JPH073467B2 - 核燃料集合体 - Google Patents

核燃料集合体

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JPH073467B2
JPH073467B2 JP60193438A JP19343885A JPH073467B2 JP H073467 B2 JPH073467 B2 JP H073467B2 JP 60193438 A JP60193438 A JP 60193438A JP 19343885 A JP19343885 A JP 19343885A JP H073467 B2 JPH073467 B2 JP H073467B2
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磐雄 高瀬
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  • Solid Fuels And Fuel-Associated Substances (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉に装荷する核燃料集合体に関
する。
〔発明の背景〕
原子炉を一定の期間運転するためには、運転初期におい
て、運転中の核分裂の燃料による反応度劣化分だけの余
剰反応度を有している必要がある。
また、原子炉を臨界に保つためにはこの余剰反応度を制
御する必要がある。従来は、その方法として、中性子吸
収物質からなる制御棒を炉心に挿入する方法、及び燃料
中にCd2O3などの中性子吸収断面積の大きい可燃性毒物
を混入した特殊燃料棒を含む燃料集合体を炉心に装荷す
る方法が多く併用されていた。一方燃料集合体内の出力
分布平坦化及び燃料の均一化を図るため、集合体内に中
性子の減速を促す水ロツドを挿入する集合体が使われて
いる。第3図に従来の沸騰水型原子炉の燃料集合体の例
を示す。チヤンネルボツクス7の内部に62本の燃料棒1
〜5と、2本の水ロツド6が挿入されている。また燃料
棒のうち、5に示す燃料棒には原子炉の余剰反応度を制
御するために中性子吸収物質であるGdを含むペレツトが
充填されている。一方水ロツド6の中には冷却水が流さ
れており、燃料集合体中央部での冷却水の量を相対的に
多くし、中性子減速効果により燃料の反応度を高め、集
合体内での局所出力分布の平坦化を図つている。また水
ロツドは燃料集合体内のボイド率変化に伴う反応変化を
小さくする役割も持つている。前述のような従来の燃料
集合体における問題点は、中性子毒物を含まない燃料棒
と、核分裂物質の濃縮度は同じでも中性子毒物を含む燃
料棒とを別個につくる必要があり、燃料ペレツトの製造
から組立までの燃料製造管理が複雑で、製造コストの上
昇をもたらしていることである。
また、前記従来の燃料集合体における他の大きな問題点
は、燃料の長寿命化により燃料経済性の向上を図るため
には、濃縮度を高くする必要があるが、それに伴つて以
下の問題を生じることである。
第1は濃縮度の増加に伴い燃料初期で制御しなければな
らない余剰反応度が増大し、従来のGd入り燃料を使用し
た集合体では、Gd入り燃料棒の本数を多くする必要があ
るとともに、中性子の平均エネルギーが高くなるため、
Gd入り燃料棒の一本当りの余剰反応度制御効果が減少す
ることである。第2の問題点は、炉心の中性子の平均エ
ネルギーが高くなることにより、ボイド率変化に伴う反
応度の変化が大きくなり炉停止時における安定性が悪く
なる。
また制御棒価値が低下することである。
これらの問題を解決する手段として、特開昭58-59284号
出願において、可燃性毒物としてGdを用いまた減速材と
して水素密度の高いZrH2を用いた固体減速棒が提案され
ている。
しかしながら、前述の手段においても、ZrH2が高温で不
安定であることおよびZrH2の成形性が悪いことなどの問
題が残されており、前述の問題点を効果的に解決するに
は至つていなかつた。
すなわち、ZrH2の高温での不安定さを、第4図のZr−H
状態図および第5図のZr−H合金の解離圧の図を参照し
て説明すると、水素の解離圧は500℃の場合(α+β)
相で概ね10-2mmHgであるが、水素含有量が増加している
δ相になると解離圧が急激に増加する。また水素と金属
原子との比が1.5以上になると、水素化物が極めて脆く
なることが知られており、これに更に可燃性毒物のGd、
10B、Hf、Eu、Dyを添加するとますます脆化が起こり成
形性が一段と劣化することになる。更に可燃性毒物を水
素化物に添加することにより水素の含有量が減少し、効
率が低下することになる。以上のとおり、従来の燃料集
合体においては前記のとおりの問題が残されており、そ
れらの問題を解決する技術の開発が待たれていた。
尚、固体減速材に可燃性毒物を直接混入した特開昭59−
184885号公報がある。また、多重管構造の内部に減速材
と可燃性毒物を個別に収容したものが特開昭58−113785
号公報に記載されている。また、チャンネルボックスに
固体減速材の領域を設けた例が特開昭58−099789号公報
に記載されている。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、水よりも中性子減速能の大きな固体減
速材を内部に収納し、被覆管に可燃性毒物を加えた、新
しい構造の中性子減速棒の配備された核燃料集合体を提
供することにある。
〔発明の概要〕
本発明者等は、前述の問題点を解決した核燃料集合体を
得るべく鋭意研究した結果、核燃料集合体における中性
子減速棒の被覆管を以下に述べる構造とすることで前記
問題点が解決されることを知見して本発明を完成したも
のである。
すなわち、前記問題点を解決するためには、Gd、10B、H
f、Eu、Dyあるいはそれらの化合物などの可燃性毒物と
水素化合物とを分離することが必要であり、そのための
手段として、 (1) 第1図に示す如く可燃性毒物をZr合金燃料棒被
覆管8に含有させてしまうこと、または、 (2) 第2図に示す如くZr合金被覆管8本体の内面
に、可燃性毒物を含有させたZr合金の内張り層9を設け
ること が有効であることを知見して本発明を完成したものであ
る。
本発明は、上記知見より、多数本の核燃料棒と、水より
も中性子減速能の大きな固体減速材を被覆管の内部に収
納した中性子減速棒とを格子状に配置した核燃料集合体
において、前記中性子減速棒は、Zr合金からなる被覆管
本体の内面に、可燃性毒物を含有するZr合金の内張り層
が設けられ、前記内張り層の内周面と前記固体減速材の
外周面との間隙が、水で満たされていることを特徴とす
るものである。
また、多数本の核燃料棒と、水よりも中性子減速能の大
きな固体減速材を被覆管の内部に収納した中性子減速棒
とを格子状に配置した核燃料集合体において、前記中性
子減速棒は、前記被覆管が可燃性毒物を含有するZr合金
からなり、前記被覆管の内周面と前記固体減速材の外周
面との間隙が、水で満たされていることを特徴とするも
のである。
上記構成によれば、中性子制御棒には以下のような作用
がある。
高温では不安定な固体減速材を水で冷却し、安定化
させることができる。
固体減速材が可燃性毒物と分離されているため、成
形性が劣化しない。
固体減速材を用いることができるので、従来の水ロ
ツドに比較して水素含有量の低下が生じないため、より
高い中性子減速能力を維持できる。
中性子制御棒の構造が、内張りあるいは被覆管の組
成に含有させることにより、被覆管そのものに可燃性毒
物を有する構造なので、中性子制御棒の主要部が、固体
減速材と、水と、これらを内部に収納する被覆管とから
のみ構成され、構造が極めて簡素である。
そのため、燃料棒に可燃性毒物を混入させる必要がな
く、中性子減速能が向上し、燃料経済性に優れ、高エネ
ルギが可能でしかも安定性の優れた核燃料集合体が得ら
れる。
なお、本発明で用いられる前記燃料棒被覆管の素材とし
ては、ジルカロイ−2,ジルカロイ−4,Zr−1Nb,Zr−2.5N
b,あるいはZr−1.0Nb−1.0Sn−0.5Feなどの公知のZr合
金を用いることができる。
(1)の被覆管に可燃性毒物を含有させる場合は、耐食
性,加工性などの点から1〜10wt%含有範囲にすること
が好ましく、また(2)の被覆管の内面に可燃性毒物を
含有させたZr合金の内張りを設ける場合には、その含有
量を(1)に比較して高くすることが可能で、その内張
りの厚さについては500〜2000μmの厚さが適切であ
る。
本発明の核燃料集合体においては、前記(1),(2)
に記載したFr合金被覆管内に水素化物が収納され、第3
図に示すように配備される。
そして、前記被覆管の内部には水が満され、従来の水ロ
ツドと同様に、具体的には被覆管の下部より水が導入さ
れ上部より抜け出る構造を有している。また、被覆管内
部に収納されるZr水素化合物は、前述したとおり、水の
解離圧および成形性の問題を解決するため、水素と金属
原子の原子比(ZrHxの値)は1.6以下、好しくは1.5以下
に抑えられる。
このxの値は以下のように定めることができる原子炉冷
却水温度約280℃での水素密度(約5×1022Hatom/cm3
と同等な水素密度の値x=1.3と定めることができる。
すなわち、xが1.3以上であれば従来の水ロツドに比べ
て減速能力が高くなり、固体減速棒の効果が向上する。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の好適な実施例について図面を参照して説
明する。
第6図は本発明の核燃料集合体における固体減速棒の構
造を示す図である。
多数の短尺のZr水素化合物10がZr合金製被覆管8に収納
されている。第6図(a)は被覆管8の内側にZr−50%
Gd又はZr−10%Hf合金からなる内張り層9が設けられて
いる。この内張り層9の厚さは800〜1000μmである。
また第6図(b)はジルカロイ−2にGd又はHfを5%含
有させた合金を用いて作成された被覆管を用いた例であ
る。
前記第6図(a)および(b)に示される被覆管の内部
にZrH1.5で表わされるZr水素化物10が装荷されている。
前記被覆管8の両端は、上部を上部端栓11で、また下部
を下部端栓12で溶接封止されている。そして被覆管8の
上部および下部には孔13および14が開かれており、冷却
水が下から上へと被覆管8とZr水素化物10の間隙を満し
て流れる。
なお前記被覆管の孔13および14は上部および下部に限定
されることなく、中間に設けられてもよく、また複数個
設けてもよい。
さらに、本実施例では被覆管内に収納するZr水素化物を
短尺のものを多数積み上げているが、その長さは何等限
定されることなく長尺でもあるいは一体でもよいことは
当然のことである。
またその形状は円柱形あるいは粒状であつても同様であ
る。
〔発明の効果〕
本発明によれば、従来のように燃料棒に可燃性毒物を混
入させる必要がなく、燃料製造管理が容易で、コストも
低い。また、中性子減速能が向上するので、濃縮度の高
い経済性に優れた燃料を使用することができ、高エネル
ギを実現できるとともに炉停止時の安定性も向上する
等、効率的な核燃料集合体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明による可燃性毒物を含有させたZr合金
被覆管を用いた場合の固体減速棒の横断面図、第2図
は、Zr合金被覆管に可燃性毒物を含有させたZr合金内張
りを設けた場合の固体減速棒の横断面図、第3図は本実
施例における核燃料集合体の概略図、第4図はZr−H合
金の平衡状態図、第5図はZrHxの解離圧を示す図および
第6図(a),(b)は固体減速棒の縦断面図である。 1〜5……燃料棒、6……水ロツド、7……チヤネルボ
ツクス、8……被覆管、9……可燃性毒物含有内張り、
10……Zr水素化物、11……上部端栓、12……下部端栓、
13,14……被覆管の孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 正岡 功 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (72)発明者 梅原 肇 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社日 立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−184885(JP,A) 特開 昭58−113785(JP,A) 特開 昭58−99789(JP,A)

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多数本の核燃料棒と、水よりも中性子減速
    能の大きな固体減速材を被覆管の内部に収納した中性子
    減速棒とを格子状に配置した核燃料集合体において、前
    記中性子減速棒は、Zr合金からなる被覆管本体の内面
    に、可燃性毒物を含有するZr合金の内張り層が設けら
    れ、前記内張り層の内周面と前記固体減速材の外周面と
    の間隙が、水で満たされていることを特徴とする核燃料
    集合体。
  2. 【請求項2】前記内張り層は、Zr−50%Gd合金、または
    Zr−10%Hf合金からなることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の核燃料集合体。
  3. 【請求項3】前記内張り層は、層の厚さが500〜2000μ
    mであることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
    の核燃料集合体。
  4. 【請求項4】前記可燃性毒物が、Gd、10B、Hf、Eu、D
    y、およびそれらの化合物の中から選択された1種以上
    の元素又は化合物であることを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の核燃料集合体。
  5. 【請求項5】前記固体減速材は、Zrと水素を含む化合物
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の
    核燃料集合体。
  6. 【請求項6】多数本の核燃料棒と、水よりも中性子減速
    能の大きな固体減速材を被覆管の内部に収納した中性子
    減速棒とを格子状に配置した核燃料集合体において、前
    記中性子減速棒は、前記被覆管が可燃性毒物を含有する
    Zr合金からなり、前記被覆管の内周面と前記固体減速材
    の外周面との間隙が、水で満たされていることを特徴と
    する核燃料集合体。
  7. 【請求項7】前記被覆管の可燃性毒物の含有率は、1〜
    10wt%であることを特徴とする特許請求の範囲第6項に
    記載の核燃料集合体。
  8. 【請求項8】前記可燃性毒物が、Gd、10B、Hf、Eu、D
    y、およびそれらの化合物の中から選択された1種以上
    の元素又は化合物であることを特徴とする特許請求の範
    囲第6項に記載の核燃料集合体。
  9. 【請求項9】前記固体減速材は、Zrと水素を含む化合物
    であることを特徴とする特許請求の範囲第6項に記載の
    核燃料集合体。
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JPS6252492A JPS6252492A (ja) 1987-03-07
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SE1350236A1 (sv) 2010-09-03 2013-03-27 Ca Atomic Energy Ltd Kärnbränsleknippe som innehåller torium och kärnreaktor som innefattar detsamma
RO129197B1 (ro) 2010-11-15 2021-10-29 Atomic Energy Of Canada Limited Combustibil nuclear conţinând uraniu reciclat şi sărăcit, şi fascicul de combus- tibil nuclear şi reactor nuclear cuprinzând un astfel de fascicul
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JPS5899789A (ja) * 1981-12-09 1983-06-14 株式会社日立製作所 燃料集合体
JPS58113785A (ja) * 1981-12-26 1983-07-06 株式会社東芝 燃料集合体
JPS59184885A (ja) * 1983-04-06 1984-10-20 株式会社日立製作所 燃料集合体

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