JPH0662397U

JPH0662397U - Nuclear fuel element

Info

Publication number: JPH0662397U
Application number: JP001988U
Authority: JP
Inventors: 善光小林
Original assignee: Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Current assignee: Nippon Nuclear Fuel Development Co Ltd
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-09-02

Abstract

(57)【要約】【目的】核燃料要素において、多量のガス状核反応生
成物がペレットから放出される場合でも、燃料の信頼性
を著しく向上させ、炉心特性の安定性を確保する。【構成】中空ペレット３の個数を燃料スタックを構成
するのに必要なペレットの個数の１／２にし、下部端栓
６と接触する燃料スタック最下端には中実ペレット２
を、その真上には中空ペレット３をそれぞれ充填してお
り、以後、中実ペレット２、中空ペレット３というよう
に、中実ペレット２と中空ペレット３とを交互に積み重
ねてある。 (57) [Abstract] [Purpose] In the nuclear fuel element, even when a large amount of gaseous nuclear reaction products are released from the pellets, the reliability of the fuel is significantly improved and the stability of the core characteristics is ensured. [Structure] The number of hollow pellets 3 is halved of the number of pellets required to form a fuel stack, and the solid pellets 2 are provided at the lowermost end of the fuel stack that contacts the lower end plug 6.
Hollow pellets 3 are filled directly above the solid pellets, and thereafter, solid pellets 2 and hollow pellets 3 are alternately stacked, such as solid pellets 2 and hollow pellets 3.

Description

[Detailed description of the device]

【０００１】[0001]

[Industrial applications]

本考案は、原子炉内に装荷される核燃料要素に関するものである。 The present invention relates to a nuclear fuel element loaded in a nuclear reactor.

【０００２】[0002]

[Prior art]

従来の核燃料要素の例を図を用いて説明する。図３は従来例の核燃料要素の縦断面図である。すなわち、核燃料要素１は、多数の核分裂性物質よりなる酸化物ペレット１０を被覆管４内に充填するとともに、被覆管４の上部及び下部は、それぞれ上部端栓５及び下部端栓６で密封されている。また、核燃料要素１の上部には、原子炉運転中に酸化物ペレット１０から放出されるガス状の核反応生成物を収納するプレナム部７が設けられており、プレナム部７にはプレナムスプリング８が設置されている。 An example of a conventional nuclear fuel element will be described with reference to the drawings. FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a conventional nuclear fuel element. That is, the nuclear fuel element 1 fills the cladding tube 4 with oxide pellets 10 made of a large number of fissile materials, and the upper and lower portions of the cladding tube 4 are respectively the upper end plug 5 and the lower end plug 6. It is sealed with. Further, a plenum portion 7 for accommodating a gaseous nuclear reaction product released from the oxide pellets 10 during the reactor operation is provided above the nuclear fuel element 1, and the plenum portion 7 has a plenum spring 7. 8 are installed.

【０００３】酸化物ペレット１０は、核分裂性物質が濃縮されて含まれている粉末を圧粉成型し、高温で焼結したものであり、ペレットには、図４に示すような、円柱状の中実ペレット２、及び円筒状の中空ペレット３がある。酸化物ペレット１０の外径は被覆管４の内径より僅かに小さく、高さは外径とほぼ同じであり、また、中空ペレットでは中心孔径は外径の３〜４分の１程度である。The oxide pellet 10 is obtained by compacting powder containing fissile material in a concentrated form and sintering it at a high temperature. The pellet has a cylindrical shape as shown in FIG. There are solid pellets 2 and hollow cylindrical pellets 3. The outer diameter of the oxide pellet 10 is slightly smaller than the inner diameter of the cladding tube 4, the height is almost the same as the outer diameter, and in the hollow pellet, the central hole diameter is about 3 to 1/4 of the outer diameter. .

【０００４】ペレットには、通常は中実ペレット２が使用されるが、中空ペレット３も自由空間体積が増加すること、及び中心部温度の低減効果のあることから、いくらかの使用実績がある。As the pellet, a solid pellet 2 is usually used, but the hollow pellet 3 has some experience in use because it has an effect of increasing the free space volume and reducing the temperature of the central portion.

【０００５】[0005]

[Problems to be solved by the device]

近年、ウラン資源有効利用の観点から、ウラン酸化物燃料と同時に、ウラン− プルトニウム混合酸化物燃料を燃焼させる動きが目立ってきている。すなわち、ウラン酸化物燃料である二酸化ウランの燃焼によって、新たに生成されたプルトニウムを回収し、プルトニウムと天然ウラン又は劣化ウランとを混合して生成した混合酸化物ペレットを燃焼させ、プルトニウムの核分裂によって再度エネルギーを得ることにより、ウランから取り出すエネルギー量を高めることを可能にしている。 In recent years, from the viewpoint of effective utilization of uranium resources, the movement of burning uranium-plutonium mixed oxide fuel at the same time as uranium oxide fuel has been conspicuous. In other words, the newly generated plutonium is recovered by burning uranium dioxide, which is a uranium oxide fuel, and the mixed oxide pellets produced by mixing plutonium with natural uranium or depleted uranium are burned to generate plutonium. By regaining energy through nuclear fission, it is possible to increase the amount of energy extracted from uranium.

【０００６】しかし、この場合には、ウラン酸化物燃料の燃焼の場合と同等の核分裂生成ガスが生成されるほか、ウラン酸化物燃料の燃焼の場合と比較して多量のヘリウムガスが生成され、放出されるため、ヘリウムガスを収納するプレナム部の容積をウラン酸化物燃料の場合に比べて増加させる必要がある。However, in this case, fission product gas equivalent to that in the case of combustion of uranium oxide fuel is generated, and a large amount of helium gas is generated as compared with the case of combustion of uranium oxide fuel. , The volume of the plenum that contains helium gas must be increased compared to the case of uranium oxide fuel.

【０００７】核燃料要素に充填される混合酸化物燃料の長さは、経済的な観点から、従来のウラン酸化物燃料の場合と同等とすることが望ましい。しかし、燃料集合体の形状及び寸法が炉内構造物によって制約を受けるため、従来技術では、核燃料要素に充填される燃料の長さを変えずに、核燃料要素内の上部に位置するプレナム部容積を増加させること、すなわち核燃料要素を長くすることは、極めて困難であり、プレナム部容積を増加させるには、燃料部分、すなわち炉心長さを短くする必要があった。From the economical point of view, it is desirable that the length of the mixed oxide fuel filled in the nuclear fuel element be equal to that of the conventional uranium oxide fuel. However, since the shape and size of the fuel assembly are restricted by the internal structure of the reactor, the prior art does not change the length of the fuel filled in the nuclear fuel element, and the plenum portion located in the upper portion of the nuclear fuel element is not changed. Increasing the volume, that is, lengthening the nuclear fuel element, was extremely difficult, and increasing the plenum volume required shortening the fuel portion, that is, the core length.

【０００８】一方、軽水炉で混合酸化物燃料を燃焼させる場合には、炉心制御技術の点やプルトニウム供給量があまり多くないことなどの理由から、ウラン酸化物燃料と混在させて炉心を構成する方法が一般的であり、この場合には同一燃料集合体内でウラン酸化物核燃料要素と混合酸化物核燃料要素とを混在させたり、更には同一炉内で混合酸化物燃料を含むウラン酸化物燃料からなる燃料集合体と、ウラン酸化物燃料のみで構成される燃料集合体とを混在させることが考えられる。On the other hand, when the mixed oxide fuel is burned in the light water reactor, the core is formed by mixing it with the uranium oxide fuel because of the core control technology and the fact that the supply amount of plutonium is not so large. In this case, a uranium oxide nuclear fuel element and a mixed oxide nuclear fuel element are mixed in the same fuel assembly, and further, a uranium oxide fuel containing mixed oxide fuel in the same reactor is used. It is conceivable to mix a fuel assembly composed of the above and a fuel assembly composed only of uranium oxide fuel.

【０００９】このような炉心構成をとる場合、核燃料要素の種類によってプレナム部容積が異なるため、それぞれの炉心長さ、及び炉心の上下方向の位置が違うことになり、炉心特性解析上の精度や、中性子経済について問題が生じる。When such a core configuration is adopted, since the plenum volume varies depending on the type of nuclear fuel element, the core length and the vertical position of the core are different, which leads to the , Problems arise about the neutron economy.

【００１０】また、軽水炉でウラン酸化物燃料のみを用いた場合でも、経済的な効率の観点から装荷した燃料を、より高い燃焼度まで燃焼させることが望まれる。しかし、この場合でも燃焼に伴い燃料から核燃料要素内の空間へ放出される気体状核分裂生成物の量が増加することから、上記の場合と同様な問題が生じる。Further, even when only the uranium oxide fuel is used in the light water reactor, it is desirable to burn the loaded fuel to a higher burnup from the viewpoint of economical efficiency. However, even in this case, since the amount of gaseous fission products released from the fuel into the space within the nuclear fuel element increases with combustion, the same problem as in the above case occurs.

【００１１】すなわち、この場合にも炉内で目標到達燃焼度の異なるウラン酸化物燃料集合体を混在させることが考えられる。このような炉心構成をとる場合には、燃料集合体の目標到達燃焼度によって、最適なプレナム部容積は異なる。しかし、プレナム部容積を変えた場合には、それぞれの炉心長さ、及び炉心の上下方向の位置が異なることになり、この場合も炉心特性解析上の精度や中性子経済について問題が生じる。That is, also in this case, it is possible to mix uranium oxide fuel assemblies having different target burnups in the reactor. When such a core configuration is adopted, the optimum plenum volume differs depending on the burnup to reach the target of the fuel assembly. However, when the plenum volume is changed, the core length and the vertical position of the core differ, and in this case as well, problems arise regarding the accuracy of the core characteristics analysis and the neutron economy.

【００１２】以上のような問題の解決方法としては、従来、一部の核燃料要素に採用されているような中空ペレットを用い、中心孔部分を気体状核分裂生成物の収納空間として利用することが考えられる。すなわち、従来のプレナム部、及びペレットと被覆管との間隙部に加えて、中空ペレットの中心孔部分が空間を形成するため、より容量の大きな空間を確保することができる。As a solution to the above problems, hollow pellets that have been conventionally used in some nuclear fuel elements are used, and the central hole portion is used as a storage space for gaseous fission products. It is possible. That is, in addition to the conventional plenum and the gap between the pellet and the cladding tube, the central hole portion of the hollow pellet forms a space, so that a space with a larger capacity can be secured.

【００１３】このような方法により、原子炉運転中、酸化物燃料から放出される多量の核反応生成ガスにより核燃料要素内が過度の圧力上昇をする場合でも、被覆管に過大な応力の発生することが防止され、燃料破損を引き起こすような危険性を著しく低減させることができる。なお、ペレット充填部の長さ、すなわち炉心長さ、及び炉心の上下方向の位置は、従来のウラン酸化物燃料の場合と同じである。By such a method, during the operation of the nuclear reactor, even if the pressure inside the nuclear fuel element increases excessively due to a large amount of the nuclear reaction product gas released from the oxide fuel, excessive stress is generated in the cladding tube. The risk of causing fuel damage can be significantly reduced. The length of the pellet filling portion, that is, the core length and the vertical position of the core are the same as in the case of the conventional uranium oxide fuel.

【００１４】しかし、このような中空ペレットを用いた場合には、原子炉の取扱中又は運転中に生じる燃料破片が、ペレットの中心孔を通って軸方向に移動し、ペレットが積み重なって形成されている燃料スタックの形状を不安定にする危険性がある。すなわち、原子炉運転中、中空ペレットの中心孔表面付近は高温環境に晒され、燃料組織結合力が劣化するため、ペレットから分離して脱落した燃料破片が中心孔内を重力で落下することにより、ペレットは軸方向に移動する可能性がある。However, when such hollow pellets are used, fuel debris generated during the handling or operation of the nuclear reactor moves axially through the central hole of the pellet, and the pellets are formed by stacking. There is a risk of destabilizing the shape of the fuel stack. That is, during operation of the reactor, the vicinity of the surface of the central hole of the hollow pellet is exposed to a high temperature environment, and the fuel tissue bonding force deteriorates.Therefore, fuel debris separated and dropped from the pellet falls by gravity inside the center hole. May cause the pellet to move axially.

【００１５】最悪の場合には、脱落した燃料破片の全てが中心孔の最下端部に集中して堆積することになる。更に、燃料破片の落下が大規模な場合には、ペレットの軸方向の移動が大きいため、炉心の核特性に変動を引き起こし、局所的な出力増加をもたらすなどの原子炉の運転管理上、好ましくない状況が生じる危険性がある。In the worst case, all the fuel fragments that have fallen off will be concentrated and deposited at the lowermost end of the center hole. In addition, when the fuel debris drops large, the axial movement of the pellet is large, which causes fluctuations in the nuclear characteristics of the core and causes a local increase in power output. There is a risk of unfavorable situations.

【００１６】本考案は、上記のような状況に鑑みなされたものであり、核燃料要素において、多量のガス状核反応生成物がペレットから放出される場合でも、燃料の信頼性を著しく向上させ、炉心特性の安定性を確保することを目的にしている。The present invention has been made in view of the above situation, and in the nuclear fuel element, the reliability of the fuel is significantly improved even when a large amount of gaseous nuclear reaction products are released from the pellets. The purpose is to ensure the stability of core characteristics.

【００１７】[0017]

[Means for Solving the Problems]

上記目的は、次のようにして達成することができる。 The above object can be achieved as follows.

【００１８】（１）被覆管の内部に複数個のペレットを充填し、上下両端部を端栓により密封してなる核燃料要素において、ペレットが中空ペレットと中実ペレットとからなること。(1) In a nuclear fuel element in which a plurality of pellets are filled in a cladding tube and both upper and lower ends are sealed with end plugs, the pellets are hollow pellets and solid pellets.

【００１９】（２）（１）において、中空ペレットの複数個を相互に隣接させずに充填してあること。(2) In (1), a plurality of hollow pellets are filled without being adjacent to each other.

【００２０】（３）（１）において、中空ペレットと中実ペレットとを相互に隣接させて充填してあること。(3) In (1), the hollow pellets and the solid pellets are filled adjacent to each other.

【００２１】[0021]

[Action]

本考案では、核燃料要素において、円柱状の中実ペレット、及び円筒状の中空ペレットが組み合わされて燃料スタックを構成し、かつ、中空ペレットのそれぞれが、相互に隣接しないように、中実ペレット及び中空ペレットを被覆管内に充填してある。 In the present invention, in the nuclear fuel element, cylindrical solid pellets and cylindrical hollow pellets are combined to form a fuel stack, and the hollow pellets are not solidly adjacent to each other. Pellets and hollow pellets are filled in the cladding tube.

【００２２】燃料スタックは、全長が所定の長さとなるように必要な個数のペレットを積み重ねて構成している。燃料スタックは基本的には中実ペレットにより構成されるが、燃料設計上必要とされるが、不足している空間部の容積（所定の設計条件において、核燃料要素内の所定の圧力を満たすために必要な空間部の容積から、あらかじめ確保される空間部の容積、すなわちプレナム部、及び被覆管とペレットとの間隙部の各容積を差し引いた容積）に応じて、ペレット中心部空孔容積が不足している空間部の容積と同等となるように、個数Ｎだけ中実ペレットが中空ペレットと交換される。この個数Ｎは概略次式により求められる。The fuel stack is constructed by stacking a required number of pellets so that the total length becomes a predetermined length. Although the fuel stack is basically composed of solid pellets, it is required for the fuel design, but the volume of the lacking space (under a certain design condition, a certain pressure in the nuclear fuel element The center of the pellet is calculated according to the volume of the space that is already secured, that is, the volume of the space that is already secured, that is, the volume of the plenum and the volume of the gap between the cladding tube and the pellet. The number N of solid pellets is replaced with hollow pellets so that the partial void volume becomes equal to the volume of the insufficient space. The number N is roughly calculated by the following equation.

【００２３】[0023]

【数１】Ｎ＝不足空間部容積／中空ペレット１個の中心部空孔容積…………（１）なお、この場合、Ｎ個の中空ペレットは隣接しないように充填してある。## EQU00001 ## N = insufficient space volume / volume of voids in the center of one hollow pellet ... (1) In this case, N hollow pellets are filled so as not to be adjacent to each other.

【００２４】本考案による核燃料要素では、中空ペレットの中心孔近傍の劣化した燃料組織から剥離・脱落し、重力によって下方へ落下するた燃料破片は、その直下に位置する中実ペレットによって移動を阻止され、移動距離は高々ペレット高さ相当分に制限されるので、落下破片量は軸方向全体に分散される。In the nuclear fuel element according to the present invention, the fuel debris separated and dropped from the deteriorated fuel structure in the vicinity of the central hole of the hollow pellet and falling downward due to gravity is prevented from moving by the solid pellet located immediately below it. Since the moving distance is limited to the height equivalent to the pellet height at most, the amount of falling fragments is dispersed in the entire axial direction.

【００２５】[0025]

【Example】

本考案の実施例を図を用いて説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【００２６】図１は本考案の一実施例の核燃料要素の模式縦断面図であり、本実施例は中空ペレット３の個数Ｎが燃料スタックを構成するのに必要なペレット個数Ｎ₀の１／２となる場合である。燃料スタックの最下端には中実ペレット２を充填し、その上には中空ペレット３を充填している。以後、中実ペレット２、中空ペレット３というように、中実ペレット２と中空ペレット３とを交互に積み重ねてある。FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a nuclear fuel element according to an embodiment of the present invention. In this embodiment, the number N of hollow pellets 3 is 1 / the number of pellets N ₀ required to form a fuel stack. This is the case of 2. The bottom end of the fuel stack is filled with solid pellets 2, and the hollow pellets 3 are filled thereover. Thereafter, the solid pellets 2 and the hollow pellets 3 are alternately stacked, such as the solid pellets 2 and the hollow pellets 3.

【００２７】図２は本考案の他の実施例の核燃料要素の模式縦断面図であり、本実施例は不足容積が上記の一実施例より少ない、Ｎ／Ｎ₀＝１／３の場合であり、燃料スタック最下端の第１段目、及び第１段目の真上の第２段目には隣接して中実ペレット２をそれぞれ充填し、その上には１個の中空ペレット３を充填している。以後、このような形態で順次、中実ペレット２と中空ペレット３とを積み重ねてある。FIG. 2 is a schematic vertical cross-sectional view of a nuclear fuel element according to another embodiment of the present invention. In the present embodiment, when the non-sufficient volume is smaller than that of the above-mentioned one embodiment, N / N ₀ = 1/3 The first stage at the lowest end of the fuel stack and the second stage immediately above the first stage are adjacently filled with solid pellets 2, and one solid pellet 2 is placed on top of that. The hollow pellets 3 are filled. Thereafter, the solid pellets 2 and the hollow pellets 3 are sequentially stacked in this manner.

【００２８】また、上記の２つの実施例で示したほかに、不足している空間部の容積に応じて、中空ペレットと中実ペレットとの最適の組合せを選ぶことができる。In addition to the two examples described above, an optimum combination of hollow pellets and solid pellets can be selected according to the volume of the space that is lacking.

【００２９】[0029]

[Effect of device]

本実施例によれば、核燃料要素において、多量のガス状核反応生成物がペレットから放出する場合、ガス状核反応生成物を最適の条件で収納可能な容積を確保して、燃料の信頼性を著しく向上させるとともに、それぞれの核燃料要素における炉心の長さ、及び炉心の上下方向の位置を一致させることが可能になって、燃料スタックにおける核分裂性物質の分布を安定化させ、炉心特性の安定性を確保することができる。 According to the present embodiment, when a large amount of gaseous nuclear reaction products are released from the pellet in the nuclear fuel element, a volume that can store the gaseous nuclear reaction products under optimum conditions is ensured, and the reliability of the fuel is improved. It is possible to make the core length of each nuclear fuel element and the vertical position of the core consistent with each other, and stabilize the distribution of fissile material in the fuel stack. It is possible to ensure the stability of core characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本考案の一実施例の核燃料要素の模式縦断面図
である。FIG. 1 is a schematic vertical sectional view of a nuclear fuel element according to an embodiment of the present invention.

【図２】本考案の他の実施例の核燃料要素の模式縦断面
図である。FIG. 2 is a schematic vertical sectional view of a nuclear fuel element according to another embodiment of the present invention.

【図３】従来例の核燃料要素の模式縦断面図である。FIG. 3 is a schematic vertical sectional view of a nuclear fuel element of a conventional example.

【図４】ペレットの形状の略解図である。FIG. 4 is a schematic diagram of the shape of a pellet.

[Explanation of symbols]

１…核燃料要素、２…中実ペレット、３…中空ペレッ
ト、４…被覆管、５…上部端栓、６…下部端栓、７…プ
レナム部、８…プレナムスプリング、９…ペレットと被
覆管との間隙部、１０…酸化物ペレット。DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Nuclear fuel element, 2 ... Solid pellet, 3 ... Hollow pellet, 4 ... Cladding tube, 5 ... Upper end plug, 6 ... Lower end plug, 7 ... Plenum part, 8 ... Plenum spring, 9 ... Pellet and cladding tube Gaps, 10 ... Oxide pellets.

Claims

[Scope of utility model registration request]

1. A nuclear fuel element having a cladding tube filled with a plurality of pellets and having upper and lower ends sealed with end plugs, wherein the pellets are hollow pellets and solid pellets. Nuclear fuel element.

2. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein a plurality of the hollow pellets are filled without being adjacent to each other.

3. The nuclear fuel element according to claim 1, wherein the hollow pellets and the solid pellets are packed adjacent to each other.