JP2013533966A - 核燃料棒のための開孔を有する固体インターフェースジョイント - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
・加圧ヘリウムのようなガスの形態をなす冷却剤を用いて動作し、セラミック複合材料(CMC)製の被覆管を備える核燃料棒、およびウラン・プルトニウム混合炭化物型燃料ペレットを使用する、第4世代原子炉と呼ばれるガス冷却型原子炉(GFR;非特許文献7参照)
・ナトリウム冷却剤を用いて動作する高速中性子炉(SFR;非特許文献10参照)
・加圧水型原子炉(PWR)または沸騰水型原子炉(BWR)
・核反応による熱発生の制御を可能にする。当該制御には、性能上の制約(核分裂性核種の濃度、中性子に対する構造材料の透過性、燃焼率等)、および安全上の制約(核反応度および冷却の制御に必要な形状安定性)が課せられている。
・核反応から生じる放射性生成物の封じ込めを確実にする。被覆管は、原子炉の通常稼働時において放射性生成物を外部に漏らさない状態を維持することを要する。事故時においても、放射性生成物の漏出は、所定の限界値内に収まることを要する。
・核反応によって放出されるエネルギ除去の制御を保証する。当該制御には、性能上の制約(冷却剤への伝達を劣化させうる熱障壁の制限)、および安全上の制約(冷却剤チャネルの完全性、燃料の溶融までの裕度、構造に過剰な機械的負荷をもたらしうる寸法伸縮を生じる温度勾配の制限など)が課せられている。
・球状:例えば高温原子炉(HTR)に用いられる粒子状または球状の燃料
・円筒状:例えばFNR原子炉またはPWR原子炉に用いられる燃料棒
・板状:例えば実験用原子炉に用いられるミクロ構造板、またはGFR原子炉に用いられるマクロ構造板
(f1)集積されたペレットの柱の径方向および軸方向に沿った自由膨張を可能にすることにより、燃料ペレットと被覆管の間の機械的分離を管理して、ペレットと被覆管の間の機械的相互作用(以後PCMIと称する)を制限する。
(f2)燃料エレメントの軸方向端に配置されたエクスパンションベッセルまで燃料エレメントによって放出される核分裂生成ガスを輸送可能にする。
(f3)燃料と被覆管の間の熱結合を管理する。
(i)燃料の過剰な温度上昇を阻止するため、とりわけ径方向に沿った熱障壁を最小限に抑える。
(ii)とりわけ被覆管にかかる大きい機械的負荷を誘発する寸法伸縮を生じさせうる温度不均一性を最小限に抑えるため、とりわけ軸方向およびアジマス方向について本機能の連続性を保証する。
(f4)原子炉の炉心の性能を保持するため、一次的機能(f1〜f3)を発揮して、インターフェースにおける中性子の衝撃を最小限に抑える。
(i)形状寸法を最小限に抑えることにより発揮する。
(ii)(とりわけ高速スペクトルにおける)中性子との相互作用断面が小さい材料を利用することにより発揮する。
(f5)一次的機能(f1〜f3)を発揮して、その環境に対するインターフェースの化学的適合性を保証する。
(i)被覆管との化学的適合性を保証する(例えば事故状況下において、高温での稼働速度が上昇しない)。
(ii)燃料との相互作用の化学的適合性を保証する(例えば、燃料の溶融までの裕度を低下させうる「低温」共晶が生じない)。
(f6)燃料由来の成分(とりわけ放出される核分裂生成物)の被覆管への輸送を制限し、脆化を引き起こしうる内部腐食のリスクを阻止する(これは一次的機能f1に関連した機能である)。
(f7)被覆管にホットポイントを生じ、かつ被覆管の機械的負荷を増大させる温度不均一性を最小限に抑えるため、燃料/被覆管のセンタリングを最適化する(これは、一次的機能f1およびf3に関連した二次的機能である)。
(f8)燃料と被覆管の隙間(もしあれば)に燃料の破片が入り込むリスクを最小限に抑える(生じないようにする)。すなわち、この間隙が歪み差の影響下(熱膨張およびスウェリング)で狭まることにより、被覆管のオーバリングやパンチングによって被覆管全体に欠陥を生じさせうるリスク最小限に抑える(これは、一次的機能f1に関連する機能である)。
(f9)通常の経済的制約条件を満足する。
(i)寿命:一次および二次的機能を発揮して、目標の経済パフォーマンスに適合する燃料稼働時間を実現する。
(ii)材料の調達および製造方法の実施に関する許容度を満足する。
(iii)コストを満足する。
(f10)事故状態において、安全性に対する重大な被害をなくす(例えば、炉心劣化が進行中の炉心における、インターフェースの構造材料に対する化学的反応度)。
(f11)技術上・製造上の問題、とりわけ燃料エレメント組立工程(燃料、インターフェース、および被覆管)の実施時における問題を最小限に抑える。
(f12)核反応サイクルの出力側における分離および再利用に係る要件を、最小限の制約で満足する。
・燃料との接触状況において被覆管にかかる機械的負荷を軽減
・熱化学的侵食および核分裂ピークによる被覆管の脆化を最小限に抑える
・中間層と被覆管の間の密着
・中間層と被覆管の間において温度に係る機能を発揮する、一般にはナトリウムで形成されるインターフェースの別の部分
・中間層と被覆管の間において化学適合性に係る機能を発揮する、一般にはアルミナの追加層
・燃料と中間層の間で真空領域を形成する溝
・中間層や燃料ペレットの空隙率がとりうる値は、理論上85%を超えない
・中間層の構成エレメントとしてのウラン合金、またはウランとモリブデンによる合金
・圧縮による過剰な機械的負荷が被覆管にかからないようにして、照射を受ける集積された燃料ペレットの径方向の膨張を可能にする。
・構造の連続性を損なわない変形により、被覆管に過剰な機械的負荷がかからないようにし、高温かつ照射にさらされた状態で、集積されたペレットとそれらを包囲する被覆管との間における軸方向の歪み差を吸収可能にする。
・被覆管に沿って循環する冷却剤に対する、ペレット内の核反応によって生じる熱の一様な伝達を促進する。
・被覆管の端部に配置されており、核分裂性物質が存在しないエクスパンションベッセルへの、照射を受けて放出される核分裂ガスやヘリウムの輸送を可能にする。
・反跳核分裂生成物を減衰させることにより、ペレット内の燃料によって放出されて被覆管を腐食させうる固体かつ揮発性の核分裂生成物を保持することにより、あるいは燃料のストイキオメトリを制御することにより、ペレット内の燃料との適合性問題から被覆管を保護する。
・燃料から放出される固体かつ揮発性の核分裂生成物は、被覆管と化学反応してその機械的性能を劣化(例えばストレス腐食問題)させうる。ジョイントは、広い交換表面積により当該核分裂生成物の少なくとも一部を捕獲する。
・融点の低い金属沈殿物の形成を回避することによって、燃料の局所的溶融に対して大きい裕度を維持するのに寄与しうる、燃料と被覆管材料の間の「化学的障壁」としてふるまう。これにより燃料のストイキオメトリを制御することが可能である。特に、現在のところGFR原子炉に関して想定されている、ウラン・プルトニウム混合炭化物型燃料について当てはまる。
・圧縮歪みにより、被覆管の機械的強度に適合する剛性を備えたインターフェースの縮小を補償する。これにより、局所的に密な領域の存在(製造方法や照射中の焼しまり等から生じる欠陥)を排除する。
・径方向の圧縮や剪断変形(被覆管と燃料の少なくとも一方に表面が付着することにより、被覆管の機械的強度に対応する軸方向の力が伝達されるとの仮定に基づく)による延伸(ポアソン比の効果)によって、および/または径方向圧縮の作用に基づく軸方向の粘性押し出し流によって、燃料柱と被覆管の間の長手方向の滑り変形を補償する。
a)中性子を透過するとともに良好な熱伝導率と開孔を有する材料からなり、厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされた構造を有するジョイントの少なくとも一部を作製する工程
b)中性子を透過する材料からなり、円形状の断面を有し、両端の少なくとも一方が開放された円筒状の被覆管に、前記少なくとも一部が作製されたジョイントを挿入する工程
c)前記被覆管に挿入された前記ジョイントの内側に、高さが前記ジョイントを上回らないように、複数の核燃料ペレットを挿入する工程
d)前記ジョイントの全部が作製された後に、前記被覆管を完全に閉塞する工程
・金属またはCMC(セラミック複合材料)製の被覆管1。その内壁は、場合によりライナでコートされている。
・第1アセンブリセット2(上述のバインダ蒸発プロセスに続く製造中に、場合により除去される限りにおいて、任意)。
・本発明に係る、開孔を有する固体ジョイント3。
・第2アセンブリセット4(上述のバインダ蒸発プロセスに続く製造中に、場合により除去される限りにおいて、任意)。
・核燃料棒用に柱状に集積された核燃料ペレット5。
第1ブレイズ層は、下記の特性を有する炭素繊維(Thornel(登録商標)P-100 type;それぞれ2000本のフィラメントを含み、糸径を小さくするために解される)をマンドレルに被せて形成される。
・内径:6.5mm
・外径:7.0mm
・ブレイジングタイプ:2D
・ブレイジング角:45°
・内径:7.0mm
・外径:7.4mm
・ブレイジングタイプ:2D
・ブレイジング角:45°
炭素繊維層(商標名Thornel(登録商標)P-25)は、黒鉛マンドレルに被せられ、内径6.5mmで外径7.4mmのチューブ形状を呈するようにニードルボンディングを施される。
直径40μmのハニカム孔により構成された炭素フォームからなる、内径6.4mmで外径7.2mmのチューブが、化学蒸着(CVD)炉内に配置される。
Claims (27)
- 長手方向(XX’)に延びる核燃料棒であって、
柱状に集積された複数の燃料ペレット(5)と、
中性子を透過する材料からなり、前記柱状のペレットを包囲する被覆管(1)と、
中性子を透過するとともに開孔を有する材料からなり、前記被覆管と前記柱状のペレットの間に挿入されたインターフェースジョイントとを備え、
前記ペレット、前記被覆管、および前記インターフェースジョイントは、前記長手方向を横切る円形断面を有し、
前記インターフェースジョイントは、前記柱状のペレットを少なくとも上回る高さを有し、
前記インターフェースジョイントは、前記被覆管および前記柱状のペレットと機械的に結合しておらず、熱伝導率の高い構造(3)を有し、
前記固体構造は、照射を受けた前記ペレットの三次元スウェリング効果による、その厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされており、
前記インターフェースジョイントの初期厚さと圧縮比は、照射を受けた前記ペレットにより前記被覆管へ伝達される機械的負荷が所定の閾値よりも小さくなるように定められている、核燃料棒。 - 前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の30%以上である、請求項1に記載の核燃料棒。
- 前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の30〜95%である、請求項2に記載の核燃料棒。
- 前記開孔の体積は、製造後における前記インターフェースジョイントの全体積の50〜85%である、請求項3に記載の核燃料棒。
- 前記長手方向を横切る向きの断面における前記インターフェースジョイントの厚さは、前記ペレットの半径の4%を上回る、請求項1から4のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントは、ブレイズ、フェルト、ウェブ、ファブリック、ニットの少なくとも一つを含む、少なくとも一つの繊維構造からなる、請求項1から5のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 前記繊維構造からなる前記インターフェースジョイントは、体積百分率が15〜50%の繊維を有している、請求項4を引用する請求項6に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントは、炭素繊維層、および当該炭素繊維層に重ねられた炭化珪素繊維を含む層を備えるブレイズからなる、請求項6に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントは、フォームを含むハニカム材料からなる、請求項1から5のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントは、セラミックをベースにしている、請求項1から9のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントは、金属をベースにしている、請求項1から9のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- ガス冷却型原子炉(GFR)に用いられる場合、前記被覆管の基本材料は、SiC−SiCfのような耐火性セラミック複合材料(CMC)であり、前記CMCは、耐熱金属合金をベースにしたライナと組み合わせられ、前記ペレットの基本材料は、(U、Pu)C、(U、Pu)N、または(U、Pu)O2のようなセラミック材料である、請求項1から10のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- ナトリウム冷却型高速原子炉(SFR)に用いられる場合、前記被覆管は金属材料からなり、前記燃料ペレットは、(U、Pu)C、(U、Pu)N、または(U、Pu)O2のようなセラミック材料製、もしくは(U、Pu)Zrのような金属材料からなる、請求項1から9、および12のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 前記インターフェースジョイントの前記開孔、ならびに前記被覆管、前記ペレット、および燃料棒閉塞エレメント間の隙間は、ガス(好ましくはヘリウム)で充填される、請求項13に記載の核燃料棒。
- 集積された前記柱状のペレットが燃料棒の下部の閉塞エレメントと接触しており、
原子炉の稼働中は、前記インターフェースジョイントの前記開孔、ならびに前記被覆管、前記ペレット、および前記閉塞エレメント間の隙間(2、4)にナトリウムが充填され、前記柱状のペレットの上部と前記閉塞エレメントの間の隙間(6)にはヘリウムが充填される、請求項13に記載の核燃料棒。 - 加圧水型原子炉(PWR)または沸騰水型原子炉(BWR)に用いられる場合、前記被覆管は、耐火性セラミック複合材料(CMC)からなり、前記燃料ペレットは、UO2、(U、Pu)O2のようなセラミック材料からなる、請求項1から10のいずれか一項に記載の核燃料棒。
- 請求項1から16のいずれか一項に記載の前記核燃料棒を複数備え、それらが格子を形成するように配列されている、核燃料集合体。
- a)中性子を透過するとともに、良好な熱伝導率と開孔を有する材料からなり、厚み方向への圧縮に伴う変形が可能とされた構造(3)を有するジョイントの少なくとも一部を作製する工程と、
b)中性子を透過する材料からなり、円形状の断面を有し、両端の少なくとも一方が開放された円筒状の被覆管(1)に、前記少なくとも一部が作製されたジョイントを挿入する工程と、
c)前記被覆管に挿入された前記ジョイントの内側に、高さが前記ジョイントを上回らないように、複数の核燃料ペレットを挿入する工程と、
d)前記ジョイントの全部が作製された後に、前記被覆管を完全に閉塞する工程とを備える、核燃料棒の製造方法。 - 前記工程a)は、
炭化珪素繊維を含むブレイズ層を、マンドレルに被せた炭素繊維ブレイズ層に重ねる工程と、
前記二つのブレイズ層を円筒形の金型内で圧縮する工程と、
前記圧縮されたブレイズに可溶性バインダを添加する工程と、
溶剤を蒸発させる工程とをさらに備え、
前記工程b)は、前記ブレイズが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれ、
前記工程c)では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する、請求項18に記載の製造方法。 - 前記ブレイズ層は、前記マンドレルの軸に対してブレイズ角が45度とされた、二次元タイプのものである、請求項19に記載の製造方法。
- 前記炭素繊維は、それぞれ2000本のフィラメントを含むThornel(登録商標)P-100 typeであり、解して使用される、請求項19または20に記載の製造方法。
- 前記炭化ケイ素繊維は、それぞれ500本のフィラメントを含むHI-NICALON(商標)type Sである、請求項19から21のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記可溶性バインダは、ポリビニルアルコールである、請求項19から22のいずれか一項に記載の製造方法。
- 前記工程a)は、
マンドレルに被せられたチューブ状の炭素繊維ウェブに対してニードルボンディングを施す工程と、
前記チューブに熱処理を行なう工程と、
前記熱処理されたチューブを円筒形の金型内で圧縮する工程と、
前記圧縮されたチューブに可溶性バインダを添加する工程と、
溶剤を蒸発させる工程とをさらに備え、
前記工程b)は、前記チューブが被せられた前記マンドレルを用いて行なわれ、
前記工程c)では、前記バインダを除去するために真空下で熱処理が行なわれることにより、前記ジョイントは、柱状に集積された前記複数のペレットおよび前記被覆管と接触する、請求項18に記載の製造方法。 - 前記炭素繊維は、Thornel(登録商標)P-25 typeである、請求項24に記載の製造方法。
- 前記可溶性バインダは、ポリビニルアルコールである、請求項24または25に記載の製造方法。
- 前記工程a)は、
ハニカム開孔からなる炭素フォームチューブを作製する工程と、
W−Re合金を前記炭素フォームチューブに化学蒸着(CVD)を施す工程とをさらに備える、請求項18に記載の製造方法。
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