JPH11326571A - 原子炉用金属燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 核分裂生成物および金属燃料体による被覆管
の健全性の損失を防止する。 【解決手段】 燃料用合金を成型して得られる金属燃料
体１を被覆管２内に充填する原子炉用金属燃料要素にお
いて、金属燃料体１の表面に被覆管２との反応を抑制す
る反応抑制層７を形成し、核分裂生成物および金属燃料
体１の成分と被覆管２の成分との相互拡散および反応を
抑制するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、核燃料として金属
燃料を使用する原子炉用金属燃料要素に関する。さらに
詳しくは、本発明は、被覆管と燃料体との反応を抑制さ
せる原子炉用金属燃料要素に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４に従来の金属燃料要素の一般的な構
造を示す。この金属燃料要素は、燃料用合金を円柱形状
に成型した燃料体１０１をナトリウム１０５と共に被覆
管１０２内に収容し、上部端栓１０３と下部端栓１０４
とで被覆管１０２内を密封したものである。燃料体１０
１と被覆管１０２との間には、燃料体１０１のスエリン
グ量を考慮して隙間が設けられており、これらの隙間に
は、燃料体１０１から被覆管１０２への熱伝達を良くす
るためにナトリウム１０５が充填される。なお、ナトリ
ウム１０５と上部端栓１０３との間のガスプレナム１０
６には核分裂生成ガスが溜められる。燃料体１０１は、
ウラン合金やプルトニウム合金等の燃料用合金であっ
て、鋳型を用いた鋳造によって円柱状に成型される。即
ち、石英製のパイプ状の鋳型に溶かした燃料用合金を注
入して冷却し、凝固した燃料用合金を鋳型から取り出し
た後、両端を所定の長さに切り揃えて一定の長さを持つ
円柱状の燃料体１０１とされている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにして製造された金属燃料要素では、金属燃料体１０
１によって被覆管１０２の健全性が損なわれる虞があ
る。つまり、原子炉に金属燃料要素を装荷して燃料体１
０１を燃焼させると、スエリングの発生により燃料体１
０１が膨張して被覆管１０２に接触することになるが、
この接触により燃料体１０１および当該燃料体１０１内
で発生する核分裂生成物の成分と被覆管１０２の成分と
が相互に拡散し反応する。このため、被覆管１０２の肉
厚のうち、健全な部分の厚さが減少してしまう。一方、
被覆管１０２内部の圧力は燃料体１０１から放出される
核分裂生成ガスにより増加し、また、燃料体１０１がス
エリングより膨張するため、被覆管１０２には引張り応
力が作用する。上述のように、被覆管１０２の健全な部
分の厚さが減少すると、前記引張り応力によって被覆管
１０２が破損し易くなり、金属燃料要素を原子炉内で使
用できる寿命が短くなる。そのため、金属燃料要素の長
時間装荷を可能にして経済性を向上させたいとの要請に
反してしまう。

【０００４】一方、燃料体１０１と被覆管１０２との間
に反応性の低い材料からなる障壁を設けることで、核分
裂生成物および燃料体１０１の成分と被覆管１０２の成
分との相互拡散および反応を抑制することは可能ではあ
るが、この方法では、障壁を燃料体１０１と被覆管１０
２との間に設けた分だけ被覆管１０２内に封入できる燃
料体１０１の量が減少し、可能なかぎり多くの燃料体１
０１を被覆管１０２内に挿入したいとの要請に反してし
まう。

【０００５】本発明は、核分裂生成物および金属燃料体
の成分の拡散および反応に起因する被覆管の健全性の損
失を防ぐことが可能な原子炉用金属燃料要素を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに、請求項１記載の発明は、燃料用合金を成型して得
られる金属燃料体を被覆管内に充填する原子炉用金属燃
料要素において、金属燃料体の表面に被覆管との反応を
抑制する反応抑制層を形成したものである。

【０００７】金属燃料要素を原子炉内で燃焼させると、
スエリングにより金属燃料体が膨張するが、たとえ金属
燃料体が膨張して被覆管に接触した場合であっても、反
応抑制層が金属燃料体および当該金属燃料体内で発生す
る核分裂生成物の成分と被覆管の成分との間で生じる相
互拡散および反応を抑制する。反応抑制層は金属燃料要
素の製造時に予め金属燃料体の表面に形成しておくが、
この反応抑制層の形成を金属燃料体の表面の極薄い範囲
に制限することにより、被覆管内に封入できる金属燃料
体の量を実質的に減らさずに済む。

【０００８】この場合、請求項２記載の原子炉用金属燃
料要素のように、反応抑制層は窒化物層であることが好
ましい。燃料用合金が窒素と反応して生成される化合物
（窒化物）は、燃料用合金および核分裂生成物に比べて
被覆管との反応性が低い。したがって、反応抑制層が金
属燃料体の表面を予め窒素と反応させて形成した窒化物
層である場合、金属燃料体および核分裂生成物の成分と
被覆管の成分との間で生じる相互拡散および反応を窒化
物層が抑制し、被覆管の健全性が維持される。また、窒
化物層はナトリウムとの共存性に優れているため、被覆
管内に熱伝達媒体としてナトリウムを充填するのに適し
ている。

【０００９】また、金属燃料体としては従来と同様に円
柱状のものであっても良いが、請求項３記載の原子炉用
金属燃料要素のように、金属燃料体は多数の粒状のもの
であっても良い。金属燃料体として多数の粒状のものを
使用した場合であっても、被覆管と接触する金属燃料体
の表面に例えば窒化物層、酸化物層あるいは炭化物層等
が形成されていれば上述の反応の抑制効果は発揮され
る。

【００１０】さらに、請求項４記載の原子炉用金属燃料
要素は、被覆管の中に金属燃料体の熱を被覆管に伝える
熱伝達媒体を充填したものである。したがって、金属燃
料体の熱は熱伝達媒体によって被覆管に良好に伝えられ
る。ここで、熱伝達媒体としては、使用中に液体となる
金属、例えばナトリウム、水銀、鉛、カリウムまたはそ
れらの合金等が使用可能である 例えば燃料用合金と窒
素が反応してできる窒化物はナトリウムと反応しないた
め、反応抑制層として窒化物層を形成させる場合には、
熱伝達媒体としては、ナトリウムの使用が好ましい。こ
の場合、ナトリウムを冷却材として使用する高速増殖炉
の使用に好適である。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。

【００１２】図１に、本発明を適用した原子炉用金属燃
料要素の第１の実施形態を示す。この金属燃料要素は、
例えば液体ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉用のも
のである。この金属燃料要素は、燃料用合金を例えば円
柱状に成型して得られる金属燃料体１を被覆管２内に充
填したもので、金属燃料体１の表面には被覆管２との反
応を抑制する反応抑制層７が形成されている。本実施形
態では、被覆管２内に充填する前に金属燃料体１の表面
を窒素と反応させることにより反応抑制層７として窒化
物層を形成している。反応抑制層７の厚さは、金属燃料
要素の大きさや金属燃料体１の燃焼度等に基づいて適宜
設定する。

【００１３】燃料体１の表面に窒化物層７を形成させる
ための方法としては、例えば、燃料用合金を円柱状に成
型した後、これを窒素中に一定時間の間入れ、必要に応
じて加熱する方法がある。ただし、この方法に限るもの
ではないことは勿論である。

【００１４】また、反応抑制層７としては、必ずしも窒
化物層に限るものではなく、例えば金属燃料体１を窒素
の代わりに酸素あるいは炭素等と反応させることで得ら
れる酸化物層あるいは炭化物層であっても良い。金属燃
料体１が酸素または炭素と反応して生成される化合物
（酸化物または炭化物）も被覆管２との反応性が低い。
したがって、反応抑制層７が金属燃料体１の表面を予め
酸素または炭素と反応させて形成した酸化物層または炭
化物層である場合も、上述の反応の抑制効果が発揮され
被覆管２の健全性が維持される。

【００１５】被覆管２は例えばスチール製であり、その
上下両端は、上部端栓３と下部端栓４とを溶接すること
で閉塞されている。燃料体１と被覆管２との間には、燃
料体１のスエリング量を考慮して隙間が設けられてお
り、これらの隙間には、燃料体１から被覆管２への熱伝
達を良くするためにナトリウム５が充填される。なお、
ナトリウム５と上部端栓３との間には核分裂生成ガスが
溜められるガスプレナム６が設けられている。

【００１６】なお、燃料用合金としては、例えば、ウラ
ンに必要に応じていくつかの元素（例えば、ジルコニウ
ム、モリブデン等）を添加したウラン合金、プルトニウ
ムに必要に応じていくつかの元素（例えば、ジルコニウ
ム、モリブデン等）を添加したプルトニウム合金、ウラ
ン合金にプルトニウムを添加した合金等がある。

【００１７】金属燃料要素を原子炉内で使用すると、ス
エリングにより金属燃料体１が膨張するが、金属燃料体
１が膨張して被覆管２に接触した場合であっても、反応
抑制層７が核分裂生成物および金属燃料体１の成分と被
覆管２の成分と間の相互拡散および反応を抑制する。反
応抑制層７は金属燃料要素の製造時に予め金属燃料体１
の表面に形成しておくが、この反応抑制層７の形成を金
属燃料体１の表面の極薄い範囲に制限することにより、
被覆管内２に封入できる金属燃料体１の量を実質的に減
らさずに済む。

【００１８】次に、本発明に係る原子炉用金属燃料要素
の第２の実施形態について説明する。

【００１９】図２に示す金属燃料要素は、燃料用合金を
粒状に成形し且つ表面に反応抑制層７が形成された金属
燃料体１を多数被覆管２内に充填して成る。金属燃料体
１を被覆管２の内径よりも十分に小径の粒状に構成し、
それを多数充填する場合、各金属燃料体１の間及び各金
属燃料体１と被覆管２との間には間隙が存在し、熱伝達
の悪化が懸念される。そのため、当該間隔には熱伝達媒
体としてのナトリウム５が充填され、各金属燃料体１で
発生した熱を被覆管２に良好に伝えるようにしている。

【００２０】反応抑制層７の厚さは、金属燃料要素や金
属燃料体１の大きさ、金属燃料体１の燃焼度等に基づい
て適宜設定する。

【００２１】金属燃料要素は、先ず、所定の大きさに粒
状化した金属燃料体１を得た後当該金属燃料体１の表面
に反応抑制層７を形成し、次いで、この粒状の金属燃料
体１とナトリウム５を被覆管２に充填することで製造さ
れる。

【００２２】詳述すると、先ず、燃料用合金をこの燃料
用合金と化学的な反応を起こさない雰囲気下において溶
融させてから粒状に成形する。燃料用合金を粒状に成形
する方法としては、例えば不活性ガス雰囲気下で燃料用
合金を溶融し、更に不活性ガスの冷却雰囲気中に滴下さ
せて、滴下途中で冷却して凝固させる方法が考えられ
る。その凝固の際、溶融した燃料用合金の表面張力が大
きいことに起因して、滴下された燃料用合金は球に近い
粒状になると考えられる。一般に、流体を滴下する場
合、各々の粒はほぼ一定の重量および大きさとなるた
め、上記のように製造した粒状燃料合金の１粒１粒もほ
ぼ一定の重量および大きさとなる。また、粒状に凝固し
た燃料用合金の大きさを、被覆管２の内径に比べて十分
に小さくなるように調整すれば、燃料用合金を容易に被
覆管２に装填することができる。

【００２３】この方法によれば、溶融した燃料用合金の
滴下量を変えることで燃料体１の粒径を調節することが
できると共に、鋳型を用いないので放射性廃棄物の発生
を抑えることができる。また、連続して金属燃料体１を
製造できるので、鋳型を用いて金属燃料体を製造する場
合に比べて生産性を向上させることができる。

【００２４】ただし、燃料用合金を粒状に成形する方法
としては、上述の方法に限るものではなく、粒状物を得
る手段として周知のアトマイズ法や急冷凝固法等の使用
も可能であり、特に限定されるものではない。

【００２５】次に、金属燃料体１の表面に反応抑制層７
を形成する。反応抑制層７として例えば窒化物層を形成
する場合には、粒状に成形した金属燃料体１を窒素中に
所定時間の間入れ、必要に応じて加熱する。また、反応
抑制層７として酸化物層または炭化物層を形成する場合
には、粒状に成形した金属燃料体１を酸素または炭素中
に所定時間の間入れ、必要に応じて加熱する。ただし、
反応抑制層７を形成する方法としては上述の方法に限る
ものではない。

【００２６】次に、下端開口が下部端栓４によって気密
に塞がれた被覆管２に、必要量の金属燃料体１及びナト
リウム５を充填し、金属燃料体１を沈降させる。例え
ば、固体のナトリウム５を挿入した被覆管２に必要量の
金属燃料体１を非振動下において入れた後、加熱によっ
てナトリウム５を溶解させる。ただし、この方法に限る
ものではなく、被覆管２への挿入前に必要量の金属燃料
体１と溶融させたナトリウム５との混合物を作り、この
混合物を被覆管２内に注入し、金属燃料体１を沈降させ
ても良く、また、その他の方法・手順によって金属燃料
体１及びナトリウム５を充填し、金属燃料体１を沈降さ
せても良い。

【００２７】金属燃料体１の粒状化は、被覆管２の内径
に比べて極めて小さいものとすれば足り鋳型などを使わ
なくとも成形できることから、金属燃料体を成形する際
に従来必要とされた鋳型などの放射性廃棄物を減らすこ
とができる。また、金属燃料体１を単に沈降するだけな
ので、各金属燃料体１間に十分な間隙を残すことができ
る。即ち、金属燃料はセラミック燃料に比べてスエリン
グ量が大きいが、各金属燃料体１の間にスエリングによ
る影響を回避するための間隙を形成することができると
共に、単に充填、沈降させるだけなので生産性の向上に
寄与できる。

【００２８】ここで、１本の被覆管２の中に充填される
金属燃料体１の成分比と重量とは、以下のようにして各
々所定値となるように管理すれば良い。即ち、金属燃料
体１の成分比は、例えば燃料用合金の原料を溶融する際
に、その成分比を調整することにより所定の値に管理す
ることができる。また、金属燃料体１の重量は、例えば
ナトリウム５中に各金属燃料体１を沈降させた状態で当
該金属燃料体１の高さを測定することにより管理するこ
とができる。ただし、これらの方法以外の方法によって
金属燃料体１の成分比及び重量を管理しても良いことは
勿論である。

【００２９】金属燃料体１とナトリウム５を充填した
後、被覆管２の上部開口に上部端栓３を溶接して当該開
口を気密に塞ぐ。このとき、ガスプレナム６には、例え
ばアルゴンを封入しておく。

【００３０】金属燃料要素を高速増殖炉に装荷した場合
に金属燃料体１に発生する熱は、各金属燃料体１間を充
填するナトリウム５によって良好に被覆管２に伝えられ
る。したがって、鋳型を用いた鋳造によって成形された
燃料体と同様に使用することができる。この場合、異な
る粒径の金属燃料体１を充填し、その配合割合を種々変
えることで当該金属燃料体１の充填率を調節することが
可能である。

【００３１】被覆管２内に充填された金属燃料体１は被
覆管２と接触しているが、金属燃料体１の表面には反応
抑制層７が形成されているので、この反応抑制層７が金
属燃料体１および核分裂生成物の成分と被覆管２の成分
との間の相互拡散および反応を抑えて被覆管２の健全性
を維持する。

【００３２】なお、上述の各形態は本発明の好適な形態
の例ではあるが、これらに限定されるものではなく、本
発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能
である。例えば、上述の説明は、液体ナトリウムを冷却
材として使用する高速増殖炉用の金属燃料要素について
のものであり、ナトリウムを熱伝達媒体５として使用し
ているが、必ずしもナトリウムを熱伝達媒体５として使
用する必要はなく、例えば、水銀、鉛、カリウム等を熱
伝達媒体５として使用しても良い。ただし、燃料体１の
表面に形成させる反応抑制層７と熱伝達媒体５との反
応、および冷却材と熱伝達媒体５との反応等を考慮して
適切に選択する必要がある。

【００３３】また、上述の説明では、被覆管２をスチー
ル製としているが、被覆管２の材質としてはスチールに
限るものではなく、例えばジルコニウム合金やマグネシ
ウム合金、アルミ合金等の使用も可能である。

【００３４】さらに、上述の説明では、高速増殖炉に使
用する金属燃料要素を例にしているが、高速増殖炉に限
るものではなく、例えば軽水炉、重水炉、ガス炉等その
他の原子炉に使用する金属燃料要素に適用しても良いこ
とは勿論である。

【００３５】

【実施例】反応抑制層７が金属燃料体１と被覆管２との
反応を有効に抑制することを確認するために、金属燃料
要素を模倣した試験片を製造して試験を行った。まず、
燃料用合金として用いられるウラン−ジルコニウム合金
片（金属燃料体１に相当、以下ウラン−ジルコニウム合
金片１という）を２．７６Ｔｏｒｒの圧力の窒素中に入
れ、１０００℃に加熱して２８８時間保持した。その結
果、ウラン−ジルコニウム合金片１の表面に１５〜２０
μｍの厚さの窒化物層７が形成された。これを試験片と
し、被覆管２に相当する鉄−クロム合金片（以下、鉄−
クロム合金片２という）に十分に接触させた状態で７０
０℃の温度で１２０時間加熱し続けた。この結果を図３
の電子顕微鏡写真に示す。この電子顕微鏡写真からも明
らかなように、ウラン−ジルコニウム合金片１の成分と
鉄−クロム合金片２の成分との間の相互拡散および反応
は全く生じなかった。

【００３６】上述の試験は原子炉内で実施したものでは
ないが、ウラン−ジルコニウム合金片１と鉄−クロム合
金片２とが接触する部分の温度である７００℃は、例え
ば高速増殖炉で実際に使用する場合の温度を上回るもの
であるため、金属燃料要素の原子炉内での使用を十分模
擬するものと判断できる。

【００３７】この実験からも明らかなように、予め表面
に形成した窒化物層７は、金属燃料体１と被覆管２との
反応を抑制する効果を持つことが確認できた。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の原
子炉用金属燃料要素では、金属燃料体の表面に被覆管と
の反応を抑制する反応抑制層を形成したので、スエリン
グにより金属燃料体が被覆管に接触した場合であって
も、核分裂生成物および金属燃料体の成分と被覆管の成
分との相互拡散および反応を抑制することができる。こ
のため、被覆管の健全性を長時間に亘って維持すること
が可能になり、金属燃料要素の寿命を延ばして経済性を
向上させることができる。

【００３９】この場合、請求項２記載の原子炉用金属燃
料要素のように、反応抑制層が窒化物層、酸化物層およ
び炭化物層のいずれかであることが好ましい。窒化物は
被覆管との反応性が低く、また金属燃料体の表面への形
成も比較的容易であるので、実用化に適している。さら
に、窒化物層はナトリウムとの共存性に優れているの
で、被覆管内に熱伝達媒体としてナトリウムを充填する
のに適している。

【００４０】また、請求項３記載の原子炉用金属燃料要
素では、製造に際して鋳型を用い必要がなく、且つ鋳造
後の成形工程も不要にすることができる。このため、放
射性廃棄物を削減することができる。さらに、鋳造後の
成形が不要であるため、燃料体の製造工程を簡略化する
ことができ、経済性の更なる向上に資することができ
る。

【００４１】さらに、請求項４記載の原子炉用金属燃料
要素では、被覆管の中に金属燃料体の熱を被覆管に伝え
る熱伝達媒体を充填しているので、金属燃料体の熱を被
覆管に良好に伝えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る原子炉用金属燃料要素の第１の実
施形態を示す断面図である。

【図２】本発明に係る原子炉用金属燃料要素の第２の実
施形態を示し、その一部を拡大して示す断面図である。

【図３】窒化物層が反応を抑制する効果を確認するため
に行った試験の試験片の断面の金属組織を示す顕微鏡写
真である。

【図４】従来の原子炉用金属燃料要素の断面図である。

【符号の説明】

１ 燃料体 ２ 被覆管 ３ 上部端栓 ４ 下部端栓 ５ ナトリウム（熱伝達媒体） ６ ガスプレナム ７ 窒化物層（反応抑制層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤堀 光雄 茨城県那珂郡東海村白方白根２−４ 日本 原子力研究所内 (72)発明者 伊藤 昭憲 茨城県那珂郡東海村白方白根２−４ 日本 原子力研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料用合金を成型して得られる金属燃料
   体を被覆管内に充填する原子炉用金属燃料要素におい
   て、前記金属燃料体の表面に前記被覆管との反応を抑制
   する反応抑制層を形成したことを特徴とする原子炉用金
   属燃料要素。
2. 【請求項２】 前記反応抑制層は窒化物層であることを
   特徴とする請求項１記載の原子炉用金属燃料要素。
3. 【請求項３】 前記金属燃料体は多数の粒状のものであ
   ることを特徴とする請求項１又は２記載の原子炉用金属
   燃料要素。
4. 【請求項４】 前記被覆管の中には前記金属燃料体の熱
   を前記被覆管に伝える熱伝達媒体が充填されていること
   を特徴とする請求項１から３のいずれか記載の原子炉用
   金属燃料要素。