JPH02297096A

JPH02297096A - 可燃性吸収材被覆核燃料

Info

Publication number: JPH02297096A
Application number: JP2108978A
Authority: JP
Inventors: Charles Albert Bly; チャールズ・アルバート・ブライ
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1989-05-01
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1990-12-07
Anticipated expiration: 2013-11-11
Also published as: KR900019056A; EP0395920A2; JP2823055B2; EP0395920A3

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】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。

九丘狡■立ＩＩ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。各燃料棒は核燃料ベ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、従来の成る手段では、可燃性吸収材
を燃料ベ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ベレットの表面に形成するというも
のがある。ｇＮｊえば、米国特許第３，４２７，２２２
号明細書では、燃料ベ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。各燃料ベレットは、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ニ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１　
（Ｉ　ＦＢＡＩＩ）で十分に応用化され、これはウェス
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、１遺されており、ｒ　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。

ニホウ化ジルコニウムは、燃料の寿命、ひいては燃料棒
の寿命を延ばすなめに核燃料ベ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
ブ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、燃料ベレットの可燃性吸収材コーティングとし
て使用されるニ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。

魚Ｊノと１！本発明は、上述の必要性を満足させるように設計された
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、ニホウ化マンガン、ホウ化エルビウム
、金属エルビウム、酸化エルビウム及びニホウ化ジルコ
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、或はニ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。

２　Ｆｆの　−一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−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ベきものではない。

交卦！広し乳用図面、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、即ち案内シンプル１
４とを備えている。

更に、燃料集合体１０は、案内シンプル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、案内シンプル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
きる一体ユニツ、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Ｚ
８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
ベレット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、これらの核燃料ベレッ
ト３２は、密封室３０内においてベ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。

の　　　　　　　　　　　　　　　− 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（Ｉ　ＦＢＡ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■ＦＢＡ捧は、ウェスチング
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ベレットを有している燃料棒１
８である。より詳細には、毒物質を含まない燃料ベレッ
ト３２Ａの端部同士突き合わせた配列、即ち連鎖体は、
燃料ｐＪｉ８の燃料ベ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ベレット３
２Ｂ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
い各燃料ベレット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３
８Ａ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ベレット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３１３Ｂと、この円筒体３
６Ｂ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はニ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、被覆燃料ベレット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。

前述したように、ニホウ化ジルコニウムの使用に伴う問
題点は、燃料棒ブ・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、燃料ベ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
来の毒物被覆燃料ベ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Ｉ　ＦＢＡ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はニホウ化マンガン
の外側コーティング４６Ａを有しており、ニホウ化マン
ガンの利点はその密度がニホウ化ジルコニウムの密度の
約１６７１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　、４６Ｃ，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、ニホ
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、酸化エルビウムとニホウ化
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、ニホウ化ジルコニウ
ムの代わりに用いられている。尚、外側コーティング４
６Ｃは核燃料基体４４全体にスバ・ｙ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、外劇コーティング４６Ｄは２層とさ
れており、ニ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５
２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
，４２７，２２２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ベレットの連
鎖体を有し、上端部分と下端部分に非被覆燃料ベレット
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ベレットの１つを示す拡大断面
図、第４図は、第３図の４−４８！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２吸
収材被覆燃料ペレツトの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ベレット
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ベレットの第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ベレッ
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ベレットの第４の実施例を示す
縦軸方向断面図である１図中、１０・・・燃料集合体　
　　１８・・・燃料棒４２＾、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ＦＩＧ、５ＦＩＧ。ＦＩＧ。ＦＩＧ、２ＦＩＧ。ＦＩＧ。

Claims

【特許請求の範囲】（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。