JP2686639B2 - 原子燃料要素 - Google Patents
原子燃料要素Info
- Publication number
- JP2686639B2 JP2686639B2 JP1053493A JP5349389A JP2686639B2 JP 2686639 B2 JP2686639 B2 JP 2686639B2 JP 1053493 A JP1053493 A JP 1053493A JP 5349389 A JP5349389 A JP 5349389A JP 2686639 B2 JP2686639 B2 JP 2686639B2
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- JP
- Japan
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- spring
- pellet
- plenum
- stack
- cladding tube
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は原子燃料要素に係り、詳しくは、燃料取扱い
中にペレットが移動するのを防ぐと共にペレット被覆管
相互作用（以下PCIという）による被覆管の損傷を防止
し、かつ燃料ペレットの位置を所定の高さに保持する機
能を付与した原子燃料棒に関するものである。
中にペレットが移動するのを防ぐと共にペレット被覆管
相互作用（以下PCIという）による被覆管の損傷を防止
し、かつ燃料ペレットの位置を所定の高さに保持する機
能を付与した原子燃料棒に関するものである。
（従来の技術） 原子燃料要素、即ち、燃料棒は一般に複数の円柱状燃
料ペレットからなるペレットスタックをジルカロイ−４
被覆管内に挿入することによって作成されるが、被覆管
と燃料ペレットとは熱膨張係数に差があり、そのため燃
焼時に熱膨張差を生じると共に、ペレットから放出され
る該分裂生成ガスの発生に伴う体積の増大もあって、こ
れらを吸収するため被覆管内でペレットスタック上部に
充分な空隙部（プレナム部）を設け、ペレットから放出
される上記該分裂生成ガスや蒸発性不純物のガス溜めの
働きをさせると共にスプリングを挿入して第３図に示す
如く被覆管（６）内に燃料ペレット（１）をスタックと
して挿入し、上部プレナム部（２）にプレナムスプリン
グ（３）を介在させ、上下両端をジルカロイ−４端栓
（７）（８）で密封した構造となっていた。
料ペレットからなるペレットスタックをジルカロイ−４
被覆管内に挿入することによって作成されるが、被覆管
と燃料ペレットとは熱膨張係数に差があり、そのため燃
焼時に熱膨張差を生じると共に、ペレットから放出され
る該分裂生成ガスの発生に伴う体積の増大もあって、こ
れらを吸収するため被覆管内でペレットスタック上部に
充分な空隙部（プレナム部）を設け、ペレットから放出
される上記該分裂生成ガスや蒸発性不純物のガス溜めの
働きをさせると共にスプリングを挿入して第３図に示す
如く被覆管（６）内に燃料ペレット（１）をスタックと
して挿入し、上部プレナム部（２）にプレナムスプリン
グ（３）を介在させ、上下両端をジルカロイ−４端栓
（７）（８）で密封した構造となっていた。
ところが、一般に燃料棒内のペレットは燃焼と共に軸
方向のみならず径方向にも膨れる。そしてこのときペレ
ットの燃焼は燃料棒の高さの中央部で最も大きいので、
ペレットの膨れは中央部で最大となり、ペレットの外径
が被覆管の内径以上となるとペレットは被覆管と硬いは
め合い状態（PCI）となり、軸方向の移動が出来なくな
ることが起こる。
方向のみならず径方向にも膨れる。そしてこのときペレ
ットの燃焼は燃料棒の高さの中央部で最も大きいので、
ペレットの膨れは中央部で最大となり、ペレットの外径
が被覆管の内径以上となるとペレットは被覆管と硬いは
め合い状態（PCI）となり、軸方向の移動が出来なくな
ることが起こる。
上記従来の上部にのみプレナム部を設けた構造の燃料
要素ではこのように中央部にPCIが生じるとその下部の
ペレットの軸方向ふくれ、即ち、伸びは吸収することが
できず被覆管を引き伸ばすこととなり、遂には被覆管の
損傷に至る。
要素ではこのように中央部にPCIが生じるとその下部の
ペレットの軸方向ふくれ、即ち、伸びは吸収することが
できず被覆管を引き伸ばすこととなり、遂には被覆管の
損傷に至る。
また、上記のような被覆管とペレットの熱膨張差、燃
焼に伴うスエリング等により被覆管や溶接部に過大な応
力が加わる現象が燃料ペレットの上部一方のみに行われ
ると原子炉心燃料分布に変化を生ぜしめ、核特性を損な
うおそれがある。
焼に伴うスエリング等により被覆管や溶接部に過大な応
力が加わる現象が燃料ペレットの上部一方のみに行われ
ると原子炉心燃料分布に変化を生ぜしめ、核特性を損な
うおそれがある。
そこで、これらの点を考慮してその後、ペレットの上
部及び下部にプレナム部を設け、これに夫々プレナムス
プリングを配置することが試みられ、特公昭61−13196
号公報及び特開昭58−8329号公報にその例が開示されて
いる。
部及び下部にプレナム部を設け、これに夫々プレナムス
プリングを配置することが試みられ、特公昭61−13196
号公報及び特開昭58−8329号公報にその例が開示されて
いる。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記特公昭61−13196号公報に開示さ
れた燃料要素はスタック状の燃料ペレットの上下にスプ
リングが介挿されているとは云え、下方の空間内に配置
されたスプリングの許容弾性圧縮変形量（取付長さから
密着するまでの変形量）が上部スプリングのそれより小
さく、かつ燃料ペレットの膨張の度合と同程度あるいは
それよりも小となっていて、先ず、使用時に燃料ペレッ
トの膨張により下方のスプリングが密着し、それ以上の
膨張が上部スプリングの変形で吸収されることとなって
いる。
れた燃料要素はスタック状の燃料ペレットの上下にスプ
リングが介挿されているとは云え、下方の空間内に配置
されたスプリングの許容弾性圧縮変形量（取付長さから
密着するまでの変形量）が上部スプリングのそれより小
さく、かつ燃料ペレットの膨張の度合と同程度あるいは
それよりも小となっていて、先ず、使用時に燃料ペレッ
トの膨張により下方のスプリングが密着し、それ以上の
膨張が上部スプリングの変形で吸収されることとなって
いる。
ところが、前述の如く中央部の最大ふくれにより中央
部でPCIが生じると下部のペレットスタックの軸方向伸
びの吸収が不足することが起こるとしても、中央部で阻
害されて上部スプリングの変形につながらず、結局、全
部吸収されずに被覆管の損傷を起こすことを免れない。
部でPCIが生じると下部のペレットスタックの軸方向伸
びの吸収が不足することが起こるとしても、中央部で阻
害されて上部スプリングの変形につながらず、結局、全
部吸収されずに被覆管の損傷を起こすことを免れない。
一方、特開昭58−83297号公報に開示されたものは下
部プレナムスプリングにプレロードを与えて一定の荷重
以上で変位させるようにしているが、これは連結棒を設
け、その全長をスプリングの自由長により短くしてスプ
リング圧縮時の許容変位量を大きくするようにした構造
および機能に重点がおかれ、そのスプリングのばね力に
関しては特に態様を明らかにするものではなかった。
部プレナムスプリングにプレロードを与えて一定の荷重
以上で変位させるようにしているが、これは連結棒を設
け、その全長をスプリングの自由長により短くしてスプ
リング圧縮時の許容変位量を大きくするようにした構造
および機能に重点がおかれ、そのスプリングのばね力に
関しては特に態様を明らかにするものではなかった。
本発明は上述の如き状況に鑑み、これに対処すべく、
燃料棒全体の観点からより好ましい具体的なスプリング
のばね力の関係を提示することにより全体としてペレッ
トと被覆管が接触して機械的な相互作用を起こした場合
におけるペレットと被覆管の間に生じる伸びの差を確実
に吸収させることを目的とするものである。
燃料棒全体の観点からより好ましい具体的なスプリング
のばね力の関係を提示することにより全体としてペレッ
トと被覆管が接触して機械的な相互作用を起こした場合
におけるペレットと被覆管の間に生じる伸びの差を確実
に吸収させることを目的とするものである。
（課題を解決するための手段） 即ち、上記目的を適合する本発明の特徴は、複数の燃
料ペレットからなるペレットスタックを被覆管内に封入
し、該ペレットスタックの上部及び下部に夫々プレナム
部を設け、このプレナム部内にスプリングを挿入配置し
てそのばね力によってペレットの移動を防止せしめる原
子燃料要素において、上部プレナムスプリングのばね力
をペレットスタック重量の1.0〜4.0倍とし、かつ下部プ
レナムスタックにプレロードを与え、該プレロードをペ
レットスタック重量の少なくとも3.0倍として、そのば
ね力を上部プレナムスプリングのばね力よりも大きく、
その撓み代をペレットの膨張よりも大きくしたことにあ
る。
料ペレットからなるペレットスタックを被覆管内に封入
し、該ペレットスタックの上部及び下部に夫々プレナム
部を設け、このプレナム部内にスプリングを挿入配置し
てそのばね力によってペレットの移動を防止せしめる原
子燃料要素において、上部プレナムスプリングのばね力
をペレットスタック重量の1.0〜4.0倍とし、かつ下部プ
レナムスタックにプレロードを与え、該プレロードをペ
レットスタック重量の少なくとも3.0倍として、そのば
ね力を上部プレナムスプリングのばね力よりも大きく、
その撓み代をペレットの膨張よりも大きくしたことにあ
る。
ここで、上記プレナムスプリングのばね力、即ち、上
部プレナムスプリングによるペレットスタックの押え力
は燃料輸送，取扱い時にペレットが移動しないようにす
る必要があり、少くともペレットスタックの重量に対抗
する上からそれ以上であることが肝要である。
部プレナムスプリングによるペレットスタックの押え力
は燃料輸送，取扱い時にペレットが移動しないようにす
る必要があり、少くともペレットスタックの重量に対抗
する上からそれ以上であることが肝要である。
しかし、ペレットは燃焼と共に軸方向に伸び、上部プ
レナムスプリングを撓ませるので燃焼末期の上部プレナ
ムスプリングによるペレット押え力はペレット重量の２
〜８倍程度となる。そこで軸方向の伸びを上部プレナム
スプリングのたわみにより吸収させる上から余り大きな
押え力は却って適当ではなく、従ってばね力はペレット
スタック重量の４倍程度とすることが好適である。
レナムスプリングを撓ませるので燃焼末期の上部プレナ
ムスプリングによるペレット押え力はペレット重量の２
〜８倍程度となる。そこで軸方向の伸びを上部プレナム
スプリングのたわみにより吸収させる上から余り大きな
押え力は却って適当ではなく、従ってばね力はペレット
スタック重量の４倍程度とすることが好適である。
一方、下部プレナムスプリングは一定の荷重以上で変
位し、下端を一定位置に保持させる点からプレロードを
与えているが下方への変形を特定し、通常の場合では下
部プレナムスプリングをたわまないようにするために
は、そのプレロードは、上部プレナムスプリング初期押
え力）＋（ペレット軸方向膨張長さ）×（上部プレナム
スプリングばね定数）＋（ペレット重量）より大とす
る。
位し、下端を一定位置に保持させる点からプレロードを
与えているが下方への変形を特定し、通常の場合では下
部プレナムスプリングをたわまないようにするために
は、そのプレロードは、上部プレナムスプリング初期押
え力）＋（ペレット軸方向膨張長さ）×（上部プレナム
スプリングばね定数）＋（ペレット重量）より大とす
る。
換言すれば、下部プレナムスプリングの撓み代はペレ
ットの膨張より大とし、ペレット膨張を吸収するように
するのが好ましく、そのためにはプレロードはペレット
スタック重量の少なくとも３倍以上、通常３〜９倍とす
るのが好適である。
ットの膨張より大とし、ペレット膨張を吸収するように
するのが好ましく、そのためにはプレロードはペレット
スタック重量の少なくとも３倍以上、通常３〜９倍とす
るのが好適である。
（作用） 上記の如く構成することにより本発明燃料要素は、通
常の場合、下部プレナムスプリングはたわむことがな
く、ペレットスタックの下端位置を一定に保持し、上部
プレナムスプリングのたわみによりペレットと被覆管の
間に生ずる伸びの差を吸収する。
常の場合、下部プレナムスプリングはたわむことがな
く、ペレットスタックの下端位置を一定に保持し、上部
プレナムスプリングのたわみによりペレットと被覆管の
間に生ずる伸びの差を吸収する。
そして、PCIが生じた場合、又はペレットが割れてそ
の破片が喰い込む場合など、軸方向移動が不可能となっ
たとき、その点から下部のペレット伸びの吸収のために
下部プレナムスプリングのたわみが生じ、被覆管が軸方
向に引っ張られることなく、被覆管の損傷を防止するこ
ととなる。
の破片が喰い込む場合など、軸方向移動が不可能となっ
たとき、その点から下部のペレット伸びの吸収のために
下部プレナムスプリングのたわみが生じ、被覆管が軸方
向に引っ張られることなく、被覆管の損傷を防止するこ
ととなる。
（実施例） 以下、添付図面に従って本発明の実施例を説明する。
第１図は本発明に係る原子燃料要素の１例であり、複
数の燃料ペレット（１）からなるペレットスタックが被
覆管（６）内に封入されており、被覆管内で前記ペレッ
トスタックの上下に上部プレナム部（２）及び下部プレ
ナム部（４）が設けられていて、夫々に上部プレナムス
プリング（３）及び下部プレナムスプリング（５）が挿
入配置されている。そして、上記下部プレナムスプリン
グ（５）には所定のプレロードが加えられて上部端栓
（７）及び下部端栓（８）により封止されている。
数の燃料ペレット（１）からなるペレットスタックが被
覆管（６）内に封入されており、被覆管内で前記ペレッ
トスタックの上下に上部プレナム部（２）及び下部プレ
ナム部（４）が設けられていて、夫々に上部プレナムス
プリング（３）及び下部プレナムスプリング（５）が挿
入配置されている。そして、上記下部プレナムスプリン
グ（５）には所定のプレロードが加えられて上部端栓
（７）及び下部端栓（８）により封止されている。
第２図は上記プレロードを加えた下部プレナムスプリ
ング（５）の詳細を示し、下部プレナムスプリング
（５）はそのばね常数が上部より大きく、上下両端部に
押接される二つの金属製円板（９）（10）と、該スプリ
ング（５）の中心部を通って長手方向に延び、上記スプ
リング（５）の中央付近で互いに離間しないように係合
し、係合部と反対側の端部はそれぞれ円板（９）（10）
と固着された２本の金属製連結棒（11）（12）とを備え
て形成されており、互いに係合された上記連結棒（11）
（12）の全長は下部プレナムスプリング（５）の自由長
より短く、これによってプレロードが決められていると
共に、上記連結棒（11）（12）の係合部はスプリング圧
縮時に可逆的に弛緩するようになっている。
ング（５）の詳細を示し、下部プレナムスプリング
（５）はそのばね常数が上部より大きく、上下両端部に
押接される二つの金属製円板（９）（10）と、該スプリ
ング（５）の中心部を通って長手方向に延び、上記スプ
リング（５）の中央付近で互いに離間しないように係合
し、係合部と反対側の端部はそれぞれ円板（９）（10）
と固着された２本の金属製連結棒（11）（12）とを備え
て形成されており、互いに係合された上記連結棒（11）
（12）の全長は下部プレナムスプリング（５）の自由長
より短く、これによってプレロードが決められていると
共に、上記連結棒（11）（12）の係合部はスプリング圧
縮時に可逆的に弛緩するようになっている。
しかして、上記の構成において上部プレナムスプリン
グ（３）のばね力はペレットスタック上に該スプリング
（３）を挿入し、上部端栓（７）で封止したときの押え
力によって決まり、これがペレットスタック重量の１〜
４倍程度に保たれている。
グ（３）のばね力はペレットスタック上に該スプリング
（３）を挿入し、上部端栓（７）で封止したときの押え
力によって決まり、これがペレットスタック重量の１〜
４倍程度に保たれている。
一方、下部プレナムスプリング（５）におけるプレロ
ードは上述の如く連結棒（11）（12）を係合させて引っ
張り、圧縮させている力としてペレットスタック重量の
３倍以上、好ましくは３〜９倍とされている。
ードは上述の如く連結棒（11）（12）を係合させて引っ
張り、圧縮させている力としてペレットスタック重量の
３倍以上、好ましくは３〜９倍とされている。
従って、かかる構成の燃料要素によれば、熱膨張，照
射変形などによりペレットが熱膨張したとしても、下部
プレナムスプリング（５）が上部プレナムスプリング
（３）に先立って早く密着することにはならず、PCIが
なければ上方向のみへ移動する。
射変形などによりペレットが熱膨張したとしても、下部
プレナムスプリング（５）が上部プレナムスプリング
（３）に先立って早く密着することにはならず、PCIが
なければ上方向のみへ移動する。
また、燃焼中、PCIが生じたとき等にはペレットスタ
ックの軸方向移動が不可能となった時点から下部プレナ
ムスプリング（５）はたわみを生じ変形するが、上部プ
レナムスプリング（３）は下部プレナムスプリング
（５）の密着には関係なく変形する。
ックの軸方向移動が不可能となった時点から下部プレナ
ムスプリング（５）はたわみを生じ変形するが、上部プ
レナムスプリング（３）は下部プレナムスプリング
（５）の密着には関係なく変形する。
かくしてPCIによる被覆管の損傷は防止され燃料ペレ
ットの位置を所定の高さに一定に保持する。
ットの位置を所定の高さに一定に保持する。
（発明の効果） 本発明は軽水炉用燃料集合体の構成要素である原子燃
料要素において、以上のように上部プレナムスプリング
のばね力と下部プレナムスプリングのばね力及びプレロ
ードを夫々所定の範囲に設定したものであり、PCIによ
りペレットが被覆管と密に接触して移動不能となるまで
は上部プレナムスプリングのたわみにより軸方向伸びを
吸収し、下部プレナムスプリングは変形することがない
ので、ペレットスタックは所定の高さに保持され、位置
不整合を生じることがなく、一方、PCIによりペレット
が移動不能となったときはPCI点より下部のペレットの
伸びは下部プレナムスプリングの変形により吸収され、
ペレットの膨れが被覆管を引き伸ばすことがなく、PCI
により被覆管の破損を防止して、輸送及び取扱い時にお
いて頗る安定した原子燃料要素である。
料要素において、以上のように上部プレナムスプリング
のばね力と下部プレナムスプリングのばね力及びプレロ
ードを夫々所定の範囲に設定したものであり、PCIによ
りペレットが被覆管と密に接触して移動不能となるまで
は上部プレナムスプリングのたわみにより軸方向伸びを
吸収し、下部プレナムスプリングは変形することがない
ので、ペレットスタックは所定の高さに保持され、位置
不整合を生じることがなく、一方、PCIによりペレット
が移動不能となったときはPCI点より下部のペレットの
伸びは下部プレナムスプリングの変形により吸収され、
ペレットの膨れが被覆管を引き伸ばすことがなく、PCI
により被覆管の破損を防止して、輸送及び取扱い時にお
いて頗る安定した原子燃料要素である。
第１図は本発明に係る原子燃料要素の一部省略概要図、
第２図はプレロードを加えたプレナムスプリングの１例
を示す概観図、第３図は従来の燃料要素の一部省略概要
図である。 （１）……ペレット， （２）……上部プレナム部 （３）……上部プレナムスプリング， （４）……下部プレナム部， （５）……下部プレナムスプリング， （６）……被覆管， （７）……上部端栓， （８）……下部端栓， （11）（12）……連結棒，
第２図はプレロードを加えたプレナムスプリングの１例
を示す概観図、第３図は従来の燃料要素の一部省略概要
図である。 （１）……ペレット， （２）……上部プレナム部 （３）……上部プレナムスプリング， （４）……下部プレナム部， （５）……下部プレナムスプリング， （６）……被覆管， （７）……上部端栓， （８）……下部端栓， （11）（12）……連結棒，
Claims (1)
- 【請求項１】複数の燃料ペレットからなるペレットスタ
ックを被覆管内に封入し、該ペレットスタックの上部及
び下部に夫々プレナム部を設けると共に、それらプレナ
ム部内に夫々スプリングを挿入配置してなる原子燃料要
素において、上部プレナムスプリングのばね力をペレッ
トスタック重量の1.0〜4.0倍とし、かつ下部プレナムス
プリングにプレロードを付与し、該プレロードをペレッ
トスタックの重量の少なくとも3.0倍以上としてそのば
ね力を上部プレナムスプリングのばね力よりも大きく、
その撓み代をペレットの膨張より大きくしたことを特徴
とする原子燃料要素。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1053493A JP2686639B2 (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 原子燃料要素 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1053493A JP2686639B2 (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 原子燃料要素 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02232590A JPH02232590A (ja) | 1990-09-14 |
| JP2686639B2 true JP2686639B2 (ja) | 1997-12-08 |
Family
ID=12944360
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1053493A Expired - Lifetime JP2686639B2 (ja) | 1989-03-06 | 1989-03-06 | 原子燃料要素 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2686639B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6568348B2 (ja) * | 2014-10-27 | 2019-08-28 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する炉心 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5841384A (ja) * | 1981-09-04 | 1983-03-10 | 株式会社東芝 | 核燃料棒 |
| JPS5883297A (ja) * | 1981-11-12 | 1983-05-19 | 原子燃料工業株式会社 | 原子炉燃料集合体用燃料棒 |
-
1989
- 1989-03-06 JP JP1053493A patent/JP2686639B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH02232590A (ja) | 1990-09-14 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
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