JP2823055B2

JP2823055B2 - 可燃性吸収材被覆核燃料

Info

Publication number: JP2823055B2
Application number: JP2108978A
Authority: JP
Inventors: チャールズ・アルバート・ブライ
Original assignee: ウエスチングハウス・エレクトリック・コーポレーション
Priority date: 1989-05-01
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1998-11-11
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: EP0395920A3; KR900019056A; JPH02297096A; EP0395920A2

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景発明の分野本発明は一般に核燃料棒に関し、特に、ヘリウムの放
出を減じる可燃性吸収材のコーティングを有する燃料棒
用核燃料に関するものである。

先行技術の説明加圧水型原子力発電プラントにおいては、炉心は多数
の燃料集合体を備えており、各燃料集合体は、横方向に
互いに隔てられた複数の細長い燃料要素即ち燃料棒から
構成されている。各燃料棒は核燃料ペレットの積重体の
形で核分裂性物質を包含している。燃料棒は、高核分裂
率を維持し、もって熱の形で多量のエネルギの放出を維
持するのに十分な中性子束を炉心内で生じさせるよう
に、組織化されたある配列に群別されている。炉心内で
発生された熱のいくらかを抜き出して有用な仕事を行わ
せるために、液状の冷却材が炉心を通して上方に圧送さ
れる。

加圧水型原子炉（PWR）の運転においては、ウラン燃
料をより有効に利用して燃料コストを低減するために、
可能な限り炉心の寿命を延ばすことが望ましい。この目
的を達成するために、初期に炉心に過剰反応度を与え、
同時にその寿命全体にわたって反応度を比較的一定に維
持する手段を与えるのが一般的な慣行である。前記手段
の１つは、運転の初期に過剰中性子を吸収するために大
きな中性子吸収断面積を有する可燃性吸収物質であっ
て、中性子の効力が低減する運転後期において燃料の反
応度に実質的に影響を与えない小さな中性子吸収断面積
の要素に変化する可燃性吸収物質を使用するというもの
である。従って、可燃性吸収材若しくは毒物は、運転初
期における燃料の中性子の過剰発生を補償するが、運転
後期においては累進的に燃焼して中性子はあまり捕獲し
なくなり、よって燃料の寿命を延ばし、その寿命全体に
わたって反応度を比較的一定に維持する。

燃料の寿命初期において炉心内での燃料の過剰分の使
用を可能とするため、従来の或る手段では、可燃性吸収
材を燃料ペレットの核分裂性物質と直接混合し、一体化
させている。また、他の従来手段としては、可燃性吸収
材コーティングを燃料ペレットの表面に形成するという
ものがある。例えば、米国特許第3,427,222号明細書で
は、燃料ペレットはそれぞれの表面に融着されたコーテ
ィングを有している。各燃料ペレットは、濃縮酸化ウラ
ンのような核分裂性物質の焼結粒子と、ホウ素、カドミ
ウム、ガドリニウム、サマリウム及びユウロピウムのよ
うな可燃性吸収材若しくは毒物質を含む所定厚さの外側
コーティングとから成る円筒体である。使用されるホウ
素含有化合物の例は炭化ホウ素、窒化ホウ素、ホウ化ジ
ルコニウム又は二ホウ化ジルコニウムである。前述した
従来手段は、燃料・可燃性吸収材一体化棒（IFBA棒）で
十分に応用化され、これはウエスチングハウス・エレク
トリック・コーポレーションにより販売、製造されてお
り、「VANTAGE5」として一般に知られているPWR用燃料
集合体で使用されている。

二ホウ化ジルコニウムは、燃料の寿命、ひいては燃料
棒の寿命を延ばすために核燃料ペレットの可燃性吸収材
コーティングないし毒物コーティングとして使用する場
合、特に魅力のある物質であることは分かっている。し
かしながら、この可燃性吸収材が燃焼されるにつれて発
生される過剰なヘリウムに起因する潜在的な問題点があ
る。即ち、ヘリウムの約50％はコーティングにより保持
されるが、残り50％は燃料棒内に放出されてしまう。コ
ーティングから放出されるヘリウムによって燃料棒のプ
レナム内では圧力が蓄積し、万一出力過渡変動の場合に
は、燃料棒被覆管の径方向外方へのスエリング及び燃料
棒間の冷却材流れの遮断を生じうるガス膨張を生じるお
それがある。

従って、燃料ペレットの可燃性吸収材コーティングと
して使用される二ホウ化ジルコニウムは、燃料寿命の延
長、そして燃料棒への使用に寄与するものの、過剰なヘ
リウムの放出や膨張によって引き起こされるスエリング
の結果として燃料棒の有効寿命を制限するおそれがあ
る。よって、燃料棒の有効寿命を短縮しうるヘリウムの
放出及び内部圧力の増加を減じるための手段が必要とさ
れている。

発明の概要本発明は、上述の必要性を満足させるように設定され
たヘリウム放出低減可燃性吸収材のコーティングを有す
る核燃料を提供する。ヘリウム放出低減特性を有する適
当な物質は、燃料棒プレナムへのヘリウム放出を防止又
は低減するためにコーティング内でヘリウム原子を捕獲
するのに十分な密度を有するものである。

従って、本発明は、（ａ）核分裂性物質を含む核燃料
基体と、（ｂ）前記核燃料基体に設けられたヘリウム放
出低減可燃性吸収材の外側コーティングとから成る可燃
性吸収材被覆核燃料に向けられている。特に、外側コー
ティングとしては、二ホウ化マンガン、ホウ化エルビウ
ム、金属エルビウム、酸化エルビウム及び二ホウ化ジル
コニウムのスパッタリングによる混合物、ホウ化エルビ
ウム、或は二ホウ化ジルコニウムの内側層及び酸化エル
ビウムの外側層から成る２層外側コーティングが考えら
れる。好ましくは、燃料基体は二酸化ウランの円筒体で
あり、外側コーティングは円筒体の連続的な円筒形外周
面上に形成される。

本発明の上記及び他の特徴や利点は、本発明の実施例
が図示された図面に沿って、以下の本発明の実施例の詳
細な説明を読むことにより、当業者にとって明らかにな
るであろう。

発明の詳細な説明以下の説明において、同一の参照符号は全図面を通し
て同一又は相当部分を示している。また、以下の説明に
おいて、「前方」、「後方」、「左方」、「右方」、
「上方」、「下方」等の語は便宜上の言葉であり、限定
的な語として解釈されるべきものではない。

全体的な説明図面、特に第１図を参照すると、燃料集合体10が立面
図で、垂直方向又は縦軸方向に短縮した形で示されてい
る。この燃料集合体10は加圧水型原子炉（PWR）で用い
られる型式であり、基本的に、原子炉（図示しない）の
炉心領域における下部炉心板（図示しない）上に燃料集
合体10を支持するための下部構造、即ち下部ノズル12と
この下部ノズル12から上方に向かって突き出して縦方向
に延びる多数の案内管、即ち案内シンブル14とを備えて
いる。

更に、燃料集合体10は、案内シンブル14に沿って軸方
向に互いに隔てられた複数の横向きの格子16と、これら
の格子16により互いに横方向に隔てられ支持された細長
い燃料棒18の組織化された配列とを備えている。また、
燃料集合体10は、その中心に配置されている計装管20
と、案内シンブル14の上端に取り付けられた上端構造、
即ち上部ノズル22とを有している。このような構成部品
の配列により、燃料集合体10は、その構成部品を損傷さ
せることなく普通に取り扱うことのできる一体ユニット
を形成する。

燃料集合体10の燃料棒18は、横方向に互いに離隔され
た配列に配置され、それぞれ同一の構成となっている。
即ち、各燃料棒18は細長い中空の被覆管24を備え、この
被覆管24の両端には上部端栓26と下部端栓28が取り付け
られてこれを封止し、管内部に密封室30を画成してい
る。この密閉室30内には、複数の核燃料ペレット32が端
部同士を突き合わせる配列、即ち積重体の形で配置され
ており、また、これらの核燃料ペレット32は、密封室30
内においてペレット積重体の上部と上部端栓26との間に
配置されたばね34の作用により、下部端栓28に接するよ
う偏倚されている。

従来の燃料・可燃性吸収体一体化棒 PWRの運転においては、ウラン燃料をより有効に利用
して燃料コストを低減するために、可能な限り炉心の寿
命を延ばすことが望ましい。この目的を達成するため
に、初期に炉心に過剰反応度を与え、同時にその寿命全
体にわたって反応度を比較的一定に維持する手段を与え
るのが一般的な慣行である。

前述したように、反応度を制御するための従来手段の
一つとしては、第２図に示すような燃料・可燃性吸収材
一体化棒（IFBA棒）と称される燃料棒を用いるというも
のがある。このようなIFBA棒は、ウエスチングハウス・
エレクトリック・コーポレーションにより製造、販売さ
れているVANTAGE5核燃料集合体に設けられている。この
IFBA棒は、可燃性吸収材若しくは毒物質を含む数個の燃
料ペレットを有している燃料棒18である。より詳細に
は、毒物質を含まない燃料ペレット32Aの端部同士突き
合わせた配列、即ち連鎖体は、燃料棒18の燃料ペレット
積重体の上端部分及び下端部分に配設されており、毒物
質を有する燃料ペレット32Bの連鎖体は積重体の中間部
分に配設されている。

第３図及び第４図に示すように、可燃性吸収材を含ま
ない各燃料ペレット32Aは、核燃料、即ち濃縮二酸化ウ
ランのような核分裂性物質から成る中実の完全円筒体36
Aの形状を呈している。第５図及び第６図に示すよう
に、可燃性吸収材を含む各燃料ペレット32Bは、核燃
料、即ち濃縮二酸化ウランのような核分裂性物質の基体
として働く中実の完全円筒体36Bと、この円筒体36Bの外
周面40上に全周にわたり設けられた薄い円筒形のコーテ
ィング38とから構成されている。コーティング38は二ホ
ウ化ジルコニウム（ZrB₂）であり、その中のホウ素10同
位体は効果的な中性子吸収材である。或はまた、被覆燃
料ペレット32Bは、濃縮ウラン燃料と完全に混合された
ガドリニアのような可燃性吸収材若しくは毒物質から成
るものとしても良い。ジルコニウムは、可燃性吸収材が
燃焼されるにつれてコーティングの分解を防止するため
にホウ素を互いに保持するための結合マトリックスを形
成する。

ヘリウム放出低減可燃性吸収材が被覆された燃料ペレッ
ト前述したように、二ホウ化ジルコニウムの使用に伴う
問題点は、燃料棒プレナム若しくは密封室30内にヘリウ
ムのガス圧が蓄積されることである。本発明は、燃料ペ
レットに加えられた可燃性吸収材からのヘリウム放出を
減じるために、IFBA棒における従来の毒物被覆燃料ペレ
ットを改良したものである。本発明の核燃料は、従来の
可燃性吸収材被覆燃料の前記問題点を解決するが、反応
度を制御するためのIFBA棒による手段の利益はそのまま
保持することができる。

次に第７図〜第10図を参照すると、本発明の原理に従
った可燃性吸収材被覆核燃料42の幾つかの実施例が与え
られている。各実施例において、核燃料42は、核分裂性
物質を含む核燃料基体44と、この基体44に付着されたヘ
リウム放出低減可燃性吸収材の外側コーティング46とか
ら構成されている。

ヘリウム放出低減特性を有する適当な可燃性吸収材
は、燃料棒プレナム内へのヘリウムの放出を防止又は抑
制するため、コーティング内でヘリウム原子を捕獲する
のに十分な密度を有するものである。また、適当な可燃
性吸収材は、ヘリウムを発することがなく、しかも十分
な中性子吸収断面積を有するものでも良い。第７図に示
す第１の実施例において、核燃料42Aは二ホウ化マンガ
ンの外側コーティング46Aを有しており、二ホウ化マン
ガンの利点はその密度が二ホウ化ジルコニウムの密度の
約167％である点にある。第２〜第４の実施例におい
て、核燃料42B、42C、42Dの外側コーティング46B、46
C、46Dは酸化エルビウム又はホウ化エルビウムであり、
これらはヘリウムを発生せず、許容中性子吸収断面積を
有し、しかもスパッタリング技術による適用が可能な溶
融温度を有しているので、二ホウ化ジルコニウムの補足
材又は置換材として適当である。より詳細には、第８図
に示す第２の実施例において、外側コーティング46B
は、酸化エルビウムと二ホウ化ジルコニウムのスパッタ
リングによる混合体である。第９図に示す第３の実施例
では、外側コーティング46Cはホウ化エルビウムのみか
ら成り、二ホウ化ジルコニウムの代わりに用いられてい
る。尚、外側コーティング46Cは核燃料基体44全体にス
パッタリングされた金属エルビウムとすることもでき
る。第10図に示す第４の実施例において、外側コーティ
ング46Dは２層とされており、二ホウ化ジルコニウムの
内側層48と、酸化エルビウムの外側層50とから成る。ま
た、本発明のコーティングに用いられるマンガン及びエ
ルビウムは、それらがコーティングにホウ素を保持する
ための結合マトリックスを提供する点で有効である。

好適には、核燃料基体44は二酸化ウランの円筒体であ
り、外側コーティング46はこの円筒体の連続外周面52に
付着される。コーティング46の付着には種々の方法が用
いられうる。適用可能な方法の例は米国特許第3,427,22
2号明細書に開示されており、参考のためこれを参照さ
れたい。

本発明と本発明に付随する多くの利点は、前述の説明
から理解されるであろう。また、本発明の精神及び範囲
を逸脱することなく、或はその実質的な利点を犠牲にす
ることなく、形態、構成及び配列に関し、種々の変更が
可能であり、よって、以上に述べた形態は、単に本発明
の好適な実施例にすぎないことは明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の核燃料集合体の正面部分断面図であ
り、明瞭化のために一部を切り欠き、垂直方向に短縮し
た形で示した図、第２図は、第１図の燃料集合体に取り
付けられ、中間部に可燃性吸収材被覆核燃料ペレットの
連鎖体を有し、上端部分と下端部分に非被覆燃料ペレッ
トの連鎖体を有している従来の燃料棒を垂直方向に短縮
して示す拡大軸方向断面図、第３図は、第２図の燃料棒
における従来の非被覆燃料ペレットの１つを示す拡大断
面図、第４図は、第３図の４−４線に沿っての縦軸方向
断面図、第５図は、第２図の燃料棒における可燃性吸収
材被覆燃料ペレットの１つを示す拡大断面図、第６図
は、第５図の６−６線に沿っての縦軸方向断面図、第７
図は、本発明に従った可燃性吸収材被覆核燃料ペレット
の第１の実施例を示す縦軸方向断面図、第８図は、本発
明に従った被覆燃料ペレットの第２の実施例を示す縦軸
方向断面図、第９図は、本発明に従った被覆燃料ペレッ
トの第３の実施例を示す縦軸方向断面図、第10図は、本
発明に従った被覆燃料ペレットの第４の実施例を示す縦
軸方向断面図である。図中、 10……燃料集合体、18……燃料棒 42A,42B,42C,42D……可燃性吸収材被覆核燃料 44……核燃料基体 46A,46B,46C,46D……外側コーティング

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）核分裂性物質を含有する核燃料基体
と（ｂ）前記核燃料基体に施されたヘリウム放出低減性可
燃性吸収材の外側コーティングとを有し、前記ヘリウム放出低減性可燃性吸収材は、二ホウ化マン
ガン、酸化エルビウムと二ホウ化ジルコニウムのスパッ
タリングによる混合物、二ホウ化エルビウム及び金属エ
ルビウムからなる群の中からの選択された一つの物質で
あることを特徴とする可燃性吸収材被覆核燃料。