JPH0266494A - 原子炉用金属燃料 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、特に高速増殖炉用に適した原子炉用金属燃料
に関する。

（従来の技術） 一般に、高速増殖炉では所定形状とした燃料要素をステ
ンレス鋼などからなる燃料被覆管内に封入して燃料棒を
形成し、この燃料棒を多数本束ねて燃料集合体を構成し
ている。そして、この燃料集合体を原子炉容器内に多数
配置して炉心を構成している。

上述の燃料要素としては、大別して酸化物燃料要素と金
属燃料要素とがある。

ここで、金属燃料要素には、以下に示すような欠点が存
在していた。

■　金属であるために酸化物に比べて融点か低く、特に
Ｐｕ成分の混合により　Ｕの融点よりもさらに低下して
しまう。これにより、原子炉の異常な過渡状態における
燃料の融点との間の熱的マージンが減少する。

■　燃料被覆環のＰｃ成分と燃料要素中のし成分とによ
り低融点共晶合金を生成してしまう。

上記■に対しては、燃料のリサイクルを前提としたＵ−
Ｐｕ系サイクルでは、高速増殖炉用燃料としてはＰｕ成
分を必ず使用しなければならないが、Ｚｒ成分を含何さ
せた３成分系合金とすることによって（１−Ｐｕの２成
分系合金よりも融点が上昇し、熱的マージンを増大させ
ることが可能であることが判明している。また、■に対
してもＺｒ成分を含有させた３成分系合金、あるいはＵ
−Ｚｒの２成分系合金とすることによって、被覆管内面
ｌＲ度が７２５℃以下であればＵ−Ｆｅの共晶合金の生
成反応は促進されないことが判明している。

また、高速増殖炉用の金属燃料要素は燃料被覆管と燃料
との間隙にＮａを充填したＮａボンド燃料ピンとして使
用されるため、燃料の実効熱転導度が酸化物燃料に比べ
て非常に大きい。ニーのため、酸化物燃料の融点約２７
００℃に比べて金属燃料の融点は１０００℃程度と低い
にもかかわらず燃焼時の燃料中心温度が低く、このため
に炉心の異常な過渡状態における冷却材の温度上昇が小
さく、冷却材であるＮａの沸点（９００℃）までの裕余
度が大きいという特徴を有している。

このように金属燃料要素は、特にＵ−Ｐｕ−Ｚｒ系のＺ
ｒを含有させた３成分系合金は、高速増殖炉用金属燃料
として優れた特性を有している。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、最近のＬＪ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金およびυ
−Ｚｒ系合金からなる金属燃料の確証照射試験結果と照
射後試験結果を反映した燃料挙動解析結果によれば、燃
料製造時には一様に分布していた各合金成分が燃焼が進
むにつれて再分布することが判明した。そして、この合
金成分の再分布によって、燃料の径方向ｊ折重内の位置
によっては、Ｚｒ成分の含有率が２％程度まで低下して
しまう例のあることも判明した。

このようにＺｒ成分の含有率が２％程度まで低下すると
、その部分の融点が初期値より低下してしまい、Ｚｒ成
分を添加したことによる高融点効果が得られなくなって
しまう。

ここで、金属燃料はＦＰガス、特にガス成分によるポロ
シティが燃焼度１％程度までは外部へのガス放出を促進
する開放型ポロシティとはならず、ガス成分の混在によ
り実効的に熱伝導度を低下させている。しかし、その後
は開放型ポロシティの形成およびボンドＮａの侵入等に
より、改善の方向に向かう。したがって、同一の出力条
件における燃料温度は、第７図に示すように、燃焼開始
から燃焼度１％程度までは上昇し、この後低下する。

そして、第７図に示したように、上述したＺｒ成分の再
分布による部分的なＺｒ成分の低下によって融点の低下
現象が起こると、燃焼度１％程度におけるほぼ最大の燃
焼温度に対する熱的マージン、すなわち燃料温度の不確
かさも考慮したホットスポット温度と融点との差を減少
させてしまう。

このように熱的マージンが予め減少することが予Ｊｌｌ
ｌされる場合には、金属燃料の最大線出力を低下させる
必要が生じ、炉心の小型化を妨げて建設コストの増大を
招き、さらには安定運転をも妨害することとなる。

本発明はこのような従来技術の課題に対処するためにな
されたもので、Ｕ　−Ｐ　ｕ　−Ｚ　ｒ系合金やＵ−Ｚ
ｒ系合金からなる金属燃料のＺｒ成分の再分布による部
分的な融点の低下を防止し、Ｚｒ成分の添加による融点
の上昇効果を継続してかつ安定して得られるようにした
原子炉用金属燃料を提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の原子炉用金属燃料は、Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金ま
たは［１−Ｚｒ系合金からなる円柱状の金属燃料におい
て、前記円柱の径方向断面内における径方向中間部に、
前記Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金またはＬｌ−Ｚｒ系合金のＺ
ｒ含有率よりＺｒの存在率が高い領域を有していること
を特徴としている。

（作　用） Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金またはＵ−Ｚｒ系合金からなる金
属燃料は、燃焼進行に伴って各合金成分が以下のように
再分布されることが、照射試験による試験結果とそれを
反映した燃料挙動解析モデル計算がら判明している。な
お、第５図に照射試験結果を、第６図に燃料挙動解析モ
デルを示す。これらの図から分るように、Ｚｒ成分は燃
料の径方向断面内において、径方向中間部の存在比率が
低下し、逆に中心付近および外周付近の存在比率が増大
するように再分布される。この合金成分の再分布の原因
は、燃料の温度分布や物質の濃度分布、生成されるＦＰ
酸成分特にＦＰガスによるポロシティとその成長などに
よる化学ポテンシャルの変化、温度による合金相の変化
とそれに伴うＺ「に対する溶解度の差などに起因するも
のと考えられる。

したかって、燃焼の進行に伴ってＺｒ成分が減少する径
方向中間部に予めＺｒ成分の存在比率が高い領域を形成
しておくことによって、合金成分の再分布が発生しても
、このＺｒ成分の存在比率が高い領域がＺｒ成分の供給
源となってＺｒ成分の低下を防止することが可能となる
。

なお、燃料の中心付近と外周付近ではＺｒ成分の存在比
率か増大するが、これは融点の向上や燃料彼題管との共
存性が高まるなど、燃料としての特性改善の方向で進み
、問題とはならない。

（実施例） 次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は本発明の一実施例である金属燃料を模式的に示
す軸方向断面図である。同図において、１はこの金属燃
料の母材となるＵ−Ｐｕ−Ｚｒ合金からなる円筒状燃料
本体である。このＵ−Ｐｕ−Ｚｒ合金におけるＺｒ成分
の含有率は、１０重量％程度が良好な値とされている。

Ｚｒ成分の含有率が１０重量％より大幅に低いと融点の
上昇効果が充分に得られなくなる。また、１０重量％を
大幅に超えると融点が逆に高くなりすぎ、この合金系金
属燃料は通常溶融射出法によって形成されるため、その
際に使用される溶融用るつぼの素材の融点に近くなりす
ぎることや原子炉内でのＵ−Ｐｕの存在率が減少し、炉
心特性が低下することによる。もともと金属燃料炉心は
、酸化物燃料を用いた炉心に比べて実効密度（燃料ビン
内に詰められた時の状態で、ピンの内径面積と燃料断面
の比率を考慮した実行的な密度）で約１０〜３０重程度
高いために、燃焼反応度の減少か非常に小さいという特
徴を有しているが、Ｚｒ成分の含有率が高くなりすぎる
とこの特徴か生かされなくなってしまう。なお、Ｐｕ成
分の含有率は約１０〜３０重−％程度であり、原子炉の
出力などによって選択される。

そして、このＵ−Ｐｕ−Ｚｒ合金によって形成された円
筒状燃料本体１の径方向断面内における径方向中間部に
、上記Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ合金におけるＺｒ成分の含有率よ
りＺｒ成分の存在率が高いＺ「リッチ領域２が軸方向お
よび径方向に対して層状に形成されており、Ｕ−Ｐｕ−
Ｚｒ合金からなる円筒状燃料本体１は、中心近傍部１ａ
と外周近傍部１ｂとに分割されている。

このＺｒリッチ領域２は、円筒状燃料本体１のＵ−Ｐｕ
−Ｚｒ合金におけるＺ「成分の含有率よりＺｒ成分の存
在率が高ければよく、たとえばＺｒ単一層としてもよい
。但し、炉心特性との兼合いにより、たとえば燃料内で
平均したときＺ「成分の含有率を１５重量％程度以下と
なるような合金が用いられる。

このＺｒリッチ領域２は、円筒状燃料本体１の径方向断
面半径ｒｏに対して、中心からＺ「リッチ領域２の中心
近傍位置までの距離ｒが、 ｒ／ｒ＋）−０，２〜０．６ となるように形成する。なお、Ｚｒリッチ領域２の体積
占有率は、Ｚｒ成分の増量分や母材のＺｒ成分含有率な
どによって適宜設定される。

また、Ｚｒリッチ領域２の存在形態は、第１図に示した
ように径方向および軸方向に対して層状に形成する以外
に、第２図に示すように径方向に対して不連続としたり
、また第３図に示すように軸方向に対して不連続として
も同様な効果か得られる。また、第２図および第３図に
示したように、Ｚｒリッチ領域２を不連続とすることに
よってスエリングを減少させる効果も得られる。なお、
Ｚｒリッチ領域２は、第２図および第３図に示した構造
を組合せるなど、各種の存在形態を適用することが可能
である。

このように、燃焼の進行に伴ってＺｒ成分が減少するρ
ｎ域に予めＺｒリッチ領域２を形成しておくことによっ
、て、このＺｒリッチ領域２がＺｒ成分の供給源となり
、Ｚｒ成分の極端な減少領域の発生が防止される。した
がって、部分的な融点の低下が防止され、想定した融点
にもとずいて熱的マージンを設定して高速増殖炉の運転
が行え、燃焼進行によって発生する熱的マージンの減少
を予め見込む必要がなくなり、金属燃料に応じた最大線
出力に基づく運転が安定して行えるようになる。

また、上記実施例の金属燃料を用いて実際に高速増殖炉
用燃料棒を構成する際には、第４図に示すように、燃料
被覆管３内に上部にガス溜め４が形成されるように金属
燃料５を配置する。ここで、金属燃料高速増殖炉では下
部からの冷却材流入方式をとっているので、冷却材の温
度上昇分が加わるために、燃料上部の温度が高くなりや
すい。この傾向は燃料の実行熱転導度が酸化物燃料と比
べて大きい金属燃料炉心では顕著になる。このため、本
発明によるＺｒ成分の存在率を高めた領域を形成したＺ
ｒリッチ領域含有金属燃料６は金属燃料５の上部のみに
配置し、下部は通常の単一相金属燃料７を配置すること
によって、充分に合金成分の再分缶防止効果か得られる
。なお、図中８は８４　Ｃなどからなる遮蔽体であり、
また燃料被覆管３と金属燃料５との間隙には図示を省略
したナトリウムか充填されてナトリウムボンド型とされ
ている。

なお、上記実施例ではＵ−Ｐｕ−Ｚｒ合金を用いた金属
燃料について説明したが、Ｕ−Ｚｒ合金についてもＺｒ
リッチ領域を形成することによって同様な効果が得られ
る。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の原子炉用金属燃料によれば
、部分的なＺｒ成分の低下に伴う融点の低下を未然に防
ぐことが可能となり、金属燃料自体の融点にもとすく熱
的マージンによって安定して原子炉、特に高速増殖炉を
運転することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の金属燃料を模式的に示す図
、第２図および第３図は他の実施例を示す図、第４図は
本発明の金属燃料を用いて１１カ成した燃料棒の一例を
示す断面図、第５図はＩＪ−Ｐｕ−Ｚｒ合金からなる燃
料の照射試験結果を示す図、第６図は第５図の照射試験
結果を反映させた挙動解析モデルを示す図、第７図は高
速増殖炉における熱的マージンの概念を示す図である。 １・・・・・・・・・ＩＪ−Ｐｕ−Ｚｒ合金からなる円
筒状燃料本体 ２・・・・・・・・・Ｚｒリッチ領域 第３図 第４図 重畳介牟（％）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金またはＵ−Ｚｒ系合金から
   なる円柱状の原子炉用金属燃料において、 前記円柱の径方向断面内における径方向中間部に、前記
   Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ系合金またはＵ−Ｚｒ系合金のＺｒ含有
   率よりＺｒの存在率が高い領域を有していることを特徴
   とする原子炉用金属燃料。