JPH10288686A - 核燃料要素およびその製造方法 - Google Patents
核燃料要素およびその製造方法Info
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- JPH10288686A JPH10288686A JP9097596A JP9759697A JPH10288686A JP H10288686 A JPH10288686 A JP H10288686A JP 9097596 A JP9097596 A JP 9097596A JP 9759697 A JP9759697 A JP 9759697A JP H10288686 A JPH10288686 A JP H10288686A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料製造工程を複雑化せず、種々の燃料仕様に
柔軟に対応できる核燃料要素およびその製造方法にあ
る。 【解決手段】核燃料要素１０は金属被覆管１１内に領域
分割用内管１２を収容して径方向２領域化し、中央領域
１４と周辺領域１５とに区画する。金属被覆管１１内の
中央領域１４および周辺領域１５に粒状燃料物質（燃料
親物質を含む）および粒状非燃料物質（希釈物質、中性
子吸収物質または中性子減速物質）等の粒状物質を振動
充填により充填され、密封させる。金属被覆管１１内に
粒状物質を振動充填させることで核燃料要素の多様化が
図れ、種々の燃料仕様に柔軟に対応させることができ
る。
柔軟に対応できる核燃料要素およびその製造方法にあ
る。 【解決手段】核燃料要素１０は金属被覆管１１内に領域
分割用内管１２を収容して径方向２領域化し、中央領域
１４と周辺領域１５とに区画する。金属被覆管１１内の
中央領域１４および周辺領域１５に粒状燃料物質（燃料
親物質を含む）および粒状非燃料物質（希釈物質、中性
子吸収物質または中性子減速物質）等の粒状物質を振動
充填により充填され、密封させる。金属被覆管１１内に
粒状物質を振動充填させることで核燃料要素の多様化が
図れ、種々の燃料仕様に柔軟に対応させることができ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は原子炉に使用される
核燃料要素およびその製造方法に係り、特に粒状の燃料
物質を充填した核燃料要素およびその製造方法に関す
る。
核燃料要素およびその製造方法に係り、特に粒状の燃料
物質を充填した核燃料要素およびその製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】沸騰水型原子炉，加圧水型原子炉および
各種冷却材を使用する高速炉等の原子炉にはウラン酸化
物（ＵＯ2 ）やウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
（（Ｐｕ・Ｕ）Ｏ2 ，ＭＯＸ）を焼結ペレット化して被
覆管内に封入して使用される。現在の核燃料製造の主流
は焼結を必要とするペレット燃料製造技術である。この
ペレット燃料に対して粒状燃料を被覆管内に封入する燃
料形態がある。粒状燃料の被覆管内への充填には、振動
充填法が採用されている。
各種冷却材を使用する高速炉等の原子炉にはウラン酸化
物（ＵＯ2 ）やウラン・プルトニウム混合酸化物燃料
（（Ｐｕ・Ｕ）Ｏ2 ，ＭＯＸ）を焼結ペレット化して被
覆管内に封入して使用される。現在の核燃料製造の主流
は焼結を必要とするペレット燃料製造技術である。この
ペレット燃料に対して粒状燃料を被覆管内に封入する燃
料形態がある。粒状燃料の被覆管内への充填には、振動
充填法が採用されている。
【０００３】これらの２つの核燃料要素の製造工程の概
略比較を図２５に示している。ペレット燃料要素、製造
工程の場合には燃料密度調整などの複雑な混合工程があ
り、燃料製造コスト上昇要因となり得る。この混合工程
は、核燃料と混合する材質によっても異なり、それぞれ
の核燃料毎に個別に開発される必要がある。一方、核物
質を原料とする振動充填法による核燃料要素の製造の場
合は製造工程数が削減できることが示されている。
略比較を図２５に示している。ペレット燃料要素、製造
工程の場合には燃料密度調整などの複雑な混合工程があ
り、燃料製造コスト上昇要因となり得る。この混合工程
は、核燃料と混合する材質によっても異なり、それぞれ
の核燃料毎に個別に開発される必要がある。一方、核物
質を原料とする振動充填法による核燃料要素の製造の場
合は製造工程数が削減できることが示されている。
【０００４】プルトニウムを含むＭＯＸ燃料の加工で
は、燃料サイクルコスト全体に占める加工費の比率がウ
ラン（ＵＯ2 ）燃料に比べて増加することと、加工コス
ト自身が高いと言われている。ＭＯＸ燃料の加工は、遠
隔操作，燃料のＰｕ富化度が異なるたびにラインのクリ
ーンアップなどが必要なためである。しかし、振動充填
法を使用する粒状燃料要素の製造においては、製造工程
数の削減が図れることから加工コスト低減への期待が大
きい。
は、燃料サイクルコスト全体に占める加工費の比率がウ
ラン（ＵＯ2 ）燃料に比べて増加することと、加工コス
ト自身が高いと言われている。ＭＯＸ燃料の加工は、遠
隔操作，燃料のＰｕ富化度が異なるたびにラインのクリ
ーンアップなどが必要なためである。しかし、振動充填
法を使用する粒状燃料要素の製造においては、製造工程
数の削減が図れることから加工コスト低減への期待が大
きい。
【０００５】核燃料の仕様は、原子炉の役割・出力規模
により、タイプ別に最適化されて決定される。ペレット
燃料では、焼結技術は使用する材質・焼結密度により大
きく影響され、燃料の種類を変更していくことは容易で
ない。
により、タイプ別に最適化されて決定される。ペレット
燃料では、焼結技術は使用する材質・焼結密度により大
きく影響され、燃料の種類を変更していくことは容易で
ない。
【０００６】ペレット燃料に比べ、粒状燃料は、各種核
燃料物質を核燃料要素内で混在させることができること
が特徴である。この特徴により、焼結を必要とするペレ
ット燃料に較べ、粒状燃料は次の特徴がある。
燃料物質を核燃料要素内で混在させることができること
が特徴である。この特徴により、焼結を必要とするペレ
ット燃料に較べ、粒状燃料は次の特徴がある。
【０００７】・燃料物質の濃度調整範囲が広くとれる。 ・酸素ゲッター機能を有する材質との混在が可能であ
る。 ・バーナブルポイズン材料との混在範囲が広くとれる。
る。 ・バーナブルポイズン材料との混在範囲が広くとれる。
【０００８】これらの例として、振動充填法を採用した
粒状燃料の核燃料要素の例としては、酸素ゲッターとし
て金属ウランを使用することが知られている。例えばJo
ur-nal of Nuclear Materials 204 (1993) 93-101, R.H
erbig et.al., 「Vibrocom-pacted fuel for the liqui
d metal reactor BOR-60」にＯ／Ｍの調整のために微粒
子金属ゲッターを使用することが高燃焼度達成に有効な
ことが述べられている。また、粒状燃料において、バー
ナブルポイズン材料との混在範囲を広くとる例は、特公
平１−１９５５６号公報の「プルトニウム利用核燃料
棒」に示されている。
粒状燃料の核燃料要素の例としては、酸素ゲッターとし
て金属ウランを使用することが知られている。例えばJo
ur-nal of Nuclear Materials 204 (1993) 93-101, R.H
erbig et.al., 「Vibrocom-pacted fuel for the liqui
d metal reactor BOR-60」にＯ／Ｍの調整のために微粒
子金属ゲッターを使用することが高燃焼度達成に有効な
ことが述べられている。また、粒状燃料において、バー
ナブルポイズン材料との混在範囲を広くとる例は、特公
平１−１９５５６号公報の「プルトニウム利用核燃料
棒」に示されている。
【０００９】このように、振動充填燃料製造技術は、基
本的には同一の技術で広い範囲の核燃料を製造できる利
点がある。
本的には同一の技術で広い範囲の核燃料を製造できる利
点がある。
【００１０】振動充填燃料の製造では、充填密度を高め
ることが一つの要点である。粒子サイズとサイズ成分の
組合せにより充填密度が変動する。また、粒子サイズと
充填領域の直径の関係から、スムーズな充填のために、
充填領域の直径は、粒子サイズの約６〜７倍程度以上の
大きさを必要とする。
ることが一つの要点である。粒子サイズとサイズ成分の
組合せにより充填密度が変動する。また、粒子サイズと
充填領域の直径の関係から、スムーズな充填のために、
充填領域の直径は、粒子サイズの約６〜７倍程度以上の
大きさを必要とする。
【００１１】これまでの振動充填に関する知見は、つぎ
のようにまとめられる。 ａ）充填密度を上げるためには、３種類以上の粒径サイ
ズの異なる試料（粒状燃料）の混合が必要である。従来
の公知例としても、粒子サイズと混在割合（混合割合）
に関する報告は多い。 ｂ）被覆管の縦方向共振周波数を利用することにより、
試料（粒状燃料）の平均充填密度の向上が図れる。 ｃ）試料上部へ荷重を加えることにより、平均充填密度
の向上並びに充填密度の軸方向均一性の向上が図れる。
これは試料を被覆管に詰めた後の密度均一性確保のため
の手順である。 ｄ）被覆管仕様（長さ、管径など）に応じた粒径サイズ
と加振条件が必要である。
のようにまとめられる。 ａ）充填密度を上げるためには、３種類以上の粒径サイ
ズの異なる試料（粒状燃料）の混合が必要である。従来
の公知例としても、粒子サイズと混在割合（混合割合）
に関する報告は多い。 ｂ）被覆管の縦方向共振周波数を利用することにより、
試料（粒状燃料）の平均充填密度の向上が図れる。 ｃ）試料上部へ荷重を加えることにより、平均充填密度
の向上並びに充填密度の軸方向均一性の向上が図れる。
これは試料を被覆管に詰めた後の密度均一性確保のため
の手順である。 ｄ）被覆管仕様（長さ、管径など）に応じた粒径サイズ
と加振条件が必要である。
【００１２】球状粒子の粒径が１種類のときの充填密度
は６３％程度まで達し、２種類（２成分）の場合は理論
的には８６％、３種類（３成分）の場合は理論的には９
０％に達する。これらの充填密度の理論値は粒子の形状
が真球の場合である。実際には、平均としてはサイズの
分級をしても、不規則形状の粒子の場合もある。
は６３％程度まで達し、２種類（２成分）の場合は理論
的には８６％、３種類（３成分）の場合は理論的には９
０％に達する。これらの充填密度の理論値は粒子の形状
が真球の場合である。実際には、平均としてはサイズの
分級をしても、不規則形状の粒子の場合もある。
【００１３】また、粒径成分が複数の場合、それらの物
質の特徴（化学形態・密度などの物理特性）の異なるも
のから構成される系の振動充填特性として、上記の充填
密度特性が確認されている。粒径の違いによる充填密度
特性は、これまでの公知例においても各種の密度の違い
のある物質の組合せが示されている。
質の特徴（化学形態・密度などの物理特性）の異なるも
のから構成される系の振動充填特性として、上記の充填
密度特性が確認されている。粒径の違いによる充填密度
特性は、これまでの公知例においても各種の密度の違い
のある物質の組合せが示されている。
【００１４】充填密度を高くするために３種類以上の粒
子サイズの異なる粒状物質を使用することは既に知られ
ている。ウラン酸化物（ＵＯ2 ）とプルトニウム酸化物
（ＰｕＯ2 ）の混合を考える。平均プルトニウム富化度
を目標値とするために、ウラン酸化物とプルトニウム酸
化物のそれぞれの顆粒サイズ分布を同一にする必要はな
く、粒子サイズの分布はそれぞれ独立に選定できる。粒
子サイズ分布の選定条件は、燃料要素に要求される核
的、熱的、燃料の照射条件などを考慮して選定される。
子サイズの異なる粒状物質を使用することは既に知られ
ている。ウラン酸化物（ＵＯ2 ）とプルトニウム酸化物
（ＰｕＯ2 ）の混合を考える。平均プルトニウム富化度
を目標値とするために、ウラン酸化物とプルトニウム酸
化物のそれぞれの顆粒サイズ分布を同一にする必要はな
く、粒子サイズの分布はそれぞれ独立に選定できる。粒
子サイズ分布の選定条件は、燃料要素に要求される核
的、熱的、燃料の照射条件などを考慮して選定される。
【００１５】核燃料要素の粒子のマクロ密度とＰｕ富化
度をほぼ一定とする公知例として、特公平１−１９５５
６号公報記載の技術がある。この公知技術を含め多くの
振動充填燃料の構成は平均粒子分布例を示し、これら複
数の粒子サイズを予め均一に混合した上で、金属被覆管
１の中にマクロ空間密度分布がほぼ一様となるように粒
状燃料２を充填して密封するというものであり、このよ
うに充填した核燃料要素３の概略図を図２６に示す。
度をほぼ一定とする公知例として、特公平１−１９５５
６号公報記載の技術がある。この公知技術を含め多くの
振動充填燃料の構成は平均粒子分布例を示し、これら複
数の粒子サイズを予め均一に混合した上で、金属被覆管
１の中にマクロ空間密度分布がほぼ一様となるように粒
状燃料２を充填して密封するというものであり、このよ
うに充填した核燃料要素３の概略図を図２６に示す。
【００１６】充填粒子がほぼ一様なマクロ密度分布とな
るように粒状燃料２を振動充填する方法としては、“予
め均一に粒状燃料を混合した上で”充填する方法があ
る。この均一化混合充填方法と異なる方法として、複数
の限定された粒子サイズの範囲で、混合割合（Fractio
n）が異なるものを別々に集め、金属被覆管１内に充填
する際に、混合しつつ充填する方法がある。
るように粒状燃料２を振動充填する方法としては、“予
め均一に粒状燃料を混合した上で”充填する方法があ
る。この均一化混合充填方法と異なる方法として、複数
の限定された粒子サイズの範囲で、混合割合（Fractio
n）が異なるものを別々に集め、金属被覆管１内に充填
する際に、混合しつつ充填する方法がある。
【００１７】ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（Ｍ
ＯＸ燃料）をつくる例がJournal ofNuclear Materials
178(1991)163-170, H.Steinkopff et al.,「Automaticr
efabrication and quality control of fuel elements
fro the BOR-60 reac-tor in the USSR」の中で図示さ
れている。このＭＯＸ燃料製造技術は計算機制御と組み
合わされて"Programmable dosing facility"と呼ばれて
いる。
ＯＸ燃料）をつくる例がJournal ofNuclear Materials
178(1991)163-170, H.Steinkopff et al.,「Automaticr
efabrication and quality control of fuel elements
fro the BOR-60 reac-tor in the USSR」の中で図示さ
れている。このＭＯＸ燃料製造技術は計算機制御と組み
合わされて"Programmable dosing facility"と呼ばれて
いる。
【００１８】このような核燃料要素内でほぼ一様なマク
ロ密度・燃料物質密度をもつ燃料の改良として、濃縮ウ
ランを使用する従来の軽水炉燃料の例を示す。
ロ密度・燃料物質密度をもつ燃料の改良として、濃縮ウ
ランを使用する従来の軽水炉燃料の例を示す。
【００１９】軽水炉燃料の燃料高燃焼度化にあたって
は、核燃料からのＦＰ（Fission Pro-ducts）ガス放出
率の上昇を少なくするため、核燃料要素内の発熱の径方
向分布を調整している。
は、核燃料からのＦＰ（Fission Pro-ducts）ガス放出
率の上昇を少なくするため、核燃料要素内の発熱の径方
向分布を調整している。
【００２０】核燃料要素内を径方向２領域化し、各領域
の充填マクロ密度をほぼ同一のもとで、発熱物質である
Ｕ２３５の濃縮度を調整する方法がある。この濃縮度調
整方法は特公平３−６７２３８号（特開昭５９−９５８
６号）公報記載の「燃料要素」に開示されている。燃料
棒の中央部分に低い濃縮度の粒状燃料を充填し、その外
側（外周側）に高濃縮度の粒状燃料を充填して、径方向
で濃縮度分布を与えることにより、燃料温度を下げて、
被覆管の腐食を防ぎ長寿命化を図っている。この例で
は、中央領域と周辺領域の分割に構造材を使用していな
い。
の充填マクロ密度をほぼ同一のもとで、発熱物質である
Ｕ２３５の濃縮度を調整する方法がある。この濃縮度調
整方法は特公平３−６７２３８号（特開昭５９−９５８
６号）公報記載の「燃料要素」に開示されている。燃料
棒の中央部分に低い濃縮度の粒状燃料を充填し、その外
側（外周側）に高濃縮度の粒状燃料を充填して、径方向
で濃縮度分布を与えることにより、燃料温度を下げて、
被覆管の腐食を防ぎ長寿命化を図っている。この例で
は、中央領域と周辺領域の分割に構造材を使用していな
い。
【００２１】次に、特公平３−６７２３８号公報開示の
「燃料要素」について図２７および図２８を参照して説
明する。図２７および図２８は核燃料要素として軽水炉
燃料を対象としていることは明らかである。この核燃料
要素３Ａは粒状燃料２がコア粒子２ａの領域と外側粒子
２ｂの領域から構成される。核燃料要素３Ａは、 ａ）少なくとも２つの異なる濃縮度の粒状燃料２からな
り、低濃縮度粒が中央領域、高い濃度粒が外側領域に配
置される。
「燃料要素」について図２７および図２８を参照して説
明する。図２７および図２８は核燃料要素として軽水炉
燃料を対象としていることは明らかである。この核燃料
要素３Ａは粒状燃料２がコア粒子２ａの領域と外側粒子
２ｂの領域から構成される。核燃料要素３Ａは、 ａ）少なくとも２つの異なる濃縮度の粒状燃料２からな
り、低濃縮度粒が中央領域、高い濃度粒が外側領域に配
置される。
【００２２】ｂ）同時に、スメア密度は８５％ないし９
０％である。
０％である。
【００２３】ｃ）粒子サイズ、中央領域と外側領域の体
積比率が指定されている。
積比率が指定されている。
【００２４】また、核燃料要素３Ａの濃縮度範囲（中央
領域のＵ２３５濃縮度は０．２％ないし２．０％の範
囲、外側領域のＵ２３５濃縮度は２．０％、ないし２
０．０％の範囲）と、中央領域と外側領域では独立に、
酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化トリウムのよ
うな核分裂性燃料混合物または減損核分裂性燃料などを
少なくともひとつ含むものである。
領域のＵ２３５濃縮度は０．２％ないし２．０％の範
囲、外側領域のＵ２３５濃縮度は２．０％、ないし２
０．０％の範囲）と、中央領域と外側領域では独立に、
酸化ウラン、酸化プルトニウムおよび酸化トリウムのよ
うな核分裂性燃料混合物または減損核分裂性燃料などを
少なくともひとつ含むものである。
【００２５】一方、核燃料要素の中央領域に濃縮度の高
い燃料を配置する例（米国特許第３７７８３４８号およ
び第４１３１５１１号の各明細書）があることが前述の
引用文献に示されている。
い燃料を配置する例（米国特許第３７７８３４８号およ
び第４１３１５１１号の各明細書）があることが前述の
引用文献に示されている。
【００２６】しかし、上記引用文献には同一のウラン濃
縮度を使用することによる粒状燃料の振動充填による核
燃料要素内の径方向出力分布・温度分布の調整について
は含まれていない。また、粒状燃料の混合物について
は、燃料物質・親物質以外のものを含むことの開示も示
唆もない。
縮度を使用することによる粒状燃料の振動充填による核
燃料要素内の径方向出力分布・温度分布の調整について
は含まれていない。また、粒状燃料の混合物について
は、燃料物質・親物質以外のものを含むことの開示も示
唆もない。
【００２７】核燃料要素の中央部と周辺部を構造材（内
側被覆管４）を使用して分割する例は、図２９に示され
ている。図２９は高速スペクトルでウラン不使用型Ｐｕ
燃焼炉心において、窒化プルトニウムＰｕＮ用燃料要素
概念である。この核燃料要素３Ｂは、文献（J.Rouault
et. al. 「The Design of U-free Large Fast Reac-tor
Cores - The CAPRA Programme Trends 」 Proc. of In
t'l Conf. on thePhysics of Reactors PHYSOR96, Sep
t., 16-20, 1996, Wito, Japan ）に示されている。
側被覆管４）を使用して分割する例は、図２９に示され
ている。図２９は高速スペクトルでウラン不使用型Ｐｕ
燃焼炉心において、窒化プルトニウムＰｕＮ用燃料要素
概念である。この核燃料要素３Ｂは、文献（J.Rouault
et. al. 「The Design of U-free Large Fast Reac-tor
Cores - The CAPRA Programme Trends 」 Proc. of In
t'l Conf. on thePhysics of Reactors PHYSOR96, Sep
t., 16-20, 1996, Wito, Japan ）に示されている。
【００２８】核燃料要素３Ｂは中央部に空隙部分５を設
け、周辺部にＰｕＮ粒子６を配置することにより、核燃
料の炉心平均密度を大幅に低減している。
け、周辺部にＰｕＮ粒子６を配置することにより、核燃
料の炉心平均密度を大幅に低減している。
【００２９】特に、ウラン不使用型高速炉炉心の場合で
は、ウランを使用しないことにより臨界性がよい（少な
いプルトニウム量で所定の反応度を持つことになる。）
ので燃料密度を低減することは重要である。炉心高さな
どの基本仕様にも依存するが、周辺領域の燃料領域の幅
は、図２９に例示されているように粒子領域は薄いアニ
ュラー形状となる。この例では、燃料組成ＰｕＮと周辺
領域の幅を数百ミクロンとすることを組合せていること
が特徴である。
は、ウランを使用しないことにより臨界性がよい（少な
いプルトニウム量で所定の反応度を持つことになる。）
ので燃料密度を低減することは重要である。炉心高さな
どの基本仕様にも依存するが、周辺領域の燃料領域の幅
は、図２９に例示されているように粒子領域は薄いアニ
ュラー形状となる。この例では、燃料組成ＰｕＮと周辺
領域の幅を数百ミクロンとすることを組合せていること
が特徴である。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】炉心性能の改善に関し
て燃料の長寿命化・高燃焼度化、安全余裕の増大などの
ために核燃料要素内の燃料密度分布などを調整すること
は利点が多い。炉心設計では最適な冷却材と燃料の割
合、燃料と減速材の割合を選択することにより、燃料密
度分布の調整を行うことになる。ペレット燃料では燃料
製造の複雑さが増大するという欠点がある。
て燃料の長寿命化・高燃焼度化、安全余裕の増大などの
ために核燃料要素内の燃料密度分布などを調整すること
は利点が多い。炉心設計では最適な冷却材と燃料の割
合、燃料と減速材の割合を選択することにより、燃料密
度分布の調整を行うことになる。ペレット燃料では燃料
製造の複雑さが増大するという欠点がある。
【００３１】一方、従来の技術で示されているように、
粒状燃料を振動充填した核燃料要素内の燃料物資の配置
の多領域化は、軽水炉またはウラン不使用型Ｐｕ燃焼炉
心について、特定の特性の改善のために特化した組合せ
として行われている。
粒状燃料を振動充填した核燃料要素内の燃料物資の配置
の多領域化は、軽水炉またはウラン不使用型Ｐｕ燃焼炉
心について、特定の特性の改善のために特化した組合せ
として行われている。
【００３２】特公平３−６７２３８号（特開昭５９−９
５８６号）公報の「燃料要素」に示されている軽水炉用
ウラン燃料では、異なる濃縮度の粒状ウランを用意する
必要がある。ウラン燃料については、Ｕ２３５濃縮度は
燃料の発熱分布・反応度などの核特性を決める主要因で
あり核特性の観点からは複数の濃縮度を自由に選択して
使用することは利点が多い。
５８６号）公報の「燃料要素」に示されている軽水炉用
ウラン燃料では、異なる濃縮度の粒状ウランを用意する
必要がある。ウラン燃料については、Ｕ２３５濃縮度は
燃料の発熱分布・反応度などの核特性を決める主要因で
あり核特性の観点からは複数の濃縮度を自由に選択して
使用することは利点が多い。
【００３３】一方、燃料被覆管内に粒状燃料を振動充填
させる充填工程前に、準備段階として粒状燃料の充填に
関する複雑性を回避することも重要である。また、高濃
縮度と低濃縮度のウランが誤って反対に配置される場合
が生ずる可能性がある。この逆転充填防止のために、検
査工程などが必要になり振動充填工程が複雑になる。こ
れらの観点から使用するウラン濃縮度を同一とすること
が好ましい。
させる充填工程前に、準備段階として粒状燃料の充填に
関する複雑性を回避することも重要である。また、高濃
縮度と低濃縮度のウランが誤って反対に配置される場合
が生ずる可能性がある。この逆転充填防止のために、検
査工程などが必要になり振動充填工程が複雑になる。こ
れらの観点から使用するウラン濃縮度を同一とすること
が好ましい。
【００３４】また、高速スペクトルでウラン不使用型Ｐ
ｕ燃焼炉心において、窒化プルトニウムＰｕＮ用燃料と
組み合わされるアニュラー形状の核燃料要素３Ｂが図２
９に例示されている。このアニュラー形状の核燃料要素
３Ｂの概念では、燃料組成ＰｕＮと周辺領域の幅Ｗを１
０００ミクロン（１mm）以下としている。炉心高さの低
減などにより炉心からの中性子もれを増大させる場合
は、燃料要素内の周辺領域幅はやや増大させることがで
きる。しかし、周辺領域幅の増大は大幅ではない。した
がって、スムーズな粒状燃料を周辺領域に充填させるた
めには、１０００／７ミクロン以下の粒状燃料を用意し
なければならない。また充填治具についても大きな制約
が必要となる。
ｕ燃焼炉心において、窒化プルトニウムＰｕＮ用燃料と
組み合わされるアニュラー形状の核燃料要素３Ｂが図２
９に例示されている。このアニュラー形状の核燃料要素
３Ｂの概念では、燃料組成ＰｕＮと周辺領域の幅Ｗを１
０００ミクロン（１mm）以下としている。炉心高さの低
減などにより炉心からの中性子もれを増大させる場合
は、燃料要素内の周辺領域幅はやや増大させることがで
きる。しかし、周辺領域幅の増大は大幅ではない。した
がって、スムーズな粒状燃料を周辺領域に充填させるた
めには、１０００／７ミクロン以下の粒状燃料を用意し
なければならない。また充填治具についても大きな制約
が必要となる。
【００３５】ウラン不使用型Ｐｕ燃焼炉心は燃料サイク
ルのなかで特殊な炉型となる可能性が強い。将来のＰｕ
量のバランス調整機能を発揮させるためには、専用の燃
料製造施設と技術を開発することが必要となり、燃料サ
イクル全体のコスト低減に反する可能性がある。したが
って、専用技術の開発ではなく、燃料サイクル全体の燃
料製造技術と関連する汎用技術であることが好ましい。
ルのなかで特殊な炉型となる可能性が強い。将来のＰｕ
量のバランス調整機能を発揮させるためには、専用の燃
料製造施設と技術を開発することが必要となり、燃料サ
イクル全体のコスト低減に反する可能性がある。したが
って、専用技術の開発ではなく、燃料サイクル全体の燃
料製造技術と関連する汎用技術であることが好ましい。
【００３６】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、燃料製造工程を複雑化せず、コスト上昇なし
に種々の燃料仕様に柔軟に対応できる核燃料要素および
その製造方法を提供することを目的とする。
たもので、燃料製造工程を複雑化せず、コスト上昇なし
に種々の燃料仕様に柔軟に対応できる核燃料要素および
その製造方法を提供することを目的とする。
【００３７】本発明の他の目的は、軽水炉燃料あるいは
高速炉用燃料として、ウラン資源有効利用のための燃料
サイクル全体に共通して使用できる核燃料要素およびそ
の製造方法を提供することにある。
高速炉用燃料として、ウラン資源有効利用のための燃料
サイクル全体に共通して使用できる核燃料要素およびそ
の製造方法を提供することにある。
【００３８】本発明のさらに他の目的は、粒状燃料物質
および粒状非燃料物質（希釈物質や中性子吸収物質）の
核熱的特徴を考慮し、振動充填の特徴を活用して簡単か
つ容易に製造することができる核燃料要素、およびその
製造方法ならびに燃料集合体を提供するにある。
および粒状非燃料物質（希釈物質や中性子吸収物質）の
核熱的特徴を考慮し、振動充填の特徴を活用して簡単か
つ容易に製造することができる核燃料要素、およびその
製造方法ならびに燃料集合体を提供するにある。
【００３９】本発明の別の目的は、原子炉の役割の多様
化に柔軟に対応でき、燃料仕様変更への対応が容易な核
燃料要素およびその製造方法ならびに燃料集合体を提供
するにある。
化に柔軟に対応でき、燃料仕様変更への対応が容易な核
燃料要素およびその製造方法ならびに燃料集合体を提供
するにある。
【００４０】
【課題を解決するための手段】本発明に係る核燃料要素
は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載し
たように、金属被覆管内に粒状の燃料物質または燃料親
物質を充填し、密封した核燃料要素において、上記金属
被覆管内に中央領域と周辺領域とに分割する領域分割用
内管を収容したものである。
は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載し
たように、金属被覆管内に粒状の燃料物質または燃料親
物質を充填し、密封した核燃料要素において、上記金属
被覆管内に中央領域と周辺領域とに分割する領域分割用
内管を収容したものである。
【００４１】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る核燃料要素は、請求項２に記載したように金
属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料が充填されており、
この粒状ウラン酸化物燃料は中央領域と周辺領域でウラ
ン２３５充填率が異なるように分割されて充填された
り；さらに請求項３に記載したように金属被覆管内に粒
状ウラン酸化物燃料と融点が高く中性子吸収断面積の小
さな非燃料物質が混在して充填されており、前記粒状ウ
ラン酸化物燃料と非燃料物質との混在割合が、金属被覆
管内の中央領域と周辺領域とで異なるように充填された
り；さらにまた請求項４に記載したように金属被覆管内
に粒状ウラン酸化物燃料と融点が高く中性子吸収断面積
の大きな非燃料物質である中性子吸収物質とが混在して
充填されており、前記粒状ウラン酸化物燃料と中性子吸
収物質との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領
域とで異なるように充填されたり；またさらに請求項５
に記載したように金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料
とともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな中性子吸
収物質と中性子吸収断面積の小さな非燃料物質とが混在
して充填されており、前記中性子吸収物質と非燃料物質
との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域とで
異なるように充填されたものである。この核燃料要素は
主に軽水炉用燃料に適したものである。
発明に係る核燃料要素は、請求項２に記載したように金
属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料が充填されており、
この粒状ウラン酸化物燃料は中央領域と周辺領域でウラ
ン２３５充填率が異なるように分割されて充填された
り；さらに請求項３に記載したように金属被覆管内に粒
状ウラン酸化物燃料と融点が高く中性子吸収断面積の小
さな非燃料物質が混在して充填されており、前記粒状ウ
ラン酸化物燃料と非燃料物質との混在割合が、金属被覆
管内の中央領域と周辺領域とで異なるように充填された
り；さらにまた請求項４に記載したように金属被覆管内
に粒状ウラン酸化物燃料と融点が高く中性子吸収断面積
の大きな非燃料物質である中性子吸収物質とが混在して
充填されており、前記粒状ウラン酸化物燃料と中性子吸
収物質との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領
域とで異なるように充填されたり；またさらに請求項５
に記載したように金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料
とともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな中性子吸
収物質と中性子吸収断面積の小さな非燃料物質とが混在
して充填されており、前記中性子吸収物質と非燃料物質
との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域とで
異なるように充填されたものである。この核燃料要素は
主に軽水炉用燃料に適したものである。
【００４２】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る核燃料要素は、請求項６に記載したよう
に、金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルトニウム酸
化物燃料が充填されており、このプルトニウム酸化物燃
料のプルトニウム充填率が金属被覆管内の中央領域と周
辺領域で異なるように分割して充填されたり；また、請
求項７に記載したように金属被覆管内にウラン不使用の
粒状プルトニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子
吸収断面積の小さな非燃料物質が混在して充填されてお
り、前記粒状プルトニウム酸化物燃料と非燃料物質の混
在割合が金属被覆管の中央領域と周辺領域とで異なるよ
うに充填されたり；さらに、請求項８に記載したように
金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルトニウム酸化物
燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな非燃
料物質である中性子吸収物質が混在して充填されてお
り、前記粒状プルトニウム酸化物燃料と中性子吸収物質
の混在割合が、金属被覆管内の中央領域と周辺領域とで
異なるように充填されたり；さらにまた、請求項９に記
載したように金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルト
ニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小さ
な非燃料物質が混在して充填されており、前記中性子吸
収物質と非燃料物質の混在割合が、金属被覆管内の中央
領域と周辺領域とで異なるように充填されたものであ
る。この核燃料要素は中性子炉から高速炉までの広い範
囲の燃料に適したものである。
本発明に係る核燃料要素は、請求項６に記載したよう
に、金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルトニウム酸
化物燃料が充填されており、このプルトニウム酸化物燃
料のプルトニウム充填率が金属被覆管内の中央領域と周
辺領域で異なるように分割して充填されたり；また、請
求項７に記載したように金属被覆管内にウラン不使用の
粒状プルトニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子
吸収断面積の小さな非燃料物質が混在して充填されてお
り、前記粒状プルトニウム酸化物燃料と非燃料物質の混
在割合が金属被覆管の中央領域と周辺領域とで異なるよ
うに充填されたり；さらに、請求項８に記載したように
金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルトニウム酸化物
燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな非燃
料物質である中性子吸収物質が混在して充填されてお
り、前記粒状プルトニウム酸化物燃料と中性子吸収物質
の混在割合が、金属被覆管内の中央領域と周辺領域とで
異なるように充填されたり；さらにまた、請求項９に記
載したように金属被覆管内にウラン不使用の粒状プルト
ニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小さ
な非燃料物質が混在して充填されており、前記中性子吸
収物質と非燃料物質の混在割合が、金属被覆管内の中央
領域と周辺領域とで異なるように充填されたものであ
る。この核燃料要素は中性子炉から高速炉までの広い範
囲の燃料に適したものである。
【００４３】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る核燃料要素は、請求項１０に記載した
ように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウム混合酸
化物燃料が充填されており、このウラン・プルトニウム
混合酸化物燃料の充填率は金属被覆管の中央領域と周辺
領域で異なるように充填されたり；また、請求項１１に
記載したように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の小さな非燃料物質が混在されて充填されており、前記
粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と非燃料物質
との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域で異
なるように充填されたり；さらに、請求項１２に記載し
たように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積が大き
な中性子吸収物質が混在して充填されており、前記粒状
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と中性子吸収物質
との混在割合は、金属被覆管内の中央領域と周辺領域で
異なるように充填されたり；さらにまた、請求項１３に
記載したように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小さ
な非燃料物質とが混在して充填されており、前記中性子
吸収物質と非燃料物質との混在割合は、金属被覆管内の
中央領域と周辺領域で異なるように充填されたものであ
る。この核燃料要素は熱中性子炉から高速炉までの広い
範囲の燃料に適したものである。
に、本発明に係る核燃料要素は、請求項１０に記載した
ように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウム混合酸
化物燃料が充填されており、このウラン・プルトニウム
混合酸化物燃料の充填率は金属被覆管の中央領域と周辺
領域で異なるように充填されたり；また、請求項１１に
記載したように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の小さな非燃料物質が混在されて充填されており、前記
粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と非燃料物質
との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域で異
なるように充填されたり；さらに、請求項１２に記載し
たように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積が大き
な中性子吸収物質が混在して充填されており、前記粒状
ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と中性子吸収物質
との混在割合は、金属被覆管内の中央領域と周辺領域で
異なるように充填されたり；さらにまた、請求項１３に
記載したように金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニウ
ム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面積
の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小さ
な非燃料物質とが混在して充填されており、前記中性子
吸収物質と非燃料物質との混在割合は、金属被覆管内の
中央領域と周辺領域で異なるように充填されたものであ
る。この核燃料要素は熱中性子炉から高速炉までの広い
範囲の燃料に適したものである。
【００４４】またさらに、本発明に係る核燃料要素は、
上述した課題を解決するために、請求項１４に記載した
ように、金属被覆管内の中央領域に燃料物質および燃料
親物質を含まない非燃料物質が配置され、金属被覆管の
周辺領域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルトニウム酸
化物燃料または粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料が充填されたり；また請求項１５に記載したように、
金属被覆管内に収容される領域分割用内管は薄肉内筒状
に形成され、上記領域分割用内管には間隔スペーサが放
射状に突出して設けられたものである。
上述した課題を解決するために、請求項１４に記載した
ように、金属被覆管内の中央領域に燃料物質および燃料
親物質を含まない非燃料物質が配置され、金属被覆管の
周辺領域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルトニウム酸
化物燃料または粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃
料が充填されたり；また請求項１５に記載したように、
金属被覆管内に収容される領域分割用内管は薄肉内筒状
に形成され、上記領域分割用内管には間隔スペーサが放
射状に突出して設けられたものである。
【００４５】また、本発明に係る核燃料要素の製造方法
は、上述した課題を解決するために、請求項１６に記載
したように下部端栓で下部が密着され、内部に領域分割
用内管を収容した金属被覆管を振動台上に設置する一
方、上記領域分割用内管を収容した金属被覆管の上部開
放側から二重構造のホッパを嵌合させ、この二重構造の
ホッパを利用して金属被覆管の中央領域と周辺領域に粒
状燃料物質もしくは燃料親物質ならびに非燃料物質を振
動台を稼動させながら混在状態で充填させ、この充填後
に前記領域分割用内容をばね付勢された押圧手段で下部
端栓側に押圧させた状態で上部端栓を上部に密着する方
法である。
は、上述した課題を解決するために、請求項１６に記載
したように下部端栓で下部が密着され、内部に領域分割
用内管を収容した金属被覆管を振動台上に設置する一
方、上記領域分割用内管を収容した金属被覆管の上部開
放側から二重構造のホッパを嵌合させ、この二重構造の
ホッパを利用して金属被覆管の中央領域と周辺領域に粒
状燃料物質もしくは燃料親物質ならびに非燃料物質を振
動台を稼動させながら混在状態で充填させ、この充填後
に前記領域分割用内容をばね付勢された押圧手段で下部
端栓側に押圧させた状態で上部端栓を上部に密着する方
法である。
【００４６】さらに、本発明に係る核燃料要素は、上述
した課題を解決するために、請求項１７に記載したよう
に、金属被覆管内に粒状の燃料物質または燃料親物質を
充填し、密封した核燃料要素において、上記金属被覆管
内に中央領域と周辺領域とに分割する短尺の領域分割用
内管を収容し、金属被覆管内に局所的に形成される径方
向２領域部分を、少なくとも１ヶ所金属被覆管の軸方向
に沿って設けたものである。
した課題を解決するために、請求項１７に記載したよう
に、金属被覆管内に粒状の燃料物質または燃料親物質を
充填し、密封した核燃料要素において、上記金属被覆管
内に中央領域と周辺領域とに分割する短尺の領域分割用
内管を収容し、金属被覆管内に局所的に形成される径方
向２領域部分を、少なくとも１ヶ所金属被覆管の軸方向
に沿って設けたものである。
【００４７】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る核燃料要素は、請求項１８に記載した
ように、金属被覆管の径方向２領域部分に粒状の燃料物
質または燃料親物質と、融点が高く中性子吸収断面積の
大きな中性子吸収物質および中性子断面積の小さな非燃
料物質の少なくとも一方とが混在して充填されたり；ま
た、請求項１９に記載したように金属被覆管の径方向２
領域部分の中央領域に燃料物質ないし燃料親物質を含ま
ない非燃料物質が配置され、周辺領域および径方向２領
域部分以外の領域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルト
ニウム酸化物燃料または粒状ウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料が充填されたものである。
に、本発明に係る核燃料要素は、請求項１８に記載した
ように、金属被覆管の径方向２領域部分に粒状の燃料物
質または燃料親物質と、融点が高く中性子吸収断面積の
大きな中性子吸収物質および中性子断面積の小さな非燃
料物質の少なくとも一方とが混在して充填されたり；ま
た、請求項１９に記載したように金属被覆管の径方向２
領域部分の中央領域に燃料物質ないし燃料親物質を含ま
ない非燃料物質が配置され、周辺領域および径方向２領
域部分以外の領域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルト
ニウム酸化物燃料または粒状ウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料が充填されたものである。
【００４８】一方、本発明に係る燃料集合体は、上述し
た課題を解決するために、請求項２０に記載したよう
に、請求項１乃至１５および請求項１７乃至１９のいず
れかに記載の核燃料要素を燃料集合体を構成する燃料要
素の一部としたものである。
た課題を解決するために、請求項２０に記載したよう
に、請求項１乃至１５および請求項１７乃至１９のいず
れかに記載の核燃料要素を燃料集合体を構成する燃料要
素の一部としたものである。
【００４９】
【発明の実施の形態】本発明に係る核燃料要素の実施の
形態について添付図面を参照して説明する。
形態について添付図面を参照して説明する。
【００５０】本発明に係る核燃料要素は、ウラン資源の
有効利用のため、軽水炉用燃料から高速炉用燃料まで燃
料サイクル全体に共通して適用可能な核燃料棒あるいは
核燃料ピンである。「軽水炉用燃料から高速炉用燃料ま
で」という表現を以下使用するが、主要な中性子エネル
ギーの観点からは熱中性子炉から高速中性子炉までの広
い範囲をカバーするという意味である。この核燃料要素
は、軽水炉あるいは高速炉用燃料として用いられ、粒状
燃料物質を燃料被覆管である金属被覆管内に振動充填に
より高密度に充填したものである。粒状燃料物質とし
て、例えば顆粒、粒子、粉体の少なくとも３種類の燃料
形態が用いられる。軽水炉用あるいは高速炉用核燃料要
素には、酸化ウラン燃料、ウラン不使用型酸化プルトニ
ウム燃料およびウラン・プルトニウム混合酸化物燃料の
３種類の燃料が基本的に存在する。
有効利用のため、軽水炉用燃料から高速炉用燃料まで燃
料サイクル全体に共通して適用可能な核燃料棒あるいは
核燃料ピンである。「軽水炉用燃料から高速炉用燃料ま
で」という表現を以下使用するが、主要な中性子エネル
ギーの観点からは熱中性子炉から高速中性子炉までの広
い範囲をカバーするという意味である。この核燃料要素
は、軽水炉あるいは高速炉用燃料として用いられ、粒状
燃料物質を燃料被覆管である金属被覆管内に振動充填に
より高密度に充填したものである。粒状燃料物質とし
て、例えば顆粒、粒子、粉体の少なくとも３種類の燃料
形態が用いられる。軽水炉用あるいは高速炉用核燃料要
素には、酸化ウラン燃料、ウラン不使用型酸化プルトニ
ウム燃料およびウラン・プルトニウム混合酸化物燃料の
３種類の燃料が基本的に存在する。
【００５１】図１および図２は本発明に係る核燃料要素
の第１実施形態を示すものである。
の第１実施形態を示すものである。
【００５２】図１および図２に示された核燃料要素１０
は核燃料棒を構成しており、燃料被覆管を構成する金属
被覆管としての外側被覆管１１と領域分割用内菅を構成
する内管１２とから二重管構造に形成される。内管１２
は外側被覆管１１内に収納され、放射方向に突出する複
数の間隔スペーサ１３で位置決めされ、外側被覆管１１
内にほぼ同心円状に収容される。内管１２は薄肉構造材
で形成される。間隔スペーサ１３は、薄いプレート状構
造材で構成され、内管１２の外周壁に少なくとも３枚が
周方向に間隔をおいて固定される。間隔スペーサ１３は
外側被覆管１１の内周壁に固定してもよい。間隔スペー
サ１３は例えば上下２段にセパレートして設けることも
できる。
は核燃料棒を構成しており、燃料被覆管を構成する金属
被覆管としての外側被覆管１１と領域分割用内菅を構成
する内管１２とから二重管構造に形成される。内管１２
は外側被覆管１１内に収納され、放射方向に突出する複
数の間隔スペーサ１３で位置決めされ、外側被覆管１１
内にほぼ同心円状に収容される。内管１２は薄肉構造材
で形成される。間隔スペーサ１３は、薄いプレート状構
造材で構成され、内管１２の外周壁に少なくとも３枚が
周方向に間隔をおいて固定される。間隔スペーサ１３は
外側被覆管１１の内周壁に固定してもよい。間隔スペー
サ１３は例えば上下２段にセパレートして設けることも
できる。
【００５３】内管１２は、核燃料要素１０内を中央領域
１４と周辺領域１５との径方向２領域に区画する領域分
割用内管を構成している。外側被覆管１１の下部が下部
端栓１６で、その上部が上部端栓１７で固着され、密封
される。上部端栓１７は弾性ばね手段である抑えばね１
８を介してペレット状の抑えディスク１９を押圧してお
り、この抑えディスク１９により内管１２を下部端栓１
６側に押圧し、位置決め固定している。抑えディスク１
９は内管１２を外側被覆管１１内で下部端栓１６側に押
圧する押圧手段を構成している。
１４と周辺領域１５との径方向２領域に区画する領域分
割用内管を構成している。外側被覆管１１の下部が下部
端栓１６で、その上部が上部端栓１７で固着され、密封
される。上部端栓１７は弾性ばね手段である抑えばね１
８を介してペレット状の抑えディスク１９を押圧してお
り、この抑えディスク１９により内管１２を下部端栓１
６側に押圧し、位置決め固定している。抑えディスク１
９は内管１２を外側被覆管１１内で下部端栓１６側に押
圧する押圧手段を構成している。
【００５４】核燃料要素１０には燃料物質あるいは燃料
親物質である粒状燃料が金属被覆管の外側被覆管１１内
に振動充填法により充填される一方、内管１２により中
央領域１４と外側の周辺領域１５とに区画される。
親物質である粒状燃料が金属被覆管の外側被覆管１１内
に振動充填法により充填される一方、内管１２により中
央領域１４と外側の周辺領域１５とに区画される。
【００５５】内管１２は中央領域１４と周辺領域１５と
を区画する分割機能を備えればよく、密封機能は要求さ
れない。核燃料要素１０は使用している間に中央領域１
４と周辺領域１５の境界が常時保たれる必要は必ずしも
ない。
を区画する分割機能を備えればよく、密封機能は要求さ
れない。核燃料要素１０は使用している間に中央領域１
４と周辺領域１５の境界が常時保たれる必要は必ずしも
ない。
【００５６】すなわち、内管１２には孔をあけるなどの
工夫により、中性子の寄生吸収の要因となる構造材の量
を低減するなどの手段と組み合せることが可能である。
工夫により、中性子の寄生吸収の要因となる構造材の量
を低減するなどの手段と組み合せることが可能である。
【００５７】内管１２は外側被覆管１１との間隔が間隔
スペーサ１３で保持されるが、この小さな突起構造の間
隔スペーサ１３は外側被覆管１１の内面を損傷させない
ことと、燃料充填時に領域の分割を行なうことが要求さ
れる。内管１２と間隔スペーサ１３は体積ができるだけ
小さいことが望ましく、そのため間隔スペーサ１３は必
要最小限の位置に少ない個数で取付けられる。
スペーサ１３で保持されるが、この小さな突起構造の間
隔スペーサ１３は外側被覆管１１の内面を損傷させない
ことと、燃料充填時に領域の分割を行なうことが要求さ
れる。内管１２と間隔スペーサ１３は体積ができるだけ
小さいことが望ましく、そのため間隔スペーサ１３は必
要最小限の位置に少ない個数で取付けられる。
【００５８】当該スペーサの形状についても内管につい
て上述したように中性子吸収量の調整のための工夫と組
み合せることが可能である。
て上述したように中性子吸収量の調整のための工夫と組
み合せることが可能である。
【００５９】図１および図２に示される核燃料要素１０
は、金属被覆管１１内に粒状燃料である燃料物質あるい
は燃料親物質を振動充填させ、密封したものであり、核
燃料要素１０内を中央領域１４と周辺領域１５とに区画
するために領域分割用内管である内管１２を備えてい
る。
は、金属被覆管１１内に粒状燃料である燃料物質あるい
は燃料親物質を振動充填させ、密封したものであり、核
燃料要素１０内を中央領域１４と周辺領域１５とに区画
するために領域分割用内管である内管１２を備えてい
る。
【００６０】この核燃料要素１０は軽水炉用あるいは高
速炉用燃料として使用できる。この核燃料要素１０は粒
状燃料を振動充填させて製造されるものであり、燃料製
造工程の工程数が複雑化せず、製造の簡素化が図れる。
したがって、核燃料要素製造の自由度を確保することが
でき、この大きな自由度を活用して、平均マクロ燃料密
度の異なる領域を核燃料要素１０の径方向に複数配置
し、炉心・燃料特性の改善を図ることができる。この核
燃料要素１０は中央領域１４と周辺領域１５の平均マク
ロ密度を同一としても、粒状燃料の多成分材質の一部を
変更することなどの工夫により、薄い構造材１２，１３
を使用して径方向２領域に分割し、核燃料の性能改善を
図ることができる。
速炉用燃料として使用できる。この核燃料要素１０は粒
状燃料を振動充填させて製造されるものであり、燃料製
造工程の工程数が複雑化せず、製造の簡素化が図れる。
したがって、核燃料要素製造の自由度を確保することが
でき、この大きな自由度を活用して、平均マクロ燃料密
度の異なる領域を核燃料要素１０の径方向に複数配置
し、炉心・燃料特性の改善を図ることができる。この核
燃料要素１０は中央領域１４と周辺領域１５の平均マク
ロ密度を同一としても、粒状燃料の多成分材質の一部を
変更することなどの工夫により、薄い構造材１２，１３
を使用して径方向２領域に分割し、核燃料の性能改善を
図ることができる。
【００６１】核燃料要素１０に粒状燃料を充填させた場
合、充填密度は８５％程度と、例えばウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料という）を９３
％程度に高密度に焼結させたペレット燃料の場合に較
べ、やや低いので燃料熱伝導度が低くなる。その結果、
燃料の温度挙動と充填密度の関係は図３に示されるよう
に、はじめての出力上昇時には粒状燃料の充填密度が低
いので、燃料最高温度が高めになる。しかし、原子炉が
高い線出力で運転されると、燃料中央部は組織変化によ
る密度増大により温度が低下することになる。
合、充填密度は８５％程度と、例えばウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料（以下、ＭＯＸ燃料という）を９３
％程度に高密度に焼結させたペレット燃料の場合に較
べ、やや低いので燃料熱伝導度が低くなる。その結果、
燃料の温度挙動と充填密度の関係は図３に示されるよう
に、はじめての出力上昇時には粒状燃料の充填密度が低
いので、燃料最高温度が高めになる。しかし、原子炉が
高い線出力で運転されると、燃料中央部は組織変化によ
る密度増大により温度が低下することになる。
【００６２】図３において、符号ａはポロシティ（空隙
率）１５％の場合の一様密度分布燃料の最高温度の変化
を表わす曲線であり、符号ｂはポロシティ２０％の場合
の一様密度分布燃料の最大温度の変化曲線、符号ｃはそ
の時の炉の運転状態を示す特性値で、粒状燃料の最大線
出力の上昇および運転中の変化を表わす曲線である。
率）１５％の場合の一様密度分布燃料の最高温度の変化
を表わす曲線であり、符号ｂはポロシティ２０％の場合
の一様密度分布燃料の最大温度の変化曲線、符号ｃはそ
の時の炉の運転状態を示す特性値で、粒状燃料の最大線
出力の上昇および運転中の変化を表わす曲線である。
【００６３】このような場合は、燃料全体の熱伝導度を
増大するために、熱伝導率が燃料よりも大きな非燃料物
質を混合させることにより、全体としての燃料温度低減
を図ったり、また、炉心・燃料の性能向上のために核燃
料要素１０内に粒状物質の混在を径方向に分割させてい
る。
増大するために、熱伝導率が燃料よりも大きな非燃料物
質を混合させることにより、全体としての燃料温度低減
を図ったり、また、炉心・燃料の性能向上のために核燃
料要素１０内に粒状物質の混在を径方向に分割させてい
る。
【００６４】具体的には、核燃料要素１０の中で燃料物
質自身の粒状燃料と燃料親物質・非燃料物質（希釈材物
質・中性子吸収物質）粒子に径方向密度分布をもたせる
ことで軽水炉・高速炉システムにおいて、燃料サイクル
の柔軟性を増加させることができる。すなわち、長期的
に原子力におけるウラン資源の有効活用とプルトニウム
燃料利用手段の選択肢増大のために、現行燃料よりも経
済性のある燃料サイクルを提供することができる。
質自身の粒状燃料と燃料親物質・非燃料物質（希釈材物
質・中性子吸収物質）粒子に径方向密度分布をもたせる
ことで軽水炉・高速炉システムにおいて、燃料サイクル
の柔軟性を増加させることができる。すなわち、長期的
に原子力におけるウラン資源の有効活用とプルトニウム
燃料利用手段の選択肢増大のために、現行燃料よりも経
済性のある燃料サイクルを提供することができる。
【００６５】図４は、本発明に係る核燃料要素の第１実
施形態における変形例を示すものである。
施形態における変形例を示すものである。
【００６６】この変形例に示された核燃料要素１０は、
金属被覆管である外側被覆管１１内に収容される内管１
２Ａの平断面形状を変化させたものである。この内管１
２Ａは例えば変形三角形状あるいは三葉形状の領域分割
用内管を形成しており、外側被覆管１１内に領域分割用
内管１２Ａを収納させたものである。この場合にも、第
１実施形態で示すものと同様の作用効果を奏する。
金属被覆管である外側被覆管１１内に収容される内管１
２Ａの平断面形状を変化させたものである。この内管１
２Ａは例えば変形三角形状あるいは三葉形状の領域分割
用内管を形成しており、外側被覆管１１内に領域分割用
内管１２Ａを収納させたものである。この場合にも、第
１実施形態で示すものと同様の作用効果を奏する。
【００６７】内管１２Ａの平断面形状は変形三角形状に
限定されず、種々の変形が考えられる。
限定されず、種々の変形が考えられる。
【００６８】図５および図６は粒状物質充填装置を示す
縦断面図および平面図である。
縦断面図および平面図である。
【００６９】図５および図６は、粒状物質を径方向２領
域（中央領域１４と周辺領域１５）に分割して同時に振
動充填可能な粒状物質充填装置２０を示すものである。
この粒状物質充填装置２０は、振動台２１と二重構造の
ホッパ２２とを有する。振動台２１上には、空の核燃料
要素１０が設置され、支持される。このとき核燃料要素
１０は上部端栓１７を取り付けない状態である。核燃料
要素１０の外側被覆管１１および内管１２に二重管ホッ
パ２２が嵌合せしめられる。
域（中央領域１４と周辺領域１５）に分割して同時に振
動充填可能な粒状物質充填装置２０を示すものである。
この粒状物質充填装置２０は、振動台２１と二重構造の
ホッパ２２とを有する。振動台２１上には、空の核燃料
要素１０が設置され、支持される。このとき核燃料要素
１０は上部端栓１７を取り付けない状態である。核燃料
要素１０の外側被覆管１１および内管１２に二重管ホッ
パ２２が嵌合せしめられる。
【００７０】二重管ホッパ２２は、核燃料要素１０の中
央領域１４と周辺領域１５に粒状物質を同時に充填させ
るため、ロート状を示す外側ホッパ２３と内側ホッパ２
４とからほぼ同心円状に構成される。外側ホッパ２３の
ガイド筒２５は核燃料要素１０の外側被覆管１１に嵌入
され、また、内側ホッパ２４のガイド筒２６は内側被覆
管１２に嵌入され、粒状物質の挿入がガイドされる。内
側ホッパ２４のガイド筒２６は内側被覆管に外嵌される
中間ガイド筒２７で覆われて二重管構造に形成され、こ
の中間ガイド筒２７により粒状物質が内側被覆管１２の
頂部に滞溜することなくスムーズに案内される。
央領域１４と周辺領域１５に粒状物質を同時に充填させ
るため、ロート状を示す外側ホッパ２３と内側ホッパ２
４とからほぼ同心円状に構成される。外側ホッパ２３の
ガイド筒２５は核燃料要素１０の外側被覆管１１に嵌入
され、また、内側ホッパ２４のガイド筒２６は内側被覆
管１２に嵌入され、粒状物質の挿入がガイドされる。内
側ホッパ２４のガイド筒２６は内側被覆管に外嵌される
中間ガイド筒２７で覆われて二重管構造に形成され、こ
の中間ガイド筒２７により粒状物質が内側被覆管１２の
頂部に滞溜することなくスムーズに案内される。
【００７１】二重管ホッパ２２の内側ホッパ２４は核燃
料要素１０の中央領域１４に粒状物質で振動充填法で充
填させるようになっており、外側ホッパ２５は核燃料要
素１０の周辺領域（外側領域）１５に粒状物質を充填さ
せるようになっている。核燃料要素１０の各領域１４，
１５に充填される粒状物質（粒子）の最大サイズはホッ
パ出口の幅又は直径の約１／７以下とすることが好まし
い。
料要素１０の中央領域１４に粒状物質で振動充填法で充
填させるようになっており、外側ホッパ２５は核燃料要
素１０の周辺領域（外側領域）１５に粒状物質を充填さ
せるようになっている。核燃料要素１０の各領域１４，
１５に充填される粒状物質（粒子）の最大サイズはホッ
パ出口の幅又は直径の約１／７以下とすることが好まし
い。
【００７２】核燃料要素１０の中央領域１４には粒径の
大きいウラン酸化物（ＵＯ2 ）燃料を配置するため、内
側ホッパ２４の出口直径は、外側ホッパ２３の出口幅よ
り大きくなるように形成されている。
大きいウラン酸化物（ＵＯ2 ）燃料を配置するため、内
側ホッパ２４の出口直径は、外側ホッパ２３の出口幅よ
り大きくなるように形成されている。
【００７３】この粒状物質充填装置２０においては、粒
状物質として粒状燃料物質または粒状の燃料親物質や非
核燃料物質を中央領域１４と周辺領域１５に同時に効率
よく振動充填させることができ、二重管ホッパ２２のホ
ッパ形状を適宜選択し、組合せることにより、従来の核
燃料要素に一様に充填するのと同等の時間で効率のよい
充填が可能となる。
状物質として粒状燃料物質または粒状の燃料親物質や非
核燃料物質を中央領域１４と周辺領域１５に同時に効率
よく振動充填させることができ、二重管ホッパ２２のホ
ッパ形状を適宜選択し、組合せることにより、従来の核
燃料要素に一様に充填するのと同等の時間で効率のよい
充填が可能となる。
【００７４】図７は本発明に係る核燃料要素の第１実施
形態における第１実施例を示すものである。
形態における第１実施例を示すものである。
【００７５】この実施例に示された核燃料要素１０Ａ
は、軽水炉用燃料に用いられるものであり、内部に粒状
のウラン酸化物（ＵＯ2 ）燃料が充填されて密封され
る。図１に示された核燃料要素１０と同じ構成には同一
符号を付して説明を省略する。
は、軽水炉用燃料に用いられるものであり、内部に粒状
のウラン酸化物（ＵＯ2 ）燃料が充填されて密封され
る。図１に示された核燃料要素１０と同じ構成には同一
符号を付して説明を省略する。
【００７６】図７に示された核燃料要素１０Ａは内部を
中央領域１４と外側領域である周辺領域１５とに区画し
て、径方向２領域構造としている。核燃料要素１０Ａ内
の中央領域１４と周辺領域１５でウラン２３５充填率の
異なる粒状ウラン酸化物燃料が分割して充填される。
中央領域１４と外側領域である周辺領域１５とに区画し
て、径方向２領域構造としている。核燃料要素１０Ａ内
の中央領域１４と周辺領域１５でウラン２３５充填率の
異なる粒状ウラン酸化物燃料が分割して充填される。
【００７７】図７では、核燃料要素１０Ａの中央領域１
４および周辺領域１５でそれぞれ３種類程度の粒子サイ
ズを使用する例を示している。ここで、中央領域１４の
充填密度が周辺領域１５の充填密度より低下させること
により、中央領域１４の発熱密度を一様充填密度の場合
に比べて低減させることができる。
４および周辺領域１５でそれぞれ３種類程度の粒子サイ
ズを使用する例を示している。ここで、中央領域１４の
充填密度が周辺領域１５の充填密度より低下させること
により、中央領域１４の発熱密度を一様充填密度の場合
に比べて低減させることができる。
【００７８】充填率が低い中央領域１４は実効熱伝導度
が周辺領域１５の高充填率領域の実効熱伝導率よりも低
下することには注意を要する。燃料温度が高くなるとＦ
Ｐガス放出率が増大する傾向があるために、図８（Ａ）
に示すように中央領域１４のウラン粒を大粒径化するよ
うにして、ＦＰ放出率を抑制する。
が周辺領域１５の高充填率領域の実効熱伝導率よりも低
下することには注意を要する。燃料温度が高くなるとＦ
Ｐガス放出率が増大する傾向があるために、図８（Ａ）
に示すように中央領域１４のウラン粒を大粒径化するよ
うにして、ＦＰ放出率を抑制する。
【００７９】同一のＵ２３５濃縮度の粒状燃料を使用し
て、核燃料要素１０Ａ内にＵ２３５充填率を径方向多領
域化し、中央領域１４と周辺領域１５に分割すると、燃
料の平均温度低下をもたらす作用効果が得られる。この
核燃料要素１０Ａにはつぎの２つがある。
て、核燃料要素１０Ａ内にＵ２３５充填率を径方向多領
域化し、中央領域１４と周辺領域１５に分割すると、燃
料の平均温度低下をもたらす作用効果が得られる。この
核燃料要素１０Ａにはつぎの２つがある。
【００８０】ａ）中央領域１４の粒状燃料の粒子サイズ
成分数を周辺領域１５の粒子サイズ成分数よりも少なく
する。 ｂ）同時に、中央領域１４の粒子サイズを大きくする。
成分数を周辺領域１５の粒子サイズ成分数よりも少なく
する。 ｂ）同時に、中央領域１４の粒子サイズを大きくする。
【００８１】この核燃料要素１０Ａの基本的な構成は同
一のウラン濃縮度の燃料物質のみを使用し、粒子サイズ
成分数を中央領域で減ずることにより、Ｕ２３５充填率
を変更する。上述のａ）の様に中央領域１４の出力密度
を低減することにより中央領域１４の燃料発熱を一様の
充填密度の場合より低くする。例えば中央領域１４を１
種類の顆粒サイズとするとマクロ密度は約６２％の充填
率となり、周辺領域１５を３種類の粒径サイズで構成す
ると８５％程度以上の充填率とすることができる。
一のウラン濃縮度の燃料物質のみを使用し、粒子サイズ
成分数を中央領域で減ずることにより、Ｕ２３５充填率
を変更する。上述のａ）の様に中央領域１４の出力密度
を低減することにより中央領域１４の燃料発熱を一様の
充填密度の場合より低くする。例えば中央領域１４を１
種類の顆粒サイズとするとマクロ密度は約６２％の充填
率となり、周辺領域１５を３種類の粒径サイズで構成す
ると８５％程度以上の充填率とすることができる。
【００８２】核燃料要素１０Ａの中央領域１４と周辺領
域１５の充填比率は炉心体系により最適化する必要があ
る。最適化は、同一ウラン濃縮度の原料粒子の分級サイ
ズの問題に帰着し、製造工程は同一となる振動充填の利
点は失われない。燃料製造工程の工程数が少なく、燃料
製造の簡素化、コスト低減を図ることができる。
域１５の充填比率は炉心体系により最適化する必要があ
る。最適化は、同一ウラン濃縮度の原料粒子の分級サイ
ズの問題に帰着し、製造工程は同一となる振動充填の利
点は失われない。燃料製造工程の工程数が少なく、燃料
製造の簡素化、コスト低減を図ることができる。
【００８３】ウラン濃縮度は炉心全体に対する反応度条
件、取出し燃焼度条件などの要求により設定される。
件、取出し燃焼度条件などの要求により設定される。
【００８４】次に、軽水炉用燃料としての核燃料要素１
０Ｂの他の構成例を説明する。
０Ｂの他の構成例を説明する。
【００８５】この核燃料要素１０Ｂの構成は、図７およ
び図８（Ａ），（Ｂ）に示されるものと異ならないの
で、図７および図８（Ａ），（Ｂ）を参照して説明す
る。
び図８（Ａ），（Ｂ）に示されるものと異ならないの
で、図７および図８（Ａ），（Ｂ）を参照して説明す
る。
【００８６】この核燃料要素１０Ｂは、中央領域１４と
周辺領域１５で粒状ウラン酸化物燃料（粒状ＵＯ2 燃
料）と粒状の希釈物質である非燃料物質との混在割合
（混合割合）を異にして充填したものである。粒状非燃
料物質は融点が高く中性子吸収断面積の小さな希釈物質
であり、例えばアルミナやシリコンカーバイト等があ
る。この核燃料要素１０Ｂは、金属被覆管１１内に粒状
ウラン酸化物燃料と希釈物質である粒状非燃料物質とを
充填させたものである。粒状ウラン酸化物燃料と粒状非
燃料物質を混在させ、核燃料要素１０Ｂ内を領域分割さ
せることにより、燃料温度の低減が図れる。
周辺領域１５で粒状ウラン酸化物燃料（粒状ＵＯ2 燃
料）と粒状の希釈物質である非燃料物質との混在割合
（混合割合）を異にして充填したものである。粒状非燃
料物質は融点が高く中性子吸収断面積の小さな希釈物質
であり、例えばアルミナやシリコンカーバイト等があ
る。この核燃料要素１０Ｂは、金属被覆管１１内に粒状
ウラン酸化物燃料と希釈物質である粒状非燃料物質とを
充填させたものである。粒状ウラン酸化物燃料と粒状非
燃料物質を混在させ、核燃料要素１０Ｂ内を領域分割さ
せることにより、燃料温度の低減が図れる。
【００８７】燃料温度の低減手段に用いられる粒状非核
燃料物質は、高温でも溶融せず安定な物質でウラン酸化
物よりも大きい熱伝導度をもつことが条件である。粒状
非核燃料物質には例えば酸化アルミニウム（アルミナ）
やアルミニウム・マグネシム酸化物（コランダム）等の
粒子があり、以下の例ではアルミナ粒子として記述す
る。これらの物質は中性子吸収断面積が小さい希釈物質
といえる。このアルミナ粒子とウラン燃料顆粒の混合が
考えられる。燃料マクロ密度が径方向に一様な場合で
も、熱伝導度はアルミナ粒子の方が大きいので、適切な
粒子サイズになっている双方の粒子を充填した後の混合
状態の実効熱伝導度は、ウラン酸化物顆粒のみの状態よ
りも同一の充填率に対して大きくなる。この場合は、ウ
ラン充填密度を高くするような粒径サイズ分布を選択す
ることになる。
燃料物質は、高温でも溶融せず安定な物質でウラン酸化
物よりも大きい熱伝導度をもつことが条件である。粒状
非核燃料物質には例えば酸化アルミニウム（アルミナ）
やアルミニウム・マグネシム酸化物（コランダム）等の
粒子があり、以下の例ではアルミナ粒子として記述す
る。これらの物質は中性子吸収断面積が小さい希釈物質
といえる。このアルミナ粒子とウラン燃料顆粒の混合が
考えられる。燃料マクロ密度が径方向に一様な場合で
も、熱伝導度はアルミナ粒子の方が大きいので、適切な
粒子サイズになっている双方の粒子を充填した後の混合
状態の実効熱伝導度は、ウラン酸化物顆粒のみの状態よ
りも同一の充填率に対して大きくなる。この場合は、ウ
ラン充填密度を高くするような粒径サイズ分布を選択す
ることになる。
【００８８】この核燃料要素１０Ｂの具体例としては、
中央領域１４の充填燃料では粒サイズ大の物質３０はウ
ラン酸化物粒であり、粒サイズ小の物質３２はアルミナ
粒子が中心となる。中サイズ粒子３１はウラン酸化物と
アルミナの双方からなるものを使用する。
中央領域１４の充填燃料では粒サイズ大の物質３０はウ
ラン酸化物粒であり、粒サイズ小の物質３２はアルミナ
粒子が中心となる。中サイズ粒子３１はウラン酸化物と
アルミナの双方からなるものを使用する。
【００８９】この場合、核燃料要素１０Ｂの外側領域
（周辺領域）１５にはアルミナの充填率を低くするか、
無しとし、Ｕ２３５の装荷量を多くして核的な性能向上
を図る例がある。この核燃料要素１０Ｂは燃料温度の低
減には有効であり、燃焼度増大に役立つ。この場合は、
マクロ充填密度を高くするような粒径サイズ分布を選択
することになる。
（周辺領域）１５にはアルミナの充填率を低くするか、
無しとし、Ｕ２３５の装荷量を多くして核的な性能向上
を図る例がある。この核燃料要素１０Ｂは燃料温度の低
減には有効であり、燃焼度増大に役立つ。この場合は、
マクロ充填密度を高くするような粒径サイズ分布を選択
することになる。
【００９０】核燃料要素１０Ｂでは、内部を中央部と周
辺部に区画し、核燃料要素１０Ｂの径方向にマクロ充填
密度の変化または物質成分割合の変化をさせることで燃
料温度の低減と実効的なウラン量減少の抑制を果たすこ
とができる。
辺部に区画し、核燃料要素１０Ｂの径方向にマクロ充填
密度の変化または物質成分割合の変化をさせることで燃
料温度の低減と実効的なウラン量減少の抑制を果たすこ
とができる。
【００９１】軽水炉では核燃料要素１０Ｂの発熱分布は
燃料の周辺領域１５が大きい。実効的に燃料周辺領域１
５のＵ２３５の存在密度が大きいことが有効で、中央領
域１４はＵ２３５の密度が低減していても影響は小さ
い。そこで、核燃料要素１０Ｂの中央領域１４には、ア
ルミナをある程度混在させることにより、Ｕ２３５密度
のマクロ密度が周辺領域１５より低下することになり、
発熱の低減効果以上に、実効熱伝導度の増大による燃料
温度低下が生じ、同時に、周辺領域１５ではＵ２３５密
度の確保による炉心反応度への影響が少なくすることが
できる。
燃料の周辺領域１５が大きい。実効的に燃料周辺領域１
５のＵ２３５の存在密度が大きいことが有効で、中央領
域１４はＵ２３５の密度が低減していても影響は小さ
い。そこで、核燃料要素１０Ｂの中央領域１４には、ア
ルミナをある程度混在させることにより、Ｕ２３５密度
のマクロ密度が周辺領域１５より低下することになり、
発熱の低減効果以上に、実効熱伝導度の増大による燃料
温度低下が生じ、同時に、周辺領域１５ではＵ２３５密
度の確保による炉心反応度への影響が少なくすることが
できる。
【００９２】次に軽水炉用燃料としての核燃料要素のさ
らに他の構成例を説明する。
らに他の構成例を説明する。
【００９３】この核燃料要素１０Ｃは、粒状ウラン酸化
物燃料（粒状ＵＯ2 燃料）と粒状中性子吸収物質であ
る。非燃料物質との混在割合を異にして充填したもので
ある。核燃料要素１０Ｃの全体的な構成は図７および図
８（Ａ），（Ｂ）に示されたものと異ならないので、こ
の図面を参照する。
物燃料（粒状ＵＯ2 燃料）と粒状中性子吸収物質であ
る。非燃料物質との混在割合を異にして充填したもので
ある。核燃料要素１０Ｃの全体的な構成は図７および図
８（Ａ），（Ｂ）に示されたものと異ならないので、こ
の図面を参照する。
【００９４】粒状非燃料物質は、融点が高く中性子吸収
断面積の大きな非燃料物質である中性子吸収物質であ
り、例えばボロンカーバイド（Ｂ4 Ｃ）、酸化ガドリニ
ウム、酸化ユーロピウム、酸化ハフニウム等がある。こ
の核燃料要素１０Ｃは、中央領域１４と周辺領域１５に
おいて粒状ＵＯ2 燃料と粒状中性子吸収物質の混在割合
（混合割合）が異なるようにして充填される。
断面積の大きな非燃料物質である中性子吸収物質であ
り、例えばボロンカーバイド（Ｂ4 Ｃ）、酸化ガドリニ
ウム、酸化ユーロピウム、酸化ハフニウム等がある。こ
の核燃料要素１０Ｃは、中央領域１４と周辺領域１５に
おいて粒状ＵＯ2 燃料と粒状中性子吸収物質の混在割合
（混合割合）が異なるようにして充填される。
【００９５】中性子吸収物質として中性子吸収断面積の
大きなガドリニアの場合について述べる。
大きなガドリニアの場合について述べる。
【００９６】中性子吸収物質として可燃性毒物であるガ
ドリニアと粒状ＵＯ2 燃料とを混合させ、かつ核燃料要
素１０Ｃ内の領域分割することにより燃料温度の低減を
図ることができる。核燃料要素１０Ｃ内にガドリニアを
混在させることにより、燃料熱伝導度の低下をもたらす
ことができる。
ドリニアと粒状ＵＯ2 燃料とを混合させ、かつ核燃料要
素１０Ｃ内の領域分割することにより燃料温度の低減を
図ることができる。核燃料要素１０Ｃ内にガドリニアを
混在させることにより、燃料熱伝導度の低下をもたらす
ことができる。
【００９７】粒状ＵＯ2 燃料を用いた核燃料要素１０Ｃ
において、中央領域１４にはガドリニアを少なく、ある
いは充填せず、外側領域１５にガドリニアを多く入れる
ことにより、熱中性子の多い外側領域１５でガドリニウ
ムを有効に燃焼させ、燃料取出し時のガドリニウムの燃
え残りを少なくすることができる。また、燃焼末期には
中央領域１４のウラン領域の発熱が有効になるようにす
ることで、他の核燃料要素の熱的負荷を低減させること
ができる。
において、中央領域１４にはガドリニアを少なく、ある
いは充填せず、外側領域１５にガドリニアを多く入れる
ことにより、熱中性子の多い外側領域１５でガドリニウ
ムを有効に燃焼させ、燃料取出し時のガドリニウムの燃
え残りを少なくすることができる。また、燃焼末期には
中央領域１４のウラン領域の発熱が有効になるようにす
ることで、他の核燃料要素の熱的負荷を低減させること
ができる。
【００９８】核燃料要素１０Ｃ内を径方向２領域化した
場合における粒状ＵＯ2 燃料と粒状中性子吸収物質であ
るガドリニアの粒子サイズの具体的な選択実施例を示
す。
場合における粒状ＵＯ2 燃料と粒状中性子吸収物質であ
るガドリニアの粒子サイズの具体的な選択実施例を示
す。
【００９９】図７において、核燃料要素１０Ｃの外側領
域１５に燃料粒子がガドリニア粒子と混在する場合、振
動充填の特徴である場合の自由度の大きさを活用して、
スメア密度を８５％程度以上の達成のために次の混合比
を用いることができる。一方、ガドリニアを混合するＵ
Ｏ2 ペレットでは形成加工等の条件をガドリニア混合率
とともに調整し、ペレット化技術を開発していく必要が
生ずる。
域１５に燃料粒子がガドリニア粒子と混在する場合、振
動充填の特徴である場合の自由度の大きさを活用して、
スメア密度を８５％程度以上の達成のために次の混合比
を用いることができる。一方、ガドリニアを混合するＵ
Ｏ2 ペレットでは形成加工等の条件をガドリニア混合率
とともに調整し、ペレット化技術を開発していく必要が
生ずる。
【０１００】３種類の粒子サイズ充填された核燃料要素
１０Ｃでは例えば、図８（Ｂ）において外側領域１５で
は大粒子３３はウラン酸化物で約６０ vol％、中粒子３
４はウラン酸化物粒を中心にガドリニア粒で約２０ vol
％、小粒子３５はガドリニアを中心にウラン酸化物で約
２０ vol％とする。外側領域１５平均ではガドリニアの
粒子数割合を２０ vol％以上とする。
１０Ｃでは例えば、図８（Ｂ）において外側領域１５で
は大粒子３３はウラン酸化物で約６０ vol％、中粒子３
４はウラン酸化物粒を中心にガドリニア粒で約２０ vol
％、小粒子３５はガドリニアを中心にウラン酸化物で約
２０ vol％とする。外側領域１５平均ではガドリニアの
粒子数割合を２０ vol％以上とする。
【０１０１】中央領域１４では、熱中性子束レベルが低
く、ガドリニアの燃え残りが発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくする。大粒子３０はウラン酸化物で約６０ vol
％、中粒子３１はウラン酸化物粒で約２０ vol％、小粒
子３２はガドリニア粒とウラン酸化物とでそれぞれ約１
０ vol％ずつとする。これにより、ガドリニア１０ vol
％以上とすることができる。この結果、現行のペレット
燃料として利用されているガドリニア割合が１０ vol％
程度より大きくなり、運転サイクル長さの増大・ガドリ
ニア入り核燃料棒の数の減少によるウラン棒の増大によ
る熱負荷の平均化の可能性がある。
く、ガドリニアの燃え残りが発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくする。大粒子３０はウラン酸化物で約６０ vol
％、中粒子３１はウラン酸化物粒で約２０ vol％、小粒
子３２はガドリニア粒とウラン酸化物とでそれぞれ約１
０ vol％ずつとする。これにより、ガドリニア１０ vol
％以上とすることができる。この結果、現行のペレット
燃料として利用されているガドリニア割合が１０ vol％
程度より大きくなり、運転サイクル長さの増大・ガドリ
ニア入り核燃料棒の数の減少によるウラン棒の増大によ
る熱負荷の平均化の可能性がある。
【０１０２】ガドリニア粒がウラン酸化物粒と混在され
ている核燃料要素１０Ｃ内を径方向２領域化する場合、
外側領域１５に混在されたガドリニアはバーナブルポイ
ズンとして利用される。熱中性子炉では核燃料要素１０
Ｃの表面で反応が生ずる割合が圧倒的に大きく、ポイズ
ン元素の核変換による燃焼により相対的に出力上昇す
る。この核分裂反応も核燃料要素１０Ｃ表面で生ずる割
合が多いので、燃料に伴い核燃料要素表面の出力変動が
大きくなる。粒体燃料では燃料被覆管への応力は粒体の
特性により緩和することが期待できるので、従来のペレ
ット燃料の場合よりも有利である。しかし、燃料被覆間
表面の燃料温度変化幅は小さいことが望まれる。そのた
めに、外側領域１５の実効熱伝導度を高くするために、
ウラン酸化物・ガドリニアの熱伝導度よりも大きなアル
ミナを混在させ、最高温度を低減しておくことが好まし
い。
ている核燃料要素１０Ｃ内を径方向２領域化する場合、
外側領域１５に混在されたガドリニアはバーナブルポイ
ズンとして利用される。熱中性子炉では核燃料要素１０
Ｃの表面で反応が生ずる割合が圧倒的に大きく、ポイズ
ン元素の核変換による燃焼により相対的に出力上昇す
る。この核分裂反応も核燃料要素１０Ｃ表面で生ずる割
合が多いので、燃料に伴い核燃料要素表面の出力変動が
大きくなる。粒体燃料では燃料被覆管への応力は粒体の
特性により緩和することが期待できるので、従来のペレ
ット燃料の場合よりも有利である。しかし、燃料被覆間
表面の燃料温度変化幅は小さいことが望まれる。そのた
めに、外側領域１５の実効熱伝導度を高くするために、
ウラン酸化物・ガドリニアの熱伝導度よりも大きなアル
ミナを混在させ、最高温度を低減しておくことが好まし
い。
【０１０３】次に、核燃料要素１０Ｄ内に粒状ＵＯ2 燃
料と中性子吸収断面積の大きな粒状非燃料物質と中性子
吸収断面積の小さな粒状非燃料物質とが混在している軽
水炉燃料の第３構成例を説明する。
料と中性子吸収断面積の大きな粒状非燃料物質と中性子
吸収断面積の小さな粒状非燃料物質とが混在している軽
水炉燃料の第３構成例を説明する。
【０１０４】この軽水炉燃料に用いられる核燃料要素１
０Ｄの全体的な構成は図７および図８（Ａ），（Ｂ）に
示すものと異ならないので、この図面を参照して述べ
る。
０Ｄの全体的な構成は図７および図８（Ａ），（Ｂ）に
示すものと異ならないので、この図面を参照して述べ
る。
【０１０５】この核燃料要素１０Ｄは、金属被覆管１１
内に粒状ウラン酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸
収断面積の大きな非燃料物質（中性子吸収物質）と中性
子吸収断面積の小さな非燃料物質（希釈物質）が混在し
て密封されている。核燃料要素１０Ｄ内は中央領域１４
と周辺領域１５との径方向領域に区画されており、この
中央領域１４と周辺領域１５とで中性子吸収物質や希釈
物質の混在割合（混合割合）が異なるように充填されて
いる。
内に粒状ウラン酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸
収断面積の大きな非燃料物質（中性子吸収物質）と中性
子吸収断面積の小さな非燃料物質（希釈物質）が混在し
て密封されている。核燃料要素１０Ｄ内は中央領域１４
と周辺領域１５との径方向領域に区画されており、この
中央領域１４と周辺領域１５とで中性子吸収物質や希釈
物質の混在割合（混合割合）が異なるように充填されて
いる。
【０１０６】粒状希釈物質と粒状中性子吸収物質と同一
Ｕ２３５濃縮度をもつ粒状ウラン酸化物顆粒とを組合せ
成分とし、かつ核燃料要素１０Ｄ内を径方向２領域分割
により、燃料平均温度を低減させることができる。核燃
料要素１０Ｄの中央部と周辺部の実効熱伝導の調整と発
熱分布の調整を、振動充填されるこれらの粒状物質混合
割合または粒子サイズ分級の調整により行うものであ
る。
Ｕ２３５濃縮度をもつ粒状ウラン酸化物顆粒とを組合せ
成分とし、かつ核燃料要素１０Ｄ内を径方向２領域分割
により、燃料平均温度を低減させることができる。核燃
料要素１０Ｄの中央部と周辺部の実効熱伝導の調整と発
熱分布の調整を、振動充填されるこれらの粒状物質混合
割合または粒子サイズ分級の調整により行うものであ
る。
【０１０７】この核燃料要素１０Ｄの具体例として、核
燃料要素１０Ｄ内にウラン酸化物粒、ガドリニア粒およ
びアルミナ粒が充填される例を示す。これらの３種類の
粒子サイズでは例えば、図８（Ｂ）において外側領域１
５では大粒子３３はウラン酸化物で約６０ vol％、中粒
子３４はウラン酸化物粒を中心にガドリニア粒で約２０
vol％、小粒子３５はガドリニアを中心にアルミナ粒と
ウラン酸化物粒で約２０ vol％とする。中央領域１４で
は、熱中性子束レベルが低く、ガドリニアの燃え残りが
発生しやすいので、実質的にはガドリニアの割合を外側
領域１５の割合よりも少なくする。ここでは、アルミナ
粒を使用しない例とした。中央領域１４の大粒子３０は
ウラン酸化物で約６０ vol％、中粒子３１はウラン酸化
物粒で約２０ vol％、小粒子３２はガドリニア粒を１０
vol％程度とウラン酸化物を約１０ vol％とする。これ
ら大粒子３０、中粒子３１および小粒子３２の混合割合
は種々の変形が考えられる。
燃料要素１０Ｄ内にウラン酸化物粒、ガドリニア粒およ
びアルミナ粒が充填される例を示す。これらの３種類の
粒子サイズでは例えば、図８（Ｂ）において外側領域１
５では大粒子３３はウラン酸化物で約６０ vol％、中粒
子３４はウラン酸化物粒を中心にガドリニア粒で約２０
vol％、小粒子３５はガドリニアを中心にアルミナ粒と
ウラン酸化物粒で約２０ vol％とする。中央領域１４で
は、熱中性子束レベルが低く、ガドリニアの燃え残りが
発生しやすいので、実質的にはガドリニアの割合を外側
領域１５の割合よりも少なくする。ここでは、アルミナ
粒を使用しない例とした。中央領域１４の大粒子３０は
ウラン酸化物で約６０ vol％、中粒子３１はウラン酸化
物粒で約２０ vol％、小粒子３２はガドリニア粒を１０
vol％程度とウラン酸化物を約１０ vol％とする。これ
ら大粒子３０、中粒子３１および小粒子３２の混合割合
は種々の変形が考えられる。
【０１０８】図９は本発明に係る核燃料要素の第１実施
形態における第２実施例を示すものである。
形態における第２実施例を示すものである。
【０１０９】この実施例に示された核燃料要素４０Ａ
は、ウラン不使用型核燃料要素であり、軽水炉用あるい
は高速炉用燃料として使用される。全体的な構成は、図
１に示された核燃料要素１０と共通する部分が多く、同
じ構成には同一符号を付して説明する。
は、ウラン不使用型核燃料要素であり、軽水炉用あるい
は高速炉用燃料として使用される。全体的な構成は、図
１に示された核燃料要素１０と共通する部分が多く、同
じ構成には同一符号を付して説明する。
【０１１０】図９に示されたウラン不使用型核燃料要素
４０Ａは、金属被覆管１１内を領域分割用内管（内管）
１２で中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域に分
割し、金属被覆管１１内の径方向２領域で粒状ＰｕＯ2
燃料の充填率が異なるように分割して充填させたもので
ある。
４０Ａは、金属被覆管１１内を領域分割用内管（内管）
１２で中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域に分
割し、金属被覆管１１内の径方向２領域で粒状ＰｕＯ2
燃料の充填率が異なるように分割して充填させたもので
ある。
【０１１１】プルトニウム酸化物顆粒を使用する核燃料
要素４０Ａ内の径方向２領域分割により、燃料最高温度
の低減を図るようにしたものであり、基本的にはプルト
ニウムをウランと混合せずに燃料として利用する。軽水
炉・高速炉の場合のいずれにおいても、ウランを構成す
る主成分であるＵ２３８を使用しなかったり、または大
幅に混在量を低減させることによりプルトニウム炉心反
応度への影響が大きいことになる。
要素４０Ａ内の径方向２領域分割により、燃料最高温度
の低減を図るようにしたものであり、基本的にはプルト
ニウムをウランと混合せずに燃料として利用する。軽水
炉・高速炉の場合のいずれにおいても、ウランを構成す
る主成分であるＵ２３８を使用しなかったり、または大
幅に混在量を低減させることによりプルトニウム炉心反
応度への影響が大きいことになる。
【０１１２】プルトニウム酸化物燃料の融点はウランの
融点より低いので、中心温度の低減方策として、発熱分
布の調整のために中央領域１４のプルトニウム酸化物の
充填率を低減し発熱量を小さくすることにより、反応度
の低減と同時に行うものである。燃料中心温度の低減の
ためには中央領域１４には粒状プルトニウム酸化物だけ
でなく、熱伝導度の大きい希釈物質との組合せ手段が更
に効果的なものとなる。
融点より低いので、中心温度の低減方策として、発熱分
布の調整のために中央領域１４のプルトニウム酸化物の
充填率を低減し発熱量を小さくすることにより、反応度
の低減と同時に行うものである。燃料中心温度の低減の
ためには中央領域１４には粒状プルトニウム酸化物だけ
でなく、熱伝導度の大きい希釈物質との組合せ手段が更
に効果的なものとなる。
【０１１３】図９に示されたウラン不使用の核燃料要素
は、４０Ａは内部が径方向２領域に分割されたとおり、
中央領域１４には例えば３種類の粒子サイズからなるプ
ルトニウム酸化物燃料が充填され、スメア密度を８０％
ないし８５％としている。中央領域１４の周辺領域であ
る外側領域１５は一種類の粒子サイズで構成し、充填ス
メア密度を約６０％に低減させる。外側領域１５の粒子
サイズを一種類とすることで、全体として核燃料要素４
０Ａ内のスメア密度を低減させることができる。
は、４０Ａは内部が径方向２領域に分割されたとおり、
中央領域１４には例えば３種類の粒子サイズからなるプ
ルトニウム酸化物燃料が充填され、スメア密度を８０％
ないし８５％としている。中央領域１４の周辺領域であ
る外側領域１５は一種類の粒子サイズで構成し、充填ス
メア密度を約６０％に低減させる。外側領域１５の粒子
サイズを一種類とすることで、全体として核燃料要素４
０Ａ内のスメア密度を低減させることができる。
【０１１４】この核燃料要素４０Ａでは、中央領域１４
の充填密度を外側領域１５の充填密度より若干高くする
ことで、中央領域１４の実効熱伝導度が外側領域１５よ
り高くすることができ、運転初期に図３に示すような燃
料組織変化に対応する炉出力を、径方向一様な場合より
高くすることができる。
の充填密度を外側領域１５の充填密度より若干高くする
ことで、中央領域１４の実効熱伝導度が外側領域１５よ
り高くすることができ、運転初期に図３に示すような燃
料組織変化に対応する炉出力を、径方向一様な場合より
高くすることができる。
【０１１５】ウラン不使用の核燃料要素４０Ａにおい
て、金属被覆管１１内に粒状プルトニウム酸化物粒燃料
のみを充填する例では、核燃料要素４０Ａのプルトニウ
ムの存在密度が大きいので、希釈要素・希釈集合体・減
速材集合体を必要とする。これらの集合体の配置は反応
度調整と出力分布平坦化を目標として行われることにな
る。
て、金属被覆管１１内に粒状プルトニウム酸化物粒燃料
のみを充填する例では、核燃料要素４０Ａのプルトニウ
ムの存在密度が大きいので、希釈要素・希釈集合体・減
速材集合体を必要とする。これらの集合体の配置は反応
度調整と出力分布平坦化を目標として行われることにな
る。
【０１１６】一方、炉心のコンパクト化のためには炉心
構成に希釈集合体・減速材集合体を使用しないで、要求
される臨界性・反応度係数などの炉心反応度と出力分布
を同時に調整することが重要である。ウラン不使用型炉
心では、中性子吸収物質であるＵ238 が存在しないの
で、プルトニウム酸化物の存在密度を大幅に低減するこ
とと、領域の熱伝導度を改善するために、融点が高く中
性子吸収断面積の小さな非燃料物質を混在させるとよ
い。非燃料物質としては、例えば前述のアルミナやシリ
コンカーバイド等の希釈物質がある。
構成に希釈集合体・減速材集合体を使用しないで、要求
される臨界性・反応度係数などの炉心反応度と出力分布
を同時に調整することが重要である。ウラン不使用型炉
心では、中性子吸収物質であるＵ238 が存在しないの
で、プルトニウム酸化物の存在密度を大幅に低減するこ
とと、領域の熱伝導度を改善するために、融点が高く中
性子吸収断面積の小さな非燃料物質を混在させるとよ
い。非燃料物質としては、例えば前述のアルミナやシリ
コンカーバイド等の希釈物質がある。
【０１１７】ウラン不使用型炉心は、従来のウラン・プ
ルトニウム混合酸化物（ＭＯＸ）燃料炉心の特性と大幅
に異なる。原子炉の安全性の確保と関連する基本のフィ
ードバック係数であるドップラー反応度および冷却材反
応度については余裕を持つように燃料材料の種類と炉心
の基本仕様を選択することになる。負のフィードバック
係数であるドップラー効果を確保し、冷却材の密度係数
・温度係数を負値とし、その絶対値をある程度小さくす
ることが必要である。高速スペクトル型炉心で、希釈物
質としてアルミナを選択した燃料要素例を図１１に示
す。
ルトニウム混合酸化物（ＭＯＸ）燃料炉心の特性と大幅
に異なる。原子炉の安全性の確保と関連する基本のフィ
ードバック係数であるドップラー反応度および冷却材反
応度については余裕を持つように燃料材料の種類と炉心
の基本仕様を選択することになる。負のフィードバック
係数であるドップラー効果を確保し、冷却材の密度係数
・温度係数を負値とし、その絶対値をある程度小さくす
ることが必要である。高速スペクトル型炉心で、希釈物
質としてアルミナを選択した燃料要素例を図１１に示
す。
【０１１８】図１１は本発明に係る核燃料要素の第１実
施形態における第３実施例を示すものである。
施形態における第３実施例を示すものである。
【０１１９】この実施例に示された核燃料要素４０Ｂは
ウラン不使用型で高速炉用燃料に適したものである。こ
のウラン不使用型核燃料要素４０Ｂは、全体的な構成は
図１に示すものと異ならないので、同じ構成に同一符号
を付して説明する。
ウラン不使用型で高速炉用燃料に適したものである。こ
のウラン不使用型核燃料要素４０Ｂは、全体的な構成は
図１に示すものと異ならないので、同じ構成に同一符号
を付して説明する。
【０１２０】核燃料要素４０Ｂは外側被覆管である金属
被覆管１１内に内側被覆管である領域分割用内管１２が
収容され、中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域
に分割される。金属被覆管１１内には、粒状プルトニウ
ム酸化物燃料（粒状ＰｕＯ2燃料）とともに、非燃料物
質である希釈物質が混在して収納される。粒状ＰｕＯ2
燃料と希釈物質の混合割合は、核燃料要素４０Ｂ内の中
央領域１４と周辺領域１５で異なるように充填される。
被覆管１１内に内側被覆管である領域分割用内管１２が
収容され、中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域
に分割される。金属被覆管１１内には、粒状プルトニウ
ム酸化物燃料（粒状ＰｕＯ2燃料）とともに、非燃料物
質である希釈物質が混在して収納される。粒状ＰｕＯ2
燃料と希釈物質の混合割合は、核燃料要素４０Ｂ内の中
央領域１４と周辺領域１５で異なるように充填される。
【０１２１】ところで、高速炉系のナトリウム冷却炉で
プルトニウム酸化物とアルミナの混合燃料を使用した結
果を、従来のペレット型ＭＯＸ燃料炉心体系の特性と比
較して表１に炉心基本仕様とともに示す。表１はウラン
不使用型高速炉炉心と従来のＭＯＸ燃料炉心の特性比較
を６００Ｍｗｅ級炉心に適用して表わしたものである。
プルトニウム酸化物とアルミナの混合燃料を使用した結
果を、従来のペレット型ＭＯＸ燃料炉心体系の特性と比
較して表１に炉心基本仕様とともに示す。表１はウラン
不使用型高速炉炉心と従来のＭＯＸ燃料炉心の特性比較
を６００Ｍｗｅ級炉心に適用して表わしたものである。
【０１２２】
【表１】
【０１２３】このウラン不使用の高速炉炉心体系では、
従来のＭＯＸ燃料炉心体系に比べて炉心の中性子スペク
トルは軟らかい。燃料中のプルトニウムに比較して酸素
が原子数の比率として大量に存在するためである。この
ウラン不使用炉心の体積は比較用従来型混合酸化物（Ｍ
ＯＸ）燃料炉心よりも大きく平均出力密度を低減させて
いるが、燃焼度は大幅に増大している。
従来のＭＯＸ燃料炉心体系に比べて炉心の中性子スペク
トルは軟らかい。燃料中のプルトニウムに比較して酸素
が原子数の比率として大量に存在するためである。この
ウラン不使用炉心の体積は比較用従来型混合酸化物（Ｍ
ＯＸ）燃料炉心よりも大きく平均出力密度を低減させて
いるが、燃焼度は大幅に増大している。
【０１２４】ウラン不使用の場合は燃焼による反応度減
少が大きくなることも示されている。特に、高速炉炉心
体系では、内部転換比が従来の混合酸化物燃料を使用す
る場合には０．６〜０．８であるが、ウラン不使用の場
合は内部転換比が約０．２以下となり、核分裂性プルト
ニウムの燃焼による減少が速い。さらに、中性子吸収物
質であるＵ２３８がないことにより、運転に必要なプル
トニウム量が少なくても運転サイクル初期の臨界が達成
される。したがって、出力一定運転の場合には燃焼によ
るプルトニウム減少量が炉内インベントリーに比べて大
きい。
少が大きくなることも示されている。特に、高速炉炉心
体系では、内部転換比が従来の混合酸化物燃料を使用す
る場合には０．６〜０．８であるが、ウラン不使用の場
合は内部転換比が約０．２以下となり、核分裂性プルト
ニウムの燃焼による減少が速い。さらに、中性子吸収物
質であるＵ２３８がないことにより、運転に必要なプル
トニウム量が少なくても運転サイクル初期の臨界が達成
される。したがって、出力一定運転の場合には燃焼によ
るプルトニウム減少量が炉内インベントリーに比べて大
きい。
【０１２５】表１には示されていないが、制御棒価値に
ついては従来型ＭＯＸ燃料に使用されている濃縮ボロン
カーバイド使用の制御棒を使用しても、その価値が大幅
に低減することはない。これは燃料インベトリーの減少
と中性子スペクトルが軟らかいことにも起因している。
燃焼による反応度減少を補償して所定の制御棒本数で運
転するための余剰反応度を制約するとともに、１サイク
ル当りの運転日数を長期化するために出力密度を低減し
ている。
ついては従来型ＭＯＸ燃料に使用されている濃縮ボロン
カーバイド使用の制御棒を使用しても、その価値が大幅
に低減することはない。これは燃料インベトリーの減少
と中性子スペクトルが軟らかいことにも起因している。
燃焼による反応度減少を補償して所定の制御棒本数で運
転するための余剰反応度を制約するとともに、１サイク
ル当りの運転日数を長期化するために出力密度を低減し
ている。
【０１２６】冷却材ボイド反応度はこのウラン不使用高
速炉例では、軽い核種である酸素の残存量が多いために
中性子スペクトルが軟らかくなることから、従来型ＭＯ
Ｘ炉心の値よりも低減している。表１について比較する
と明確に示されている。従来型ＭＯＸ炉心では、約５＄
の正値であったものが、約−１＄と絶対値の小さな負値
になっている。また、中性子吸収材ボロンカーバイド等
を炉内に多く混在させると中性子スペクトルを硬くする
ウラン不使用型高速炉では、冷却材ボイド反応度は大き
な正値となり、反応度係数としては望ましくない。
速炉例では、軽い核種である酸素の残存量が多いために
中性子スペクトルが軟らかくなることから、従来型ＭＯ
Ｘ炉心の値よりも低減している。表１について比較する
と明確に示されている。従来型ＭＯＸ炉心では、約５＄
の正値であったものが、約−１＄と絶対値の小さな負値
になっている。また、中性子吸収材ボロンカーバイド等
を炉内に多く混在させると中性子スペクトルを硬くする
ウラン不使用型高速炉では、冷却材ボイド反応度は大き
な正値となり、反応度係数としては望ましくない。
【０１２７】ドップラー係数については、ウラン不使用
型高速炉ではＰｕ２４０，Ｐｕ２４２の寄与で負の値を
示している。これは前述のように中性子スペクトルを従
来型ＭＯＸ燃料炉心よりも軟らかくしていることが効い
ているが、絶対値は従来型ＭＯＸ燃料炉心の値よりも小
さく約半分である。また、Ｐｕ２４０，Ｐｕ２４２量は
燃料に使用されるＰｕ同位体組成比にも依存するもので
ある。
型高速炉ではＰｕ２４０，Ｐｕ２４２の寄与で負の値を
示している。これは前述のように中性子スペクトルを従
来型ＭＯＸ燃料炉心よりも軟らかくしていることが効い
ているが、絶対値は従来型ＭＯＸ燃料炉心の値よりも小
さく約半分である。また、Ｐｕ２４０，Ｐｕ２４２量は
燃料に使用されるＰｕ同位体組成比にも依存するもので
ある。
【０１２８】ウラン不使用型高速炉では、前述の反応度
係数の状況を考慮すると、ドップラー係数を強化する方
策として、顆粒状のプルトニウム酸化物燃料を充填した
核燃料要素４０Ｂ内で、中央領域１４のプルトニウム酸
化物の充填割合と周辺領域１５のプルトニウム酸化物の
充填割合をマクロ密度として異なる燃料を用いることが
有効である。
係数の状況を考慮すると、ドップラー係数を強化する方
策として、顆粒状のプルトニウム酸化物燃料を充填した
核燃料要素４０Ｂ内で、中央領域１４のプルトニウム酸
化物の充填割合と周辺領域１５のプルトニウム酸化物の
充填割合をマクロ密度として異なる燃料を用いることが
有効である。
【０１２９】図１１に示された核燃料要素４０Ｂでは、
粒状ＰｕＯ2 燃料とともに熱伝導度がプルトニウム酸化
物よりも高いアルミナ粒を混合使用している。中央領域
１４のプルトニウム酸化物の充填割合を高くし、周辺領
域１５でプルトニウムの充填割合を低下させる。これに
より、中央領域１５の線出力を高くすることにより燃料
最高温度の上昇量を大きくし、反応度投入事象に即発ド
ップラーフィードバックを大きくすることが出来る。
粒状ＰｕＯ2 燃料とともに熱伝導度がプルトニウム酸化
物よりも高いアルミナ粒を混合使用している。中央領域
１４のプルトニウム酸化物の充填割合を高くし、周辺領
域１５でプルトニウムの充填割合を低下させる。これに
より、中央領域１５の線出力を高くすることにより燃料
最高温度の上昇量を大きくし、反応度投入事象に即発ド
ップラーフィードバックを大きくすることが出来る。
【０１３０】プルトニウム酸化物を燃料とする核燃料要
素４０Ｂは、その融点がウラン酸化物の融点に比べてや
や低い。したがって、プルトニウム酸化物燃料粒子を中
心として混合充填燃料を使用する場合は、炉心の出力密
度を低下させ炉心体積を増大させる必要がある。この傾
向を回避するためには、ほぼ径方向に一様なマクロ密度
をもつ核燃料要素４０Ｂに対しては、燃料温度の最大値
が発生する核燃料要素中央部の実効熱伝導度を高めて、
燃料最高温度を低減させることが一つの選択肢となる。
この温度低減のために、中性子吸収断面積が小さくかつ
熱伝導度がプルトニウム酸化物より大きい前述のアルミ
ナ粒子を希釈物質として混在させ、中央領域１４と外側
領域１５の双方に充填密度をできるだけ高くすることに
より、各領域１４，１５の平均的実効熱伝導度を増大さ
せる。この場合、中央領域１４のプルトニウム酸化物燃
料粒子の充填率を外側より高くし、同一線出力に対し
て、プルトニウム酸化物燃料粒子の最高温度を低減させ
ることができる。その結果、炉心の出力密度を増大さ
せ、ウラン不使用型のプルトニウム酸化物粒子燃料炉心
の炉心サイズコンパクト化が可能となる。
素４０Ｂは、その融点がウラン酸化物の融点に比べてや
や低い。したがって、プルトニウム酸化物燃料粒子を中
心として混合充填燃料を使用する場合は、炉心の出力密
度を低下させ炉心体積を増大させる必要がある。この傾
向を回避するためには、ほぼ径方向に一様なマクロ密度
をもつ核燃料要素４０Ｂに対しては、燃料温度の最大値
が発生する核燃料要素中央部の実効熱伝導度を高めて、
燃料最高温度を低減させることが一つの選択肢となる。
この温度低減のために、中性子吸収断面積が小さくかつ
熱伝導度がプルトニウム酸化物より大きい前述のアルミ
ナ粒子を希釈物質として混在させ、中央領域１４と外側
領域１５の双方に充填密度をできるだけ高くすることに
より、各領域１４，１５の平均的実効熱伝導度を増大さ
せる。この場合、中央領域１４のプルトニウム酸化物燃
料粒子の充填率を外側より高くし、同一線出力に対し
て、プルトニウム酸化物燃料粒子の最高温度を低減させ
ることができる。その結果、炉心の出力密度を増大さ
せ、ウラン不使用型のプルトニウム酸化物粒子燃料炉心
の炉心サイズコンパクト化が可能となる。
【０１３１】また、中性子スペクトルを軟化させるため
には、ここでは酸素の割合の多いアルミナ粒子を多くす
ることが有利である。また、プルトニウム炉心では、取
り出し燃焼度等によりＰｕ同位体組成比が異なる。リサ
イクルに伴い核分裂性同位体であるＰｕ２３９，Ｐｕ２
４１とドップラー効果に重要なＰｕ２４０，Ｐｕ２４２
の存在量が変動し、臨界性と反応度係数が影響される。
この様にプルトニウム同位体組成比の変動に合わせ、希
釈物質であるアルミナ粒子との混在比を容易に調整でき
ることは振動充填法の利点である。
には、ここでは酸素の割合の多いアルミナ粒子を多くす
ることが有利である。また、プルトニウム炉心では、取
り出し燃焼度等によりＰｕ同位体組成比が異なる。リサ
イクルに伴い核分裂性同位体であるＰｕ２３９，Ｐｕ２
４１とドップラー効果に重要なＰｕ２４０，Ｐｕ２４２
の存在量が変動し、臨界性と反応度係数が影響される。
この様にプルトニウム同位体組成比の変動に合わせ、希
釈物質であるアルミナ粒子との混在比を容易に調整でき
ることは振動充填法の利点である。
【０１３２】中性子吸収断面積が小さく、熱伝導度がプ
ルトニウム酸化物（約２．７Ｗ／ｍ／Ｋ）より大きいア
ルミナ（約６．４Ｗ／ｍ／Ｋ）の粒子分布をつぎのよう
にする。アルミナ充填密度は高いほうが領域平均の熱伝
導度を高めることができるので、スメア密度を約８５％
よりも高めることが期待される。高速炉用に設計された
核燃料要素４０Ｂでは燃料からのＦＰ放出率は１００％
と想定している。したがって、軽水炉におけるウラン燃
料の場合のようにプルトニウム酸化物粒の大粒径化によ
るＦＰガス放出量の抑制は必要がないこと、プルトニウ
ムスポットと呼ばれる課題であり、プルトニウム酸化物
粒のサイズは小さいことが望まれる。また、プルトニウ
ム酸化物の溶融点はウラン酸化物の溶融点よりやや低い
ので、中央領域の最高温度は低下することが望ましいこ
ともある。
ルトニウム酸化物（約２．７Ｗ／ｍ／Ｋ）より大きいア
ルミナ（約６．４Ｗ／ｍ／Ｋ）の粒子分布をつぎのよう
にする。アルミナ充填密度は高いほうが領域平均の熱伝
導度を高めることができるので、スメア密度を約８５％
よりも高めることが期待される。高速炉用に設計された
核燃料要素４０Ｂでは燃料からのＦＰ放出率は１００％
と想定している。したがって、軽水炉におけるウラン燃
料の場合のようにプルトニウム酸化物粒の大粒径化によ
るＦＰガス放出量の抑制は必要がないこと、プルトニウ
ムスポットと呼ばれる課題であり、プルトニウム酸化物
粒のサイズは小さいことが望まれる。また、プルトニウ
ム酸化物の溶融点はウラン酸化物の溶融点よりやや低い
ので、中央領域の最高温度は低下することが望ましいこ
ともある。
【０１３３】そのために、図１１に示された核燃料要素
４０Ｂにおいて、中央領域１４と外側領域１５の構成粒
子サイズは同一でよい。全体の充填密度を約８５％以上
とするために、それぞれの領域で３種類の分級を基本と
する場合、大粒子：中粒子：小粒子の比率をおよそ６
０：２０：２０とする。中央領域１４の大粒子４１はア
ルミナとし、中粒子４２はアルミナとする。小粒子４３
はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ粒も混ざっ
ている。外側領域１５の大粒子４４はアルミナとし、中
粒子４５はアルミナを大部分とし、プルトニウム酸化物
はある程度存在する。小粒子４６はプルトニウム酸化物
粒が中心で、アルミナ粒子も混ざっている。
４０Ｂにおいて、中央領域１４と外側領域１５の構成粒
子サイズは同一でよい。全体の充填密度を約８５％以上
とするために、それぞれの領域で３種類の分級を基本と
する場合、大粒子：中粒子：小粒子の比率をおよそ６
０：２０：２０とする。中央領域１４の大粒子４１はア
ルミナとし、中粒子４２はアルミナとする。小粒子４３
はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ粒も混ざっ
ている。外側領域１５の大粒子４４はアルミナとし、中
粒子４５はアルミナを大部分とし、プルトニウム酸化物
はある程度存在する。小粒子４６はプルトニウム酸化物
粒が中心で、アルミナ粒子も混ざっている。
【０１３４】このように中央領域１４と外側領域１５の
プルトニウム酸化物の充填率を異なるように配置するこ
とにより、プルトニウム酸化物の密度を低減し、希釈材
要素・集合体を使用しない構成により炉心サイズのコン
パクト化と従来型ＭＯＸ燃料炉心との互換性を確保する
ことが可能となる。
プルトニウム酸化物の充填率を異なるように配置するこ
とにより、プルトニウム酸化物の密度を低減し、希釈材
要素・集合体を使用しない構成により炉心サイズのコン
パクト化と従来型ＭＯＸ燃料炉心との互換性を確保する
ことが可能となる。
【０１３５】次に、ウラン不使用核燃料要素４０Ｃに希
釈物質に代えて、融点が高く中性子吸収断面積の大きな
非燃料物質を用いた例を説明する。
釈物質に代えて、融点が高く中性子吸収断面積の大きな
非燃料物質を用いた例を説明する。
【０１３６】融点が高く中性子吸収断面積が大きな非燃
料物質としてボロンカーバイド、酸化ガドリウム、酸化
ユーロピウム、酸化ハフニウム等の中性子吸収物質があ
る。この核燃料要素４０Ｃは、内部を中央領域１４と周
辺領域１５との径方向２領域に区画し、粒状ＰｕＯ2 燃
料を中性子吸収物質の混合割合が径方向２領域で異なる
ように充填されている。
料物質としてボロンカーバイド、酸化ガドリウム、酸化
ユーロピウム、酸化ハフニウム等の中性子吸収物質があ
る。この核燃料要素４０Ｃは、内部を中央領域１４と周
辺領域１５との径方向２領域に区画し、粒状ＰｕＯ2 燃
料を中性子吸収物質の混合割合が径方向２領域で異なる
ように充填されている。
【０１３７】ウラン不使用型高速炉炉心に、粒状プルト
ニウム酸化物燃料と粒状炭化ボロン（ボロンカーバイ
ド）などの中性子吸収物質とを混合させた核燃料要素を
配置する。中性子吸収物質を炉心一様に含む燃料を全炉
心に配置すると、運転サイクル当りの燃料に伴う反応度
減少が小さくなる。これは、中性子吸収物質がはいるこ
とにより、燃料インベントリーが増大することと中性子
吸収物質の核変換に伴い反応が回復するなどのためであ
る。
ニウム酸化物燃料と粒状炭化ボロン（ボロンカーバイ
ド）などの中性子吸収物質とを混合させた核燃料要素を
配置する。中性子吸収物質を炉心一様に含む燃料を全炉
心に配置すると、運転サイクル当りの燃料に伴う反応度
減少が小さくなる。これは、中性子吸収物質がはいるこ
とにより、燃料インベントリーが増大することと中性子
吸収物質の核変換に伴い反応が回復するなどのためであ
る。
【０１３８】例えば、プルトニウム酸化物燃料とアルミ
ナの混合燃料に中性子吸収物質であるボロンカーバイド
（Ｂ4 Ｃ：ここでは天然ボロン使用）の混合による１サ
イクル当りの燃焼による反応度減少量の例を、Ｂ4 Ｃ混
合率との関係で示すと表２のようになる。１サイクルの
運転長さが約２３０日とした場合の平衡サイクル炉心の
例である。
ナの混合燃料に中性子吸収物質であるボロンカーバイド
（Ｂ4 Ｃ：ここでは天然ボロン使用）の混合による１サ
イクル当りの燃焼による反応度減少量の例を、Ｂ4 Ｃ混
合率との関係で示すと表２のようになる。１サイクルの
運転長さが約２３０日とした場合の平衡サイクル炉心の
例である。
【０１３９】
【表２】
【０１４０】この例では、高速炉型の場合は中性子吸収
材ボロンを利用することにより、炉心領域の内部転換比
が大幅に低下している体系となるウラン不使用型炉心の
もつ運転サイクル長期化に伴う燃焼反応度減少を抑制す
る効果があることが分かる。
材ボロンを利用することにより、炉心領域の内部転換比
が大幅に低下している体系となるウラン不使用型炉心の
もつ運転サイクル長期化に伴う燃焼反応度減少を抑制す
る効果があることが分かる。
【０１４１】ボロンの混合により炉心の中性子スペクト
ルが硬くなり、炉心のナトリウムボイド反応度が正の方
向に大きくシフトすることになる。炉心領域一様にボロ
ン入り燃料を配置することはボロン混在率に制約を与
え、炉心特性上のデメリットがある。一方、炉心領域の
一部にボロン入り燃料を非均質配置することにより、炉
心の中性子束の空間分布の凹凸をつけ、ナトリウムボイ
ド反応度の低減などが可能であるが、炉心特性としては
出力分布平坦化、制御本数の増大などによる炉心サイズ
の増大などの不利な点が生ずることになる。
ルが硬くなり、炉心のナトリウムボイド反応度が正の方
向に大きくシフトすることになる。炉心領域一様にボロ
ン入り燃料を配置することはボロン混在率に制約を与
え、炉心特性上のデメリットがある。一方、炉心領域の
一部にボロン入り燃料を非均質配置することにより、炉
心の中性子束の空間分布の凹凸をつけ、ナトリウムボイ
ド反応度の低減などが可能であるが、炉心特性としては
出力分布平坦化、制御本数の増大などによる炉心サイズ
の増大などの不利な点が生ずることになる。
【０１４２】ボロン入り核燃料要素４０Ｃを使用するこ
とにより、ウラン不使用型高速炉の特性をナトリウムボ
イド反応度を“僅かにゼロ以下の負値”とし、燃焼反応
度減少を最小化するための設計においては、炉心サイズ
のコンパクト化が重要になる。このことは、炉心の許容
線出力の最大化を図る工夫が重要ということである。そ
のために、核燃料要素４０Ｃ内を径方向に分割する場合
には、中央領域１４にはボロンの混在率を低くして、プ
ルトニウム酸化物粒子とアルミナ粒子の充填率を８５％
以上に高め、中央領域１５の実効熱伝導度を高める一
方、ボロンなどの充填をしないようにする。また、この
核燃料要素４０Ｃの外側領域１５の燃料プルトニウム酸
化物粒子とアルミナ粒子の混合の他にボロンカーバイド
の充填を加える。このように中性子吸収物質の充填率を
中央領域１４と外側領域１５で違えることにより、炉心
の最適化を可能とする。
とにより、ウラン不使用型高速炉の特性をナトリウムボ
イド反応度を“僅かにゼロ以下の負値”とし、燃焼反応
度減少を最小化するための設計においては、炉心サイズ
のコンパクト化が重要になる。このことは、炉心の許容
線出力の最大化を図る工夫が重要ということである。そ
のために、核燃料要素４０Ｃ内を径方向に分割する場合
には、中央領域１４にはボロンの混在率を低くして、プ
ルトニウム酸化物粒子とアルミナ粒子の充填率を８５％
以上に高め、中央領域１５の実効熱伝導度を高める一
方、ボロンなどの充填をしないようにする。また、この
核燃料要素４０Ｃの外側領域１５の燃料プルトニウム酸
化物粒子とアルミナ粒子の混合の他にボロンカーバイド
の充填を加える。このように中性子吸収物質の充填率を
中央領域１４と外側領域１５で違えることにより、炉心
の最適化を可能とする。
【０１４３】即ち、径方向２領域に領域分割された核燃
料要素４０Ｃを重合させた燃料集合体を高速炉炉心に適
切に配置することにより、この核燃料要素４０Ｃに最大
線出力が発生するように出来る。その場合、許容される
線出力の最大化が可能となり、炉心サイズのコンパクト
化が図れる。
料要素４０Ｃを重合させた燃料集合体を高速炉炉心に適
切に配置することにより、この核燃料要素４０Ｃに最大
線出力が発生するように出来る。その場合、許容される
線出力の最大化が可能となり、炉心サイズのコンパクト
化が図れる。
【０１４４】また、中性子吸収断面積が大きい物質を利
用するプルトニウム酸化物粒を充填した核燃料要素４０
Ｃを軽水炉で使用する場合は、中性子吸収物質であるボ
ロンなどを外側領域１５に配置し、中央領域１４には配
置しないことによりプルトニウム酸化物粒の充填密度を
変更させることができる。
用するプルトニウム酸化物粒を充填した核燃料要素４０
Ｃを軽水炉で使用する場合は、中性子吸収物質であるボ
ロンなどを外側領域１５に配置し、中央領域１４には配
置しないことによりプルトニウム酸化物粒の充填密度を
変更させることができる。
【０１４５】中性子吸収物質は軽水炉におけるガドリニ
アと同様のバーナブルポイズンとして働くが、軽水炉の
特徴である核燃料要素表面でボロンによる中性子吸収・
燃料反応が生ずるので、外側領域１５に配置する。
アと同様のバーナブルポイズンとして働くが、軽水炉の
特徴である核燃料要素表面でボロンによる中性子吸収・
燃料反応が生ずるので、外側領域１５に配置する。
【０１４６】また、炉心の臨界性を確保し、運転サイク
ル期間を長期化するために、ある程度の燃料インベント
リーを大きくする必要がある。しかし、バーナブルボロ
ンとプルトニウム酸化物粒の混合では、反応度調整と最
大線出力の観点から、炉心内には希釈要素を含む集合体
を利用すること等の工夫が要求される。このときの実施
例は、中央領域１４・外側領域１５ともにほぼ同一サイ
ズのプルトニウム酸化物粒とボロンカーバイド粒を使用
する。これにより粒子充填密度は平均して約６０％程度
と低くなる。このときに、外側領域１５のボロンカーバ
イドの割合を多くし、中央領域１４はプルトニウム酸化
物粒のみとした。このような、核燃料要素４０Ｃからな
る炉心では出力密度を低減させる必要性がある。これを
回避するためには、従来の全炉心ＭＯＸ燃料炉心と同様
に、基本的にはすべての燃料要素にプルトニウム酸化物
粒を適切に配置して出力密度を上げることが必要であ
る。
ル期間を長期化するために、ある程度の燃料インベント
リーを大きくする必要がある。しかし、バーナブルボロ
ンとプルトニウム酸化物粒の混合では、反応度調整と最
大線出力の観点から、炉心内には希釈要素を含む集合体
を利用すること等の工夫が要求される。このときの実施
例は、中央領域１４・外側領域１５ともにほぼ同一サイ
ズのプルトニウム酸化物粒とボロンカーバイド粒を使用
する。これにより粒子充填密度は平均して約６０％程度
と低くなる。このときに、外側領域１５のボロンカーバ
イドの割合を多くし、中央領域１４はプルトニウム酸化
物粒のみとした。このような、核燃料要素４０Ｃからな
る炉心では出力密度を低減させる必要性がある。これを
回避するためには、従来の全炉心ＭＯＸ燃料炉心と同様
に、基本的にはすべての燃料要素にプルトニウム酸化物
粒を適切に配置して出力密度を上げることが必要であ
る。
【０１４７】そのために、核燃料要素４０Ｄに粒状Ｐｕ
Ｏ2 燃料、粒状希釈物質および粒状中性子吸収物質を混
合した高速炉用燃料の例を以下に説明する。粒状希釈物
質として融点が高く中性子吸収断面積の小さいアルミナ
粒、中性子吸収物質として融点が高く中性子吸収断面積
の大きなボロンカーバイド類を用いた例を述べる。核燃
料要素４０Ｄの全体的な構成は、図１１および図１２
（Ａ）（Ｂ）に示すものと異ならない。
Ｏ2 燃料、粒状希釈物質および粒状中性子吸収物質を混
合した高速炉用燃料の例を以下に説明する。粒状希釈物
質として融点が高く中性子吸収断面積の小さいアルミナ
粒、中性子吸収物質として融点が高く中性子吸収断面積
の大きなボロンカーバイド類を用いた例を述べる。核燃
料要素４０Ｄの全体的な構成は、図１１および図１２
（Ａ）（Ｂ）に示すものと異ならない。
【０１４８】この場合、図１１に示すように核燃料要素
４０Ｄ内を中央領域１４とその外側領域である周辺領域
１５とに径方向２領域に分割し、径方向２領域の核燃料
要素４０Ｄ内に、プルトニウム酸化物粒、アルミナ粒、
ボロンカーバイド粒の３種類を利用する。全体として
は、核燃料要素４０Ｄの中のプルトニウム量を従来のペ
レット型の全ＭＯＸ燃料炉心の核燃料要素中のプルトニ
ウム量と同程度とすることが重要である。
４０Ｄ内を中央領域１４とその外側領域である周辺領域
１５とに径方向２領域に分割し、径方向２領域の核燃料
要素４０Ｄ内に、プルトニウム酸化物粒、アルミナ粒、
ボロンカーバイド粒の３種類を利用する。全体として
は、核燃料要素４０Ｄの中のプルトニウム量を従来のペ
レット型の全ＭＯＸ燃料炉心の核燃料要素中のプルトニ
ウム量と同程度とすることが重要である。
【０１４９】図１１に示された核燃料要素４０Ｄの中央
領域１４と外側領域１５の構成粒子サイズは同一でよ
い。全体の充填密度を約８５％以上とするために、それ
ぞれの領域１４，１５で３種類の分級を基本とする場
合、大粒子：小粒子の比率をおよそ６０：２０：２０と
する。
領域１４と外側領域１５の構成粒子サイズは同一でよ
い。全体の充填密度を約８５％以上とするために、それ
ぞれの領域１４，１５で３種類の分級を基本とする場
合、大粒子：小粒子の比率をおよそ６０：２０：２０と
する。
【０１５０】外側領域１４の大粒子４４はアルミナと
し、中粒子４５はアルミナ・ボロンカーバイドを大部分
とし、プルトニウム酸化物はある程度存在する。小粒子
４６はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ・ボロ
ンカーバイド粒も混ざっている。中央領域１４の大粒子
４１はアルミナとし、中粒子４２はアルミナとする。小
粒子４３はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ粒
も混ざっている。中央領域１４には中性子吸収物質であ
るボロンカーバイドは使用しない。
し、中粒子４５はアルミナ・ボロンカーバイドを大部分
とし、プルトニウム酸化物はある程度存在する。小粒子
４６はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ・ボロ
ンカーバイド粒も混ざっている。中央領域１４の大粒子
４１はアルミナとし、中粒子４２はアルミナとする。小
粒子４３はプルトニウム酸化物粒が中心で、アルミナ粒
も混ざっている。中央領域１４には中性子吸収物質であ
るボロンカーバイドは使用しない。
【０１５１】このように構成することにより、中央領域
１４と外側領域１５のプルトニウム酸化物粒の存在率を
別々にしている。プルトニウム酸化物の密度を低減し、
希釈材要素・集合体を使用しない構成により炉心サイズ
のコンパクト化ができる。
１４と外側領域１５のプルトニウム酸化物粒の存在率を
別々にしている。プルトニウム酸化物の密度を低減し、
希釈材要素・集合体を使用しない構成により炉心サイズ
のコンパクト化ができる。
【０１５２】次に、この核燃料要素４０Ｄの作用をウラ
ン不使用型軽水炉に適用した例で説明する。
ン不使用型軽水炉に適用した例で説明する。
【０１５３】核燃料要素４０Ｄは、プルトニウム酸化物
と希釈物質アルミナの混合燃料（ＰｕＯ2 −Ａｌ
2 Ｏ3 ）に一様に中性子吸収物質ボロン（Ｂ）、（また
はエルビウム（Ｅｒ））混在したものであり、この核燃
料要素を備えた燃料集合体を軽水炉の炉心に適用する
と、この炉心では、中性子吸収物質がバーナブルポイズ
ンとして働き、反応度寿命の長期化に有効である。
と希釈物質アルミナの混合燃料（ＰｕＯ2 −Ａｌ
2 Ｏ3 ）に一様に中性子吸収物質ボロン（Ｂ）、（また
はエルビウム（Ｅｒ））混在したものであり、この核燃
料要素を備えた燃料集合体を軽水炉の炉心に適用する
と、この炉心では、中性子吸収物質がバーナブルポイズ
ンとして働き、反応度寿命の長期化に有効である。
【０１５４】核燃料要素４０Ｄに中性子吸収物質を添加
するとドップラー反応度と冷却材反応度については、表
３の様になる。
するとドップラー反応度と冷却材反応度については、表
３の様になる。
【０１５５】
【表３】
【０１５６】この表は、J.M. Paratle et. al. 「On th
e Physics Feasibility of LWRPlutonium Feuls withou
t Uranium」 Annals of Nuclear Energy, vol.22, No.
7, pp471-481から引用した。軽水炉においても、ウラン
なしＰｕＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 燃料炉心の特性値は、軽水炉
ＭＯＸ燃料炉心の特性と大幅に異なる。
e Physics Feasibility of LWRPlutonium Feuls withou
t Uranium」 Annals of Nuclear Energy, vol.22, No.
7, pp471-481から引用した。軽水炉においても、ウラン
なしＰｕＯ2 −Ａｌ2 Ｏ3 燃料炉心の特性値は、軽水炉
ＭＯＸ燃料炉心の特性と大幅に異なる。
【０１５７】特に、ドップラー反応度の低下は炉心の安
全性の観点から避けたいものである。ドップラー反応度
を確保するためには２つの方法がある。１つは単位温度
変化当りの反応度変化を大きくすることであり、他の１
つは燃料温度の変化量を大きくすることである。バーナ
ブルポイズンを利用することによる運転サイクル長さの
増大は効果があるので、両立することが重要である。軽
水炉においては、中性子吸収が核燃料要素４０Ｄの表面
で顕著であるので、核燃料要素４０Ｄ内の径方向２領域
化は、そのために有効である。
全性の観点から避けたいものである。ドップラー反応度
を確保するためには２つの方法がある。１つは単位温度
変化当りの反応度変化を大きくすることであり、他の１
つは燃料温度の変化量を大きくすることである。バーナ
ブルポイズンを利用することによる運転サイクル長さの
増大は効果があるので、両立することが重要である。軽
水炉においては、中性子吸収が核燃料要素４０Ｄの表面
で顕著であるので、核燃料要素４０Ｄ内の径方向２領域
化は、そのために有効である。
【０１５８】したがって、ウラン不使用型プルトニウム
酸化物燃料粒子とアルミナ粒子を混合する振動充填燃料
を利用して、核燃料要素４０Ｄの外側領域１５にバーナ
ブルポイズン割合を多くし、プルトニウム酸化物粒子の
充填割合を低減する。逆に、中央領域１４ではプルトニ
ウム酸化物粒子の充填割合を増大させることにより、炉
心の反応度寿命の長期化に寄与させる。これにより、通
常時の燃料温度が高めに設定される。このことから、反
応度投入事象に対して燃料温度変化量自体が増大し、ド
ップラーフィードバック量を増大させることができる。
酸化物燃料粒子とアルミナ粒子を混合する振動充填燃料
を利用して、核燃料要素４０Ｄの外側領域１５にバーナ
ブルポイズン割合を多くし、プルトニウム酸化物粒子の
充填割合を低減する。逆に、中央領域１４ではプルトニ
ウム酸化物粒子の充填割合を増大させることにより、炉
心の反応度寿命の長期化に寄与させる。これにより、通
常時の燃料温度が高めに設定される。このことから、反
応度投入事象に対して燃料温度変化量自体が増大し、ド
ップラーフィードバック量を増大させることができる。
【０１５９】図１３は、本発明に係る核燃料要素の第１
実施形態における第４実施例を示すものである。
実施形態における第４実施例を示すものである。
【０１６０】この実施例に示された核燃料要素５０Ａの
全体的構成は、図７および図１１に示された核燃料要素
と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明
を省略する。
全体的構成は、図７および図１１に示された核燃料要素
と異ならないので、同じ構成には同一符号を付して説明
を省略する。
【０１６１】図１３に示された核燃料要素５０Ａはウラ
ン・プルトニウム混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を用い
た核燃料要素で、高速炉用あるいは軽水炉用燃料に適用
される。この核燃料要素５０Ａは金属被覆管である外側
被覆管１１内に領域分割用内管１２が内側被覆管として
収容され、内部が中央領域１４とその外側領域である周
辺領域１５とに径方向２領域分割される。この核燃料要
素５０Ａには同一Ｐｕ富化度のＭＯＸ粒燃料（粒状ＭＯ
Ｘ燃料）が用いられる。そして、同一ウラン濃縮度の原
料粒子を振動充填法により、径方向２領域化された中央
領域１４と外側領域１５にＭＯＸ粒燃料が充填される。
ＭＯＸ粒燃料は、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すよう
に、中央領域１４および外側領域１５でそれぞれ３種類
程度の粒子サイズが使用される。中央領域１４の充填密
度が外側領域１５の充填密度より低下させていることに
より、中央領域１４の発熱密度を一様密度の場合に比べ
て低減させることができる。
ン・プルトニウム混合酸化物燃料（ＭＯＸ燃料）を用い
た核燃料要素で、高速炉用あるいは軽水炉用燃料に適用
される。この核燃料要素５０Ａは金属被覆管である外側
被覆管１１内に領域分割用内管１２が内側被覆管として
収容され、内部が中央領域１４とその外側領域である周
辺領域１５とに径方向２領域分割される。この核燃料要
素５０Ａには同一Ｐｕ富化度のＭＯＸ粒燃料（粒状ＭＯ
Ｘ燃料）が用いられる。そして、同一ウラン濃縮度の原
料粒子を振動充填法により、径方向２領域化された中央
領域１４と外側領域１５にＭＯＸ粒燃料が充填される。
ＭＯＸ粒燃料は、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すよう
に、中央領域１４および外側領域１５でそれぞれ３種類
程度の粒子サイズが使用される。中央領域１４の充填密
度が外側領域１５の充填密度より低下させていることに
より、中央領域１４の発熱密度を一様密度の場合に比べ
て低減させることができる。
【０１６２】ＭＯＸ粒燃料の充填率が低い中央領域１４
は実効熱伝導度が周辺領域１５の高充填率領域の実効熱
伝導率よりも低下し、燃料温度が高くなるとＦＰガス放
出率が増大する傾向がある。このために、図８（Ａ）に
示すように中央領域１４のＭＯＸ粒燃料を大粒径化する
ようにして、ＦＰ放出率を抑制する。
は実効熱伝導度が周辺領域１５の高充填率領域の実効熱
伝導率よりも低下し、燃料温度が高くなるとＦＰガス放
出率が増大する傾向がある。このために、図８（Ａ）に
示すように中央領域１４のＭＯＸ粒燃料を大粒径化する
ようにして、ＦＰ放出率を抑制する。
【０１６３】ウラン・プルトニウム混合酸化物（ＭＯ
Ｘ）粒燃料を充填した核燃料要素４０Ｄを高速炉用燃料
に適用した例をとって説明する。ＭＯＸ粒燃料の場合
は、ウラン・プルトニウム酸化物の固溶体、ウラン酸化
物、プルトニウム酸化物、酸素（Ｏ）と重金属（Ｕ＋Ｐ
ｕ）の原子数比調整のための酸素ゲッター材の混合によ
り、燃料に要求される特性を満足する様に、燃料物質の
混合割合を決めることができる。
Ｘ）粒燃料を充填した核燃料要素４０Ｄを高速炉用燃料
に適用した例をとって説明する。ＭＯＸ粒燃料の場合
は、ウラン・プルトニウム酸化物の固溶体、ウラン酸化
物、プルトニウム酸化物、酸素（Ｏ）と重金属（Ｕ＋Ｐ
ｕ）の原子数比調整のための酸素ゲッター材の混合によ
り、燃料に要求される特性を満足する様に、燃料物質の
混合割合を決めることができる。
【０１６４】ＭＯＸ粒燃料要素の場合、重金属（Ｕ＋Ｐ
ｕ）の内のプルトニウムの割合（以下、Ｐｕ富化度と呼
ぶ）が重要であり、このＰｕ富化度は使用するプルトニ
ウム同位体組成比により異なってくる。高速炉の場合
は、燃料温度が高いので燃料最高温度は照射初期には上
昇し、しばらくして若干の低下がみられ安定化する。図
３にその様子が示されている。
ｕ）の内のプルトニウムの割合（以下、Ｐｕ富化度と呼
ぶ）が重要であり、このＰｕ富化度は使用するプルトニ
ウム同位体組成比により異なってくる。高速炉の場合
は、燃料温度が高いので燃料最高温度は照射初期には上
昇し、しばらくして若干の低下がみられ安定化する。図
３にその様子が示されている。
【０１６５】照射初期は振動充填燃料の実効熱伝導度が
低いので燃料温度は上昇する。その結果、燃料組織が等
軸晶または柱状晶状態に変化するために、中心部は空孔
が発生し、その焼結部分は実効熱伝導度が大きくなり、
最高温度は低減する。高速炉の場合、燃料温度が高いの
でＦＰガス放出率を、通常１００％放出を想定してい
る。燃料温度低減のための径方向２領域化は、既に述べ
たウラン酸化物粒子燃料の燃料温度低減によるＦＰガス
放出率低減効果のためには役立たない。
低いので燃料温度は上昇する。その結果、燃料組織が等
軸晶または柱状晶状態に変化するために、中心部は空孔
が発生し、その焼結部分は実効熱伝導度が大きくなり、
最高温度は低減する。高速炉の場合、燃料温度が高いの
でＦＰガス放出率を、通常１００％放出を想定してい
る。燃料温度低減のための径方向２領域化は、既に述べ
たウラン酸化物粒子燃料の燃料温度低減によるＦＰガス
放出率低減効果のためには役立たない。
【０１６６】しかし、ＭＯＸ粒燃料（粒状ＭＯＸ燃料）
を振動充填する場合、中央領域１４の発熱密度を低減す
るために粒子サイズの分級を変更することなどにより燃
料の充填率を低減する。外側領域１５の充填率を高くす
ると、燃料中心温度を低減し燃料全体の温度分布を平均
化し、前述の組織変化を発生させる線出力の増大を図る
ことにより、許容される最大線出力を上昇させることが
出来る。
を振動充填する場合、中央領域１４の発熱密度を低減す
るために粒子サイズの分級を変更することなどにより燃
料の充填率を低減する。外側領域１５の充填率を高くす
ると、燃料中心温度を低減し燃料全体の温度分布を平均
化し、前述の組織変化を発生させる線出力の増大を図る
ことにより、許容される最大線出力を上昇させることが
出来る。
【０１６７】次に、ＭＯＸ粒燃料に高い熱伝導度をもつ
物質粒子と混合させた核燃料要素５０Ｂを第１構成例に
とって説明する。
物質粒子と混合させた核燃料要素５０Ｂを第１構成例に
とって説明する。
【０１６８】この核燃料要素５０Ｂの構成は図１３およ
び図１４に示す核燃料要素と異ならないので、この図面
を参照して説明する。核燃料要素５０Ｂは領域分割用内
管１２により中央領域１４とその外側領域である周辺領
域１５の径方向２領域に分割され、核燃料要素５０Ｂ内
にはＭＯＸ粒燃料（粒状ウラン・プルトニウム混合酸化
物燃料）とともに、融点が高く中性子吸収断面積の小さ
な粒状の非燃料物質が混在される。非燃料物質は、例え
ばアルミナ、シリコンカーバイド等の希釈物質である。
核燃料要素５０Ｂには、ＭＯＸ粒燃料と希釈物質の混在
割合が中央領域１４と周辺領域１５において異なるよう
に充填される。
び図１４に示す核燃料要素と異ならないので、この図面
を参照して説明する。核燃料要素５０Ｂは領域分割用内
管１２により中央領域１４とその外側領域である周辺領
域１５の径方向２領域に分割され、核燃料要素５０Ｂ内
にはＭＯＸ粒燃料（粒状ウラン・プルトニウム混合酸化
物燃料）とともに、融点が高く中性子吸収断面積の小さ
な粒状の非燃料物質が混在される。非燃料物質は、例え
ばアルミナ、シリコンカーバイド等の希釈物質である。
核燃料要素５０Ｂには、ＭＯＸ粒燃料と希釈物質の混在
割合が中央領域１４と周辺領域１５において異なるよう
に充填される。
【０１６９】このＭＯＸ粒燃料を充填させた核燃料要素
５０Ｂを高速炉用炉心に適用する。この核燃料要素５０
Ｂには、ＭＯＸ燃料よりも熱伝導度が大きく中性子吸収
断面積の小さいアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の希釈物質粒
を混合させる。核燃料要素５０Ｂの中央領域１４のＭＯ
Ｘ粒燃料の混合率を低くし、外側領域１５のＭＯＸ粒燃
料の混合率を高くすることにより、燃料温度の平均化が
図れる。燃焼温度の平均化により、最大線出力を、径方
向に領域分割しない場合よりも増大させることができ、
炉心サイズのコンパクト化が可能となる。
５０Ｂを高速炉用炉心に適用する。この核燃料要素５０
Ｂには、ＭＯＸ燃料よりも熱伝導度が大きく中性子吸収
断面積の小さいアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の希釈物質粒
を混合させる。核燃料要素５０Ｂの中央領域１４のＭＯ
Ｘ粒燃料の混合率を低くし、外側領域１５のＭＯＸ粒燃
料の混合率を高くすることにより、燃料温度の平均化が
図れる。燃焼温度の平均化により、最大線出力を、径方
向に領域分割しない場合よりも増大させることができ、
炉心サイズのコンパクト化が可能となる。
【０１７０】ＭＯＸ粒燃料よりも高い熱伝導度をもつ物
質粒子との混合例として、ＭＯＸ粒燃料とアルミナ粒の
混合を考える。アルミナ粒は中性子吸収断面積が小さい
非燃焼物質である。熱伝導度はＭＯＸ粒よりアルミナ粒
の方が大きいので、適切な粒子サイズになっている双方
の粒子を充填した後の混合状態の実効熱伝導度は、ＭＯ
Ｘ粒燃料のみの状態よりも同一の充填率に対して大きく
なる。図８（Ａ）に示す中央領域１４の充填燃料では粒
子サイズ大の物質３０はＭＯＸ粒燃料であり、粒子サイ
ズ小の物質３２はアルミナ粒子が中心となる。中サイズ
粒子３１はＭＯＸ粒とアルミナの双方からなるものを使
用する。
質粒子との混合例として、ＭＯＸ粒燃料とアルミナ粒の
混合を考える。アルミナ粒は中性子吸収断面積が小さい
非燃焼物質である。熱伝導度はＭＯＸ粒よりアルミナ粒
の方が大きいので、適切な粒子サイズになっている双方
の粒子を充填した後の混合状態の実効熱伝導度は、ＭＯ
Ｘ粒燃料のみの状態よりも同一の充填率に対して大きく
なる。図８（Ａ）に示す中央領域１４の充填燃料では粒
子サイズ大の物質３０はＭＯＸ粒燃料であり、粒子サイ
ズ小の物質３２はアルミナ粒子が中心となる。中サイズ
粒子３１はＭＯＸ粒とアルミナの双方からなるものを使
用する。
【０１７１】この場合、外側領域１５にはアルミナの充
填率を低くするか、“なし”としＭＯＸ燃料のＰｕ装荷
量を多くして核的な性能向上を図る例がある。燃料温度
の低減には有効であり、燃焼度増大効果に有効である。
その際に、マクロ充填密度を高くするような粒径サイズ
分布を選択することになる。
填率を低くするか、“なし”としＭＯＸ燃料のＰｕ装荷
量を多くして核的な性能向上を図る例がある。燃料温度
の低減には有効であり、燃焼度増大効果に有効である。
その際に、マクロ充填密度を高くするような粒径サイズ
分布を選択することになる。
【０１７２】この結果、核燃料要素５０Ｂの径方向に充
填マクロ密度の変化または物質成分割合の変化をさせる
ことで燃料温度の低減と実効的なＭＯＸ量減少の抑制を
果たすことができる。
填マクロ密度の変化または物質成分割合の変化をさせる
ことで燃料温度の低減と実効的なＭＯＸ量減少の抑制を
果たすことができる。
【０１７３】一方、軽水炉では核燃料要素５０Ｂの発熱
分布は燃料の周辺部が大きい。実効的に周辺部のＰｕの
存在密度が大きいことが有効で、中央領域１４はＰｕの
密度が低減していても影響は小さい。そこで、中央領域
１４には、希釈物質であるアルミナをある程度混在させ
ることにより、Ｐｕ密度のマクロ密度が周辺領域１５よ
り低下することによる発熱の低減効果以上に、実効熱伝
導度の増大による燃料温度低下が生ずることになる。同
時に、周辺領域１５ではＰｕ密度の確保による炉心反応
度への影響が少なくすることができる。
分布は燃料の周辺部が大きい。実効的に周辺部のＰｕの
存在密度が大きいことが有効で、中央領域１４はＰｕの
密度が低減していても影響は小さい。そこで、中央領域
１４には、希釈物質であるアルミナをある程度混在させ
ることにより、Ｐｕ密度のマクロ密度が周辺領域１５よ
り低下することによる発熱の低減効果以上に、実効熱伝
導度の増大による燃料温度低下が生ずることになる。同
時に、周辺領域１５ではＰｕ密度の確保による炉心反応
度への影響が少なくすることができる。
【０１７４】次に、ＭＯＸ粒燃料を用いた核燃料要素５
０Ｃの他の第２構成例を説明する。
０Ｃの他の第２構成例を説明する。
【０１７５】この核燃料要素５０Ｃは、ＭＯＸ粒燃料と
ともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな非燃料物質
を混在させて用いたものである。非燃料物質としては、
ボロンカーバイド、酸化ガドリウム、酸化ユーロピウ
ム、酸化ハフニウム等の中性子吸収物質がある。この核
燃料要素５０ＣはＭＯＸ粒燃料と中性子吸収物質の混合
割合を、中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域で
異にして充填させたものである。
ともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな非燃料物質
を混在させて用いたものである。非燃料物質としては、
ボロンカーバイド、酸化ガドリウム、酸化ユーロピウ
ム、酸化ハフニウム等の中性子吸収物質がある。この核
燃料要素５０ＣはＭＯＸ粒燃料と中性子吸収物質の混合
割合を、中央領域１４と周辺領域１５の径方向２領域で
異にして充填させたものである。
【０１７６】高速炉用炉心にこの核燃料要素５０Ｃを用
いる場合、核燃料要素５０Ｃ内にＭＯＸ粒燃料に対し
て、中性子吸収断面積の大きい劣化ウランまたはボロン
カーバイド等の希釈物質の粒子を混合させる。この場
合、中央領域のＭＯＸ粒燃料の混合率を低くし、外側領
域１５のＭＯＸ粒燃料の混合率を高くすることにより、
燃料温度の平均化が実現できる。これにより、許容され
る最大線出力を、径方向に領域分割しない場合よりも増
大させることができ、炉心サイズのコンパクト化が可能
となる。
いる場合、核燃料要素５０Ｃ内にＭＯＸ粒燃料に対し
て、中性子吸収断面積の大きい劣化ウランまたはボロン
カーバイド等の希釈物質の粒子を混合させる。この場
合、中央領域のＭＯＸ粒燃料の混合率を低くし、外側領
域１５のＭＯＸ粒燃料の混合率を高くすることにより、
燃料温度の平均化が実現できる。これにより、許容され
る最大線出力を、径方向に領域分割しない場合よりも増
大させることができ、炉心サイズのコンパクト化が可能
となる。
【０１７７】次に、核燃料要素５０Ｃに混在される中性
子吸収物質としてガドリニアを例にとって説明する。
子吸収物質としてガドリニアを例にとって説明する。
【０１７８】核燃料要素５０Ｃの外側領域１５に中性子
吸収物質であるガドリニアを混合させる場合、混合の自
由度の大きさを活用し、ペレット燃料で混合ができる限
度以上の混合を振動充填により行う。スメア密度を８５
％程度以上の達成のために次の混合比を用いることが可
能である。
吸収物質であるガドリニアを混合させる場合、混合の自
由度の大きさを活用し、ペレット燃料で混合ができる限
度以上の混合を振動充填により行う。スメア密度を８５
％程度以上の達成のために次の混合比を用いることが可
能である。
【０１７９】３種類の粒子サイズでは例えば、図８
（Ａ）において外側領域では大粒子３０はＭＯＸ粒で約
６０ vol％、中粒子３１はＭＯＸ粒を中心にガドリニア
粒で約２０ vol％、小粒子３２はガドリニアを中心にＭ
ＯＸ酸化物で約２０ vol％とする。外側領域１５平均で
はガドリニアの粒子数割合を２０ vol％以上とする。
（Ａ）において外側領域では大粒子３０はＭＯＸ粒で約
６０ vol％、中粒子３１はＭＯＸ粒を中心にガドリニア
粒で約２０ vol％、小粒子３２はガドリニアを中心にＭ
ＯＸ酸化物で約２０ vol％とする。外側領域１５平均で
はガドリニアの粒子数割合を２０ vol％以上とする。
【０１８０】中央領域１４では、熱中性子束レベルが低
く、ガドリニアの燃え残りが発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくする。図８（Ｂ）に示す中央領域１４で大粒子
３３はＭＯＸ粒で約６０ vol％、中粒子３４はＭＯＸ粒
で約２０ vol％、小粒子３５はガドニア粒およびＭＯＸ
粒をそれぞれ約１０ vol％とする。これにより、ガドリ
ニアを１０ vol％以上とすることができる。この結果、
現行のペレット燃料として利用されているガドリニア入
りの燃料はウランを利用しているが、混合の自由度の大
きいことを利用して、ＭＯＸ粒燃料要素にガドリニア入
りとすることができる。
く、ガドリニアの燃え残りが発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくする。図８（Ｂ）に示す中央領域１４で大粒子
３３はＭＯＸ粒で約６０ vol％、中粒子３４はＭＯＸ粒
で約２０ vol％、小粒子３５はガドニア粒およびＭＯＸ
粒をそれぞれ約１０ vol％とする。これにより、ガドリ
ニアを１０ vol％以上とすることができる。この結果、
現行のペレット燃料として利用されているガドリニア入
りの燃料はウランを利用しているが、混合の自由度の大
きいことを利用して、ＭＯＸ粒燃料要素にガドリニア入
りとすることができる。
【０１８１】ガドリニア粒がＭＯＸ粒と混在されている
核燃料要素５０Ｃ内が２領域化する場合、外側領域１５
に混合されたガドリニアはバーナブルポイズンとして利
用される。これは、熱中性子炉では核燃料要素５０Ｃの
表面で反応が生ずる割合が圧倒的に大きいためである。
ガドリニアのようなバーナブルポイズン元素の核変換に
よる燃焼により相対的に出力上昇がある。
核燃料要素５０Ｃ内が２領域化する場合、外側領域１５
に混合されたガドリニアはバーナブルポイズンとして利
用される。これは、熱中性子炉では核燃料要素５０Ｃの
表面で反応が生ずる割合が圧倒的に大きいためである。
ガドリニアのようなバーナブルポイズン元素の核変換に
よる燃焼により相対的に出力上昇がある。
【０１８２】この核分裂反応も核燃料要素表面で生ずる
割合が多いので、燃焼に伴い核燃料要素表面の出力変動
が大きくなる。粒状燃料では燃料被覆管１１への応力は
粒体の特性により緩和することが期待できる。しかし、
燃料被覆管１１表面の燃料温度変化幅は小さいことが望
まれる。そのために、外側領域１５の実効熱伝導度を高
くするために、ＭＯＸ・ガドリニアの熱伝導度よりも大
きなアルミナを混在させ、最高温度を低減しておくこと
が好ましい。
割合が多いので、燃焼に伴い核燃料要素表面の出力変動
が大きくなる。粒状燃料では燃料被覆管１１への応力は
粒体の特性により緩和することが期待できる。しかし、
燃料被覆管１１表面の燃料温度変化幅は小さいことが望
まれる。そのために、外側領域１５の実効熱伝導度を高
くするために、ＭＯＸ・ガドリニアの熱伝導度よりも大
きなアルミナを混在させ、最高温度を低減しておくこと
が好ましい。
【０１８３】次に、ＭＯＸ燃料を充填した核燃料要素５
０Ｄに融点が高く中性子吸収断面積の小さな非燃料物質
と中性子吸収断面積の大きな非燃料物質を混在させて充
填した例を説明する。
０Ｄに融点が高く中性子吸収断面積の小さな非燃料物質
と中性子吸収断面積の大きな非燃料物質を混在させて充
填した例を説明する。
【０１８４】この核燃料要素５０Ｄは燃料被覆管である
金属被覆管１１内にＭＯＸ粒燃料、粒状希釈物質および
粒状中性子吸収物質を混在させ、中央領域１４と周辺領
域１５の径方向２領域で希釈物質と中性子吸収物質の混
合割合を異にするものである。希釈物質にアルミナ粒
を、中性子吸収物質にガドリニア粒を構成した例を示
す。
金属被覆管１１内にＭＯＸ粒燃料、粒状希釈物質および
粒状中性子吸収物質を混在させ、中央領域１４と周辺領
域１５の径方向２領域で希釈物質と中性子吸収物質の混
合割合を異にするものである。希釈物質にアルミナ粒
を、中性子吸収物質にガドリニア粒を構成した例を示
す。
【０１８５】この核燃料要素５０Ｄを高速炉用炉心に適
用すると、燃焼温度の平均化が図れる。上記核燃料要素
５０Ｄは、ＭＯＸ粒燃料とともに、ＭＯＸ粒燃料よりも
熱伝導度が大きく中性子吸収断面積の小さいアルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の希釈物質の粒子とともに中性子吸収
断面積の大きい劣化ウランまたはボロンカーバイド等の
中性子吸収物質の粒子を混在させたものである。核燃料
要素５０Ｄの中央領域１４と外側領域１５でＭＯＸ粒燃
料の混合率（混在率）を異にすることで燃料温度の平均
化が実現できる。この様な核燃料要素５０Ｄから構成さ
れる燃料集合体を高速炉の炉心内に最適配置することに
より、許容される最大線出力を径方向に領域分割しない
場合よりも増大でき、炉心サイズのコンパクト化が可能
となる。
用すると、燃焼温度の平均化が図れる。上記核燃料要素
５０Ｄは、ＭＯＸ粒燃料とともに、ＭＯＸ粒燃料よりも
熱伝導度が大きく中性子吸収断面積の小さいアルミナ
（Ａｌ2 Ｏ3 ）等の希釈物質の粒子とともに中性子吸収
断面積の大きい劣化ウランまたはボロンカーバイド等の
中性子吸収物質の粒子を混在させたものである。核燃料
要素５０Ｄの中央領域１４と外側領域１５でＭＯＸ粒燃
料の混合率（混在率）を異にすることで燃料温度の平均
化が実現できる。この様な核燃料要素５０Ｄから構成さ
れる燃料集合体を高速炉の炉心内に最適配置することに
より、許容される最大線出力を径方向に領域分割しない
場合よりも増大でき、炉心サイズのコンパクト化が可能
となる。
【０１８６】中性子吸収物質にガドリニアを、希釈物質
にアルミナを用いた核燃料要素５０Ｄの例を図１３に示
す。この核燃料要素は３種類の粒子サイズを用いた例で
あり、外側領域１５では図８（Ｂ）に示すように大粒子
３３はＭＯＸ粒燃料で約６０vol％、中性子３４はＭＯ
Ｘ粒燃料を中心にガドリニア粒で約２０ vol％、小粒子
３５はガドリニアを中心にアルミナ粒とＭＯＸ粒燃料で
約２０ vol％とする。
にアルミナを用いた核燃料要素５０Ｄの例を図１３に示
す。この核燃料要素は３種類の粒子サイズを用いた例で
あり、外側領域１５では図８（Ｂ）に示すように大粒子
３３はＭＯＸ粒燃料で約６０vol％、中性子３４はＭＯ
Ｘ粒燃料を中心にガドリニア粒で約２０ vol％、小粒子
３５はガドリニアを中心にアルミナ粒とＭＯＸ粒燃料で
約２０ vol％とする。
【０１８７】中央領域１６では、熱中性子束レベルが低
く、ガドリニウムの燃え残り発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくし、温度変化を抑制する。中央領域１４には、
アルミナ粒を使用しないこととした。大粒子３０はＭＯ
Ｘ粒燃料で約６０ vol％、中粒子３１はＭＯＸ粒燃料で
約２０ vol％、小粒子３２はガドリニア粒およびＭＯＸ
粒燃料でそれぞれ約１０ vol％とする。
く、ガドリニウムの燃え残り発生しやすいので、実質的
にはガドリニアの割合を外側領域１５における割合より
も少なくし、温度変化を抑制する。中央領域１４には、
アルミナ粒を使用しないこととした。大粒子３０はＭＯ
Ｘ粒燃料で約６０ vol％、中粒子３１はＭＯＸ粒燃料で
約２０ vol％、小粒子３２はガドリニア粒およびＭＯＸ
粒燃料でそれぞれ約１０ vol％とする。
【０１８８】次に、高速炉炉心に用いられるＭＯＸ粒振
動充填燃料を使用する実施例を述べる。核燃料要素５０
Ｄ内には炉心核設計から決められたＰｕ富化度を中央領
域１４と外側領域１５に共通に使用する。ＭＯＸ粒燃料
の構成は図１３および図１４（Ａ）に示すように、中央
領域１４では粒子サイズを基本的には１種類とすること
により、充填密度を約６０％程度と低くする。外側領域
の構成は充填密度が約８５％以上とするために図１４
（Ｂ）で示すように３種類の粒サイズに分級された粒を
利用する。この３種類のＭＯＸ粒燃料は大粒子５１を約
６０ vol％、中粒子５２を約２０ vol％、小粒子５３を
約２０ vol％とする。中央領域１４と外側領域１５のＭ
ＯＸ粒燃料の充填率の違いによる核燃料要素５０Ｄ内の
出力分布が形成され、燃料温度の平坦化が行われる。そ
の際、中央領域１４の充填密度は低いので、照射開始時
に燃料の再組織化をもたらすことになり、その後は燃料
温度の平坦化が実現され、許容線出力の増加をもたら
す。これらの例においても、酸素ゲッター粒は添加され
る。
動充填燃料を使用する実施例を述べる。核燃料要素５０
Ｄ内には炉心核設計から決められたＰｕ富化度を中央領
域１４と外側領域１５に共通に使用する。ＭＯＸ粒燃料
の構成は図１３および図１４（Ａ）に示すように、中央
領域１４では粒子サイズを基本的には１種類とすること
により、充填密度を約６０％程度と低くする。外側領域
の構成は充填密度が約８５％以上とするために図１４
（Ｂ）で示すように３種類の粒サイズに分級された粒を
利用する。この３種類のＭＯＸ粒燃料は大粒子５１を約
６０ vol％、中粒子５２を約２０ vol％、小粒子５３を
約２０ vol％とする。中央領域１４と外側領域１５のＭ
ＯＸ粒燃料の充填率の違いによる核燃料要素５０Ｄ内の
出力分布が形成され、燃料温度の平坦化が行われる。そ
の際、中央領域１４の充填密度は低いので、照射開始時
に燃料の再組織化をもたらすことになり、その後は燃料
温度の平坦化が実現され、許容線出力の増加をもたら
す。これらの例においても、酸素ゲッター粒は添加され
る。
【０１８９】また、高速炉炉心に適用される核燃料要素
５０Ｄで中央領域１４に劣化ウラン粒を使用することも
可能である。構成は図１１および図１２に示すように、
中央領域１４では粒サイズを基本的には３種類とし、充
填密度を約８５％以上と高める。この場合はウラン酸化
物粒燃料だけでなく金属ウラン粒も利用することによ
り、親物質の充填率を増加させ、転換比を高めることが
できる。外側領域１５の構成も充填密度が約８５％以上
とするために３種類の粒サイズに分級された粒を利用す
る。
５０Ｄで中央領域１４に劣化ウラン粒を使用することも
可能である。構成は図１１および図１２に示すように、
中央領域１４では粒サイズを基本的には３種類とし、充
填密度を約８５％以上と高める。この場合はウラン酸化
物粒燃料だけでなく金属ウラン粒も利用することによ
り、親物質の充填率を増加させ、転換比を高めることが
できる。外側領域１５の構成も充填密度が約８５％以上
とするために３種類の粒サイズに分級された粒を利用す
る。
【０１９０】中性子断面積が小さく、ＭＯＸ粒燃料の熱
伝導度よりも大きい熱伝導度をもつアルミナ粒を希釈物
質として混在させる。燃料製造工程の簡素化のために核
燃料要素内の領域によるＰｕ富化度は同一とする。図１
１および図１２に示すように中央領域１４と外側領域１
５のいずれも粒子のスメア密度を約８５％以上を達成す
るために、粒サイズを少なくとも３種類に分級されてい
る。
伝導度よりも大きい熱伝導度をもつアルミナ粒を希釈物
質として混在させる。燃料製造工程の簡素化のために核
燃料要素内の領域によるＰｕ富化度は同一とする。図１
１および図１２に示すように中央領域１４と外側領域１
５のいずれも粒子のスメア密度を約８５％以上を達成す
るために、粒サイズを少なくとも３種類に分級されてい
る。
【０１９１】中央領域１４では、この３種類のＭＯＸ粒
燃料は大粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０
vol％とし、小粒子４３はアルミナ粒を約２０ vol％と
する。外側領域１５では、３種類のＭＯＸ粒燃料は大粒
子４４を約６０ vol％、中粒子４５を約２０ vol％、小
粒子４６を約１０ vol％とする。この径方向２領域間の
ＭＯＸ粒燃料の充填率の違いにより、出力密度の違い約
２０ vol％をもたらし、同時に中央領域１４の実効熱伝
導度が増大されているので、組織変化を生ずるための線
出力を増大させることになる。
燃料は大粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０
vol％とし、小粒子４３はアルミナ粒を約２０ vol％と
する。外側領域１５では、３種類のＭＯＸ粒燃料は大粒
子４４を約６０ vol％、中粒子４５を約２０ vol％、小
粒子４６を約１０ vol％とする。この径方向２領域間の
ＭＯＸ粒燃料の充填率の違いにより、出力密度の違い約
２０ vol％をもたらし、同時に中央領域１４の実効熱伝
導度が増大されているので、組織変化を生ずるための線
出力を増大させることになる。
【０１９２】中性子断面積が大きく、ＭＯＸ粒燃料の熱
伝導度よりも大きい熱伝導度をもつ金属ウラン粒を中性
子吸収物質として混在させることができる。この場合燃
料製造工程の簡素化のために核燃料要素内の領域による
Ｐｕ富化度は同一とする。図１１および図１２に示すよ
うに中央領域１４と外側領域１５のいずれも粒子のスメ
ア密度を約８５％以上を達成するために、粒子サイズを
３種類に分級されている。
伝導度よりも大きい熱伝導度をもつ金属ウラン粒を中性
子吸収物質として混在させることができる。この場合燃
料製造工程の簡素化のために核燃料要素内の領域による
Ｐｕ富化度は同一とする。図１１および図１２に示すよ
うに中央領域１４と外側領域１５のいずれも粒子のスメ
ア密度を約８５％以上を達成するために、粒子サイズを
３種類に分級されている。
【０１９３】中央領域では、３種類のＭＯＸ粒燃料は大
粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０ vol％と
し、小粒子４３はＭＯＸ粒燃料を約１０ vol％と金属ウ
ラン粒を約１０ vol％とする。
粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０ vol％と
し、小粒子４３はＭＯＸ粒燃料を約１０ vol％と金属ウ
ラン粒を約１０ vol％とする。
【０１９４】外側領域１５では、３種類のＭＯＸ粒燃料
は大粒子４４を約６０ vol％、中粒子４５を約２０ vol
％、小粒子４６の約１０ vol％をＭＯＸ粒燃料と約１０
vol％を金属ウランとする。これにより、出力密度の違
い約１０ vol％と中央領域１４および外側領域１５の実
効熱伝導度が増大されているので、組織変化を生ずるた
めの線出力を増大させることになる。
は大粒子４４を約６０ vol％、中粒子４５を約２０ vol
％、小粒子４６の約１０ vol％をＭＯＸ粒燃料と約１０
vol％を金属ウランとする。これにより、出力密度の違
い約１０ vol％と中央領域１４および外側領域１５の実
効熱伝導度が増大されているので、組織変化を生ずるた
めの線出力を増大させることになる。
【０１９５】中性子断面積が小さく、ＭＯＸ粒の熱伝導
度よりも大きい熱伝導度をもつアルミナ粒等の希釈物質
を混在させると同時に、中性子吸収断面積の大きな金属
ウラン等の中性子吸収物質を混在させることもできる。
この場合燃料工程の簡素化のために要素内の領域による
Ｐｕ富化度は同一とする。図１１および図１２に示され
たように中央領域１４と外側領域１５のいずれも粒子の
スメア密度を約８５％以上を達成するために、粒子サイ
ズを３種類に分級されている。
度よりも大きい熱伝導度をもつアルミナ粒等の希釈物質
を混在させると同時に、中性子吸収断面積の大きな金属
ウラン等の中性子吸収物質を混在させることもできる。
この場合燃料工程の簡素化のために要素内の領域による
Ｐｕ富化度は同一とする。図１１および図１２に示され
たように中央領域１４と外側領域１５のいずれも粒子の
スメア密度を約８５％以上を達成するために、粒子サイ
ズを３種類に分級されている。
【０１９６】中央領域１４では、この３種類のＭＯＸ粒
は大粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０ vol
％とし、小粒子４３はアルミナを約１０ vol％と金属ウ
ラン粒を約１０ vol％とする。外側領域１５では、３種
類のＭＯＸ粒燃料は大粒子４４を約６０ vol％、中粒子
４５を約２０ vol％、小粒子４６の約１０ vol％をＭＯ
Ｘ粒燃料と約１０ vol％を金属ウランとする。これによ
り、出力密度の違い約１０ vol％と中央領域１４および
外側領域１５の実効熱伝導度が増大されているので、組
織変更時に生ずるための最大許容線出力を増大させるこ
とになる。
は大粒子４１を約６０ vol％、中粒子４２を約２０ vol
％とし、小粒子４３はアルミナを約１０ vol％と金属ウ
ラン粒を約１０ vol％とする。外側領域１５では、３種
類のＭＯＸ粒燃料は大粒子４４を約６０ vol％、中粒子
４５を約２０ vol％、小粒子４６の約１０ vol％をＭＯ
Ｘ粒燃料と約１０ vol％を金属ウランとする。これによ
り、出力密度の違い約１０ vol％と中央領域１４および
外側領域１５の実効熱伝導度が増大されているので、組
織変更時に生ずるための最大許容線出力を増大させるこ
とになる。
【０１９７】次に、本発明に係る核燃料要素６０の第２
実施形態を図１５を参照して説明する。
実施形態を図１５を参照して説明する。
【０１９８】図１５に示された核燃料要素６０は、軽水
炉用あるいは高速炉用燃料として適用される。この核燃
料要素６０は図１に示された核燃料要素１０と構造的に
異ならないので同じ構成には同一符号を付して説明す
る。図１５に示された核燃料要素６０は、中央領域１４
に核燃料物質あるいは親物質を含まない非燃料物質が配
置される。中央領域１４の外側領域１５には、粒状ウラ
ン酸化物燃料、粒状プルトニウム酸化物燃料あるいは粒
状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（ＭＯＸ粒燃
料）が充填され、密封される。
炉用あるいは高速炉用燃料として適用される。この核燃
料要素６０は図１に示された核燃料要素１０と構造的に
異ならないので同じ構成には同一符号を付して説明す
る。図１５に示された核燃料要素６０は、中央領域１４
に核燃料物質あるいは親物質を含まない非燃料物質が配
置される。中央領域１４の外側領域１５には、粒状ウラ
ン酸化物燃料、粒状プルトニウム酸化物燃料あるいは粒
状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料（ＭＯＸ粒燃
料）が充填され、密封される。
【０１９９】図１５に示された核燃料要素６０は、金属
被覆管（燃料被覆管）１２である外側被覆管１１内に内
側被覆管１２が収容されて径方向２領域化され、中央領
域１４と周辺領域１５に区画される。内側被覆管１２は
領域分割用内管として薄肉構造体で形成される。
被覆管（燃料被覆管）１２である外側被覆管１１内に内
側被覆管１２が収容されて径方向２領域化され、中央領
域１４と周辺領域１５に区画される。内側被覆管１２は
領域分割用内管として薄肉構造体で形成される。
【０２００】ウラン酸化物燃料を使用した核燃料要素６
０は軽水炉用燃料として構成され、軽水炉炉心に装荷さ
れる。この核燃料要素６０は径方向２領域化された外側
領域１５に粒状のウラン酸化物燃料（粒状ＵＯ2 燃料）
が充填され、中央領域１４に水素化ジルコニウムのペレ
ット６１（図１６（Ａ））あるいは水素化ジルコニウム
の粒（図１６（Ｂ）および（Ｃ））を充填させる。中央
領域１４には水素ができるだけ安定して大量に入ること
が望ましい。図１６（Ｄ）は中央領域１４を中空とした
例を示す。
０は軽水炉用燃料として構成され、軽水炉炉心に装荷さ
れる。この核燃料要素６０は径方向２領域化された外側
領域１５に粒状のウラン酸化物燃料（粒状ＵＯ2 燃料）
が充填され、中央領域１４に水素化ジルコニウムのペレ
ット６１（図１６（Ａ））あるいは水素化ジルコニウム
の粒（図１６（Ｂ）および（Ｃ））を充填させる。中央
領域１４には水素ができるだけ安定して大量に入ること
が望ましい。図１６（Ｄ）は中央領域１４を中空とした
例を示す。
【０２０１】水素化ジルコニウムは、それ自体の温度が
７００℃を超えると、水素の解離現象が生じるので、中
央領域１４を低温に保つ必要がある。そのために、外側
領域１５の発熱が制約される。外側領域１５は、粒状ウ
ラン酸化物燃料とバーナブルポイズンの混合体、または
粒状ウラン酸化物燃料とアルミナの様な高熱伝導度希釈
物質粒との混合燃料が使用されている。これにより水対
ウラン比を調整することができる点がメリットがある。
７００℃を超えると、水素の解離現象が生じるので、中
央領域１４を低温に保つ必要がある。そのために、外側
領域１５の発熱が制約される。外側領域１５は、粒状ウ
ラン酸化物燃料とバーナブルポイズンの混合体、または
粒状ウラン酸化物燃料とアルミナの様な高熱伝導度希釈
物質粒との混合燃料が使用されている。これにより水対
ウラン比を調整することができる点がメリットがある。
【０２０２】また、中央領域１４に燃料物質や親物質を
含まない非燃料物質として、融点が高いシリコンカーバ
イト（ＳｉＣ）のような散乱減速物質から構成すること
もできる。ＳｉＣの配置例は図１５の（Ｂ）または
（Ｃ）とする。この核燃料要素６０は軽水炉用燃料の減
速材とウラン比の調整に利用でき、高燃焼度化燃料の構
造をウォーターロッド領域の減少、部分長さロッドの減
少等の単純化することに寄与する。
含まない非燃料物質として、融点が高いシリコンカーバ
イト（ＳｉＣ）のような散乱減速物質から構成すること
もできる。ＳｉＣの配置例は図１５の（Ｂ）または
（Ｃ）とする。この核燃料要素６０は軽水炉用燃料の減
速材とウラン比の調整に利用でき、高燃焼度化燃料の構
造をウォーターロッド領域の減少、部分長さロッドの減
少等の単純化することに寄与する。
【０２０３】次に、図１５に示された核燃料要素６０Ａ
を高速炉用燃料として用いた例を説明する。
を高速炉用燃料として用いた例を説明する。
【０２０４】この場合には、核燃料要素６０Ａには、粒
状プルトニウム酸化物燃料（またはＭＯＸ粒燃料）が用
いられる。核燃料要素６０Ａは径方向２領域化され、外
側領域１５に粒状プルトニウム酸化物燃料（またはＭＯ
Ｘ粒燃料）が充填され、中央領域１４に非燃料物質とし
て融点が高いＳｉＣのような散乱減速物質（減速材）が
充填される。この構成により中性子スペクトルを軟らか
くすることができる。この核燃料要素６０Ａにおける中
央領域１４の構成は、図１６（Ｂ）および（Ｃ）に示す
ように粒状散乱減速物質（減速材）が充填される。充填
密度は粒径が異なる散乱減速物質を充填した図１６
（Ｂ）の方が同一粒径を充填させた図１６（Ｃ）に示さ
れたものより高い。中央領域１４にこれらの減速材を配
置することにより燃料のドップラー効果を増加させる効
果がある。
状プルトニウム酸化物燃料（またはＭＯＸ粒燃料）が用
いられる。核燃料要素６０Ａは径方向２領域化され、外
側領域１５に粒状プルトニウム酸化物燃料（またはＭＯ
Ｘ粒燃料）が充填され、中央領域１４に非燃料物質とし
て融点が高いＳｉＣのような散乱減速物質（減速材）が
充填される。この構成により中性子スペクトルを軟らか
くすることができる。この核燃料要素６０Ａにおける中
央領域１４の構成は、図１６（Ｂ）および（Ｃ）に示す
ように粒状散乱減速物質（減速材）が充填される。充填
密度は粒径が異なる散乱減速物質を充填した図１６
（Ｂ）の方が同一粒径を充填させた図１６（Ｃ）に示さ
れたものより高い。中央領域１４にこれらの減速材を配
置することにより燃料のドップラー効果を増加させる効
果がある。
【０２０５】また、モリブデン（Ｍｏ）のような高融点
金属（配置は図１６（Ａ）に示すペレット６１）または
Ｍｏ酸化物粒（配置は図７（Ｂ）または（Ｃ）に示す充
填構成）を中央領域１４に入れる。このことにより、Ｍ
ｏがもつドップラー効果を補強することができる。ま
た、鉄（Ｆｅ）金属またはＦｅ酸化物粒を使用すること
もできる。このような構造材核種のドップラー効果への
寄与例を表４に示す。
金属（配置は図１６（Ａ）に示すペレット６１）または
Ｍｏ酸化物粒（配置は図７（Ｂ）または（Ｃ）に示す充
填構成）を中央領域１４に入れる。このことにより、Ｍ
ｏがもつドップラー効果を補強することができる。ま
た、鉄（Ｆｅ）金属またはＦｅ酸化物粒を使用すること
もできる。このような構造材核種のドップラー効果への
寄与例を表４に示す。
【０２０６】
【表４】
【０２０７】この表は、６００ＭＷｅ級のウラン不使用
型ナトリウム冷却炉で、核燃料は窒化アルミニウムＡｌ
Ｎ（Ｎ１５）を母材とするＰｕＮ（Ｎ１５）燃料を使用
している高速炉体系に対する特性を示すものである。Ｍ
ｏ粒またはＦｅ粒を核燃料要素６０Ａ中で一様に振動充
填した高速炉炉心体系のドップラー係数とナトリウムボ
イド反応度を示している。比較対象はＭｏ酸化物粒また
はＦｅ酸化物粒を含まない体系である。平衡サイクルの
特性である。燃料温度とほぼ同一の場合はドップラー反
応度は大きくなることが分かる。ただし、核燃料要素を
径方向２領域に分割した分割領域の場合、構造材核種の
ＭｏまたはＦｅの温度変化の絶対値は、前記の燃料中に
一様混在の場合より少なくなる。したがって、Ｍｏまた
はＦｅ構造材を非均質配置する場合は、Ｕ238 の混合の
場合よりは効果は半減するが、それでもウラン不使用炉
心として、負のフィードバック係数を増強することが分
かる。
型ナトリウム冷却炉で、核燃料は窒化アルミニウムＡｌ
Ｎ（Ｎ１５）を母材とするＰｕＮ（Ｎ１５）燃料を使用
している高速炉体系に対する特性を示すものである。Ｍ
ｏ粒またはＦｅ粒を核燃料要素６０Ａ中で一様に振動充
填した高速炉炉心体系のドップラー係数とナトリウムボ
イド反応度を示している。比較対象はＭｏ酸化物粒また
はＦｅ酸化物粒を含まない体系である。平衡サイクルの
特性である。燃料温度とほぼ同一の場合はドップラー反
応度は大きくなることが分かる。ただし、核燃料要素を
径方向２領域に分割した分割領域の場合、構造材核種の
ＭｏまたはＦｅの温度変化の絶対値は、前記の燃料中に
一様混在の場合より少なくなる。したがって、Ｍｏまた
はＦｅ構造材を非均質配置する場合は、Ｕ238 の混合の
場合よりは効果は半減するが、それでもウラン不使用炉
心として、負のフィードバック係数を増強することが分
かる。
【０２０８】このように、粒状ＰｕＯ2 燃料を備えた核
燃料要素６０Ａを高速炉用燃料として用い、核燃料要素
６０Ａ内を径方向２分割し、外側領域１５に粒状ＰｕＯ
2 燃料を、中央領域１４に燃料物質や燃料親物質を含ま
ない非燃料物質として、融点が高いＳｉＣのような散乱
減速物質を充填させる構成とすることにより、中性子ス
ペクトルを軟らかくし燃料のドップラー効果を増大させ
る効果がある。Ｍｏのような高融点金属を中央領域１４
に粒子状態に入れることにより、Ｍｏがもつドップラー
効果を補強することができる。
燃料要素６０Ａを高速炉用燃料として用い、核燃料要素
６０Ａ内を径方向２分割し、外側領域１５に粒状ＰｕＯ
2 燃料を、中央領域１４に燃料物質や燃料親物質を含ま
ない非燃料物質として、融点が高いＳｉＣのような散乱
減速物質を充填させる構成とすることにより、中性子ス
ペクトルを軟らかくし燃料のドップラー効果を増大させ
る効果がある。Ｍｏのような高融点金属を中央領域１４
に粒子状態に入れることにより、Ｍｏがもつドップラー
効果を補強することができる。
【０２０９】Ｐｕ燃焼炉心用の核燃料要素６０Ａの中央
領域１４は図１５（Ｄ）のように空隙部分を設けること
は、燃料体積比を低減することにつながる。特に、ウラ
ン不使用型高速炉スペクトルの場合では、ウランを使用
しないことにより臨界性がよいので燃料密度を低減する
ことは重要である。しかも、燃料密度は大幅に低減する
必要がある。中央領域１４に空隙領域を配置する場合
は、外側領域１５においては、プルトニウム酸化物粒だ
けでなく、前述のように親物質・熱伝導度の大きい希釈
物質、中性子吸収物質、中性子減速物質などとの混合状
態で充填されたものを使用することにより、炉心設計目
標に合わせた振動充填燃料として選択することができ
る。
領域１４は図１５（Ｄ）のように空隙部分を設けること
は、燃料体積比を低減することにつながる。特に、ウラ
ン不使用型高速炉スペクトルの場合では、ウランを使用
しないことにより臨界性がよいので燃料密度を低減する
ことは重要である。しかも、燃料密度は大幅に低減する
必要がある。中央領域１４に空隙領域を配置する場合
は、外側領域１５においては、プルトニウム酸化物粒だ
けでなく、前述のように親物質・熱伝導度の大きい希釈
物質、中性子吸収物質、中性子減速物質などとの混合状
態で充填されたものを使用することにより、炉心設計目
標に合わせた振動充填燃料として選択することができ
る。
【０２１０】次に、ＭＯＸ粒燃料を充填した核燃料要素
６０Ｂを軽水炉に適用する場合を説明する。
６０Ｂを軽水炉に適用する場合を説明する。
【０２１１】軽水炉に適用されるＭＯＸ粒燃料を充填し
た核燃料要素６０Ｂは、径方向２領域化され、外側領域
１５にＭＯＸ粒燃料を、中央領域１５に非燃料物質とし
て、中性子減速物質である水素化ジルコニウムペレット
６１（図１６（Ａ）参照）または水素化ジルコニウム粒
（図１６（Ｂ）もしくは（Ｃ）をそれぞれ充填させる。
中央領域１４に水素ができるだけ安定して大量に入るこ
とが望ましい。
た核燃料要素６０Ｂは、径方向２領域化され、外側領域
１５にＭＯＸ粒燃料を、中央領域１５に非燃料物質とし
て、中性子減速物質である水素化ジルコニウムペレット
６１（図１６（Ａ）参照）または水素化ジルコニウム粒
（図１６（Ｂ）もしくは（Ｃ）をそれぞれ充填させる。
中央領域１４に水素ができるだけ安定して大量に入るこ
とが望ましい。
【０２１２】水素化ジルコニウムは、温度が約７００℃
を超えると、水素の解離が生ずるので低温に保つ必要が
ある。そのために、外側領域１５の発熱が制約される。
外側領域１５は、ＭＯＸ粒燃料とバーナブルポイズンの
混合体、またはＭＯＸ粒燃料とアルミナの様な高熱伝導
度希釈物質粒との混合燃料が使用される。これにより水
対ウラン比を調整することができる点がメリットがあ
る。
を超えると、水素の解離が生ずるので低温に保つ必要が
ある。そのために、外側領域１５の発熱が制約される。
外側領域１５は、ＭＯＸ粒燃料とバーナブルポイズンの
混合体、またはＭＯＸ粒燃料とアルミナの様な高熱伝導
度希釈物質粒との混合燃料が使用される。これにより水
対ウラン比を調整することができる点がメリットがあ
る。
【０２１３】また中央領域１４に燃料物質や親物質を含
まない非燃料物質として、融点が高いＳｉＣのような散
乱減速物質を、図１５（Ｂ）または（Ｃ）で示すように
充填させる。この構成により軽水炉燃料の減速材とウラ
ン比の調整に利用でき、高燃焼度化燃料の構造をウォー
ターロッド領域の減少、部分長さロッドの減少等の単純
化することに寄与することは粒状ウラン酸化物燃料を充
填した核燃料要素の場合と同様である。
まない非燃料物質として、融点が高いＳｉＣのような散
乱減速物質を、図１５（Ｂ）または（Ｃ）で示すように
充填させる。この構成により軽水炉燃料の減速材とウラ
ン比の調整に利用でき、高燃焼度化燃料の構造をウォー
ターロッド領域の減少、部分長さロッドの減少等の単純
化することに寄与することは粒状ウラン酸化物燃料を充
填した核燃料要素の場合と同様である。
【０２１４】高速炉体系で、図１５に示す中央領域１４
を空隙とする構造は、ＭＯＸ粒燃料を充填した核燃料要
素と組合せて、Ｐｕ同位体組成比の変動による反応度の
調整のために使用される。即ち、核分裂性元素の量が多
い場合は、中央領域１４の中空部を大きくし、核分裂性
元素の量が少ない場合は、中空部を小さくする。これに
より、Ｐｕ同位体組成比が変動する原料をもとに核燃料
をつくる場合に、Ｐｕ富化度を一定とし内管のサイズと
の組合せをすることにより、工程のなかで手間を増加さ
せずに炉心設計に対応できる範囲が広がるメリットがあ
る。
を空隙とする構造は、ＭＯＸ粒燃料を充填した核燃料要
素と組合せて、Ｐｕ同位体組成比の変動による反応度の
調整のために使用される。即ち、核分裂性元素の量が多
い場合は、中央領域１４の中空部を大きくし、核分裂性
元素の量が少ない場合は、中空部を小さくする。これに
より、Ｐｕ同位体組成比が変動する原料をもとに核燃料
をつくる場合に、Ｐｕ富化度を一定とし内管のサイズと
の組合せをすることにより、工程のなかで手間を増加さ
せずに炉心設計に対応できる範囲が広がるメリットがあ
る。
【０２１５】中央領域１４に空隙領域を配置する場合
は、外側燃料配置領域１５においてはプルトニウム酸化
物粒子だけでなく、前述のように親物質・熱伝導度の大
きい希釈物質、希釈物質、中性子吸収物質などとの混合
状態で充填されたものを使用するだけでなく、インベン
トリーの調整などを行うためにしようとすることができ
る。
は、外側燃料配置領域１５においてはプルトニウム酸化
物粒子だけでなく、前述のように親物質・熱伝導度の大
きい希釈物質、希釈物質、中性子吸収物質などとの混合
状態で充填されたものを使用するだけでなく、インベン
トリーの調整などを行うためにしようとすることができ
る。
【０２１６】ウラン・プルトニウム酸化物燃料において
径方向を２領域化する場合、中央領域１４を空隙化する
ことにより、高速炉・軽水炉のいずれに対しても、プル
トニウム燃料の原料となるＰｕの同位体組成比（Ａｍ２
４１も含む）は、各原料ロット間で同一の値であること
はほとんどない。しかし、燃料製造の簡素化の観点から
はＰｕ同位体組成比の変動によらずＰｕ富化度はできる
だけ同一とすることがひとつの方策である。これを実現
するために中央領域１４を空隙化することによる燃料製
造簡素化が可能となる。外側領域１５のＰｕ富化度をマ
クロ的に見ると同一とする振動充填燃料で、核分裂性物
質のインベントリーを同一とする様に、中央領域１４の
部分のサイズを調整することにより行うことができる。
径方向を２領域化する場合、中央領域１４を空隙化する
ことにより、高速炉・軽水炉のいずれに対しても、プル
トニウム燃料の原料となるＰｕの同位体組成比（Ａｍ２
４１も含む）は、各原料ロット間で同一の値であること
はほとんどない。しかし、燃料製造の簡素化の観点から
はＰｕ同位体組成比の変動によらずＰｕ富化度はできる
だけ同一とすることがひとつの方策である。これを実現
するために中央領域１４を空隙化することによる燃料製
造簡素化が可能となる。外側領域１５のＰｕ富化度をマ
クロ的に見ると同一とする振動充填燃料で、核分裂性物
質のインベントリーを同一とする様に、中央領域１４の
部分のサイズを調整することにより行うことができる。
【０２１７】中央領域１４の空隙部を分割するための内
部管である領域分割用内管１２の外径をいくつか用意す
ることにより、調整範囲を確保する。この部分は複雑に
なるが、燃料のＰｕ富化度調整工程は大幅に簡素化され
る点については変りはない。
部管である領域分割用内管１２の外径をいくつか用意す
ることにより、調整範囲を確保する。この部分は複雑に
なるが、燃料のＰｕ富化度調整工程は大幅に簡素化され
る点については変りはない。
【０２１８】図１７は、本発明に係る核燃料要素６５の
第３実施形態を示すものである。
第３実施形態を示すものである。
【０２１９】この実施形態に示された核燃料要素６５
は、軽水炉用燃料あるいは高速炉用燃料として適用され
る。図１に示された核燃料要素１０と同じ構成には同一
符号を付して説明を省略する。
は、軽水炉用燃料あるいは高速炉用燃料として適用され
る。図１に示された核燃料要素１０と同じ構成には同一
符号を付して説明を省略する。
【０２２０】図１７に示された核燃料要素６５は、金属
被覆管１１内の少なくとも１箇所、例えば中間部分６７
を局所的径方向２領域化構造としたものである。この核
燃料要素６５は、燃料被覆管である長尺の外側金属被覆
管１１内に短尺の内側被覆管１２を収容し、この内側被
覆管１２を仕切りスペーサを兼ねる仕切りペレット（仕
切りディスク）６６により保持し、核燃料要素６５内を
軸方向に沿って局所的に径方向２領域化したものであ
る。金属被覆管１１内の中間部分６７を径方向２領域化
し、中央領域１４と周辺領域１５とを形成したものであ
る。
被覆管１１内の少なくとも１箇所、例えば中間部分６７
を局所的径方向２領域化構造としたものである。この核
燃料要素６５は、燃料被覆管である長尺の外側金属被覆
管１１内に短尺の内側被覆管１２を収容し、この内側被
覆管１２を仕切りスペーサを兼ねる仕切りペレット（仕
切りディスク）６６により保持し、核燃料要素６５内を
軸方向に沿って局所的に径方向２領域化したものであ
る。金属被覆管１１内の中間部分６７を径方向２領域化
し、中央領域１４と周辺領域１５とを形成したものであ
る。
【０２２１】核燃料要素６５内の軸方向分割は、内側被
覆管１２上下に配置される仕切ペレット６６により行な
われ、径方向２領域された中間部分６７と径方向２領域
化していない上部および下部部分６８，６９とに区画さ
れる。中間部分６７の径方向２領域は内側被覆管１２に
より行なわれる。内側被覆管１２は局所領域分割用内管
として薄肉構造材で形成される。
覆管１２上下に配置される仕切ペレット６６により行な
われ、径方向２領域された中間部分６７と径方向２領域
化していない上部および下部部分６８，６９とに区画さ
れる。中間部分６７の径方向２領域は内側被覆管１２に
より行なわれる。内側被覆管１２は局所領域分割用内管
として薄肉構造材で形成される。
【０２２２】核燃料要素６５において径方向２領域化部
分の軸方向長さが、所要の燃料部分長さとなるように、
内管被覆管１２の管長が適宜設定される。核燃料要素６
５の中間部分を局所的に径方向２領域化することにより
核燃料要素６５の多様化が図れ、各種の燃料組成・炉型
に対して有効である。核燃料要素６５内を局所的に径方
向２領域化することで、径方向２領域化されていない一
様な核燃料要素に対し、炉心の経済性、安全に関わる特
性改善を図ることができる。
分の軸方向長さが、所要の燃料部分長さとなるように、
内管被覆管１２の管長が適宜設定される。核燃料要素６
５の中間部分を局所的に径方向２領域化することにより
核燃料要素６５の多様化が図れ、各種の燃料組成・炉型
に対して有効である。核燃料要素６５内を局所的に径方
向２領域化することで、径方向２領域化されていない一
様な核燃料要素に対し、炉心の経済性、安全に関わる特
性改善を図ることができる。
【０２２３】核燃料要素６５内の径方向２領域化された
中間部分６７には、粒状の燃料物質（ＵＯ2 燃料、Ｐｕ
Ｏ2 燃料、ＭＯＸ燃料）、燃料親物質、非燃料物質（希
釈物質、中性子吸収物質、中性子減速物質）が最適化条
件で振動充填される一方、核燃料要素６５の径方向２領
域化されない径方向一様領域の上部および下部部分６
８，６９に粒状燃料物質や燃料親物質が充填される。こ
の上部および下部部分６８，６９にも必要に応じて非燃
料物質が混在され、充填される。このように、核燃料要
素６５内に局所的な径方向２領域化部分を形成するよう
な、軸方向多分割も、炉心の最適化条件と合せて有効と
なる。
中間部分６７には、粒状の燃料物質（ＵＯ2 燃料、Ｐｕ
Ｏ2 燃料、ＭＯＸ燃料）、燃料親物質、非燃料物質（希
釈物質、中性子吸収物質、中性子減速物質）が最適化条
件で振動充填される一方、核燃料要素６５の径方向２領
域化されない径方向一様領域の上部および下部部分６
８，６９に粒状燃料物質や燃料親物質が充填される。こ
の上部および下部部分６８，６９にも必要に応じて非燃
料物質が混在され、充填される。このように、核燃料要
素６５内に局所的な径方向２領域化部分を形成するよう
な、軸方向多分割も、炉心の最適化条件と合せて有効と
なる。
【０２２４】図１８乃至図２０は本発明に係る核燃料要
素の第３実施形態における第１実施例乃至第３実施例を
示すものである。
素の第３実施形態における第１実施例乃至第３実施例を
示すものである。
【０２２５】図１８に示された核燃料要素６５Ａの第１
実施例は、下部部分６９に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４とその外側領域の周辺
領域１５とに区画したものである。
実施例は、下部部分６９に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４とその外側領域の周辺
領域１５とに区画したものである。
【０２２６】図１９に示された核燃料要素６５Ｂの第２
実施例は、上部および下部部分６８，６９に内側被覆管
をそれぞれ収容させて径方向２領域化し、中央領域１４
と外側領域１５とにそれぞれ区画したものである。
実施例は、上部および下部部分６８，６９に内側被覆管
をそれぞれ収容させて径方向２領域化し、中央領域１４
と外側領域１５とにそれぞれ区画したものである。
【０２２７】図２０に示された核燃料要素６５Ｃの第３
実施例は、上部部分６８に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４と外側領域１５とに区
画したものである。
実施例は、上部部分６８に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４と外側領域１５とに区
画したものである。
【０２２８】図１８乃至図２０に示された核燃料要素６
５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ内の部分には内側被覆管１２が介
装されておらず、径方向２領域化されていない。径方向
２領域化部分と径方向２領域化されていない部分との仕
切りは、仕切ペレット６６により行なわれる。
５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃ内の部分には内側被覆管１２が介
装されておらず、径方向２領域化されていない。径方向
２領域化部分と径方向２領域化されていない部分との仕
切りは、仕切ペレット６６により行なわれる。
【０２２９】図１７乃至図２０に示されたように核燃料
要素６５，６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃの軸方向に限られた
限定領域に、所要の軸方向長さ分だけ、径方向２領域化
することにより、核燃料要素の多様化を図ることができ
る。
要素６５，６５Ａ，６５Ｂ，６５Ｃの軸方向に限られた
限定領域に、所要の軸方向長さ分だけ、径方向２領域化
することにより、核燃料要素の多様化を図ることができ
る。
【０２３０】図２１は、本発明に係る核燃料要素の第４
実施形態を示す縦断面図である。
実施形態を示す縦断面図である。
【０２３１】この実施形態に示された核燃料要素７０は
軽水炉用あるいは高速炉用燃料として用いられる。この
核燃料要素７０の全体的構成は図１７に示された核燃料
要素６５と実質的に同一であるので、同一部分には同じ
符号を付して説明を省略する。
軽水炉用あるいは高速炉用燃料として用いられる。この
核燃料要素７０の全体的構成は図１７に示された核燃料
要素６５と実質的に同一であるので、同一部分には同じ
符号を付して説明を省略する。
【０２３２】図２１に示された核燃料要素７０は、燃料
被覆管である外側被覆管１１内を上下に間隔をおいて仕
切スペーサーである仕切りペレット６６で上部部分６
８、中間部分６７および下部部分６９に区画し、中間部
分６７に外側被覆管１１より短尺の内側被覆管１２を収
容して径方向２領域化したものである。中間部分６７は
領域分割用内容である短尺の内側被覆管１２により中央
領域１４とその外側領域である周辺領域１５とに区画さ
れ、中央領域１４には、燃料物質または燃料親物質を含
まない非燃料物質が充填されたものである。
被覆管である外側被覆管１１内を上下に間隔をおいて仕
切スペーサーである仕切りペレット６６で上部部分６
８、中間部分６７および下部部分６９に区画し、中間部
分６７に外側被覆管１１より短尺の内側被覆管１２を収
容して径方向２領域化したものである。中間部分６７は
領域分割用内容である短尺の内側被覆管１２により中央
領域１４とその外側領域である周辺領域１５とに区画さ
れ、中央領域１４には、燃料物質または燃料親物質を含
まない非燃料物質が充填されたものである。
【０２３３】しかして、核燃料要素７０の上部および下
部部分６８，６９ならびに中間部分６７の周辺領域１５
には、粒状ＵＯ2 燃料、粒状ＰｕＯ2 燃料あるいは粒状
ＭＯＸ燃料（ＭＯＸ粒状燃料）等の粒状燃料物質が充填
される。この粒状燃料物質は粒状の希釈物質、中性子吸
収物質あるいは中性子減速物質と適宜混合せしめられて
充填される。
部部分６８，６９ならびに中間部分６７の周辺領域１５
には、粒状ＵＯ2 燃料、粒状ＰｕＯ2 燃料あるいは粒状
ＭＯＸ燃料（ＭＯＸ粒状燃料）等の粒状燃料物質が充填
される。この粒状燃料物質は粒状の希釈物質、中性子吸
収物質あるいは中性子減速物質と適宜混合せしめられて
充填される。
【０２３４】図２１に示された核燃料要素７０は、中央
領域１４に燃料物質または燃料親物質を含まない非燃料
物質を充填させた例であり、軽水炉または高速炉用燃料
として適用できる。非燃料物質を充填させた中央領域１
４を核燃料要素７０の軸方向に限られた領域に限定し、
所要の軸方向長の中央領域１４を形成することにより、
核燃料要素７０を多様化させることができる。
領域１４に燃料物質または燃料親物質を含まない非燃料
物質を充填させた例であり、軽水炉または高速炉用燃料
として適用できる。非燃料物質を充填させた中央領域１
４を核燃料要素７０の軸方向に限られた領域に限定し、
所要の軸方向長の中央領域１４を形成することにより、
核燃料要素７０を多様化させることができる。
【０２３５】図２２乃至図２４は本発明に係る核燃料要
素７０Ａの第４実施形態における第１実施例乃至第３実
施例を示すものである。
素７０Ａの第４実施形態における第１実施例乃至第３実
施例を示すものである。
【０２３６】図２２に示された核燃料要素７０Ａの第１
実施形態は、下部部分６９に内側被覆管１２を収容させ
て径方向２領域化し、中央領域１４とその外側領域の周
辺領域１５とに区画したものである。この場合にも、中
央領域１４には、燃料物質や親物質を含まない非燃料物
質が充填される。
実施形態は、下部部分６９に内側被覆管１２を収容させ
て径方向２領域化し、中央領域１４とその外側領域の周
辺領域１５とに区画したものである。この場合にも、中
央領域１４には、燃料物質や親物質を含まない非燃料物
質が充填される。
【０２３７】図２３に示された核燃料要素７０Ｂの第２
実施例は、上部および下部部分６８，６９に内側被覆管
１２が収容されて径方向２領域化し、中央領域１４と外
側領域１５との区画したものである。この場合にも、中
央領域１４に燃料物質や燃料親物質を含まない非燃料物
質が充填される。
実施例は、上部および下部部分６８，６９に内側被覆管
１２が収容されて径方向２領域化し、中央領域１４と外
側領域１５との区画したものである。この場合にも、中
央領域１４に燃料物質や燃料親物質を含まない非燃料物
質が充填される。
【０２３８】図２４に示された核燃料要素７０Ｃの第３
実施例は、上部部分６８に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４と外側領域１５とに区
画したものである。この場合にも、中央領域１４に燃料
物質や燃料親物質を含まない非燃料物質が充填される。
実施例は、上部部分６８に内側被覆管１２を収容させて
径方向２領域化し、中央領域１４と外側領域１５とに区
画したものである。この場合にも、中央領域１４に燃料
物質や燃料親物質を含まない非燃料物質が充填される。
【０２３９】図２１乃至図２４に示された核燃料要素７
０〜７０Ｃの他の部分には、内側被覆管１２が介装され
ておらず、径方向の２領域化されていない。径方向２領
域化部分と径方向２領域化されていない部分との仕切り
は仕切スペーサを兼ねる仕切ペレット６６により行なわ
れる。この場合にも、核燃料要素７０〜７０Ｃの多様化
を図ることができる。
０〜７０Ｃの他の部分には、内側被覆管１２が介装され
ておらず、径方向の２領域化されていない。径方向２領
域化部分と径方向２領域化されていない部分との仕切り
は仕切スペーサを兼ねる仕切ペレット６６により行なわ
れる。この場合にも、核燃料要素７０〜７０Ｃの多様化
を図ることができる。
【０２４０】なお、本発明に係る核燃料要素の各実施態
様においては、種々の核燃料要素を説明したが、これら
の核燃料要素は燃料集合体の全体に使用せず、燃料集合
体を構成する構成の一部として利用することもでき、ま
た、種々の核燃料要素を１つの燃料集合体内に組み合せ
て用いることもできる。
様においては、種々の核燃料要素を説明したが、これら
の核燃料要素は燃料集合体の全体に使用せず、燃料集合
体を構成する構成の一部として利用することもでき、ま
た、種々の核燃料要素を１つの燃料集合体内に組み合せ
て用いることもできる。
【０２４１】また、本発明に係る核燃料要素の実施形態
においては、粒状酸化物形態の燃料を使用した例を説明
したが、酸化物形態の粒状燃料ではなく、窒化物形態の
粒状燃料にも容易に適用できる。ただし、酸化物と窒化
物とが混在した混在燃料の選択については、個別に検討
が必要である。さらに燃料物質に超ウラン元素が少なく
とも１つ入った粒状燃料についても同じ考え方が適用で
きる。
においては、粒状酸化物形態の燃料を使用した例を説明
したが、酸化物形態の粒状燃料ではなく、窒化物形態の
粒状燃料にも容易に適用できる。ただし、酸化物と窒化
物とが混在した混在燃料の選択については、個別に検討
が必要である。さらに燃料物質に超ウラン元素が少なく
とも１つ入った粒状燃料についても同じ考え方が適用で
きる。
【０２４２】
【発明の効果】本発明に係る核燃料要素およびその製造
方法においては、金属被覆管内に領域分割用内管を収容
して中央領域と周辺領域に区画し、上記金属被覆管内に
粒状の燃料物質または燃料親物質を充填させ、密封させ
たので、充填される各種粒状物質の核熱的特徴を考慮
し、振動充填の特徴を充分に活用し、燃料製造工程を複
雑化することなく、種々の燃料仕様に対応でき、柔軟で
自由度の高い核燃料要素を安価に提供することができ
る。
方法においては、金属被覆管内に領域分割用内管を収容
して中央領域と周辺領域に区画し、上記金属被覆管内に
粒状の燃料物質または燃料親物質を充填させ、密封させ
たので、充填される各種粒状物質の核熱的特徴を考慮
し、振動充填の特徴を充分に活用し、燃料製造工程を複
雑化することなく、種々の燃料仕様に対応でき、柔軟で
自由度の高い核燃料要素を安価に提供することができ
る。
【０２４３】本発明に係る核燃料要素においては、金属
被覆管内の中央領域および周辺領域に充填される粒状燃
料物質もしくは燃料親物質、または非燃料物質の種類、
粒径、混在割合を種々選択することで燃料製造工程を複
雑化することなく、多様な核燃料要素を簡単かつ容易に
製造でき、軽水炉用燃料あるいは高速炉用燃料としてウ
ラン資源有効利用のための燃料サイクル全体に共通して
使用できる。
被覆管内の中央領域および周辺領域に充填される粒状燃
料物質もしくは燃料親物質、または非燃料物質の種類、
粒径、混在割合を種々選択することで燃料製造工程を複
雑化することなく、多様な核燃料要素を簡単かつ容易に
製造でき、軽水炉用燃料あるいは高速炉用燃料としてウ
ラン資源有効利用のための燃料サイクル全体に共通して
使用できる。
【０２４４】本発明に係る核燃料要素においては、金属
被覆管内を領域分割用内管で中央領域と周辺領域とに区
画し、上記金属被覆管内に充填される粒状の燃料物質
（ウラン酸化物燃料、プルトニウム酸化物燃料、または
ウラン・プルトニウム酸化物燃料）、燃料親物質および
非燃料物質（希釈物質や中性子吸収物質、中性子減速物
質）の各種類および粒径を適宜選択して振動充填させる
ことにより、原子炉役割の多様化に柔軟に対応でき、燃
料仕様変更への対応が容易となる。
被覆管内を領域分割用内管で中央領域と周辺領域とに区
画し、上記金属被覆管内に充填される粒状の燃料物質
（ウラン酸化物燃料、プルトニウム酸化物燃料、または
ウラン・プルトニウム酸化物燃料）、燃料親物質および
非燃料物質（希釈物質や中性子吸収物質、中性子減速物
質）の各種類および粒径を適宜選択して振動充填させる
ことにより、原子炉役割の多様化に柔軟に対応でき、燃
料仕様変更への対応が容易となる。
【０２４５】さらに、本発明に係る核燃料要素において
は、粒状燃料物質や粒状非燃料物質（希釈物質、中性子
吸収物質、中性子減速物質）の核熱的特徴を考慮する一
方、領域分割用内管の管径を金属被覆管の管径との関係
で適宜選択し、粒状物質の振動充填の特徴を積極的に活
用することで、粒状燃料物質のウラン濃縮度等を同一に
保って多様で自由度の高い核燃料要素を簡単かつ容易に
得ることができる。
は、粒状燃料物質や粒状非燃料物質（希釈物質、中性子
吸収物質、中性子減速物質）の核熱的特徴を考慮する一
方、領域分割用内管の管径を金属被覆管の管径との関係
で適宜選択し、粒状物質の振動充填の特徴を積極的に活
用することで、粒状燃料物質のウラン濃縮度等を同一に
保って多様で自由度の高い核燃料要素を簡単かつ容易に
得ることができる。
【図１】本発明に係る核燃料要素の第１実施形態を示す
簡略化した縦断面図。
簡略化した縦断面図。
【図２】図１のII−II線に沿う平断面図。
【図３】原子炉出力上昇時における新燃料中の最高温度
変化を示す図。
変化を示す図。
【図４】図１に示された核燃料要素の変形例を示す平断
面図。
面図。
【図５】本発明に係る核燃料要素に粒状燃料物質等粒状
物質を振動充填させる粒状物質充填装置を示す縦断面
図。
物質を振動充填させる粒状物質充填装置を示す縦断面
図。
【図６】図５に示された粒状物質充填装置を示す平面
図。
図。
【図７】本発明に係る核燃料要素の第１実施形態におけ
る第１実施例を示す縦断面図。
る第１実施例を示す縦断面図。
【図８】（Ａ）は図７の中央領域（Ａ部）の充填態様を
示す拡大図、（Ｂ）は図７の周辺領域（Ｂ部）の充填態
様を示す拡大図。
示す拡大図、（Ｂ）は図７の周辺領域（Ｂ部）の充填態
様を示す拡大図。
【図９】本発明に係る核燃料要素の第１実施形態におけ
る第２実施例を示す縦断面図。
る第２実施例を示す縦断面図。
【図１０】（Ａ）は図９の中央領域（Ａ部）の充填態様
を示す拡大図、（Ｂ）は図９の周辺領域（Ｂ部）の充填
態様を示す拡大図。
を示す拡大図、（Ｂ）は図９の周辺領域（Ｂ部）の充填
態様を示す拡大図。
【図１１】本発明に係る核燃料要素の第１実施形態にお
ける第３実施例を示す縦断面図。
ける第３実施例を示す縦断面図。
【図１２】（Ａ）は図１１の中央領域（Ａ部）の充填態
様を示す拡大図。（Ｂ）は図１１の周辺領域（Ｂ部）の
充填態様を示す拡大図。
様を示す拡大図。（Ｂ）は図１１の周辺領域（Ｂ部）の
充填態様を示す拡大図。
【図１３】本発明に係る核燃料要素の第１実施形態にお
ける第４実施例を示す図。
ける第４実施例を示す図。
【図１４】（Ａ）および（Ｂ）は図１３の中央領域（Ａ
部）および周辺領域（Ｂ部）の充填態様をそれぞれ示す
拡大図。
部）および周辺領域（Ｂ部）の充填態様をそれぞれ示す
拡大図。
【図１５】本発明に係る核燃料要素の第２実施形態を示
す縦断面図。
す縦断面図。
【図１６】（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）および（Ｄ）は図１
５に示された中央領域（Ａ部、Ｂ部、Ｃ部およびＤ部）
の各態様を示す拡大図。
５に示された中央領域（Ａ部、Ｂ部、Ｃ部およびＤ部）
の各態様を示す拡大図。
【図１７】本発明に係る核燃料要素の第３実施形態を示
す縦断面図。
す縦断面図。
【図１８】本発明に係る核燃料要素の第３実施形態にお
ける第１実施例を示す縦断面図。
ける第１実施例を示す縦断面図。
【図１９】本発明に係る核燃料要素の第３実施形態にお
ける第２実施例を示す縦断面図。
ける第２実施例を示す縦断面図。
【図２０】本発明に係る核燃料要素の第３実施形態にお
ける第３実施例を示す縦断面図。
ける第３実施例を示す縦断面図。
【図２１】本発明に係る核燃料要素の第４実施形態を示
す縦断面図。
す縦断面図。
【図２２】本発明に係る核燃料要素の第４実施形態にお
ける第１実施例を示す縦断面図。
ける第１実施例を示す縦断面図。
【図２３】本発明に係る核燃料要素の第４実施形態にお
ける第２実施例を示す縦断面図。
ける第２実施例を示す縦断面図。
【図２４】本発明に係る核燃料要素の第４実施形態にお
ける第３実施例を示す縦断面図。
ける第３実施例を示す縦断面図。
【図２５】粒状燃料要素とペレット燃料要素の燃料製造
工程を比較して示す図。
工程を比較して示す図。
【図２６】従来の核燃料要素を示す縦断面図。
【図２７】従来の核燃料要素の他の例を示す縦断面図。
【図２８】図２７のＸ−Ｘ線に沿う断面図。
【図２９】従来の核燃料要素のさらに他の例を示す部分
的な断面図。
的な断面図。
１０，１０Ａ 核燃料要素 １１ 外側被覆管（金属被覆管、燃料被覆管） １２，１２Ａ 内管（領域分割用内管） １３ 間隔スペーサ １４ 中央領域 １５ 周辺領域（外側領域） １６ 下部端栓 １７ 上部端栓 １８ 抑えばね １９ 抑えディスク（押圧手段） ２０ 粒状物質充填装置 ２１ 振動台 ２２ 二重管ホッパ ２３ 外側ホッパ ２４ 内側ホッパ ２５，２６ ガイド筒 ２７ 中間ガイド筒 ３０，３３ 大粒子 ３１，３４ 中粒子 ３２，３５ 小粒子 ４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，４０Ｄ 核燃料要素 ４１，４４ 大粒子 ４２，４５ 中粒子 ４３，４６ 小粒子 ５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ 核燃料要素 ６０，６０Ａ，６０Ｂ 核燃料要素 ６１ ペレット ６５，６５Ｄ，６５Ｂ，６５Ｃ 核燃料要素 ６６ 仕切りペレット（仕切りスペーサ） ６７ 中間部分 ６８ 上部部分 ６９ 下部部分 ７０，７０Ａ，７０Ｂ，７０Ｃ，７０Ｄ 核燃料要素
Claims (20)
- 【請求項１】 金属被覆管内に粒状の燃料物質または燃
料親物質を充填し、密封した核燃料要素において、上記
金属被覆管内に中央領域と周辺領域とに分割する領域分
割用内管を収容したことを特徴とする核燃料要素。 - 【請求項２】 金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料が
充填されており、この粒状ウラン酸化物燃料は中央領域
と周辺領域でウラン２３５充填率が異なるように分割さ
れて充填された請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項３】 金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料と
融点が高く中性子吸収断面積の小さな非燃料物質が混在
して充填されており、前記粒状ウラン酸化物燃料と非燃
料物質との混在割合が、金属被覆管内の中央領域と周辺
領域とで異なるように充填された請求項１に記載の核燃
料要素。 - 【請求項４】 金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料と
融点が高く中性子吸収断面積の大きな非燃料物質である
中性子吸収物質とが混在して充填されており、前記粒状
ウラン酸化物燃料と中性子吸収物質との混在割合が金属
被覆管内の中央領域と周辺領域とで異なるように充填さ
れた請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項５】 金属被覆管内に粒状ウラン酸化物燃料と
ともに融点が高く中性子吸収断面積の大きな中性子吸収
物質と中性子吸収断面積の小さな非燃料物質とが混在し
て充填されており、前記中性子吸収物質と非燃料物質と
の混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域とで異
なるように充填された請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項６】 金属被覆管内にウラン不使用の粒状プル
トニウム酸化物燃料が充填されており、このプルトニウ
ム酸化物燃料のプルトニウム充填率が金属被覆管内の中
央領域と周辺領域で異なるように分割して充填された請
求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項７】 金属被覆管内にウラン不使用の粒状プル
トニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積の小さな非燃料物質が混在して充填されており、前記
粒状プルトニウム酸化物燃料と非燃料物質の混在割合が
金属被覆管の中央領域と周辺領域とで異なるように充填
された請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項８】 金属被覆管内にウラン不使用の粒状プル
トニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積の大きな非燃料物質である中性子吸収物質が混在して
充填されており、前記粒状プルトニウム酸化物燃料と中
性子吸収物質の混在割合が、金属被覆管内の中央領域と
周辺領域とで異なるように充填された請求項１に記載の
核燃料要素。 - 【請求項９】 金属被覆管内にウラン不使用の粒状プル
トニウム酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小
さな非燃料物質が混在して充填されており、前記中性子
吸収物質と非燃料物質の混在割合が、金属被覆管内の中
央領域と周辺領域とで異なるように充填された請求項１
に記載の核燃料要素。 - 【請求項１０】 金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料が充填されており、このウラン・プ
ルトニウム混合酸化物燃料の充填率は金属被覆管の中央
領域と周辺領域で異なるように充填された請求項１に記
載の核燃料要素。 - 【請求項１１】 金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積の小さな非燃料物質が混在されて充填されており、前
記粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と非燃料物
質との混在割合が金属被覆管内の中央領域と周辺領域で
異なるように充填された請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項１２】 金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積が大きな中性子吸収物質が混在して充填されており、
前記粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料と中性子
吸収物質との混在割合は、金属被覆管内の中央領域と周
辺領域で異なるように充填された請求項１に記載の核燃
料要素。 - 【請求項１３】 金属被覆管内に粒状ウラン・プルトニ
ウム混合酸化物燃料とともに融点が高く中性子吸収断面
積の大きな中性子吸収物質および中性子吸収断面積の小
さな非燃料物質とが混在して充填されており、前記中性
子吸収物質と非燃料物質との混在割合は、金属被覆管内
の中央領域と周辺領域で異なるように充填された請求項
１記載の核燃料要素。 - 【請求項１４】 金属被覆管内の中央領域に燃料物質な
いし燃料親物質を含まない非燃料物質が配置され、金属
被覆管の周辺領域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルト
ニウム酸化物燃料または粒状ウラン・プルトニウム混合
酸化物燃料が充填された請求項１に記載の核燃料要素。 - 【請求項１５】 金属被覆管内に収容される領域分割用
内管は薄肉内筒状に形成され、上記領域分割用内管には
間隔スペーサが放射状に突出して設けられた請求項１に
記載の核燃料要素。 - 【請求項１６】 下部端栓で下部が密着され、内部に領
域分割用内管を収容した金属被覆管を振動台上に設置す
る一方、上記領域分割用内管を収容した金属被覆管の上
部開放側から二重構造のホッパを嵌合させ、この二重構
造のホッパを利用して金属被覆管の中央領域と周辺領域
に粒状燃料物質もしくは燃料親物質ならびに非燃料物質
を振動台を稼動させながら混在状態で充填させ、この充
填後に前記領域分割用内容をばね付勢された押圧手段で
下部端栓側に押圧させた状態で上部端栓を上部に密着す
ることを特徴とする核燃料要素の製造方法。 - 【請求項１７】 金属被覆管内に粒状の燃料物質または
燃料親物質を充填し、密封した核燃料要素において、上
記金属被覆管内に中央領域と周辺領域とに分割する短尺
の領域分割用内管を収容し、金属被覆管内に局所的に形
成される径方向２領域部分を、少なくとも１ヶ所金属被
覆管の軸方向に沿って設けたことを特徴とする核燃料要
素。 - 【請求項１８】 金属被覆管の径方向２領域部分に粒状
の燃料物質または燃料親物質と、融点が高く中性子吸収
断面積の大きな中性子吸収物質および中性子断面積の小
さな非燃料物質の少なくとも一方とが混在して充填され
た請求項１７に記載の核燃料要素。 - 【請求項１９】 金属被覆管の径方向２領域部分の中央
領域に燃料物質ないし燃料親物質を含まない非燃料物質
が配置され、周辺領域および径方向２領域部分以外の領
域に粒状ウラン酸化物燃料、粒状プルトニウム酸化物燃
料または粒状ウラン・プルトニウム混合酸化物燃料が充
填された請求項１７に記載の核燃料要素。 - 【請求項２０】 請求項１乃至１５および請求項１７乃
至１９のいずれかに記載の核燃料要素を燃料集合体を構
成する燃料要素の一部としたことを特徴とする燃料集合
体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9097596A JPH10288686A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 核燃料要素およびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9097596A JPH10288686A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 核燃料要素およびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10288686A true JPH10288686A (ja) | 1998-10-27 |
Family
ID=14196627
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9097596A Pending JPH10288686A (ja) | 1997-04-15 | 1997-04-15 | 核燃料要素およびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10288686A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100963472B1 (ko) | 2008-04-17 | 2010-06-17 | 한국원자력연구원 | 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는금속핵연료봉 및 이의 제조방법 |
| CN110875096A (zh) * | 2018-09-03 | 2020-03-10 | Aa博奇瓦尔无机材料高新技术研究股份公司 | 核反应堆燃料元件 |
| JP2021096080A (ja) * | 2019-12-13 | 2021-06-24 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 高速炉用の燃料集合体、高速炉の炉心及び核燃料要素の製造方法 |
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1997
- 1997-04-15 JP JP9097596A patent/JPH10288686A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100963472B1 (ko) | 2008-04-17 | 2010-06-17 | 한국원자력연구원 | 금속 핵연료 입자가 봉입된 금속 시스를 포함하는금속핵연료봉 및 이의 제조방법 |
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| CN110875096B (zh) * | 2018-09-03 | 2024-03-19 | Aa博奇瓦尔无机材料高新技术研究股份公司 | 核反应堆燃料元件 |
| JP2021096080A (ja) * | 2019-12-13 | 2021-06-24 | 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 | 高速炉用の燃料集合体、高速炉の炉心及び核燃料要素の製造方法 |
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