JPS599586A - 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】 発明の分野 本発明は、改善された核燃料棒、よシ詳しく述べるなら
ば、所定出力での操業温度を下げることになる放射方向
に濃縮勾配を有する核燃料棒に関する。

発明の背景 従来の燃料棒デザインは酸化ウランペレットのような核
分裂性燃料で充填されているジルコニラ（３） ム合金さやを特色としている。酸化ウランは焼結されそ
してさやとの良好な熱接触を与えるために寸法許容を閉
じるように研削される。近年、ベレットとさやとの接触
がさやのクラックおよび裂は目を引き起こす化学的相互
作用に至るとわかった。

原子炉内部でのさやの裂は目発生は放射性物質の漏れの
結果になる。燃料棒を取シ巻く冷却水が汚染されて原子
炉の運転停止を必要とする。

このタイプの故障を防止するために、より新しい燃料棒
デザインが提案されており、それでは核分裂性燃料が球
状又は粒状の形に作られる。ペレットおよび球状の両方
の燃料組合せを使用する混成デザインは、米国特許第３
．７７３３４８号（１９７３年１２月１１日発行）およ
び米国特許第４，１３１，５１１号（１９７８年１２月
２６日発行）のそれぞれに示すように公知である。

「球パック」ともいわれる球状又は粒の燃料の使用は燃
料とジルコニウム合金さやとのピーク接触ストレスを減
らす。表面相互作用でのこのような結果としての減少は
クランクおよび裂は目がさく４） やに生じるであろう可能性を減らす。

しかしながら、さ中破損を減らすための球状燃料の利用
は燃料とさやとの間の非能率的な熱伝導の問題を解決し
なかった。熱伝導を改善するために、いくつかの特許で
はグラファイトに核分裂性粒を混合することを提案して
いる（１９７４年８月２０日発行のカナダ特許第９５３
，４３７号に示すように）。

しかしながら、グラファイトの使用は酸化ウラｙ　（Ｕ
Ｏ２）を高温にて還元して一酸化炭素ガスを作る。−酸
化炭素は燃料棒性能を低下させ、したがって、燃料中へ
の炭素の使用は実行できる解決法ではない。

本発明は球状燃料を新しいやり方でどのように使用する
のかを教示します。燃料棒の中央部分が減損酸化ウラン
又は他の低濃縮燃料で満たさｎる。

次に、減損燃料が外側環のよυ高濃縮燃料の外側環によ
って取り巻かれ、このようにして燃料断面に沿って放射
方向に濃縮勾配を形成している。濃縮燃料をさや表面近
くに集めることによって、よシ多くの核出来事がさや近
くで起こる。このことは低い熱伝導性の酸化ウランを通
る熱伝導路を短かくすることによって燃料棒の熱効率を
改善する。

このように所定出力での燃料棒の使用燃料中心線温度が
かなり下げられる。

関連技術の検討 米国特許第３７７３３４８号および第４１３１．５１１
号に記載された上述の発明は本発明の教示とは反対の教
示である。これら特許は燃料棒のコア又は中央に濃縮燃
料を配置することを教示している。

このことは、棒の中央により大きな体積の濃縮物質を与
えることになり、さや表面までの熱流路をより長くする
ことになる。これら燃料棒デザインの結果は、燃料棒の
熱効率がより小さくかつ燃料棒がよシ高温にて働くこと
である。より高い温度は核分裂気体放出を増大しかつさ
やでの応力を増すために、さやの裂は目およびクラック
の発生の可能性が高くなる。したがって、これらデザイ
ンはさやの裂は目およびクラック発生防止に関して失敗
している。

本発明は、（１）燃料棒の操業温度を下げることおよび
（２）球状燃料を使用して燃料さ中接触相互作用を減ら
すことによって、さや故障を「相乗作用的に」防上する
。

発明の要旨 本発明は原子炉に使用するための燃料要素すなわち燃料
棒に関する。燃料物質は細長いさや内に収容されている
。燃料物質に放射方向の濃縮勾配が少なくとも２つの異
なる燃料濃縮度の採用によって形成される。燃料棒の中
央部分は低濃縮核分裂性燃料を含んでなりそして外側環
状部分は十分により高濃縮燃料を含んでなる。放射方向
の濃縮勾配によって燃料棒が所定出力のためにより低い
温度にて働くことができる。燃料棒は粒燃料を含んでな
る。

明確化のために、用語「粒燃料」又は「粒核分裂性燃料
」は、粉末燃料１球状燃料、粉末および球状の燃料の混
合物および異なるサイズの粉末燃料および／又は異なる
サイズの球状燃料の混合物を意味する。

燃料棒は少々くとも２つの異なる濃縮度の粒燃料のみを
実際的に含んでなる。さらにまた、より高濃縮度が燃料
物質の外側部分を占めている。

内側および外側要素のだめの濃縮度の範囲は次のとおり
である。

中央部分・・・減損酸化ウラン０．２％Ｕ−２３５ない
し最大で典型的に２％Ｕ−２３５ であって中性デザインによって所 望濃縮度 外側環状部分・・・　約２．００％Ｕ−２３５ないし２
０．００％Ｕ　−２３５の範囲 他のプルトニウムおよび／又はウラン−２３３のような
核分裂性同位元素がウラン−２３５と又はに代えて適用
できる。また、酸化トリウムが内部要素として酸化ウラ
ンに代えて使用できる。

本発明において粒燃料は３つの異なる球直径サイズ：１
５００−６００μｍ、４００−１００／ｊｍおよび５０
μｍ以下のそ扛ぞれの範囲での混合物であることができ
る。これら３サイズの分別部がスミアデンシティ（ｓｍ
ｅａｒ　ｄｅｎｓ目ｙ）９０パーセントに達するように
混合される。

本発明の燃料デザインでは環状部分での燃料体積が等し
いか又はより大きいことを考慮している。

典型的には、環状部分と中央部分との体積パーセント割
合が７０／３０である。しかしながら、外側環状部分と
中央部分とのパーセントでの燃料体積割合が９０／１０
から５０１５０まで変動できる。

酸化ウランは比較的に低い熱伝導体である。本発明はさ
中近くをより大きな濃縮度とすることによって酸化ウラ
ンの低い熱伝導を克服する。冷却さや表ｒＭまでの熱伝
導路を短かくして、所定出力での操業燃料中心線温度が
注目に値するほど下げられる。この結果はさや材料の変
形および応力が小さくなる。核分裂性燃料は高温にてさ
や材料よシも大幅に膨張するために、＠度を下げること
はこの膨張したがってさやの変形を小さくする。さらに
、より低い操業温度では燃料による核分裂気体の放出が
より小さくなシ、さやにかかる内部圧力が下げられかつ
ヘリウム伝導路が燃料内で核分裂気体によっては低下さ
せられない。ヨウ素、セシウム、カドミウムなどのよう
な揮発性燃料生成物がさや内面上に堆積することはより
少ない。これら元素は応力下でのジルコニウム合金さや
のクラック発生となる化学的に助長された応力腐食を促
進する。

本発明の目的は原子炉に使用するための改善された燃料
要素を提供することである。

本発明の他の目的は、所定出力のためによシ低い温度に
て働く燃料棒を提供することである。

そして、本発明のその他の目的はさや（被覆）のクラッ
クおよび裂は目発生の可能性ケ減らすデザインの燃料要
素を提供することである。

本発明のこれらおよび別の目的が、添付図面に関連した
下記の詳細な記載を参照してより明らかにかつより良く
理解されるであろう。

発明の詳しい記述 本発明は原子炉にて使用するための燃料棒に関する。燃
料棒のデザインおよび使用での重要なことのひとつは核
分裂性燃料を収容しているさや（クラツディング）のク
ラック発生ないし裂は目発生の可能性である。クラック
はジルコニウム合金さやと酸化ウラン燃料との間の化学
的相互作用によってさやに発生するであろう。また、ク
ラックは内部ガス圧力又はウランペレットの膨張によっ
てさやに生じる応力のために発生するであろう。

本発明は、さやでのクラック発生の可能性を減らしかつ
熱効率を改善する独特の燃料棒デザイン（設計）を特色
としている。

第１図にて燃料棒１０の断面図を示す。この燃料棒１０
は第２図の拡大断面図にても示す。細長いジルコニウム
合金さや１１が放射方向に濃縮勾配のある核分裂性燃料
を収容している。核分裂性燃料は中央（中芯）の低濃縮
（又は減損）粒状混合物１２を有しており、これは実際
的により高濃縮度の別の粒状燃料混合物１３によって取
り囲まれている。粒状燃料１３はさやの内部で粒状コア
１２のまわりの環状部分を占めている（第２図）。

さや１１は各末端近くに栓１４を有して燃料を所定位置
に保持している。燃料棒の底部にはコイルバネ１６を収
容している空間１５がある。この（１１） 空間１５は燃料柱がその使用中に膨張又は収縮するのを
可能にする。コイルバネ１６が燃料柱集結度を維持する
のに必要な圧縮力を与える。

コア１２は酸化ウラン（ｕｏｚ）’ｚどのような減損又
は低濃縮の核分裂性燃料からなる。このコアが０．２な
いし２．０重ｌチのＵ−２３５’ｅ有するようにするこ
とができる。プルトニウム又はＵ−２３３などの他の核
分裂性同位元素をＵ−２３５の代わりにあるいはＵ−２
３５と組合せて使用することができる。酸化トリウムを
酸化ウランの代わりにあるいは酸化ウランと組合せて使
用することもできる。

粒には３種の異なる球状サイズがある。球体は直径サイ
ズ：　１５００−６００μｍ、４００　１００／ｊｍお
よび５０μｍｎ以下の３つの範囲がある。球体サイズの
選択が球体をスミアデンシティ−９０％まで詰めるのを
可能にする。

コア粒１２および粒１３はそれぞれさや１１内へ、米国
出願（５ｅｒｉａｌ　Ｎｏｓ、　）第３２７．８１６号
および第３２７．８１７号（１９８１年１２月７日出願
）に記載さｎだのと同様々方法および装置に（１２） よって装填される。コア粒１２はさや１１内に配置され
た管状ランスによって堆積される。外側粒１３は管状ラ
ンスのまわりに堆積され、そしてランスは粒１２が粒１
３と混じらないように注意深く引抜かれる。

粒の密度はより低い値となるように制御できる。

このことは燃料が高バーンアップ（燃焼）時に膨張する
のを防ぐであろう。粒の密度は混合物の各直径サイズの
割合を変えることによって変えられる。粒の典型的な混
合物は、５８チの１５００−６００　μｍサイズ球体、
２０係の４００−１００μｍサイズ球体および２２％の
５０μｍ以下サイズ球体からなるであろう。

粒１３は粒１２に対する体積比（パーセントで）９０／
１０から５０１５０　ｔでの範囲内にある。

典型的な体積比は７０％対３０％である。

燃料棒１０の外側環状部分に濃縮核分裂性燃料を配置す
ることはジルコニウム合金さ中近くに非常に多くの核分
裂を与える。熱エネルギがさやへより短かい平均距離に
て改善された熱伝導があるように伝わる。燃料の中央操
業温度は、下記第１表に示すように与えられた出力に対
して数百度Ｃだけ下げられる。

第　　　１　　　表 混成燃料デザインおよび参考燃料デザインでの中央燃料
温度、公称ＢＷＲ安定状態操業出力、２５圏／Ｍ　（７
，５に１１７Ｆｔ　）にて計算混成環状ペレット ＆球体　　　　　　１０／９０　　　８６９Ｘ８ 混成環状ペレット ＆球体　　　　　　　３０／７０　　　７８０８×８ 放射方向に濃縮勾配 のある球体　　　　　　３０／７０　　　　６６６８×
８ ※　最大外側濃縮度５．００に対して平均濃縮度３．７
８を上記計算にて使用。

さやと接触した核燃刺の使用はクラックおよび裂は目の
発生によるさや破損の可能性を減らすであろう。燃料材
料の断面での放射方向での濃縮勾配が燃料棒の操業温度
を下げ、このことがさやでのクランク発生の【可能性を
減らすことにもなる。

さや破損の可能性の低下は相乗作用であり、かつそれぞ
れの方法論によって別々に適用されたとしてもこの可能
性の組合せ低下よりも大きい。

この独特の相乗作用は下記ファクターのいくつかの結果
である。

１　放射方向での濃縮勾配による燃料中央部操業温度の
低下が燃料膨張をより小さくシ、シたがってさやでの応
力をより小さくする。

２　燃料温度および熱膨張を下げたことはより小さな燃
料−さやギャップの使用を可能にし、このことは燃料操
業温度をより下げるであろう。

３、下げられた燃料操業温度はまた棒ヘリウム（１５） 雰囲気への核分裂気体の放出を少なくシ、そしてこのこ
とがヘリウムバルク又はギヤ・ンプコンダクタンス作用
のいずれかによるバーンアップ（燃焼）進行とともに燃
料操業温度での上昇を下げるであろう。

４　さやと接触状態の球状燃料は円周応力を均等に分布
させかつ熱い燃料内部からの核分裂生成物輸送トンネル
を設ける放射状クラックを与えない。

５、環状燃料は燃料中央部への燃料の変形による応力軽
減を与えかつペレット端部でのベレットリッジング（ｐ
ｅｌｌｅｔ　ｒｌｄｇｉｎｇ　）　ｉ小さくしそしてバ
ーンアップが強まるときにさやでの応力を小さくする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料棒の軸方向断面図であり。 および第２図は第１図の線２−２に沿った拡大断面図で
ある。 １０・・・燃料棒、　１１・・・さや、　１２・・・コ
ア粒。 １３・・・外側粒、　１４・・・　栓。 （１６）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、細長いさや内に収容された燃料物質を含んでなる原
   子炉に使用する燃料要素であって、この燃料物質が少な
   くとも２つの異なる濃縮度の粒燃料からなシ、低い濃縮
   度粒が前記燃料要素の中央部分を占めかつより高濃縮度
   粒が前記さ中白部で前記よシ低い濃縮度粒中央部分のま
   わりの外側部分を占め、このことによって放射方向での
   濃縮度勾配が前記燃料物質内で与えられてこのことが前
   記燃料要素のために改善された操業温度の結果になる燃
   料要素。 ２　前記中央部分が約０．２ないし２．０！餡チのウラ
   ンの濃縮度を有する核分裂性燃料からなる特許請求の範
   囲第１項記載の燃料要素。 ３、前記中央部分が、酸化ウラン（２３５）、酸化ウラ
   ン（２３３）、プラトニウムおよび酸化トリウムのよう
   な核分裂性燃料の群の少なくともひとつを含有する核分
   裂性燃料混合物又は減損核分裂性燃料を含んでなる特許
   請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ４、前記外側部分が約２．０ないし２０．０重ｔ％のウ
   ランの濃縮度を有する核分裂性燃料からなる特許請求の
   範囲第１項記載の燃料要素。 ５、前記外側部分が、酸化ウラン（２３５）、酸化ウラ
   ン（２３３）およびプルトニウムのような核分裂性燃料
   の群の少ｉくもひとつを含有する核分裂性燃料混合物又
   は核分裂性燃料を含んでなる特許請求の範囲第１項記載
   の燃料要素。 ６　前記粒燃料が、＠径サイズ範囲で約１５００ないし
   ６００μｍ、４００ないし１００μｍ　および５０μｍ
   以下である球形粒子の混合物を含んでなる特許請求の範
   囲第１項記載の燃料要素。 ７、　前記粒燃料が約８５ないし９０パーセントのスミ
   アデンシティ−を有する特許請求の範囲第１項記載の燃
   料要素。 ８　前記粒燃料が直径約１５００ないし６００μｍの球
   状粒を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要素
   。 ９　前記粒燃料が直径約４００ないし１００μｍの球状
   粒を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 １０、前記粒燃料が直径約５０μｍ以下の球状粒を含ん
   でなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 １１、前記核分裂性物質が前記さや内で環状域および中
   央域を占める粒を含んでなり、この環状域が中央域に対
   してパーセントで９０／１０ないし５０１５０の体積比
   を有する特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。