JPH09329681A - 核燃料棒 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 核燃料棒の下方に発生する熱膨張を下方向に
吸収し、固着による曲がりを防止して、熱交換効率の低
下を回避し、核燃料棒の健全性を維持すると共に、全て
の核燃料棒のペレットスタックをほぼ一定の位置に揃え
て炉心特性を正常に維持し、ペレット間に大きな空間を
生じさせないで出力を安定させる核燃料棒を提供する。 【解決手段】 核燃料棒は、上部端栓及び下部端栓５に
より封止された被覆管２と、該被覆管内に積み重ねて装
填されペレットスタックを構成する多数のペレット１
と、前記上部端栓及び最上部のペレットの間に配設され
ペレットスタックを下方に偏倚する弾性部材とを備え
る。下部端栓と最下部のペレットとの間には一定の荷重
で座屈する座屈部材７が挿入されている。該座屈部材
は、拡管部が形成された座屈管９と、下面に突起部が形
成された上蓋８とから構成され、座屈管と上蓋は互いに
同軸状に結合している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電用原子炉等で
使用される核燃料棒に関し、特に、その構造に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】原子炉においては、図７に示すような燃
料集合体１６が原子炉容器内に立設されて多数使用され
る。該燃料集合体１６の各々は、図６に示されるような
長尺の核燃料棒１１を数百本、その長手方向の中間部の
７箇所ないし９箇所において支持格子１５により支持し
て、構成されている。原子炉の運転中、冷却材が前記核
燃料棒１１間を流れ、核分裂により発熱する核燃料棒１
１と熱交換を行い、冷却する。

【０００３】核燃料棒１１は、図６に示されるように、
二酸化ウランを円柱形状に焼結して形成されたペレット
１と、約３００個の該ペレット１を一直線状に並べて収
納するジルカロイ製の被覆管２と、輸送中等のペレット
１の破損を防止するために該被覆管２の上部端側に挿入
されるステンレス製のコイルバネ３と、前記被覆管２を
密封するためにその両端に溶接される上部端栓４及び下
部端栓５とから構成されている。また、前記被覆管２の
内部は、原子炉内の圧力により被覆管２が押し潰される
ことのないように、ヘリウムガスにより与圧されてい
る。更に、前記核燃料棒１１の製造時には、前記ペレッ
ト１を被覆管２へ容易に挿入できるように、また、熱伝
達に支障を来さぬ程度に、ペレット１の外周と被覆管２
の内周間に０.１ｍｍ程度の隙間が確保されている。

【０００４】各支持格子１５は、核燃料棒１１を１本ず
つ等間隔に支持するように、格子状に組み合う縦横のス
トラップにより多数のセルを形成しており、各核燃料棒
１１がこのセルに１本ずつ挿入され、これらのストラッ
プに設けられたバネにより支持されている。また、前述
したように、７箇所ないし９箇所にある該支持格子１５
が、核燃料棒１１の長手方向に所定間隔で配置されて、
数百本の核燃料棒１１を束ねている。

【０００５】原子炉が起動されると、二酸化ウランが核
分裂し、核分裂によってペレット１の温度が上昇し、ペ
レット１は核燃料棒１１の軸方向及び半径方向へ熱膨張
する。他方、その外周囲を冷却材が流動している被覆管
２は、ペレット１よりも低温であると共にその線膨張係
数がペレット１のそれよりも小さいことにより、熱膨張
量がペレット１よりも小さい。その結果、核燃料棒１１
内のペレット１の存在する部分（ペレットスタック部と
いう）では、ペレット１の熱膨張量がペレットスタック
部の被覆管２の熱膨張量の約４倍となり、両部材間に著
しい熱膨張差が生じる。この熱膨張差は、ペレット１と
被覆管２との間隙が適正に確保されていれば、ペレット
１が軸方向に移動し、被覆管２の上部端側に挿入されて
いるコイルバネ３の撓みにより吸収される。

【０００６】しかし、ペレット１の熱膨張と、炉内圧力
によりクリープ変形する被覆管２の半径方向の収縮とに
より、製造時のペレット１と被覆管２との間隙は、減少
あるいは消失する傾向にある。更に、原子炉は、運転中
にしばしば出力の大きさが変更される。それに伴って核
燃料棒１１、延いてはペレット１の温度が変化し、焼結
体であるペレット１に割れや、縁の欠け等が発生する。
割れによりペレット１の形状が変化したり、或いは欠け
た細片がペレット及び被覆管の隙間に詰ることにより、
被覆管２内におけるペレット１の移動が抑制され、ペレ
ット１が被覆管２に固着される可能性がある。このよう
なペレット１と被覆管２との相互作用（ペレットー被覆
管機械的相互作用と称する）が発生すると、発生箇所と
下部端栓５との間でペレット１の熱膨張が吸収されなく
なり、ペレット１には圧縮荷重が、また、その反力とし
て被覆管２には引張荷重が負荷される。ペレット１に負
荷される圧縮荷重は、ペレット１に更に配列ずれ、割
れ、欠け等を発生させ、ペレット１の端面が不整となっ
て、被覆管２に曲げモーメントを作用させる。その結
果、核燃料棒１１に曲がりが生じる。

【０００７】核燃料棒１１に曲がりが生じた場合、その
部位では、隣接する核燃料棒１１との間の間隔が変化
し、間隔の狭くなった側では流速が遅くなって流量が減
少し、熱交換量が減少して温度が更に上昇する。また、
この核燃料棒１１が隣接する核燃料棒に接触する程度に
曲がりが進行すると、燃料棒の健全性を維持する観点か
ら好ましくない。

【０００８】以上のようなペレットー被覆管機械的相互
作用の発生と、それにより招来される核燃料棒１１の曲
がりとは、約３年間にわたる３サイクルの炉内滞在期間
中、２サイクル終了時に観察されることが多い。この理
由は、ペレットの形状変化とペレットー被覆管間隙の大
きさとに関係し、以下のような経緯による。

【０００９】即ち、１サイクル終了後、燃料集合体は燃
料検査等のために炉心から取り出され、検査等の終了
後、炉内に再装荷される。１サイクルの炉内滞在中に核
燃料棒内のペレットには多数の亀裂が生じていると思わ
れるが、このような核燃料棒の取り扱い中に、亀裂が生
じたペレットに、亀裂部でのずれや、端部欠け等を新た
に発生する場合がある。その際には、燃料棒温度が更に
低下し、ペレットの熱膨張も小さいために、ペレットー
被覆管間隙が大きくなり、ペレットは被覆管内で比較的
自由に移動できる状況にある。従って、このようなペレ
ットが装填された核燃料棒からなる燃料集合体の移送時
には、特に、ペレットの位置ずれや、ペレット破片が被
覆管との間の間隙に入り込む等のペレットの再配置が起
こり易くなっている。２サイクル目に、ペレットの再配
置が発生した核燃料棒を含む燃料集合体を再び炉内に装
荷して原子炉を運転し、出力を上昇させた場合、被覆管
との固着を一層起こし易く、そのために、２サイクル終
了時に核燃料棒の曲がりが生じ易いと考えられる。

【００１０】従って、曲がり防止対策として、ペレット
の熱膨張を上方のみでなく下方にも逃すことが望まし
く、そのために、従来、図８に示される構造の核燃料棒
１１’が提案され、使用されてきた。図８において、該
核燃料棒１１’のペレット１、被覆管２、コイルバネ
３、上部端栓４及び下部端栓５は、図６の核燃料棒１１
の場合と同様に構成されている。該核燃料棒１１’で
は、更に、被覆管２の下部端側にステンレス製の第２の
コイルバネ６が挿入されている。このように構成された
核燃料棒１１’は、第２のコイルバネ６の変形により、
ペレット１の熱膨張を下方向にも吸収することが可能に
なる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来の核燃料棒は以上
のように構成されていたため、次のような課題が存在し
ていた。即ち、核燃料棒１１’が原子炉内に装荷されて
運転されると、高温度と中性子の照射とにより、バネの
応力緩和が起こり、バネ力が減少する。このようなバネ
力の減少傾向は、個々のコイルバネ６により特性が異な
ること、及び個々の核燃料棒１１’の出力状態が異なる
ことにより核燃料棒間で差が生じる。その結果、図６に
示す核燃料棒１１のように上部端側のコイルバネ３のみ
が設けられた場合は特に問題とならないが、図８の核燃
料棒１１’のように更に下部端側にもコイルバネ６が設
けられた場合は、ペレットスタックの位置を被覆管２内
の一定箇所に安定して支持できない可能性が生じてき
た。従って、個々の核燃料棒１１’によりペレットスタ
ックの位置が異なり、炉心特性上の不具合を生じる。ま
た、バネ力の減少によりペレットスタックの位置が大き
く降下した場合は、ペレットの間隔が大きく空いて局所
的な出力上昇を起こす恐れがある。

【００１２】本発明は、以上のような課題を解決するた
めになされたものであり、核燃料棒の下部に発生する熱
膨張を下方向に吸収し、固着による曲がりを防止して、
熱交換効率の低下を回避し、核燃料棒の健全性を維持す
ると共に、全ての核燃料棒のペレットスタックをほぼ一
定の位置に揃えて炉心特性を正常に維持し、ペレット間
に大きな空間を生じさせないで出力を安定させる核燃料
棒を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の本発明は、各端の上部端栓及び
下部端栓により封止された被覆管と、該被覆管内に積み
重ねて装填されペレットスタックを構成する多数のペレ
ットと、前記被覆管内で前記上部端栓及び最上部のペレ
ットの間に配設され前記ペレットスタックを下方に偏倚
する弾性部材とを備える核燃料棒において、前記被覆管
内で前記下部端栓と最下部のペレットとの間に一定の荷
重で座屈する座屈部材が挿入されていることを特徴とす
るものである。

【００１４】このように、一定の荷重で座屈する座屈部
材を設けると、ペレットの固着時に、ペレットの熱膨張
が拘束されることによって生ずるペレット圧縮荷重がそ
の座屈部材の座屈荷重を越えるような場合には、座屈部
材が座屈する。この座屈により、新たに生ずる空間へ熱
膨張を逃し、ペレット圧縮荷重及び被覆管へ及ぼす曲げ
モーメントを緩和する。座屈部材は、ペレット圧縮荷重
が過大な曲がりにつながるような荷重に達した時に初め
て座屈するため、ペレット固着が生じていない燃料棒の
ペレットスタックを炉内滞在期間中一定の位置に保持し
続け、コイルバネを燃料棒の下方部位にも設けた従来の
場合のように、燃料棒個々によってペレットスタックに
位置ずれが発生すめことがない。

【００１５】請求項２に記載の本発明によれば、前記座
屈部材は、中間に拡管部が形成された中空円筒状の座屈
管と、周辺部に下方に延びる突起部が形成された上蓋と
から構成されており、座屈管は上蓋に同軸状に結合して
いる。このように構成すれば、座屈が被覆管内面に沿っ
て鉛直に行われ、また、座屈が大きくなると、上蓋の突
起部が下部端栓に係合して、座屈を停止させる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明による核
燃料棒の好適な実施の形態について詳細に説明する。図
１は本発明による核燃料棒の下方端部を示す断面図であ
り、図２は製造時の状態を示す図１の部分拡大断面図で
あり、図３は原子炉での運転後の状態を示す図２と同様
の部分拡大断面図である。

【００１７】図１において、符号１１”で示されるもの
は核燃料棒であり、従来の技術による核燃料棒１１と、
後から詳細に説明する構造を除いて、ほぼ同様に構成さ
れている。即ち、該核燃料棒１１”は、二酸化ウランを
円柱形状に焼結して形成したペレット１と、例えば約３
００個の該ペレット１を一直線状に縦に並べて収納する
ジルカロイ製の被覆管２と、輸送中の前記ペレット１の
破損を防止するために該被覆管２の上部端側に挿入され
るステンレス製のコイルバネ（弾性部材）３（本図では
図示せず）と、前記被覆管２を密封するためにその両端
に溶接される上部端栓４（本図では図示せず）及び下部
端栓５とにより構成されている。また、前記被覆管２の
内部は、原子炉内の圧力により被覆管２が押し潰される
ことのないように、ヘリウムガスにより与圧されてい
る。更に、核燃料棒１１”の製造時には、ペレット１を
被覆管２へ容易に挿入できるように、また、熱伝達に支
障を来さない程度に、ペレット１の直径が被覆管２の内
周直径よりも０．１ｍｍ程度小径に構成されている。か
かる構成の核燃料棒１１”に、本発明に従って、最下部
のペレット１ａ及び下部端栓５の間に挿入配置された座
屈部材７が付加されている。

【００１８】前記座屈部材７は、図２に示されるよう
に、互いに同軸状に結合もしくは係合する座屈管８及び
上蓋９から構成されている。該座屈管８はステンレス製
の中空円筒管であり、中間部に、拡管加工が施された拡
管部８ａが形成されている。上蓋９は、被覆管２の内径
との間に間隙を有して挿入可能なほぼ円盤形状のもので
あり、一方の上面９ａは円形平面であり、他方の下面９
ｂにはその周辺部に板面に鉛直な突起部９ｃが形成され
ている。なお、該突起部９ｃは、全周に連続的に形成さ
れる円筒形状のものでも、円周方向に離間して垂下する
ように形成された複数の独立する突起でもよく、また、
下部端栓５に向かい下方に延びていれば、上蓋の外周面
及び／又は上面から延びていてもよい。座屈管８は、一
端が前記下部端栓５の端面に鉛直に同軸状に嵌め込ま
れ、他端が前記上蓋９の下面９ｂに鉛直に同軸状に嵌め
込まれている。従って、前記上蓋９の上面９ａは最下部
の前記ペレット１ａの端面に対峙しており、前記突起部
９ｃは前記下部端栓５の端面方向に突起している。該突
起部９ｃは、その先端と対面する前記下部端栓５の端面
との間隔が所定の距離に設定されている。尚、座屈管８
と上蓋９及び下部端栓５とが嵌合する必要はなく、溶
接、螺着、接着等の適宜の手段で結合もしくは取着され
ていてもよい。

【００１９】以上のように構成された核燃料棒１１”に
おいて、原子炉運転中にペレットー被覆管機械的相互作
用による固着が発生すると、固着箇所より上方のペレッ
ト１の熱膨張は従来と同様にコイルバネ３により吸収さ
れ、固着箇所より下方のペレット１の熱膨張は座屈部材
７が受け、所定の圧縮荷重以上になると、図３に示され
るように、座屈管８が拡管部８ａで座屈して収縮するこ
とにより吸収される。座屈管８の座屈は、収縮量が所定
長以上にならないように、上蓋９の突起部９ｃ先端が下
部端栓５の端面に当接することにより制限される。

【００２０】ペレットー被覆管機械的相互作用によると
考えられる核燃料棒の曲がりは、その発生状況から考察
すると、燃料棒中央より下方のスパン即ち、支持格子と
支持格子との間の部分に多く観察される。このように燃
料棒曲がりが下方に多発する原因としては、炉内滞在初
期から中期の燃料棒温度は下部から第２，第３，第４ス
パンで高く、結果的にこれらのスパンでは上部のスパン
に比べてペレットの熱膨張が大きくなっているため、ペ
レットの移動、配列ずれ、割れ等が起こりやすく、その
結果、ペレットの固着が発生する確率も増大し、更には
燃料棒曲がりを生じ易いことが挙げられる。

【００２１】従って、上述した本発明の実施形態では、
（下方から４番目の）第４スパン上部でのペレット固着
を想定し、それより下方の燃料棒曲がりを軽減すべく座
屈部材７の構造が設定されている。図４はペレットの熱
膨張拘束量（ｍｍ）と核燃料棒の曲がり量（ｍｍ）との
相関関係を、図５はペレットの熱膨張拘束量（ｍｍ）と
ペレットの圧縮荷重（ｋｇｆ）との相関関係を示す。核
燃料棒１１”の下端から４番目と５番目の支持格子１５
の間（第４スパン）においてペレット１が固着した場
合、ペレット１と被覆管２との熱膨張差に起因するペレ
ット１の熱膨張拘束量は約２ｍｍである。図４より、こ
の熱膨張拘束量２ｍｍは核燃料棒１１”に約１．５ｍｍ
の曲がりを発生させる。隣接する核燃料棒１１”間の間
隙は３ｍｍであり、この曲がり量１．５ｍｍは間隙の２
分の１に相当し、冷却材の流動に大きく影響する。図５
により、ペレット１の熱膨張量約２ｍｍが拘束された場
合、ペレット１に負荷される圧縮荷重は約２００ｋｇｆ
となる。従って、座屈部材７がこの圧縮荷重２００ｋｇ
ｆより小さい負荷で座屈し、２ｍｍ収縮すれば、核燃料
棒１１”の曲がりは殆ど発生しなくなる。一例として、
座屈荷重５０ｋｇｆとするために、座屈管外径３ｍｍ、
肉厚０．４５ｍｍ、拡管部最大外径５ｍｍ、拡管部幅約
４ｍｍの座屈管８と、収縮量（上蓋９の突起部９ｃの先
端と下部端栓５の端面との間隔）２ｍｍとする上蓋９と
で構成された座屈部材７を使用する。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の本発明
によれば、核燃料棒において、被覆管の下部端側のペレ
ットと下部端栓との間に座屈部材を挿入したので、核燃
料棒の下方部分に発生するペレットの熱膨張が下方向に
吸収され、固着による曲がりの発生頻度を大幅に減少さ
せることができると共に、仮に発生した場合でも過大な
曲がりへ進展するのを防止することができ、その結果、
核燃料棒の健全性、延いては燃料性能を維持することが
できる。

【００２３】更に、請求項２に記載の本発明によれば、
座屈部材は、中間に拡管部が形成された中空円筒状の座
屈管と、周辺部に下方に延びる突起部が形成されている
上蓋とから構成され、この上蓋が座屈管と同軸状に結合
しているため、座屈管が所定の荷重以上で座屈し、上蓋
の突起部が座屈量を制限し、ペレットの熱膨張量を必要
最小限の座屈量で下方向に吸収して固着による曲がりを
防止する。その結果、全ての核燃料棒のペレットスタッ
クがほぼ一定の位置に揃えられるため、局所的な燃料棒
の出力上昇を防止し、炉心特性を好適に維持することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による核燃料棒の下方端部を示す部分
断面図である。

【図２】 図１に示される核燃料棒の座靴前の状態を示
す部分拡大断面図である。

【図３】 図１に示される核燃料棒の座屈後の状態を示
す部分拡大断面図である。

【図４】 ペレットの熱膨張拘束量と核燃料棒の曲がり
量との相関関係を示す線図である。

【図５】 ペレットの熱膨張拘束量とペレットの圧縮荷
重との相関関係を示す線図である。

【図６】 従来の核燃料棒の一例を一部破断して示す全
体構成図である。

【図７】 図６の核燃料棒を備えた燃料集合体を示す全
体構成図である。

【図８】 従来の核燃料棒の他の例を一部破断して示す
全体構成図である。

【符号の説明】

１…ペレット、２…被覆管、３…コイルバネ（弾性部
材）、４…上部端栓、５…下部端栓、７…座屈部材、８
…座屈管、８ａ…拡管部、９…上蓋、９ｃ…突起部、１
１”…核燃料棒、１６…燃料集合体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 近藤 吉明 茨城県那珂郡東海村舟石川622番地12 ニ ュークリア・デベロップメント株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 端部を上部端栓及び下部端栓により封止
   された被覆管と、該被覆管内に積み重ねて装填されペレ
   ットスタックを構成する多数のペレットと、前記被覆管
   内で前記上部端栓及び最上部のペレットの間に配設され
   前記ペレットスタックを下方に偏倚する弾性部材とを備
   える核燃料棒において、前記被覆管内の前記下部端栓と
   最下部のペレットとの間に、一定の荷重で座屈する座屈
   部材を挿入したことを特徴とする核燃料棒。
2. 【請求項２】 前記座屈部材は、中間に拡管部が形成さ
   れた中空円筒状の座屈管と、周辺部に下方に延びる突起
   部が形成された上蓋とから構成され、前記座屈管と前記
   上蓋は互いに同軸状に結合されていることを特徴とする
   請求項１に記載の核燃料棒。