JPH067099U - 核燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案により、原子炉定格出力時の燃料ペレ
ットの温度を低減し、燃料被覆管の熱応力による変形を
低減し、信頼性の高い核燃料要素を提供する。 【構成】 図１に示すように、被覆管１の内側に、金属
製伝熱体ホルダ８をかん挿し、半円柱状のペレット７
を、充填したものである。 【効果】 半円柱状のペレット７により被覆管内温度は
低減し、したがってＦＰガスの放出量も低減するので、
被覆管の応力腐食割れは防止できる。

Description

【考案の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本考案は、原子炉の燃料として使われている核燃料要素に係り、特に燃料被覆 管の破損率を低減するのに好適な核燃料要素に関する。

【０００１】

【従来の技術】

一般に、核燃料要素は、図４の縦断面図のように、被覆管内に複数個の燃料ペ レットを積層して充填するとともに、被覆管の両端開口が端栓で密封形成されて いる。燃料ペレットは、核分裂性の酸化物燃料粉末を焼結して例えば長さと直径 との比が約１の円柱状ペレットに成型されたものである。図４において、１は、 被覆管、２は、燃料ペレット、３ａは、上部端栓、３ｂは、下部端栓である。

【０００２】 上記のように構成された核燃料要素において、被覆管１には、燃料ペレット２ と冷却材との接触および化学反応を阻止する機能および燃料ペレット２から放出 されるＦＰガスが冷却材中に混入するのを阻止する機能が要求されている。 したがって、被覆管が破損したような場合には、冷却系プラントの放射能レベ ルが上昇し、安全を確保するために原子炉の運転を停止しなければならないこと も考えられ、原子炉プラント全体の稼働率を低下させるので好ましくない。

【０００３】 水冷却型原子炉に用いられる核燃料要素の被覆管は、一般にジルコニウムおよ びその合金系材料で形成されている。これらは、中性子吸収断面積が小さく、か つ約４００℃以下の温度で延性がすぐれ、しかも、冷却材としての水蒸気とも反 応しない安定した特性を有する。 しかしながら、現在までの運転経験によると、ジルコニウムおよびその合金で 形成された被覆管でも、中性子照射を受けることによる材料強度の低下および核 分裂生成物（ＦＰ）との化学反応による腐食などの相互作用に基づく脆性割れを 発生する可能性がある。

【０００４】 このような望ましくない現象は、つぎのようのして発生するものと考えられる 。 すなわち、燃料ペレット２で発生した熱を被覆管１の表面に効率よく伝えるに は、被覆管１の内側面と燃料ペレット２との間に形成されるギヤップを数十ミク ロン以下に設定する必要がある。一方、運転時には、燃料ペレット２が発熱する のでペレット自身が熱応力で割れ、その破面の食違いや、燃焼につれて燃料ペレ ット２内にＦＰが蓄積して起こる体積膨張などが原因で、図５に示すように被覆 管１が燃料ペレット２によって押し拡げられる。図５において、６は、クラック である。被覆管１が受ける歪の周方向の平均値はさほど大きくはないが、燃料ペ レット２に生じたクラック６近傍の被覆管内面に歪が集中し、この歪は降伏応力 以上に達する。さらに、核分裂に伴って燃料ペレット２からヨウ素およびヨウ素 化合物、セシウムおよびセシウム化合物などの腐食性ガスが発生し、この腐食性 ガスは被覆管１内の自由空間、すなわち、クラック６などに集まる。つまり、被 覆管１の歪が集中している部分近傍に腐食性ガスが集まり易く、この部分を起点 にして、例えば応力腐食割れと称する脆性破壊現象が発生する。

【０００５】 これらの好ましくない破壊を防止する目的でたとえば、米国特許３、０１８、 ２３８号には、燃料ペレット２と被覆管１との間に潤滑材を挿入した核燃料要素 が示されている。また、被覆管１と燃料ペレット２間に隔壁としてチタン層を設 けた例として、ＤＡＳ１、２３８、１１５号に記載されている。さらにＮｂ、Ｔ ａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｚｒの金属状の膜で燃料を包んだ核燃料要素も知られている。 その他の障壁材として、ステンレス鋼、ガラス物質、Ａｌ、ＢｅＡｌ、Ｍｇ、Ｃ ｕ、などが米国特許３、０８０、８９３号、同３、０８５、０５９号、同３、２ １２、７８８号、同３、２９１、７００号、同３、２３０、１５０号および特開 昭５０−１０９３９７号公報で公知である。

【０００６】 同様に被覆管を内張りする概念は周知であり、米国特許３、５０２、５４９号 、同３、６２５、８２１号、特開昭５１−６９７９２号、特開昭５１−６９７９ ５号、特開昭５１−６９７９６号および特開昭５１−７１４９７号公報において 内張り材として、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｍｇ、Ｃｕ、純Ｚｒ、Ａ ｌ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、アルミ化コ−チング、珪素化コ−チングなどが示されてい る。

【０００７】 また、燃料ペレットからの除熱特性の向上によりペレット温度を低温化すると 熱膨張量および腐食性ガスの放出量が減少し被覆管の応力腐食割れを生じ難くす ることから、ペレット間に金属板を挿入してこの目的を果たそうとするものが特 開昭５７−２０８４９１号公報に示されている。また、被覆管中に放射状の仕切 板を設け、これにより生じた扇形状の空間に同じ形状の燃料ペレットを挿入する 方法が特開昭５８−１４７６７７号公報に示されている。 また、核燃料要素の径を小さくすると除熱特性が向上することは公知の事であ る。

【０００８】

【考案が解決しようとする課題】

以上の従来技術において、次のような問題点があった。 （１）被覆管とペレットの間に隔壁または内張りを設ける方法においては、腐 食性のＦＰガスが直接被覆管母材に接触するのを防ぐことができる反面、腐食性 のＦＰガスのペレットからの放出を低減することはできない。したがって、隔壁 または内張りが腐食により破損した場合、２次的に被覆管が破損される可能性が ある。

【０００９】 （２）被覆管を細径化し、ペレットの中心温度を低下すると、腐食性のＦＰの ペレットからの放出量を低減することができる反面、同一出力を得るに要する核 燃料要素の数が増大しコストの増加につながると共に、曲げの力に対する剛性が 低下し、原子炉内での核燃料要素の保持機構に特別な配慮を必要とする。

【００１０】 （３）被覆管内に仕切板などを設ける方法においては、ある程度のペレット温 度の低下は達成できるものの、仕切板または金属板から被覆管への伝熱面積が小 さく、燃料ペレットの温度を大幅に低下させることはできない。また、この方法 では放出された腐食性のＦＰからの影響に対しては、被覆管は無防備なので、こ れが破壊される可能性がある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

上記課題を解決するための本考案に係る核燃料要素の構成は、燃料被覆管内に 複数個の核燃料ペレットを積層充填し、両端を密封してなる核燃料要素において 、核燃料ペレットを直径にそって２等分割した半円柱状の複数個の燃料ペレット を、その分割切断面同志を対向させて断面Ｓ字状の金属製伝熱体ホルダに積層充 填し、前記被覆管の内壁にかん挿するようにしたことである。

【００１２】

【作用】

上記のように構成した核燃料要素においては、核燃料ペレット中に発生した熱 の１部は被覆管の方向に流れ、その内側に配置された金属製伝熱体の外周部を横 断して被覆管に達する。この熱の流れは、燃料ペレットと被覆管との間に隔壁を 設けた既知の核燃料要素中の熱の流れと同等である。

【００１３】 しかし、本考案の核燃料要素においては、上記の熱の流れに加えて、核燃料ペ レットから金属製伝熱体の被覆管直径縦断板部分に熱が流れ、この熱は、被覆管 内部を両方向に半周する金属製伝熱体の周辺部を通して効率よく被覆管に流れる 。 この金属製伝熱体の周辺部は、従来例に比してその伝熱面積を格段に大きくす る。これにより、金属製伝熱体の周辺部の温度は、被覆管の温度よりやや高い温 度に保たれる。すなわち金属製伝熱体を介した効率のよい除熱がおこなわれる。 また、ペレットが円柱状でなくて半円柱状であることが、除熱特性の向上に寄 与している。半円柱は円柱に比べ、その体積に対する除熱面積の比は、１．６４ 倍である。

【００１４】 このような除熱特性の向上は、ペレット温度を低下させ、腐食性のＦＰがペレ ットから放出される割合を減じる。また、核燃料要素を細径化することなく除熱 特性を向上できるので、曲げに対する剛性は低減しない。さらに、核燃料要素１ 体当りの熱効率がよいので、核燃料要素の数を現行数かまたはそれ以下の数に抑 えた原子炉の設計をも可能にする。

【００１５】 本考案に係る核燃料要素における金属製伝熱体の外周部は、単に熱を伝えるた めだけのものではなく、ペレットと被覆管との間にあってその力学的、化学的な 相互作用を緩衝する作用を持つものである。この外周部は、燃料ペレットと被覆 管との間に設けた障壁として作用し、熱応力により割れたペレット片による局所 的な応力集中から被覆管を守るほか、腐食性のＦＰと被覆管に先立って反応して これを補足し、被覆管を腐食から保護する作用をはたす。

【００１６】

【実施例】

以下、本考案の核燃料要素の一実施例を図１〜図３を用いて説明する。 図１は、本考案の核燃料要素の一実施例の断面図、図２は、図１の被覆管に充 填される半円柱状ペレットの斜視図、図３は、金属製伝熱体ホルダ（Ｓ字状）の 斜視図である。図１〜図３において、１は、被覆管、７は、半円柱状ペレット、 ８は、金属製伝熱体ホルダ（Ｓ字状）９は、空隙である。

【００１７】 本実施例の構成は、従来のジルコニウム合金製の被覆管１の内側に、高純度ジ ルコニウム金属板からプレス加工して製作した図３のようなＳ字状の伝熱体ホル ダ８をかん挿し、このホルダの直径縦断板によって２等分に仕切られた半円柱状 の空間部分に、図２に示した半円柱状の燃料ペレット７を、その分割切断面同志 が相対向するようにして、積層して充填したものである。

【００１８】 ホルダ８の長さは、プレス加工の容易さから約３００ｍｍとし、核燃料要素１ 体中には１２本挿入される。 被覆管１と金属製伝熱体ホルダ８とは共にジルコニウムを主成分として熱膨張 率が類似なことおよび上記ホルダ８は、柔軟性に富むことから、両者の間に特に 隙間は設けられていない。しかし、半円柱状ペレット７と金属製伝熱体ホルダ８ との間には、この両者の熱膨張差を吸収するだけの隙間９が設けられている。

【００１９】 この実施例において、金属製伝熱体ホルダ８の厚さは、約０．８ｍｍであり、 伝熱体ホルダ８が核燃料要素の除熱分の約２割を分担するように設計されている 。 定格出力時の伝熱体中央部最高温度は、約１、０００℃である。これにより、 核燃料ペレットの最高温度は、金属製伝熱体ホルダのない時に比べて、約２００ ℃低下する。核燃料ペレットからの腐食性のＦＰの放出割合は、ペレット温度の 低下に伴い指数関数的に小さくなるので、この温度低下分はその放出を実質的に 防ぐのに十分な値である。

【００２０】 金属製伝熱体ホルダの製作材料としては、高純度ジルコニウムに限らず、他の すぐれた特性−高熱伝導度、加工性、腐食性ＦＰの捕獲特性、柔軟性、高融点、 核燃料ペレットとの両立性など−を備えた金属であればよい。

【００２１】 すなわち、本実施例の効果は、運転中に、燃料ペレットの除熱を助け、ペレッ トの変形を防ぐため、被覆管の熱応力を低減させるので、核燃料要素の信頼性を 向上することができる。

【００２２】

【考案の効果】

本考案によれば、核燃料要素を細径化することなく核燃料ペレットの温度を低 下させ、ここから放出される腐食性のＦＰの量を低減できる。また、放出された 腐食性ＦＰが直接被覆管に到達するのを阻止するとともに、ペレットの破片が被 覆管の内面を圧迫して応力集中することを防ぐ。 以上の効果により、被覆管の破損確率を低くし、信頼性の高い核燃料要素を提 供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の核燃料要素の実施例の横断面図であ
る。

【図２】半円柱状ペレットの斜視図である。

【図３】金属製伝熱体ホルダの斜視図である。

【図４】従来の核燃料要素の縦断面図である。

【図５】従来の被覆管ペレットの体積膨張による変形状
態説明図である。

【符号の説明】

１ 被覆管 ２ 従来の燃料ペレット ７ 半円柱状ペレット ８ 金属製伝熱体ホルダ ９ 隙間

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料被覆管内に複数個の核燃料ペレット
   を積層充填し、両端を密封してなる核燃料要素におい
   て、核燃料ペレットを直径にそって２等分割した半円柱
   状の複数個の燃料ペレットを、その分割切断面同志を対
   向させて断面Ｓ字状の金属製伝熱体ホルダに積層充填
   し、前記被覆管の内壁にかん挿したことを特徴とする核
   燃料要素。