JPS5920118B2 - nuclear fuel pellets - Google Patents

nuclear fuel pellets

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JPS5920118B2
JPS5920118B2 JP55135966A JP13596680A JPS5920118B2 JP S5920118 B2 JPS5920118 B2 JP S5920118B2 JP 55135966 A JP55135966 A JP 55135966A JP 13596680 A JP13596680 A JP 13596680A JP S5920118 B2 JPS5920118 B2 JP S5920118B2
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JP
Japan
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pellet
cladding tube
fuel
pellets
nuclear fuel
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JP55135966A
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Japanese (ja)
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JPS5760288A (en
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清純 林
三郎 高橋
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Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Original Assignee
Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料被覆管に装填される柱状燃料ペレットに
関し、更に詳しくは、高温の燃料中央部から被覆管内面
へ熱輻射、ガス状の核分裂生成物(以下、rFPJと略
記する)およびγ線が直接アタックするのを迎えるとと
もに、ペレットのクラックによる被覆管の局所応力を緩
和させることにより、出力上昇時に燃料被覆の破損を生
じないようにした核燃料ペレットに関するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to columnar fuel pellets loaded into a fuel cladding tube. This relates to nuclear fuel pellets that are protected against direct attack by gamma rays and that also alleviate local stress in the cladding due to cracks in the pellets, thereby preventing damage to the fuel cladding when power increases. .

従来、円柱状の燃料ペレットを被覆管内に充填して燃料
棒を構成する場合、燃料ペレットと被覆管の間には、直
径にして0.15〜0.30mmのギャップが設けられ
ている。
Conventionally, when constructing a fuel rod by filling a cladding tube with cylindrical fuel pellets, a gap of 0.15 to 0.30 mm in diameter is provided between the fuel pellets and the cladding tube.

燃料ペレットは、それを焼結したのみでは、両端部が高
さ中央部よりも径が大きな砂時計形(アワー・グラス)
となるので、外周研磨を施すことによって、このギャッ
プ値が均一になるように調整している。
When fuel pellets are sintered, they form an hourglass shape in which both ends are larger in diameter than the center.
Therefore, the gap value is adjusted to be uniform by performing outer periphery polishing.

ところが、このような従来の円柱状燃料ペレットを被覆
管に充填した燃料棒が原子炉に装荷され、運転状態に入
ると、燃料ペレットは、ペレット内の大きな温度勾配の
ためにクラックが半径方向に入り、クラックにより生じ
たペレット片は、外側に張り出して被覆管に接触するよ
うになる。
However, when fuel rods whose cladding tubes are filled with conventional cylindrical fuel pellets are loaded into a nuclear reactor and put into operation, the fuel pellets develop cracks in the radial direction due to the large temperature gradient within the pellets. Pellet pieces that enter the pipe and are generated by cracks protrude outward and come into contact with the cladding tube.

原子炉の出力上昇と共に、ペレット片は、熱膨張やヌエ
リングにより第1図にモデルに示すように、その中心軸
から外側にそりかえるように変形して、被覆管と強く接
触して相互作用を生ずる。
As the power of the reactor increases, the pellet pieces deform due to thermal expansion and nulling, bending outward from their central axis as shown in the model in Figure 1, and come into strong contact with the cladding, causing interaction. arise.

このため、ペレット1の開口部に面する被覆管内面の応
力が局部的に大きくなり歪集中が生ずる。
Therefore, the stress on the inner surface of the cladding tube facing the opening of the pellet 1 increases locally, causing strain concentration.

この種の歪集中のみでは、必ずしも燃料被覆管の破損を
もたらすものではないが、燃料ペレット1中夫の高温部
から熱輻射、FPガヌ流およびγ線がクラックに沿って
歪集中の生じている被覆管内面にあたることによって生
じる高温腐食性雰囲気が、被覆管内面クラックの発生と
進展を促し、ひいては燃料破損に至らしめる。
This type of strain concentration alone does not necessarily cause damage to the fuel cladding tube, but thermal radiation, FP Ganu flow, and gamma rays from the high temperature part of the fuel pellet 1 core cause strain concentration along the crack. The high-temperature corrosive atmosphere generated by contact with the inner surface of the cladding tube promotes the occurrence and propagation of cracks on the inner surface of the cladding tube, which eventually leads to fuel failure.

核分裂によってペレット内に生成し蓄積しているFPP
2O放出率は、ペレットの温度に依存する。
FPP generated and accumulated in pellets due to nuclear fission
The 2O release rate depends on the temperature of the pellet.

とくに、急激に原子炉出力が増加すると、ペレット中心
部から放出されるよう素などのFPガヌはバースト的に
増加し、第2図に示すように、熱輻射、FPガヌ流およ
びγ線5が、燃料ペレット1のクラック3に沿って、被
覆管2の内面クラック開口部4に直接あたり、熱輻射に
よす局所的に被覆管内面温度を上昇させる。
In particular, when the reactor power increases rapidly, FP Ganu such as iodine emitted from the center of the pellet increases in a burst manner, and as shown in Figure 2, thermal radiation, FP Ganu flow, and gamma rays increase. 5 directly hits the inner surface crack opening 4 of the cladding tube 2 along the crack 3 of the fuel pellet 1, and locally increases the temperature of the inner surface of the cladding tube due to thermal radiation.

クラックにより生じたペレット片の強い接触により被覆
管内面に局部的に歪の集中している部分は、高濃度のよ
う素などのFPガス流およびγ線が集中的に吹き付けら
れると応力腐食を受け、被覆管2に生じる円周方向の全
体止は小さくても、被覆管は歪集中部分で破損してしま
う。
Areas where strain is locally concentrated on the inner surface of the cladding tube due to strong contact between pellet pieces caused by cracks will undergo stress corrosion when FP gas flow such as high concentration iodine and gamma rays are sprayed intensively. Even if the total circumferential stop that occurs in the cladding tube 2 is small, the cladding tube will be damaged at the strain concentrated portion.

損傷部を符号23で示す。The damaged part is indicated by the reference numeral 23.

本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、
被覆管内面において応力腐食が生じにくいペレットを提
供することにある。
The purpose of the present invention is to eliminate such drawbacks of the prior art,
An object of the present invention is to provide pellets that are less likely to cause stress corrosion on the inner surface of a cladding tube.

以下、図面に基づき本発明について詳述する。Hereinafter, the present invention will be explained in detail based on the drawings.

第3図、第4図は本発明に係る核燃料ペレットの一実施
例である。
FIGS. 3 and 4 show an embodiment of the nuclear fuel pellet according to the present invention.

燃料ペレット1は、ペレット高さの力がその外径寸法よ
りも小さい円柱形状をなし、該ペレット10両端面の相
対応する位置に、ペレット中央領域から外周領域に向け
て、水車の羽根のように円弧状のV型溝6が各6本形成
されている。
The fuel pellet 1 has a cylindrical shape in which the force at the height of the pellet is smaller than its outer diameter, and at corresponding positions on both end faces of the pellet 10, from the center region of the pellet toward the outer circumferential region, like the blades of a water wheel. Six arcuate V-shaped grooves 6 are formed on each side.

また、ペレット10両端面には、面取り形状(チャンフ
ァ形状)8が施されである。
Further, both end faces of the pellet 10 are provided with a chamfered shape (chamfer shape) 8.

第5図は、本発明に係る核熱料ペレットノ他ノ実施例を
示す平面図である。
FIG. 5 is a plan view showing another embodiment of the nuclear thermal pellet according to the present invention.

この実施例ではペレット1の両端面にそれぞれ4本の折
れ線状V型溝7が形成されている。
In this embodiment, four polygonal V-shaped grooves 7 are formed on both end faces of the pellet 1, respectively.

V型溝の本数は特に制限がある訳ではないが、あまり多
くすることは無意味であり、4〜16本程度である。
Although there is no particular limit to the number of V-shaped grooves, it is meaningless to increase the number too much, and the number is about 4 to 16.

とりわけ、軽水炉用燃料のように直径がIQ77117
11程度のときには、6〜12本程度が好ましい。
Especially when the diameter is IQ77117, like fuel for light water reactors.
When the number is about 11, it is preferably about 6 to 12.

また、その形状は、先端部分(外周領域)が被覆管内面
に対し斜め方向を向くようになっていることが肝要であ
る。
Further, it is important that the shape of the cladding tube is such that the tip portion (outer peripheral region) faces obliquely with respect to the inner surface of the cladding tube.

このようにすると、被覆管内面が損傷を受けるのを防止
することができる。
In this way, damage to the inner surface of the cladding tube can be prevented.

その理由は以下の記載から明らかであろう。The reason will be clear from the description below.

従来の円柱状ペレットの場合には、原子炉の出力急昇時
に、ペレット中央領域で瞬時に多量に放出される高温の
熱輻射とFPガヌ流およびγ線は、クラックに沿って外
周部ペレット開口部の被覆管内面に直接的に悪影響を及
ぼすのに反して、本発明によれば第6図あるいは第7図
に示すように、原子炉の出力急昇時に、円弧状のクラッ
ク9あるいは折れ線状クラック10を発生せしめ、高温
の熱輻射と高濃度FPガヌ流およびγ線11は、湾曲し
たバヌを通過することにより著しく緩和される。
In the case of conventional cylindrical pellets, when the power of the reactor suddenly increases, high-temperature thermal radiation, FP Ganu flow, and γ-rays that are instantaneously released in large quantities in the central region of the pellet are transmitted along cracks to the outer periphery of the pellet. In contrast to the direct adverse effect on the inner surface of the cladding tube at the opening, according to the present invention, as shown in FIG. 6 or FIG. The high temperature thermal radiation, the high concentration FP Ganu flow, and the γ rays 11 that generate the shaped cracks 10 are significantly relaxed by passing through the curved Vanu.

それ故、被覆管内面のクラシック開口部12で、応力腐
食を生じる悪い条件の高温の腐食環境を形成することが
なく、被覆管内面が損傷を受けることがない。
Therefore, the classic opening 12 on the inner surface of the cladding tube does not create a high-temperature corrosive environment with adverse conditions that cause stress corrosion, and the inner surface of the cladding tube is not damaged.

また、円弧状クラック9または折れ線状クラック10に
より生じたペレット片の先端部13.14が、斜めの状
態で燃料被覆管内面と接触するために、原子炉出力急昇
時に、この部分がペレット外側に向けて膨出するように
なっても、被覆管内面に過度の応力を生じる以前に、ペ
レット片先端の鋭角部分に小さなりラック15.16が
追加形成されることにより、ペレットの内部蓄積エネル
ギが解放されてしまう。
In addition, since the tips 13 and 14 of the pellet pieces caused by the arcuate cracks 9 or the polygonal cracks 10 come into contact with the inner surface of the fuel cladding tube in an oblique state, when the reactor power suddenly increases, this part will move to the outside of the pellet. Even if the pellet begins to bulge out toward the cladding tube, a small rack 15, 16 is additionally formed at the acute angle portion of the tip of the pellet, before excessive stress is generated on the inner surface of the cladding tube. will be released.

このことも燃料被覆管内面の損傷を防ぐことのできる原
因の−っとなっている。
This is also one of the reasons why damage to the inner surface of the fuel cladding tube can be prevented.

このことは、以下の説明からも理解しうるであろう。This will be understood from the following explanation.

一般に多くの照射後試験の金相写真によると、このよう
なペレットのクラック部が斜めの位置で、燃料被覆管内
面と接触している個所には、被覆管内面に損傷を受けた
部分が生じた例はほとんど見当たらない。
In general, many metal phase photographs from post-irradiation tests show that where the cracked part of a pellet is in contact with the inner surface of the fuel cladding at an angle, there is a damaged area on the inner surface of the fuel cladding. There are almost no examples.

第8図に、従来の円柱状ペレットを被覆管に充填した燃
料棒の照射後試験金相写真の一例を模式的に示す。
FIG. 8 schematically shows an example of a post-irradiation test gold phase photograph of a fuel rod whose cladding tube is filled with conventional cylindrical pellets.

同図において、被覆管17内面に対し直角に生じたクラ
ック18のクラック開口部の被覆管内面において、とく
にクラック18の両側に大きいペレット片19.20あ
るいは21.22で囲繞された半径方向クラックのクラ
ック開口部の被覆管内には、燃料被覆管の損傷23が見
られるが、被覆管内面に対し斜に生じたくさび状クラッ
ク24(この図では、くさび状クラックに微小クラック
は生じていないが、これは、元来この部分に過大な応力
が生じなかったと考えられる。
In the same figure, on the inner surface of the cladding tube at the crack opening of the crack 18 that occurred perpendicularly to the inner surface of the cladding tube 17, there is a radial crack surrounded by large pellet pieces 19.20 or 21.22 on both sides of the crack 18. Damage 23 to the fuel cladding tube can be seen inside the cladding tube at the crack opening, but there is a wedge-shaped crack 24 that occurs obliquely to the inner surface of the cladding tube (in this figure, there are no microcracks in the wedge-shaped crack, but This is probably because no excessive stress was originally generated in this part.

)および外周部で細かく発生したクラック25の相対す
る被覆管内面には、損傷部が見られない。
) and on the inner surface of the cladding tube facing the cracks 25 that were finely generated on the outer periphery.

このような実際例によっても、本発明の有効性は明らか
である。
The effectiveness of the present invention is also clear from such practical examples.

また、本発明ではペレット高さがその外径よりも小さい
核燃料ペレットが用いられる。
Further, the present invention uses nuclear fuel pellets whose height is smaller than their outer diameter.

このようなペレットを用いれば、第1図に示すような中
心軸から外側へのそりかえり変形を抑制でき、被覆管と
の接触、相互作用をその分だけ軽減化することができ、
損傷防止に寄与する。
By using such pellets, it is possible to suppress the warping deformation outward from the central axis as shown in Figure 1, and the contact and interaction with the cladding tube can be reduced accordingly.
Contributes to damage prevention.

更に、上記本発明の実施例では、ペレットの上・下端面
に面取り8を施しであるから、ペレットの製造過程での
かけや割れの発生を防ぐことができ、また、ペレット中
心部に浅い円形孔を井戸型状に設けであるので、ペレッ
トの上・下端面縁での被覆管との相互作用を一段と小さ
くすることができる。
Furthermore, in the embodiment of the present invention, the upper and lower end surfaces of the pellets are chamfered 8, which prevents chips and cracks from occurring during the pellet manufacturing process. Since the holes are provided in a well shape, interaction with the cladding tube at the edges of the upper and lower end surfaces of the pellet can be further reduced.

本発明は、前述のように構成された燃料ペレットである
から、原子炉運転時に、ペレットと被覆管との間で相互
作用が生じても、ペレットのクラックが、水車の羽根の
ように、ペレット中央部から周辺部に向けて円弧状また
は折れ線状に生ずるようにしであるので、ペレット中心
部の高淵燃料部から高温熱輻射と高濃度FPガス流およ
びγ線が被覆管内に到達するまでに著しく緩和され減衰
した状態にまで低下し、被覆管内面の局部的な応力糧食
を防止することができ、燃料の健全性を高めることがで
きる等の優れた効果がある。
Since the present invention is a fuel pellet configured as described above, even if interaction occurs between the pellet and the cladding tube during nuclear reactor operation, cracks in the pellet will not cause the pellet to break down like the blades of a water wheel. Since the energy is generated in an arc shape or a polygonal shape from the center toward the periphery, the high temperature heat radiation, high concentration FP gas flow, and gamma rays from the deep fuel part in the center of the pellet reach the inside of the cladding tube. It is reduced to a significantly relaxed and attenuated state, and has excellent effects such as being able to prevent local stress build-up on the inner surface of the cladding tube and improving the integrity of the fuel.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来の円柱状ペレットの原子炉内での変形モデ
ル図、第2図は従来の円柱状ペレットのクラック開口部
の説明図、第3図は本発明に係る燃料ペレットの一実施
例の斜視図、第4図はその縦断面図、第5図は本発明の
他の実施例を示す平面図、第6図及び第7図はクラック
開口部の説明図、第8図は従来の円柱状ペレットを使っ
た燃料棒の照射後試験金相写真の説明図である。 1・・・・・・燃料ペレット、2,17・・・・・・被
覆管、6・・・・・・円弧状V型溝、7・・・・・・折
れ線状■型溝、8・・・・・・チャンファ(面取り)。
Figure 1 is a model diagram of the deformation of a conventional cylindrical pellet in a nuclear reactor, Figure 2 is an explanatory diagram of a crack opening in a conventional cylindrical pellet, and Figure 3 is an example of a fuel pellet according to the present invention. 4 is a longitudinal sectional view thereof, FIG. 5 is a plan view showing another embodiment of the present invention, FIGS. 6 and 7 are explanatory views of crack openings, and FIG. 8 is a conventional FIG. 2 is an explanatory diagram of a post-irradiation test gold phase photograph of a fuel rod using cylindrical pellets. 1... Fuel pellets, 2, 17... Cladding tube, 6... Arc-shaped V-shaped groove, 7...... Broken line ■-shaped groove, 8... ...Changfa (chamfer).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 ペレット高さがその外径よりも小さい核燃料ペレッ
トにおいて、該ペレットの上下端面の相対応した位置に
、ペレット中心部から周辺部に向けて、円弧状または折
れ線状のV型溝を4〜16本水車の羽根のように設けた
ことを特徴とする核燃料ペレット。
1. In a nuclear fuel pellet whose pellet height is smaller than its outer diameter, 4 to 16 arcuate or polygonal V-shaped grooves are formed at corresponding positions on the upper and lower end surfaces of the pellet from the center of the pellet toward the periphery. Nuclear fuel pellets characterized by being arranged like the blades of a water wheel.
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JPS5760288A JPS5760288A (en) 1982-04-12
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