JP2012058003A

JP2012058003A - 原子炉用燃料集合体

Info

Publication number: JP2012058003A
Application number: JP2010199698A
Authority: JP
Inventors: Gen Koike; 元小池; Kazutoshi Okubo; 和俊大久保
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 2010-09-07
Filing date: 2010-09-07
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】燃料集合体組立時のスペーサとの接触で燃料棒の被覆管表面が削れて発生する薄片を低減できると共に、組立後の仕上げ工程における被覆管表面に付着している薄片の除去作業時間を短縮化して作業者の被ばく量を抑えられる燃料集合体の提供。
【解決手段】燃料集合体において、各燃料棒の被覆管２２は、その表面性状特性として、中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．７μｍ以下の範囲条件を満たすと共に、十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以上、５μｍ以下の範囲条件を満たす。
【選択図】図４

Description

本発明は、沸騰水型原子炉用燃料集合体に関し、詳しくは、燃料棒の被覆管に関するものである。

従来、一般的な沸騰水型原子炉用燃料集合体は、図１（ａ）に示すように、主に、複数本の燃料棒１１と水ロッド１３が、スペーサ１２によって正方格子状の配列で束ねられ、上下端を上部タイプレート１４と下部タイプレート１５とで支持された状態としてチャンネルボックス１６で周囲を覆われて構成される。

スペーサ１２は、燃料棒１１の軸方向に沿って所定間隔毎に複数段設けられている。また、燃料棒１１は、図１（ｂ）に示すように、ジルカロイ製の被覆管２２内に二酸化ウランのペレット２１が充填され、上下開口が被覆管２２と同じジルカロイ製の上部端栓２３と下部端栓２４によってそれぞれ塞がれてなるものである。被覆管２２の内部には、二酸化ウランペレット２１の他に、該ペレットの被覆管内での軸方向移動を規制するためのプレナムスプリング２５と呼ばれるステンレス製のコイルバネが上部端栓２３の下方に配置されている。

スペーサには、通常、図２に示すような長方形状の格子板３０を格子状に組み合わせて正方格子状に配列された略四角形セルが区画形成された格子型スペーサと、図３に示すような円筒形のリング素子４０を互いに連結して正方格子状に円形セルが配列されたリング素子型スペーサとの２タイプがある（例えば、引用文献１参照。）いずれのタイプのスペーサにおいても、各燃料棒および水ロッドは、スペーサに付属するスプリング（３１，４１）とこれに対となる突起（３２，４２）とによって格子内に支持されている。即ち、突起に対して燃料棒をスプリングの弾性付勢力で押し付けることによって両者間に燃料棒が挟持される構造となっている。

特開２００２−８２１９２号公報

しかしながら、上記の如き従来の燃料集合体では、組立工程にてスペーサによって燃料棒を束ねる時、スペーサの格子内を通過する燃料棒がスプリングや突起と接触し、摺動する際に、被覆管表面が削られて糸状の薄片が発生し、これが団子状に丸まって強固に被覆管表面に付着することがあった。

このような薄片は、原子炉内では高温の冷却水により酸化されて粉状になってしまうため、燃料健全性の上では問題ないものではあるが、仕上げ工程として燃料集合体組立後にエアブローや金属ヘラによる削ぎ取りで除去している。

仕上げ工程で行っていた薄片の除去作業は、仕上げ工程後に実施する燃料集合体の外観検査及び寸法検査よりも長い時間を要し、製造コストを高くしてしまうだけでなく、長い作業時間が仕上げ工程作用者の被ばく量を増加させてしまうという問題がある。特に、作業者の被ばくに関しては、これまで原料として使用されてきた濃縮商業用グレードウラン（ＥＣＧＵ）や国内で再処理された回収ウランのような放射能レベルの極低いものに加えて、今後放射能レベルの高い海外で再処理された回収ウランが原料として入ってくることが予定されていることから、作業時間短縮による被ばく量の低減が益々重要度を増す傾向にある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来よりも，燃料集合体組立時のスペーサとの接触で燃料棒の被覆管表面が削れて発生する薄片を低減できると共に、組立後の仕上げ工程における被覆管表面に付着している薄片の除去作業時間を短縮化して作業者の被ばく量を抑えることができる燃料集合体を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係る燃料集合体は、燃料被覆管内に二酸化ウランペレットが充填されてなる複数本の燃料棒と水ロッドとが、燃料棒軸方向に沿って複数段配置されたスペーサにより平方格子状に配列保持されている原子炉用の燃料集合体において、
前記各燃料棒の被覆管は、その表面性状特性として、中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以上で０．７μｍ以下の範囲条件を満たすと共に、十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以上で５μｍ以下の範囲条件を満たすものである。

本発明の燃料集合体は、燃料被覆管の表面粗さを、中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．７μｍ以下で十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以上、５μｍ以下というＡＳＴＭ規格内の特定の上限領域に限定したことによって、従来より燃料集合体組立の際にスペーサとの接触によって被覆管表面が削られて発生する薄片を低減すると共に、被覆管表面に付着して残る薄片がエアブロー、金属ヘラ等により容易に除去可能なものとなるため、仕上げ工程の作業時間を短縮化して作業者の被ばく量を抑えることができるという効果がある。

沸騰水型原子炉用燃料集合体の一般例を示す概略構成図であり、（ａ）は全体縦部分断面図、（ｂ）はこの燃料集合体を構成する燃料棒の概略縦断面図である。一般的な格子型スペーサの概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。一般的なリング型スペーサの概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。燃料被覆管の表面が削られて発生する薄片の状態を示す模式図であり、（ａ）は相対的に表面粗さが小さい被覆管表面の場合、（ｂ）は相対的に表面粗さが大きい被覆管表面の場合をそれぞれ示す。

本発明の燃料集合体においては、燃料被覆管の表面性状特性が、中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以上で０．７μｍ以下の範囲条件を満たすと共に、十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以上で５μｍ以下の範囲条件を満たすものである。これらの範囲は、従来から被覆管の表面粗さとしてＡＳＴＭ（米国材料試験協会）規格の分類Ｂ８１１（原子炉燃料被覆用ジルコニウム合金シームレス管の規格）において、中心線平均粗さＲａ≦０．７μｍ、十点平均粗さＲｚ≦５μｍと定められているのに対して、それぞれ規格内の上限側に限定された範囲に特定したものである。

即ち、本発明では、燃料被覆管を比較的粗い表面性状としたものである。このような比較的粗い被覆管表面は、図４（ｂ）に示すように、従来のできるだけに滑らかで表面粗さを小さくした被覆管表面（ａ）に比べて、凹凸の谷深さが大きい。このため、スペーサへの燃料棒挿入時にスプリングや突起と接触して表面が削られる際に、凹凸の小さい被覆管表面（図４（ａ））では凸部が繋がって糸状に長い薄片Ｔが団子状に丸まりながら発生すると共にその薄片の厚みと強度も大きく被覆管表面から離脱し難いのに対して、表面粗さの大きい本発明の被覆管表面（図４（ｂ））では、同じ削り深さでは各凸部の頂部分が削られ隣り合う凸部同士は繋がり難く、比較的短く小さい薄片ｔが発生するだけであり、また被覆管表面に付着状態で残る薄片は、被覆管表面に対して分岐部分が薄く離脱し易いものである。

従って、本発明においては、燃料集合体組立時に発生する薄片の総量自体が従来より低減し、また被覆管表面に付着している薄片は仕上げ工程にてエアブローや金属ヘラにより容易に除去できるものであるため、結果として作業時間を短縮して仕上げ工程作業者の被ばく量の増加を抑えることができる。

なお、本発明で云う中心線平均粗さＲａとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。また、十点平均粗さＲｚとは、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から高さが１番目から５番目までの山頂標高の絶対値の平均値と、低さが１番目から５番目までの谷底標高の絶対値の平均値との和である。

本発明の実施例として、以下に、互いに異なる表面粗さのジルカロイ製燃料被覆管４種（Ａ〜Ｄ）に関して、それぞれ燃料集合体の組立時に発生する薄片量とその性状を比較した結果を示す。各燃料被覆管の表面粗さは、被覆管Ａ：Ｒａ＝０．１〜０．２，Ｒｚ＝１〜２、被覆管Ｂ：Ｒａ＝０．２５〜０．３０，Ｒｚ＝２．５〜３、被覆管Ｃ：Ｒａ＝０．４０〜０．４５，Ｒｚ＝３〜４、被覆管Ｄ：Ｒａ＝０．３０〜０．６０，Ｒｚ＝２．５〜４．５、である。

なお、これら燃料被覆管の各表面粗さの調整は、被覆管の製造工程のうち、最終的に表面粗さを決定付ける被覆管表面の研磨工程において、使用する砥石の粗さを変更することによって行った。

以上の工程で調整した被覆管Ａ〜Ｄのそれぞれに、二酸化ウランペレットの重量を模擬した模擬ペレットを充填し、両端を端栓で溶接封止した模擬燃料棒を作製し、７枚のリング型スペーサのセル内を通過させて、発生した薄片を観察し、評価した。結果を以下の表１に示す。具体的な評価は、全ての発生薄片の採取、定量化が困難であるため、感覚的な総量を薄片発生量とし、実際の発生量に比例する実質的な燃料集合体取扱い作業時間（＝薄片除去時間＋目視検査にかかる時間＋寸法検査にかかる時間）を、被覆管Ａの場合を基準として比較した。また、各被覆管の薄片を観察した印象を薄片性状として記述した。

以上の結果から、燃料被覆管の表面粗さが０．２５μｍ≦Ｒａ≦０．６μｍ、２．５μｍ≦Ｒｚ≦４．５μｍの範囲内であれば、燃料集合体の組立時に薄片の発生総量を従来より低減できると共に、発生し被覆管表面に残る簿片をエアブローや金属ヘラにより容易に短時間で除去できることが確認された。

１１：燃料棒
１３：水ロッド
１４：上部タイプレート
１５：下部タイプレート
１６：チャンネルボックス
２１：二酸化ウランペレット
２２：燃料被覆管
２３：上部端栓
２４：下部端栓
２５：プレナムスプリング
３０：格子板
３１，４１：スプリング
３２，４２：突起
４０：リング素子
Ｔ，ｔ：薄片

Claims

燃料被覆管内に二酸化ウランペレットが充填されてなる複数本の燃料棒と水ロッドとが、燃料棒軸方向に沿って複数段配置されたスペーサにより平方格子状に配列保持されている原子炉用の燃料集合体において、
前記各燃料棒の被覆管は、その表面性状特性として、中心線平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．７μｍ以下の範囲条件を満たすと共に、十点平均粗さＲｚが２．５μｍ以上、５μｍ以下の範囲条件を満たすものであることを特徴とする燃料集合体。