、密閉筒の隔壁が破れるか（図７（ｂ））、密閉筒が収縮する（図７（ｃ））。これによって第１プレナムの内圧上昇を低く抑えることが可能となる。

本第４の実施形態によれば、プレナム内に単に密閉筒を配置するという簡単な構成で、燃焼期間の全体にわたって核燃料棒の内圧上昇を確実に抑制することができるとともに、さらに構造が簡単で製造も容易な核燃料棒を提供することができる。

上記の第２〜第４の実施形態においても、上記第１の実施形態で説明したように隔壁材料として被覆管と同じ材料が用いられ、かつ、その厚みも被覆管が変形する前に所定の内圧で隔壁が確実に破裂又は収縮するような厚みに設定される。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図、（ｂ）は内圧上昇によって隔壁が破裂した状態を示す図。本発明の第１の実施形態に係る核燃料棒の内圧変化図。本発明の第２の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図。本発明の第２の実施形態に係る核燃料棒の内圧変化図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図、（ｂ）及び（ｃ）は内圧上昇によって隔壁が収縮又は破裂した状態を示す図。本発明の第３の実施形態に係る核燃料棒の内圧変化図。（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図、（ｂ）及び（ｃ）は内圧上昇によって隔壁が収縮又は破裂した状態を示す図。従来の核燃料棒の全体構成図。従来の核燃料棒の内圧変化図。

符号の説明

１…被覆管、２…下部端栓、３…上部端栓、４…燃料ペレット、５…プレナム、５１，５３，５６，５８…第１プレナム、５２，５４，５７…第２プレナム、５５…第３プレナム、５９…密閉筒、６０〜６４…隔壁。

Claims

核燃料棒の被覆管内に収納された燃料ペレットと、燃料ペレットと端栓との間に形成されたプレナムとを有する核燃料棒において、
前記被覆管の内部に設けられ前記プレナムを軸方向に２つ以上の領域に分割する隔壁を備え、前記燃料ペレット側の領域は高圧のヘリウムガスが封入され、前記端栓側の領域は低圧のヘリウムガスが封入されるとともに、前記隔壁の少なくとも一部は前記被覆管内の内圧が所定内圧に達したときに破裂する厚みであることを特徴とする核燃料棒。
核燃料棒の被覆管内に収納された燃料ペレットと、燃料ペレットと端栓との間に形成されたプレナムとを有する核燃料棒において、
前記プレナムに配置された筒状の隔壁からなる密閉筒を備え、前記プレナムは高圧のヘリウムガスが封入され、前記密閉筒には低圧のヘリウムガスが封入されるとともに、前記密閉筒の隔壁の少なくとも一部は前記被覆管内の内圧が所定内圧に達したときに破裂するか収縮する厚みであることを特徴とする核燃料棒。
前記密閉筒の端部が端栓に固着されていることを特徴とする請求項２記載の核燃料棒。
密閉隔壁が被覆管の材料と同一であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか1項に記載の核燃料棒。
前記隔壁の厚みが被覆管の厚みの４０〜５０％であることを特徴とする請求項４記載の核燃料棒。