JP3418952B2

JP3418952B2 - 高温ガス炉用燃料棒

Info

Publication number: JP3418952B2
Application number: JP09164299A
Authority: JP
Inventors: 和弘沢; 秀治吉牟田
Original assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Current assignee: Nuclear Fuel Industries Ltd
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 1999-03-31
Publication date: 2003-06-23
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JP2000284084A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温ガス炉用の燃
料体に関するもの、特に、六角柱型黒鉛ブロックを用い
た除熱性能の高い六角柱型燃料体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】燃料を含む炉心構造を熱容量が大きくて
高温健全性の良好な黒鉛で構成し、冷却ガスとして高温
下でも科学的反応の起きないヘリウムガスなどの気体を
用い、高い出口温度の冷却ガスを取り出せるように設計
された原子炉である高温ガス炉は、固有の安全性が高
く、約９００℃の高温熱を供給できるため発電の他に幅
広い分野での核熱利用を可能としたものである。

【０００３】この高温ガス炉の燃料には、粒子状のセラ
ミックス燃料核を炭素等で被覆した被覆燃料粒子を黒鉛
マトリックス中に分散して一定形状に成型加工した燃料
コンパクトの形で使用されている。

【０００４】燃料核は、ＵＯ_２，ＵＣＯ，ＵＣ_２，（Ｔ
ｈ，Ｕ）Ｏ_２，ＴｈＯ_２，等の核分裂物質の直径数百μ
ｍのセラミックス粒子が代表的である。図５に示すよう
に、被覆燃料粒子１０２は、燃料核１２０を熱分解炭素
等で４層に被覆して成るものが一般的であり、この被覆
層１１０によって核分裂生成物（ＦＰ）の放出が防止さ
れるものである。

【０００５】内側から第１被覆層１１１を構成する低密
度熱分解炭素（約1.0g/cm^３）は気体ＦＰに対してプレ
ナム（収容空間）部を与えると共に、第２被覆層１１２
を反跳核分裂片や燃料核のスウェリングから守る機能を
有する。第２被覆層１１２を構成する等方性高密度熱分
解炭素（約1.8g/cm^３）は、気体ＦＰの拡散障壁であ
る。

【０００６】第３被覆層１１３は、ＳｉＣ又はＺｒＣで
構成され、金属ＦＰの拡散障壁であると共に、被覆層の
強度を担う主要部材となっている。第４被覆層１１４を
構成する等方性高密度熱分解炭素（約1.8g/cm^３）は、
気体ＦＰの拡散障壁であると共に、第３被覆層１１３を
機械的に保護する機能を有するものである。

【０００７】一般的な被覆燃料粒子の直径は約５００〜
１０００μｍ程度の範囲で設計されている。図５に示す
ように、一般的な燃料コンパクト１００は、上記の如き
被覆燃料粒子１０２を、黒鉛粉末、粘結剤等からなる黒
鉛マトリックス材１０１と共にプレス成形又はモールド
成型した後、焼成して得られ、形状は中空円筒形或いは
円筒形である。

【０００８】上記の如き燃料コンパクトは、通常、六角
柱型黒鉛ブロックの複数の挿入孔にそれぞれ挿入された
状態で燃料体を構成し、この六角柱型燃料体を多数個、
ハニカム配列に複数段に重ねて炉心を構成している。従
来の代表的な六角柱型燃料体としては、まず、図６に示
すような、ピン・イン・ブロック型と呼ばれるものが挙
げられる。

【０００９】これは、外周方向へ延在するスペーサ２０
２が形成されている黒鉛スリーブ２０１に燃料コンパク
トを内蔵して成る燃料棒２００を、黒鉛ブロック２１０
の燃料棒挿入孔２１１内に挿入したものであり、冷却ガ
スは、黒鉛スリーブ２０１の外側の挿入孔２１１内を流
れる構成となっている。このようなピン・イン・ブロッ
ク型の方式は、日本の高温工学試験研究炉で採用されて
いる。

【００１０】また、他の六角柱型燃料体として、図７に
示すようなマルチホール型と呼ばれるものがある。これ
は、黒鉛ブロック３１０に燃料コンパクト用挿入孔３１
１と冷却孔３１２とを別個に設けたものである。燃料コ
ンパクト用挿入孔３１１内に燃料コンパクト３０１を
（黒鉛スリーブなし）挿入し、冷却孔３１２内にのみ冷
却ガスを流通させる構成となっている。このマルチホー
ル型の方式は、米国のFort St. Vrain炉で採用され
た。

【００１１】一般的には、上記のような六角柱型燃料体
は、炉心内では軸方向に約５〜１０段程度重ねて装荷さ
れている。例えば、前記高温工学試験研究炉では、一水
平面３０体の六角柱型燃料体を５段に重ねて計１５０体
で炉心を構成している。

【００１２】以上の２つのタイプの燃料体は、いずれの
場合も燃料コンパクトは直接的に冷却剤に晒されない構
成となっている。しかし、最近では、炉心の平均出力密
度の増大に伴う燃料温度の上昇を抑制するために、より
除熱性能が高い構成の燃料体が望まれている。

【００１３】その中で、例えば、黒鉛スリーブと燃料コ
ンパクトとの間隙（ギャップ）を実質的になくして両者
を一体化した一体型燃料コンパクトの開発が進められて
いる。これは、図８に示すように、黒鉛スリーブの代わ
りに燃料コンパクト４０３の内周および外周に、被覆燃
料粒子４０１を含まない黒鉛殻領域４０２を設けた一体
型燃料コンパクト４００である。黒鉛殻領域４０２は、
被覆燃料粒子４０１を保護するものであるが、特に、黒
鉛ブロック４１０の挿入孔４１１の内壁面から突出して
いるスペーサ（不図示）が被覆燃料粒子４０１に直接接
触するのを防止する役割を有している。

【００１４】この一体型燃料コンパクト４００を六角柱
型黒鉛ブロック４１０の挿入孔４１１内に挿入した燃料
体では、従来の黒鉛スリーブ内に燃料コンパクトを内蔵
して両者間にギャップが生じている場合よりも燃料温度
を１００℃程度低減できることが明らかとなっている。
また、一体型燃料コンパクト４００を中空円筒形状に成
型し、中空部４０４内へも冷却ガスを流通させることに
よって燃料温度のさらなる低減が図れる。

【００１５】以上のように、一体型燃料コンパクトは、
できるだけ燃料コンパクトを直接的に冷却ガスに晒すこ
とによって燃料体の除熱性能の向上を図ったものであ
る。この除熱性能の向上は、逆説的にみれば、燃料の熱
的制限値、即ち、燃料最高温度までの安全余裕の増大を
可能にするものである。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
一体型燃料コンパクトにおいても、被覆燃料粒子が黒鉛
マトリックス内に分散された燃料コンパクトと冷却ガス
との間に被覆燃料粒子を含まない黒鉛殻領域が存在して
いるため、実質的な燃料コンパクト外周の直接冷却状態
は得られていない。そこで、より高い燃料体の除熱性能
を得るためには、中空内壁面だけでなく、燃料コンパク
ト外周面への直接冷却領域をできるだけ大きくすること
が必要である。

【００１７】一方、燃料コンパクトは、通常複数個が軸
方向に重ねられて燃料棒を構成するものであるため、黒
鉛スリーブという支持固定手段が無ければ、黒鉛ブロッ
クの挿入孔内に突設されたスペーサのみに支えられるだ
けであるので不安定な状態となり、冷却ガス流通による
流力振動が生じ易くなる。

【００１８】この振動のため、黒鉛ブロックの挿入孔内
周面との接触、或いは燃料コンパクト同士の接触によっ
て摩耗が生じてしまう。この摩耗は、被覆燃料粒子の被
覆層への機械的損傷を生じせしめ、ＦＰの保持機能が阻
害される恐れがある。

【００１９】本発明は、上記問題点に鑑み、燃料コンパ
クトを安定に黒鉛ブロックの挿入孔内に棒状に保持でき
ると共に、従来より燃料コンパクトへの直接的冷却効率
の向上が図れる高温ガス炉用燃料棒を得ることを目的と
する。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明に係る高温ガス炉用燃料棒
は、高温ガス炉用燃料体の黒鉛ブロックに形成された複
数の挿入孔に各々挿入される燃料棒であって、複数の燃
料コンパクト及びこれら燃料コンパクトを軸方向に積層
した状態で棒状に保持する支持手段とを備えてなる高温
ガス炉用燃料棒において、前記支持手段は、燃料コンパ
クトの外周面と黒鉛ブロックの挿入孔の内周面との間に
冷却ガスのための流路を形成する流路形成手段を備え、
燃料コンパクトの外周面の少なくとも一部が前記流路に
露呈されるものである。

【００２１】また、請求項２に記載の発明に係る高温ガ
ス炉用燃料棒は、請求項１に記載の高温ガス炉用燃料棒
において、前記支持手段が、積層状態の燃料コンパクト
を内包するスリーブを有し、該スリーブには燃料コンパ
クトの外周面の一部を前記流路に露呈させる開口が設け
られているものである。

【００２２】また、請求項３に記載の発明に係る高温ガ
ス炉用燃料棒では、請求項１に記載の発明に係る高温ガ
ス炉用燃料棒において、燃料コンパクトが中空円筒形状
であり、前記支持手段が、複数の燃料コンパクトの各中
空部を貫いてこれら燃料コンパクトを軸方向に積層状態
で支持する支持軸を備えているものである。

【００２３】さらに、請求項４に記載の発明に係る高温
ガス炉用燃料棒では、請求項３に記載の高温ガス炉用燃
料棒において、前記支持軸が、冷却ガス流路を形成する
中空管形状を有するものである。

【００２４】また、請求項５に記載の発明に係る高温ガ
ス炉用燃料棒では、請求項４に記載の高温ガス炉用燃料
棒において、前記支持軸には、燃料コンパクトの中空部
内周面の一部を前記中空管冷却ガス流路に露呈させる開
口が設けられているものである。

【００２５】また、請求項６に記載の発明に係る高温ガ
ス炉用燃料棒では、請求項１に記載の高温ガス炉用燃料
棒において、前記複数の燃料コンパクトが、互いに緩衝
材層を挟んで積層されているものである。

【００２６】さらに、請求項７に記載の発明に係る高温
ガス炉用燃料棒では、請求項６に記載の高温ガス炉用燃
料棒において、前記緩衝材層は燃料コンパクトより低密
度の圧縮可能材質から成り、軸方向に積層された複数の
燃料コンパクトは、前記支持手段によって軸方向に圧縮
力負荷状態で棒状に保持されているものである。

【００２７】本発明においては、高温ガス炉用燃料棒を
構成する複数の燃料コンパクトを軸方向に積層して棒状
に保持する支持手段に流路形成手段を備えたことによっ
て、燃料コンパクトの外周面と黒鉛ブロックの挿入孔の
内周面との間に冷却ガスのための流路を形成しながらも
各燃料コンパクトを黒鉛ブロックの挿入孔内に安定な固
定状態で保持することができるだけでなく、支持手段は
燃料コンパクトの外周面の少なくとも一部を前記流路に
露呈させるものであるため、従来のような黒鉛殻を必要
とせず、燃料コンパクトに対するより直接的な冷却が可
能となる。

【００２８】このような本発明の支持手段の形態として
は、開口が設けられたスリーブを用いたものが挙げられ
る。このスリーブ内に内包される複数の燃料コンパクト
は、スリーブの開口において、外周側面の一部が前記黒
鉛ブロックの挿入孔の内周面との間に形成されている流
路に露呈されるため、流路を流れる冷却ガスによって直
接的に冷却される。

【００２９】このスリーブからなる支持手段の場合は、
従来の黒鉛スリーブと同様の、スリーブ外周に形成され
たフィン形状のスペーサを前記流路形成手段とすること
ができる。従って、本発明による支持手段のスリーブ
は、既存の一般的なスリーブを基本として構成できるた
め、設計、製造が簡便となる。

【００３０】さらに、本発明のスリーブに内包される燃
料コンパクトを、それぞれスリーブ内周径とほぼ合致す
る外周径を持ちつ同一形状の中空円筒形状とした場合、
スリーブ内に軸方向に積層された各燃料コンパクトの中
空部はスリーブの長手方向に亘って連通した中空管を形
成し、これを冷却ガスの流路とすることができ、燃料コ
ンパクトを中空内周面から直接冷却することが可能とな
り、冷却効率の向上がさらに飛躍する。

【００３１】また、燃料コンパクトが中空円筒形状であ
る場合、本発明の他の支持手段として、燃料コンパクト
の各中空部を貫通状態でこれら燃料コンパクトを軸方向
に積層状態で支持する支持軸を備えたものが挙げられ
る。

【００３２】この支持軸は、前記流路形成手段として、
例えば底部に鍔上のスペーサを備えれば、黒鉛ブロック
の挿入孔内での挿入状態において燃料コンパクト外周面
と挿入孔内周面との間に冷却ガス用流路を形成した状態
で、スリーブや黒鉛殻等の燃料コンパクト外周側面を覆
うものを必要とすることなく複数の燃料コンパクトを軸
方向に積層した状態で棒状に安定な状態で保持すること
ができる。

【００３３】従って、スリーブを用いる場合と比較し
て、スリーブの厚さ分だけ燃料コンパクトの体積を増大
させることができるため、燃料コンパクトの被覆燃料粒
子の充填率を同一とすると相対的に被覆燃料粒子の充填
量、即ち燃料ウラン量を増加させることができ、各燃料
コンパクトの熱出力の増加による炉全体の熱出力の増加
が容易になる。また逆に、燃料棒の総ウラン量を同一と
する場合には被覆燃料粒子の燃料コンパクト充填率を低
減することができるので、一般的傾向として燃料コンパ
クト製造時における被覆層の破損率の低減が図れる。

【００３４】この支持軸による支持状態では、燃料コン
パクトのほぼ全外周側面を流路に露呈させることができ
るため、冷却ガスによる燃料コンパクト全外周側面の直
接的冷却が可能となり、冷却効率の大幅な向上が図れ
る。

【００３５】また、中空円筒形状の燃料コンパクトを前
記開口を有するスリーブ内に内包する場合には、このス
リーブに、燃料コンパクトの中空部を貫通する支持軸を
さらに備えて複数の燃料コンパクトの支持をより安定し
たものにできる。

【００３６】また、前記支持軸を中空管形状として冷却
ガス流路を形成する構成とすれば、燃料コンパクトの中
空内周面をも支持軸管を介して冷却することができ、さ
らなる燃料コンパクトに対する冷却効率の向上が図れ
る。

【００３７】また、この中空管形状の支持軸に開口を設
ければ、燃料コンパクトの中空内周面の一部を中空管内
の冷却ガス流路に露呈させることができるため、燃料コ
ンパクト表面への直接的冷却部位がより広範囲となり、
より効率的な冷却を行うことができる。

【００３８】なお、本発明の支持手段によって複数の燃
料コンパクトを軸方向に積層して棒状に保持するに当た
って、燃料コンパクト同士の間に緩衝材層を挟んでおけ
ば、黒鉛ブロックの挿入孔内で冷却ガスの流力振動が生
じ始めても振動の伝達が防がれ、燃料コンパクト同士の
フレッテインング摩耗は抑制され、被覆燃料粒子の被覆
層の破損が回避できる。

【００３９】さらに、前記緩衝材層を燃料コンパクトよ
り低密度の圧縮可能材質から構成し、複数の燃料コンパ
クトを前記支持手段によって棒状に保持する際に軸方向
圧縮力負荷状態とすれば、この圧縮力によって緩衝材層
の燃料コンパクト同士のフレッテイング摩耗の抑制効果
はさらに高くなる。

【００４０】緩衝材としては、例えば、カーボンフェル
トや、又は燃料コンパクトの黒鉛マトリックス材と同一
部材で燃料コンパクトより低密度に加工した材料が適し
ている。

【００４１】

【発明の実施の形態】（実施形態１）以下に、本発明に
よる高温ガス炉用燃料棒の第１の実施形態として、支持
手段にスリーブを用いた燃料棒を図１に示す。図１
（ａ）は本実施形態による燃料棒の黒鉛ブロックの挿入
孔内に挿入された状態を示す概略構成図であり、（ｂ）
は（ａ）の燃料棒のｘ−ｘ矢視横断面図であり、（ｃ）
は（ａ）図の縦断面図である。

【００４２】本実施形態では、内径１０ｍｍで外径２６
ｍｍの肉厚８ｍｍ、高さ３８ｍｍの中空円筒形状を持つ
燃料コンパクト１を１４個で１スタックとする編成と
し、これら燃料コンパクト１を内径２８ｍｍ、外径３４
ｍｍ、長さ５７８ｍｍの黒鉛スリーブ４内に軸方向に積
層状態で内包させてスリーブ型燃料棒を構成した。

【００４３】黒鉛スリーブ４には、側壁にスリーブの長
手方向に伸びる長さ５５４ｍｍ、幅２３．６ｍｍのスリ
ット状開口６が周方向に６０度の等角度間隔で３つ形成
されており、隣り合う開口６の間には、黒鉛ブロック１
０の挿入孔１１内に挿入された際に挿入孔１１内周とス
リーブ４外周との間に所定の間隔を維持するためのフィ
ン状のスペーサ５がそれぞれ縦方向に並んで複数突設さ
れている。

【００４４】又、最上部に突設されたスペーサ５ａは、
燃料棒が挿入孔１１内で回転変位するのを防ぐため、挿
入孔１１内周の上部に形成された凹状係止部に嵌合して
スリーブ４の回転を規制する形状とし、最下部に突設さ
れたスペーサ５ｂは、燃料棒が挿入孔１１内から脱落す
ることなく留まるために挿入孔１１内下部に形成された
凸状係止部に嵌合して燃料棒自重を支持する構成とし
た。

【００４５】このような黒鉛スリーブ４内に燃料コンパ
クト１を積層しながら挿入する際に、互いに上下に位置
する燃料コンパクト１同士の間に、緩衝材層として内径
１２ｍｍ、外径２８ｍｍ、厚さ１ｍｍの中空円盤状カー
ボンフェルト２を挟んだ。また、スリーブ底部４ａと最
下段燃料コンパクトとの間及び上端栓８と最上段燃料コ
ンパクトの間にも、厚さ１０ｍｍの中空円盤状カーボン
フェルト（２ａ，２ｂ）をそれぞれ介在させた。

【００４６】これら上下部カーボンフェルト（２ａ、２
ｂ）は、黒鉛スリーブ４内に全燃料コンパクト１が各境
界でカーボンフェルト２を挟んだ状態で積層されて上端
栓８が締められて燃料棒が組上がった際に、それぞれ厚
さ６ｍｍまで圧縮され、燃料コンパクト１のスタックに
軸方向への圧縮力を与えるものである。この圧縮力によ
り、挿入孔１１内で冷却ガス流力に晒されても振動は抑
えられ、各燃料コンパクト１のフレッティングが抑制さ
れる。

【００４７】また、図１（ｂ）及び（ｃ）に示すよう
に、黒鉛スリーブ４の底部４ａおよび上端栓８には、そ
れぞれの中央に直径１０ｍｍの貫通孔が形成されてお
り、燃料棒組上がり時には、これら上下の貫通孔とスリ
ーブ４内に積層された全燃料コンパクト１およびカーボ
ンフェルト（２，２ａ，２ｂ）の中空部が連通され、挿
入孔１１内に挿入載置状態において冷却ガスが流通可能
な冷却ガス流路３が形成される。

【００４８】以上のように組み立てられた本実施形態に
よる燃料棒をそれぞれ黒鉛ブロック１０の内径４１ｍｍ
の各挿入孔１１内に挿入し、最上部スペーサ５ａおよび
最下部スペーサ５ｂをそれぞれ挿入孔１１内の上部凹状
係止部および下部凸状係止部にそれぞれ嵌合して回転お
よび脱落抑制状態で載置固定すると、前記スペーサ５に
よって、燃料棒のスリーブ４外周と挿入孔１１内周との
間に約３．５ｍｍ間隔の冷却ガス用流路９が形成され
る。

【００４９】ここで、各燃料棒のスリーブ４の開口６に
おいて燃料コンパクト１の外周面の一部が冷却ガス流路
９に露呈するため、燃料コンパクト１の外周面からの直
接的冷却が行える。同時に、本実施形態による燃料棒で
は、スリーブ４内を貫通する燃料コンパクト１およびカ
ーボンフェルト２の中空部によって形成された流路３に
冷却ガスが流通できるため、燃料コンパクト１の中空内
周面からの直接的冷却が行える。

【００５０】従って、本実施形態による燃料棒を黒鉛ブ
ロック１０の複数の挿入孔１１にそれぞれ挿入載置して
成る高温ガス炉用燃料体においては、冷却ガスによる燃
料コンパクト１に対する直接的冷却が広範囲に亘って行
えるため、炉心内での運転中における冷却効率が非常に
高いものとなる。

【００５１】なお、本実施形態においては、開口６をス
リーブ長手方向に伸びるスリット形状とした場合を示し
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば、図２の燃料棒簡略図に示すように、円形状の開口６
ａを多数形成するなど、スリーブ加工が可能で、スリー
ブ内に軸方向に積層される複数の燃料コンパクトを安定
に保持できると共に前記スペーサが形成可能な領域をも
つものであれば、開口の形状は様々なものが広く利用で
きる。

【００５２】（実施形態２）次に、本発明による高温ガ
ス炉用燃料棒の第２の実施形態として、スリーブ等の燃
料コンパクト外周を覆う部材を用いないで、支持手段に
中空円筒形状燃料コンパクトの中空部を貫通する支持軸
を用いたものを図３に示す。図３（ａ）は本実施形態に
よる燃料棒（黒鉛ブロック挿入孔内）を上方から見た平
面図であり、（ｂ）は中央縦断面図であり、（ｃ）はｙ
−ｙ矢視横断面図、（ｄ）はｚ−ｚ矢視横断面図であ
る。

【００５３】本実施形態では、内径１８ｍｍで外径３４
ｍｍの肉厚８ｍｍ、高さ３８ｍｍの中空円筒形状を持つ
燃料コンパクト１１を１４個で１スタックとする編成と
し、これら燃料コンパクト１１を、内径１０ｍｍ、外径
１６ｍｍの中空管形状を持つ貫通軸１４ａが底部支持板
１４ｂ上に一体成型されてなる支持軸１４の前記貫通軸
１４ａに中空部を貫通状態で積層して、図４の簡略図に
示すようなシャフト型燃料棒を構成した。

【００５４】支持軸１４には、貫通軸１４ａの側壁にそ
の長手方向に亘って伸びるスリット状の開口１７が、周
上の直径方向に２つ形成されている。また、底部支持板
１４ｂには、燃料棒外周面が黒鉛ブロック２０の挿入孔
２１の内周面に対して所定間隔を形成するためのスペー
サ１５が周方向に３つ形成されており、このスペーサ１
５は、燃料棒が挿入孔２１内から脱落することなく留ま
るために挿入孔２１内下部に形成された凸状係止部に嵌
合して燃料棒自重を支持する構成とした。

【００５５】また、貫通軸１４ｂ上端にはめ込まれて締
められる上部支持板１８には、周方向に６０度の等角度
間隔で突起１８ａが設けられており、これは、燃料棒が
挿入孔２１内で回転変位するのを防ぐため、挿入孔２１
内周の上部に形成された凹状係止部に嵌合して支持軸１
４の回転を規制する構成となっている。

【００５６】このような支持軸１４に燃料コンパクト１
１を貫通軸１４ａに中空部貫通状態で積層しながら挿入
する際に、互いに上下に位置する燃料コンパクト１１同
士の間に、緩衝材層として内径１８ｍｍ、外径３４ｍ
ｍ、厚さ１ｍｍの中空円盤状の黒鉛ディスク１２を、又
上部支持板１８と最上段の燃料コンパクト１１との間及
び底部支持板１４ｂと最下段の燃料コンパクト１１との
間には内径１８ｍｍ、外径３４ｍｍ、厚さ１０ｍｍの中
空円盤状カーボンフェルト（１２ａ，１２ｂ）をそれぞ
れ挟んだ。

【００５７】黒鉛ディスク１２は、燃料コンパクト１１
の黒鉛マトリックス材と同一素材からなり、その密度を
燃料コンパクト１１の黒鉛マトリックス材密度より低く
したものである。燃料コンパクト１１の黒鉛マトリック
ス材は黒鉛粉末（人造黒鉛：天然黒鉛＝２：８）に粘結
剤としてフェノール樹脂を２０Ｗｔ％混合し、密度１．
７g/cm³とした。これに対して黒鉛ディスク１２は上
記黒鉛マトリックス材と同一組成でその密度が１．５g/
cm³となるようにプレス成形した後、焼成して作成し
たものである。このように、黒鉛ディスク１２をこれと
接する燃料コンパクト１１の黒鉛マトリックス材より低
密度で軟らかいものとすることによって、燃料コンパク
ト１１の振動を抑制し、フレッティング摩耗が生じるの
を防ぐことができる。

【００５８】また、上下部カーボンフェルト（１２ａ、
１２ｂ）は、支持軸１４の貫通軸１４ａに全燃料コンパ
クト１１が各境界で黒鉛ディスク１２を挟んだ状態で貫
通積層されて上部支持板１８が締められて燃料棒が組上
がった際に、それぞれ厚さ６ｍｍまで圧縮され、燃料コ
ンパクト１１のスタックに軸方向への圧縮力を与えるも
のである。この圧縮力により、挿入孔２１内で冷却ガス
流力に晒されても振動は抑えられ、各燃料コンパクト１
１のフレッティングが抑制される。

【００５９】なお、上部支持板１８は、貫通軸１４ａの
上端部へのはめ込み時に貫通軸上端外周に螺合するネジ
穴が形成されており、このネジ穴によって貫通軸１４ａ
の中空部上端開口が露出する。従って、燃料棒組上がり
時には、貫通軸１４ａの中空部が挿入孔２１内に挿入載
置状態において冷却ガスが流通可能な冷却ガス流路１６
が形成される。

【００６０】以上のように組み立てられた本実施形態に
よる燃料棒をそれぞれ黒鉛ブロック２０の内径４１ｍｍ
の各挿入孔２１内に挿入し、上部支持板１８の突起１８
ａおよび底部支持板１４ｂのスペーサ１５をそれぞれ挿
入孔２１内の上部凹状係止部および下部凸状係止部にそ
れぞれ嵌合して回転および脱落抑制状態で載置固定する
と、前記スペーサ１５によって、燃料棒の燃料コンパク
トスタック外周と挿入孔２１内周との間に約３．５ｍｍ
間隔の冷却ガス用流路１９が形成される。

【００６１】ここで、各燃料棒の燃料コンパクト１１の
ほぼ全外周側面が冷却ガス流路１９に露呈するため、燃
料コンパクト１１の全外周側面からの直接的冷却が行え
る。同時に、本実施形態による燃料棒では、貫通軸１４
ａの中空内の流路１６にも冷却ガスが流通でき、更に、
この貫通軸１４ａの側壁に形成されて開口１７によっ
て、燃料コンパクト１１の中空部内周面の一部が流路１
６に露呈されることから、燃料コンパクト１１の中空部
内周面からも直接的に冷却できる。

【００６２】従って、本実施形態による燃料棒を黒鉛ブ
ロック２０の複数の挿入孔２１にそれぞれ挿入載置して
成る高温ガス炉用燃料体においては、冷却ガスによる燃
料コンパクト１１に対する直接的冷却が全外周側面と中
空部内周面の一部と非常に広範囲に亘って行えるため、
炉心内での運転中における冷却効率の大幅な向上が可能
となる。

【００６３】なお、本実施形態によるシャフト型燃料棒
では、燃料コンパクト１１の肉厚（８ｍｍ）を第１の実
施形態におけるスリーブ型燃料棒の燃料コンパクト１の
肉厚と同一とした。従って、一次近似では燃料コンパク
トの内外温度差を両者で同一とすることができる。

【００６４】第１の実施例によるスリーブ型燃料棒と比
較して、本実施形態によるシャフト型燃料棒では、両者
の全体積を同一とすると、スリーブを用いない分、燃料
コンパクトの体積を１．４４倍増加させることができ
る。これは、被覆燃料粒子サイズおよび燃料コンパクト
の被覆燃料粒子充填率の仕様を同一とした場合、本実施
形態の燃料棒では燃料コンパクトのウラン量を１．４４
倍増加できることを意味しており、結果として燃料コン
パクトの熱出力、即ち高温ガス炉の熱出力の増大を可能
にするものである。このように、本実施形態によるシャ
フト型燃料棒では、燃料コンパクトの冷却効率の大幅な
向上を図った上で熱出力の増大が可能となる。

【００６５】逆に、両者の燃料コンパクトのウラン量を
同一とした場合、本実施形態による燃料棒では燃料コン
パクトの被覆燃料粒子充填率を約７０％（１／１．４
４）に低減できる。一般的傾向として被覆燃料粒子の充
填率が高いほど製造時の被覆燃料粒子の被覆層、特に第
３層のＳｉＣ層の破損率も高くなる傾向にあり、現行の
高温工学試験研究炉の仕様では被覆燃料粒子充填率を３
０ vol％とし、このＳｉＣ層破損率の製造実績は１０
^−５台である。これに対して本実施形態によるシャフト
型燃料棒の構成で被覆燃料粒子充填率を２１ vol％（３
０ vol％×０．７）に低減すれば、ＳｉＣ被覆層の破損
率を一桁程度は低減できる。

【００６６】なお、以上の実施形態においては、燃料コ
ンパクトの黒鉛マトリックス材として、従来と同様のも
のを用いた場合を示したが、本発明はこれに限定される
ものではなく、例えば原子炉への空気、水等の酸化性物
質の浸入による燃料コンパクトの酸化損傷を想定した対
策として、ＳｉＣ等の耐酸化物質を混合した黒鉛マトリ
ックス材を使用したり、燃料コンパクト表面にＳｉＣ等
の耐酸化物質の被膜を耐酸化物質混合スリップを塗布或
いは含浸させて焼成したりＣＶＤに依る蒸着によって形
成するなど、黒鉛マトリックス材の組成が様々に変わっ
ても、常に燃料コンパクトの良好な支持状態と高い冷却
効率が得られるという本発明の効果は発揮される。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明の高温ガス
炉用燃料棒によれば、燃料コンパクトを安定に黒鉛ブロ
ックの挿入孔内に棒状に保持できると共に、従来より燃
料コンパクトへの直接的冷却効率の向上が図れるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による高温ガス炉用燃
料棒の説明図であり、（ａ）はスリーブ型燃料棒の黒鉛
ブロックの挿入孔内に挿入された状態を示す概略構成図
であり、（ｂ）は（ａ）の燃料棒のｘ−ｘ矢視横断面図
であり、（ｃ）は（ａ）図の縦断面図である。

【図２】図１のスリーブ型燃料棒の簡略図である。

【図３】本発明の第２の実施形態による高温ガス炉用燃
料棒の説明図であり、（ａ）はシャフト型燃料棒（黒鉛
ブロック挿入孔内）を上方から見た平面図であり、
（ｂ）は中央縦断面図であり、（ｃ）はｙ−ｙ矢視横断
面図、（ｄ）はｚ−ｚ矢視横断面図である。

【図４】図３のシャフト型燃料棒の簡略図である。

【図５】一般的な燃料コンパクトの構成を説明する模式
図である。

【図６】代表的なピン・イン・ブロック型の六角柱型燃
料体の一例を示す概略構成図である。

【図７】代表的なマルチホール型の六角柱型燃料体の一
例を示す概略構成図である。

【図８】代表的な一体型燃料コンパクトを用いた燃料体
の一例を示す説明図であり、（ａ）は六角型燃料体の概
略構成図であり、（ｂ）は一体型燃料コンパクトの模式
図である。

【符号の説明】１，１１，１００，３０１：燃料コンパクト２，１２ａ，１２ｂ：カーボンフェルト３，１６：冷却ガス流路４，２０１：黒鉛スリーブ５，５ａ，５ｂ，１５，２０２：スペーサ６，６ａ：スリーブ開口８：上端栓９，１９：冷却ガス流路１０，２０，２１０，３１０，４１０，：黒鉛ブロック１１，２１，２１１，３１１，４１１：挿入孔１２：黒鉛ディスク１４：支持軸１４ａ：貫通軸１４ｂ：底部支持板１７：貫通軸開口１８：上部支持板１８ａ：突起１０１，４０３：黒鉛マトリックス１０２，４０１：被覆燃料粒子１１０：被覆層１２０：燃料核２００：燃料棒３１２：冷却孔４００：一体型燃料コンパクト４０２：黒鉛殻

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平10−2981（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−165488（ＪＰ，Ｕ) 実開昭57−153293（ＪＰ，Ｕ) 実開昭56−159799（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 5/00 G21C 1/16 G21C 3/38

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】高温ガス炉用燃料体の黒鉛ブロックに形
成された複数の挿入孔に各々挿入される燃料棒であっ
て、複数の燃料コンパクト及びこれら燃料コンパクトを
軸方向に積層した状態で棒状に保持する支持手段とを備
えてなる高温ガス炉用燃料棒において、前記支持手段は、燃料コンパクトの外周面と黒鉛ブロッ
クの挿入孔の内周面との間に冷却ガスのための流路を形
成する流路形成手段を備え、燃料コンパクトの外周面の少なくとも一部が前記流路に
露呈されることを特徴とする高温ガス炉用燃料棒。
【請求項２】前記支持手段が、積層状態の燃料コンパ
クトを内包するスリーブを有し、該スリーブには燃料コ
ンパクトの外周面の一部を前記流路に露呈させる開口が
設けられていることを特徴とする請求項１に記載の高温
ガス炉用燃料棒。
【請求項３】燃料コンパクトが中空円筒形状であり、
前記支持手段が、複数の燃料コンパクトの各中空部を貫
いてこれら燃料コンパクトを軸方向に積層状態で支持す
る支持軸を備えていることを特徴とする請求項１に記載
の高温ガス炉用燃料棒。
【請求項４】前記支持軸は、冷却ガス流路を形成する
中空管形状を有することを特徴とする請求項３に記載の
高温ガス炉用燃料棒。
【請求項５】前記支持軸には、燃料コンパクトの中空
部内周面の一部を前記中空管冷却ガス流路に露呈させる
開口が設けられていることを特徴とする請求項４に記載
の高温ガス炉用燃料棒。
【請求項６】前記複数の燃料コンパクトが、互いに緩
衝材層を挟んで積層されていることを特徴とする請求項
１に記載の高温ガス炉用燃料棒。
【請求項７】前記緩衝材層は燃料コンパクトより低密
度の圧縮可能材質から成り、軸方向に積層された複数の
燃料コンパクトは、前記支持手段によって軸方向圧縮力
負荷状態で棒状に保持されていることを特徴とする請求
項６に記載の高温ガス炉用燃料棒。