JPH03267794A - 核燃料 - Google Patents
核燃料Info
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- JPH03267794A JPH03267794A JP2064099A JP6409990A JPH03267794A JP H03267794 A JPH03267794 A JP H03267794A JP 2064099 A JP2064099 A JP 2064099A JP 6409990 A JP6409990 A JP 6409990A JP H03267794 A JPH03267794 A JP H03267794A
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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)
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。
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］
本発明は軽水炉で使用されるウランを主体とした核燃料
に係り、特に燃料の出力密度を向上せしめる核燃料に関
する。
に係り、特に燃料の出力密度を向上せしめる核燃料に関
する。
［従来の技術］
従来の軽水炉で使用される核燃料は、ウラン酸化物ある
いはこれに数％のプルトニウム酸化物を混合した混合酸
化物からなっている。ウランおよびプルトニウムの同位
体組成は、核分裂を維持し所定の出力密度を得るために
、ウラン２３５、プルトニウム２３９等の核分裂性同位
体の濃度を調整しており、これら核分裂性同位体の濃度
は数％〜１０％程度である。
いはこれに数％のプルトニウム酸化物を混合した混合酸
化物からなっている。ウランおよびプルトニウムの同位
体組成は、核分裂を維持し所定の出力密度を得るために
、ウラン２３５、プルトニウム２３９等の核分裂性同位
体の濃度を調整しており、これら核分裂性同位体の濃度
は数％〜１０％程度である。
通常、核燃料は直径および高さが約１０ｍｍの円柱状ペ
レットに焼結されており、このぺし・ットは長さ約４０
００ｍｍの円筒状のジルカロイ−２製被覆管の中に長さ
約３７００−に積み重ねて装填されている。
レットに焼結されており、このぺし・ットは長さ約４０
００ｍｍの円筒状のジルカロイ−２製被覆管の中に長さ
約３７００−に積み重ねて装填されている。
この燃料ペレットを装填した被覆管の両端は端栓で溶接
密封し、燃料棒を構成している。
密封し、燃料棒を構成している。
このような燃料棒において、ペレットと被覆管の間には
、ペレット挿入を可能にし、照射中のペレットと被覆管
との相互作用を低減するために、２０Ｏμｍ程度の隙間
が設けられている。また燃料棒内部の上部には、核分裂
によって発生したゼノン、クリプトン等の気体状核分裂
生成物と収納するためのプレナムが設けられている。プ
レナムの体積は通常燃料ペレット１個あたり約０．Ｉｃ
ｅ程度となるように設定されている。なお、燃料棒内部
の自由空間には製造時に約１気圧のヘリウムが封入され
る。
、ペレット挿入を可能にし、照射中のペレットと被覆管
との相互作用を低減するために、２０Ｏμｍ程度の隙間
が設けられている。また燃料棒内部の上部には、核分裂
によって発生したゼノン、クリプトン等の気体状核分裂
生成物と収納するためのプレナムが設けられている。プ
レナムの体積は通常燃料ペレット１個あたり約０．Ｉｃ
ｅ程度となるように設定されている。なお、燃料棒内部
の自由空間には製造時に約１気圧のヘリウムが封入され
る。
［発明が解決しようとする課題］
核分裂によって発生した熱はペレット内を径方向に外側
に流れ、ペレット内に径方向中心で最高となるような温
度分布を生ぜしめる。更にペレットと被覆管の間隙でも
大きな温度差を生ぜしめた後、燃料棒外側を流れる冷却
材により除去される。
に流れ、ペレット内に径方向中心で最高となるような温
度分布を生ぜしめる。更にペレットと被覆管の間隙でも
大きな温度差を生ぜしめた後、燃料棒外側を流れる冷却
材により除去される。
したがって、燃料棒の内部では、その径方向に外側の冷
却材温度を最低として、内側に向かうにつれて次第に高
温となるような温度分布が生じている。
却材温度を最低として、内側に向かうにつれて次第に高
温となるような温度分布が生じている。
ペレットと被覆管の間隙部では熱伝達を気体に依存して
いるため、寸法の割合以上に大きな温度差が生じており
、通常の使用条件では間隙部温度差が燃料棒内の径方向
全温度差の１０〜３０％程度を占めている。
いるため、寸法の割合以上に大きな温度差が生じており
、通常の使用条件では間隙部温度差が燃料棒内の径方向
全温度差の１０〜３０％程度を占めている。
核分裂によって生じた核分裂生成物の中で気体状の元素
すなわちゼノン、クリプトン等は燃料中に溶は込み難い
ため、燃料温度が高くなるほど自由空間に放出される割
合が多くなる。気体状核分裂生成物の熱伝導度はヘリウ
ムに比べて数１０分の１程度であるため、気体状核分裂
生成物が混入した間隙部の混合気体の熱伝導度は低下し
、間隙部の温度差は大きくなる。間隙部温度差の拡大は
燃料温度を上昇させ、更に気体状核分裂生成物の間隙部
への放出を促進する。このような現象の再循環と燃料温
度の上昇にともなうペレットの熱膨張による間隙の狭小
化によって、燃料温度と間隙間に放出された気体状核分
裂生成物量とは最終的に平衡に達することになる。
すなわちゼノン、クリプトン等は燃料中に溶は込み難い
ため、燃料温度が高くなるほど自由空間に放出される割
合が多くなる。気体状核分裂生成物の熱伝導度はヘリウ
ムに比べて数１０分の１程度であるため、気体状核分裂
生成物が混入した間隙部の混合気体の熱伝導度は低下し
、間隙部の温度差は大きくなる。間隙部温度差の拡大は
燃料温度を上昇させ、更に気体状核分裂生成物の間隙部
への放出を促進する。このような現象の再循環と燃料温
度の上昇にともなうペレットの熱膨張による間隙の狭小
化によって、燃料温度と間隙間に放出された気体状核分
裂生成物量とは最終的に平衡に達することになる。
気体状核分裂生成物がペレット外部の自由空間に放出さ
れる割合は燃料の温度と強い相関を持っており、温度が
高いほど多く放出される。通常の照射環境下で、燃料棒
全体平均の放出率（核分裂により生成された気体状核分
裂生成物の中で自由空間に放出されたものの割合）が約
１５％の時に、局所的な放出率をみると、ペレット中心
の高温部では約１００％に達し、ペレット周辺の大部分
の領域ではほぼ０％となっている。したがって、ペレッ
ト中心部で放出された気体状核分裂生成物は径方向にペ
レット外周部に向かって移動し、間隙部にある気体（こ
こでは、照射が開始された時点ては製造時に封入された
ヘリウムで１００％満たされている。）に徐々に混入し
てゆく。ところで通常の運転条件下では、ヘリウムも気
体状核分裂生成物の数％程度生成されており、これはペ
レット内のどの領域からもほぼ１００％放出されており
、間隙部気体中の気体状核分裂生成物の割合を相対的に
若干低くするのに寄与している。
れる割合は燃料の温度と強い相関を持っており、温度が
高いほど多く放出される。通常の照射環境下で、燃料棒
全体平均の放出率（核分裂により生成された気体状核分
裂生成物の中で自由空間に放出されたものの割合）が約
１５％の時に、局所的な放出率をみると、ペレット中心
の高温部では約１００％に達し、ペレット周辺の大部分
の領域ではほぼ０％となっている。したがって、ペレッ
ト中心部で放出された気体状核分裂生成物は径方向にペ
レット外周部に向かって移動し、間隙部にある気体（こ
こでは、照射が開始された時点ては製造時に封入された
ヘリウムで１００％満たされている。）に徐々に混入し
てゆく。ところで通常の運転条件下では、ヘリウムも気
体状核分裂生成物の数％程度生成されており、これはペ
レット内のどの領域からもほぼ１００％放出されており
、間隙部気体中の気体状核分裂生成物の割合を相対的に
若干低くするのに寄与している。
ところで、軽水炉で使用される核燃料では、気体状核分
裂生成物による燃料棒内圧増加が被覆管の健全性を損な
わないようにするため、燃料温度に厳しい制限を設けて
いる。このため、原子炉の運転効率を決める燃料の出力
密度にも上限が設けられており、燃料の高線出力化、高
燃焼度化が妨げられている。
裂生成物による燃料棒内圧増加が被覆管の健全性を損な
わないようにするため、燃料温度に厳しい制限を設けて
いる。このため、原子炉の運転効率を決める燃料の出力
密度にも上限が設けられており、燃料の高線出力化、高
燃焼度化が妨げられている。
本発明は、上記の状況に鑑みてなされたもので、気体状
核分裂生成物の自由空間への放出の影響を低減して燃料
温度上昇を小さくすることで、燃料の出力密度の上限値
を向上させることを目的とするものである。
核分裂生成物の自由空間への放出の影響を低減して燃料
温度上昇を小さくすることで、燃料の出力密度の上限値
を向上させることを目的とするものである。
［課題を解決するための手段］
上記目的は、中性子の照射量に比例してα崩壊によりヘ
リウムを生成するような超ウラン元素同位体あるいは中
性子照射下でそれら超ウラン元素同位体に変換されうる
超ウラン元素同位体を、ペレットの周辺部に適量添加す
ることにより達成される。
リウムを生成するような超ウラン元素同位体あるいは中
性子照射下でそれら超ウラン元素同位体に変換されうる
超ウラン元素同位体を、ペレットの周辺部に適量添加す
ることにより達成される。
［作 用］
超ウラン元素同位体の大部分は、中性子照射下で中性子
捕獲・β崩壊・α崩壊により核変換され、他の同位体に
変化する。これらの過程の中でα崩壊はヘリウム生成反
応を伴っている。例えばアメリシウム２４１は中性子捕
獲によりアメリシウム２４２に変化し、更にアメリシウ
ム２４２はβ崩壊でキュリウム２４２に変化した後、α
崩壊によってＨｅを生成する。
捕獲・β崩壊・α崩壊により核変換され、他の同位体に
変化する。これらの過程の中でα崩壊はヘリウム生成反
応を伴っている。例えばアメリシウム２４１は中性子捕
獲によりアメリシウム２４２に変化し、更にアメリシウ
ム２４２はβ崩壊でキュリウム２４２に変化した後、α
崩壊によってＨｅを生成する。
すなわち、通常核燃料中では毎秒ｌｅｅあたり約３Ｘ１
０”個の気体状核分裂生成物が生成されるが、例えば核
燃料中に約０．６％のアメリシウムが含まれている場合
、核燃料１ｃｃ中のこのアメリシウムからもほぼ同数の
ヘリウムが生成される。このような状態では、ペレット
中心部から放出される核分裂生成物の量とペレット周辺
部から放出されるヘリウムの量とはほぼ等しくなるため
、気体状核分裂生成物の径方向移動を著しく阻害し、被
覆管−ペレット間隙部への気体状核分裂生成物の蓄積を
低減できる。その結果、間隙部熱伝達率の低下を抑え、
燃料温度を低くすることができる。
０”個の気体状核分裂生成物が生成されるが、例えば核
燃料中に約０．６％のアメリシウムが含まれている場合
、核燃料１ｃｃ中のこのアメリシウムからもほぼ同数の
ヘリウムが生成される。このような状態では、ペレット
中心部から放出される核分裂生成物の量とペレット周辺
部から放出されるヘリウムの量とはほぼ等しくなるため
、気体状核分裂生成物の径方向移動を著しく阻害し、被
覆管−ペレット間隙部への気体状核分裂生成物の蓄積を
低減できる。その結果、間隙部熱伝達率の低下を抑え、
燃料温度を低くすることができる。
［実施例］
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図は第１図
の横断面図である。
の横断面図である。
本実施例のペレットは高さ約１０順、外径的１０ｍｍ、
内径約５ｍｍの筒型ペレット１に、高さ約１０胴、外径
５−の中実ペレット２を埋め込んだものである。
内径約５ｍｍの筒型ペレット１に、高さ約１０胴、外径
５−の中実ペレット２を埋め込んだものである。
ペレット１の内径とペレット２の外径は両者のはめ合い
が可能な程度に充分公差管理されており、その間隙３は
きわめて微細なものである。通常の加工法でも、両者の
はめ合い部表面の加工精度を上げることで、間隙３は数
十μｍ程度にすることが可能であるが、ペレット１を高
温に保って内径を熱膨張で増加させた状態で、室温状態
のペレ・ソト２を挿入するいわゆるやきばめ方式によっ
て、両者の間隙３は更に小さくすることか可能であり、
実質的には一体とみなせるようなペレットとすることが
できる。ペレット１及びペレット２は所定の核分裂性物
質濃度に調整されたウラン酸化物あるいは混合酸化物燃
料であり、ペレット１には１％程度のアメリシウム２４
１が添加されている。
が可能な程度に充分公差管理されており、その間隙３は
きわめて微細なものである。通常の加工法でも、両者の
はめ合い部表面の加工精度を上げることで、間隙３は数
十μｍ程度にすることが可能であるが、ペレット１を高
温に保って内径を熱膨張で増加させた状態で、室温状態
のペレ・ソト２を挿入するいわゆるやきばめ方式によっ
て、両者の間隙３は更に小さくすることか可能であり、
実質的には一体とみなせるようなペレットとすることが
できる。ペレット１及びペレット２は所定の核分裂性物
質濃度に調整されたウラン酸化物あるいは混合酸化物燃
料であり、ペレット１には１％程度のアメリシウム２４
１が添加されている。
通常の軽水炉運転条件下では、核分裂反応によって燃料
ｌｃｃあたり約３Ｘ１０１２個／ｓｅｃの割合で気体状
核分裂生成物が生成されている。これらの気体状核分裂
生成物は高温状態では燃料から外部の空間に放出される
。このような気体状核分裂生成物か放出されるのは、ペ
レット中心部のペレット２にほぼ相当する領域である。
ｌｃｃあたり約３Ｘ１０１２個／ｓｅｃの割合で気体状
核分裂生成物が生成されている。これらの気体状核分裂
生成物は高温状態では燃料から外部の空間に放出される
。このような気体状核分裂生成物か放出されるのは、ペ
レット中心部のペレット２にほぼ相当する領域である。
仮にペレット２から１００％放出される（燃料棒全体で
は放出率２５％に相当する）とすると、この領域からは
燃料１ｃｃあたり約３ＸＩ［１１２個／ｓｅｃの気体状
核分裂生成物が放出されることになる。ペレット１に相
当する領域では温度が低いため、気体状核分裂生成物は
燃料内に保持されて外部へは放出されないが、添加され
たアメリシウム２４＋から核変換で生成されたキュリウ
ム２４２がα崩壊するのに伴なって、燃料ｌｅｅあたり
約４６ ＸｌＯ１２個／ｓｅｃのヘリウムが放出される
。燃料棒内の自由空間は運転開始時のペレット割れなど
によって、径方向にほぼ均一に分布しているため、燃料
から放出された気体状核分裂生成物およびヘリウムのう
ち、気体状核分裂生成物は燃料棒内部の中心軸の近傍に
、またヘリウムは燃料棒内部の周辺部すなわち被覆管−
ペレット間隙部４に放出されることになる。
は放出率２５％に相当する）とすると、この領域からは
燃料１ｃｃあたり約３ＸＩ［１１２個／ｓｅｃの気体状
核分裂生成物が放出されることになる。ペレット１に相
当する領域では温度が低いため、気体状核分裂生成物は
燃料内に保持されて外部へは放出されないが、添加され
たアメリシウム２４＋から核変換で生成されたキュリウ
ム２４２がα崩壊するのに伴なって、燃料ｌｅｅあたり
約４６ ＸｌＯ１２個／ｓｅｃのヘリウムが放出される
。燃料棒内の自由空間は運転開始時のペレット割れなど
によって、径方向にほぼ均一に分布しているため、燃料
から放出された気体状核分裂生成物およびヘリウムのう
ち、気体状核分裂生成物は燃料棒内部の中心軸の近傍に
、またヘリウムは燃料棒内部の周辺部すなわち被覆管−
ペレット間隙部４に放出されることになる。
放出された気体状核分裂生成物およびヘリウムは燃料棒
内部の圧力勾配に従って移動するが、中心軸上で放出さ
れた気体状核分裂生成物より周辺部で放出されたヘリウ
ムの量の方が多いため、周辺部のヘリウムが径方向を中
心軸方向に移動し、更に放出されたガス全体が燃料棒上
部のプレナムに移動するような流れが生じる。したがっ
て、燃料棒内部の周辺部に位置する被覆管−ペレット間
隙部４ては主としてヘリウムが存在することになり、こ
の部分の熱伝導率の低下を阻止することができる。
内部の圧力勾配に従って移動するが、中心軸上で放出さ
れた気体状核分裂生成物より周辺部で放出されたヘリウ
ムの量の方が多いため、周辺部のヘリウムが径方向を中
心軸方向に移動し、更に放出されたガス全体が燃料棒上
部のプレナムに移動するような流れが生じる。したがっ
て、燃料棒内部の周辺部に位置する被覆管−ペレット間
隙部４ては主としてヘリウムが存在することになり、こ
の部分の熱伝導率の低下を阻止することができる。
本実施例によれば、被覆管−ペレット間隙部は常にヘリ
ウムによって占められており、従来の燃料棒のように放
出された気体状核分裂生成物の混入によって熱伝導率が
低下することはなく、燃料温度を低く押さえるこができ
る。
ウムによって占められており、従来の燃料棒のように放
出された気体状核分裂生成物の混入によって熱伝導率が
低下することはなく、燃料温度を低く押さえるこができ
る。
［発明の効果］
本発明によれば、原子炉の核特性や燃料挙動に影響を及
ぼすことなく、ペレットと被覆管との間隙の熱伝導率を
改善できるので、燃料の出力密度の上限を引き上げ原子
炉の効率を向上させるという効果を有する。
ぼすことなく、ペレットと被覆管との間隙の熱伝導率を
改善できるので、燃料の出力密度の上限を引き上げ原子
炉の効率を向上させるという効果を有する。
第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２図
は第１図の横断面図である。
１・・・筒型ペレット
２・・・中実ペレッ
ト
３・
４・・・間隙
５・・・被覆管
（８７３３）
Claims (1)
- ウラン酸化物燃料ペレットまたはウラン酸化物にプルト
ニウム酸化物を混合した混合酸化物燃料ペレットからな
る核燃料において、α崩壊によりヘリウムを放出する超
ウラン元素同位体あるい中性子照射下でそれらの超ウラ
ン元素同位体に核変換されうる超ウラン元素同位体が、
ウラン酸化物燃料ペレットまたは混合酸化物燃料ペレッ
トの周辺部に適量添加されていることを特徴とする核燃
料。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2064099A JPH03267794A (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 核燃料 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2064099A JPH03267794A (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 核燃料 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03267794A true JPH03267794A (ja) | 1991-11-28 |
Family
ID=13248290
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2064099A Pending JPH03267794A (ja) | 1990-03-16 | 1990-03-16 | 核燃料 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03267794A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100756391B1 (ko) * | 2006-03-15 | 2007-09-10 | 한국원자력연구원 | 내부 피복관 및 외부 피복관의 열유속 조절이 가능한 환형핵연료봉 |
| KR100821373B1 (ko) * | 2007-05-23 | 2008-04-11 | 한국원자력연구원 | 비대칭 열유속 개선 환형 핵연료봉 |
-
1990
- 1990-03-16 JP JP2064099A patent/JPH03267794A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100756391B1 (ko) * | 2006-03-15 | 2007-09-10 | 한국원자력연구원 | 내부 피복관 및 외부 피복관의 열유속 조절이 가능한 환형핵연료봉 |
| KR100821373B1 (ko) * | 2007-05-23 | 2008-04-11 | 한국원자력연구원 | 비대칭 열유속 개선 환형 핵연료봉 |
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