JP2016024157A - 燃料棒および前記燃料棒を備えた核燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】ジルコニウム合金に限定されることなく、延性に乏しい材料を用いた被覆管であっても、従来と同様の燃料ペレットと被覆管の形状を保ったまま、クリープ破損やＰＣＩ破損の発生を適切に抑制して燃料棒の健全性を担保し、さらに、経済競争力を十分に発揮させることができる燃料棒および核燃料集合体を提供する。
【解決手段】円柱状の燃料ペレット１ａが円筒状の被覆管１ｂ内に装填されている燃料棒であって、燃料ペレット１ａと被覆管１ｂとの間に固体緩衝材１ｃが配置されている燃料棒。固体緩衝材１ｃに可燃性毒物が混入されている燃料棒。可燃性毒物がホウ素、エルビア、ガドリニアのいずれかである燃料棒。前記燃料棒が装荷されている核燃料集合体。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の燃料ペレットが被覆管内に装填された燃料棒と、複数本の燃料棒が装荷された核燃料集合体に関する。

核燃料集合体には、複数本の燃料棒が装荷されており、この燃料棒は円柱状の燃料ペレットを円筒状の被覆管に複数装填することにより構成されている。

このような燃料棒を設計するに際して、従来より、被覆管に対して以下の点について考慮されている。

まず、核燃料集合体は利用環境における圧力が高く（例えば、軽水炉では７〜１５ＭＰａ）、燃料棒に大きな外圧が掛かるため、燃料ペレットと被覆管の間に存在する隙間によりクリープが生じて燃料を破損（クリープ破損）する恐れがある。

そこで、従来より、燃料棒製造時に被覆管内を予め加圧する初期加圧が行われているが、運転開始後には燃料ペレットの核反応に伴い、ペレットが熱膨張すると共に核分裂性ガスを放出して、被覆管の内圧を上昇させるため、初期加圧の程度によっては、ＰＣＩ（Ｐｅｌｌｅｔ‐Ｃｌａｄ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ：ペレット・被覆管相互作用）破損を招く恐れがある。

このようなクリープ破損やＰＣＩ破損の発生を避けるために、従来は、延性を代表的な特性として有する金属を被覆管材料として用いると共に、初期加圧量を設定していた。

しかし、金属は、その一方で酸化腐食の進展が速いという特性を有しており、軽水炉や重水炉において、事故発生時に燃料温度が上昇して冷却材が損失したりして水蒸気雰囲気になった場合には、金属と水蒸気中の酸素とが活発に反応して膨大な量の水素ガスを発生させる危険性がある。

そこで、近年では、金属に替えて酸化の進展が非常に遅いＳｉＣなどのエンジニアリングセラミックスを被覆管材料として用いることが検討されているが、セラミックスは金属に比べて延性に乏しく、前記した内圧の上昇や外圧による被覆管とペレットとの接触に対してバウンダリを保つことが難しいため、燃料棒の破損を招く危険性がある。

この破損を防止しようとして被覆管厚さを厚くすると、相対的に燃料ペレットの装荷量が減少するため、経済性の悪化を招いてしまう。一方、燃料ペレットに替えて粒子状の燃料がセラミックスで被覆された被覆燃料粒子を被覆管に充填する研究も行われているが、被覆燃料粒子を用いた場合には現在の濃縮度５％未満において燃料装荷量を保つことができず、炉心特性や経済性を維持することが難しくなり、却って、原子力発電等のメリットである経済競争力を発揮することが困難になる。

このため、セラミックスを被覆管材料として用いることは未だ実用化には至っておらず、被覆管材料としては、現状、ジルコニウム合金を用いて合金成分を調整するなどして対応している（例えば、特許文献１）。

ジルコニウム合金が被覆管材料として用いられている理由としては、中性子吸収が少なく、燃料ペレット中のウランと中性子の核反応量を十分に確保することができ、経済性に優れていることが挙げられる。

特開２０１１‐８９９６０号公報

しかしながら、ジルコニウム合金以外のセラミックスなどを被覆管材料として用いても、燃料棒の健全性を高く担保することができる技術についてのユーザーからの要請は益々強くなっている。

そこで、本発明は、延性に乏しい材料を用いた被覆管であっても、従来と同様の燃料ペレットと被覆管の形状を保ったまま、クリープ破損やＰＣＩ破損の発生を適切に抑制して燃料棒の健全性を担保し、さらに、経済競争力を十分に発揮させることができる燃料棒および核燃料集合体を提供することを課題とする。

請求項１に記載の発明は、
円柱状の燃料ペレットが円筒状の被覆管内に装填されている燃料棒であって、
前記燃料ペレットと前記被覆管との間に固体緩衝材が配置されていることを特徴とする燃料棒である。

請求項２に記載の発明は、
前記固体緩衝材に可燃性毒物が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒である。

請求項３に記載の発明は、
前記可燃性毒物がホウ素、エルビア、ガドリニアのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の燃料棒である。

請求項４に記載の発明は、
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料棒が装荷されていることを特徴とする核燃料集合体である。

本発明によれば、ジルコニウム合金に限定されることなく、延性に乏しい材料を用いた被覆管であっても、従来と同様の燃料ペレットと被覆管の形状を保ったまま、クリープ破損やＰＣＩ破損の発生を適切に抑制して燃料棒の健全性を担保し、さらに、経済競争力を十分に発揮させることができる燃料棒および核燃料集合体を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る核燃料集合体を模式的に示す斜視図である。 図１中の燃料棒の被覆管の一部を切欠した斜視図である。 図２に示す燃料棒の断面図である。

以下、本発明を実施の形態に基づき、図面を用いて説明する。

図１は本実施の形態に係る核燃料集合体を模式的に示す斜視図であり、基本的には従来の核燃料集合体と同様の構成となっている。図１に示すように、本実施の形態に係る核燃料集合体Ａには、複数本の燃料棒１が装荷されており、この複数本の燃料棒１と共に制御棒案内シンブル２および炉内計装用案内シンブル３を支持格子７により正方格子状に束ねることにより構成されている。そして、図中の符号４は制御棒クラスタ集合体、５は上部ノズル、６は下部ノズルである。なお、図１に示した核燃料集合体Ａは、ＰＷＲ（加圧水型原子炉）に装荷される。

図２は図１中の燃料棒の一部を切欠した斜視図である。図２に示すように、本実施の形態に係る燃料棒１は、従来の燃料棒と同様に、円筒形状の被覆管１ｂの内部に円柱状の燃料ペレット１ａが複数装填されている。なお、図２中の符号１ｄはスプリングである。

図３は図２の燃料棒の断面図であり、図３に従来の燃料棒と本実施の形態における燃料棒との違いが明確に表されている。即ち、本実施形態の燃料棒の場合、従来、隙間が設けられていた燃料ペレット１ａと被覆管１ｂとの間に固体緩衝材１ｃが配置されて構成されている点で従来の燃料棒と異なっている。

固体緩衝材１ｃは、燃料棒に大きな外圧が掛かった場合には外圧を吸収してクリープ破損の発生を抑制し、燃焼に伴って内圧が上昇した場合には内圧の上昇を吸収してＰＣＩ破損の発生を抑制することができる。

このように、本実施の形態によれば、固体緩衝材１ｃを燃料ペレット１ａと被覆管１ｂとの間に配置することにより、従来のように、被覆管１ｂ内にガスを充填しなくても、クリープ破損やＰＣＩ破損の発生を適切に抑制して燃料棒の健全性を担保することができる。

この結果、従来のガスの充填による初期加圧の影響を考慮する必要がなくなるため、クリープ破損やＰＣＩ破損を防止するために延性を利用してきた従来の燃料棒設計における設計条件を緩和させることができ、エンジニアセラミックスのように使用が困難であった材料を、現状使用されているジルコニウム合金と同様に用いることができるようになるため、被覆管材料の選択の自由度が従来よりも大きくなり、さらに、経済競争力を十分に発揮させることができる。

また、ＳｉＣのような延性を利用できないセラミックス材料を被覆管に適用した場合、設計によっては燃料ペレットの径を細くしなければ内圧に耐えられないということがあり、この場合、従来の初期加圧方式では、被覆管内部の燃料ペレットの配置の偏りから局所的にＰＣＩが生じる恐れがあったが、本実施の形態によれば、固体緩衝材１ｃによって燃料ペレット１ａの位置決めを行うことができるため、被覆管１ｂへの局所的な干渉により発生する不具合を排除することができる。

この観点からも、延性に乏しい材料を用いた被覆管であっても、従来と同様の燃料ペレットと被覆管の形状を保ったまま、初期加圧を行うことなく、クリープ破損やＰＣＩ破損の発生を適切に抑制して燃料棒の健全性を担保し、さらに、経済競争力を十分に発揮させることができる。

また、従来の燃料棒においては、初期加圧を考慮して燃料ペレット１ａと被覆管１ｂとの隙間にガスを充填していたため、熱設計に際してのパラメータであるギャップコンダクタンス(隙間における熱伝達率)を予測や実験により設計することが困難であった。このため、従来は、非常に大きな余裕を持たせて熱設計を行うことにより保守性を確保していた。

しかし、本実施の形態においては、ガスに替えて、固体緩衝材１ｃがこの隙間に配置されているため、ギャップコンダクタンスの不確かさが低減されて予測が可能となり、その結果、大きな余裕を持たせる必要がなくなり保守性の規定を緩和させることができる。この結果、熱設計に要する時間を低減させることができ、さらには、説明性の向上や経済性の向上も期待することができる。

本実施の形態において、固体緩衝材１ｃとしては、低密度であり、熱膨張が小さく、燃焼に伴い形状が大きく変化しない材料を用いることが好ましい。これにより、燃焼初期における外圧や燃焼に伴う内圧を適切に吸収して被覆管が破損されることを防止することができる。

具体的な固体緩衝材としては、被覆粒子燃料で用いられている低密度熱分解炭素を挙げることができる。その理由の１つとしては、密度が１．０〜１．２ｇ／ｃｍ^３程度と低い上、炭素の場合の加工方法はすでに確立されているため、被覆管と燃料ペレットとの隙間に固体緩衝材を容易に設けることができるためである。

例えば、燃料ペレットの製造工程後に、低密度熱分解炭素を燃料ペレットの表面に一定の厚みを保ちながら蒸着するプロセスや、シート状に加工された低密度熱分解炭素を燃料ペレットに巻きつけるプロセスを加える、若しくは、被覆管を加工する際に被覆管の内部表面に一定の厚みを保ちながら低密度熱分解炭素を蒸着させるプロセスを加えるだけで、従来の燃料棒製造工程、燃料集合体組立工程に容易に適用することができる。

そして、この低密度熱分解炭素は、炭素であるため、中性子を減速させて核分裂の反応量をより増加させる効果を有している。このため、低密度熱分解炭素を固体緩衝材として用いた燃料棒を軽水炉燃料に使用した場合、ウラン装荷量をたとえ減少させたとしても発熱量を十分確保することができる。即ち、ウラン装荷量の減少に伴う発熱量の減少を、中性子減速反応の増加に伴う核分裂の反応量の増加により補償することができる。この結果、ウラン装荷量の減少に伴う健全性の向上と経済性の向上とを両立させることができる。

また、従来の燃料棒においては、燃料ペレットと被覆管とが接触した状態で温度が高くなると、燃料ペレットと被覆管との間で共晶により新たな合金が生成される恐れがあり、一旦、この合金状態が形成されてしまうと融点が低い方の材料が支配的となり、燃料ペレット本来の高い融点を担保することができなくなる恐れがあった。

しかし、炭素は融点が極めて高く、燃料ペレットとの共晶を発生することもないため、燃料ペレット本来の高い融点を担保できると共に、燃料ペレットの形状を確実に維持することができ、事故などの重大なアクシデントの発生、進展を未然に防止することができる。

また、本実施の形態においては、固体緩衝材に可燃性毒物が混入されていることが好ましい。この可燃性毒物は現在の軽水炉においても燃料棒に混入されており、可燃性毒物が混入された燃料棒を核燃料集合体の一部に装荷することにより可燃性毒物を集中的に添加して、余剰中性子量を調整し、炉心の安全性を高めていた。しかし、この場合、可燃性毒物の自己遮蔽効果により中性子吸収能力の低下が避けられなかった。

この自己遮蔽効果は、可燃性毒物を固体緩衝材に薄く混入させることにより緩和させることができるため、本実施の形態で用いられる固体緩衝材に可燃性毒物を薄く均質に混入させることにより、可燃性毒物としての機能を従来よりも向上させることができ、経済性の向上を図ることができる。

そして、この可燃性毒物を全ての燃料棒に薄く混入させて核燃料集合体を構成させることにより、従来の核燃料集合体のように、燃焼の中期、可燃性毒物が集中して混入された燃料棒において可燃性毒物の機能が消失することにより核反応が活性化して局所出力が向上するようなことがなくなるため、核燃料集合体における燃料装荷パターンや燃料運用に対する制限もなくなり、経済性の向上を図ることができる。

具体的な可燃性毒物としては、ほう素、エルビア、ガドリニアなどの従来と同様の材料を用いることができるが、ガドリニアは、中性子吸収能力が強いため固体緩衝材に薄く混入させても、燃焼開始と共にすぐに中性子を吸収して早期に機能が消失するため、これらの可燃性毒物の中でもほう素とエルビアがより好ましい。そして、ほう素は核反応に伴うヘリウムガスを発生させるため、内圧制御の観点からは使用が難しく、このような欠点のないエルビアが最も好ましい。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、上記の実施の形態に対して種々の変更を加えることができる。

１ 燃料棒
１ａ 燃料ペレット
１ｂ 被覆管
１ｃ 固体緩衝材
１ｄ スプリング
２ 制御棒案内シンブル
３ 炉内計装用案内シンブル
４ 制御棒クラスタ集合体
５ 上部ノズル
６ 下部ノズル
７ 支持格子
Ａ 核燃料集合体

Claims (4)

1. 円柱状の燃料ペレットが円筒状の被覆管内に装填されている燃料棒であって、
   前記燃料ペレットと前記被覆管との間に固体緩衝材が配置されていることを特徴とする燃料棒。
2. 前記固体緩衝材に可燃性毒物が混入されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒。
3. 前記可燃性毒物がホウ素、エルビア、ガドリニアのいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の燃料棒。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の燃料棒が装荷されていることを特徴とする核燃料集合体。

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