JPH0472594A - 酸化物核燃料棒 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は発電用の原子炉に用いられる酸化物核燃料棒
に関するものである。

［従来の技術１ 従来、酸化物核燃料棒は、原子炉の反応度、出力分布並
びに線出力レベルの観点から、核分裂性物質が炉心内の
所定の位置に配置されるように設計され、円柱状の酸化
物核燃料ペレット（以下、単にペレットという）を被覆
管に装荷したものである。

このペレットは通常は短円柱状をなすが、ペレットと被
覆管との相互作用（Ｐｅｌｌｅｔ　Ｃ１ａｄＨｅｃｈａ
ｎｉａｌ　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ以下ＰＣＭＩという
。）を緩和する目的で、最近は球体のベレツ１−を使用
した球体燃料充填核燃料棒（Ｓｐｈｅｒｅ　Ｐａｃ）が
開発されつつある。

また、円柱状芯部及びそれを取り囲む円筒状外周部から
なる二重ペレット構造のＵｏ２核燃料要素も開発されて
来ており、例えば特開昭６１−１８４４８４号並びに特
開昭６３−２３６９９６号に開小されている。

ペレットの組成については、外周部のみにＮ　ｂ　　Ｏ
、Ｔ　’　０２　マタハｓ　ｉ　０２　（ｒ）ウチ少す
くとも一種の添加物を０．０５〜６重醋％の含有率で含
有させている。

また二重ペレットの場合、中央円柱部を焼結活性度の高
いＡ　Ｕ　Ｃ（Ａｍｍｏｎｉｕｍ　Ｕｒａｎｙｌ　Ｃａ
ｒｂｏｎａｔｅ　）法のＵＯ，、粉末により形成し、そ
の外周円筒部を焼結活性度の低い△Ｄ　Ｕ　（Ａｍｉｏ
ｎｉｕｇ＋　Ｄｉｕｒａｎａｔｅ）沫の粉末により形成
している。

Ｕ発明が解決しようとする課題フ このうち、円柱状のペレットを被覆管に装荷した従来の
酸化物燃料棒〈以下ペレット装荷燃料棒という。）の場
合、ペレットの照射挙動のひとつであるスウェリング（
Ｓｗｅｌｌｉｎａ＞による寸法増大を考慮して、ペレッ
トの″ａ！＃密度は原子炉内の緻密化量を確保する目的
で、例えば９５％ＴＤ（ＴｈｅＯｒｉｔｉＣａｌ　Ｄｅ
ｎｓｉｔｙ）となるように制御され、また、ペレットと
被覆管の間に所定のギャップを設けているのであるが、
しかし、上記のペレットの初期密度を９５％ＴＤに抑え
るのは、ペレットの熱伝導率は高密度側で＾くなるとい
う事実からすると、ペレットの中心部の照ＩＩ温度が高
くなるという好ましくない傾向となる問題がある。

一方、ＰＣＭＩを緩和する目的で考案された球体燃料充
填棒の場合、球体燃料（Ｉｌ化甥核燃料の球状焼結体）
を被覆管に充填したものであるが、ペレット装荷燃料棒
と比較して、スミア密度が低く、また当該球体燃料充填
棒の軸方向の核分裂性物質の不均一の問題がある。

また、従来の技術として開示した特開昭６１１８４４８
４号における二重ペレット構造のＵＯ２核燃料要素の製
造方法では、構成要素としての中子と外了があり、それ
ぞれ別に成形し、各々別に焼結温度などをυノ御して焼
結後に外子の内孔に中子を嵌合して完成ペレットとする
か、若しくは各々のグリーンペレット（成形体）を嵌合
して同時に焼結する。

しかし、成形体から焼結体への焼結による直径並びに高
さ方向の収縮率については、中子と外子で添加物の有無
等によりそれぞれ微妙に異なるので、これらの＠燃料体
の嵌合部の直径並びに高さ方向のギャップのばらつきを
小さく一定とするのは困難である。

また、嵌合部のギャップを核燃料設計の観点から、すな
わち当該燃料要素の経験する線出力範囲並びに懲焼度範
囲の観点から、良好に決めるのも困難である。

ペレットと被覆管の間に所定のギャップを設けているの
は、ペレットの被覆管への装荷を容易にするものの、酸
化物核燃料の寿命初期においてはギャップの存在により
、更にペレットの中心部の照射温度が高くなるという好
ましくない傾向となる問題がある。

また、酸化物核燃料の寿命終期においては、ペレットの
熱膨脹とスウェリングによりペレットと被覆管の閣のギ
ャップは消滅し、ペレットと被覆管は接触するので、こ
の時点から原子炉の出力を上昇さぜた場合、被覆管への
応力が過大となる問題がある。

また、従来の技術として開示した特開昭６３＝２３６９
９６号における二重ペレット構造のＵＯ２核燃料要素の
製造方法についても、金型中においてだ斜体の中央円柱
部に相当する部分にはＡＵＧ法により得られた焼結活性
度の高い粉末を充填し、その外周部分にはＡＤＵ法によ
り得られた焼結活性度の低い粉末を充填して、所定の大
きさにプレス成形し、これを焼結する。

しかし、ＡＬＩＣ法とＡＤＬＩ法により得られたｕ　ｏ
　２＋ｘ粉末の特性については、両者の成形性並びに焼
結性が異なるので、上記の焼結による直径並びに高さ方
向の収縮率が異なる。

よって、当該核燃料体においては原料粉末特性の興なる
中央円柱部とその外周部分の境界領域において、収縮率
の差等に起因する有害なりラックを生じる可能性がある
。

この発明は上記の如き事情に鑑みてなされたものであっ
て、燃料の照１１４温度を下げ、核分裂生成物（Ｆｉｓ
ｓｉｏｎ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　：　Ｊｕｌ下ＦＰという。

）ガスの放出を少なくし、良好な照射挙動を得ることが
でき、また良好なＰＣＭＩ特性を得ることができる酸化
物核燃料棒を提供す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］ この目的に対応して、この発明の酸化物核燃料棒は、燃
料被覆管内に前記燃料被覆管の内径より小さな直径を有
する複数の酸化物核燃料ペレットを装填し、前記燃料被
覆管の両端を端栓にて密封してなる核燃料棒において、
前記酸化物核燃料ペレットと前記燃料被覆管との間隙に
球体の核燃料若しくは可燃性毒物を充填したことを特徴
としている。

［作用］ この発明の酸化物核燃料棒は燃料集合体に組立てられた
後、炉心に配置される。

燃料棒中心部の高密度かつ大粒径ペレットは熱を良好に
伝達して燃料棒全体の温度を低下させ、ＦＰＰ２Ｏペレ
ットからの放出を低減させる。球体燃料若しくは可燃性
毒物は、反応度のｌｌ１１Ｍ］に寄与するとともに、流
動的塑性を発揮して、燃料被覆管とペレットとの直接接
触を防ぎ、かつ、被覆管への過度の応力を与えることを
回避する。

［実施例］ 以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説
明する。

第１図にこの発明の一実施例に係わる酸化物核燃料棒１
の縦断面図を示す。第１図において符号１はこの発明の
酸化物核燃料棒であり、酸化物核燃料棒１は燃料被覆管
３内に複数のペレット２が充填されている。ペレット２
は高密度（９５％ＴＤ以上）かつ大粒径（結晶粒径２０
ミクロン以上）の核燃料ペレットである。燃料被覆管３
とペレット２との間の環状間隙９には球体燃料若しくは
球体可燃性毒物６が充填されている。

燃料被覆管３の両端は端栓４，５で閉塞されている。端
栓４はまず燃料被覆管３の片端（通常下部）に溶接して
おき、燃料被覆管３の内部に複数の核燃料ペレット２を
装填し、更に、核燃料ペレット２と燃料被覆管３との間
に形成される環状の空隙に球体燃料若しくは球体可燃性
毒物６を充填したのち前記核燃料ペレット２の頂部にコ
イルスプリング１１を配置したのち、もう一方の開放端
部に頂部端栓５を溶接することによって燃料被覆管３を
密閉する。

ペレット２の上方の空間７は通常、ブレナムと呼ばれる
空間であり、この部分にコイルスプリング１１が配置さ
れているが、このブレナム７と球体燃料６の充填された
部分における空隙には、従来の核燃料棒と同様にペレッ
ト２で発生した熱の被覆管３への伝達を良好とするため
の加圧されたヘリウムガスが充填されている。

この発明の酸化物核燃料棒１の一つの重要な特徴は核燃
料ペレット２に高密度（９５％ＴＤ以上）かつ大粒径（
結晶粒径２０ミクロン以上〉のペレットを用いた点、及
び、燃料被覆管３との環状空隙９に球体の燃料若しくは
球体可燃性毒物６を充填した点にある。

そして、この発明の実施例においては、例えば球体燃料
は直径が１ミリ、０．２ミリ、４０ミクロン以下の３種
類の球体燃料を充填することによって当該燃料ＩＳ域の
スミア密度８５％ＴＤを達成している。しかし、球体燃
料若しくは球体可燃性毒物の直径（球径）は本実施例に
限定されるものではなく、当該燃料領域のスミア密度が
８５％ＴＤ程度となるような適宜の直径（球径）を選択
することができる。

次に、この発明の酸化物核燃料棒１を製造する際の核燃
料ペレット２の位置決め及び球体燃料（若しくは球体可
１１！！性毒物）６の充填方法について説明する。

第２図及び第３図は被覆管中心位置へのペレット装荷及
び球体燃料の充填方法の説明図である。

まず、燃料被覆管３の下端に端栓４の溶接された燃料被
覆管を振動充填装置１０にセットし、燃料被覆管３内に
ペレット中心位置決め棒８（この例では４本）を挿入す
る。

次に、所定の直径になるように外周研削された核燃料ペ
レット２を中心位置決め棒８に沿って燃料被覆管３内に
装荷（装填）する。

次に、複数種類（図で＆！３種類の直径を有する）の球
体燃料を核燃料ペレット２と燃料被覆管３との環状空隙
９（すなわち、中心位置決め棒８の挿入された空隙）に
充填し、振動充填装置１０を運転し振動充填していくが
、ここで徐々に中心位置決め棒８を引抜いていく。

このようにして、燃料被覆管３の中心位置に核燃料ペレ
ットが装荷され、これらの外周領域に球体燃料を充填し
た酸化物核燃料棒が得られる。

なお、参考までにこの発明の酸化物核燃料棒の製造工程
を示すと第４図のフローシート（工程図）の通りであり
、高密度かつ大粒径のペレットを得るには、例えば、ペ
レットの原料は、通常の商業ベースで入手の容易なＵＣ
２゜８粉末で良い。

また、特開昭６２−２９７２１５号に開示されている比
較的焼結の進行が容易な活性化ＵＯ２，ｘ粉末を利用す
ることもでき、更に、特公平１２０３９９号に開示され
ている焼結助成剤として微量のニオビアなど添加・混合
してもよい。

密度が９５％ＴＤ以上、結晶粒径が２０ミクロン以上の
高密度・大粒径ペレットを得るためのペレットの焼結方
法としては、特開平１−３０４３９１号に開示されてい
る所定の酸化性雰囲気を考慮した３段焼結、並びに特開
平２−５５９９１号に開示されている焼結温度を１５０
０℃以上とした空気焼結方法等を用いることができる。

更に、ペレットの製造ラインとゾルーグル誌による球体
燃料の製造ラインは基本的に独立しているので、ペレッ
トに可燃性毒物であるガドリニア等を添加したり、また
ボロン・コーティングを施すのも可能である。

上記のように両者の製造ラインが独立していることから
、いわゆる２重濃縮度ペレット（ＤｕａＥｎｒｌｃｈｍ
ｅｎｔ　　ｐｅｌｌｅｔまたはＤｕｐｌｅｘ　ｐｅｌｌ
ｅｔ　）と呼ばれる異なる濃縮度を同一の燃料棒に施す
ことも可能である。

球体燃料についてはその原料は、硝酸ウラニル等でよい
。

ゾル−ゲル法により所定の大きさに整粒して、か焼して
、焼結する。

焼結においては、従来の高温水素焼結でも良いが、上記
のより軽済的な低温３段階焼結方法、並びに空気焼結方
法を用いても良い。

また、球体燃料の占める燃料棒内の外周領域に、上記と
同等の製造方法によって製造されるガドリニア（Ｇｄ２
０３）またはボロン・カーバイト（Ｂ４Ｃ）等を振動、
充填することも可能である。

そして、この発明の酸化物核燃料棒においてはペレット
とその外周に位置する球体燃料の組合せを、例えば、次
の（△）〜（Ｄ）に示すように、様々な組合せとするこ
とができる。

この発明の酸化物核燃料棒におけるペレットとその外周
部の球体燃料の構成を下記の通りとする。

（Ａ）ペレット：任意の濃縮度とする。

球体燃料二上記の任意の濃縮度と興なるものとする。

または、上記の任意の濃縮度と 同一でもよい。

（８）ペレット：Ｇｄの燃え方が緩かである任意の添加
量のガドリニア入りとす る。

または、ガドリニア単体として も良い。

球体だ料、Ｇｄの燃え方が速やかである上記の任意の添
加量レベルを変え る。

または、ガドリニアを添加しな くても良い。

または、ガドリニア単体として も良い。

（Ｃ）ペレット：任意の厚さのボロン・コーティングを
施す。

またはボロン・コーティングを 施さない。

球体燃料二上記の任意の厚さの異なるボロン・コーティ
ングを施す。

またはボロン・コーティングを 施さない。

（Ｄ＞ペレット：任意の濃縮度の燃料とする。

または、任意の密度のＢ４Ｃ単 体とする。

球体燃料：任意の濃縮度の燃料とする。

または、任意の密度Ｂ４０申体 とする。

なお、酸化物核燃料ペレットについてはウラン酸化物単
体以外に、ウラン酸化物とプルトニウム酸化物の混合酸
化物並びにトリウム酸化物を原料とした場合にも冷間圧
縮法による成形並びにゾル・ゲル沫による整粒を施して
、焼結する製造方法は基本的に同様であることから、容
易に本発明の当該酸化物核燃料棒に適用できる。

［発明の効果］ 第５図に任意の出力履歴における同一線出力時点のこの
発明の酸化物核燃料棒と従来のペレット装荷燃料棒の照
射中の燃料領域の燃料温度の直径方向の分布を比較した
。

第５図から明らかなように、燃料領域の中心部の燃料温
度は、この発明の酸化物燃料棒の場合の方が、従来のペ
レット装荷燃料棒の場合に比較して十分低い。

これはこの発明の酸化物燃料棒のペレット密度は９８％
ＴＤであり、一方従来のペレット装荷燃料棒のペレット
の密度は９５％ＴＤであり、この密度差による熱伝導率
の向上に起因する。

また、従来のペレット装荷燃料棒の場合ギャップが設け
られているので、燃料寿命の初期においては、更に上記
の燃料領域中心部の温度差が生じる。

更に、この発明の酸化物核燃料棒のペレットは、従来の
ペレット（結晶粒径７〜８ミクロン）に比較すると焼結
の進行した焼結体であることから、その結晶粒構造は大
きな結晶粒（２０ミクロン以上）から構成されているの
で、ＦＰガスの保持力が向上する。

よって、この発明の酸化物核燃料棒は、従来の燃料棒に
比較すると、燃料領域中心部の照射ｉ度が低いこと、並
びにＦＰガスの保持力が強いことから、ＦＰガス放出が
極めて小さくなる。

第６図にこの発明の酸化物核燃料棒と従来のペレット装
荷燃料棒の同一の出力履歴の時点において、定常運転時
から出力上昇させた場合の被覆管の周方向応力と出力上
昇幅の関係を示す。

定常運転時から出力１冒させた場合の被覆管の周方向応
力は、ある出力上昇幅のレベルを越えた時点から、この
発明の燃料棒の場合の方が、従来の燃料棒の場合に比較
して十分低い。

これは、この発明の燃料棒の場合、被覆管と接触する燃
料領域は振動充填された球体燃料によって構成されてい
るから、当該燃料領域のスミア密度は８５％ＴＤ程度で
あり、比較的流動的塑性の変形をすることに起因する。

更に、出力上昇させた場合の被覆管の周方向応力は、あ
る出力上昇幅のレベルを越えた時点から被檀管自身のり
ラグゼーションの効果が生じて、飽和した傾向を示す。

よって、この発明の燃料棒は、従来の燃料棒に比較する
と、被覆管と接触する燃料領域が、比較的流動的塑性の
変形をする振動充填した球体燃料によって構成されてい
るから、良好なＰＣＭ　Ｉ特性を有する。

そこで、この発明の燃料棒は、従来の燃料棒に比較し、
被覆管の変形量も小さく、ひいては破損燃料の発生率も
小さくなる。

第７図にこの発明の燃料棒と従来の燃料棒の同一レベル
の出力１歴の場合燃焼度の燃料領域の直径方向の分布を
示す。

この発明の燃料棒の燃料領域における燃焼度分布の方が
、従来の燃料棒の場合に比較して平坦である。

従来の燃料棒の燃料領域における燃焼度分布は、中心部
よりも外周部の方が燃焼が進行しているが、これは中性
子のデプレッションの効果と温度分布に起因するものと
考えられている。

上記の従来の燃料棒の燃料領域における燃焼度分布は、
中心部よりも外周部の方が燃焼が進行する影響について
は、高燃焼度下における照射挙動の一つとしてリム効果
として問題視され、指摘されている。

一方、この発明の燃料棒の燃料領域における燃焼度分布
が比較的平坦になるのは、ペレットの濃縮度を外周部の
球体燃料の濃縮度よりも＾くすること（なお、燃料棒単
位の濃縮度は、従来のペレット装荷燃料棒の場合と同一
である。すなわち、両者の燃料棒に含有する核分裂性物
質のφは同一とする。）、並びにペレットの密度は、そ
の外周に充填された球体燃料の密度よりも高いことから
、核分裂密度についても外周部よりも中心部の方が高く
なる傾向を有することに起因すると考える。

以上から、この発明の酸化物核燃料棒の燃料領域におけ
る燃焼度分布の平坦化が可能になる。

以上の説明から明らかなように、 （ａ）この発明の酸化物核燃料棒は、中心部を高密度、
かつ大ぎな結晶粒を有するペレットとすることにより燃
料の照射温度を下げ、かつ「Ｐガスの放出を小さくする
ので、良好な照射挙動が得られる。

（ｂ）またこの発明の酸化物核燃料棒は、外周部を球体
燃料振動充填とすることにより、当該外周部は比較的流
動的塑性があるので、被覆管への過度な応力を与えない
ので、良好なＰＣＭＩ特性が得られる。

（Ｃ）またこの発明の酸化物核燃料は、ペレットと球体
燃料振動充填の製造ラインは基本的に独立しているので
、両者の様々の組合せが可能となる。

（ｄ）またこの発明の酸化物４！燃料棒は、ペレットと
球体燃料の濃縮度を巽ならせることにより、従来のペレ
ット装荷燃料棒に比較して、燃料領域の直径方向の燃焼
度の分布の平坦化が可能となる。

これは高燃焼劇の照射挙動のひとつで指摘されたリム効
果の克服が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の酸化物核燃料棒の縦断面図、第２図
はこの発明の酸化物核燃料棒における被覆管の中心位置
へのペレット装荷及び球体燃料充填方法の説明図、第３
図は第２図における■−■部断面拡大図、第４図はこの
発明の酸化物核燃料棒製造の７０−シートを示す図、第
５図はこの発明の酸化物核燃料棒と従来のペレット装荷
燃料棒の同一線出力の場合の照射中の燃料領域における
燃料温度の直径方向分布の比較図、第６図はこの発明の
酸化物核燃料棒と従来のペレット装荷燃料棒の同一出力
履歴から出力上昇させた場合の被覆管の周方向応力と出
力上稈幅の関係図、及び第７図はこの発明の酸化物核燃
料棒と従来のペレット装荷燃料棒の同−出力履歴の場合
の燃料領域の燃焼度の直径方向分布の比較図である。 第１図 ］・・・酸化物核燃料棒、　２・・・核燃料ペレット、
３・・・燃料被覆管、　４．５・・・端栓、６・・・球
体燃料（または球体可燃性毒物）、７・・・ブレナム、
　８・・・中心位置決め棒、９・・・環状間隙、　１０
・・・振動充填装置１１・・・コイルスプリング、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料被覆管内に前記燃料被覆管の内径より小さな
   直径を有する複数の酸化物核燃料ペレットを装填し、前
   記燃料被覆管の両端を端栓にて密封してなる核燃料棒に
   おいて、前記酸化物核燃料ペレットと前記燃料被覆管と
   の間隙に球体の核燃料若しくは可燃性毒物を充填したこ
   とを特徴とする酸化物核燃料棒
2. （２）前記酸化物核燃料ペレットは高密度かつ大粒径ペ
   レットであることを特徴とする請求項１記載の酸化物核
   燃料棒