JPH0549957B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、被覆管内に複数個の核燃料ペレツト
を装填し、その軸方向に不均一な出力分布を有す
る核燃料棒に関する。

［発明の技術的背景とその問題点］ 核燃料ペレツト（焼結体）としては、通常二酸
化ウラン（UO₂）、または二酸化ウランと二酸化
プルトニウム（PuO₂）との混合物が使用される。
このような核燃料ペレツトを装填した核燃料棒を
原子炉の炉心に装荷した場合にその軸方向には出
力分布を生じるが、核燃料棒の健全性および原子
炉運転性の点から核燃料棒の軸方向出力分布はで
きるだけ平坦（均等）であることが望ましい。

核燃料棒の軸方向出力分布を平坦化するために
ウランの濃縮度分布を核燃料棒の軸方向に変化さ
せることが行なわれた。

しかしながら、このようにウランの濃縮度分布
を核燃料棒の軸方向に変化させると、巨視的に
は、その軸方向出力分布の平坦化を達成し得る。
しかしウランの濃縮度境界近傍においては、各々
異なつたウラン濃縮度を持つ核燃料ペレツトが隣
接する（例えば、水を用いる原子炉では、熱中性
子束は、濃縮度境界からそれぞれ約３cmの範囲内
で大きく変化する）。この濃縮度境界近傍におけ
る軸方向の発熱量分布に不連続部が生じてしま
う。例えば、第１図は、ウラン濃縮度分布を軸方
向に変化させた核燃料棒の断面とその核燃料棒の
軸方向発熱量分布の一例を示す図である。図示さ
れるように、被覆管１内に、各々複数個の第１ペ
レツト２および第２ペレツト３が装荷されてお
り、第２ペレツト３の濃縮度が第１ペレツト２の
濃縮度より大きい。そのため、濃縮度境界面４の
近傍において発熱量分布５には、不連続部が生じ
る。このような核燃料棒の拡大断面を第２図１に
示す。同図はゼロ出力時の状態を示しており、被
覆管１と第１、第２ペレツト２，３との間には間
隙６がある。そして、第２図２は運転時における
同核燃料棒の拡大断面とその軸方向応力の一例を
示す図であり、図示されるように、濃縮度境界面
４の近傍において第１ペレツト２と第２ペレツト
３との間で熱膨脹差が生じ、第２ペレツト３の膨
脹量が大きくなる。その結果、第２図２に示すよ
うに濃縮度境界面４付近には、被覆管１に径方向
のきわめて大きな応力が生じ、この付近で第２ペ
レツト３は被覆管１を径方向に変形させ、一方、
第１ペレツト２と被覆管１との間には間隙７が生
じる（この応力の値は、10Kg／cm²に及ぶことがあ
る）。従つて、このような応力の存在は核燃料棒
の健全性にとつて好ましいものではない。

このようなことを考慮して、濃縮度境界近傍の
数個の核燃料ペレツトの外周に金属リングを取付
けて濃縮度境界近傍において被覆管に応力が生じ
ることを抑えるようにすることが提案された。し
かしながら、このような金属リングを取付けたペ
レツトを別に製作することは面倒であり、経済性
が悪く、しかも、材質などの点から金属リングの
実用性には問題がある。

［発明の目的］ 本発明は、以上のような問題を解消すべくなさ
れたもので、濃縮度境界近傍において被覆管に応
力が生じない核燃料棒を簡単に且つ安いコストで
得ることを目的とする。

［発明の概要］ 本発明は、被覆管内に、核分裂性核種の濃縮度
が高い複数の高濃縮度ペレツトを軸方向に連接さ
せて内蔵してなる高濃縮度ペレツト群と、このペ
レツト群に軸方向に隣接して、これらペレツトよ
りも濃縮度の低い複数の低濃縮度ペレツトを軸方
向に連接させて内蔵してなる低濃縮度ペレツト群
と、をそれぞれ形成する核燃料棒において、前記
高濃縮度ペレツトに隣接して、前記両群の境界近
傍にある少なくとも１個の前記低濃縮度ペレツト
に、ガドリニアを含有させたことを特徴とする。

［発明の実施例］ 第３図１は、本発明にかかる核燃料棒の断面
図、第３図２は同核燃料棒の軸方向発熱量分布の
一例を示す図である。図示されるように、被覆管
１内には、二酸化ウランからなる核分裂性核種を
含有する各々複数個の第１ペレツト８および第２
ペレツト９が隣接して装填されている。第１ペレ
ツト８の濃縮度は、第２ペレツト９のそれより小
さい。そして、第１ペレツト８および第２ペレツ
ト９の境界１０に接する１つの第１ペレツト８に
は、ガドリニア（Gd₂O₃）がその全体に均等に含
有されている。

なお、具体的には、例えば、第１ペレツト８と
第２ペレツト９との二酸化ウラン濃縮度の差が
0.5％程度のときに、ガドリニアを含有した第１
ペレツト８におけるガドリニアの含有量は、２〜
４重量％（残りは二酸化ウラン）が好ましい。ま
た、単に、ガドリニアを必要量含有させるだけで
あるから、その製造はきわめて簡単である。

また、ガドリニアを含有する第１ペレツト８と
して、ガドリニアをペレツト全体に均等に含有さ
せる代りに、これを二重構造とし、その内側部分
にのみガドリニアを必要量均等に含有させ、この
内側部分の外側全周をガドリニアを含まない二酸
化ウランだけを含む筒状部分で包囲して構成して
もよい。

第３図１に示す本発明にかかる核燃料棒の運転
時における発熱量は、第３図２に実線で示すよう
になる（点線は境界近傍の第１ペレツトにガドリ
ニアを含有しないときの発熱量）。すなわち、境
界１０近傍の第１ペレツト８側部分の発熱量は、
それ以遠の第１ペレツト８部分の発熱量より大き
く低下している。そのため、境界１０近傍の第２
ペレツト９側部分の発熱量も、それ以遠の第２ペ
レツト９部分の発熱量より低下している。従つ
て、境界１０近傍における第２ペレツト９の熱膨
脹が抑えられ、径方向に被覆管１を変形させるこ
とが抑えられる。つまり、ガドリニアの中性子吸
収効果によつて中性子束が低下すると共に、中性
子スペクトルが硬化するので、境界１０の近傍に
おける高濃縮度側の第２ペレツト９の出力、すな
わち発熱量が低減する。このために、第２ペレツ
ト９の局所的な膨張が抑制され、しかも、被覆管
１内には第１、第２ペレツト８，９との間にはギ
ヤツプがあるので、第２ペレツト９から被覆管１
内側から外側へ径方向に拡径する力が発生するの
を殆ど防止することができる。

なお、ガドリニアを含有した第１ペレツト８に
おいては、Gdが中性子を吸収して（燃焼して）
吸収効果が消滅した時点以後、発熱量が相対的に
増大するが、その時点では、既に発熱量の絶対値
が低いから、発熱量の増大に伴つて径方向のサイ
ズが増加しても被覆管１を変形させるには至らな
い（境界１０近傍における第２ペレツト９につい
ても同様である）。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、異なる
核分裂性核種を持つ核燃料ペレツトの境界近傍に
おいて、被覆管に生じる応力を効果的に抑えるこ
とができ、高健全性を持つ核燃料棒を安価に且つ
簡単に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ウラン濃縮度分布を軸方向に変化さ
せた核燃料棒の断面とその核燃料棒の軸方向発熱
量分布の一例を示す図、第２図１はゼロ出力時に
おける核燃料棒の拡大断面図、第２図２は運転時
における同核燃料棒の拡大断面とその軸方向曲げ
応力の一例を示す図、第３図１は、本発明にかか
る核燃料棒の断面図、第３図２は同核燃料棒の軸
方向発熱量分布の一例を示す図である。 １……被覆管、８……第１ペレツト、９……第
２ペレツト、１０……境界。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被覆管内に、核分裂性核種の濃縮度が高い複
   数の高濃縮度ペレツトを軸方向に連接させて内蔵
   してなる高濃縮度ペレツト群と、このペレツト群
   に軸方向に隣接して、これらペレツトよりも濃縮
   度の低い複数の低濃縮度ペレツトを軸方向に連接
   させて内蔵してなる低濃縮度ペレツト群と、をそ
   れぞれ形成する核燃料棒において、前記高濃縮度
   ペレツトに隣接して、前記両群の境界近傍にある
   少なくとも１個の前記低濃縮度ペレツトに、ガド
   リニアを含有させたことを特徴とする核燃料棒。