JPH023153B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は、液体金属冷却高速増殖炉に用いる
燃料要素に関し、さらに詳しくは、炭素ケイ素で
被覆した粒子燃料を用いた高速増殖炉用燃料要素
に関するものである。

＜従来の技術＞ 従来の高速増殖炉用燃料要素（燃料ピン）は、
第７図に示すように、上下両端部に端栓１，２を
有する燃料被覆管３内の長手方向中央部の炉心燃
料領域に、プルトニウム−ウラン混合酸化物燃料
の焼結ペレツトからなる炉心燃料ペレツト４を積
み重ね、さらにこの炉心燃料領域の上下に位置す
るブランケツト燃料領域に、天然または劣化ウラ
ン酸化物の焼結ペレツトからなるブランケツト燃
料ペレツト５を積み重ね、これらのペレツト積層
の上下をスペーサまたは遮蔽体６を介してスプリ
ング７で固定した構造を有している。スプリング
が設けられている空隙は、燃料の燃焼により発生
する核分裂生成ガス（以下、「FPガス」と略記す
る）を溜めるためのガスプレナム８となる。

＜発明が解決しようとする問題点＞ しかしながら上記のごときペレツト型燃料は、
燃焼に伴い発生するFPガスをペレツト内に保持
しておく能力が低く、その結果大きなガスプレナ
ム容積が必要となるため燃料要素全長を長くせざ
るを得ず、さらにはFPガスによる燃料被覆管の
内圧上昇が著しくなり、これが燃料被覆管の強度
管の強度面からの寿命を支配する要因ともなつて
いる。

また、酸化物燃料ペレツトは熱伝導率が低いた
め、燃料要素の半径方向温度分布は第８図に示す
ように燃料要素中心温度が2100〜2300℃にも達
し、混合酸化物燃料の融点（例えば30％PuO₂＋
UO₂燃料の融点は2740℃）に対して余裕がないだ
けでなく、除熱上の制約から燃料要素の直径を小
さくしなければならない。その結果、燃料集合体
当りの燃料要素数が増加し、燃料製造コストが高
くならざるを得ないという欠点があつた。

そこでこの発明の目的は、燃料被覆管内への
FPガスの放出を抑えてガスプレナム容積を零ま
たは極めて小さくすることができ、さらには燃料
要素中心温度を比較的低温に抑えて燃料要素直径
を大きくすることができ、その結果小型化および
製造コストの低減化を図ることができる高速増殖
炉用燃料要素を提供することである。

＜問題点を解決するための手段＞ この発明の高速増殖炉用燃料要素においては、
従来のペレツト型燃料に代えて、最外層に炭素ケ
イ素（SiC）被覆を有する粒子状燃料を使用する
とともに、燃料被覆管内に充填された各燃料粒子
間の間隙を液体ナトリウムで満たすことによつ
て、上記の目的を達成している。

すなわちこの発明の高速増殖炉用燃料要素は、
上下両端に端栓を有する燃料被覆管内の長手方向
中央部の炉心燃料領域に炉心燃料を核とし炭化ケ
イ素からなる最外層被覆を有する炉心燃料粒子を
充填し、前記燃料被覆管内の炉心燃料領域の上下
に位置するブランケツト燃料領域にブランケツト
燃料を核とし炭素ケイ素からなる最外層被覆を有
するブランケツト燃料粒子を充填し、各燃料粒子
間の間隙に液体ナトリウムを満たしてなることを
特徴とするものである。

＜実施例＞ 以下に図面に示す実施例を参照してこの発明を
詳述する。第１図はこの発明の燃料要素の基本的
な構成を示しており、SUS316鋼等で作られた燃
料被覆管１３の上下端には端栓１１，１２が溶接
により取付けられている。この被覆管１３の長手
方向中央部の炉心燃料領域には、炉心燃料を核と
しSiCの最外層被覆を有する炉心燃料粒子１４が
充填され、さらにこの炉心燃料領域上下に位置す
るブランケツト燃料領域には、ブランケツト燃料
を核としSiCの最外層被覆を有するブランケツト
燃料粒子１５が充填されている。

各燃料粒子は第２図に詳細に示したように、燃
料の核２１のすぐ外側に例えば熱分解炭素からな
る厚さ約100μ程度の中間被覆２２を有し、さら
にその外側にSiCからなる厚さ約30μ程度の最外
層被覆２３を有しており、全体で直径約１mm程度
の球状を呈している。従来と同様にこの発明にお
いても、炉心燃料としてはプルトニウム−ウラン
混合酸化物燃料を使用でき、ブランケツト燃料と
しては天然または劣化ウラン酸化物を使用でき
る。

SiC被覆層を備えた被覆燃料粒子は高温ガス炉
用燃料として従来から開発されており、SiC被覆
層がFPガスの保持能力に優れていることが確認
されている。しかしながら高温ガス炉用燃料とし
て現在開発されている燃料粒子は、SiC被覆層を
中間層として形成し、最外層には熱分解炭素の被
覆層を有しているものである。これに対してこの
発明において使用する燃料粒子は各燃料粒子間の
間隙に液体ナトリウムを満たした、いわゆるナト
リウムボンド型として使用されるため、粒子の最
外層をナトリウムとの共存性（耐腐蝕性、耐質量
移行性など）の良いSiC被覆層としたのである。
なお、第２図に示されている熱分解炭素の中間被
覆層は、FPガスの保持能力をより一層高めるた
めに形成することが望ましいが、不可欠なもので
はなく、燃料の核のすぐ外側にSiC被覆層を形成
してもよい。

この発明においてはさらに、燃料被覆管１３内
に充填された各燃料粒子１４，１５間に形成され
る間隙に、熱の伝導媒体として液体ナトリウム１
９を満たすことによつて、ナトリウムボンドを形
成する。

なお第１図は密閉型燃料集合体を示すものであ
るため、ナトリウム液面Ｌと上記端栓との間に若
干の空隙２０を形成させており、この空隙には一
般に不活性ガスが充填されている。

上述したごとき構造を有するこの発明の燃料要
素によれば、燃料の燃焼に伴つて発生するFPガ
スの燃料被覆管１３内への放出は、各燃料粒子１
４，１５のSiC被覆層２３によつて零ないしは非
常の低く抑えることができるため、従来必要とさ
れていたガスプレナムの容積を零ないしは非常に
小さくすることができ、燃料要素全長を大幅に短
縮して小型化することが可能となる。

また、燃料被覆管内の各燃料粒子１４，１５間
には熱の良伝導体である液体ナトリウム１９を満
たしてナトリウムボンドを形成してあるから、燃
料要素内の除熱が効率よく行なわれ、その結果、
各燃料粒子の中心温度が約1400℃程度の比較的低
温になるとともに、第３図に示したように燃料要
素の半径方向温度分布が平坦化し、燃料要素中心
温度を約700〜800℃といつた低温度に抑えること
ができる。これによつて、従来のペレツト型燃料
を用いた燃料要素よりも直径の大きい燃料要素を
製作することが可能となる。

第４図は、炉心燃料領域の発熱密度（線出力）
を平坦化させるようにしたこの発明の燃料要素を
示すものであり、炉心燃料粒子１４にブランケツ
ト燃料粒子１５を種々の割合で混在させることに
よつて（第４図Ａ）、核分裂性燃料（炉心燃
料）／非核分裂性燃料（ブランケツト燃料）の燃
料比を炉心燃料領域の長手方向に連続的に変化さ
せている（第４図Ｂ）。通常炉心における中性子
束は炉心燃料領域の長手方向中央部で最大となり
両端部へ向つて漸減するように分布している（第
４図Ｄ）ことから、これによつて炉心燃料領域に
おける発熱密度を平坦化できる（第４図Ｃ）。

さらに第５図は、第１図の燃料要素の燃料被覆
管１３中心軸に沿つて多孔管３０を配設し、この
多孔管内にナトリウム流路を形成したものであ
る。これによつて燃料要素中心温度およびナトリ
ウムボンドの温度をより一層低くすることができ
る。なお、図中の参照番号３１は燃料粒子充填層
の長手方向の数個所に空隙３２を形成するための
多孔仕切板を示し、この空隙の形成によつて多孔
管のナトリウム流路へのナトリウムの流通が一層
効果的になされるようになる。

なお、以上の説明は密閉型燃料要素について述
べたが、この発明は第６図に示したような圧力開
放型（ベント型）燃料要素に対しても適用するこ
とができる。この場合には、燃料被覆管内上部の
空隙は不要となり、また上部端栓１１にはベント
孔３３が穿設される。

＜発明の効果＞ 以上説明したところからわかるように、この発
明の高速増殖炉用燃料要素においては、FPガス
の放出のない、または非常に少ないSiC被覆粒子
燃料を使用することにより、従来型の混合酸化物
ペレツト燃料を用いた燃料要素において不可欠で
あつたガスプレナムを無くするかまたは非常に小
さくできるため、従来に比べて全長で1/2以下の
小型燃料要素とすることができる。

さらに上記の粒子燃料とナトリウムボンドとを
組合せることにより、燃料要素中心温度を従来型
の1/3ないし1/4に低下させることができ、この結
果、直径の比較的大きな燃料要素の製作が可能と
なる。

また、燃料要素中心温度とともに粒子燃料中心
核の酸化物（PuO₂、UO₂）の温度も低下される
ことにより、混合酸化物燃料の融点に対する余裕
ができる。このため、原子炉の運転温度を例えば
従来型での約500℃から約750℃までさらに高める
ことが可能となり、プラントの熱効率を向上およ
び多目的利用の熱源としての利用価値の向上を図
ることができる。

さらにまた、この発明は密閉型燃料要素にも圧
力開放型燃料要素にも適用することができる。密
閉型燃料要素に適用した場合には、密閉型燃料被
覆管によるFPガスの外部漏洩に対する障壁に加
えて、燃料粒子のSiC被覆層によるFPガス外部漏
洩防止障壁が追加されることになるため、原子炉
の安全性が著しく増加する。また圧力開放型燃料
要素にこの発明を適用した場合には、燃料被覆管
の内圧クリープ等による燃料要素のシールバウン
ダリーとしての機能破損を考慮する必要がなくな
り、従来のFPガスの外部漏洩に対する障壁の数
を減らすことなく、原子炉の安全性を保持したま
ま燃料要素の運転温度の高温化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の密閉型燃料要素の実施例を
示す説明図、第２図はこの発明で用いるSiC被覆
粒子燃料の拡大断面図、第３図はこの発明の燃料
要素の半径方向温度分布を示す説明図、第４図Ａ
〜Ｄはこの発明の別な実施例を示す説明図、第５
図は燃料被覆管の中心軸に沿つてナトリウム流路
を設けるようにしたこの発明の燃料要素を示す説
明図、第６図はこの発明の圧力開放型燃料要素の
実施例を示す説明図、第７図は従来のペレツト型
燃料を用いた燃料要素を示す説明図、および第８
図は第７図の燃料要素の半径方向温度分布を示す
説明図である。 １１，１２……端栓、１３……燃料被覆管、１
４……炉心燃料粒子、１５……ブランケツト燃料
粒子、１９……液体ナトリウム（ナトリウムボン
ド）、３０……多孔管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上下両端に端栓を有する燃料被覆管内の長手
   方向中央部の炉心燃料領域に炉心燃料を核とし炭
   化ケイ素からなる最外層被覆を有する炉心燃料粒
   子を充填し、前記燃料被覆管内の炉心燃料領域の
   上下に位置するブランケツト燃料領域にブランケ
   ツト燃料を核とし炭素ケイ素からなる最外層被覆
   を有するブランケツト燃料粒子を充填し、各燃料
   粒子間の間隙に液体ナトリウムを満たしてなるこ
   とを特徴とする高速増殖炉用燃料要素。 ２ 前記炉心燃料領域の発熱密度が平坦化するよ
   うに前記炉心燃料粒子に前記ブランケツト燃料粒
   子を混在させて炉心燃料領域に充填した特許請求
   の範囲第１項記載の燃料要素。 ３ 上下両端に端栓を有する燃料被覆管内の長手
   方向中央部の炉心燃料領域に炉心燃料を核とし炭
   化ケイ素からなる最外層被覆を有する炉心燃料粒
   子を充填し、前記燃料被覆管内の炉心燃料領域の
   上下に位置するブランケツト燃料領域にブランケ
   ツト燃料を核とし炭素ケイ素からなる最外層被覆
   を有するブランケツト燃料粒子を充填し、各燃料
   粒子間の間隙に液体ナトリウムを満たし、前記燃
   料被覆管の中心軸に沿つてナトリウム流路を形成
   するための多孔管を配設してなることを特徴とす
   る高速増殖炉用燃料要素。