JP2013217762A - 核燃料要素および燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高める。
【解決手段】上下に延びる被覆管１２と、被覆管１２内で互いに上下に積層されて被覆管１２との間に環状の間隙部１５を形成する複数の燃料ペレット１１と、被覆管１２の上部を密閉する上部端栓と、被覆管１２の下部を密閉する下部端栓と、間隙部１５内に配設され、燃料ペレット１１および被覆管１２に部分的に接触する線状伝熱部材２１とを設ける。線状伝熱部材２１は、燃料ペレットの周囲を周回するように延びている。
【選択図】図３

Description

本発明は、核燃料要素および燃料集合体に関する。

軽水型原子炉の炉心には複数の燃料集合体が装荷されており、燃料集合体は複数の棒状の核燃料要素が束ねられた構成となっている。この棒状の核燃料要素は、ウランやプルトニウムなどの核燃料物質の酸化物をペレットとして、これを被覆管に挿入し、ヘリウムなどの不活性ガスを封入して被覆管の上下に端栓を接合した構造となっている。この被覆管内には、燃焼に伴い発生した核分裂生成物ガスなどを閉じ込めるプレナム部を有している。燃料ペレットと被覆管との間には、原子炉運転時に生じる燃料ペレットの熱膨張あるいは燃焼に伴うスウェリングによる機械的な相互作用を吸収するため、間隙が設けられている。

燃料ペレットで核分裂により発生した熱は被覆管との間隙を通して被覆管に伝達され、冷却材に伝わる。間隙の熱伝達は、主に、燃料製造時に封入された不活性ガスないし燃焼に伴い発生した核分裂生成物ガスが担う。核分裂生成物ガスはキセノンやクリプトンが主であるが、これらはヘリウムに対し熱伝導率が１／２０程度と低く、間隙の熱伝達率は燃焼とともに低下していく。

間隙の熱伝達率が低下すると燃料ペレットの温度が上昇し、熱膨張などのペレットの変形が大きくなる。そのため被覆管と燃料ペレット間の機械的な相互作用が生じ、被覆管の破損する確率が高くなる。

軽水型原子炉では被覆管材として主にジルコニウム合金が用いられているが、ジルコニウム（Ｚｒ）合金は，腐食反応により二酸化ジルコニウムと水素を発生する。高燃焼度の領域においては、燃焼に伴う水素発生によりジルコニウム水素化物が形成され、ジルコニウム合金が脆化するという問題がある。

このような問題に対し、特許文献１には、間隙に金属化合物を充填する方法により間隙の熱伝達率を高める技術が開示され、特許文献２には、カーボンナノチューブの粉体を充填する方法により間隙の熱伝達率を高める技術が開示されている。

特開２０００−１２１７６６号公報 特開２０１０−１４５２３５号公報

特許文献１あるいは特許文献２に開示されているような、間隙に繊維状や粉状の熱伝達材を充填する方法においては、間隙に熱伝達材が安定して留まるためにある程度以上の充填率が必要である。

十分充填された粉体であると流動性も小さく、燃料ペレットの膨張が粉体を通じて機械的に被覆管に伝わってしまうため、燃料ペレットの膨張を吸収する能力が十分ではない。また粉体を充填する方法であるため、伝熱材の燃料ペレット表面および被覆管内壁との接触面積や接触圧の制御、評価が困難である。さらには原子炉の運転中などに燃料棒が振動することにより粉体が管内を移動することも考えられ、熱伝達に不均一性や不確実性を生じやすい。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る核燃料要素は、上下に延びる被覆管と、前記被覆管内で互いに上下に積層されて前記被覆管との間に環状の間隙部を形成する複数の燃料ペレットと、前記被覆管の上部を密閉する上部端栓と、前記被覆管の下部を密閉する下部端栓と、前記間隙部内に配設され、前記燃料ペレットおよび前記被覆管に部分的に接触する伝熱部材とを有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料集合体は、格子状に配列された複数の核燃料要素と、前記核燃料要素の相互の間隔を保持する複数の支持格子と、を備える燃料集合体において、前記核燃料要素はそれぞれ、上下に延びる被覆管と、前記被覆管内で互いに上下に積層されて前記被覆管との間に環状の間隙部を形成する複数の燃料ペレットと、前記被覆管の上部を密閉する上部端栓と、前記被覆管の下部を密閉する下部端栓と、前記間隙部内に配設され、前記燃料ペレットおよび前記被覆管に部分的に接触する伝熱部材と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素による燃料集合体を示す立面図である。 本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素を示す外形図である。 本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す水平断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素の下方部分の内部を示す立断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る核燃料要素および燃料集合体の実施形態について説明する。ここで、同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る核燃料要素による燃料集合体を示す立面図である。

燃料集合体１００は、複数の核燃料要素１０、複数の支持格子１０１、下部タイプレート１０２、上部タイプレート１０３、チャンネルボックス１０４を有する。

核燃料要素１０は、上下方向に延びる棒状であって、横断面上で格子状に配列されている。支持格子１０１は、核燃料要素の相互の間隔を保持するものであり、燃料集合体１００の長手方向に複数配設されている。下部タイプレート１０２は、核燃料要素１０の下部を互いに結束し、上部タイプレート１０３は、核燃料要素１０の上部を互いに結束している。チャンネルボックス１０４は冷却材流路の確保の機能を有し、複数の核燃料要素１０の四面を覆うように配設される。

図２は、本実施形態に係る核燃料要素を示す外形図である。

核燃料要素１０は、燃料ペレット１１、被覆管１２、上部端栓１３、下部端栓１４を有する。被覆管１２は、炉心において燃料集合体１００の長手方向に沿って、すなわち、上下方向に延びている。燃料ペレット１１は被覆管１２内に内蔵され、多数が被覆管１２の長手方向に積層した状態である。また、被覆管１２の上端と下端は、それぞれ上部端栓１３と下部端栓１４により密封されており、被覆管１２と相まって放射性物質の障壁をなしている。

図３は、本実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。

原子炉運転時の燃料ペレット１１の熱膨張、あるいは燃焼に伴う燃料ペレット１１のスウェリングを考慮して、燃料ペレット１１と被覆管１２の間には間隙部１５が設けられている。

この間隙部１５内には、燃料ペレット１１と被覆管１２間の伝熱部材として線状伝熱部材２１が配設されている。線状伝熱部材２１は、燃料ペレット１１の周囲をスパイラル状に巻かれている。線状伝熱部材２１は、図では１本であるが、複数本でもよい。また、ピッチもさらに大きくてもよいし小さくてもよい。本数の上限とピッチの下限は、間隙部１５内への線状伝熱部材２１の充填によって燃焼末期に被覆管１２に対し過剰の反力が生じない範囲で設定される。

また、線状伝熱部材２１は、中空構造でもよい。中空構造にすることにより、挟みつける荷重に対し容易につぶれて変形できるようになり、燃料ペレット１１と被覆管１２間の機械的な相互作用を低減できる。

線状伝熱部材２１の材料としては、通常の原子炉の運転範囲においても溶融せず、形状を維持して熱伝達の機能を保つものであることが望ましい。通常の原子炉の運転範囲では、燃料ペレット１１の表面は５００℃以上であり、反応度事故時の間隙部１５の温度は１０００℃を超える場合もある。また被覆管１２内に挿入するものであるため、熱中性子吸収が小さいことが望ましい。こうした条件からジルコニウム（融点１８５２℃）あるいはその金属化合物、もしくは繊維状のＳｉＣ（熱分解温度２５４５℃）などが好ましい。

図４は、本実施形態に係る核燃料要素の内部を示す水平断面図である。

燃料ペレット１１の周囲にスパイラル状に巻きつけられた線状伝熱部材２１は、燃料ペレット１１と被覆管１２の双方に完全に接触しながら延びているわけではない。すなわち、線状伝熱部材２１の太さは、燃料ペレット１１と被覆管１２間の間隙部１５の幅より小さく、燃料ペレット１１の熱膨張やスウェリングにより間隙部１５の幅が縮小した場合でも、被覆管１２に対して過度の反力が生じないよう十分な余裕を有している。

線状伝熱部材２１は、図に示すように、半径方向にあるいは上下方向にある程度蛇行し、その間に、燃料ペレット１１の一部とペレット接触部２０ａで接触したり、被覆管１２の一部と被覆管接触部２０ｂで接触したりしながら延びている。

図５は、本実施形態に係る核燃料要素の下方部分の内部を示す立断面図である。

最下端の燃料ペレット１１の下部にエンドプレート２６が設けられている。線状伝熱部材２１の下端は、エンドプレート２６とたとえば溶接により接続されている。

なお、エンドプレート２６を設ける位置は、組立て過程においてペレットの被覆管１２への挿入を被覆管の下部側から行う場合などには、最上端の燃料ペレット１１の上部に設ける。

（作用）
以上のように構成された燃料集合体１００の核燃料要素１０の組立て過程においては、たとえば、横倒しにした状態で、全ての線状伝熱部材２１をエンドプレート２６に接続した線状伝熱部材セットに、燃料ペレット１１を順次詰め込んでいくことが可能であり、燃料ペレット１１の保持も容易である。また、治具が必要であるが、鉛直方向に線状伝熱部材２１を圧縮した中央に、燃料ペレット１１が積層状態にあるものを置いて、その後に圧縮状態を解除することにより、線状伝熱部材セットに燃料ペレット１１を入れる方法も有効である。

また、下部端栓１４を取り付けた被覆管１２を加熱し膨張させ管径を広げた状態で横倒しし、燃料ペレット１１を詰め込んだ線状伝熱部材セットを、この中に挿入した後に、被覆管１２を冷却する。このようにすることにより、被覆管１２への燃料ペレット１１の挿入は、線状伝熱部材２１の挿入と一体の工程で実施することができる。

また、被覆管１２に挿入する前に、線状伝熱部材２１が均一に巻かれていることを確認できるので、熱伝達率の均一性を確保できる。

原子炉の運転状態では、燃料ペレット１１で発生した熱は、間隙部１５内のガスの対流による燃料ペレット１１表面から被覆管１２への熱伝達、燃料ペレット１１から被覆管１２への輻射の他に、燃料ペレット１１と線状伝熱部材２１とが接触するペレット接触部２０ａから被覆管１２と線状伝熱部材２１とが接触する被覆管接触部２０ｂへの線状伝熱部材２１による熱伝導により放熱される。この中で、線状伝熱部材２１による熱伝導が圧倒的に大きく、線状伝熱部材２１が設けられていない場合に比べれば遥かに大きな伝熱経路となる。

燃焼が進み、間隙部１５の幅が縮小し、線状伝熱部材２１が配設されている場所の幅が狭くなるが、線状伝熱部材２１は、全体としての蛇行の幅が狭くなるだけで完全に挟まれた状態になることはないため、被覆管１２への過度の反力を生じることはない。

また、線状伝熱部材２１の蛇行の幅が狭まることにより、ペレット接触部２０ａおよび被覆管接触部２０ｂの接触面積が増加し、熱伝導は増加する方向である。

以上のように構成された本実施形態による燃料集合体の核燃料要素は、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることができる。

また、線状の伝熱部材を巻きつける構造であるため、燃料ペレット１１の表面および被覆管１２内面との接触面積や接触圧の評価が比較的容易であり、さらに、振動による伝熱部材の移動も無視できるため、粉体を充填する方法に対して熱伝達係数の不定性を小さくできる。

[第２の実施形態]
図６は、本発明の第２の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。

燃料ペレット１１と被覆管１２間の間隙部１５に網状伝熱部材２２が設けられている。網状伝熱部材２２は、燃料ペレット１１の周囲を互いに逆向きに旋回して交差する２種類のスパイラル状線材からなっている。なお、鉛直方向の線状伝熱部材と水平方向の線状伝熱部材とを組み合わせたことによる網状の構成でもよい。

本実施形態では、伝熱部材が網状なので、線状伝熱部材２１の場合に比べて、螺旋のピッチが大きくても、組み立て過程における燃料ペレット１１の保持効果が確保され、作業がよりやりやすくなる。

また、網状伝熱部材２２の燃料ペレット１１および被覆管１２との接触についても、より広範囲に確保できることが期待される。

網状伝熱部材２２全体で、凹凸を有することにより、面外方向にフレキシビリティが確保される。このため、燃焼が進み、間隙部１５の幅が縮小し、網状伝熱部材２２が配設されている場所の幅が狭くなるが、網状伝熱部材２２は、全体として円筒状に近づくだけで完全に挟まれた状態になることはないため、被覆管１２への過度の反力を生じることはない。

以上のように構成された本実施形態による燃料集合体の核燃料要素は、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることができる。

[第３の実施形態]
図７は、本発明の第３の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。

燃料ペレット１１の外周には、線状の伝熱部材を半径方向に円環状に巻いた複数の環状伝熱部材２３が設けられている。環状伝熱部材２３相互間には支持部材２８が設けられ、それぞれ下側にある環状伝熱部材２３および支持部材２８の自重を支えている。

環状伝熱部材２３は、線状の伝熱部材を円環状に巻いて半径方向に重ね合わせたものであることから、半径方向の荷重が加わると容易に変形する。

このため、組立て当初から、燃料ペレット１１および被覆管１２と接触した状態で組み立てることができる。この場合、ペレット接触部２０ａおよび被覆管接触部２０ｂは環状伝熱部材２３の内側および外側の広い範囲で確保できる。

以上のように構成された本実施形態による燃料集合体の核燃料要素は、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることができる。

[第４の実施形態]
図８は、本発明の第４の実施形態に係る核燃料要素の内部を示す立断面図である。

本実施形態では、間隙部１５には、コイル状伝熱部材２４が配設されている。コイル状伝熱部材２４は、コイル状の伝熱部材である。すなわち、燃料ペレット１１の外周にスパイラル状に巻きつけられており、間隙部１５内で燃料ペレットおよび被覆管に対して交互に近づくようなコイル状の伝熱部材である。

コイル状であるため、挟まれた場合にもフレキシビリティを有している。また、全体として、蛇行しながら燃料ペレット１１の外周に配設されていることから、さらにフレキシビリティを有している。

また、コイル状であるため、幅があり、そのため、燃料ペレット１１および被覆管１２とさらに接触しやすく、熱伝導確保上も有利である。

以上のように構成された本実施形態による燃料集合体の核燃料要素は、燃料ペレットと被覆管の機械的な干渉を小さく保ったまま、間隙の熱伝達をより確実に高めることができる。

［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、ジルコニウム合金以外の材質の被覆管にも適用できる。また、伝熱部材の材質も必要な特性を有していれば、例示したものに限定されない。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第１の実施形態で述べたエンドプレート２６は、すべての実施形態に適用できる。また、第４の実施形態のコイル状伝熱部材２４を、第２の実施形態の網状伝熱部材２２や、第３の実施形態の環状伝熱部材２３に適用してもよい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０・・・核燃料要素
１１・・・燃料ペレット
１２・・・被覆管
１３・・・上部端栓
１４・・・下部端栓
１５・・・間隙部
２１・・・線状伝熱部材
２２・・・網状伝熱部材
２３・・・環状伝熱部材
２４・・・コイル状伝熱部材
２６・・・エンドプレート
２８・・・支持部材
２０ａ・・・ペレット接触部
２０ｂ・・・被覆管接触部
１００ ・・・燃料集合体
１０１ ・・・支持格子
１０２ ・・・下部タイプレート
１０３ ・・・上部タイプレート
１０４ ・・・チャンネルボックス

Claims (7)

1. 上下に延びる被覆管と、
   前記被覆管内で互いに上下に積層されて前記被覆管との間に環状の間隙部を形成する複数の燃料ペレットと、
   前記被覆管の上部を密閉する上部端栓と、
   前記被覆管の下部を密閉する下部端栓と、
   前記間隙部内に配設され、前記燃料ペレットおよび前記被覆管に部分的に接触する伝熱部材と、
   を有することを特徴とする核燃料要素。
2. 前記伝熱部材は、前記燃料ペレットの周囲を周回するスパイラル状に延びていることを特徴とする請求項１に記載の核燃料要素。
3. 前記伝熱部材は、前記ペレットの周囲に網目状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の核燃料要素。
4. 前記伝熱部材は、前記燃料ペレットの周囲で互いに上下方向に間隔をもって設けられた複数の環状伝熱部材と、前記環状伝熱部材同士を連絡する支持部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の核燃料要素。
5. 前記伝熱部材は、前記間隙部内で前記の燃料ペレットおよび前記被覆管に対して交互に近づくようなコイル状または中空であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の核燃料要素。
6. 前記伝熱部材の上端または下端の少なくとも一方と接合され、最上端または最下端の前記燃料ペレットの少なくとも一方と接触するエンドプレートをさらに有することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の核燃料要素。
7. 格子状に配列された複数の核燃料要素と、
   前記核燃料要素の相互の間隔を保持する複数の支持格子と、
   を備える燃料集合体において、
   前記核燃料要素はそれぞれ、
   上下に延びる被覆管と、
   前記被覆管内で互いに上下に積層されて前記被覆管との間に環状の間隙部を形成する複数の燃料ペレットと、
   前記被覆管の上部を密閉する上部端栓と、
   前記被覆管の下部を密閉する下部端栓と、
   前記間隙部内に配設され、前記燃料ペレットおよび前記被覆管に部分的に接触する伝熱部材と、
   を有することを特徴とする燃料集合体。

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