JPS6055037B2 - 燃料棒 - Google Patents

燃料棒

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JPS6055037B2
JPS6055037B2 JP52097458A JP9745877A JPS6055037B2 JP S6055037 B2 JPS6055037 B2 JP S6055037B2 JP 52097458 A JP52097458 A JP 52097458A JP 9745877 A JP9745877 A JP 9745877A JP S6055037 B2 JPS6055037 B2 JP S6055037B2
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JP
Japan
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fuel
pellets
fuel rod
pellet
diameter
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JP52097458A
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徹 藤林
宏 水田
精 植田
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Toshiba Corp
Nippon Genshiryoku Jigyo KK
Original Assignee
Toshiba Corp
Nippon Genshiryoku Jigyo KK
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Publication date
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • 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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  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は原子炉用燃料棒、特に核分裂性物質であるU−
235あるいはPu−239又はPU−241の濃度を
変えずに天然に99.3%存在するU−238の利用効
果を高めた燃料棒に関する。
発明の技術的背景とその問題点 従来の原子炉用燃料棒は、天然ウラン中に0.7%存在
するU−235を2〜3%程度に濃縮あるいは天然ウラ
ンにプルトニウムを数%混合した酸化物焼結体を円筒形
の被覆管に充填したものである。
酸化物焼結体(以後ペレットと記す)は、通常第1図a
に示す円柱形、同bに示す円筒形、同cに示す端面が窪
加工された端面デイツシユ形、同dに示す円周端部が面
取りされたチャンファ付ペレット同eに示すダルマ形等
の円柱形である。これらのペレットは、主に熱膨張によ
る被覆管の変形あるいは破損の低減と、中心温度の低下
を目的に行われたものである。しかし、これらのペレッ
トは全て、基本的に円柱形であるためその表面積は有意
なほど大きくなかつた。従つてペレットの外表面により
多く分布するPU−239の蓄積量が少なかつた。この
PU−239はU−238が中性子を1個吸収して生成
するものである。又、このPU−239は核分裂性核種
であるため、このPu−239の蓄積量が高い程ペレッ
トの核的寿命は長くなる。反対にペレットは、燃焼度が
進むにつれて脆くなり欠け等が発生しやすくなる。この
ようにペレットの寿命は、核的寿命と機械的寿命の両者
で決定され、且つ核的寿命を延ばすと機械的寿命が短く
なり、又機械的寿命を延ばすと核的寿命が短くなるとい
う二律背反する関係にある。
そころで、U−238の中性子の共鳴吸収による実効共
鳴積分値(Ieff)は文献(M.M.Levine,
NuclearScl.Eng,l6,27l−279
,1963)によればと表される。
ここで、S,■は各ペレットの外表面積及び体積、Nは
原子数密度、C,fは定数、σ2は散乱断面積である。
いま、定数と散乱断面積に軽水炉で用いられる標準的な
値を入れると、上式(1),(2)は近似的に次のよう
になる。
Ieff=25.6●Jσ水 ・・・・・・(3)
従つて、U−238の実効共鳴積分値(Ieff)は、
Nを一定にするとS/Vを大きくすれば増加する。
よつて、U−238からPU−23ト、の転換比は、ペ
レットの単位体積に対する実効表面積を増加することに
よつて改善され、これによつて核的寿命が延びることが
わかる。又、機械的破損は、被覆管の腐食とペレットの
膨張によるペレットと被覆管との機械的相互作用による
ものである。
被覆管の腐食は、冷却材による一様腐食と、スペーサ等
の構造物による摩耗腐食等であるため、いわゆる腐食代
を多くとることにより対処できる。機械的相互作用は、
沃素等のハロゲン系の核分裂生成物により助長されるい
わゆる応力腐食割れもあるが、これも含めてペレットの
膨張を少なくして被覆管に大きな歪を与えない方法によ
り破損を少なくすることができる。ペレットの膨張には
核分裂生成物が内部に蓄積して生じる照射スエリングと
高温度になるために生じる熱膨張とがある。照射スエリ
ングは長期間にわたつて生じる膨張であり、被覆管がク
リープ変形するためにこれ自身で破損を生じることはな
い。一方熱膨張は原子炉の出力変動によつて短期的に生
じる膨張であり、ペレットの変形が被覆管に歪を与え破
損を生じ易い。尚、照射スエリングもこの熱膨張を吸収
するペレットー被覆間のギャップを少なくし、高燃焼度
時に大きな出力変動には耐えられなくなる附随的な作用
はある。発明の目的 本発明は上述の事情に鑑みてなされたもので、ペレット
の形状を変更して核的及び機械的寿命を延ばし、より多
くのエネルギーを取出すことができる燃料棒を得ること
を目的とする。
発明の概要 本発明は、被覆管内に多数の燃料ペレットが装填されて
成る燃料棒において、前記燃料ペレットの高さは中央部
直径のO月以下であり、かつその燃料ペレットの上下端
面の直径は中央部直径の0.2から0.7に選ばれて角
隅にテーパー部が形成されていることを特徴とする燃料
棒にある。
発明の実施例 以下図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
第2図に示す如く本発明の燃料棒20は、被覆管21、
そろばん玉型ペレット22、上部端栓23、下部端栓2
牡内部スプリング25とから構成される。被覆管21は
、例えばジルカロイ製の細長い筒体で、燃料棒20の外
形を形成するものである。
上部端栓23、下部端栓24は、前記被覆管21の上下
開口端を水密閉塞するものである。内部スプリング25
は、ペレットの最上面を弾性押圧してペレットの振動を
防ぐものである。そろばん玉型ペレット22は、第3図
、第4図に示す如く円筒状の焼結体で、その上部・下部
の縦断面形状は台形である。
又、そろばん玉型ペレット22の上面及び下面には、凹
部32が夫々加工されている。すなわち、そろばん玉型
ペレット22は、円柱部33と、上下両端に面取りを施
したテーパー部34と、凹部32とから構成される。こ
のそろばん玉型ペレット22の形状(各寸法比)は、第
5図より、高さ/直径が7.8以下で0に近に値が好ま
しい事がわかる。
又、テーパー部34の上下端面直径は、小さいと座りが
悪く大きいと表面積が減少するため外径に対して0.2
〜0.7が好ましい。すなわち、第5図は、横軸にそろ
ばん玉型ペレット22の円柱部32の高さx萌を取り、
縦軸に実効共鳴積分比(1eff)A/(Ieff)B
を取つたものである。
実効共鳴積分比(Ieff)A/(■Eff)Bは次式
で示される。ここで、(Ieff)Aは、第6図aに示
すそろばん玉型ペレットの実効共鳴積分値で、直径1−
、テーパー部の高さ1T1rm1テーパー部の上端面直
径5T1n及び円柱部の高さx−である。
(Ieff)Bは、第6図bに示す円柱ペレットで、直
径10m1高さX+2WgRである。このように構成さ
れた燃料棒20は、そろばん玉型ペレット22の表面積
が大きくなつてU一238からPU−239へ転換比が
増大し寿命を延ばすことができる。
又、そろばん玉型ペレット22は、従来の円柱ペレット
で生じるつづみ状の膨張を生じず、端面でのリツジもな
い。又、薄形であるため熱応力は小さくペレットの割れ
が少なく割れ部に局部的に発生する局部応力の発生確率
が小さくなる。従つて熱膨張による歪を小さく抑えるこ
とができ被覆管の破損を防ぐことができる。尚、そろば
ん玉型ペレット22は、第7図に示す如くテーパー部3
4の表面を波形にして表面積を更に増しても良い。又、
第8図に示す如くそろばん玉型ペレット22間にリング
71を介設しても良い。このようにすればペレットと被
覆管との間の熱伝達面積が広くなつて被覆管21への伝
熱が均一になり均一な発熱の燃料棒が得られる。又、こ
のリング71によつてそろばん玉型ペレット22に割れ
が生じて欠けらが発生しても、この欠けらが自由に動く
のを防止し、いわゆる再配置による被覆管21の局部的
な応力集中を低減できる。尚、リング71の材質として
は、熱伝導率が良くて中性子吸収断面積の小さいもの、
例えばジルコニウム、ニオビウム、ニッケルあるいはこ
れらの合金が適する。又、非金属材料でも被覆管あるい
はペレットとの共存性が良く上記の特性を有していれば
良い。又、第9図に示す如くそろばん玉型ペレット22
を金属の薄板81で包んでも良い。
このようにすれば燃料棒の組立被覆管21へのそろばん
玉型ペレット22の挿入が容易になる。薄板81の材質
は、前記リング71と同一である。又、薄板81は、波
板としたり、長手方向に折り目を設けて弾性を持たせて
も良い。更に第8図と第9図を同時に実施しても良い。
次に燃料集合体として使用する応用例を説明する。
沸膿水型原子炉では、制御棒等の炉心機器の構成上水ギ
ャップが均一でない。又、水の多い集合体の外周部では
プルトニウムの蓄積が多く燃焼度が進むにつれて発熱量
が増加する。従つて表面積の大きいより短尺のペレット
を中央部に入れればプルトニウムの蓄積量を一定に保つ
ことができ、長期にわたつて均一な出力分布を得ること
ができる。高さ方向において、両端部により短尺なこの
発明によるペレットを入れるとプルトニウムは両端部で
蓄積され、寿命中期以降の高さ方向の出力分布をより均
一にすることができる。尚、初期にあつてはガドリニア
等の可燃性毒物を入れて一定の出力分布が得られる。沸
騰水型原子炉の場合高ボイド率となる炉心上取の燃料位
置にこのペレットを入れて水対ウラン比を少なく変化さ
せ、ボイド係数の改良による炉心安定性の向上、さらに
反応度の低下抑制による燃焼度の向上を計ることができ
る。
発明の効果 以上説明した本発明によれば以下のような種々の有益な
効果を得ることができる。
(1)基本的に表面積を広くしたこの燃料にあつては、
プルトニウムの生成による反応度効果を高め、長寿命の
核燃料を提供できる。
(2) ペレットを短尺化することにより熱膨張による
被覆管との干渉を低下し、機械的にも破損の少ない高寿
命の燃料を提供することができる。
(3)このことはウランー235の核分裂性物質量を変
えずに長寿命となり、原子炉から取出す燃料は少なく、
再処理の量を減少させることができる。(4)表面積の
異なるペレットを燃料集合体の水平および高さ方向に分
布させることにより長期にわたつて出力分布の一定な燃
料を提供することができる。
また炉心安定性の改善を計ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の燃料棒に使用されたペレットの斜視図で
あり、aは円柱形、bは円筒形、cは端面デイツシユ形
、dはチャンファ付ペレット、eはダルマ形を示し、第
2図は本発明の燃料棒の一実施例を示す概略縦断面図、
第3図はそろばん型ペレットの側面図、第4図は第3図
の平面図、第5図はペレットの高さ/直径と実効共鳴種
分比との関係を示すグラフ、第6図は第5図の比較対象
を示す説明図であり、aはそろばん玉型ペレットの側面
図、bは円柱ペレットの側面図を示し、第7図乃至第9
図は本発明の他の実施例を示す図であり、第7図はそろ
ばん玉型ペレットの側面図、第8図及び第9図は上下を
切り欠いた燃料棒の縦断面図である。 21・・・・・・被覆管、22・・・・・・そろばん玉
型ペレット、23・・・・・・上部端栓、24・・・・
・・下部端栓、25・・・・・・内部スプリング、71
・・・・・・リング、81・・・・・・薄板。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 被覆管内に多数の燃料ペレットが装填されて成る燃
    料棒において、前記燃料ペレットの高さは中央部直径の
    0.8以下であり、かつその燃料ペレットの上下端面の
    直径は中央部直径の0.2から、0.7に選ばれて角隅
    にテーパー部が形成されていることを特徴とする燃料棒
    。 2 燃料ペレットのテーパー部には、円周方向に沿つて
    波形形状が形成されていることを特徴とする特許請求の
    範囲第1項記載の燃料棒。 3 燃料ペレットは、燃料棒の高さ方向でテーパー部が
    異なる少なくとも2種類以上のものを組合せることを特
    徴とする特許請求の範囲第1項及び第2項記載の燃料棒
    。 4 被覆管内に多数の燃料ペレットが装填されて成る燃
    料棒において、前記燃料ペレットの高さは中央部直径の
    0.8以下であり、かつその燃料ペレットの上下端の直
    径は中央部直径の0.2から0.7に選ばれて角隅にテ
    ーパー部が形成され、前記被覆管内壁とこの燃料ペレッ
    トのテーパー部とから成る空隙には熱伝導率が良く、か
    つ中性子吸収断面積の小さいリングが介在されて成るこ
    とを特徴とする燃料棒。 5 リングはジルコニウム、ニオビウム、ニッケルの少
    なくとも1部材から成ることを特徴とする特許請求の範
    囲第4項記載の燃料棒。 6 被覆管内に多数の燃料ペレットが装填されて成る燃
    料棒において、前記燃料ペレットの高さは中央部直径の
    0.8以下であり、かつその燃料ペレットの上下端の直
    径は中央部直径の0.2から0.7に選ばれて角隅にテ
    ーパー部が形成され、前記燃料ペレットの複数個を熱伝
    導率が良く、かつ中性子吸収断面積の小さい薄板で被う
    ことを特徴とした燃料棒。 7 薄板は波板又は長手方向に折り目が設けられた板で
    あることを特徴とする特許請求の範囲第6項記載の燃料
    棒。 8 薄板はジルコニウム、ニオビウム、ニッケルの少な
    くとも1部材から成ることを特徴とする特許請求の範囲
    第6項記載の燃料棒。
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JPS639720A (ja) * 1986-06-30 1988-01-16 Nippon Seiko Kk 転がり軸受のすきま補正装置
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