JPS58166286A - 原子炉の燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は原子炉の燃料要素に関し、より具体的には、
燃料と被覆との間の熱伝達能力を改善した原子炉の燃料
要素に関する。

燃料と被覆との間の半径方向り熱伝達プロセスに影響を
与えるメカニズムは、実際の燃料：被覆の接触面積、燃
料と被覆との間の間隙、燃料及び被覆のかみ金材料の熱
的及び物理的特性、燃料の表面状態：即ち被覆境界面、
輻射、＠間を満たす流体（ＦＩＪも、ガス）にあると考
えられる。

これらの半径方向の熱伝達メカニズムのうち、気体の熱
伝導度は、熱伝達全体に対する間隙のコンククタンスの
寄与を決定するのに重要な役割を演じている。最初は、
燃料−被覆間の間隙は、ヘリウムのような低分子量で、
高熱伝導度のガスで満たされている。燃料が燃焼するう
ちに、分裂生成物が発生し、これら分裂生成物（キセノ
ン及びクリプトン）の一部は燃料要素のプレナム領域へ
逃げる。こうしてこれらの気体が燃料：被覆間の間隙に
蓄積すると、低熱伝導度の混合ガスのために間隙の熱フ
ンダクタンスが低下することになる。分裂生成物〔即ち
、原子、酸化物又は複合化合物）の化学−的状態及び濃
度はまた、燃料棒内の酸素の利用性にも影響を与える。

このことは今度は燃料の酸素ポテンシャルを削減するこ
とになるが、これは燃料が被覆と化学的に反応できるか
どうかを決定する重要度第１順位のものである。これら
の反応が一担生じると、金属の腐蝕をもたらし、その結
果放射能の放射に対する主たる遮蔽体である被覆を脆弱
化することになる。このようにプレナム内の種々のガス
の局所的な集中や分散に影響を与える如何なるメカニズ
ムも重要である。

熱拡散はかかるメカニズムの−っであり、この熱拡散は
２つの面間の温度差によってもたらされるような混合ガ
ス内の温度差から生じる混合ガスの組成成分の相対運動
から成っている。

かかる運動は、８．チャツプマン及びｐ、ｗ、ドウート
ソンによりＰｈ１１．Ｍａｇ、　（Ｆｌ）３３．２４Ｂ
（１９１７）で実験的に確かめられている。１９３８年
にはＫ。

クルジウス、及びＧ、ディツケルの自然科学（Ｎａｔｕ
ｒｖｉｓｓｅｎｓｃｈａｆｔｅｎ　）　、　２　Ｆｌ　
、　５４７　（１９３８）ではこの現象を用いてガスと
アイソトープの混合気の連続的な分離方法を案出してい
る。より最近の理論的な研究によれば、潜在的にかなり
の気体の熱分離が、ある状況の下では燃料棒内に生じ得
ることが示されている。、これには、Ｓ、に、ロヤルカ
、Ｖ、に、チャンドラ、Ｌ、Ｂ、）−マスによる１核燃
料棒内におけるタルシラス−ディツケル効果”（１９７
９年７月の１原子力の科学と工学」誌）参照。

燃料−被覆間の間隙を横切る方向の熱伝達を改善するた
めに比較的熱伝導が良い低分子量ガスから熱伝導性の悪
い高分子量の核分裂ガスを分離するのに、熱拡散のみな
らず対流分離をも利用している原子炉燃料棒の設計が開
発されてきた。

以上述べたように、熱拡散は、２つの面間、すなわち燃
料棒では、燃料の外面と被覆の内面との間の温度勾配に
よってもたらされるような混合ガス内の温度差によって
生じる混合ガスの各成分の相対運動から成っている。そ
れゆえ、最初は一様な組成から成る混合ガスであっても
、熱拡散は間隙を横切って濃度勾配を発達させることに
なる。通常の拡散は濃度勾配を除去しようとしており、
熱拡散の分離効果が通常の拡散の再混合効果によって釣
り合わされる安定状態が存在可能である。燃料棒内では
、間濠内のガスによって見られる軸方向、半径方向及び
周方向の温度勾配は全て熱拡散による部分的な各成分の
分離に寄与している。重力によって誘起される対流効果
はさら４に、半径方向に熱的ｌ（誘起される濃度差と相
互作用し、そして最終的にはより重いガス成分とより軽
いガス成分とをそれぞれ燃料棒の底部と上部に移動させ
ることが発見された。このため、対流と熱拡散との両効
果が同時に作用する時は、熱拡散のみが作用する時より
も、結果として起こる軸方向濃度差ははるかに大きなも
のとなる。

従って、本−明の核燃料要素は、内面と密封された端部
とを有する金属製円筒状外側被覆管であって、該被覆管
の内部が上側の比較的長い燃料部分と下側の比較的短い
蓄積器部分とに分割されていて、画部分は互いにガスが
連通できるようになっている。アクチニド燃料の中央コ
アが上側の燃料部分内に配置されており、燃料はその直
径が被覆の内面より僅かに小さくなっていて両者間に環
状空間を形成している。低分子量で、高熱伝導性の熱伝
達ガスが被覆内に密封されていて燃料要素を照射する間
に燃料と被覆の内面との間で熱伝導している。少なくと
も一つの、概して縦方向の溝が、燃料の外面と被覆の内
面のいずれか又は両方において部分的に、燃料部分の長
さにわたって蓄積器部分にまで降下し且つ該蓄積器部分
と連通ずるように形成されている。溝の半径方向の深さ
は燃料の高温外面と被覆の比較的低温の内面との間に温
度差が増大した領域を与えるのに充分のものであり、そ
の結果低分子量の熱伝達ガスと高分子量の核分裂ガスと
の間に半径方向の熱分離を生じ、それによって高分子量
ガスが比較的低温の被覆表面に移動して重力によって溝
を流れ下って蓄積器に至ることになる。本発明の一実施
例では、蓄積器は、ある種の高分子量ガスを保持して、
熱伝達ガスを希薄化するような燃料部分への拡散を防止
する手段として、該高分子量ガスと反応して該ガスを吸
収することができる材料を含むものとすることができる
。燃料部分への拡散は、燃料と被覆との間の温度勾配が
、原子炉の稼動を中断した時のように、減少してゼロに
なるような場合に生じ得る。

本発明の目的は、燃料−被覆間の間隙を横切る方向の熱
伝達を改善した原子炉核燃料要素を提供することである
。

本発明の他の目的は、燃料−被覆量間隙を横切る方向の
熱伝達を改善するために、高分子量核分裂生成ガスから
低分子量熱伝達ガスを分離するための手段を含む原子炉
核燃料要素を提供することである。

本発明の別の目的、利点及び新規な特徴は、本発明の好
適な実施例に関する以下の記載より明らかとなるであろ
う。

第１図において、外側の被覆管１２から成る燃料要素１
０が示されており、この被覆管１２は、上側の比較的長
い燃料室１４と、下側の比較的短い蓄積器室１６とに分
割されていて、画室は内側に伸びた支持棚部１８で分離
されている。室１４内では、中央燃料コア２０が棚部１
８によって支持されており、この中央燃料コア２０は被
覆管１２の内面２４より外径が僅かに小さい外面２２を
有しているので、両面の間で狭い環状空間２６が形成さ
れている。燃料部分１４内には、複数個の縦溝２８を而
２４の直径のまわりに等間隔に配してあり、これらの縦
溝２８は部分１４を下に伸びて蓄積器部分１６に至ると
共に該蓄積器部分と連通している。６溝２８は被覆面３
０と燃料面３２とを有しているが、両面は互いに充分な
距離をあけていて熱分離をもたらすのに充分な温度差を
与えていなければならない。部分１６内にはゲッタ材料
３４が置かれていである核分裂生成ガスを吸収し、燃料
要素が冷えている間に燃料室１．１Ｃ再入室するのを防
止している。

第２図に示されているように、溝２８は内面２４の周囲
で等間隔に離間している。第３図では、溝は燃料コア２
０の外面２２のまわりで等間隔に離間して示しであるが
、一方策４図では、溝２６は内面２４と外面２２の両方
において離間している。この実施例では、２溝間士の対
面状態を維持して温度差が確実に生じるようにするため
に、被覆に対して燃料が回転するのを防止する機構を設
けることが必要である。半径方向の熱分離を生じさせる
のに充分に増大した温度差を有する局所的縦方向領域を
与えるような他の方法及び形状が、当業者には明らかで
あろう。

燃料要素は、ガスを充分に分離させるために、少なくと
も一つ、好ましくは少なくとも３つの等間隔に隔設した
溝を有していなければならない。溝は、燃料部分の頂部
から下側の蓄積器部分にまで下に伸びているのが好まし
いが、直線状或いは垂直方向の螺旋形としてもよい。

溝の深さ、即ち、高温即ち燃料コア表面と低温即ち被覆
表面との間の距離は、燃料と被覆との間に局所的な半径
方向の温度差を生じて高分子量の分裂生成ガスと低分子
量の熱伝達ガスとを分離させるのに充分なものでなけれ
ばならない。構成ガスの熱拡散対流型分離を起こす状況
を生じるには、高温壁と低温壁との間には少なくとも６
０℃の温度差があれば充分であることがわかっている。

厳密なチャンネル深さは、用いられる特定の燃料、コ状
空間の幅、被覆材料の熱伝導度及びその他の要因に依存
するであろう。一般には、溝の深さ、即ち高温と低温の
両面間の距離は、少なくとも０．００５ｃｍ　（０，０
０２インチ）あって、しかも対流ガス効果の徴候が溝内
に生じるのを防ぐには約０．２５４ｃＩｎ（０，１イン
チ）以下にすべきである。チャンネルの幅は被覆の内周
や溝の数にも依るが、約０．６５ｃｒｎ（０，２インチ
）から約１　ｃｍ　（０，４インチ）の間で変えても良
い。

キセノン１３３の崩壊から生じるセシウム１３２のよう
なある種の分裂生成ガスを吸収するのに適したゲッタ材
料にはジルコニウム金属チップが含まれる。この材料は
個々が分離した粒子として蓄積器部分に置くことができ
るが、この材料を蓄積器部分めｉにコーティングとして
塗布することもできる。或いは、ゲッタ材料は、支持棚
部１８に代わって燃料を支持する、垂直で開口円筒形多
孔性スリーブ状として蓄積器内に置くことができる。

以下の実験は、本発明の実ｌｌ１１＝Ｔ能性を確立する
ためになされたものであるが、核燃料棒内の燃料−被覆
間間隙内に、高分子量の核分裂生成ガスが蓄積するのを
最小にするために、単一チャンネルを採用している。

シミュレーション用燃料棒装置は、アルミニウム被覆管
内の単一ボア２２８副長の酸化アルミニウム欅から成る
ものとして構成された。スペーサを酸化アルミニウム（
Ａｔ２０３）”燃料”に固定して、公称０．０６３ｃＩ
ｎの半径方向燃料−被覆量間隙を維持した。燃料ボアの
軸線に沿って金属加熱線を配置した。燃料積層体の底部
及び頂部から約８ａＩＩのところに置いた熱電対によっ
て燃料表面と中心線との温度を観察した。ガス抽出ボー
トをアルミニウム管の底部及び頂部充填部に取り付けた
。アルミニウム管の外部を水で冷却し２０℃乃至２５℃
（入口からｉ口へ）に維持して１燃料”と“被覆”との
表面間で水平状の熱勾配が確実になるようにした。２つ
の実験結果を次の表に要約して示す。

この結果から、開始当初のヘリウム４８％、キセノン６
２％の混合ガスに対して、稼動４８時間後には欅の底部
には殆んど９９％のキセノンが存在することがわかった
。

このように、燃料要素のチャンネルを燃料ロッドの底部
に設けた蓄積器と組み合わせることによって、燃料を燃
焼する間に生成される高分子量の核分裂生成ガス（即ち
、キセノン、クリプトン）を回収することができ、ヘリ
ウムガスが燃料棒の最高出力領域（即ち、中心近傍）で
高度に集中することを維持することができる。このため
この領域において間隙の伝導度が増加し、燃料の中心線
温度が下がることになる。このことはまた、間隙領域内
での核分裂生成物のビルドアップを最小にすることによ
って、燃料の酸素ポテンシャルを維持し、燃料／被覆間
の化学的相互作用の程度を減らすことになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による燃料要素の縦断面図である。 第２図は、第１図の線２−２についての燃料要素の断面
図であり１本発明の一実施例を示す図である。 第３図は、本発明の他の実施例を示す燃料要素の断面図
である。 第４図は、本発明のさらに別の実施例を示す燃料要素の
断面図である。 １０・・・燃料要素　　　１２・・・被覆１４・・・燃
料部分　　　１６・・・蓄積器部分１８・・・支持棚部
　　　２ｏ・・・中央燃料コア２２・・・燃料コア外面
　２４・・・被覆管内面２６・・・環状空間　　　２８
・・・縦溝３０・・・被覆管面　　　３２・・・燃料面
３４・・・ゲッタ材料 特許出願人　アメリカ合衆国 代理人尾股行雄

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　内面と密封された上側及び下側端部とを有する金
   属製円筒状外側被覆と、外面を被覆内に配設して燃料部
   分を形成し、該外面の直径が被覆の内面の直径よりも僅
   かに小さくて前記両面の間に狭い環状空間を形成する中
   央の円柱形コアから成るアクチニド燃料と、被覆内に密
   封されていて照射中に燃料の高温外面と被覆の比較的低
   温な内面との間での熱伝達を改善する低分子量ガスとを
   有しており、燃料要素の照射中にアクチニド燃料の分裂
   によって高分子量の核分裂生成ガスを作って該高分子量
   生成ガスが低分子量ガスと混合して該ガスの熱伝達能力
   を減少させる原子炉の燃料要素において、燃料部分の下
   にあって燃料部分と連通ずるように配した被覆内の小さ
   いガス蓄積器部分と、前記被覆の前記内面と前記燃料の
   前記外面の内の一方に形成された少なくとも一つの縦溝
   手段とを有していて、前記溝手段は前記燃料部分の長さ
   にわたって伸びて前記ガス蓄積器部分と連通し、前記溝
   手段はまた前記環状空間と連通して組立体の全長にわた
   って高温の燃料面と比較的低温の被覆面との間に温度差
   が増大した局所領域を作っており、該温度差は低分子量
   ガスと高分子量核分裂生成ガスとの間に半径方向の熱分
   離を生じさせる程に充分大きくしてあり、高分子量核分
   裂生成ガスは熱拡散によって比較的低温の被覆面へ移動
   して重力によって面を降下して下側の蓄積器部分へ至る
   一方、低分子量ガスは上側の燃料部分に残留することで
   高分子量核分裂生成ガスを低分子量熱伝達ガスから分離
   し、それによって熱伝達ガスの熱伝達能力を維持するよ
   うにした原子炉の燃料要素。 ２　燃料の燃料部分は少なくとも３つの等間隔に分離し
   た縦溝手段を含んでいる特許請求の範囲糸１項記載の燃
   料要素。 ３　溝手段のところにおける高温の燃料表面と比較的低
   温の被覆表面との間の湿度差が少なくとも６０℃ある特
   許請求の範囲第２項記載の燃料要素。 ４　溝手段のところにおける高温の燃料表面とより低温
   な被覆表面との間の距離が少なくとも０．００５ｃＩｎ
   である特許請求の範囲第３項記載の燃料要素。 ５　溝手段のところにおける高温の燃料表面とより低温
   な被覆表面との間の距離が０．００５ｃｒｎから０．２
   ５ｚである特許請求の範囲第４項記載の燃料要素。 ６　蓄積器部分はある高分子量核分裂生成ガスと反応す
   るゲッタを含んでいて燃料要素か冷却した時に該ガスが
   燃料室へ再入室するのを防止している特許請求の範囲第
   ５項記載の燃料要素。 ７　ゲッタはジルコニウム金属である特許請求の範囲第
   ６項記載の燃料要素。 ８　溝手段が被覆の内面に位置している特許請求の範囲
   第１項記載の燃料要素。 ９、　溝手段が燃料の外面に位置している特許請求の範
   囲第７項記載の燃料要素。 １０、　　溝手段は、一部が被覆の内面に位置し、一部
   が燃料の外面に位置している特許請求の範囲第７項記載
   の燃料要素。