JP6786134B1 - ディスク型可燃性吸収体を含む核燃料棒、同核燃料棒の製造方法及び同核燃料棒を用いた原子炉 - Google Patents
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Abstract
【課題】原子炉の固有の安全性を向上させる核燃料棒を提供する。【解決手段】少なくとも１つ以上の燃料ペレット１１と、該燃料ペレットを囲う被覆管とを含む核燃料棒１０であって、前記被覆管１２の内部に少なくとも１つ以上の可燃性吸収体１３を含み、前記可燃性吸収体は、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含む、核燃料棒が開示される。【選択図】図２
Description
本発明は、可燃性吸収体を含む核燃料棒に関する。
原子力発電所とは、核反応から放出される核エネルギーから電気を作り出す発電所である。核分裂連鎖反応に基づく商業用原子力発電所は、中性子の減速方法及び得られる中性子エネルギーによって、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）、加圧重水型原子炉（ＰＨＷＲ）、沸騰水型原子炉（ＢＷＲ）、及び高速炉（ＦＲ）に分類される。核分裂連鎖反応の基本原理は、ウラン２３５（Ｕ−２３５）等の核分裂性材料が、中性子を１個吸収し、次いで、他の核分裂性材料と更なる核分裂反応を起こす約２．５個の中性子を放出することを繰り返すプロセスである。核分裂反応では、中性子の運動エネルギーの形態でエネルギーが放出され、ガンマ線等の核分裂生成物が放出される。
原子力発電所の原子炉内では、核分裂で放出される中性子の数を人為的に調整して、望み通りに核分裂連鎖反応を制御している。核分裂反応によって生成する中性子の量が、失われた中性子の量より多い場合、少ない場合、又は等しい場合、これらの状態は、各々、「超臨界」状態、「未臨界」状態、又は「臨界」状態と定義される。このような核分裂連鎖反応の程度を示す物理的数値を「反応度」という。この反応度が正であると、炉は「超臨界」状態にあり、負であると、炉は「未臨界」状態にあり、ゼロであると、炉は「臨界」状態にある。
通常の軽水炉（ＬＷＲ）では、一定の割合のウラン２３５を濃縮したウラン系核分裂性材料をペレット状に加工し、核燃料集合体（ＦＡ）の束の形態で原子炉に投入する。原子炉は、各々、その設計寿命の間、一定の燃料サイクル毎に、燃焼した核ＦＡの一部を取り出し、新しい核ＦＡを投入して運転される。新しい核燃料投入後、サイクルの始め（ＢＯＣ）に反応度を制御せずに原子炉を運転すると、原子炉は「超臨界」状態となり、この際の反応度の値は「余剰反応度」と定義される。この「余剰反応度」は、通常、原子炉の燃料サイクルの初期段階において最も大きくなり、核燃料が燃焼するにつれて徐々に低下し、サイクル終了時に「臨界」状態に近づく。原子炉の実際の運転においては、燃料サイクルにおいて「余剰反応度」を調節し、人為的に炉を「臨界状態」に維持することが望ましい。
通常の原子炉においては、中性子吸収材料からなる制御棒を機械的に挿入する又は引き抜くことにより、余剰反応度を調節している。しかしながら、余剰反応度が大きいと、制御棒の機械的移動が大きくなり、反応度制御の不正確性が高まるだけではなく、事故の危険性も高まり得る。よって、通常の原子炉では、余剰反応度を他の方法を用いて低下させてから、制御棒を用いた反応度制御を追加で行っている。既知の方法の１つとして、ホウ酸水を冷却材に添加する方法がある。
しかしながら、この方法では、ホウ酸水によって低下した冷却材のｐＨを中性化するため、冷却材にＬｉＯＨを更に添加する。その結果、ＬｉＯＨと中性子が反応する際に多量のトリチウムが生成するだけではなく、冷却材にホウ酸水を添加すると、原子炉固有の安全因子の１つである減速材温度係数（ＭＴＣ）がより小さな負の値となり、極端な場合には正の値となり得る。よって、この方法は、ホウ酸水の濃度を制御するのに複雑な施設を必要とするだけではなく、原子炉の固有の安全性を低下させる。また、ホウ酸水自体が、原子炉の構造材料を腐食させる性質を有している。
よって、ＬＷＲは、可燃性吸収体材料を適用するという構想を導入することにより、低ホウ素条件で原子炉が運転可能となることを目指して、原子炉の固有の安全性を向上する方向に進歩している。この可燃性吸収体材料は、中性子吸収後には、中性子吸収確率が非常に小さくなり、原子炉の燃料サイクルが初期段階から最終段階へと経過するにつれて、中性子吸収体材料として機能できなくなる材料へと変わる。この可燃性吸収体（ＢＡ）材料は、ＦＡの燃料と一体化することができる。その典型的な例としては、燃料ペレットの外側部分が可燃性吸収体材料で被覆された燃料一体型可燃性吸収体（ＩＦＢＡ）、及びＧｄ２Ｏ３又はＥｒ２Ｏ３等の可燃性吸収体を核燃料と均一に混合して使用する方法等がある。
これら従来の方法の殆どは、設計の自由度が低く、通常のＬＷＲ環境下においてのみ低ホウ素条件での運転が可能となるように最適化されているため、超低ホウ素状態又は可溶性ホウ素フリー状態を築くのに明確な限界がある。そのため、最近、韓国科学技術院（ＫＡＩＳＴ）は、中心遮蔽可燃性吸収体（ＣＳＢＡ）を提案した。この中心遮蔽可燃性吸収体では、燃料ペレットの内部に可燃性吸収体（Ｇｄ２Ｏ３）を配置することにより設計自由度が保証されており、物理面からは、可燃性吸収体が自己遮蔽現象により非常にゆっくりと燃焼するため、原子炉のサイクル期間中、余剰反応度を効率的に調節することができる。従来のＬＷＲ環境における従来の可燃性吸収体の構想と比べると、ＣＳＢＡに投入した燃料ペレットが核燃料内に残り、余剰反応度を効果的に調節できる利点があることが、様々な研究結果から確認された。また、全ての燃料ペレットにＣＳＢＡを挿入し、様々な数のＣＳＢＡを使用することにより、マルチバッチ原子炉炉心設計であっても、余剰反応度が最適化できることが確認された。また、製造可能性の面から、ＣＳＢＡを挿入した燃料ペレットを製造することができ、様々な温度環境であっても、核燃料の一体性が保証されることが確認された。その結果、ＣＳＢＡについての従来の研究によって、自己遮蔽現象を利用した可燃性吸収体の構想によると、余剰反応度を効率的に調節することにより、超低ホウ素条件又は可溶性ホウ素フリー条件での原子炉運転環境を築くことができ、これにより、原子炉の固有の安全性を最大化できることが確認された。
しかしながら、これら全ての利点には、様々な数のＣＳＢＡを使用する状況下において核ＦＡの管理が複雑であること、中性子照射環境におけるＣＳＢＡを挿入した燃料ペレットの一体性、及び従来の核ペレット製造方法が変わることによる実際の商業用原子炉への適用性等において実用上制限がある。本発明は、上述の従来の可燃性吸収体の固有の制限を解消し、ＣＳＢＡと同等の優れた性能を有しつつ、製造の容易な新しい可燃性吸収体を適用する技術を提案するものである。
上述の通り、従来のＰＷＲに関して、炉の特性に適合させた様々な可燃性吸収体の技術は既に開発されており、その性能は十分に確認されている。しかしながら、現在の商業用原子炉の固有の安全性と経済性を著しく向上させることができる超低ホウ素条件又は可溶性ホウ素フリー条件での運転環境を築き、次世代の長燃料サイクルＰＷＲ及び小型モジュール炉（ＳＭＲ）の要求を満たすには、従来の様々な可燃性吸収体では明確な限界があるため、必要とされる特性に合うような新しい構想の可燃性吸収体が求められている。特定の次世代原子炉における要件をまとめると、より簡易でより経済的な可燃性吸収体の実現、超低ホウ素条件又は可溶性ホウ素フリー条件での運転の実施、経済的で安全に、２４ヶ月の長期燃料サイクル運転が可能であること、及び現在約４％〜５％であるＵ−２３５濃縮度合いをわずかに高めることによる超長期間の運転の達成等である。
よって、本発明の一態様によれば、新しい可燃性吸収体を使用する方法であって、自己遮蔽現象を利用して従来の可燃性吸収体の不利点を最小化することにより、原子炉の余剰反応度を効果的に調節し、商業用原子炉の固有の安全性及び経済的実現可能性を向上して、次世代のＬＷＲ及びＳＭＲに適用し得る、方法が提供される。
本発明の一態様によれば、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、該燃料ペレットを囲う被覆管とを含む核燃料棒であって、前記被覆管の内部に可燃性吸収体を含み、前記可燃性吸収体は、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含む、核燃料棒が提供される。
本発明の別の態様によれば、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、該燃料ペレットを囲う被覆管とを含む核燃料棒であって、前記燃料ペレットとディスク状の可燃性吸収体とが交互に積層した構造を有し、前記可燃性吸収体は、各々、ディスク状の可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含み、前記燃料ペレットはその上部及び下部にディッシュを有している、核燃料棒が提供される。
また、本発明の別の態様では、核燃料棒の製造方法であって、
各々、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含む、少なくとも１つ以上の可燃性吸収体を準備することと、
被覆管内に、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、前記少なくとも１つ以上の可燃性吸収体とを交互に積層することと、
を含む、方法が提供される。
各々、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含む、少なくとも１つ以上の可燃性吸収体を準備することと、
被覆管内に、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、前記少なくとも１つ以上の可燃性吸収体とを交互に積層することと、
を含む、方法が提供される。
さらに、核燃料棒を有する原子炉が提供される。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び他の利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明によって更に明確に理解される。
以下、本発明の属する技術分野の当業者が、本発明の技術的思想を容易に行うことができるよう、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。しかしながら、本開示は、様々な形態で具体化することができ、本明細書に記載された実施形態に限定されると解されるべきではない。図面中、分かりやすくするために、本開示を説明するのに不必要な部分については省略する。図面中同じ参照符号は、明細書を通して同じ要素を示すものとする。
以下の開示において、１つの部分（又は要素、装置等）が他の部分（又は要素、装置等）に「接続」していると表されている場合は、前者は、後者に「直接接続」しているか、又は介在部分（又は要素、装置等）を介して後者に「電気的に接続」していると理解されるべきである。
本発明の明細書を通して、部材が他の部材「上」にある場合は、部材が他の部材に接触している場合だけでなく、更に他の部材がこれら２つの部材の間に存在する場合も含む。
さらに、或る物がいくつかの要素を含む（又は含有する若しくは有する）と記載されている場合は、これらの要素のみを含む（又は含有する若しくは有する）か、又は、特段の制限のない場合には、これらの要素に加えて、他の要素を含む（含有する又は有する）ものと理解されるべきである。許容製造誤差又は許容材料誤差が、記載された固有の意味のために提供され、本発明の理解を助けるために提供される場合、本発明の明細書で使用される「約」、「実質的に」等の用語は、数値に近いか、近傍にあることを意味するものとして使用され、悪意又は善意の侵害者が、正確又は絶対的な数値が記載された記載内容を非合法的に使用することを防ぐために使用される。本開示の明細書全体で使用される「〜（を行う）工程」又は「〜工程」の用語は、「用の工程」を意味するものではない。
本発明の明細書を通して、マーカッシュ形式の記載における「これらの組み合わせ」の用語は、そのマーカッシュ形式の記載に記載される要素からなる群から選ばれる１つ以上の組み合わせを意味し、これら要素からなる群から選ばれる１つ以上を含むことを意味する。
本発明の一態様においては、少なくとも１つ以上の燃料ペレット１１と、燃料ペレットを囲む被覆管１２とを含む核燃料棒１０が提供される。核燃料棒１０は、可燃性吸収体１３を含み、可燃性吸収体１３は、各々、可燃性吸収体材料１３ａと、該可燃性吸収体材料１３ａを囲む被覆材１３ｂとを含む。
ここで、本発明の一態様において提供される核燃料棒１０を、図２及び図３の概略図に示す。以降、図２及び図３の概略図を参照して、本発明の一態様において提供される核燃料棒１０について詳細に説明する。
まず、ここで、可燃性吸収体の内部での自己遮蔽現象について説明する。可燃性吸収体材料に、その表面からに侵入した中性子は、まず、その表面で可燃性吸収体材料と反応し、その場所の可燃性吸収体材料を、中性子を吸収しない材料へと変化させる。この際、表面から侵入する中性子が徐々に可燃性吸収体材料と反応するため、中性子の数は、可燃性吸収体材料の内部に向かって小さくなる。そして、これが、自己遮蔽現象と称するものである。このような自己遮蔽現象のため、可燃性吸収体材料の内部で中性子を吸収する確率を低下しつつ、可燃性吸収体材料全体の燃焼を減速する効果がある。その結果、可燃性吸収体が同体積の場合に、その表面積が小さくなるにつれて、自己遮蔽が強くなり、それにより、可燃性吸収体がよりゆっくり燃焼するという効果が提供される。
本発明の一態様において、可燃性吸収体は、核燃料から空間的に分離して投入するのに適した形状を有する。新しく提供される、可燃性吸収体を含む核燃料棒においては、表面積に対する体積の比は、可燃性吸収体を自由に設計することにより決定することができる。よって、物理的特性である自己遮蔽効果を最適化できるという利点がある。
図１は、一般的な核燃料棒１を示す概念図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る核燃料棒１０を示す概念図であり、図３は、本発明の一実施形態に係る可燃性吸収体１３を示す概念図である。
図２の概念図を参照すると、本発明の一態様において提供される核燃料棒１０は、燃料ペレット１１と可燃性吸収体１３とが被覆管１２内に形成されており、可燃性吸収体が燃料ペレット１１の間に挿入された形状を有することができる。燃料ペレットは、各々、一般的なペレット形状を有することができる。
具体例においては、可燃性吸収体１３は、各々、可燃性吸収体材料１３ａと、可燃性吸収体材料１３ａを囲む被覆材１３ｂとを含み、図３の概念図に示す通り、可燃性吸収体はディスク形状を有することが好ましい。可燃性吸収体がディスク形状を有するということは、ディスク状の可燃性吸収体材料と、ディスク状の可燃性吸収体材料を囲む被覆材とから可燃性吸収体が形成されているということを意味し得る。
本発明の一態様において提供される核燃料棒１０は、可燃性吸収体材料を囲む被覆材を含む可燃性吸収体を含み、この可燃性吸収体は可燃性吸収体材料と被覆材とから形成されるため、比較的低融点を有するガドリニウム（Ｇｄ）等の可燃性吸収体材料を直接使用して、原子炉の運転中に余剰反応度を調節する可能性を提供する。可燃性吸収体材料は、比較的低融点を有する被覆材で封止されるため、可燃性吸収体材料が原子炉の異常環境で溶融しても、可燃性吸収体材料が被覆材の内部に残るようにすることで、可燃性吸収体材料の消失が防げるという効果が期待できる。また、優れた熱伝導性を有する被覆材を、核ペレットの間に積層された可燃性吸収体に適用するため、燃料ペレット内に生成した熱が、可燃性吸収体を介してより効率的に冷却材に伝わることにより、原子炉の運転中に生成した燃料ペレットの最高温度を下げる効果が得られる。
可燃性吸収体材料１３ａは、ガドリニウム（Ｇｄ）、Ｇｄ２Ｏ３、エルビウム（Ｅｒ）、Ｅｒ２Ｏ３、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）等とすることができる。本発明の一態様において提供される核燃料棒１０は、従来技術では適用の難しかったガドリニウム（Ｇｄ）又はエルビウム（Ｅｒ）もそのまま適用できるように、可燃性吸収体１３を含む。
核燃料と接触しないという設計特性のために、可燃性吸収体材料は安定な材料として働き、可燃性吸収体材料の適用において他の材料を更に添加する必要がない。よって、Ｇｄ、Ｇｄ２Ｏ３、Ｅｒ、Ｅｒ２Ｏ３、及びＢ４Ｃ等の材料を候補群とすることができ、必要であれば、これら可燃性吸収体材料の同位体も濃縮して使用することができる。具体的には、Ｂ４Ｃを適用する場合は、Westinghouse社のＩＦＢＡと類似の性能を示しつつ、より経済的であることが期待される。また、Ｅｒ−１６７等を濃縮してＥｒ２Ｏ３を適用する場合は、Ｇｄ２Ｏ３と共にＥｒ２Ｏ３を適用する場合と比べて、反応度ペナルティにより、より効果的な適用性が期待される。
また、被覆材１３ｂは、ジルコニウムを含む合金とすることができる。通常、核燃料棒の被覆管の原料として使用される原料を使用すればよい。
さらに、核燃料棒１０は、少なくとも２つ以上の核ペレット１１の間に位置する少なくとも１つ以上の可燃性吸収体１３を有する。具体例においては、燃料棒は、燃料ペレット上にディスク状の可燃性吸収体が積層し、この可燃性吸収体上に別の核ペレットが積層し、この別の燃料ペレット上に別の可燃性吸収体が積層した構造を有することができる。すなわち、燃料棒は、複数の燃料ペレットと複数の可燃性吸収体とが交互に積層した構造を有することができる。
可燃性吸収体１３の直径は、燃料ペレット１１の直径と等しくすることができる。可燃性吸収体の直径が燃料ペレットの直径より大きいと、被覆管の制約により、可燃性吸収体を被覆管に投入することができない。可燃性吸収体の直径が燃料ペレットの直径より小さいと、可燃性吸収体が被覆管の内部で動き、それにより、機械的問題が起こり得る。
可燃性吸収体１３の厚さは、可燃性吸収体収体材料１３ａと、可燃性吸収体材料を囲む被覆材１３ｂとを含む形状の厚さとすることができ、約０．１ｍｍ〜２．０ｍｍ、約０．５ｍｍ〜１．８ｍｍ、約１．０ｍｍ〜１．７ｍｍ、又は約１．３ｍｍ〜１．６ｍｍとすることができる。可燃性吸収体の厚さが約２．０ｍｍを超えると、炉心全体の高さが高くなり過ぎるという欠点が生じ得る。
可燃性吸収体１３の可燃性吸収体収体材料１３ａ及び被覆材１３ｂの厚さは、可燃性吸収体の厚さ範囲をもとに設定することができる。自己遮蔽効果は、表面積と体積との比によって調節されるので、本発明の一態様において提供される可燃性吸収体では、可燃性吸収体材料の設計を柔軟に調節することにより、自己遮蔽効果を最適化し得る。
可燃性吸収体材料１３ａの直径は、燃料ペレット１１の直径の約３０％〜９５％、約４０％〜９５％、約５０％〜９０％、約６５％〜９３％、約７０％〜９２％、約８０％〜９０％、約５０％〜８５％、約５０％〜７５％、又は約６０％〜７０％とすることができる。
具体例においては、図４に示すように、可燃性吸収体１３において、符号ａは可燃性吸収体材料１３ａの半径を示し、約１ｍｍ〜３ｍｍ、約１．５ｍｍ〜２．５ｍｍ、又は１．７ｍｍ〜２．４ｍｍとすることができる。また、符号ｂは吸収体材料の厚さを示し、０．８ｍｍ〜１．６ｍｍ又は１．０ｍｍ〜１．４ｍｍとすることができる。また、符号ｃは可燃性吸収体の厚さを示し、約０．１ｍｍ〜２．０ｍｍとすることができる。また、被覆材の厚さｄは、約０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ、約０．０７ｍｍ〜０．１５ｍｍ、又は約０．０８ｍｍ〜０．１２ｍｍとすることができる。また、可燃性吸収体と核ペレットとの間には所定の空間を形成することができる。符号ｅはこの所定の空間又は隙間の厚さを示し、約０．０１ｍｍ〜０．１ｍｍ、又は約０．０３ｍｍ〜０．０７ｍｍとすることができる。また、符号ｆは可燃性吸収体の半径を示し、核ペレットの半径と等しくすることができ、約２ｍｍ〜５ｍｍ又は約３．５ｍｍ〜４．５ｍｍとすることができる。
更に他の例では、核燃料棒１０において、燃料ペレット１２は、その上部及び下部に形成されたディッシュを有することができる。ディッシュは、燃料ペレットの上面及び下面に形成され、これにより、燃料ペレットが中性子照射されて軸方向に膨張する現象により押圧されることを防ぐことができる。
図６に、本発明の他の実施形態に係る核燃料棒１０の平面図を示す。具体的には、この核燃料棒１０は、燃料ペレット１１とディスク状の可燃性吸収体１３とが交互に積層し、可燃性吸収体が体収体材料１３ａと、可燃性吸収体材料１３ａを囲む被覆材１３ｂとを含み、燃料ペレットが、その上部上及び下部上に溝１１ａを有する構造を有する。
本発明の一態様により提供される核燃料棒は、可燃性吸収体の形状を自由に調節し、自己遮蔽効果を効率的に使用し得るという利点を有する。また、可燃性吸収体が燃料ペレットの間に位置する設計のために、可燃性吸収体の最高温度が、燃料ペレットよりも相対的に低く生成され、可燃性吸収体が溶融する可能性が低くなるという利点があり、可燃性吸収体が溶融したとしても、溶融した可燃性吸収体は被覆管の内部に位置するという利点がある。さらに、ディスク型簡易構造で構成される可燃性吸収体の製造方法は、比較的非常に容易であるという利点もあり、可燃性吸収体は核燃料から分離された、独立して存在する形状を有しているため、既知の核燃料の一体性を確保し得るという利点がある。
また、本発明の他の態様においては、核燃料棒の製造方法であって、可燃性吸収体材料と、可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含む可燃性吸収体を準備する工程と、被覆管内に、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、少なくとも１つ以上の可燃性吸収体とを交互に積層する工程とを含む、方法が提供される。本発明の他の態様において提供される核燃料棒の製造方法は、上述の核燃料棒１０を製造する方法の例を提供するものであり、核燃料棒１０の構成要素は上述と同じであるため、その詳細な説明はここでは行わない。
さらに、本発明の更に他の態様においては、上記核燃料棒を含む原子炉が提供される。
以下、実験例によって本発明を詳細に説明する。
しかしながら、以下の実験例は、本発明を説明するためだけのものであり、本発明の内容は以下の実験例によって限定されるものではない。
＜実験例１＞
図４に示すように、実施例１の核燃料棒（ＤｉＢＡ）として、可燃性吸収体が、燃料ペレットの間で、燃料ペレットの上部上及び下部上に位置するようにユニット体が形成された核燃料棒を設計した。ここで、ａは約０．２２５２７ｃｍ、ｂは約０．１２０４８ｃｍ、ｃは約０．１４０４８ｃｍ、ｄは約０．０１ｃｍ、ｅは０．００５ｃｍ、ｆは約０．４０９５８ｃｍとした。可燃性吸収体材料としてＧｄ２Ｏ３を適用した。
図４に示すように、実施例１の核燃料棒（ＤｉＢＡ）として、可燃性吸収体が、燃料ペレットの間で、燃料ペレットの上部上及び下部上に位置するようにユニット体が形成された核燃料棒を設計した。ここで、ａは約０．２２５２７ｃｍ、ｂは約０．１２０４８ｃｍ、ｃは約０．１４０４８ｃｍ、ｄは約０．０１ｃｍ、ｅは０．００５ｃｍ、ｆは約０．４０９５８ｃｍとした。可燃性吸収体材料としてＧｄ２Ｏ３を適用した。
また、比較例１の核燃料棒（３−ｂａｌｌ ＣＳＢＡ）及び比較例２の核燃料棒（２−ｂａｌｌ ＣＳＢＡ）として、従来技術のＣＳＢＡを設計した。可燃性吸収体材料として、ガドリニウムを適用した。
さらに、対照群として、酸化ウランを約７ｗｔ％に濃縮した核燃料を設計した（ＢＡなし（７ｗｔ％ＵＯ２）
この実験は、ＥＮＤＦ／Ｂ−ＶＩＩ．１核データライブラリに基づく確率論的方法による非常に正確な計算シミュレーションが可能な計算コードＳｅｒｐｅｎｔ ２を用いて行った。Westinghouse社の１７×１７の核ＦＡに対して、全ての反射境界条件下で、約１０００００履歴を使用して、燃焼による反応度の挙動を評価した。核燃料の温度が約６００Ｋであると仮定して評価を行った。この際、増倍率に対する不確定性は約３０ｐｃｍであると評価された。
図４の設計において可燃性吸収体としてガドリニウム（Ｇｄ）を用いた場合の結果と、従来のガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）ＣＳＢＡ設計の反応度制御性能とを比較したグラフを図５に示す。この場合に使用したＣＳＢＡのサイズ、すなわち、可燃性吸収体材料の半径は、２ＣＳＢＡ（比較例２:２−ｂａｌｌ ＣＳＢＡ）の場合には約０．１４ｃｍに最適化し、３ＣＳＢＡ（比較例１:３−ｂａｌｌ ＣＳＢＡ）の場合には約０．１２ｃｍに最適化した。次世代長期間サイクルのＰＷＲ及びＳＭＲにおける要件を反映して、約７％濃縮の核燃料を使用した場合（対照群）を選択した後、反応度制御性能を比較するという課題に対して、モンテカルロコード、すなわち、Ｓｅｒｐｅｎｔ ２コードを用いて、ＣＳＢＡ及びＤｉＢＡを適用した燃料ペレットによって集合体を１つ形成し、全ての反射境界条件環境下で反応度を評価した。体積に対する表面積の比で決定される自己遮蔽効果を、本質的に最大化することのできる球体状の吸収体材料からなる従来のＣＳＢＡ（比較例１及び比較例２）の結果と比較すると、ディスク型の可燃性吸収体も、反応度制御の点で、最適化によって優れた性能を有することが評価された。さらに、実施例１の核燃料棒にはガドリニウムが適用されており、ガドリニウムを適用するのが難しいという従来技術の問題点を解消することができた。一方、中性子吸収体としてＧｄ２Ｏ３を適用した場合も、図５の金属Ｇｄの場合と同様の結果が得られた。
以下、具体的な反応度制御性能について説明する。可燃性吸収体が、サイクル期間の初期段階で急速に反応して燃焼すると、初期反応度は低いと評価される。続いて、まだサイクル期間の初期段階であるが、急速に可燃性吸収体が燃焼すると、可燃性吸収体なしの場合の反応度に収束する形で、反応度が急速に大きくなる。増大した反応度は、その後、サイクル期間の最終段階まで減少形状を示す。この現象は、Ｇｄ等の強可燃性吸収体において現れる固有の特性であり、反応度変化（reactivity swing）と呼ばれる。全ての可燃性吸収体は、設計最適化により、適切な反応度変化を示すように設計され、サイクル期間全体を通して、対象はほぼフラットな反応度を維持できるようにする。
この点、図５に示す実施例１（ＤｉＢＡ）並びに比較例１及び比較例２（ＣＳＢＡ）の反応度変化を評価すると、可燃性吸収体はサイクル期間全体を通して効率的に残存したままで、反応度変化がほとんど現れず、フラットな反応度が維持されていることが確認できる。その結果、同じ可燃性吸収体を使用する場合には、ＣＳＢＡとＤｉＢＡはほぼ同様の反応度制御性能を有すると言うことができる。
＜実験例２＞
図６に示すように、実施例２の核燃料棒（ＤｉＢＡ）として、可燃性吸収体が、燃料ペレットの間で、燃料ペレットの上部上及び下部上に位置するようにユニット体が形成された核燃料棒を設計した。そして、燃料ペレットは、その上部上及び下部上にディッシュを有する。ここで、ａは約０．１２０４８ｃｍ、ｂは約０．２２５２７ｃｍ、ｃは約０．１４０４８ｃｍ、ｄは約０．０１ｃｍ、ｅは約０．００５ｃｍ、ｆは約４０９５８ｃｍとした。溝の直径は約０．４０１００ｃｍ、高さは約０．０２５００ｃｍとした。可燃性吸収体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）を適用した。
図６に示すように、実施例２の核燃料棒（ＤｉＢＡ）として、可燃性吸収体が、燃料ペレットの間で、燃料ペレットの上部上及び下部上に位置するようにユニット体が形成された核燃料棒を設計した。そして、燃料ペレットは、その上部上及び下部上にディッシュを有する。ここで、ａは約０．１２０４８ｃｍ、ｂは約０．２２５２７ｃｍ、ｃは約０．１４０４８ｃｍ、ｄは約０．０１ｃｍ、ｅは約０．００５ｃｍ、ｆは約４０９５８ｃｍとした。溝の直径は約０．４０１００ｃｍ、高さは約０．０２５００ｃｍとした。可燃性吸収体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）を適用した。
核燃料に中性子が照射され、不均一に拡大する現象を防止するために、製造過程において、初期の燃料ペレットの上部及び下部に小さなディッシュを形成した。反応度制御の点からは、除去した核燃料は極少量であったので、従来の結果とほぼ同じ性能が示された。しかしながら、核燃料棒の内部での可燃性吸収体における温度分布に対して、このようなディッシュを有する燃料ペレットが及ぼす影響は無視できないため、ディッシュを考慮して伝熱評価を行った。
上記実施例２の核燃料棒について、ＦＥＭベースのＣＯＭＳＯＬコードを用いて伝熱性能を分析した。その結果を図７及び図８に示す。
燃料ペレット及び可燃性吸収体の中心領域からの径方向温度分布を示すグラフを図７に示す。また、可燃性吸収体を含む核燃料棒における、軸方向及び径方向温度分布を示すグラフを図８に示す。
図７及び図８に示すように、燃料ペレットのディッシュによる伝熱効果を考慮しても、燃料ペレットから可燃性吸収体への温度勾配が有意義に形成されていることが確認できる。ディッシュなしの場合と比較すると、最高温度が約５０Ｋ違うと評価された。図７及び図８で確認できるように、この評価では、可燃性吸収体の最高温度は、ガドリニウム（Ｇｄ）の融点である約１５８６Ｋより約６００Ｋ低いため、通常の環境では可燃性吸収体が溶融する恐れはないと評価される。なんらかの理由によりガドリニウム（Ｇｄ）が溶融しても、ガドリニウム（Ｇｄ）は被覆材の内部に封止されたまま溶融するので、被覆材の融点である約２１２３Ｋより低く温度が生成される限り、約５００Ｋの余裕がある。また、図８のグラフから、燃料ペレットの内部において可燃性吸収体を通して軸方向伝熱が起こることが分かる。これにより、比較的低い熱伝導性を有するＵＯ２核燃料の特性を、可燃性吸収体によって補うことができるという利点があることがわかる。
本発明で提案した可燃性吸収体の構想によると、可燃性吸収体の形状を自由に調節することにより、自己遮蔽効果を効率的に使用することができるという利点がある。また、燃料ペレットの間に可燃性吸収体が位置するという設計によって、可燃性吸収体の最高温度が燃料ペレットより相対的に低く生成し、可燃性吸収体が溶融する可能性が低くなるという利点がある。また、可燃性吸収体が溶融したとしても、溶融した可燃性吸収体が被覆材の内部に位置するという利点がある。さらに、ディスク型簡易構造で構成される可燃性吸収体の製造方法は非常に容易であるという利点もある。また、可燃性吸収体は核燃料から分離された、独立して存在する形状を有しているため、既知の核燃料の一体性を確保し得るという利点もある。
実際の商業用炉心で使用される核ＦＡに可燃性吸収体を含む核燃料棒を配置し、数値解析を行うと、非常に効率的に適用された従来のＣＳＢＡの性能と同等又はそれ以上の効果が自己遮蔽効果により示されることが確認された。また、可燃性吸収体を含む核燃料棒の性能を伝熱の点で評価すると、燃料ペレットの間に可燃性吸収体が存在するため、可燃性吸収体の最高温度が比較的顕著に低下することが確認された。これは、核燃料棒用の可燃性吸収体として様々な材料を考えることができることを意味する。可燃性吸収体の実際の位置は、燃料ペレットの位置からは独立しているため、製造可能性及び適合性には問題がないという利点がある。また、製造装置の点からは、燃料ペレットの高さを最適化することにより、独立した可燃性吸収体を追加で置くことが経済的であると分かる。これにより、実際のＰＷＲだけではなく、沸騰水型原子炉においても高い適用可能性と実現可能性が期待される。特に、ＰＷＲの場合、大型の商業用炉で様々な問題を引き起こす水溶性ホウ素が除去され、経済的な実現可能性及び安全性が顕著に向上することが期待される。また、次世代原子炉として注目を浴びているＳＭＲにおいても、炉心設計、運転性、安全性、及び経済的な実現可能性が、大幅に向上し、高性能ＳＭＲの実現が可能となることが期待される。
本発明の一態様において提供される核燃料棒は、核燃料から分離して投入するのに適した形状を有する可燃性吸収体を導入しており、可燃性吸収体の設計を自由に行うことにより、その体積に対する表面積の比を決定することができるため、物理的性質である自己遮蔽効果を最適化することができる。また、可燃性吸収体材料及び被覆材が、可燃性吸収体として形成されるため、中性子吸収体の位置が固定され、比較的低融点を有するガドリニウム（Ｇｄ）等の金属可燃性吸収体材料であっても、可燃性吸収体を直接使用して、原子炉運転中の余剰反応度を調節することができる可能性が提供される。可燃性吸収体材料は、比較的高融点を有する被覆材によって封止されるので、可燃性吸収体材料が原子炉内の異常環境で溶融しても、可燃性吸収体材料が被覆材の内部に残るようにすることで、可燃性吸収体材料の損失が防止されるという効果が期待できる。また、優れた熱伝導性を有する被覆材を、核ペレット間に積層した可燃性吸収体に適用することにより、可燃性吸収体を介して燃料ペレット内に生成した熱を冷却材へとより効率的に伝達することにより、原子炉の運転中に生成する燃料ペレットの最高温度を下げる効果がある。
以上、本発明の一態様において提供される可燃性吸収体を含む核燃料棒について説明したが、本発明は本明細書に開示した例及び図面に限定されると解釈されるものではなく、当然、本発明の技術的思想の範囲内で、当業者によって様々な修正が可能である。
Claims (10)
- 少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、該燃料ペレットを囲う被覆管と、前記被覆管の内部に可燃性吸収体を含む核燃料棒であって、
前記可燃性吸収体は、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う被覆材とを含み、
前記可燃性吸収体がディスク形状を有し、
前記被覆材がジルコニウムを含む合金である、
核燃料棒。 - 前記核燃料棒において、少なくとも１つ以上の可燃性吸収体が、少なくとも２つ以上の燃料ペレットの間に位置している、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記燃料ペレットと、該燃料ペレット上に形成されたディスク状の前記可燃性吸収体とを含む積層構造を有する、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記可燃性吸収体材料が、ガドリニウム（Ｇｄ）、ガドリニア（Ｇｄ２Ｏ３）、エルビウム（Ｅｒ）、Ｅｒ２Ｏ３、及び炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）からなる群から選ばれる１つ以上を含む、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記可燃性吸収体の直径が、前記燃料ペレットの直径と等しい、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記可燃性吸収体の厚さが、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍである、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記可燃性吸収体において、前記可燃性吸収体材料の直径が、前記燃料ペレットの直径の３０％〜９５％である、請求項１に記載の核燃料棒。
- 前記燃料ペレットがペレット形状を有する、請求項１に記載の核燃料棒。
- 核燃料棒の製造方法であって、
各々、可燃性吸収体材料と、該可燃性吸収体材料を囲う、ジルコニウムを含む合金である被覆材とを含む、ディスク形状を有する可燃性吸収体を準備することと、
被覆管内に、少なくとも１つ以上の燃料ペレットと、少なくとも１つ以上の前記可燃性吸収体とを交互に積層することと、
を含む、方法。 - 請求項１に記載の核燃料棒を有する原子炉。
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