JP2017072480A - Fuel pellet, nuclear fuel rod, fuel assembly and fuel pellet manufacturing method - Google Patents

Fuel pellet, nuclear fuel rod, fuel assembly and fuel pellet manufacturing method Download PDF

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俊吾 櫻井
礼 木村
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礼 木村
浩志 松宮
Koji Matsumiya
浩志 松宮
研一 吉岡
Kenichi Yoshioka
研一 吉岡
平岩 宏司
Koji Hiraiwa
宏司 平岩
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel pellet capable of reducing environmental load by curtailing TRU generation amount in a light water reactor, a nuclear fuel rod, a fuel assembly and a fuel pellet manufacturing method.SOLUTION: A fuel pellet 10 has coated fuel particles 26 in each of which a central nucleus 28 containing a fuel material that is formed by adjusting its diameter is coated with a coating layer holding fission gas generated by nuclear fission and a matrix 27 containing the coated fuel particles 26 dispersed.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施形態は、軽水炉に適用される燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法に関する。   Embodiments described herein relate generally to a fuel pellet, a nuclear fuel rod, a fuel assembly, and a fuel pellet manufacturing method applied to a light water reactor.

原子力発電所において発生する高レベル放射性廃棄物の放射性毒性は、ワンススルーサイクルの場合、10万年以上に亘って自然界より高いレベルにある。この放射性毒性のうち500年程度時間が経過した以降は、超ウラン元素(TRU)に起因する毒性が支配的となる。TRU核種の長期に亘る毒性はその半減期の長さに起因している。   The radiotoxicity of high-level radioactive waste generated at nuclear power plants has been higher than the natural world for over 100,000 years in the once-through cycle. After about 500 years of this radiotoxicity, the toxicity due to the transuranium element (TRU) becomes dominant. The long-term toxicity of TRU nuclides is due to its long half-life.

高レベル放射性廃棄物は現状、ガラス固化体として安定化処理させて地層処分されているが、これらを処分するための処分場の確保や長期間の管理が必要となるため環境負荷は極めて大きい。   At present, high-level radioactive waste is stabilized and treated as a vitrified material, and is disposed of in geological formations. However, since it is necessary to secure a disposal site for disposal of these materials and to manage them for a long time, the environmental burden is extremely large.

高レベル放射性廃棄物の管理期間を短縮させて環境への負荷を低減するため、TRU核種を核変換によって短寿命核種にする研究が従来から進められている。TRU核種を短寿命核種に核変換する代表的な技術として、高速炉で発生する高速中性子を用いて核変換を行う方法や加速器駆動炉(ADS)等の加速器を有する核変換設備によって消滅処理する技術が検討されている。   In order to shorten the management period of high-level radioactive waste and reduce the burden on the environment, research on making TRU nuclides short-lived nuclides by transmutation has been conducted. As typical technologies for transmuting TRU nuclides to short-lived nuclides, annihilation treatment is performed using a transmutation method using fast neutrons generated in a fast reactor or a transmutation facility having an accelerator such as an accelerator-driven reactor (ADS). Technology is being considered.

しかし、現在並びに今後の原子力発電所に用いられる炉型としては軽水炉が主力であると考えられる。このため、高速炉や加速器駆動炉を用いたTRU核変換の運用が開始するまでに相当量のTRUが蓄積して、核変換に必要な設備の基数が増大する可能がある。また、核変換に必要な設備の建設には、膨大な設備投資が必要となる。   However, light water reactors are considered to be the main reactor types used in current and future nuclear power plants. For this reason, a considerable amount of TRU may accumulate until the operation of TRU transmutation using a fast reactor or an accelerator-driven reactor starts, and the number of facilities necessary for transmutation may increase. In addition, construction of facilities necessary for nuclear transmutation requires enormous capital investment.

このため、発生したTRUを核変換するのでは無く、軽水炉で発生するTRU生成量を抑制する技術が検討されており、例えばプルトニウムの割合と炉心流量を調整して核燃料の燃焼度を高めてTRUの生成量を低減する技術などが開示されている。   For this reason, a technique for suppressing the amount of TRU generated in a light water reactor rather than transmuting the generated TRU has been studied. For example, by adjusting the ratio of plutonium and the core flow rate to increase the burnup of nuclear fuel, A technique for reducing the amount of generation of is disclosed.

特開2013−33065号公報JP 2013-33065 A 特許第4936906号公報Japanese Patent No. 4936906 特開2008−216009号公報JP 2008-216009 A 特開2006−64678号公報JP 2006-64678 A

ところで、軽水炉におけるTRU生成量を抑制するためには、核燃料の燃焼度を高めるとともに核反応により発生する中性子を減速する減速性能を高めることが効果的であることが知られている。   By the way, in order to suppress the amount of TRU generated in a light water reactor, it is known that it is effective to increase the burnup of nuclear fuel and to increase the deceleration performance for decelerating neutrons generated by the nuclear reaction.

しかし、燃料ペレットに含まれる核燃料物質の割合あるいは量を調整して燃焼度を高めた場合、核分裂生成ガスが被覆管内に蓄積して管内の圧力が増加することとなる。被覆管の設計条件により管内の圧力の上限値は定められているため、高められる燃焼度には上限が存在する。また、燃焼度を高めすぎると被覆管の中性子照射損傷が増加するという問題がある。   However, when the burnup is increased by adjusting the ratio or amount of the nuclear fuel material contained in the fuel pellet, the fission product gas accumulates in the cladding tube and the pressure in the tube increases. Since the upper limit value of the pressure in the tube is determined by the design conditions of the cladding tube, there is an upper limit on the burnup that can be increased. In addition, if the burnup is too high, there is a problem that neutron irradiation damage of the cladding tube increases.

一方、減速性能を高めるためには、燃料集合体中に配置される核燃料棒の数を減らし、ウォーターロッドを追加することで実現できるものの、原子炉における線出力密度増加や限界出力が低下して、原子炉の安全性裕度や経済性を損なうおそれがある。燃料ペレット自体の構成を中空ペレットや低密度ペレットすることも考えられるが、到達し得る線出力密度には限界がある。   On the other hand, in order to improve the deceleration performance, it can be realized by reducing the number of nuclear fuel rods arranged in the fuel assembly and adding water rods. The safety margin and economic efficiency of the reactor may be impaired. Although it is conceivable that the structure of the fuel pellet itself is a hollow pellet or a low density pellet, there is a limit to the line power density that can be reached.

このように、従来の技術では、原子炉の健全性や経済性を損なうことなく、高燃焼度化と高減速化とを同時に達成することは困難であった。   Thus, with the conventional technology, it has been difficult to simultaneously achieve high burnup and high speed reduction without impairing the soundness and economic efficiency of the reactor.

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、軽水炉においてTRU生成量を抑制して環境負荷を低減できる燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a fuel pellet, a nuclear fuel rod, a fuel assembly, and a fuel pellet manufacturing method capable of reducing the environmental load by suppressing the amount of TRU generated in a light water reactor. With the goal.

本発明の実施形態に係る燃料ペレットにおいて、核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた粒子状の被覆粒子燃料と、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備えることを特徴とする。   In a fuel pellet according to an embodiment of the present invention, a particulate coated particle fuel in which a central core containing a nuclear fuel substance and having a diameter adjusted is coated with a coating layer that holds a fission product gas generated by fission And a matrix containing the coated particle fuel in a dispersed manner.

本発明の実施形態に係る燃料ペレットの製造方法において、核燃料物質を含むとともに直径が調整させて中心核を成形するステップと、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で前記中心核を被覆させた粒子状の被覆粒子燃料を形成するステップと、基材と被覆粒子燃料とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理するステップと、を含むことを特徴とする。   In the fuel pellet manufacturing method according to the embodiment of the present invention, a step of forming a central core containing nuclear fuel material and adjusting the diameter, and covering the central core with a coating layer that holds a fission product gas generated by fission A step of forming a particulate coated particle fuel, and a step of mixing the base material and the coated particle fuel, adding a sintering aid, and performing a sintering process.

本発明の実施形態により、軽水炉においてTRU生成量を抑制して環境負荷を低減できる燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法が提供される。   Embodiments of the present invention provide a fuel pellet, a nuclear fuel rod, a fuel assembly, and a fuel pellet manufacturing method that can reduce the environmental load by suppressing the amount of TRU generated in a light water reactor.

(A)は本実施形態に係る燃料集合体の縦断面図、(B)は本実施形態に係る燃料ペレットが装荷される核燃料棒の縦断面図。(A) is a longitudinal cross-sectional view of a fuel assembly according to the present embodiment, and (B) is a longitudinal cross-sectional view of a nuclear fuel rod loaded with fuel pellets according to the present embodiment. (A)は本実施形態に係る燃料ペレットを示す説明図、(B)は被覆粒子燃料の断面図。(A) is explanatory drawing which shows the fuel pellet which concerns on this embodiment, (B) is sectional drawing of a covering particle fuel. (A)は被覆粒子燃料の中心核の粒子径と水素対重金属原子数比との関係を示す解析結果のグラフ、(B)は被覆粒子燃料の中心核の粒子径と燃焼度との関係を示す解析結果のグラフ。(A) is a graph of analysis results showing the relationship between the particle diameter of the core of the coated particle fuel and the hydrogen to heavy metal atom ratio, and (B) is the relationship between the particle diameter of the core of the coated particle fuel and the burnup. The graph of the analysis result shown. 本実施形態に係る燃料ペレットの製造方法を示すフローチャート。The flowchart which shows the manufacturing method of the fuel pellet which concerns on this embodiment. 燃焼度をパラメータとして変化させた場合における、水素対重金属原子数比と放射性毒性との関係を示す解析結果のグラフ。The graph of the analysis result which shows the relationship between a hydrogen to heavy metal atom number ratio and radiotoxicity when changing a burnup as a parameter. 本実施形態に係る燃料ペレットと通常の軽水炉における燃料ペレット(比較例)とにおける、廃棄物の放射性毒性を比較したグラフ。The graph which compared the radioactive toxicity of the waste in the fuel pellet which concerns on this embodiment, and the fuel pellet (comparative example) in a normal light water reactor.

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図1(A)は本実施形態に係る燃料集合体10の縦断面図を示しており、図1(B)は本実施形態に係る燃料ペレット20が装荷された核燃料棒11の縦断面図を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1A shows a longitudinal sectional view of a fuel assembly 10 according to the present embodiment, and FIG. 1B shows a longitudinal sectional view of a nuclear fuel rod 11 loaded with fuel pellets 20 according to the present embodiment. Show.

燃料集合体10は、円筒状のチャネルボックス12の内部に、燃料ペレット20が装荷された複数の核燃料棒11が配置される。チャネルボックス12の上部には核燃料棒11の上端を支持する上部タイプレート13が備えられており、下部には核燃料棒11の下端を支持する下部タイプレート14が備えられている。スペーサ15は、下部タイプレート14及び上部タイプレート13の間に互いに離間して配置され核燃料棒11相互の水平方向間隔を保っている。   In the fuel assembly 10, a plurality of nuclear fuel rods 11 loaded with fuel pellets 20 are arranged inside a cylindrical channel box 12. An upper tie plate 13 that supports the upper end of the nuclear fuel rod 11 is provided at the upper portion of the channel box 12, and a lower tie plate 14 that supports the lower end of the nuclear fuel rod 11 is provided at the lower portion. The spacers 15 are spaced apart from each other between the lower tie plate 14 and the upper tie plate 13, and maintain the horizontal spacing between the nuclear fuel rods 11.

また、上部タイプレート13には、燃料集合体10の通常の搬送時に把持されるハンドル16と、螺子17を介してプレートに固定されたチャンネルファスナ18が設けられている。チャンネルファスナ18は、原子炉の炉心部(図示略)に隣接配置される燃料集合体10の間隔を調整するものである。   The upper tie plate 13 is provided with a handle 16 that is gripped during normal transport of the fuel assembly 10 and a channel fastener 18 that is fixed to the plate via a screw 17. The channel fastener 18 adjusts the interval between the fuel assemblies 10 arranged adjacent to the reactor core (not shown).

図1(B)に示すように、核燃料棒11は、中空円筒状の被覆管21内に複数の燃料ペレット20が積層して装荷されている。被覆管21の上端及び下端には、上部端栓22及び下部端栓23が設けられており、両端栓により燃料ペレット20は被覆管21内に封止される。   As shown in FIG. 1B, the nuclear fuel rod 11 is loaded with a plurality of fuel pellets 20 stacked in a hollow cylindrical cladding tube 21. An upper end plug 22 and a lower end plug 23 are provided at the upper end and the lower end of the cladding tube 21, and the fuel pellet 20 is sealed in the cladding tube 21 by the both end plugs.

被覆管21には、ジルカロイ合金やステンレス合金、あるいはSiCf/SiC複合材料(炭化ケイ素繊維と炭化ケイ素の複合材)など、高温条件で十分な安定性を持つ材料が用いられる。特に、SiCf/SiC複合材を用いることで、高温の水との酸化反応による水素および酸化熱発生を抑制でき、炉心溶融などを引き起こす重大事故時にその進展を遅らせることができる。   The cladding tube 21 is made of a material having sufficient stability under high temperature conditions, such as a Zircaloy alloy, a stainless alloy, or a SiCf / SiC composite material (a composite material of silicon carbide fiber and silicon carbide). In particular, by using a SiCf / SiC composite material, generation of hydrogen and heat of oxidation due to an oxidation reaction with high-temperature water can be suppressed, and the progress thereof can be delayed at the time of a serious accident that causes core melting or the like.

被覆管21内の上部には、燃料ペレット20を積層しない一定の空間としてプレナム24が設けられている。プレナム24は、燃料ペレット20から放出される核分裂生成ガスを収容するガス溜めとなる。   A plenum 24 is provided in the upper portion of the cladding tube 21 as a fixed space where the fuel pellets 20 are not stacked. The plenum 24 serves as a gas reservoir that stores the fission product gas released from the fuel pellet 20.

プレナム24内にはバネ状のプレナムスプリング25が設けられており、プレナムスプリング25の一端は上部端栓22に接続され、他端は燃料ペレット20に係止されることで、燃料ペレット20は被覆管21内で固定されている。   A spring-like plenum spring 25 is provided in the plenum 24. One end of the plenum spring 25 is connected to the upper end plug 22, and the other end is locked to the fuel pellet 20, so that the fuel pellet 20 is covered. It is fixed in the tube 21.

図2(A)は、本実施形態に係る燃料ペレット20の構成を説明する図であり、図2(B)は被覆粒子燃料26の断面図である。   FIG. 2A is a view for explaining the configuration of the fuel pellet 20 according to this embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the coated particle fuel 26.

本実施形態に係る燃料ペレット20は、核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核28を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた粒子状の被覆粒子燃料26と、被覆粒子燃料26を分散して含有するマトリックス27と、を備える。   The fuel pellet 20 according to the present embodiment is a particulate coated particle fuel in which a central core 28 containing a nuclear fuel material and having a diameter adjusted is coated with a coating layer that holds a fission product gas generated by fission. 26 and a matrix 27 containing the coated particle fuel 26 in a dispersed manner.

被覆粒子燃料26は、同心球状の複数領域から構成される粒子状の核燃料要素であり、中心部分に核燃料物質を含む中心核28(カーネル)が形成され、中心核28を覆うように複数の被覆層が形成されている。   The coated particle fuel 26 is a particulate nuclear fuel element composed of a plurality of concentric spherical regions, and a central core 28 (kernel) including a nuclear fuel material is formed in a central portion, and a plurality of coatings are formed so as to cover the central core 28. A layer is formed.

核燃料物質には、ウラン235を濃縮した酸化ウラン(UO)、プルトニウムなどを用いる。また、軽水炉において発生した放射性廃棄物から分離回収した超ウラン元素、マイナーアクチノドなどを再利用しても良い。 As the nuclear fuel material, uranium oxide (UO 2 ) enriched with uranium 235, plutonium, or the like is used. Moreover, transuranium elements, minor actinides, etc. separated and recovered from radioactive waste generated in light water reactors may be reused.

核燃料物質を含む中心核28は、乾式法や湿式法などの方法を用いて、粒子の直径Rを小径に調整して成形される。   The central core 28 containing the nuclear fuel material is formed by adjusting the diameter R of the particles to a small diameter by using a dry method or a wet method.

ここで、調整される中心核28の直径について検討する。
図3は(A)は、中心核28の粒子径Rと水素対重金属原子数比(H/重金属原子数比)との関係を示す解析結果であり、図3(B)は中心核28の粒子径Rと燃焼度との関係を示す解析結果である。
Here, the diameter of the central core 28 to be adjusted will be considered.
3A is an analysis result showing the relationship between the particle diameter R of the central nucleus 28 and the hydrogen to heavy metal atom number ratio (H / heavy metal atom ratio), and FIG. It is an analysis result which shows the relationship between the particle diameter R and a burnup.

なお、水素対重金属原子数比は、中性子の減速性能を示す指標の1つであり、数値が高いほど減速性能が高いこと意味する。ここでは、重金属としてウランを用いて計算している。   The atomic ratio of hydrogen to heavy metal is one of the indices indicating the neutron deceleration performance, and the higher the numerical value, the higher the deceleration performance. Here, calculation is performed using uranium as a heavy metal.

また、燃焼度とは、炉心に装荷された核燃料物質が核分裂によって発生させたエネルギーを単位ウラン重量当たりに発生したエネルギーで表したもので、1ギガワット(GW)の熱を1日(d)出し続けた場合の熱量の大きさなどを単位とする。   The burnup is the energy generated per unit uranium weight by the nuclear fuel material loaded in the core and expressed by the energy generated per unit uranium weight. One gigawatt (GW) of heat is emitted per day (d). The unit is the amount of heat when continued.

図3(A)に示されるように、粒子径Rが5mmから小さくなる程に水素対重金属原子数比は増加して減速性能が増加することがわかる。また、図3(B)に示されるように、粒子径Rが5mmから小さくなる程に燃焼度が増加することがわかる。つまり、粒子径Rの粒子径を小さくすることにより、高燃焼度化と高減速化を同時に実現できる。   As shown in FIG. 3A, it can be seen that as the particle diameter R decreases from 5 mm, the hydrogen to heavy metal atom number ratio increases and the deceleration performance increases. Further, as shown in FIG. 3B, it can be seen that the burnup increases as the particle diameter R decreases from 5 mm. That is, by reducing the particle size of the particle size R, it is possible to simultaneously achieve high burnup and high speed reduction.

中心核28の粒子径Rは、高燃焼度化と高減速化とを実現させる観点から、2mm以下に設定することが好ましく、燃焼度と減速性能がより高くなるため、1mm以下に設定されることがより好ましい。   The particle diameter R of the central core 28 is preferably set to 2 mm or less from the viewpoint of realizing high burnup and high deceleration, and is set to 1 mm or less because the burnup and deceleration performance are higher. It is more preferable.

図2に戻って説明を続ける。
中心核28を覆う複数の被覆層は、中心核28で核分裂により生成される核分裂生成ガスを保持する(閉じ込める)ためのものであり、中心核28から外側に向かって順に、低密度炭素から成る第1被覆層29、熱分解炭素から成る第2被覆層30、SiCからからなる第3被覆層31で構成されている。これらの被覆層は、例えば流動床中で蒸着ガスの熱分解により中心核28を中心に蒸着、被覆されて形成される。
Returning to FIG. 2, the description will be continued.
The plurality of coating layers covering the central nucleus 28 is for holding (confining) the fission product gas generated by fission in the central nucleus 28 and is composed of low-density carbon in order from the central nucleus 28 toward the outside. The first coating layer 29, the second coating layer 30 made of pyrolytic carbon, and the third coating layer 31 made of SiC. These coating layers are formed, for example, by vapor deposition and coating around the central core 28 by thermal decomposition of vapor deposition gas in a fluidized bed.

なお、図2(B)は、被覆層の一例を示したものであり、3層で構成される被覆層に限定されるものでは無く、さらに熱分解炭素層などの被覆層を追加しても良い。   Note that FIG. 2B shows an example of the coating layer, and is not limited to a coating layer composed of three layers, and a coating layer such as a pyrolytic carbon layer may be added. good.

マトリックス27は、被覆粒子燃料26を分散して含有する金属セラミックスである。マトリックス27の基材として、炭化ケイ素、チタン合金、酸化アルミニウムが例示される。   The matrix 27 is a metal ceramic containing the coated particle fuel 26 in a dispersed manner. Examples of the base material of the matrix 27 include silicon carbide, a titanium alloy, and aluminum oxide.

マトリックス27は、粉末状の基材と被覆粒子燃料26とを混合し、この混合物に焼結助剤を添加して、焼結処理することで円筒状に成形されたものである。被覆粒子燃料26は、マトリックス27内で分散されるように焼結処理される。なお、マトリックス27を成形するための焼結方法は、液相焼結法などセラミックスを形成する既存の方法を用いる。   The matrix 27 is formed into a cylindrical shape by mixing a powdery base material and the coated particle fuel 26, adding a sintering aid to the mixture, and sintering the mixture. The coated particle fuel 26 is sintered so as to be dispersed in the matrix 27. As a sintering method for forming the matrix 27, an existing method for forming ceramics such as a liquid phase sintering method is used.

なお、焼結助剤は、基材よりも融点が低い材料が選択されて、例えば酸化アルミニウム(Al)と酸化イットリウム(Y)の混合材料を用いることができる。 As the sintering aid, a material having a melting point lower than that of the base material is selected. For example, a mixed material of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) and yttrium oxide (Y 2 O 3 ) can be used.

被覆粒子燃料26を粒子のままで被覆管21内に装荷した場合、被覆管21内で混合する可能性が大きく、沸騰水型原子炉で通常行われる軸方向に濃縮度分布を付けるという技術の適用が困難となる。一方、基材を用い焼結してペレット化することで、安全性と経済性を向上させることができる。また、ペレット化することにより、熱伝導度を高めることができ、原子炉装荷時の運転温度を下げることができる。   When the coated particle fuel 26 is loaded in the cladding tube 21 in the form of particles, the possibility of mixing in the cladding tube 21 is high, and a technique of providing a concentration distribution in the axial direction normally performed in a boiling water reactor is used. It becomes difficult to apply. On the other hand, safety and economy can be improved by sintering and pelletizing using a base material. Moreover, by making into pellets, the thermal conductivity can be increased, and the operating temperature when the reactor is loaded can be lowered.

図4は、本実施形態に係る燃料ペレット20の製造方法を示すフローチャートである(適宜、図2参照)。   FIG. 4 is a flowchart showing a method for manufacturing the fuel pellet 20 according to the present embodiment (see FIG. 2 as appropriate).

成形工程S10では、核燃料物質を含む中心核28を小径に調整させて成形される。中心核28の粒子径Rは、好ましくは2mm以下に設定することが望ましく、1mm以下であることがより好ましい。   In the molding step S10, the central core 28 containing the nuclear fuel material is molded with a small diameter. The particle diameter R of the central core 28 is preferably set to 2 mm or less, and more preferably 1 mm or less.

粒子形成工程S11では、中心核28を複数の被覆層で被覆して粒子状の被覆粒子燃料26を形成される。   In the particle forming step S11, the core core 28 is coated with a plurality of coating layers, and the particulate coated particle fuel 26 is formed.

焼結工程S12では、基材と被覆粒子燃料26とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理が行われて、円筒状のマトリックス27に成形される。このとき、被覆粒子燃料26はマトリックス27内で分散されるように焼結処理される。   In the sintering step S <b> 12, the base material and the coated particle fuel 26 are mixed, a sintering aid is added, a sintering process is performed, and the cylindrical matrix 27 is formed. At this time, the coated particle fuel 26 is sintered so as to be dispersed in the matrix 27.

図5は、燃焼度をパラメータとして変化させた場合における、水素対重金属原子数比と放射性毒性との関係を示す解析結果のグラフである。なお、燃焼度は、45(GWd/t)、60(GWd/t)、250(GWd/t)、及び500(GWd/t)に変化させている。   FIG. 5 is a graph of analysis results showing the relationship between the hydrogen to heavy metal atom number ratio and radiotoxicity when the burnup is changed as a parameter. The burnup is changed to 45 (GWd / t), 60 (GWd / t), 250 (GWd / t), and 500 (GWd / t).

図5に示すように、燃焼度を増加させるとともに減速性能(水素対重金属原子数比)を増加させることで、放射性廃棄物の毒性が抑制されることがわかる。   As shown in FIG. 5, it is understood that the toxicity of the radioactive waste is suppressed by increasing the burnup and increasing the deceleration performance (hydrogen to heavy metal atom ratio).

つまり、核燃料物質を含む中心核28の粒子径Rを小径に調整して、燃焼度及び減速性能を増加させることで、軽水炉において高い毒性を示すTRUの生成量を抑制することが可能となる。このため、環境負荷が低減される。   That is, by adjusting the particle diameter R of the central core 28 containing the nuclear fuel material to a small diameter to increase the burnup and deceleration performance, it is possible to suppress the amount of TRU produced that exhibits high toxicity in a light water reactor. For this reason, environmental load is reduced.

図6は、本実施形態に係る燃料ペレット20と通常の軽水炉における燃料ペレット(比較例)とにおける、廃棄物の放射性毒性の結果を比較したグラフである。   FIG. 6 is a graph comparing the results of the radioactive toxicity of waste in the fuel pellet 20 according to the present embodiment and the fuel pellet (comparative example) in a normal light water reactor.

実施例は燃焼度500(GWd/t)で中心核28の粒子径Rが1mmに成形された燃料ペレット20の結果である。一方、比較例は、軽水炉に用いられている通常の燃料ペレットであり、燃焼度を45(GWd/t)で均質なウラン燃料を燃料ペレットに焼結したものである。   The example is a result of the fuel pellet 20 in which the burnup is 500 (GWd / t) and the particle diameter R of the central core 28 is 1 mm. On the other hand, the comparative example is an ordinary fuel pellet used in a light water reactor, in which a homogeneous uranium fuel with a burnup of 45 (GWd / t) is sintered into a fuel pellet.

図6の結果から、被覆粒子燃料26の中心核28の粒子径Rを1mmにすることで、通常の燃料ペレットに比較して、放射性毒性が3分の1程度にまで低減されることがわかる。   From the results of FIG. 6, it can be seen that by setting the particle diameter R of the central core 28 of the coated particle fuel 26 to 1 mm, the radiotoxicity is reduced to about one third as compared with a normal fuel pellet. .

以上述べた実施形態の燃料ペレットによれば、燃料ペレット内に核燃料要素として被覆粒子燃料を用いて、燃料物質を含む中心核の粒子径を小径に調整することで、高減速性能と高燃焼度とを実現でき、軽水炉においてTRU生成量を抑制することができる。これにより、環境負荷を低減できる。   According to the fuel pellet of the embodiment described above, by using the coated particle fuel as the nuclear fuel element in the fuel pellet, and adjusting the particle diameter of the central core containing the fuel substance to a small diameter, high deceleration performance and high burnup are achieved. And the amount of TRU generated in the light water reactor can be suppressed. Thereby, an environmental load can be reduced.

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。これら新規な実施形態は、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ともに、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。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10 燃料集合体
11 核燃料棒
12 チャネルボックス
13 上部タイプレート
14 下部タイプレート
15 スペーサ
16 ハンドル
17 螺子
18 チャンネルファスナ
20 燃料ペレット
21 被覆管
22 上部端栓
23 下部端栓
24 プレナム
25 プレナムスプリング
26 被覆粒子燃料
27 マトリックス
28 カーネル
29 第1被覆層
30 第2被覆層
31 第3被覆層
10 fuel assembly 11 nuclear fuel rod 12 channel box 13 upper tie plate 14 lower tie plate 15 spacer 16 handle 17 screw 18 channel fastener 20 fuel pellet 21 cladding tube 22 upper end plug 23 lower end plug 24 plenum 25 plenum spring 26 coated particle fuel 27 Matrix 28 Kernel 29 First Cover Layer 30 Second Cover Layer 31 Third Cover Layer

Claims (8)

核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた粒子状の被覆粒子燃料と、
前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備えることを特徴とする燃料ペレット。
A particulate coated particle fuel in which a central core containing a nuclear fuel material and having a diameter adjusted is coated with a coating layer that holds a fission product gas generated by fission, and
A fuel pellet comprising: a matrix containing the coated particle fuel dispersed therein.
前記被覆粒子燃料における前記中心核の直径が2mm以下に調整されることを特徴とする請求項1に記載の燃料ペレット。   The fuel pellet according to claim 1, wherein a diameter of the central core in the coated particle fuel is adjusted to 2 mm or less. 前記核燃料物質が、ウラン、プルトニウム、超ウラン元素、及びマイナーアクチノドの少なくとも1つを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の燃料ペレット。   The fuel pellet according to claim 1 or 2, wherein the nuclear fuel material includes at least one of uranium, plutonium, transuranium element, and minor actinod. 前記マトリックスが、炭化ケイ素、チタン合金、または酸化アルミニウムのセラミックスであることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料ペレット。   The fuel pellet according to any one of claims 1 to 3, wherein the matrix is ceramic of silicon carbide, titanium alloy, or aluminum oxide. 請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の燃料ペレットが被覆管の内部に積層して装荷されることを特徴とする核燃料棒。   A nuclear fuel rod, wherein the fuel pellets according to any one of claims 1 to 4 are stacked and loaded inside a cladding tube. 前記被覆管は、SiCf/SiC複合材で構成されることを特徴とする請求項5に記載の核燃料棒。   The nuclear fuel rod according to claim 5, wherein the cladding tube is made of a SiCf / SiC composite material. 請求項6に記載の複数の核燃料棒がチャネルボックスの内部に配置され装荷されることを特徴とする燃料集合体。   7. A fuel assembly comprising a plurality of nuclear fuel rods according to claim 6 arranged and loaded inside a channel box. 核燃料物質を含むとともに直径が調整させて中心核を成形するステップと、
核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で前記中心核を被覆させた粒子状の被覆粒子燃料を形成するステップと、
基材と前記被覆粒子燃料とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理するステップと、を含むことを特徴とする燃料ペレットの製造方法。
Including a nuclear fuel material and adjusting the diameter to form a central core;
Forming a particulate coated particle fuel in which the central core is coated with a coating layer that holds a fission gas generated by fission;
Mixing a base material and the coated particle fuel, adding a sintering aid, and performing a sintering process.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107123455A (en) * 2017-05-27 2017-09-01 中国工程物理研究院材料研究所 A kind of preparation method of porous fuel core inertia base dispersion fuel pellet

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07209464A (en) * 1994-01-19 1995-08-11 Nuclear Fuel Ind Ltd Nuclear fuel for light water reactor
JPH11202072A (en) * 1998-01-14 1999-07-30 Toshiba Corp Nuclear fuel particle for reactor, nuclear fuel pellet and element
JP2001272496A (en) * 2000-03-27 2001-10-05 Nuclear Fuel Ind Ltd Method for recovering fuel kernel from coated fuel particle and coated fuel particle from which fuel kernel can be recovered easily
US20060039524A1 (en) * 2004-06-07 2006-02-23 Herbert Feinroth Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants
JP2006300547A (en) * 2005-04-15 2006-11-02 Nuclear Fuel Ind Ltd Fuel for high-temperature gas-cooled reactor
US8774344B1 (en) * 2011-02-10 2014-07-08 Neucon Technology, Llc Tri-isotropic (TRISO) based light water reactor fuel
US20150170767A1 (en) * 2013-11-07 2015-06-18 Francesco Venneri FULLY CERAMIC MICRO-ENCAPSULATED (FCM) FUEL FOR CANDUs AND OTHER REACTORS

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07209464A (en) * 1994-01-19 1995-08-11 Nuclear Fuel Ind Ltd Nuclear fuel for light water reactor
JPH11202072A (en) * 1998-01-14 1999-07-30 Toshiba Corp Nuclear fuel particle for reactor, nuclear fuel pellet and element
JP2001272496A (en) * 2000-03-27 2001-10-05 Nuclear Fuel Ind Ltd Method for recovering fuel kernel from coated fuel particle and coated fuel particle from which fuel kernel can be recovered easily
US20060039524A1 (en) * 2004-06-07 2006-02-23 Herbert Feinroth Multi-layered ceramic tube for fuel containment barrier and other applications in nuclear and fossil power plants
JP2008501977A (en) * 2004-06-07 2008-01-24 ウエスチングハウス・エレクトリック・カンパニー・エルエルシー Multilayer ceramic tubes used for fuel containment barriers in nuclear power plants
JP2006300547A (en) * 2005-04-15 2006-11-02 Nuclear Fuel Ind Ltd Fuel for high-temperature gas-cooled reactor
US8774344B1 (en) * 2011-02-10 2014-07-08 Neucon Technology, Llc Tri-isotropic (TRISO) based light water reactor fuel
US20150170767A1 (en) * 2013-11-07 2015-06-18 Francesco Venneri FULLY CERAMIC MICRO-ENCAPSULATED (FCM) FUEL FOR CANDUs AND OTHER REACTORS

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107123455A (en) * 2017-05-27 2017-09-01 中国工程物理研究院材料研究所 A kind of preparation method of porous fuel core inertia base dispersion fuel pellet
CN107123455B (en) * 2017-05-27 2019-08-09 中国工程物理研究院材料研究所 A kind of preparation method of porous fuel core inertia base dispersion fuel pellet

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