JPH0315718B2 - - Google Patents
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- JPH0315718B2 JPH0315718B2 JP57069135A JP6913582A JPH0315718B2 JP H0315718 B2 JPH0315718 B2 JP H0315718B2 JP 57069135 A JP57069135 A JP 57069135A JP 6913582 A JP6913582 A JP 6913582A JP H0315718 B2 JPH0315718 B2 JP H0315718B2
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- Japan
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- nuclear fuel
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- helium gas
- fuel
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
- Fuel-Injection Apparatus (AREA)
Description
本発明は核燃料集合体に係り、特に核燃料集合
体を構成している各核燃料要素毎の核燃料物質
(燃料ペレツト)からの核分裂生成ガス放出量を
平均化するのに好適な核燃料集合体に関するもの
である。 第1図は水冷却原子炉に用いられる核燃料集合
体の構成説明図である。核燃料集合体1は、複数
本の核燃料要素2を上部タイプレート3、下部タ
イプレート4およびスペーサ5を用いて断面が正
方形になるように格子状に組み立てた構成となつ
ている。核燃料要素2としては、従来、例えばジ
ルコニウム合金の被覆管内に二酸化ウラン等の核
分裂性物質を円柱形状に成型、焼結した燃料ペレ
ツトを装填し、被覆管内部のプレナム空間に初期
封入ガスとして熱伝導率が大きいヘリウム(He)
ガスを常圧または3気圧で封入し、被覆管の両端
を端栓にて密封したものが知られている。 初期封入ガスの圧力は、次のような観点から所
定の値に決められている。すなわち、被覆管は、
燃料ペレツトが冷却材または減速材と接触して化
学的に反応するのを防止し、また、燃料ペレツト
の核分裂によつて生成される高い放射能の核分裂
生成物が冷却材中に放出されるのを防止するとい
う2つの主な作用を有している。このような核燃
料要素2において、燃料、すなわち、核分裂性物
質が核分裂して放射性のガスが生成されると、そ
のガスの一部は燃料ペレツト内部に保留され、残
りのガスは燃料ペレツトから被覆管内に放出され
る。このガス放出の割合は、燃料ペレツトの温度
が高ければ高いほど多くなる。なお、この核分裂
生成ガスは主にキセノン(Xe)、クリプトン
(Kr)からなる。核分裂によつて生成されたガス
は、あらかじめ核燃料要素2の被覆管内に封入さ
れたヘリウムガスよりも熱伝導率が小さいので、
核分裂生成ガスが被覆管内に放出されると、燃料
ペレツトと被覆管との間の熱伝達率が小さくな
る。なお、キセノンガス、クリプトンガスの熱伝
導率は、ヘリウムガスのそれの約1/20である。一
方、運転時には最大の出力を出す核燃料要素にお
いて、それの燃料ペレツトおよび被覆管の平均温
度は、例えば、それぞれ1200℃、350℃程度であ
り、被覆管よりも燃料ペレツトの方が大きく熱膨
張する。したがつて、運転時には被覆管が燃料ペ
レツトに押し拡げられて歪む傾向がある。この傾
向は、被覆管内に放出されるガスによる熱伝達率
の低下によつて高められるので、上記熱伝達率を
大きくして熱放散によつて燃料ペレツトの温度を
相対的に下げ、被覆管の歪みを極力抑えることに
より核燃料要素としての信頼性を保持することが
必要である。このため、被覆管内に常温における
圧力が3気圧程度となるようにヘリウムガスを封
入することが提案されている。ところで、初期圧
力を高めると、被覆管と燃料ペレツトとの間の熱
伝達率が改善されるが、高くしすぎると、冷却材
喪失事故時に外圧が大気圧近くに下つたとき、被
覆管が過熱されているので、被覆管が破裂するこ
とになる。冷却材喪失事故時に被覆管の破裂によ
つて放出される核分裂生成ガス量が処理可能の範
囲内であれば、被覆管の破裂は許容されるが、被
覆管が大量に破裂することは望ましくない。した
がつて、従来の核燃料集合体1においては、いず
れの核燃料要素2にも1.5〜5気圧程、代表的に
は3気圧のヘリウムガスを被覆管内に封入するこ
とが行われている。 ところで、核燃料集合体1の各核燃料要素2の
出力は、燃焼が進むにつれてその相対比が変化す
る。第2図は第1図の核燃料集合体の横断面を模
式的に示した図で、6は近接して配設された制御
棒を示し、7,8はそれぞれ核燃料集合体1の燃
焼初期の出力が高いUO2燃料要素、燃焼初期の出
力が低いUO2−Gd2O3燃料要素を示す。UO2燃料
要素7は燃焼が進むにつれて出力の相対比が低下
し、UO2−Gd2O3燃料要素8は燃焼が進むにつれ
て出力の相対比が上昇する。第3図は燃焼度と燃
料ペレツト平均温度との関係を示した線図で、a
曲線はUO2燃料要素7、b曲線はUO2−Gd2O3燃
料要素の場合を示す。すなわち、UO2−Gd2O3燃
料要素8は、b曲線のように、燃焼が進んでから
の燃料ペレツトは温度が高いため、核分裂生成ガ
スの燃料ペレツトからの放出量が多くなり、燃料
ペレツトと被覆管との間の熱伝達率が劣化すると
いう問題を生ずる。 本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、各核燃料要素毎の燃料ペレツ
トからの核分裂生成ガスの放出量を平均化するこ
とができる核燃料集合体を提供することにある。 本発明は、被覆管内に核燃料物質を封入した核
燃料要素を複数本たばねてなる核燃料集合体にお
いて、バーナブルポイズンを含む前記核燃料要素
内にあらかじめ封入したヘリウムガス量が当該核
燃料要素以外の他の前記核燃料要素にあらかじめ
封入したヘリウムガス量よりも多いことを第1の
特徴とし、バーナブルポイズンを含む前記核燃料
要素および制御棒に隣接する前記核燃料要素内に
あらかじめ封入したヘリウムガス量が当該核燃料
要素以外の他の前記核燃料要素にあらかじめ封入
したヘリウムガス量よりも多いことを第2の特徴
とするものである。 以下本発明を第4図、第5図に示した実施例お
よび第3図を用いて詳細に説明する。 第4図は本発明の核燃料集合体の一実施例を示
す横断面を模式的に示した図であり、第4図にお
いて、6は制御棒を示し、1は核燃料集合体で、
9はUO2燃料要素、10は初期出力が低く、燃焼
が進んでから出力が上昇するバーナブルポイズン
入り、すなわち、UO2−5重量%Gd2O3燃料要
素、11はウオータロツドを示す。ところで、本
発明の実施例においては、核燃料要素9,10は
それぞれ下記の仕様としてある。 UO2燃料要素9 封入初期ヘリウム圧力 3気圧 燃料がしめる長さ 3810mm プレナム長 203mm UO2−5重量5%Gd2O3燃料要素10 封入初期ヘリウム圧力 6気圧 燃料がしめる長さ 3708mm プレナム長 305mm ここに、プレナム長とは核分裂生成ガスが核燃
料要素内圧を高めて被覆管に高い応力が発生する
のを防ぐため、被覆管内の上部に作られた空間の
長さであり、被覆管内に装填する燃料ペレツトが
しめる長さによつて決まる。 第4図に示した実施例によれば、UO2−5重量
%Gd2O3燃料要素10は、プレナム長をUO2燃料
要素9より長くしてあり、かつ、封入初期ヘリウ
ム圧力をUO2燃料要素9のそれよりも高くして、
UO2燃料要素9に比べて多量のヘリウムガスを封
入してある。そのため、燃焼が進んで出力が上昇
したときの被覆管と燃料ペレツトとの間の熱伝達
率の劣化を防ぐことができ、燃焼度と燃料ペレツ
ト平均温度との関係は、第3図に破線で示したc
曲線のようになり、従来のb曲線の場合よりも燃
料ペレツト平均温度が相対的に小さくなる。した
がつて、核燃料集合体の各燃料要素毎の燃料ペレ
ツトからの核分裂生成ガスの放出量を平均化する
ことができ、経済性および冷却材喪失事故時の特
性を悪化させないで、核燃料集合体1の信頼性を
高めることができる。 第5図は本発明の他の実施例を示す第4図に相
当する図で、第4図と同一部分は同じ符号で示
し、ここでは説明を省略する。第5においては、
UO2燃料要素9のうち、制御棒6側のコーナの制
御棒6が引き抜かれたとき出力が上昇する3本の
UO2燃料要素12を下記の仕様としてある。 封入初期ヘリウム圧力 5気圧 燃料がしめる長さ 3708mm プレナム長 305mm なお、その他のUO2燃料要素9、UO2−5重量
%Gd2O3燃料要素10の仕様については第4図の
場合と同様である。 燃焼の進んだ核燃料集合体を特定の制御棒の囲
りに装荷し、この制御棒のみを使用して原子炉の
運転を行う方法が適用されるが、この場合、制御
棒側のコーナの核燃料集合体の核燃料要素は、制
御棒の効果によつて、制御棒が引き抜かれたとき
に相対的に出力が上昇する。上記の場合、第5図
の実施例に示したように、制御棒6側のコーナの
UO2燃料要素12の封入ヘリウムガス量を他の
UO2燃料要素9より多くしておけば、相対的な出
力上昇による核分裂生成ガスの燃料ペレツトから
の放出を抑えることができる。 以上説明したように、本発明によれば、バーナ
ブルポイズンを含む核燃料要素又はバーナブルポ
イズンを含む核燃料要素および制御棒に隣接する
核燃料要素の燃料ペレツトと被覆管との間の熱伝
達率の劣化を防止することができるから各核燃料
要素毎の燃料ペレツトからの核分裂生成ガスの放
出量を平均化することができ、経済性および冷却
材喪失事故時の特性を悪化させることなく核燃料
集合体の信頼性を高めることができるという効果
がある。
体を構成している各核燃料要素毎の核燃料物質
(燃料ペレツト)からの核分裂生成ガス放出量を
平均化するのに好適な核燃料集合体に関するもの
である。 第1図は水冷却原子炉に用いられる核燃料集合
体の構成説明図である。核燃料集合体1は、複数
本の核燃料要素2を上部タイプレート3、下部タ
イプレート4およびスペーサ5を用いて断面が正
方形になるように格子状に組み立てた構成となつ
ている。核燃料要素2としては、従来、例えばジ
ルコニウム合金の被覆管内に二酸化ウラン等の核
分裂性物質を円柱形状に成型、焼結した燃料ペレ
ツトを装填し、被覆管内部のプレナム空間に初期
封入ガスとして熱伝導率が大きいヘリウム(He)
ガスを常圧または3気圧で封入し、被覆管の両端
を端栓にて密封したものが知られている。 初期封入ガスの圧力は、次のような観点から所
定の値に決められている。すなわち、被覆管は、
燃料ペレツトが冷却材または減速材と接触して化
学的に反応するのを防止し、また、燃料ペレツト
の核分裂によつて生成される高い放射能の核分裂
生成物が冷却材中に放出されるのを防止するとい
う2つの主な作用を有している。このような核燃
料要素2において、燃料、すなわち、核分裂性物
質が核分裂して放射性のガスが生成されると、そ
のガスの一部は燃料ペレツト内部に保留され、残
りのガスは燃料ペレツトから被覆管内に放出され
る。このガス放出の割合は、燃料ペレツトの温度
が高ければ高いほど多くなる。なお、この核分裂
生成ガスは主にキセノン(Xe)、クリプトン
(Kr)からなる。核分裂によつて生成されたガス
は、あらかじめ核燃料要素2の被覆管内に封入さ
れたヘリウムガスよりも熱伝導率が小さいので、
核分裂生成ガスが被覆管内に放出されると、燃料
ペレツトと被覆管との間の熱伝達率が小さくな
る。なお、キセノンガス、クリプトンガスの熱伝
導率は、ヘリウムガスのそれの約1/20である。一
方、運転時には最大の出力を出す核燃料要素にお
いて、それの燃料ペレツトおよび被覆管の平均温
度は、例えば、それぞれ1200℃、350℃程度であ
り、被覆管よりも燃料ペレツトの方が大きく熱膨
張する。したがつて、運転時には被覆管が燃料ペ
レツトに押し拡げられて歪む傾向がある。この傾
向は、被覆管内に放出されるガスによる熱伝達率
の低下によつて高められるので、上記熱伝達率を
大きくして熱放散によつて燃料ペレツトの温度を
相対的に下げ、被覆管の歪みを極力抑えることに
より核燃料要素としての信頼性を保持することが
必要である。このため、被覆管内に常温における
圧力が3気圧程度となるようにヘリウムガスを封
入することが提案されている。ところで、初期圧
力を高めると、被覆管と燃料ペレツトとの間の熱
伝達率が改善されるが、高くしすぎると、冷却材
喪失事故時に外圧が大気圧近くに下つたとき、被
覆管が過熱されているので、被覆管が破裂するこ
とになる。冷却材喪失事故時に被覆管の破裂によ
つて放出される核分裂生成ガス量が処理可能の範
囲内であれば、被覆管の破裂は許容されるが、被
覆管が大量に破裂することは望ましくない。した
がつて、従来の核燃料集合体1においては、いず
れの核燃料要素2にも1.5〜5気圧程、代表的に
は3気圧のヘリウムガスを被覆管内に封入するこ
とが行われている。 ところで、核燃料集合体1の各核燃料要素2の
出力は、燃焼が進むにつれてその相対比が変化す
る。第2図は第1図の核燃料集合体の横断面を模
式的に示した図で、6は近接して配設された制御
棒を示し、7,8はそれぞれ核燃料集合体1の燃
焼初期の出力が高いUO2燃料要素、燃焼初期の出
力が低いUO2−Gd2O3燃料要素を示す。UO2燃料
要素7は燃焼が進むにつれて出力の相対比が低下
し、UO2−Gd2O3燃料要素8は燃焼が進むにつれ
て出力の相対比が上昇する。第3図は燃焼度と燃
料ペレツト平均温度との関係を示した線図で、a
曲線はUO2燃料要素7、b曲線はUO2−Gd2O3燃
料要素の場合を示す。すなわち、UO2−Gd2O3燃
料要素8は、b曲線のように、燃焼が進んでから
の燃料ペレツトは温度が高いため、核分裂生成ガ
スの燃料ペレツトからの放出量が多くなり、燃料
ペレツトと被覆管との間の熱伝達率が劣化すると
いう問題を生ずる。 本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目
的とするところは、各核燃料要素毎の燃料ペレツ
トからの核分裂生成ガスの放出量を平均化するこ
とができる核燃料集合体を提供することにある。 本発明は、被覆管内に核燃料物質を封入した核
燃料要素を複数本たばねてなる核燃料集合体にお
いて、バーナブルポイズンを含む前記核燃料要素
内にあらかじめ封入したヘリウムガス量が当該核
燃料要素以外の他の前記核燃料要素にあらかじめ
封入したヘリウムガス量よりも多いことを第1の
特徴とし、バーナブルポイズンを含む前記核燃料
要素および制御棒に隣接する前記核燃料要素内に
あらかじめ封入したヘリウムガス量が当該核燃料
要素以外の他の前記核燃料要素にあらかじめ封入
したヘリウムガス量よりも多いことを第2の特徴
とするものである。 以下本発明を第4図、第5図に示した実施例お
よび第3図を用いて詳細に説明する。 第4図は本発明の核燃料集合体の一実施例を示
す横断面を模式的に示した図であり、第4図にお
いて、6は制御棒を示し、1は核燃料集合体で、
9はUO2燃料要素、10は初期出力が低く、燃焼
が進んでから出力が上昇するバーナブルポイズン
入り、すなわち、UO2−5重量%Gd2O3燃料要
素、11はウオータロツドを示す。ところで、本
発明の実施例においては、核燃料要素9,10は
それぞれ下記の仕様としてある。 UO2燃料要素9 封入初期ヘリウム圧力 3気圧 燃料がしめる長さ 3810mm プレナム長 203mm UO2−5重量5%Gd2O3燃料要素10 封入初期ヘリウム圧力 6気圧 燃料がしめる長さ 3708mm プレナム長 305mm ここに、プレナム長とは核分裂生成ガスが核燃
料要素内圧を高めて被覆管に高い応力が発生する
のを防ぐため、被覆管内の上部に作られた空間の
長さであり、被覆管内に装填する燃料ペレツトが
しめる長さによつて決まる。 第4図に示した実施例によれば、UO2−5重量
%Gd2O3燃料要素10は、プレナム長をUO2燃料
要素9より長くしてあり、かつ、封入初期ヘリウ
ム圧力をUO2燃料要素9のそれよりも高くして、
UO2燃料要素9に比べて多量のヘリウムガスを封
入してある。そのため、燃焼が進んで出力が上昇
したときの被覆管と燃料ペレツトとの間の熱伝達
率の劣化を防ぐことができ、燃焼度と燃料ペレツ
ト平均温度との関係は、第3図に破線で示したc
曲線のようになり、従来のb曲線の場合よりも燃
料ペレツト平均温度が相対的に小さくなる。した
がつて、核燃料集合体の各燃料要素毎の燃料ペレ
ツトからの核分裂生成ガスの放出量を平均化する
ことができ、経済性および冷却材喪失事故時の特
性を悪化させないで、核燃料集合体1の信頼性を
高めることができる。 第5図は本発明の他の実施例を示す第4図に相
当する図で、第4図と同一部分は同じ符号で示
し、ここでは説明を省略する。第5においては、
UO2燃料要素9のうち、制御棒6側のコーナの制
御棒6が引き抜かれたとき出力が上昇する3本の
UO2燃料要素12を下記の仕様としてある。 封入初期ヘリウム圧力 5気圧 燃料がしめる長さ 3708mm プレナム長 305mm なお、その他のUO2燃料要素9、UO2−5重量
%Gd2O3燃料要素10の仕様については第4図の
場合と同様である。 燃焼の進んだ核燃料集合体を特定の制御棒の囲
りに装荷し、この制御棒のみを使用して原子炉の
運転を行う方法が適用されるが、この場合、制御
棒側のコーナの核燃料集合体の核燃料要素は、制
御棒の効果によつて、制御棒が引き抜かれたとき
に相対的に出力が上昇する。上記の場合、第5図
の実施例に示したように、制御棒6側のコーナの
UO2燃料要素12の封入ヘリウムガス量を他の
UO2燃料要素9より多くしておけば、相対的な出
力上昇による核分裂生成ガスの燃料ペレツトから
の放出を抑えることができる。 以上説明したように、本発明によれば、バーナ
ブルポイズンを含む核燃料要素又はバーナブルポ
イズンを含む核燃料要素および制御棒に隣接する
核燃料要素の燃料ペレツトと被覆管との間の熱伝
達率の劣化を防止することができるから各核燃料
要素毎の燃料ペレツトからの核分裂生成ガスの放
出量を平均化することができ、経済性および冷却
材喪失事故時の特性を悪化させることなく核燃料
集合体の信頼性を高めることができるという効果
がある。
第1図は核燃料集合体の構成説明図、第2図は
第1図の核燃料集合体の横断面を模式的に示した
図、第3図は燃焼度と燃料ペレツト平均温度との
関係を示した線図、第4図は本発明の核燃料集合
体の一実施例を示す横断面を模式的に示した図、
第5図は本発明の他の実施例を示す第4図に相当
する図である。 1……核燃料集合体、6……制御棒、9……
UO2燃料要素、10……UO2−5重量%Gd2O3燃
料要素、12……制御棒側コーナのUO2燃料要
素。
第1図の核燃料集合体の横断面を模式的に示した
図、第3図は燃焼度と燃料ペレツト平均温度との
関係を示した線図、第4図は本発明の核燃料集合
体の一実施例を示す横断面を模式的に示した図、
第5図は本発明の他の実施例を示す第4図に相当
する図である。 1……核燃料集合体、6……制御棒、9……
UO2燃料要素、10……UO2−5重量%Gd2O3燃
料要素、12……制御棒側コーナのUO2燃料要
素。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 被覆管内に核燃料物質を封入した核燃料要素
を複数本たばねてなる核燃料集合体において、バ
ーナブルポイズンを含む前記核燃料要素内にあら
かじめ封入したヘリウムガス量が当該核燃料要素
以外の他の前記核燃料要素にあらかじめ封入した
ヘリウムガス量よりも多いことを特徴とする核燃
料集合体。 2 バーナブルポイズンを含む前記核燃料要素内
に封入するヘリウムガス量は、前記核燃料要素内
における核燃料物質の専有体積を小さくするとと
もにヘリウムガス封入圧力を大きくして、前記他
の核燃料要素内のヘリウムガス量より多くしてあ
る特許請求の範囲第1項記載の核燃料集合体。 3 被覆管内に核燃料物質を封入した核燃料要素
を複数本たばねてなる核燃料集合体において、バ
ーナブルポイズンを含む前記核燃料要素および制
御棒に隣接する前記核燃料要素内にあらかじめ封
入したヘリウムガス量が当該核燃料要素以外の他
の前記核燃料要素にあらかじめ封入したヘリウム
ガス量よりも多いことを特徴とする核燃料集合
体。 4 バーナブルポイズンを含む前記核燃料要素お
よび制御棒に隣接する前記核燃料要素内に封入す
るヘリウムガス量は、前記核燃料要素内における
核燃料物質の専有体積を小さくするとともにヘリ
ウムガス封入圧力を大きくして、前記核燃料要素
内のヘリウムガス量より多くしてある特許請求の
範囲第3項記載の核燃料集合体。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57069135A JPS58186081A (ja) | 1982-04-23 | 1982-04-23 | 核燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57069135A JPS58186081A (ja) | 1982-04-23 | 1982-04-23 | 核燃料集合体 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS58186081A JPS58186081A (ja) | 1983-10-29 |
JPH0315718B2 true JPH0315718B2 (ja) | 1991-03-01 |
Family
ID=13393893
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57069135A Granted JPS58186081A (ja) | 1982-04-23 | 1982-04-23 | 核燃料集合体 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS58186081A (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS62259088A (ja) * | 1986-05-02 | 1987-11-11 | 株式会社東芝 | 燃料集合体 |
JPS63168586A (ja) * | 1987-01-06 | 1988-07-12 | 株式会社東芝 | 燃料集合体 |
JP5355870B2 (ja) * | 2007-08-03 | 2013-11-27 | 株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン | 原子炉の炉心 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5453790A (en) * | 1977-10-07 | 1979-04-27 | Hitachi Ltd | Nuclear fuel element |
JPS5496695A (en) * | 1978-01-17 | 1979-07-31 | Toshiba Corp | Fuel element |
-
1982
- 1982-04-23 JP JP57069135A patent/JPS58186081A/ja active Granted
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5453790A (en) * | 1977-10-07 | 1979-04-27 | Hitachi Ltd | Nuclear fuel element |
JPS5496695A (en) * | 1978-01-17 | 1979-07-31 | Toshiba Corp | Fuel element |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS58186081A (ja) | 1983-10-29 |
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