JPS5920119B2 - nuclear fuel pellets - Google Patents

nuclear fuel pellets

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JPS5920119B2
JPS5920119B2 JP55156630A JP15663080A JPS5920119B2 JP S5920119 B2 JPS5920119 B2 JP S5920119B2 JP 55156630 A JP55156630 A JP 55156630A JP 15663080 A JP15663080 A JP 15663080A JP S5920119 B2 JPS5920119 B2 JP S5920119B2
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JP
Japan
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pellet
fuel
nuclear fuel
cladding tube
pellets
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JP55156630A
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Japanese (ja)
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JPS5780589A (en
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清純 林
一成 堂本
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Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Original Assignee
Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
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Publication date
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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ツ)K
関し、更に詳しくは、原子炉で使用されたとき高温の燃
料中央部から被覆管内面へ熱輻射とガス状の核分裂生成
物(以下、 rFPJと略記する)が直接アタックする
のを抑え、このことにより、原子炉の出力変動時に燃料
被覆管の破損が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 (K) loaded into a fuel cladding tube.
More specifically, when used in a nuclear reactor, it suppresses direct attack of thermal radiation and gaseous fission products (hereinafter abbreviated as rFPJ) from the high-temperature central part of the fuel to the inner surface of the cladding tube. This invention relates to nuclear fuel pellets that prevent damage to the fuel cladding during fluctuations in the output of a nuclear reactor.

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
ためにクラックが中径方向に入り、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 inside the pellets. The pellet fragments generated by the 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、熱膨張やスエ
リングにより被覆管と接触して相互作用を生ずる。
As the power of the nuclear reactor increases, the pellet pieces come into contact with the cladding tube and interact due to thermal expansion and swelling.

更に出力が増加すると、ペレット片はその端面効果によ
り、第1図にモデル的に示すように、その中心軸から外
側にそりかえるように変形する。
When the output is further increased, the pellet piece is deformed by its end surface effect so as to warp outward from its central axis, as shown schematically in FIG.

このため、ペレット1の開口部に面する被覆管内面の円
周方向の引張応力が局部的に大きくなり歪集中が生ずる
Therefore, the tensile stress in the circumferential direction of 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
から熱輻射とFPガス流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、被複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 lead to damage to the fuel cladding tube, but thermal radiation and FP gas flow from the high temperature part of the fuel pellet 1 core are generated along the cracks on the inner surface of the cladding tube where strain concentration has occurred. The high-temperature corrosive atmosphere created by the exposure to water promotes the occurrence and propagation of cracks on the inner surface of the cladding pipe, eventually leading 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F’P
ガスの放出率は、ペレットの温度に依存する。
F'P generated and accumulated in the pellet by nuclear fission
The rate of gas release 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FPガスはバースト的に増加し、第2
図に示すように、熱輻射及びF’Pガス流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、熱輻射により局所的に被覆管
内面温度を一ヒ昇させる。
In particular, when the reactor power increases rapidly, the FP gas released from the center of the pellet increases in bursts, and the second
As shown in the figure, the thermal radiation and the F'P gas flow 5 directly hit the inner surface crack opening 4 of the cladding tube 2 along the crack 3 of the fuel pellet 1, and the thermal radiation locally causes the inner surface temperature of the cladding tube to rise. raise the level.

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F
Pガス流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重は小さくても、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 are exposed to high concentration of F.
When P gas flow is sprayed intensively, stress corrosion occurs,
Even if the total weight in the circumferential direction generated in the cladding tube 2 is small, the cladding tube will break at the strain concentrated portion.

損傷部を符号30で示す。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 damaged part is indicated by the reference numeral 30. An object of the present invention is to eliminate such drawbacks of the prior art and to provide pellets that are less susceptible to stress corrosion on the inner surface of the 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図は、本発明の一実施例を示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view showing one embodiment of the present invention.

燃料ペレット6は、ペレット高さの方がその外径寸法よ
りも小さい円柱状をなし、該ペレット6の上下端面の中
央領域と外周領域の間で半径のほぼ中央部の位置に同心
状罠、深さがペレット高さのV型溝7を境界として半径
方向に互い違いで、かつ上下端面で対応する位置に、深
さがペレット高以上になるとペレットの機械的強度がそ
こなわれ、放射状V型溝8,9の数は、ペレット外径に
もよるが、8〜16本程度が好ましい。
The fuel pellet 6 has a cylindrical shape in which the height of the pellet is smaller than its outer diameter, and a concentric trap is provided at approximately the center of the radius between the center region and the outer peripheral region of the upper and lower end surfaces of the pellet 6. If the depth exceeds the pellet height, the mechanical strength of the pellet will be damaged, and the radial V-shaped The number of grooves 8 and 9 is preferably about 8 to 16, although it depends on the outer diameter of the pellet.

溝の断面形状るV型が好ましい。It is preferable that the groove has a V-shaped cross-section.

更に、燃料ペレット6は、その上下両端縁が面取り形状
(チャンファ形状)10となっており、略中心部には円
形凹部11が設けられている。
Furthermore, both upper and lower edges of the fuel pellet 6 are chamfered (chamfered) 10, and a circular recess 11 is provided approximately at the center.

面取り形状10は、たとえば9〜16mmのペレットに
おいて、仮想端縁から半径方向に約0.3〜1.0ml
、深さ約0.3〜1.5mを結ぶ線の位置で上下両端面
に斜面を形成させる。
The chamfered shape 10 is, for example, approximately 0.3 to 1.0 ml in the radial direction from the virtual edge in a 9 to 16 mm pellet.
, slopes are formed on both the upper and lower end surfaces at the position of the line connecting the depths of approximately 0.3 to 1.5 m.

円形凹部11の直径は、約2〜6mとする。The diameter of the circular recess 11 is about 2 to 6 m.

このようなペレット6は、成形ダイスに原料粉末を充填
し、上下パンチで圧縮成形した後、焼結することによつ
℃製造される。
Such pellets 6 are manufactured by filling a molding die with raw material powder, compressing it with upper and lower punches, and then sintering it.

特に、ペレット外周面には何の凹凸部も設けないので―
パンチ成形ダイスの方向性に留意することなく、高速パ
ンチングによるグリーン・ペレットの量産が可能である
In particular, since there are no irregularities on the outer peripheral surface of the pellet,
It is possible to mass-produce green pellets by high-speed punching without paying attention to the direction of the punch-forming die.

ペレット6は、第4図に示すように、第1端栓12を溶
接した燃料被覆管13内に装填され、スプリング14を
挿入し、第2端栓15を溶接することによって燃料要素
に組立てられる。
The pellets 6 are loaded into a fuel cladding tube 13 to which a first end plug 12 is welded, and assembled into a fuel element by inserting a spring 14 and welding a second end plug 15, as shown in FIG. .

本発明に係る燃料ベレットを用いると、原子炉出力上昇
時に、クラックはV型溝7,8.9に沿って生じること
になり、被覆管内面が損傷を受けるのを防止することが
できる。
When the fuel pellet according to the present invention is used, cracks will occur along the V-shaped grooves 7, 8.9 when the reactor power increases, and 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(第2図参照)、出力
上昇時に、ペレット中央領域で瞬時に多量に放出される
高温のFPガス流と熱輻射は、クラック3に沿って外周
部ペレット開口部4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5図に示すように
、半径方向のクラックが中間円周部で食い違うようにな
っているから、中央領域で発生する高温熱輻射線と高濃
度F’Pガス流は、中央側の放射方向クラック20を通
るが、円周方向のクラック壁21に当たることによって
著しく緩和され、円周方向のクラック22を通って再び
曲げられ、外周側の放射方向クラック23に沿って流れ
る。
In the case of conventional cylindrical pellets (see Figure 2), when the output increases, the high-temperature FP gas flow and thermal radiation, which are instantly released in large quantities in the central region of the pellet, flow along the crack 3 to the opening of the pellet at the outer periphery. In contrast to the direct adverse effect on the inner surface of the cladding tube in section 4, according to the present invention, as shown in FIG. The high-temperature thermal radiation and high-concentration F'P gas flow generated in the central region pass through the radial crack 20 on the central side, but are significantly relaxed by hitting the circumferential crack wall 21, resulting in the passage of the high-temperature thermal radiation and the high-concentration F'P gas flow into the circumferential crack 22. It is then bent again and flows along the radial cracks 23 on the outer circumferential side.

それ故、被覆管内面のクラック開口部24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
(、被覆管13の内面が損傷を受けることがないのであ
る。
Therefore, the crack opening 24 on the inner surface of the cladding tube does not form a high-temperature corrosive environment with adverse conditions that cause stress corrosion (the inner surface of the cladding tube 13 is not damaged).

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量を無視できる程度ま
で抑制でき、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, the amount of deflection outward from the central axis as shown in Figure 1 can be suppressed to a negligible extent, and contact and interaction with the cladding tube can be reduced accordingly. This helps prevent damage.

特に、上記実施例のように、ペレットの高さを従来のも
のよりもはるかに低い形状とすると、ペレット6と被覆
管13とのギャップ調整のための外周研磨を、必ずしも
全てのペレットについて施さずとも、予め、ゴー/ノー
ゴー・ゲージで選別した必要な個数のもののみに施セば
よいことになって、研磨による核物質の損失を少なくさ
せることができ、ペレット製造の経済性を高(すること
ができる。
In particular, when the height of the pellet is much lower than that of the conventional one as in the above embodiment, the outer periphery polishing for adjusting the gap between the pellet 6 and the cladding tube 13 is not necessarily performed on all the pellets. In both cases, the process only needs to be performed on the necessary number of pellets, which have been selected in advance using a go/no-go gauge, which reduces the loss of nuclear material due to polishing and increases the economic efficiency of pellet production. be able to.

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10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る。
Furthermore, in the embodiment of the present invention, since the upper and lower end surfaces of the pellet are chamfered 10, it is possible to prevent chips and cracks from occurring during the pellet manufacturing process.

本発明のペレットは、その中心部に浅い円形凹部を井戸
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。
Since the pellet of the present invention has a well-shaped shallow circular recess in its center, interaction with the cladding tube at the upper and lower end surfaces of the pellet can be further reduced.

特に燃焼度の高いペレットの場合には、この円形凹部1
,1によってペレット6のスエリングによる膨張を吸収
することができるので大きな円形凹部を設けておいて方
がよい。
Especially in the case of pellets with high burnup, this circular recess 1
, 1 can absorb the expansion due to swelling of the pellet 6, so it is better to provide a large circular recess.

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、ペレットに生じるクラックが、中央領
域と外周領域との境界部分で径方向に段違いとなるため
、ペレット中心部の高温燃料部から高温熱輻射と高濃度
FPガス流およびγ線が被覆管内面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
局部的な応力腐食を防止することができ、燃料の漣全性
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 that occur in the pellet will not occur between the central region and the outer peripheral region. Because there is a difference in the radial direction at the boundary, high-temperature thermal radiation, high-concentration FP gas flow, and gamma rays from the high-temperature fuel part at the center of the pellet are significantly relaxed and attenuated by the time they reach the inner surface of the cladding tube. This has excellent effects such as being able to prevent localized stress corrosion on the inner surface of the cladding tube and improving fuel permeability.

【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図はそのペレットを用いて組立てた燃
料要素の一例の説明図、第5図はペレットのクラック構
造の説明図である。 1.6・・・燃料ペレット、2,13・・・燃料被覆管
、7・・・同心状V型溝、8,9・・・放射状V型溝、
10・・・面取り形状、11・・・円形凹部。
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. FIG. 4 is an explanatory diagram of an example of a fuel element assembled using the pellets, and FIG. 5 is an explanatory diagram of the crack structure of the pellets. 1.6...Fuel pellets, 2,13...Fuel cladding tube, 7...Concentric V-shaped grooves, 8,9...Radial V-shaped grooves,
10... Chamfered shape, 11... Circular recess.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 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中央領域と外周領
域との間でかつ中径方向のほぼ中央の位置にペレット外
周と同心状のV型溝を設けるとともに、該同心状V型溝
を境界として径方向に互い違いで、かつ上下端面で対応
する位置に形成された複数個の放射状V型溝を有するこ
とを特徴とする核燃料ペレット。 2 ペレットは、その上下端面の略中心部に円形凹部を
有するものである特許請求の範囲第1項記載の核燃料ペ
レット。 3 ペレットは、その上下両端縁が面取り形状をなして
いるものである特許請求の範囲第1項または第2項記載
の核燃料ペレット。 は第3項記載の核燃料ペレット。
[Scope of Claims] 1. In a nuclear fuel pellet whose height is smaller than its outer diameter, the pellet is located between the central region and the outer peripheral region of the upper and lower end surfaces of the pellet and at a position approximately at the center in the mid-diameter direction, concentrically with the pellet outer periphery. A nuclear fuel characterized by having a plurality of radial V-shaped grooves arranged in a radial direction with the concentric V-shaped groove as a boundary and formed at corresponding positions on the upper and lower end surfaces. pellet. 2. The nuclear fuel pellet according to claim 1, wherein the pellet has a circular recess approximately at the center of its upper and lower end surfaces. 3. The nuclear fuel pellet according to claim 1 or 2, wherein both upper and lower edges of the pellet are chamfered. is the nuclear fuel pellet described in Section 3.
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