JP2017223478A

JP2017223478A - 燃料棒および燃料集合体

Info

Publication number: JP2017223478A
Application number: JP2016117548A
Authority: JP
Inventors: 渉高野; Wataru Takano; 後藤　大輔; Daisuke Goto; 大輔後藤; 和幸草ヶ谷; Kazuyuki Kusagaya
Original assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Current assignee: Global Nuclear Fuel Japan Co Ltd
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2016-06-14
Publication date: 2017-12-21
Anticipated expiration: 2036-06-14
Also published as: JP6691000B2

Abstract

【課題】シビアアクシデント事象時でも炉心の損傷や水素の発生が少なく、かつ通常運転時の反応度損失が小さな燃料棒および該燃料棒を含む燃料集合体を提供する。
【解決手段】燃料棒は、プルトニウムを含む混合酸化物燃料と、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌを必須成分とするステンレス鋼で構成された燃料被覆管とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電プラントで使用される燃料棒および燃料集合体に関し、特に混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）とＦｅ、Ｃｒ、Ａｌを必須成分とするステンレス鋼（ＦｅＣｒＡｌ系合金）で構成された燃料被覆管とを備える燃料棒および燃料集合体に関する。

現在、原子力発電プラントで用いられる燃料はウラン燃料が主流である。ウラン燃料は燃料棒の被覆管内に充填され、さらに燃料棒を束ねた燃料集合体として、原子力発電プラントの炉心に提供される。燃料集合体の構成部品である燃料棒の被覆管やウォータロッド、チャンネルボックスなどは、主としてジルカロイで構成されている。ジルカロイは熱中性子の吸収反応断面積が非常に小さいという利点をもつ反面、シビアアクシデント事象時のような高温条件下で水蒸気に曝されると、水との発熱反応で炉心の損傷を助長し、さらに可燃性ガスである水素を発生する。

このため、燃料棒の被覆管を、ジルカロイの代わりに、シビアアクシデント事象時でも比較的安定した特性を有するステンレス鋼で構成することが考えられる。特に、Ｆｅ、Ｃｒを必須成分とする一般的なステンレス鋼にＡｌを加えたＦｅＣｒＡｌ系合金は高温状態での水との酸化反応が小さいため、水素発生を抑制する観点から有利である。

しかしながら、ステンレス鋼はジルカロイに比べ、ウラン燃料から放射される熱中性子の吸収反応断面積が大きいため、被覆管に適用すると反応度損失が大きくなってしまう。

そこで、シビアアクシデント事象時でも炉心の損傷や水素の発生が少なく、かつ通常運転時の反応度損失が小さな燃料棒および燃料集合体が求められていた。

特開２０１５−２５６９０号公報

K.A. Terrani, S.J. Zinkle, L.L. Snead 著、「Advanced oxidation-resistant iron-based alloys for LWR fuel cladding」、Journal of Nuclear Materials、オランダ、Elsevier B.V.、２０１３年７月１日、４４８巻、４２０〜４３５頁

燃料棒を、プルトニウムを含む混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）と、Ｆｅ、Ｃｒ、Ａｌを必須成分とするステンレス鋼（ＦｅＣｒＡｌ系合金）で構成された燃料被覆管とにより構成する。ＭＯＸ燃料の中性子スペクトルはウラン燃料に比べ硬く、ＦｅＣｒＡｌ系合金の被覆管で吸収される熱中性子が相対的に少ないため、反応度損失を軽減することが可能となる。また、ＦｅＣｒＡｌ系合金はジルカロイよりも強度が高いため、被覆管の管厚を薄肉化することができ、被覆管による熱中性子の吸収を軽減することができる。さらに、薄肉化により被覆管の内容積を増やすことで、燃料集合体あたりのプルトニウム装荷量を増加させることができる。

被覆管をＦｅＣｒＡｌ系合金のなかでも強度が強い、金属酸化物を分散させたステンレス鋼（ＯＤＳステンレス鋼）で構成することが望ましい。これにより、管厚をさらに薄肉化することが可能となる。

ここで、ＦｅＣｒＡｌ系合金被覆管とＭＯＸ燃料とにより構成される燃料棒の反応度は、ジルカロイ被覆管にＭＯＸ燃料を充填した既存の燃料棒と同一の反応度となるように構成することが望ましい。これにより、既存の燃料集合体や原子力発電プラントで使用されているジルカロイ燃料棒と置き換えて使用することができる。

また、ＭＯＸ燃料の母材をトリウムとすることが望ましい。二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）は二酸化ウラン（ＵＯ₂）に比べ化学的に安定で、熱伝導度も高く、融点も高いため、燃料健全性のより高い燃料棒を提供することができる。

また、ＭＯＸ燃料を用いた燃料棒を装填する燃料集合体においては、ウォータロッド、チャンネルボックス、上部タイプレート、下部タイプレートなどの燃料集合体の構成部品の一部または全部をＦｅＣｒＡｌ系合金や炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成することが望ましい。チャンネルボックスやウォータロッドにＦｅＣｒＡｌ系合金を使用した場合、薄肉化により、燃料集合体内の流路面積を拡大することができるため、熱的特性・ボイド反応度係数・圧力損失の改善を図ることが可能となる。また、ＳｉＣは中性子吸収量が小さいため、反応度損失をさらに軽減することができる。さらに、ＳｉＣは融点が高いことから、シビアアクシデント事象時のような高温条件下で燃料被覆管に使用したＦｅＣｒＡｌ系合金が溶けるような高温状態となったとしても溶融することがなく、燃料集合体の一体構成を維持し、溶融デブリのチャンネルボックス外部への漏えいを軽減することが可能となる。

本発明に係る燃料集合体の概略構成図である。本発明に係る燃料棒の概略構成図である。燃料の種類が、燃焼度と反応度減少量との関係に与える影響を示した図である。単一燃料棒体系における、被覆管の外径と管厚との比と、中性子吸収割合との関係を示した図である。単一燃料棒体系における、被覆管の外径と管厚との比と、中性子吸収割合との関係を示した図である。単一燃料棒体系における、被覆管の外径と管厚との比と、中性子吸収割合との関係を示した図である。燃料集合体断面体系における、被覆管の外径と管厚との比と、中性子吸収割合との関係を示した図である。

（実施態様１）
本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明を行う。

図１は原子炉に用いる燃料集合体１の全体を示す概略構成図である。原子燃料集合体１は、燃料棒２と、チャンネルボックス３と、ウォータロッド４と、上部タイプレート５と、下部タイプレート８と、支持格子７とを備える。上部タイプレート５と下部タイプレート８はそれぞれ、上部支持板６と下部支持板９を有する。上部支持板６、下部支持板９および支持格子７のそれぞれは、燃料棒２およびウォータロッド４を上端、下端およびその中間位置で支持して、燃料棒２およびウォータロッド４を格子状に配列するための格子面を有する。格子状に配列された燃料棒２およびウォータロッド４の外周を覆うように、角筒状のチャンネルボックス３が被せられている。燃料棒２の被覆管は、金属酸化物分散型ステンレス鋼（ＯＤＳステンレス鋼）で構成されている。ＯＤＳステンレス鋼は、金属酸化物を分散させたＦｅ、Ｃｒ、Ａｌを必須成分とするステンレス鋼である。なお、金属酸化物による中性子の吸収は無視できるほど小さいため、ＯＤＳステンレス鋼の中性子吸収割合はＦｅＣｒＡｌ系合金の中性子吸収割合に相当する。チャンネルボックス３およびウォータロッド４は、ジルカロイで構成されている。

図２は、燃料棒２の構成を示す概略構成図である。燃料棒２は、燃料体となる混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）のペレット１２と、ＭＯＸ燃料のペレット１２を覆う被覆管１３と、被覆管１３の上部を塞ぎ且つ上部支持板６と結合する上部端栓１０と、被覆管１３の下部を塞ぎ且つ下部支持板９と結合する下部端栓１５とを備える。被覆管１３は、シビアアクシデント事象時の炉心の損傷や水素発生を防止するため、ＯＤＳステンレス鋼で構成されている。ＯＤＳステンレス鋼はジルカロイよりも強度が高いため、管厚が薄くても実用上十分な強度を得ることができる。薄肉化により反応度損失を軽減することが可能となる。また、薄肉化により被覆管１３の内径を大きくし、燃料ペレット径を増加させることが可能となる。ペレット１２に用いられているＭＯＸ燃料は、二酸化ウラン（ＵＯ₂）を母材とし、プルトニウムが添加されている。

ところで、ＯＤＳステンレス鋼はジルカロイよりも熱中性子の吸収が大きく、反応度損失が大きい。しかし、燃料をＭＯＸ燃料とすること、被覆管を薄肉化すること、この２点により、反応度損失を軽減することが可能となる。この２点について、以下で詳細に説明する。

まず、燃料をＭＯＸ燃料とすることによる効果について説明する。燃料体の材料により中性子スペクトルは異なる。プルトニウムを含むＭＯＸ燃料の中性子スペクトルは、ウラン燃料に比べて硬く、熱中性子が相対的に少ない。このため、燃料体をプルトニウムを含むＭＯＸ燃料とすることにより、反応度損失を軽減することができる。図３に、ウラン燃料とＭＯＸ燃料のそれぞれについて、従来のジルカロイ被覆管を同じ管厚のＯＤＳステンレス鋼に置換したときの、従来のジルカロイ被覆管からの反応度の減少量を示す。実線２１は燃料体の材料がウラン燃料の燃焼度に対する反応度損失の大きさを、破線２２は燃料体の材料をＭＯＸ燃料としたときの燃焼度に対する反応度損失の大きさを示す。例えば、最も燃料の反応度が大きい燃焼度１０〜２０ＧＷｄ／ｔの領域において、ＭＯＸ燃料ではウラン燃料に比べ、反応度損失量がおおよそ半分となっている。

次に、被覆管の管厚の薄肉化による効果について説明する。図４〜６に、単一燃料棒体系における、被覆管厚（Ｔ）と被覆管外径（Ｄ）の比（Ｔ／Ｄ）と、燃料による中性子吸収割合との関係を示す。

図４は、一般的なプルトニウム含有率である５％のプルトニウムを含むＭＯＸ燃料を従来の管厚のジルカロイ被覆管に装填した燃料棒（５％基準燃料棒）と同じ反応度となるように、プルトニウム含有率および管厚を設定したＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係である。図４（ａ）は燃料棒を縦横８本ずつ配列した８×８配列の燃料集合体内の燃料棒におけるＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係を、図４（ｂ）は９×９配列の燃料集合体内の燃料棒におけるＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係を、図４（ｃ）は１０×１０配列の燃料集合体内の燃料棒におけるＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係を示す。

点３０、３２、３４は５％基準燃料棒の値であり、燃料配列の大きさによる違いはあるもののＴ／Ｄは６％前後であり、燃料配列数が増え効率化が進むにつれ、燃料の中性子吸収割合が増加している。実線３１、３３、３５はＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと燃料による中性子吸収割合との関係を示す。図からＯＤＳステンレス鋼被覆管のＴ／Ｄを３％以下とすることで、燃料による中性子吸収割合が、ジルカロイ被覆管を有する燃料棒（５％基準燃料棒）と同等以上となることがわかる。燃料による中性子吸収割合が大きくなる、すなわち被覆管による中性子吸収割合が小さくなると、反応度損失は小さくなる。したがって、ＯＤＳステンレス鋼被覆管のＴ／Ｄを３％以下とすることで、反応度損失を従来の管厚のジルカロイ燃料棒と同等以下に軽減することができる。

図５は、プルトニウム含有率が７％のＭＯＸ燃料を従来の管厚のジルカロイ被覆管に装填した燃料棒（７％基準燃料棒）と同じ反応度となるように、プルトニウム含有率および管厚を設定したＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係である。図５（ａ）は８×８配列の、図５（ｂ）は９×９配列の、図５（ｃ）は１０×１０配列の燃料集合体におけるＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係である。

点４０、４２、４４は７％基準燃料棒の値であり、実線４１、４３、４５はＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと燃料による中性子吸収割合の関係である。プルトニウム含有率が７％の基準燃料棒による本例においても、ＯＤＳステンレス鋼被覆管のＴ／Ｄを３％以下とすることで、燃料による中性子吸収割合がジルカロイ燃料棒と同等以上となり、反応度損失がジルカロイ燃料棒の損失と同等以下に軽減されていることがわかる。

図６は、プルトニウム含有率が９％のＭＯＸ燃料を従来の管厚のジルカロイ被覆管に装填した燃料棒（９％基準燃料棒）と同じ反応度となるように、プルトニウム含有率および管厚を設定したＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係である。図６（ａ）は８×８配列の、図６（ｂ）は９×９配列の、図６（ｃ）は１０×１０配列の燃料集合体におけるＴ／Ｄと中性子吸収割合との関係である。

点５０、５２、５４は９％基準燃料棒の値であり、実線５１、５３、５５はＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄと燃料による中性子吸収割合との関係である。プルトニウム含有率が９％の基準燃料棒による本例においても、ＯＤＳステンレス鋼のＴ／Ｄを３％以下とすることで、燃料による中性子吸収割合がジルカロイ燃料棒と同等以上となり、反応度損失がジルカロイ燃料棒の損失と同等以下に軽減されていることがわかる。

図４〜６から明らかなように、ＯＤＳステンレス鋼被覆管のＴ／Ｄを３％以下とすることで、反応度損失を従来のジルカロイ被覆管と同等以下に軽減することができる。図４〜６は単一燃料棒体系における中性子吸収割合であるが、燃料集合体断面体系でみた場合も同様な結論となる。図７は、ＭＯＸ燃料棒の平均プルトニウム含有率が５％である８×８配列の燃料集合体について、燃料断面体系におけるＴ／Ｄと燃料による中性子吸収割合との関係である。点６０はジルカロイ燃料棒の場合の中性子吸収割合、点６１はＯＤＳステンレス鋼燃料棒のＴ／Ｄ＝３％の点における中性子吸収割合を示す。点６１の方が点６０よりも燃料による中性子吸収割合が高く、Ｔ／Ｄを３％とすれば、反応度損失がジルカロイ被覆管を備える燃料棒と同等以下に軽減されていることが確認できる。

上述した実施態様では、燃料棒２以外の燃料集合体１の構成部材は、ジルカロイで構成されているが、さらにチャンネルボックス３やウォータロッド４も強度の高いＯＤＳステンレス鋼で構成することが望ましい。これにより、ウォータロッド厚、チャンネルボックス板厚も従来の半分程度の厚さに薄肉化することができ、燃料集合体１内の流路面積を拡大することができ、熱的特性・ボイド反応度係数・圧力損失を改善することが可能となる。

本実施態様で使用したＯＤＳステンレス鋼被覆管を有する燃料棒は、従来のジルカロイで構成された被覆管を有する燃料棒と外径が等しいため、既存の燃料集合体に使用されているジルカロイ被覆管を有する燃料棒と置き換えて使用することが可能である。置き換えに際して、燃料集合体を構成する燃料棒以外の構成部材を変更する必要はなく、従来と同じ設計のものを利用することが可能である。
（実施態様２）
実施態様１のペレットは、二酸化ウラン（ＵＯ₂）の母材にプルトニウムを添加して構成されているが、ペレットの母材をトリウムとしてもよい。本実施態様のペレットは、二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）を母材とし、プルトニウムを添加して構成される。二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）は二酸化ウラン（ＵＯ₂）に比べ化学的に安定で、熱伝導度も高く、融点も高いため、より高い燃料健全性を達成することができる。さらにトリウム燃料サイクルでは長期間にわたって強い放射能を有するマイナーアクチニドの発生を抑制でき、シビアアクシデント事象発生による燃料損傷が起こったとしても、外部への影響を小さくすることが可能となる。

なお、ペレット径やプルトニウム含有率は実施態様１のペレットと同じである。また、燃料体を除く燃料集合体の全体構成も実施態様１と同じ構成である。
（実施態様３）
実施態様１では、チャンネルボックス３およびウォータロッド４をジルカロイまたはＯＤＳステンレス鋼で構成しているが、本実施態様では、燃料集合体１の燃料棒２以外の構成部品を炭化ケイ素（ＳｉＣ）で構成した。ＳｉＣは中性子吸収量が小さいため、反応度損失を軽減することができる。また、ＳｉＣはステンレス鋼よりも融点が高いため、シビアアクシデント事象時に被覆管のステンレス鋼が溶けるような高温状態となったとしても、溶融せずに部材の形状を維持することができる。このため、燃料集合体１の燃料棒２以外の構成部品（チャンネルボックス３、ウォータロッド４、上部タイプレート５、下部タイプレート８など）のうち少なくとも一つをＳｉＣとすることでシビアアクシデント事象時の燃料健全性を向上させることが可能となる。チャンネルボックス３と下部タイプレート８をＳｉＣとすることで、それらにより構成されるバケツ形状の容積内に溶融デブリを保持することが可能となり、チャンネルボックス外部への漏えいを軽減することができる。

なお、ＳｉＣは延性・密閉性が小さいため、ペレット１２と直接接触する被覆管には適さない。チャンネルボックス３、ウォータロッド４、上部タイプレート５、下部タイプレート８など、燃料棒２以外の燃料集合体１の構成部品に適用することが望ましい。

以上、本願発明にかかる燃料棒および燃料集合体に関する説明を行ったが、当業者であれば、炉心の設計や要求される耐震性などに合わせて、本願発明を実施できることは、容易に想到できよう。

１燃料集合体
２燃料棒
３チャンネルボックス
４ウォータロッド
５上部タイプレート
６上部支持板
７支持格子
８下部タイプレート
９下部支持板
１０上部端栓
１２ペレット
１３被覆管
１５下部端栓

Claims

プルトニウムを含む混合酸化物燃料と、
Ｆｅ、Ｃｒ、およびＡｌを必須成分とするステンレス鋼で構成された燃料被覆管と、
を備える、燃料棒。
前記Ｆｅ、Ｃｒ、およびＡｌを必須成分とするステンレス鋼が、金属酸化物を分散させたＦｅ、Ｃｒ、およびＡｌを必須成分とするステンレス鋼である、請求項１に記載の燃料棒。
前記燃料被覆管の管厚の外径に対する割合が３％以下である、請求項１または２に記載の燃料棒。
前記混合酸化物燃料の母材がトリウムである、請求項１から３のいずれかに記載の燃料棒。
請求項１から４のいずれかに記載の燃料棒を含み、
チャンネルボックスと、
上部タイプレートと、
下部タイプレートと、
ウォータロッドと、
をさらに備える、燃料集合体。
前記チャンネルボックスおよび前記ウォータロッドのうちの少なくとも一方が、金属酸化物を分散させたＦｅ、Ｃｒ、およびＡｌを必須成分とするステンレス鋼で構成されている、請求項５に記載の燃料集合体。
前記チャンネルボックス、前記ウォータロッド、前記上部タイプレートおよび前記下部タイプレートのうち少なくとも一つが、炭化ケイ素で構成されている、請求項５に記載の燃料集合体。