JPH09119994A - 燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体 - Google Patents
燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体Info
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- JPH09119994A JPH09119994A JP8164109A JP16410996A JPH09119994A JP H09119994 A JPH09119994 A JP H09119994A JP 8164109 A JP8164109 A JP 8164109A JP 16410996 A JP16410996 A JP 16410996A JP H09119994 A JPH09119994 A JP H09119994A
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- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】本発明の目的は、従来の燃料健全性を維持しつ
つ、製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる燃料
棒及びその製造方法並びに燃料集合体を提供することに
ある。 【解決手段】燃料棒２は、燃料被覆管３と、燃料被覆管
３に溶接された上部端栓５及び下部端栓６と、燃料被覆
管３の内部に封入されたＨｅガス１及びＵペレット４と
を備える。Ｈｅガス１の封入圧力は約８気圧で、Ｕペレ
ット４の平均結晶粒径は３０〜６０μｍの範囲にある。
つ、製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる燃料
棒及びその製造方法並びに燃料集合体を提供することに
ある。 【解決手段】燃料棒２は、燃料被覆管３と、燃料被覆管
３に溶接された上部端栓５及び下部端栓６と、燃料被覆
管３の内部に封入されたＨｅガス１及びＵペレット４と
を備える。Ｈｅガス１の封入圧力は約８気圧で、Ｕペレ
ット４の平均結晶粒径は３０〜６０μｍの範囲にある。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉の炉心に装
荷される燃料に係わり、特に、沸騰水型原子炉に用いる
のに好適な燃料棒及び燃料集合体に関する。
荷される燃料に係わり、特に、沸騰水型原子炉に用いる
のに好適な燃料棒及び燃料集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般に、沸騰水型原子炉の燃料集合体に
装荷されるウラン酸化物の燃料棒は、ウラン酸化物のペ
レット又はウラン酸化物に少量の中性子毒物を混合した
ペレットと、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとが封入されてい
る。
装荷されるウラン酸化物の燃料棒は、ウラン酸化物のペ
レット又はウラン酸化物に少量の中性子毒物を混合した
ペレットと、ヘリウム（Ｈｅ）ガスとが封入されてい
る。
【０００３】これは、以下の理由による。燃焼が進むに
伴い、熱伝達率が低いガス状核分裂生成物がペレットか
ら燃料棒の内部空間に放出される。このガス状核分裂生
成物によるペレットと被覆管の間の熱伝達の低下を、熱
伝達率の高いＨｅガスを充填することにより防ぐことが
目的である。このようにして上記熱伝達の低下が防止さ
れることにより、ペレット温度の上昇が抑制されガス状
核分裂生成物の放出が低く抑えられるので、上記熱伝達
の低下を更に防ぐことができる。
伴い、熱伝達率が低いガス状核分裂生成物がペレットか
ら燃料棒の内部空間に放出される。このガス状核分裂生
成物によるペレットと被覆管の間の熱伝達の低下を、熱
伝達率の高いＨｅガスを充填することにより防ぐことが
目的である。このようにして上記熱伝達の低下が防止さ
れることにより、ペレット温度の上昇が抑制されガス状
核分裂生成物の放出が低く抑えられるので、上記熱伝達
の低下を更に防ぐことができる。
【０００４】即ち、Ｈｅガスの量が多いほど、ガス状核
分裂生成物による上記熱伝達の低下への影響を小さくで
きる。従って、上記熱伝達の観点では、燃料棒の製造時
におけるＨｅガスの圧力は高い方が好ましい。しかし、
Ｈｅガスの圧力が高過ぎると、ガス状核分裂生成物の発
生量の低下分よりも、Ｈｅガスの圧力の増加分が大きく
なるので、燃料寿命末期の燃料棒の内圧は高くなる。こ
れは、燃料健全性の観点では逆効果である。
分裂生成物による上記熱伝達の低下への影響を小さくで
きる。従って、上記熱伝達の観点では、燃料棒の製造時
におけるＨｅガスの圧力は高い方が好ましい。しかし、
Ｈｅガスの圧力が高過ぎると、ガス状核分裂生成物の発
生量の低下分よりも、Ｈｅガスの圧力の増加分が大きく
なるので、燃料寿命末期の燃料棒の内圧は高くなる。こ
れは、燃料健全性の観点では逆効果である。
【０００５】従って、Ｈｅガスの圧力には最適点が存在
する。この最適点は燃料の燃焼度に依存しており、従来
の燃料棒が８行８列に配置された（８×８）燃料集合体
では、Ｈｅガスの圧力は５気圧に設定されていた。近
年、燃料経済性を更に向上するために高燃焼度化を目指
した９×９燃料集合体では、Ｈｅガスの圧力は約１０気
圧に設定されている。
する。この最適点は燃料の燃焼度に依存しており、従来
の燃料棒が８行８列に配置された（８×８）燃料集合体
では、Ｈｅガスの圧力は５気圧に設定されていた。近
年、燃料経済性を更に向上するために高燃焼度化を目指
した９×９燃料集合体では、Ｈｅガスの圧力は約１０気
圧に設定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の燃
料棒においては、以下の課題が存在する。
料棒においては、以下の課題が存在する。
【０００７】燃料棒にＨｅガスを加圧して充填すると
き、従来の８×８燃料集合体のようにＨｅガスの圧力が
比較的低い（５気圧）場合には、被覆管内にＨｅガスを
充填し同時に上部端栓を溶接することが可能であった。
しかし、最近の高燃焼度化を目指した９×９燃料集合体
では、Ｈｅガスの圧力が約１０気圧に増大しているため
に、溶接アークの制御の困難化，溶接部へのポロシティ
の形成などが発生し、従来方法による溶接が困難になっ
ている。従って、新しい溶接手段の追加や、Ｈｅガスを
加圧するための別工程の追加が必要となる。
き、従来の８×８燃料集合体のようにＨｅガスの圧力が
比較的低い（５気圧）場合には、被覆管内にＨｅガスを
充填し同時に上部端栓を溶接することが可能であった。
しかし、最近の高燃焼度化を目指した９×９燃料集合体
では、Ｈｅガスの圧力が約１０気圧に増大しているため
に、溶接アークの制御の困難化，溶接部へのポロシティ
の形成などが発生し、従来方法による溶接が困難になっ
ている。従って、新しい溶接手段の追加や、Ｈｅガスを
加圧するための別工程の追加が必要となる。
【０００８】これらは製造コストを上昇させるので、経
済的に好ましくない。また、Ｈｅガスは高価であるの
で、圧力増大によるＨｅガスの量の増加も製造コストを
上昇させる。
済的に好ましくない。また、Ｈｅガスは高価であるの
で、圧力増大によるＨｅガスの量の増加も製造コストを
上昇させる。
【０００９】一方、燃料棒の内圧の上昇を防止する方法
として、ペレットを充填しない空間であるプレナム部
を、燃料棒の上部に設ける方法が採用されている。しか
し、プレナム部の体積を増加させることは、Ｕペレット
の装荷量の減少や、燃料集合体の燃料棒間の伸びの差を
吸収するための膨張スプリングに対する設計裕度の低下
を招くので、好ましくない。
として、ペレットを充填しない空間であるプレナム部
を、燃料棒の上部に設ける方法が採用されている。しか
し、プレナム部の体積を増加させることは、Ｕペレット
の装荷量の減少や、燃料集合体の燃料棒間の伸びの差を
吸収するための膨張スプリングに対する設計裕度の低下
を招くので、好ましくない。
【００１０】また、Ｕペレットにアルミナシリケートを
添加することによりペレットの結晶粒径を大きくして、
ガス状核分裂生成物のペレットからの放出を抑制する方
法が、特開平1−193691 号公報，特開平3−146895 号公
報，特開平5−11088号公報等に記載されている。
添加することによりペレットの結晶粒径を大きくして、
ガス状核分裂生成物のペレットからの放出を抑制する方
法が、特開平1−193691 号公報，特開平3−146895 号公
報，特開平5−11088号公報等に記載されている。
【００１１】しかし、これらの従来技術では、燃料棒の
製造時におけるＨｅガスの圧力や、上記した製造コスト
の観点に関しては、考慮されていない。
製造時におけるＨｅガスの圧力や、上記した製造コスト
の観点に関しては、考慮されていない。
【００１２】本発明の目的は、従来の燃料健全性を維持
しつつ、製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる
燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体を提供するこ
とにある。
しつつ、製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる
燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体を提供するこ
とにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の手段では、平均結晶粒径が３０〜６０μｍの
範囲の核燃料ペレットと、圧力が１〜８気圧の範囲のヘ
リウム（Ｈｅ）ガスを、燃料棒内に封入する。
に、第１の手段では、平均結晶粒径が３０〜６０μｍの
範囲の核燃料ペレットと、圧力が１〜８気圧の範囲のヘ
リウム（Ｈｅ）ガスを、燃料棒内に封入する。
【００１４】また、第２の手段では、平均結晶粒径が３
０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレットと、圧力が０.５
〜１.５気圧の範囲のアルゴン（Ａｒ）ガスを、燃料棒
内に封入する。
０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレットと、圧力が０.５
〜１.５気圧の範囲のアルゴン（Ａｒ）ガスを、燃料棒
内に封入する。
【００１５】また、第３の手段では、平均結晶粒径が３
０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレットと、全圧が１〜８
気圧の範囲のＨｅとＡｒの混合ガスを、Ａｒガスの分圧
が１.５気圧以下で、燃料棒内に封入する。
０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレットと、全圧が１〜８
気圧の範囲のＨｅとＡｒの混合ガスを、Ａｒガスの分圧
が１.５気圧以下で、燃料棒内に封入する。
【００１６】第１の手段によれば、核燃料ペレットの平
均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅガスの封
入圧力を１〜８気圧の範囲にすることにより、図４で後
述するように、燃料寿命末期の燃料棒の内圧を従来と同
程度以下に抑制でき且つ上部端栓の溶接を容易にでき
る。従って、従来の燃料健全性を維持しつつ、燃料棒の
製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる。
均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅガスの封
入圧力を１〜８気圧の範囲にすることにより、図４で後
述するように、燃料寿命末期の燃料棒の内圧を従来と同
程度以下に抑制でき且つ上部端栓の溶接を容易にでき
る。従って、従来の燃料健全性を維持しつつ、燃料棒の
製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる。
【００１７】また、第２の手段によれば、核燃料ペレッ
トの平均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ａｒガ
スの封入圧力を０.５〜１.５気圧の範囲にすることによ
り、図８で後述するように、燃料寿命末期の燃料棒の内
圧を従来と同程度に抑制でき且つ上部端栓の溶接を容易
にできる。従って、従来の燃料健全性を維持しつつ、燃
料棒の製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる。
トの平均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ａｒガ
スの封入圧力を０.５〜１.５気圧の範囲にすることによ
り、図８で後述するように、燃料寿命末期の燃料棒の内
圧を従来と同程度に抑制でき且つ上部端栓の溶接を容易
にできる。従って、従来の燃料健全性を維持しつつ、燃
料棒の製造コストを低減でき且つ高燃焼度化が図れる。
【００１８】また、第３の手段によれば、核燃料ペレッ
トの平均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅと
Ａｒの混合ガスの全圧を１〜８気圧の範囲にし、Ａｒガ
スの分圧を１.５気圧以下にすることにより、第１の手
段及び第２の手段と同様な効果を達成できる。
トの平均結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅと
Ａｒの混合ガスの全圧を１〜８気圧の範囲にし、Ａｒガ
スの分圧を１.５気圧以下にすることにより、第１の手
段及び第２の手段と同様な効果を達成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を用
いて説明する。
いて説明する。
【００２０】本発明の第１実施例を図１〜図３を用いて
説明する。図１は本発明による燃料棒の第１実施例の一
部破断側面図、図２は本発明による燃料棒を装荷した燃
料集合体の縦断面図、図３は図１の燃料棒の製造方法を
示す図である。本実施例は、被覆管内にＨｅガスを封入
した燃料棒である。
説明する。図１は本発明による燃料棒の第１実施例の一
部破断側面図、図２は本発明による燃料棒を装荷した燃
料集合体の縦断面図、図３は図１の燃料棒の製造方法を
示す図である。本実施例は、被覆管内にＨｅガスを封入
した燃料棒である。
【００２１】図２に示すように、燃料集合体１０は、燃
料棒２，水ロッド１３，燃料棒２の上端を保持する上部
タイプレート１１，燃料棒２の下端を保持する下部タイ
プレート１２，隣接した燃料棒２の間の間隙を保持する
燃料スペーサ１４，上部タイプレート１１に取り付けら
れ燃料棒２を取り囲むチャンネルボックス１５などを備
える。複数の燃料スペーサ１４が燃料集合体１０の軸方
向に配置され、水ロッド１３によって保持されている。
下部タイプレート１２は、燃料棒２及び水ロッド１３の
下端部を支持する燃料棒支持部と、燃料棒支持部の下方
に位置する内部空間とを備えている。
料棒２，水ロッド１３，燃料棒２の上端を保持する上部
タイプレート１１，燃料棒２の下端を保持する下部タイ
プレート１２，隣接した燃料棒２の間の間隙を保持する
燃料スペーサ１４，上部タイプレート１１に取り付けら
れ燃料棒２を取り囲むチャンネルボックス１５などを備
える。複数の燃料スペーサ１４が燃料集合体１０の軸方
向に配置され、水ロッド１３によって保持されている。
下部タイプレート１２は、燃料棒２及び水ロッド１３の
下端部を支持する燃料棒支持部と、燃料棒支持部の下方
に位置する内部空間とを備えている。
【００２２】燃料集合体１０に装荷される燃料棒２の詳
細構造と製造方法を以下に説明する。図３のステップ１
で、ジルコニウム合金製の燃料被覆管３を準備する。ス
テップ２で、燃料被覆管３に下部端栓６を溶接する。ス
テップ３で、複数の平均結晶粒径が３０〜６０μｍのウ
ラン(Ｕ)ペレット４を燃料被覆管３内に充填する。ステ
ップ４で、溶接チャンバー内で、燃料被覆管３の内部の
空気などのガスをＨｅガス１に置換し、Ｈｅガスの圧力
を約８気圧に加圧する。この約８気圧のＨｅガスが満た
されたチャンバー内で、プレナムスプリング７でＵペレ
ット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上部端栓５を
溶接し、燃料棒２内を密封する。これによって、燃料棒
２の内部空間に、室温で約８気圧のＨｅガス１を充填す
る。
細構造と製造方法を以下に説明する。図３のステップ１
で、ジルコニウム合金製の燃料被覆管３を準備する。ス
テップ２で、燃料被覆管３に下部端栓６を溶接する。ス
テップ３で、複数の平均結晶粒径が３０〜６０μｍのウ
ラン(Ｕ)ペレット４を燃料被覆管３内に充填する。ステ
ップ４で、溶接チャンバー内で、燃料被覆管３の内部の
空気などのガスをＨｅガス１に置換し、Ｈｅガスの圧力
を約８気圧に加圧する。この約８気圧のＨｅガスが満た
されたチャンバー内で、プレナムスプリング７でＵペレ
ット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上部端栓５を
溶接し、燃料棒２内を密封する。これによって、燃料棒
２の内部空間に、室温で約８気圧のＨｅガス１を充填す
る。
【００２３】平均結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレッ
ト４は、ウラン燃料に約２５０ppmのアルミナシリケ−
トを添加し、約１７５０℃で焼結して作られる。尚、上
記Ｕペレット４は、アルミナシリケ−トを添加せずに焼
結温度を上げるなどの他の方法によっても作ることがで
きる。
ト４は、ウラン燃料に約２５０ppmのアルミナシリケ−
トを添加し、約１７５０℃で焼結して作られる。尚、上
記Ｕペレット４は、アルミナシリケ−トを添加せずに焼
結温度を上げるなどの他の方法によっても作ることがで
きる。
【００２４】次に、本実施例の作用を説明する。
【００２５】燃料棒の健全性の指標である燃料寿命末期
の燃料棒の内圧は、被覆管内に封入されているＨｅガス
の圧力と、核燃料ペレットの燃焼により生成されるガス
状核分裂生成物の圧力の和となる。
の燃料棒の内圧は、被覆管内に封入されているＨｅガス
の圧力と、核燃料ペレットの燃焼により生成されるガス
状核分裂生成物の圧力の和となる。
【００２６】燃料棒の製造時におけるＨｅガスの封入圧
力（以下、Ｈｅ封入圧力という）が比較的小さい場合、
熱伝達率が小さいガス状核分裂生成物の発生によりペレ
ット温度が上昇し、このペレット温度の上昇が更にガス
状核分裂生成物を発生させる。即ち、この場合、Ｈｅ封
入圧力が低いほど、ガス状核分裂生成物の圧力が高くな
り、燃料寿命末期の燃料棒の内圧が高くなる。言い換え
れば、Ｈｅ封入圧力が高いほど燃料寿命末期の燃料棒の
内圧が低くなる。
力（以下、Ｈｅ封入圧力という）が比較的小さい場合、
熱伝達率が小さいガス状核分裂生成物の発生によりペレ
ット温度が上昇し、このペレット温度の上昇が更にガス
状核分裂生成物を発生させる。即ち、この場合、Ｈｅ封
入圧力が低いほど、ガス状核分裂生成物の圧力が高くな
り、燃料寿命末期の燃料棒の内圧が高くなる。言い換え
れば、Ｈｅ封入圧力が高いほど燃料寿命末期の燃料棒の
内圧が低くなる。
【００２７】一方、Ｈｅ封入圧力がある程度高くなる
と、ガス状核分裂生成物の発生量の低減分（圧力低下）
よりも、Ｈｅ封入圧力の増加分（圧力増加）が大きくな
る。従って、この場合、Ｈｅ封入圧力が高いほど、燃料
寿命末期の燃料棒の内圧が高くなる。
と、ガス状核分裂生成物の発生量の低減分（圧力低下）
よりも、Ｈｅ封入圧力の増加分（圧力増加）が大きくな
る。従って、この場合、Ｈｅ封入圧力が高いほど、燃料
寿命末期の燃料棒の内圧が高くなる。
【００２８】以上から、燃料寿命末期の燃料棒の内圧Ｐ
rod は、Ｈｅ封入圧力ＰHeの増加に伴って一旦低下して
最小となり、その後増加する。このＰHeとＰrod の関係
を求めた解析例を図４に示す。
rod は、Ｈｅ封入圧力ＰHeの増加に伴って一旦低下して
最小となり、その後増加する。このＰHeとＰrod の関係
を求めた解析例を図４に示す。
【００２９】図４は、Ｕペレットの平均結晶粒径が３０
〜６０μｍの燃料棒を備えた燃料集合体（本発明）と、
Ｕペレットの平均結晶粒径が１０〜２０μｍの燃料棒を
備えた燃料集合体（従来例）を、約５５ＧＷｄ／ｔの燃
焼度まで燃焼させた場合の解析例を示す。図４から、本
発明は従来例よりもＰrod を低下できることが判る。こ
れは、平均結晶粒径の増大により、Ｕペレットの結晶粒
内のガス保持量が増加するので、ガス状核分裂生成物の
発生量が減少するためである。
〜６０μｍの燃料棒を備えた燃料集合体（本発明）と、
Ｕペレットの平均結晶粒径が１０〜２０μｍの燃料棒を
備えた燃料集合体（従来例）を、約５５ＧＷｄ／ｔの燃
焼度まで燃焼させた場合の解析例を示す。図４から、本
発明は従来例よりもＰrod を低下できることが判る。こ
れは、平均結晶粒径の増大により、Ｕペレットの結晶粒
内のガス保持量が増加するので、ガス状核分裂生成物の
発生量が減少するためである。
【００３０】この平均結晶粒径の増大による効果を、図
５を用いて詳述する。図５は、本発明の燃料棒を備えた
燃料集合体と、従来例の燃料棒を備えた燃料集合体を、
約５５ＧＷｄ／ｔの燃焼度まで定常的に照射した場合に
おける、燃焼度とガス状核分裂生成物の放出率の関係を
求めた解析例である。
５を用いて詳述する。図５は、本発明の燃料棒を備えた
燃料集合体と、従来例の燃料棒を備えた燃料集合体を、
約５５ＧＷｄ／ｔの燃焼度まで定常的に照射した場合に
おける、燃焼度とガス状核分裂生成物の放出率の関係を
求めた解析例である。
【００３１】図５から、従来例ではガス状核分裂生成物
が放出されるまでの潜伏期間が存在する。また、本発明
のガス状核分裂生成物の放出率は、燃焼度が低い場合従
来例よりも高いが、燃焼度の増加に伴い従来例よりも低
下してくる。例えば、燃焼度が約５５ＧＷｄ／ｔにおい
て、本発明は、従来例に比べてガス状核分裂生成物の放
出率が約３０％低下する。
が放出されるまでの潜伏期間が存在する。また、本発明
のガス状核分裂生成物の放出率は、燃焼度が低い場合従
来例よりも高いが、燃焼度の増加に伴い従来例よりも低
下してくる。例えば、燃焼度が約５５ＧＷｄ／ｔにおい
て、本発明は、従来例に比べてガス状核分裂生成物の放
出率が約３０％低下する。
【００３２】以下、図４のＰHeとＰrod の関係を詳述す
る。図４に示すように、従来例のＰrod は、その最小値
を１とすると、ＰHeが１，５，１０，１５気圧と変化す
るのに伴い、約１.４，約１.１，約１（最小値），約
１.１ と変化する。一方、本発明のＰrod は、ＰHeが
１，５，８，１０，１５気圧と変化するのに伴い、約
０.９５，約０.８，約０.７５(最小値），約０.８，約
０.９と変化する。即ち、本発明では、ＰHeが１〜１５
気圧の広い範囲で、従来例のＰrod の最小値と同程度以
下のＰrod が得られる。また、Ｐrod が最小となるＨｅ
封入圧力は、従来例では約１０気圧、本発明では約８気
圧である。
る。図４に示すように、従来例のＰrod は、その最小値
を１とすると、ＰHeが１，５，１０，１５気圧と変化す
るのに伴い、約１.４，約１.１，約１（最小値），約
１.１ と変化する。一方、本発明のＰrod は、ＰHeが
１，５，８，１０，１５気圧と変化するのに伴い、約
０.９５，約０.８，約０.７５(最小値），約０.８，約
０.９と変化する。即ち、本発明では、ＰHeが１〜１５
気圧の広い範囲で、従来例のＰrod の最小値と同程度以
下のＰrod が得られる。また、Ｐrod が最小となるＨｅ
封入圧力は、従来例では約１０気圧、本発明では約８気
圧である。
【００３３】本発明者等による溶接実験の結果、溶接チ
ャンバー内の圧力が８気圧より大きい場合、溶接アーク
の制御の困難化，溶接器具の消耗の激化、及び溶接部へ
のポロシティの形成が確認された。従って、圧力が８気
圧より大きい場合、事実上、溶接工程の実施が困難とな
り、更に歩留まりが特に大きくなることも確認された。
ャンバー内の圧力が８気圧より大きい場合、溶接アーク
の制御の困難化，溶接器具の消耗の激化、及び溶接部へ
のポロシティの形成が確認された。従って、圧力が８気
圧より大きい場合、事実上、溶接工程の実施が困難とな
り、更に歩留まりが特に大きくなることも確認された。
【００３４】従って、図４から、ペレットの平均結晶粒
径を３０〜６０μｍとしＰHeを８気圧以下とすることに
より、従来の燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ
る。また、新しい溶接手段の追加や、Ｈｅガスを加圧す
るための別工程の追加などの必要がないので、燃料棒の
製造コストを低減できる。更に、ＰHeを１気圧以上にす
ることにより、溶接時に溶接チャンバー内に外気が侵入
することも防止できる。
径を３０〜６０μｍとしＰHeを８気圧以下とすることに
より、従来の燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ
る。また、新しい溶接手段の追加や、Ｈｅガスを加圧す
るための別工程の追加などの必要がないので、燃料棒の
製造コストを低減できる。更に、ＰHeを１気圧以上にす
ることにより、溶接時に溶接チャンバー内に外気が侵入
することも防止できる。
【００３５】第１実施例の場合、ペレットの平均結晶粒
径が３０〜６０μｍで、ＰHeが約８気圧であるので、上
記したように、従来例よりも燃料健全性を向上して高燃
焼度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減できる。更
に、高価なＨｅガスの量を減らすことができるので、こ
れも製造コストの低減に寄与する。
径が３０〜６０μｍで、ＰHeが約８気圧であるので、上
記したように、従来例よりも燃料健全性を向上して高燃
焼度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減できる。更
に、高価なＨｅガスの量を減らすことができるので、こ
れも製造コストの低減に寄与する。
【００３６】尚、ペレットの平均結晶粒径は、３５〜５
５μｍの範囲がより好ましい。
５μｍの範囲がより好ましい。
【００３７】次に、本発明の第２実施例を図６及び図７
を用いて説明する。図６は本発明による燃料棒の第２実
施例の一部破断側面図、図７は図６の燃料棒の製造方法
を示す図である。本実施例は、被覆管内にＡｒガスを封
入した燃料棒である。
を用いて説明する。図６は本発明による燃料棒の第２実
施例の一部破断側面図、図７は図６の燃料棒の製造方法
を示す図である。本実施例は、被覆管内にＡｒガスを封
入した燃料棒である。
【００３８】図７のステップ１で、ジルコニウム合金製
の燃料被覆管３を準備する。ステップ２で、燃料被覆管
３に下部端栓６を溶接する。ステップ３で、複数の平均
結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレット４を燃料被覆管
３内に充填する。ステップ４で、溶接チャンバー内で、
燃料被覆管３の内部のガスをＡｒガス２０１に置換し、
Ａｒガスの圧力を約１気圧にする。この約１気圧のＡｒ
ガスが満たされたチャンバー内で、プレナムスプリング
７でＵペレット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上
部端栓５を溶接し、燃料棒２０２内を密封する。これに
よって、燃料棒２０２の内部空間に、室温で約１気圧の
Ａｒガス２０１を充填する。
の燃料被覆管３を準備する。ステップ２で、燃料被覆管
３に下部端栓６を溶接する。ステップ３で、複数の平均
結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレット４を燃料被覆管
３内に充填する。ステップ４で、溶接チャンバー内で、
燃料被覆管３の内部のガスをＡｒガス２０１に置換し、
Ａｒガスの圧力を約１気圧にする。この約１気圧のＡｒ
ガスが満たされたチャンバー内で、プレナムスプリング
７でＵペレット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上
部端栓５を溶接し、燃料棒２０２内を密封する。これに
よって、燃料棒２０２の内部空間に、室温で約１気圧の
Ａｒガス２０１を充填する。
【００３９】以下、本実施例の作用を説明する。図８
は、平均結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレットとＡｒ
ガスを封入した燃料棒を備えた燃料集合体（本発明）
と、図４の従来例を約５５ＧＷｄ／ｔの燃焼度まで燃焼
させた場合の解析例を示す。図８に示すように、Ａｒガ
スを用いた場合、燃料寿命末期の燃料棒の内圧Ｐ
rod は、燃料棒の製造時におけるＡｒガスの封入圧力
(以下、Ａｒ封入圧力という)ＰArの増加に伴い、単調増
加する。これは、Ａｒの熱伝達率がＨｅの熱伝達率の約
１／８と低いことによる。即ち、従来例のＰrodの最小
値を１とすると、ＰArが０.５，１，１.５，５，１０気
圧と変化するのに伴い、本発明のＰrod は約１.０３，
約１.０４，約１.０５，約１.１５，約１.３と変化す
る。
は、平均結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレットとＡｒ
ガスを封入した燃料棒を備えた燃料集合体（本発明）
と、図４の従来例を約５５ＧＷｄ／ｔの燃焼度まで燃焼
させた場合の解析例を示す。図８に示すように、Ａｒガ
スを用いた場合、燃料寿命末期の燃料棒の内圧Ｐ
rod は、燃料棒の製造時におけるＡｒガスの封入圧力
(以下、Ａｒ封入圧力という)ＰArの増加に伴い、単調増
加する。これは、Ａｒの熱伝達率がＨｅの熱伝達率の約
１／８と低いことによる。即ち、従来例のＰrodの最小
値を１とすると、ＰArが０.５，１，１.５，５，１０気
圧と変化するのに伴い、本発明のＰrod は約１.０３，
約１.０４，約１.０５，約１.１５，約１.３と変化す
る。
【００４０】図８から、ＰArを１.５ 気圧以下とするこ
とにより、従来例のＰrod の最小値と同程度のＰrod が
得られる。更に、１.５ 気圧以下のＰArは、新しい溶接
手段の追加や加圧のための別工程の追加を必要としない
ので、製造コストを低減できる。また、ＰArを０.５ 気
圧以上とすることにより、比較的簡易な排気設備で燃料
棒を製造できるので、製造コストの上昇を抑えることが
できる。更に、ＰArを１気圧以上とすることにより、溶
接時に溶接チャンバー内に外気が侵入することを防止で
きる。
とにより、従来例のＰrod の最小値と同程度のＰrod が
得られる。更に、１.５ 気圧以下のＰArは、新しい溶接
手段の追加や加圧のための別工程の追加を必要としない
ので、製造コストを低減できる。また、ＰArを０.５ 気
圧以上とすることにより、比較的簡易な排気設備で燃料
棒を製造できるので、製造コストの上昇を抑えることが
できる。更に、ＰArを１気圧以上とすることにより、溶
接時に溶接チャンバー内に外気が侵入することを防止で
きる。
【００４１】従って、第２実施例では、ペレットの平均
結晶粒径を３０〜６０μｍ、ＰArを約１気圧としたこと
により、従来と同程度の燃料健全性を維持しつつ高燃焼
度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減できる。更に、
Ｈｅガスより安いＡｒガスの使用も、製造コストの低減
に寄与する。
結晶粒径を３０〜６０μｍ、ＰArを約１気圧としたこと
により、従来と同程度の燃料健全性を維持しつつ高燃焼
度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減できる。更に、
Ｈｅガスより安いＡｒガスの使用も、製造コストの低減
に寄与する。
【００４２】次に、本発明の第３実施例を図９及び図１
０を用いて説明する。図９は本発明による燃料棒の第３
実施例の一部破断側面図、図１０は図９の燃料棒の製造
方法を示す図である。本実施例は、被覆管内にＨｅとＡ
ｒの混合ガスを封入した燃料棒である。
０を用いて説明する。図９は本発明による燃料棒の第３
実施例の一部破断側面図、図１０は図９の燃料棒の製造
方法を示す図である。本実施例は、被覆管内にＨｅとＡ
ｒの混合ガスを封入した燃料棒である。
【００４３】図１０のステップ１で、ジルコニウム合金
製の燃料被覆管３を準備する。ステップ２で、燃料被覆
管３に下部端栓６を溶接する。ステップ３で、複数の平
均結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレット４を燃料被覆
管３内に充填する。ステップ４で、溶接チャンバー内
で、燃料被覆管３の内部のガスをＨｅとＡｒの混合ガス
３０１に置換し、混合ガスの圧力を約１気圧にする。混
合ガス３０１中のＨｅガスの分圧は約０.８ 気圧、Ａｒ
ガスの分圧は約０.２ 気圧である。この約１気圧の混合
ガスが満たされたチャンバー内で、プレナムスプリング
７でＵペレット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上
部端栓５を溶接し、燃料棒３０２内を密封する。これに
よって、燃料棒３０２の内部空間に、室温で約１気圧の
混合ガス３０１を充填する。
製の燃料被覆管３を準備する。ステップ２で、燃料被覆
管３に下部端栓６を溶接する。ステップ３で、複数の平
均結晶粒径が３０〜６０μｍのＵペレット４を燃料被覆
管３内に充填する。ステップ４で、溶接チャンバー内
で、燃料被覆管３の内部のガスをＨｅとＡｒの混合ガス
３０１に置換し、混合ガスの圧力を約１気圧にする。混
合ガス３０１中のＨｅガスの分圧は約０.８ 気圧、Ａｒ
ガスの分圧は約０.２ 気圧である。この約１気圧の混合
ガスが満たされたチャンバー内で、プレナムスプリング
７でＵペレット４を押さえた状態で、燃料被覆管３に上
部端栓５を溶接し、燃料棒３０２内を密封する。これに
よって、燃料棒３０２の内部空間に、室温で約１気圧の
混合ガス３０１を充填する。
【００４４】本実施例の燃料棒３０２は、第２実施例の
燃料棒２０２のＡｒガスの一部を熱伝達率が高いＨｅガ
スに置換したものである。従って、本実施例では、第２
実施例よりもペレット温度が低下しガス状核分裂生成物
の発生が抑制されるので、燃料寿命末期の燃料棒の内圧
Ｐrod は、第２実施例よりも更に低下する。即ち、本実
施例でも、第２実施例と同様に、従来と同程度の燃料健
全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製造コス
トを低減できる。また、混合ガスの圧力が約１気圧であ
るので、溶接時に溶接チャンバー内に外気が侵入するこ
とも防止できる。
燃料棒２０２のＡｒガスの一部を熱伝達率が高いＨｅガ
スに置換したものである。従って、本実施例では、第２
実施例よりもペレット温度が低下しガス状核分裂生成物
の発生が抑制されるので、燃料寿命末期の燃料棒の内圧
Ｐrod は、第２実施例よりも更に低下する。即ち、本実
施例でも、第２実施例と同様に、従来と同程度の燃料健
全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製造コス
トを低減できる。また、混合ガスの圧力が約１気圧であ
るので、溶接時に溶接チャンバー内に外気が侵入するこ
とも防止できる。
【００４５】尚、本実施例では、燃料棒の製造時におけ
る混合ガスの封入圧力（以下、混合ガス封入圧力とい
う）が約１気圧であるが、第１実施例及び第２実施例の
効果を考慮すれば、混合ガスの全圧を１〜８気圧に、Ａ
ｒガスの分圧を１.５気圧以下にすることにより、同様
の効果を達成できることは明らかである。
る混合ガスの封入圧力（以下、混合ガス封入圧力とい
う）が約１気圧であるが、第１実施例及び第２実施例の
効果を考慮すれば、混合ガスの全圧を１〜８気圧に、Ａ
ｒガスの分圧を１.５気圧以下にすることにより、同様
の効果を達成できることは明らかである。
【００４６】即ち、混合ガスの全圧が１〜１.５ 気圧の
範囲では、Ａｒガスのみを使用した場合において、Ａｒ
ガスの一部を熱伝達率が高いＨｅガスに置換したことに
相当する。また、混合ガスの全圧が１.５ 気圧以上で
は、Ｈｅガスのみを使用した場合において、Ｈｅガスの
一部を熱伝達率が低いＡｒガスに置換したことに相当す
るが、Ｐrod は従来例と同程度以下に抑えられる。
範囲では、Ａｒガスのみを使用した場合において、Ａｒ
ガスの一部を熱伝達率が高いＨｅガスに置換したことに
相当する。また、混合ガスの全圧が１.５ 気圧以上で
は、Ｈｅガスのみを使用した場合において、Ｈｅガスの
一部を熱伝達率が低いＡｒガスに置換したことに相当す
るが、Ｐrod は従来例と同程度以下に抑えられる。
【００４７】尚、上記の３つの実施例では、ＵＯ2 のみ
からなるＵペレットが燃料棒内に充填されたが、Ｕペレ
ットにガドリニアが添加された場合にも本発明は適用で
き、同様の効果が得られる。
からなるＵペレットが燃料棒内に充填されたが、Ｕペレ
ットにガドリニアが添加された場合にも本発明は適用で
き、同様の効果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】本発明によれば、核燃料ペレットの平均
結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅガスの封入
圧力を１〜８気圧の範囲にすることにより、燃料寿命末
期の燃料棒の内圧を従来と同程度以下に抑制できるの
で、従来の燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、
燃料棒の製造コストを低減できる。
結晶粒径を３０〜６０μｍの範囲にし、Ｈｅガスの封入
圧力を１〜８気圧の範囲にすることにより、燃料寿命末
期の燃料棒の内圧を従来と同程度以下に抑制できるの
で、従来の燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、
燃料棒の製造コストを低減できる。
【００４９】また、核燃料ペレットの平均結晶粒径を３
０〜６０μｍの範囲にし、Ａｒガスの封入圧力を０.５
〜１.５気圧の範囲にすることにより、燃料寿命末期の
燃料棒の内圧を従来と同程度に抑制できるので、従来の
燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製
造コストを低減できる。
０〜６０μｍの範囲にし、Ａｒガスの封入圧力を０.５
〜１.５気圧の範囲にすることにより、燃料寿命末期の
燃料棒の内圧を従来と同程度に抑制できるので、従来の
燃料健全性を維持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製
造コストを低減できる。
【００５０】また、核燃料ペレットの平均結晶粒径を３
０〜６０μｍの範囲にし、ＨｅとＡｒの混合ガスの全圧
を１〜８気圧の範囲にし、Ａｒガスの分圧を１.５気圧
以下にすることにより、燃料寿命末期の燃料棒の内圧を
従来と同程度に抑制できるので、従来の燃料健全性を維
持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減
できる。
０〜６０μｍの範囲にし、ＨｅとＡｒの混合ガスの全圧
を１〜８気圧の範囲にし、Ａｒガスの分圧を１.５気圧
以下にすることにより、燃料寿命末期の燃料棒の内圧を
従来と同程度に抑制できるので、従来の燃料健全性を維
持しつつ高燃焼度化が図れ、燃料棒の製造コストを低減
できる。
【図１】本発明による燃料棒の第１実施例の一部破断側
面図。
面図。
【図２】本発明による燃料棒を装荷した燃料集合体の縦
断面図。
断面図。
【図３】図１の燃料棒の製造方法を示す図。
【図４】Ｈｅ封入圧力と燃料寿命末期の燃料棒の内圧と
の関係の解析例を示す図。
の関係の解析例を示す図。
【図５】燃焼度とガス状核分裂生成物の放出率との関係
の解析例を示す図。
の解析例を示す図。
【図６】本発明による燃料棒の第２実施例の一部破断側
面図。
面図。
【図７】図６の燃料棒の製造方法を示す図。
【図８】Ｈe又はＡrの封入圧力と燃料寿命末期の燃料棒
の内圧との関係の解析例を示す図。
の内圧との関係の解析例を示す図。
【図９】本発明による燃料棒の第３実施例の一部破断側
面図。
面図。
【図１０】図９の燃料棒の製造方法を示す図。
１…Ｈｅガス、２，２０２，３０２…燃料棒、３…燃料
被覆管、４…Ｕペレット、５…上部端栓、６…下部端
栓、７…プレナムスプリング、１０…燃料集合体、１１
…上部タイプレート、１２…下部タイプレート、１３…
水ロッド、１４…燃料スペーサ、１５…チャンネルボッ
クス、２０１…Ａｒガス、３０１…ＨｅとＡｒの混合ガ
ス。
被覆管、４…Ｕペレット、５…上部端栓、６…下部端
栓、７…プレナムスプリング、１０…燃料集合体、１１
…上部タイプレート、１２…下部タイプレート、１３…
水ロッド、１４…燃料スペーサ、１５…チャンネルボッ
クス、２０１…Ａｒガス、３０１…ＨｅとＡｒの混合ガ
ス。
フロントページの続き (72)発明者 佐々木 政名 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 徳永 賢輔 茨城県日立市幸町三丁目２番１号 日立エ ンジニアリング株式会社内
Claims (8)
- 【請求項１】被覆管と、該被覆管の上端及び下端をそれ
ぞれ密封する上部端栓及び下部端栓と、前記被覆管の内
部に密封された核燃料ペレット及びヘリウムガスとを備
えた燃料棒において、 前記核燃料ペレットの平均結晶粒径が３０〜６０μｍの
範囲にあり、 前記ヘリウムガスの圧力が１〜８気圧の範囲にあること
を特徴とする燃料棒。 - 【請求項２】被覆管と、該被覆管の上端及び下端をそれ
ぞれ密封する上部端栓及び下部端栓と、前記被覆管の内
部に密封された核燃料ペレット及びアルゴンガスとを備
えた燃料棒において、 前記核燃料ペレットの平均結晶粒径が３０〜６０μｍの
範囲にあり、 前記アルゴンガスの圧力が０.５〜１.５気圧の範囲にあ
ることを特徴とする燃料棒。 - 【請求項３】請求項２において、前記アルゴンガスの圧
力が１〜１.５ 気圧の範囲にあることを特徴とする燃料
棒。 - 【請求項４】被覆管と、該被覆管の上端及び下端をそれ
ぞれ密封する上部端栓及び下部端栓と、前記被覆管の内
部に密封された核燃料ペレット及びヘリウムとアルゴン
の混合ガスとを備えた燃料棒において、 前記核燃料ペレットの平均結晶粒径が３０〜６０μｍの
範囲にあり、 前記混合ガスの全圧が１〜８気圧の範囲にあり、該混合
ガス中のアルゴンガスの分圧が１.５気圧以下であるこ
とを特徴とする燃料棒。 - 【請求項５】核分裂性物質を充填した複数の燃料棒と、
これら複数の燃料棒の上端及び下端をそれぞれ支持する
上部タイプレート及び下部タイプレートとを備えた燃料
集合体において、 前記燃料棒は、請求項１乃至４の何れかの燃料棒である
ことを特徴とする燃料集合体。 - 【請求項６】被覆管に下部端栓を溶接し、該被覆管の内
部に平均結晶粒径が３０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレ
ットを充填し、 該被覆管の内部に圧力が１〜８気圧の範囲のヘリウムガ
スを満たした状態で、該被覆管に上部端栓を溶接する燃
料棒の製造方法。 - 【請求項７】被覆管に下部端栓を溶接し、該被覆管の内
部に平均結晶粒径が３０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレ
ットを充填し、 該被覆管の内部に圧力が０.５〜１.５気圧の範囲のアル
ゴンガスを満たした状態で、該被覆管に上部端栓を溶接
する燃料棒の製造方法。 - 【請求項８】被覆管に下部端栓を溶接し、該被覆管の内
部に平均結晶粒径が３０〜６０μｍの範囲の核燃料ペレ
ットを充填し、 該被覆管の内部に圧力が１〜８気圧の範囲のヘリウムと
アルゴンの混合ガスを、アルゴンガスの分圧が１.５気
圧以下の条件で満たした状態で、該被覆管に上部端栓を
溶接する燃料棒の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8164109A JPH09119994A (ja) | 1995-08-22 | 1996-06-25 | 燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21324295 | 1995-08-22 | ||
| JP7-213242 | 1995-08-22 | ||
| JP8164109A JPH09119994A (ja) | 1995-08-22 | 1996-06-25 | 燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09119994A true JPH09119994A (ja) | 1997-05-06 |
Family
ID=26489334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8164109A Pending JPH09119994A (ja) | 1995-08-22 | 1996-06-25 | 燃料棒及びその製造方法並びに燃料集合体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09119994A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013517479A (ja) * | 2010-01-13 | 2013-05-16 | アドバンスト・リアクター・コンセプツ・エルエルシー | シースで被覆された環状の金属核燃料 |
| US8571167B2 (en) | 2009-06-01 | 2013-10-29 | Advanced Reactor Concepts LLC | Particulate metal fuels used in power generation, recycling systems, and small modular reactors |
| US8767902B2 (en) | 2010-02-22 | 2014-07-01 | Advanced Reactor Concepts LLC | Small, fast neutron spectrum nuclear power plant with a long refueling interval |
| US10424415B2 (en) | 2014-04-14 | 2019-09-24 | Advanced Reactor Concepts LLC | Ceramic nuclear fuel dispersed in a metallic alloy matrix |
-
1996
- 1996-06-25 JP JP8164109A patent/JPH09119994A/ja active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8571167B2 (en) | 2009-06-01 | 2013-10-29 | Advanced Reactor Concepts LLC | Particulate metal fuels used in power generation, recycling systems, and small modular reactors |
| JP2013517479A (ja) * | 2010-01-13 | 2013-05-16 | アドバンスト・リアクター・コンセプツ・エルエルシー | シースで被覆された環状の金属核燃料 |
| US9008259B2 (en) | 2010-01-13 | 2015-04-14 | Advanced Reactor Concepts LLC | Sheathed, annular metal nuclear fuel |
| JP2015172592A (ja) * | 2010-01-13 | 2015-10-01 | アドバンスト・リアクター・コンセプツ・エルエルシー | シースで被覆された環状の金属核燃料 |
| US9640283B2 (en) | 2010-01-29 | 2017-05-02 | Advanced Reactor Concepts LLC | Small, fast neutron spectrum nuclear power plant with a long refueling interval |
| US8767902B2 (en) | 2010-02-22 | 2014-07-01 | Advanced Reactor Concepts LLC | Small, fast neutron spectrum nuclear power plant with a long refueling interval |
| US10424415B2 (en) | 2014-04-14 | 2019-09-24 | Advanced Reactor Concepts LLC | Ceramic nuclear fuel dispersed in a metallic alloy matrix |
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