JPH0119556B2 - - Google Patents

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JPH0119556B2
JPH0119556B2 JP57102683A JP10268382A JPH0119556B2 JP H0119556 B2 JPH0119556 B2 JP H0119556B2 JP 57102683 A JP57102683 A JP 57102683A JP 10268382 A JP10268382 A JP 10268382A JP H0119556 B2 JPH0119556 B2 JP H0119556B2
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JP
Japan
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uranium
plutonium
nuclear fuel
nuclear
fuel
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JPS58219487A (en
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Kyozumi Hayashi
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Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Original Assignee
Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、使用済核燃料の再処理の結果として
得られるプルトニウムあるいは減損ウラン等の経
済的な有効利用を可能とする核燃料棒に関し、更
に詳しくは、減損ウラン、天然ウラン等のウラン
から作られた略球形状二酸化ウラン(UO2)核燃
料粒子と、これと一定比率で二酸化プルトニウム
(PuO2)粉末、ないし二酸化プルトニウムにバー
ナブル・ポイズンである酸化ガドリニウム
(Gd2O3)を添加した粉末とを均一に混合した上、
これらの核燃料を金属製燃料被覆管に充填し両管
端部が封止されている発電用熱中性子原子炉用の
プルトニウム利用核燃料棒に関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nuclear fuel rod that enables the economical and effective use of plutonium or depleted uranium obtained as a result of reprocessing spent nuclear fuel, and more specifically, to Approximately spherical uranium dioxide (UO 2 ) nuclear fuel particles made from uranium, etc., and plutonium dioxide (PuO 2 ) powder, or gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), which is a burnable poison to plutonium dioxide, in a certain ratio. After uniformly mixing the powder with the added
The present invention relates to a plutonium-utilizing nuclear fuel rod for a thermal neutron reactor for power generation, in which a metal fuel cladding tube is filled with these nuclear fuels and both ends of the tube are sealed.

わが国が開発を進めている重水型炉の新型転換
炉(ATR)では、プルトニウムを天然ウランに
均一に混合した二酸化物を用いた円柱状ペレツト
が使用されている。この時、プルトニウムの混合
比率は、約1%と1.5%の2種類がある。
The advanced converter reactor (ATR), a heavy water reactor that Japan is currently developing, uses cylindrical pellets made of dioxide, which is a uniform mixture of plutonium and natural uranium. At this time, there are two types of plutonium mixing ratios: approximately 1% and 1.5%.

従来の核燃料棒は第1図に示すように、多数個
の円柱状をなす核燃料物質の焼結ペレツト1を燃
料被覆管2の中に3〜4m積層装填し、両管端部
を上部端栓3及び下部端栓4で密封した構造のも
のが、発電用原子炉に採用されている。この場
合、最下ペレツトと下部端栓との間にアルミナ等
の断熱ペレツト5が挿入され、最上ペレツトと上
部端栓との間には金属製抑え板6に点溶接された
コイル・スプリング7が設けられていることが多
い。このように金属製燃料被覆管の内部に装填さ
れる円柱状焼結ペレツトは、第2図Aに示すよう
に、焼結したままの形状は砂時計(アワ・グラ
ス)形をしているので、ペレツトと被覆管内面と
の間隙(ギヤツプ値)を半径にして0.06〜0.15mm
の範囲で一様にするため、ペレツトの円筒側面を
外周研磨しなければならない。
As shown in Fig. 1, in a conventional nuclear fuel rod, a large number of cylindrical sintered pellets 1 of nuclear fuel material are loaded into a fuel cladding tube 2 in layers of 3 to 4 m, and both tube ends are connected with upper end plugs. 3 and a structure sealed with a lower end plug 4 are used in power reactors. In this case, a heat insulating pellet 5 made of alumina or the like is inserted between the bottom pellet and the bottom end plug, and a coil spring 7 spot-welded to a metal holding plate 6 is inserted between the top pellet and the top end plug. It is often provided. The cylindrical sintered pellets loaded inside the metal fuel cladding tube have an hourglass shape when sintered, as shown in Figure 2A. The radius of the gap between the pellet and the inner surface of the cladding tube (gap value) is 0.06 to 0.15 mm.
The cylindrical side surface of the pellet must be polished on the outside to make it uniform within the range of .

この研磨工程は、後述のペレツトと被覆管の相
互作用(Pellet−Clad Interaction;PCIと略称)
を低減させる観点からも重要であつて省略できな
いものである。この外周研磨(センタレス・グラ
インダー)は、特に、毒性の極めて強いプルトニ
ウムなどを用いてウランとの混合酸化物の円柱状
ペレツトを製造する際、核燃料物質使用量の約1
%の研磨屑を生じて加工施設等の清浄保持の点か
ら厄介な問題となつている。その理由は、使用済
核燃料の再処理によつて得られる人工的元素のプ
ルトニウムが、アルフア(α)線を放射し人体に
取込まれると極めて有害なためである。
This polishing process is called Pellet-Clad Interaction (abbreviated as PCI), which will be described later.
It is also important from the viewpoint of reducing the amount of water and cannot be omitted. This periphery grinder (centerless grinder) is used especially when producing cylindrical pellets of mixed oxide with uranium using extremely toxic plutonium, etc.
% of abrasive debris is generated, which poses a troublesome problem in terms of maintaining the cleanliness of processing facilities. The reason for this is that plutonium, an artificial element obtained through the reprocessing of spent nuclear fuel, emits alpha (α) rays and is extremely harmful if taken into the human body.

また、このような円柱状ペレツトを用いた核燃
料棒は、原子炉の頻繁な出力変動運転モードに遭
遇した場合に燃料の使用寿命の点で問題となる。
センタレス・クラインダーをかけた第2図Bのよ
うな直円柱状ペレツト1は、原子炉内で使用され
ると、ペレツト内の半径方向の大きな温度勾配の
ために、ペレツトの円周部に半径方向の亀裂(ク
ラツク)が、核燃料棒の単位長あたりの発熱量に
依存して2〜20箇所生じ、このクラツクを境界と
してペレツト片(フラグメント)ができる。な
お、第1図及び第2図Bのペレツト1の両端面の
角部には、PCIを低減させるための面取り(チヤ
ンフア)がしてある。さて、フラグメントが生じ
ることによつて、使用初期の状態では直円柱状で
あつたペレツトは、原子炉が定格出力運転状態に
入ると、ペレツトの中心温度が外周部よりも高い
ことによる効果と、ペレツト両端面近傍の酸化物
燃料物質の密度が高さ中央部よりも僅かに大きい
ことが関与して、第3図に示すように、ペレツト
1のフラグメント8は、その中心軸から外側に反
り返るように変形する。
Nuclear fuel rods using such cylindrical pellets also pose problems in terms of the service life of the fuel when the frequent power fluctuation operating modes of the nuclear reactor are encountered.
When a right cylindrical pellet 1 as shown in Fig. 2B is applied with a centerless grinder and used in a nuclear reactor, due to the large temperature gradient in the radial direction within the pellet, there is a radius around the pellet's circumference. Two to 20 directional cracks occur depending on the amount of heat generated per unit length of the nuclear fuel rod, and pellet fragments are formed with these cracks as boundaries. Note that the corners of both end faces of the pellet 1 in FIGS. 1 and 2B are chamfered to reduce PCI. Now, due to the generation of fragments, the pellet, which had a right cylindrical shape at the initial stage of use, changes when the reactor enters the rated power operation state, due to the effect that the temperature at the center of the pellet is higher than that at the outer periphery. Due to the fact that the density of the oxide fuel material near the end faces of the pellet is slightly greater than that at the center of the height, the fragments 8 of the pellet 1 tend to curl outward from their central axis, as shown in FIG. transforms into

このことは、原子炉で使用中の円柱状ペレツト
1が包絡面としては、やはり、アワ・グラス形状
になることを意味する。このため、第4図に示す
ように、ペレツトのフラグメント8が燃料被覆管
2の内面と強く接触して、燃料ペレツト1のクラ
ツク開口部9に面する燃料被覆管2の内面には、
ペレツトと被覆管の相互作用のPCIが生じて、局
所的に応力が集中する。この応力集中部には核燃
料物質の燃焼に伴つて生じた核分裂生成物(以
下、FPという)のうちのヨウ素、セシウム等を
伴う高温の烈しい腐食環境のもとで微細なヘア・
クラツク10が発生する。ヘア・クラツク10
は、原子炉の運転中に燃料被覆管の厚み方向に伸
展して、遂には、燃料の設計寿命に達する以前に
燃料被覆管2が破損してしまう可能性が高いので
ある。
This means that the envelope of the cylindrical pellet 1 used in a nuclear reactor still has a millet glass shape. For this reason, as shown in FIG. 4, the fragments 8 of the pellets come into strong contact with the inner surface of the fuel cladding tube 2, and the inner surface of the fuel cladding tube 2 facing the crack opening 9 of the fuel pellet 1 has a
PCI occurs due to the interaction between pellets and cladding, and stress is locally concentrated. This stress concentration area is exposed to a high-temperature, intensely corrosive environment that contains fission products (hereinafter referred to as FP) such as iodine and cesium, which are produced during the combustion of nuclear fuel materials.
A crack 10 occurs. hair crack 10
There is a high possibility that the fuel cladding tube 2 will expand in the thickness direction of the fuel cladding tube during operation of the nuclear reactor, and that the fuel cladding tube 2 will eventually break before the fuel reaches its designed life.

本発明は、前述のような従来技術の現状に加え
て、以下の通りの一般的背景に鑑みてなされたも
のである。
The present invention has been made in view of the following general background in addition to the current state of the prior art as described above.

(1) わが国の原子力発電所の規模の全電力設備容
量に占める比重が増し、これ迄のような基底負
荷(ベース・ロード)運転方式から将来は負荷
追従運転方式に移向せざるを得なくなること。
(1) The proportion of Japan's nuclear power plants in the total power installed capacity will increase, forcing a shift from the conventional base load operation method to a load following operation method in the future. thing.

(2) 使用済核燃料の国内貯蔵量及び国内・外での
再処理量の増加に伴つて、プルトニウムの有効
利用としては、何としても原子力の平和目的の
核燃料にして用いることが必要であること。
(2) As the amount of spent nuclear fuel stored domestically and the amount reprocessed domestically and internationally increases, the most effective use of plutonium is to use it as nuclear fuel for peaceful nuclear purposes. .

(3) プルトニウム利用の本命と看做されている高
速増殖炉は、開発途上の段階であつて技術的に
も経済的にも幾多の困難が予想されているの
で、すでに商業化されている重水炉(HWR)
ないし軽水炉(PWR及びBWR)などの熱中性
原子炉でプルトニウムを燃焼させようとする機
運が高まつてきたこと。
(3) Fast breeder reactors, which are considered to be the best option for using plutonium, are still in the development stage and are expected to face numerous technical and economic difficulties. Furnace (HWR)
There is also a growing momentum to burn plutonium in thermally neutral reactors such as light water reactors (PWR and BWR).

(4) 使用済核燃料の再処理業務が、経済的及び国
際政治的ないしは環境的な厳しい制約と困難性
のため、核燃料を原子炉内で長期間(〜8年)
使用して、燃料の高い燃焼度を達成できる核燃
料の要請が増大してきたこと。
(4) Due to severe economic, international political, and environmental constraints and difficulties in reprocessing spent nuclear fuel, nuclear fuel must be kept in a reactor for a long period of time (up to 8 years).
There has been an increasing demand for nuclear fuel that can be used to achieve high fuel burn-up.

従つて、本発明の目的は、長期間にわたる原子
炉の負荷追従運転モードにも燃料の健全性を維持
できてPCIの低減を図ることができ、しかも、プ
ルトニウム燃料加工施設の設備を合理化できて遠
隔自動製作にも適し、総合的にみて安全性が高
く、安価で容易に製造できる発電用中性子原子炉
で用いられる核燃料棒を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to maintain the integrity of the fuel even in the load-following operation mode of a nuclear reactor over a long period of time, to reduce PCI, and to streamline the equipment of a plutonium fuel processing facility. It is an object of the present invention to provide a nuclear fuel rod for use in a power generation neutron nuclear reactor that is suitable for remote automatic production, has high overall safety, is inexpensive and easy to produce.

本発明のもう1つの目的は、上記の目的に加え
て、高い燃焼度を達成することができるプルトニ
ウム利用核燃料棒を提供することである。
Another object of the present invention, in addition to the above objects, is to provide a plutonium-based nuclear fuel rod capable of achieving high burnup.

以下、本発明について詳述する。本発明の第1
の発明は、核燃料物質として、濃縮ウラン、減損
ウラン、天然ウラン、または劣化ウランを用いた
安定な二酸化物(UO2)の平均粒径が0.6mmない
し1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、これに安定
なプルトニウムの二酸化物(PuO2)粉末を添加
して均一に混合した上、金属製燃料被覆管の中に
マクロ空間密度分布がほぼ一様となるように充填
し、該金属製燃料被覆管の両管端部を封止てなる
プルトニウム利用核燃料棒である。
The present invention will be explained in detail below. The first aspect of the present invention
The invention provides approximately spherical nuclear fuel particles with an average particle size of 0.6 mm to 1.5 mm of stable dioxide (UO 2 ) using enriched uranium, depleted uranium, natural uranium, or depleted uranium as a nuclear fuel material; Stable plutonium dioxide (PuO 2 ) powder is added to this, mixed uniformly, and then filled into a metal fuel cladding tube so that the macrospace density distribution is almost uniform. This is a plutonium-based nuclear fuel rod consisting of a cladding tube with both ends sealed.

ここで、0.6〜1.5mmの略球形状の二酸化ウラン
燃料粒子の濃縮度が、核燃料棒の核・熱特性の全
体的特性をほぼ決定する。同粒子は理論密度比が
94〜97%T.D.のとき、原子炉で使用中に焼きし
まり難い焼結粒子である。粒径0.6〜1.5mmの略球
形状としたのは、金属製燃料被覆管の内径が原子
炉の炉型にもよるが7〜18mmであるから、この寸
法に対応して、燃料のマクロ空間密度が略均一と
見做せる範囲で粒径の大きいものを採用すると有
利なためである。
Here, the enrichment of the approximately spherical uranium dioxide fuel particles of 0.6 to 1.5 mm largely determines the overall nuclear and thermal properties of the nuclear fuel rod. The same particle has a theoretical density ratio of
When the TD is 94 to 97%, it is a sintered particle that is difficult to sinter during use in a nuclear reactor. The approximately spherical shape with a grain size of 0.6 to 1.5 mm was chosen because the inner diameter of the metal fuel cladding tube is 7 to 18 mm, depending on the reactor type, so the macro space of the fuel is This is because it is advantageous to use particles with a large particle size within a range where the density can be considered to be approximately uniform.

本発明の第2の発明は、前記第1の発明で用い
たプルトニウム二酸化物粉末に代えて、プルトニ
ウム二酸化物と原子炉の核分裂反応を抑制するバ
ーナブル・ポイズンである酸化ガドリニウム
(Gd2O3)との混合物粉末を用いるプルトニウム
利用核燃料棒である。安定なプルトニウム二酸化
物粉末、又はそれと酸化ガドリニウムとの混合物
粉末は、採用する二酸化ウラン粒子直径の約1/5
程度以下のもので、二酸化ウラン粒子間の空隙に
入りうる焼結微粒子が好ましいが、製造コスト等
との関係から粉末でもよい。二酸化プルトニウム
に酸化ガドリニウム(ガドリニアと呼称)が1〜
20%までの範囲で混合された焼結微粒子で0.1〜
0.3mmの寸法のものがよい。それ以上のガドリニ
アを添加するとすると、二酸化プルトニウムと酸
化ガドリニウムの混合粉末になる。そのとき、二
酸化プルトニウム粉末は、その粉末粒子の粒度分
布が0.2〜10μm程度で(O/Pu)比が2.00〜2.03
のものが大気中でも安定していて実用に適してい
る。
The second invention of the present invention is to replace the plutonium dioxide powder used in the first invention with gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), which is a burnable poison that suppresses plutonium dioxide and the nuclear fission reaction in the nuclear reactor. This is a plutonium-based nuclear fuel rod that uses a powder mixture of plutonium and plutonium. Stable plutonium dioxide powder or its mixture powder with gadolinium oxide is approximately 1/5 of the diameter of the uranium dioxide particles used.
Although sintered fine particles are preferable and can fit into the voids between uranium dioxide particles, powder may also be used in view of manufacturing costs. Gadolinium oxide (referred to as gadolinia) in plutonium dioxide is 1~
0.1~ with sintered fine particles mixed in the range up to 20%
A size of 0.3mm is good. If more gadolinia is added, it will become a mixed powder of plutonium dioxide and gadolinium oxide. At that time, the plutonium dioxide powder has a particle size distribution of about 0.2 to 10 μm and an (O/Pu) ratio of 2.00 to 2.03.
It is stable even in the atmosphere and suitable for practical use.

次に、本発明の一実施例を第5図に示す。この
実施例において、下部端栓4が周溶接された長尺
の燃料被覆管2の中に前述の安定なウランの二酸
化物(UO2)の核燃料粒子11と、プルトニウム
の二酸化物(PuO2)粉末又はプルトニウム二酸
化物とガドリニア(PuO2+Gd2O3)との混合粉
末(以下これらを総称してプルトニウム含有粉末
という)12とが均一に混合・充填されて、核燃
料棒の有効発熱部分を形成し、上部端栓3で燃料
被覆管2の上端を密封した構造となつている。下
部端栓4と略球形状二酸化ウランの核燃料粒子1
1及びプルトニウム含有粉末12との均一・混合
燃料充填層の最下部分との間に黒鉛(グラフアイ
ト)または金属のウールの下端部区画層13が設
けられている。金属製ウールは、ステンレス鋼製
細線などのほか、熱中性子吸収の少ないジルコニ
ウムの線材またはストリツプ材にニツケル・メツ
キしたものなどがよい。
Next, an embodiment of the present invention is shown in FIG. In this embodiment, the above-mentioned stable uranium dioxide (UO 2 ) nuclear fuel particles 11 and plutonium dioxide (PuO 2 ) are contained in a long fuel cladding tube 2 to which a lower end plug 4 is circumferentially welded. Powder or mixed powder of plutonium dioxide and gadolinia (PuO 2 +Gd 2 O 3 ) (hereinafter collectively referred to as plutonium-containing powder) 12 is uniformly mixed and filled to form the effective heat generating part of the nuclear fuel rod. However, the upper end of the fuel cladding tube 2 is sealed with an upper end plug 3. Lower end plug 4 and approximately spherical uranium dioxide nuclear fuel particles 1
A lower end partitioning layer 13 of graphite or metal wool is provided between the lowermost part of the homogeneous/mixed fuel filling bed with plutonium-containing powder 12 and plutonium-containing powder 12. In addition to fine stainless steel wire, the metal wool is preferably nickel-plated zirconium wire or strip material that absorbs little thermal neutrons.

このグラフアイト・ウールまたは金属製ウール
の下端部区画層13は、原子炉の運転と停止に伴
う均一・混合燃料充填層と金属製燃料被覆管2の
長さ方向の熱膨脹差に基づく相対的変位を緩和
し、燃料被覆管2の長さ方向に過度の応力が加わ
らないように作用する。また、本実施例において
は、均一・混合燃料充填層の最上部にもグラフア
イト・ウールまたは金属製ウールの上端部区画層
14が設けられている。この機能は、均一・混合
燃料を燃料被覆管内に充填した後、燃料被覆管内
を真空びきをし不活性ガスのヘリウムと置換して
上部端栓3が被覆管2に周溶接されるのである
が、この真空びきの時に粉末状の核燃料物質が、
真空装置系を汚染することのないようにフイルタ
ーの作用を為すことである。
This graphite wool or metal wool lower end partitioning layer 13 is subject to relative displacement based on the difference in thermal expansion in the length direction of the uniform/mixed fuel filling layer and the metal fuel cladding tube 2 during operation and shutdown of the reactor. , and acts to prevent excessive stress from being applied to the fuel cladding tube 2 in the longitudinal direction. Further, in this embodiment, an upper end partitioning layer 14 of graphite wool or metal wool is also provided at the top of the uniform/mixed fuel filling bed. This function involves filling the fuel cladding tube with homogeneous and mixed fuel, then evacuating the fuel cladding tube, replacing it with inert gas helium, and then circumferentially welding the upper end plug 3 to the cladding tube 2. , during this vacuum evacuation, the powdered nuclear fuel material is
The purpose is to act as a filter so as not to contaminate the vacuum equipment system.

上端部区画層14に接して断熱ペレツト(上
部)15、これに接してコイル・スプリング7が
上部端栓3との間に挿入されている。コイル・ス
プリング7は、燃料被覆管2内の均一・混合燃料
充填層を圧縮・保持し、このことによつて均一・
混合燃料充填層内に核燃料の燃料及び原子炉の運
転・停止に伴う体積変化による空隙が生じないよ
うにし、以つて、原子炉で使用中の核燃料棒の健
全性を維持するのに役立つ。
A heat insulating pellet (upper part) 15 is inserted in contact with the upper end partition layer 14, and a coil spring 7 is inserted in contact with this pellet between it and the upper end plug 3. The coil spring 7 compresses and holds the uniformly mixed fuel filling layer within the fuel cladding tube 2, thereby ensuring a uniform and mixed fuel filling layer.
This prevents the generation of voids in the mixed fuel packed bed due to changes in volume due to the operation and shutdown of the nuclear fuel and reactor, thereby helping to maintain the integrity of the nuclear fuel rods in use in the reactor.

ここで、本発明の第2の発明の核燃料棒に係る
原子炉の炉心の核分裂反応を抑制するバーナブ
ル・ポイズンの機能について、原子炉の制御能力
に敷衍して以下に述べる。
Here, the function of the burnable poison for suppressing the nuclear fission reaction in the core of a nuclear reactor according to the second invention of the nuclear fuel rod of the present invention will be described in detail with reference to the control ability of the nuclear reactor.

原子炉が、核燃料の新規補充と交換なしに一定
期間継続して運転可能であるためには、原子炉の
炉心は、核分裂反応を維持する最小限界値よりも
大きな余剰反応度を有する必要がある。他方、余
剰反応度の値は、原子炉の停止余裕以下でなけれ
ば、原子炉出力が暴走して危険な状態に到る。つ
まり、原子炉の余剰反応度は、原子炉設備の固体
制御棒ないしは液体中性子吸収材によつて補償可
能な範囲内になければならない。このように、余
剰反応度は、原子炉の運転期間中は常に規定値以
内に維持される必要があるから、余剰反応度の値
には各原子炉の出力制御系統との関連で一定の上
限値が定められている。
In order for a nuclear reactor to be able to operate continuously for a certain period of time without replenishing or replacing nuclear fuel, the reactor core must have a surplus reactivity greater than the minimum value that maintains the fission reaction. . On the other hand, if the value of the surplus reactivity is not less than the reactor shutdown margin, the reactor output will run out of control and reach a dangerous state. In other words, the excess reactivity of a nuclear reactor must be within a range that can be compensated for by solid control rods or liquid neutron absorbers in the reactor equipment. In this way, the surplus reactivity must always be maintained within the specified value during the operating period of the reactor, so the value of the surplus reactivity must have a certain upper limit in relation to the output control system of each reactor. The value is determined.

核燃料の原子炉内の滞在期間を6年以上8年位
に長くして、燃料の燃焼度を高め核燃料棒あたり
の核分裂エネルギーの総発生量を増加させようと
の要請は、使用済核燃料の再処理業務が、経済的
及び国際政治的ないしは地域の環境的な要因の制
約と困難性のために、一段と緊要なこととなりつ
つある。
The request to increase the stay period of nuclear fuel in a reactor from 6 to 8 years to increase the burn-up of the fuel and increase the total amount of fission energy generated per nuclear fuel rod is based on the need to recycle spent nuclear fuel. Processing operations are becoming increasingly urgent due to the constraints and difficulties of economic and international political or local environmental factors.

発電用原子炉の炉心に装荷される従来型の核燃
料集合体は、主として濃縮ウランの酸化物の円柱
状ペレツトを用いた核燃料棒の多数本が、沸騰軽
水冷却炉(BWR)では(8×8)本が、また加
圧軽水冷却炉(PWR)では(17×17)本が、ス
ペーサ、上・下のタイ・プレート等によつて横断
面が格子状配列の一体ものに組立てられている。
核燃料棒に含有される核燃料物質の量、つまり、
核分裂性物質の含有量ないしはウランの濃縮度
が、前記核燃料集合体内の核燃料棒の組込まれる
前述の格子状配列の位置等によつて異なる値を採
用し、核燃料棒の局所発熱ピークを抑制している
場合が多い。
A conventional nuclear fuel assembly loaded into the core of a power reactor consists of a large number of nuclear fuel rods, mainly made of cylindrical pellets of enriched uranium oxide. ) books, and in a pressurized light water cooled reactor (PWR), (17 x 17) books are assembled into a single unit with a grid-like cross section using spacers, upper and lower tie plates, etc.
The amount of nuclear fuel material contained in a nuclear fuel rod, i.e.
The content of fissile material or the degree of enrichment of uranium is set to different values depending on the position of the above-mentioned lattice arrangement in which the nuclear fuel rods are installed in the nuclear fuel assembly, and the local heat generation peak of the nuclear fuel rods is suppressed. There are many cases.

然しながら、核燃料棒の燃料ペレツトにウラン
濃縮度の異なる値を採用するのみでは、期待する
高い燃料の燃焼度を経済的に達成することができ
ない。何故ならば、通常の原子炉・炉心の余剰反
応度は、炉心の燃焼が進行するにつれて単調減少
関数的に低下するので、燃料の燃焼度を向上させ
ようとして、初期ウラン濃縮度を高めると、原子
炉・炉心の停止余裕も大きくする必要が生じる。
このことは、固体制御棒本数あるいは液体中性子
吸収材濃度を増加しなければならないことを意味
し、このようにして、燃料の燃焼度向上のための
ウラン濃縮度の増加と原子炉・炉心の停止余裕と
の関係は、所謂“いたちごつこ”になつてしま
う。
However, it is not possible to economically achieve the expected high fuel burn-up simply by employing different values of uranium enrichment for the fuel pellets of nuclear fuel rods. This is because the surplus reactivity of a normal nuclear reactor/core decreases in a monotonically decreasing manner as core combustion progresses, so if the initial uranium enrichment is increased in an attempt to improve fuel burnup, It will also be necessary to increase the margin for shutdown of the reactor and core.
This means that the number of solid control rods or the concentration of liquid neutron absorber must be increased, thus increasing uranium enrichment to improve fuel burnup and shutting down the reactor/core. The relationship with affordability becomes what is called a ``catching battle.''

ところで、核燃料物質の核分裂反応を抑制する
バーナブル・ポイズンを適切に添加した燃料ペレ
ツトを核燃料棒に使用すると、バーナブル・ポイ
ズンは中性子を吸収することによつてバーナブ
ル・ポイズン物質の原子核が中性子を吸収しない
別の物質の原子核に変換するので、初期余剰反応
度を原子炉に固有の規定値以内に保つことがで
き、且つ燃料の燃焼に伴つてバーナブル・ポイズ
ンの濃度が徐々に減少し、その減少分だけ余計に
燃料の核分裂反応が盛んに進行することになる。
By the way, if fuel pellets to which burnable poison, which suppresses the fission reaction of nuclear fuel material, is appropriately added are used in nuclear fuel rods, the burnable poison absorbs neutrons, so that the atomic nuclei of the burnable poison material do not absorb neutrons. Since it is converted into the nucleus of another substance, the initial surplus reactivity can be kept within the specified value specific to the reactor, and as the fuel burns, the concentration of burnable poison gradually decreases, and the decrease is However, the nuclear fission reaction of the fuel will proceed even more actively.

消滅するバーナブル・ポイズンの量と相対的な
核燃料物質の蘚生という平衡関係によつて、横軸
に燃料の燃焼度をとり、縦軸を余剰反応度とした
ときの曲線が、初期炉心の余剰反応度が一定値以
下に抑制されて、ある燃焼度以降は“横ばい”な
いしは中央部が若干とも“上方に凸状態”となる
ように、バーナブル・ポイズンと核燃料物質との
混合比率を設定することができ、従つて燃料の燃
焼度も向上させることが可能となる。
Due to the equilibrium relationship between the amount of burnable poison that disappears and the relative moss of nuclear fuel material, the curve with fuel burnup on the horizontal axis and surplus reactivity on the vertical axis shows the initial core surplus. The mixing ratio of burnable poison and nuclear fuel material should be set so that the reactivity is suppressed to a certain value or less, and after a certain burnup level, it becomes "flat" or even slightly "convex upward" in the center. Therefore, it is possible to improve the burn-up of the fuel.

BWR用燃料ペレツトには、その材質が二酸化
ウランのものと二酸化ウランにガドリニヤを複数
の混合比率でペレツト全体に均一に添加した複数
種類のペレツトが用いられている。
BWR fuel pellets are made of uranium dioxide, or of uranium dioxide and gadolinium added uniformly throughout the pellet at various mixing ratios.

従来技術と対比すると、本発明の特徴が明瞭で
あつて、本発明の第2の発明によれば、略球形状
の二酸化ウラン粒子はすべて同一濃縮度と直径の
ものを製造し、これと混合する相対的に少量のプ
ルトニウム含有粉末中のガドリニヤの処方を微細
に調合することによつて、核燃料物質とバーナブ
ル・ポイズンの含有比率の調節された核燃料棒を
容易に提供することができる。
When compared with the prior art, the features of the present invention are clear.According to the second aspect of the present invention, substantially spherical uranium dioxide particles are all produced with the same enrichment and diameter, and mixed with the same concentration and diameter. By finely blending the formulation of gadolinium in a relatively small amount of plutonium-containing powder, it is possible to easily provide a nuclear fuel rod with a controlled content ratio of nuclear fuel material and burnable poison.

第6図は、第5図に示すような本発明に係る核
燃料棒の部分拡大横断面図である。この第6図を
前述の第4図と対比すれば明らかなように、本発
明の第1および第2の発明では粒子状燃料を用い
ているため、被覆管内面には従来の円柱状ペレツ
トを用いた場合にみられるようなPCIは全く生じ
ない。
FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view of the nuclear fuel rod according to the present invention as shown in FIG. As is clear from comparing this Figure 6 with the above-mentioned Figure 4, since particulate fuel is used in the first and second aspects of the present invention, conventional cylindrical pellets are not used on the inner surface of the cladding tube. PCI as seen when using this method does not occur at all.

本発明は、前述のように構成された核燃料棒で
あるから、次に述べるような数多くのすぐれた効
果を奏しうる。まず、従来技術の円柱状のプルト
ニウム・ウラン混合酸化物ペレツトのセンタレ
ス・グラインダーの工程がないので猛毒のプルト
ニウムの研磨屑が発生することもなく、略球形状
の二酸化ウラン粒子とプルトニウム含有粉末と
は、何れも半流動体と見做すことができ、そのた
め半自動連続工程によつて燃料粒子の製造・検査
及び金属製燃料被覆管内への充填が可能となり、
燃料加工従事者の放射線被曝量は著しく低減され
るし、加工・検査費用が安価となる。また、本発
明では燃料が粒子状であるので、従来の円柱状ペ
レツトの場合にみられるようなPICがなく、負荷
追従運転に適するし、核燃料物質、とくに核分裂
性物質の含有量の調合も容易である。更に、本発
明で用いる二酸化ウランとして特に減損ウランを
利用した場合には、使用済核燃料の再処理で得ら
れる減損ウランを再濃縮することなく、プルトニ
ウム粉末と混合して、所望の核燃料棒を容易に得
ることができるので、大幅なコストの低減が図れ
る。再処理で得られる通常のプルトニウムは核分
裂性物質が大部分であるが、この種のプルトニウ
ムは、非分裂性の同位体も含有していてU−235
が60〜80%の高濃縮ウランに相当するので、比較
的少量の二酸化プルトニウムで核燃料棒の核・熱
的性能の調整が可能である。バーナブル・ポイズ
ンと二酸化プルトニウムの混合粉末を用いる本発
明の第2の発明においては、上記したような効果
に加えて、二酸化ウラン粒子と混合する相対的に
少量のプルトニウム含有粉末中のガドリニアの処
方を微細に調合することが可能になり、これによ
つて核燃料物質とバーナブル・ポイズンの含有比
率の調節された、高い燃焼度を備えた核燃料棒を
提供することができる。また、バーナブル・ポイ
ズンを二酸化プルトニウムに混合する場合にも、
沸騰水型原子炉燃料のようにペレツトに均一に混
合する訳ではないので、製造ラインの組替えや品
質管理が容易となる。
Since the present invention is a nuclear fuel rod configured as described above, it can produce many excellent effects as described below. First, since there is no centerless grinding process for cylindrical plutonium-uranium mixed oxide pellets in the prior art, there is no generation of highly toxic plutonium grinding debris, and the roughly spherical uranium dioxide particles and plutonium-containing powder are Both can be regarded as semi-fluid, therefore, it is possible to manufacture and inspect fuel particles and fill them into metal fuel cladding tubes in a semi-automated continuous process.
Radiation exposure for fuel processing workers will be significantly reduced, and processing and inspection costs will be reduced. In addition, since the fuel in the present invention is in the form of particles, there is no PIC as seen in the case of conventional cylindrical pellets, making it suitable for load following operation, and it is easy to adjust the content of nuclear fuel material, especially fissile material. It is. Furthermore, when depleted uranium is used as the uranium dioxide used in the present invention, the depleted uranium obtained by reprocessing spent nuclear fuel can be easily mixed with plutonium powder to form desired nuclear fuel rods without re-enriching. Therefore, it is possible to significantly reduce costs. Normal plutonium obtained through reprocessing is mostly fissile material, but this type of plutonium also contains non-fissile isotopes, such as U-235.
Since plutonium dioxide corresponds to 60-80% highly enriched uranium, it is possible to adjust the nuclear and thermal performance of nuclear fuel rods with a relatively small amount of plutonium dioxide. In the second invention of the present invention, which uses a mixed powder of burnable poison and plutonium dioxide, in addition to the above-mentioned effects, the formulation of gadolinia in a relatively small amount of plutonium-containing powder mixed with uranium dioxide particles is This makes it possible to finely blend the nuclear fuel material and burnable poison, thereby providing a nuclear fuel rod with a high burnup and a controlled content ratio of nuclear fuel material and burnable poison. Also, when mixing burnable poison with plutonium dioxide,
Unlike boiling water reactor fuel, it is not mixed uniformly into pellets, making production line rearrangement and quality control easier.

このように、本発明は、総合的にみて、安全性
が高く、安価で容易に製造できる発電用熱中性子
原子炉で用いられる理想的なプルトニウム利用核
燃料棒を提供するものである。
As described above, the present invention provides an ideal plutonium-based nuclear fuel rod for use in a thermal neutron reactor for power generation, which is highly safe, inexpensive, and easily manufactured.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は従来型の核燃料棒の図、第2図Aは焼
結したままの円柱状ペレツトが砂時計(アワ・グ
ラス)型をしていることを示す図、第2図Bは砂
時計型の円柱状ペレツトの側面外周にセンタレ
ス・クラインダーをかけて直円柱状としたものを
示す図、第3図は従来の直円柱状ペレツトを原子
炉内で使用中の変形想定モデル図、第4図は従来
技術の核燃料棒の被覆管内面にみられるペレツト
と被覆管の相互作用(PCI)の説明図、第5図は
本発明に係る核燃料棒の一実施例を示す説明図、
第6図はその部分拡大横断面図である。 2……金属製燃料被覆管、3……上部端栓、4
……下部端栓、11……核燃料粒子、12……プ
ルトニウム含有粉末。
Figure 1 is a diagram of a conventional nuclear fuel rod, Figure 2A is a diagram showing that the as-sintered cylindrical pellet has an hourglass shape, and Figure 2B is an illustration of an hourglass-shaped pellet. Figure 3 shows a model of a conventional right cylindrical pellet being deformed during use in a nuclear reactor. is an explanatory diagram of pellet-cladding interaction (PCI) observed on the inner surface of the cladding tube of a conventional nuclear fuel rod, and FIG. 5 is an explanatory diagram showing an embodiment of the nuclear fuel rod according to the present invention.
FIG. 6 is a partially enlarged cross-sectional view. 2... Metal fuel cladding tube, 3... Upper end plug, 4
... lower end plug, 11 ... nuclear fuel particles, 12 ... plutonium-containing powder.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 核燃料物質として、濃縮ウラン、減損ウラ
ン、天然ウラン、または劣化ウランを用いたウラ
ンの安定な二酸化物(UO2)の平均粒径が0.6mm
ないし1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、安定な
プルトニウム二酸化物(PuO2)粉末とを均一に
混合した上、金属製燃料被覆管の中にマクロ空間
密度分布がほぼ一様となるように充填し、該金属
製燃料被覆管の両管端部を封止してなるプルトニ
ウム利用核燃料棒。 2 核燃料物質として、濃縮ウラン、減損ウラ
ン、天然ウラン、または劣化ウランを用いたウラ
ンの安定な二酸化物(UO2)の平均粒径が0.6mm
ないし1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、安定な
プルトニウム二酸化物(PuO2)に原子炉の核分
裂反応を抑制するバーナブル・ポイズンである酸
化ガドリニウム(Gd2O3)を1%から70%までの
範囲で添加した混合粉末とを均一に混合した上、
金属製燃料被覆管の中にマクロ空間密度分布がほ
ぼ一様となるように充填し、該金属製燃料被覆管
の両管端部を封止してなるプルトニウム利用核燃
料棒。
[Claims] 1. The average particle size of stable uranium dioxide (UO 2 ) using enriched uranium, depleted uranium, natural uranium, or depleted uranium as a nuclear fuel material is 0.6 mm.
Approximately spherical nuclear fuel particles of 1.5 mm to 1.5 mm are uniformly mixed with stable plutonium dioxide (PuO 2 ) powder, and then mixed in a metal fuel cladding tube so that the macroscopic spatial density distribution is almost uniform. A nuclear fuel rod utilizing plutonium, which is filled with plutonium and sealed at both ends of the metal fuel cladding tube. 2 The average particle size of stable uranium dioxide (UO 2 ) using enriched uranium, depleted uranium, natural uranium, or depleted uranium as nuclear fuel material is 0.6 mm.
Approximately spherical nuclear fuel particles of 1.5 mm to 1.5 mm, stable plutonium dioxide (PuO 2 ), and gadolinium oxide (Gd 2 O 3 ), a burnable poison that suppresses nuclear fission reactions in nuclear reactors, are mixed from 1% to 70%. After uniformly mixing the mixed powder added in the range of
A nuclear fuel rod utilizing plutonium, which is formed by filling a metal fuel cladding tube so that the macroscopic spatial density distribution is almost uniform, and sealing both ends of the metal fuel cladding tube.
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