JPH01318994A

JPH01318994A - 核燃料要素

Info

Publication number: JPH01318994A
Application number: JP63151150A
Authority: JP
Inventors: Takeo Motomiya; 本宮　武雄
Original assignee: Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Current assignee: Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Priority date: 1988-06-21
Filing date: 1988-06-21
Publication date: 1989-12-25

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、原子炉用核燃料要素に係り、特に、核燃料被
覆管内に装填する燃料ペレットを改良して熱伝導度を向
上し、核燃料の高燃焼度化に好適な核燃料要素に関する
ものである。

［従来の技術］現行の軽水炉で使用されている核燃料要素は、核燃料粉
末を円柱状に圧粉成型・焼結した燃料ペレットをジルコ
ニウム基合金の被覆管内に装填し、被覆管にＨｅガスを
封入し、上、下部端栓で密封した状態で保管される。

原子炉の稼働時には、燃料ペレットは半径方向に大きな
温度勾配（約２００’Ｃ／ｍｍ）が生じるため、上下端
が外側に張り出し、全体的に砂時計のようにそり返った
形に変形する。また、燃料ペレーットを積み重ねた場合
１個々のペレットが持つ上面、下面の平行度のずれが集
積され、あるペレット群単位で、軸方向に傾斜する（こ
れをペレットの踊りという、）ことになる。特に変形量
の平行度のずれの大きいペレット端面部が被覆管に接触
すると被覆管に高い応力、ひずみを与えることになる（
ＰＣＭＩ　（ペレット−被覆力学的相互作用）という）
、ペレットのリッジ部に対応した被覆管の応力、ひずみ
の集中個所に燃料ペレットから放出された核分裂生成物
（ＥＰガス）が作用し、応力腐食割れを起こす可能性が
増加する。上述した問題点において特にペレットの中心
温度上昇は、ＦＰガス放出および、スウェリング量を増
大させ、ＰＣＭＩが増大する恐れがある。

ペレットの中心温度上昇防止の観点から、被覆管内部を
高融点の金属板により放射状に区切るという特開昭５８
−１４７６７７号公報がある。これによると、ペレット
内で発生した熱を、被覆管だけでなく金属板を通して中
心部から外周部へ除去することができ、被覆管の破損を
大幅に低下させることができる。

［発明が解決しようとする課題］上記の特開昭５８−１４７６７７号公報では、ペレット
に割れが発生し、破壊して砂粒状になると、金属板を介
して被覆管との熱伝達が悪くなり、ペレット中心温度の
上昇を防止できなくなる可能性がある。

本発明の目的は、上記の問題点を解決し、燃料ペレット
の中心部の温度上昇を防止することができ、高燃焼度化
に適した核燃料要素を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記課題を解決するために１本発明に係る核燃料要素の
構成は、金属製被覆管内に、円柱状の燃料ペレットを軸
方向に複数個積層してなるペレット群を収納し、両端を
密封した核燃料要素において、ペレット群を、中心に、
両端部を突出させて金属棒を配置し、表面を金属薄膜で
被包した燃料ペレットと、前記金属棒の端部を挿入する
ことができる中心孔を穿設した金属円板とを、前記端部
を中心孔へ挿入した状態で交互に積層してなるペレット
群になるようにしたものである。

［作用］原子炉運転中における核燃料被覆管内の燃料ペレットは
、燃焼度の進行につれて高温化し、放熱量は増大し、被
覆管外周部を流れる冷却水を加熱して水蒸気を効率よく
発生させるが、燃料ペレットの中心部は特に高温となり
、内外部の温度差が過大になるとペレットが破壊するこ
ともある。特にセラミックスの燃料ペレットは、金属の
燃料ペレットに比して、熱伝導率が悪いので高温の中心
部を早急に冷却し、除熱して内外の温度差を平均化する
必要がある。その除熱方法として、従来から種々の考案
が提出されているが十分満足のいくものではなかった。

本発明では、燃料ペレット中心部の除熱を効率よく行な
うために以下のような工夫を施した。

（１）燃料ペレット中心部に金属丸棒を嵌着させる。

（２）燃料ペレット外表面を金属薄膜で被包する。

（３）中心孔を有する金属円板と、上記（１）。

（２）を施した燃料ペレットとを、上下方向に交互に、
金属丸棒を孔空き金属円板が挿嵌するように積層する。

実測の結果、原子炉運転中には、被覆管内の燃料ペレッ
ト中心部は１５００〜１６００℃、外周部冷却水は２５
０〜３００℃なので、上記の本発明によれば、燃料ペレ
ット中心部から外周部へ向って、熱伝導率の大きい金属
表面にそって、大量の熱が、急速に放熱されることにな
る。この作用によって、燃料ペレットの中心温度の上昇
を緩和し、ＦＰガスの放出、スエリング（被覆管の膨張
変形）の低減、およびＰＣＭＩの軽減が可能となる。

［実施例コ以下１本発明に係る一実施例を第１図および第２図を用
いて説明する。

第１図は、本実施例に係り、燃料ペレットを改良した核
燃料要素の断面略示図、第２図は、第１図における燃料
ペレットの積層状態を示す部分詳細Ａ−Ａ断面図である
。

第１図および第２図の構成は、１は、燃料被覆管、２は
、金属棒、金属薄膜を具備せる燃料ペレット、３は、ド
ーナツ状金属円板、４は、上部端栓、５は、下部端栓、
６は、プレナムスプリング。

７は、プレナム部、８は、被覆管と燃料ペレットとのギ
ャップ、９は、金属薄膜、１１は、金属棒である。

さらに詳しく説明すると、被覆管１内に、両端面に金属
棒突起およびペレット外表面に金属薄膜を具備した燃料
ペレット２と、上記金属棒突起を挿嵌する中心孔を具備
するドーナツ状の金属円板３とを交互に組合せて積層し
て装填し、該燃料ペレット２および金属円板３をプレナ
ムスプリング６で押え、Ｈｅガス雰囲気中で、上部端栓
４および下部端栓５を用いて密封溶接した構造である。

いま、本実施例（第１図）に示す改良された核燃料要素
を原子炉内に装填し、定常運転後の燃料ペレットの動作
について考える。

第２図からもわかるように、燃料ペレット２の中心部に
は金属棒１１があり、また、該燃料ペレット２の表面に
は、前記金属棒１１と接続して金属薄膜９があって、こ
の金属薄膜９の上、下部分が金属円板３と接触している
ので、金属棒１１近傍の温度が約１６００″Ｃ１被覆管
の外側の冷却材が約２５０’Ｃとすると、金属棒１１近
傍で発生する熱は、温度勾配に沿って、金属薄膜９およ
び金属円板３を経て外周部へ流れ、急速に放熱されるこ
とになる。

本実施例による効果は、燃料ペレットの中心部の温度上
昇を急速に防ぎ、ＦＰガス放出の抑制、スウェリングの
低減、およびＰＣＭＩを軽減することができることであ
る。

燃料ペレットの中心軸金属棒、金属薄膜およびドーナツ
状の金属円板用材料は、高融点であり、かつ耐中性子照
射性にすぐれているタングステン、ニオブ、モリブデン
、タンタルおよびその合金が好適である。

本実施例による燃料ペレットを製造するには、二酸化ウ
ランまたは、ウラン・プルトニウム混合酸化物の粉末を
圧粉成型する際に、ペレット直径の約１１５大の金属棒
径が成型体の中心部の位置を固定するようにしてセット
し、これに約２ｔ／−の圧力を加える。ついで、これを
水素雰囲気中で、１６００〜１８０　（１’ｃで加熱焼
結する。さらに、この金属突起を具備する燃料ペレット
表面）こ２〜３μｍの金属薄膜を付設することによって
完成する。付設の方法としては、ペレット表面に金　・
属メツキを施すか、または金属箔を張付けることによっ
て行なう。なお、焼結の際、金属棒が成型体中心軸に位
置しているためペレット内部の焼結が効率よく進み高密
度ペレットや、大粒径ペレットが容易にできる可能性も
ある。

［発明の効果］本発明によれば、原子炉運転中における燃料ペレットの
中心部温度の上昇を、熱伝導率の大きい金属表面を通し
て温度勾配にしたがって、急速に外周部の冷却水へ向っ
て放熱し緩和することができるので、ＦＰガス放出によ
る被覆管内圧の上昇を緩和し、スウェリングを低減し、
ＰＣＭＩを軽減することができる。

このことは、核燃料の長寿命化、高燃焼度化に効果があ
り、燃料経済上にも大きく貢献することになる。

以上要するに、燃料ペレットの中心部の温度上昇を緩和
することができ、高燃焼度に適した核燃料要素を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本実施例に係り、改良した燃料ペレットを装
入した核燃料要素の断面略示図、第２図は、第１図にお
ける燃料ペレットの積層状態を示す部分詳細Ａ−Ａ断面
図である。く符号の説明〉１・・・燃料被覆管、２・・・金属棒突起部、金属薄膜
を具備せる燃料ペレット、３・・・ドーナツ状金属円板
、４・・・上部端栓、５・・・下部端栓、６・・・プレ
ナムスプリング、７・・・プレナム部、８・・・被覆管
と燃料ペレットとのギャップ、９・・・金属薄膜、１１
・・・金属捧

Claims

【特許請求の範囲】１、金属製被覆管内に、円柱状の燃料ペレットを軸方向
に複数個積層してなるペレット群を収納し、両端を密封
した核燃料要素において、ペレット群を、中心に、両端
部を突出させて金属棒を配置し、表面を金属薄膜で被包
した燃料ペレットと、前記金属棒の端部を挿入すること
ができる中心孔を穿設した金属円板とを、前記端部を中
心孔へ挿入した状態で交互に積層してなるペレット群に
したことを特徴とする核燃料要素。２、燃料ペレットの金属棒を、タングステン、ニオブ、
モリブデン、タンタルおよびそれらを含む合金製にした
ことを特徴とする請求項１記載の核燃料要素。３、燃料ペレットの金属薄膜を、タングステン、ニオブ
、モリブデン、タンタルおよびそれらを含む合金製にし
たことを特徴とする請求項１記載の核燃料要素。４、中心孔を有する金属円板を、タングステン、ニオブ
、モリブデン、タンタルおよびそれらを含む合金製にし
たことを特徴とする請求項１記載の核燃料要素。