JPS61140890A - 核燃料棒 - Google Patents

核燃料棒

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JPS61140890A
JPS61140890A JP59262839A JP26283984A JPS61140890A JP S61140890 A JPS61140890 A JP S61140890A JP 59262839 A JP59262839 A JP 59262839A JP 26283984 A JP26283984 A JP 26283984A JP S61140890 A JPS61140890 A JP S61140890A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel
cladding tube
nuclear fuel
nuclear
mixture
Prior art date
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Pending
Application number
JP59262839A
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English (en)
Inventor
小原 浩史
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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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

Landscapes

  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)

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】 〔発明の技術分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉1こ用いられている核燃料棒
1こ関する。
〔発明の技術的背景とその問題点〕
従来、沸騰水型原子炉tこ用いられている核燃料棒にお
いては、燃料として一般に二酸化ウラン(UOいを焼結
した燃料ペレットが用いられている。
また、この燃料ペレットを被覆する管として耐食性や高
温強度が優れ、中性子吸収断面積が小さく、かつ照射下
でも十分な延性をもつジルコニウム合金(例えばジルカ
ロイ−2,ジルカロイ−4)製の薄肉管が用いられてい
る。ここで、第4図に従来の核燃料棒の縦断面図を示す
。@4図1こおいて、ジルコニウム合金製の被覆管1内
には二酸化ウランの燃料ペレット2が挿入されている。
また、前記被覆管1の上・下端1こは上部端栓3及び下
部端栓4が設けられている。また、核燃料棒内の上部1
こは上部プレナム部5が形成され、この上部プレナム5
内1こはプレナムスプリング6が配置されている。そし
て、内部の空間にはヘリウム等の充填ガスが封入されて
いる。
この核燃料棒の製造工程は、通常次の手順からなる。ま
ず被覆管1の一端に下部端栓4をTIG溶接する。次に
燃料ペレット2およびスプリング6等を挿入した後、吸
着した水分を除くために全体を真空中で加熱乾燥する。
最終にヘリウム中で上部端栓3をTIG溶接して同時に
内部1こヘリウムガスを密封する。
ところで、燃料ペレット2は原子炉中で核分裂により発
熱するが、二酸化ウラン焼結体は熱伝導性が良好でない
ため、中心部では高温1こなり温度分布に偏りを生ずる
。この温度分布tこ基づいて生ずる熱応力、および燃料
ペレット2の熱膨張のため1こ、燃料ペレット2は第4
図と同一部分は同符号で示す第5図1こ部分的1こ示し
たよう1こ不規則1こ割れる。燃料ペレット2と被覆管
1間のギャップは、熱伝導性を良くするためfこ、一般
に数百μmとかなり小さく設計されているが、上述の如
き燃料ペレット2の膨張・変形という現象が起ると、ギ
ャップは減少し、やがては燃料ペレット2と被覆管1と
は接触し、機械的相互作用(以下PCMIと略す)を起
すに至る。このPCMIは、原子炉の出力を急速に上昇
させた場合1こ特に著しい。
他方、核燃料の燃焼1こよりよう素(■2)、セシウム
(Cs )、テルル(Te)、カドミウム(Cd )等
の腐食性物質が生成し、核燃料物質内に蓄積するが、そ
の一部は被覆管1内へ拡散し、被覆管1内表面1こ付着
する。前述のよう1こ、ジルコニウム合金は耐食性;こ
優れ、中性子吸収断面積が小さく、かつ照射下でも十分
な延性を有する材料である。しかしながら、前記核分裂
生成物に接触した環境下で瓶が起こると、ジルコニウム
合金製被覆管1)こ応力腐食割れ(以下SCCと略す)
が発生する。そして機械的破断時の歪よりもはるか;こ
小さい歪によ・つても被覆管1は破損する可能性がある
ことが判明している。被覆管の主な目的は、第1に核燃
料と冷却材等との間の化学反応を妨げること、第21こ
け高度1こ放射性の核分裂生成物が冷却材中へ放出され
ることを妨げることである。しだがって、被覆管が応力
腐食割れ1こより破損した場合1こは、冷却材等は放射
能1こ汚染され、原子炉の運転・管理に障害をもたらす
おそれがある。そのため、原子炉の安全運転のためlこ
も被覆管の応力腐食割れの防止が強く要求されている。
被覆管の応力腐食割れを防止するため1こは、PCMI
を緩和するl、又はよう素等の腐食性物質と被覆管との
接触を阻止するかの措置が必要である。そこで、被覆管
の応力腐食割れの防止を目的として、その−要因である
PCMIを緩和するために、原子炉の出力上昇速度を遅
くしたり、燃料ペレットの形状を変えたりする試みが行
われているが、余り効果的ではない。他方、応力腐食割
れの他の要因である腐食性核分裂生成物の生成量を少な
くするだめに、原子炉の出力を低く抑えて運転する方法
も考えられているが、これは発電所の発電コストを上昇
させ、望壕しくない。
また、燃料ペレットから放出された腐食性物質とジルコ
ニウム合金製被覆管とが反応しないように、それらの直
接接触を防止するため、ジルコニウム合金製被検管の内
面に銅などの・くリア材を設けたバリア椋覆管が提案さ
れている(例えば、特開昭51−69792号公報、特
開昭51−69795号公報、特開昭51−69795
号公報等)。しかし、原子炉運転中1こバリア層の一部
が機械的に破壊されて被覆管の応力腐食割れを生ずるお
それがある。
従って、種々の提案にも拘らず、燃料被覆管の応力腐食
割れを有効に防止し得る核燃料要素の開発が依然として
要望されている。
〔発明の目的〕
本発明は上記要望;こ鑑みてなされたもので、ジルコニ
ウム合金製被覆管の応力腐食割れを有効に防止し得る核
燃料要素を提供することを目的としている。
〔発明の概要〕 本発明は、被覆管と、この被覆管内tこ装填された多数
の燃料ペレットと、前記被覆管の両端に設けられた上下
端栓とから成り内部1こガスが封入された核燃料棒にお
いて、前記燃料ペレットの中心軸部及び燃料ペレットと
燃料ペレットとの間にCo。
04とCoOの混合体、  CuOとCutOの混合体
の内の一金属酸化物の混合体を配置して成ることを特徴
とする核燃料棒にある。
〔発明の実施例〕
以下、本発明の一実施例を第1図から第3図を参照して
説明する。ここで第1図に本発明の一実施例に係る核燃
料棒の縦断面図を示す。なお、第4図と同一部分1こは
同一符号を付しその構成の説明は省略する。第1図にお
いて、被覆管1内1こ装填された燃料ペレット7は中空
円筒ペレットであり、内部に金属酸化物の混合体8が充
填されている。また、前記燃料ペレット7と燃料ペレッ
ト7との間にも金属酸化物の混合体9が配置されている
。この混合体8,9は粉末を焼結又は圧縮成形したもの
であり、内部を気体が流通する構造)こなっている。こ
こで第2図1こよう素1こよる応力腐食割れ1こ対する
酸素分圧の影響を示したジルコニウム合金の特性図を示
す。なお、本特性図はSCCが非常1こ発生するおそれ
があるよう案分圧が4Torr(5,26X 10 a
tm )中1こおける酸素分圧と最大応力の関係を示し
ている。よう素がない場合の最大応力は60隔−である
の1こ対して、4torrのよう紫雲囲気中で酸素分圧
がOからITorr (1,32X10 atm)の場
合では最大応力が約37隣−2まで下がる。しかしなが
ら、酸素分圧が大きく々るに従って最大応力も犬きくな
“す、約4Torr (5,26xl(r”atm)で
最大応力は約47Ky/yg” Iこなり、10Tor
rではほぼ60Kp/m  に回復する。
ここで前記金属酸化物の混合体8,9をCo、0゜とC
oOの混合体にすると平衡状態は第1式のように示され
、との反応の自由エネルギー変化ΔGは第2式のよう1
こ示される。
C0,04=3COO+%0.          ・
・・・・・・・・ (1)ΔG=43800−35.4
T(ca//molり    −f2)従って平衡酸素
分圧PO,は第3式のように示される。
Po、 =exp(−2ΔG/RT)  (atm) 
  −13)ここでTは温度(0K)であり、Rはガス
定数である。
また、前記金属酸化物の混合体8,9をCuOとCu、
0  の混合体にすると、平衡状態は第4式のように示
され、この反応の自由エネルギー変化ΔGは第5式のよ
うに示される。
2cuo ; Cu、0+V、0.       ・−
−−−−・−(4)△G=34950+6.I Teo
gT−44,3T  (caeArt′)e’)  =
(5)従って平衡酸素分圧Po2は第6式のよう1こ示
される。
po、 =exp (−2ΔG/RT )  (atm
)   ・−・−・・(6)ここで第3図1こ前述の反
応1こ対する温度と平衡酸素分圧の特性図を示す。
なお、第3図において、曲線AばCo、0.とCoOの
混合体の特性曲線を示し、曲線BはCuOとCu、0の
混合体の特性曲線を示し、破線Cはよう紫雲囲気中でジ
ルコニウムの最大応力がほぼ回復する平衡酸素分圧が4
Torrの線を示している。第3図]こ示す様に、前記
の金属酸化物の混合物を用いて平衡酸素分圧を4’ro
rr以上にするため1こは1000°にないし1100
’に以上の温度が必要である。このため、燃料ペレット
の温度が通常運転中に1000’に以上となるため、ペ
レット中心孔あるいは燃料ペレットとペレットとの間に
Co30.とCoOの混合体あるいはCuOとCI、o
の混合体を配置することlこよって、4Torr以上の
酸素分圧を原子炉運転中tこ得ることができる。
そして、運転中1こ4Torr以−ヒの酸素分圧を得る
ことができるので第2図に示したようによう紫雲囲気中
における被覆管のSCCの発生を防ぐことができる。ま
た、酸素分圧が4″Torr Iこなった平衡時には燃
料ペレットが酸素を吸収し、二酸化ウランペレットの酸
素対ウランの比(O/U比)は約2.2になる。したが
ってOA比の低い燃料ペレットを用いた場合には二酸化
ウランペレットが酸素を吸収するため、二酸化ウランペ
レットのφ比を2.15以上にする必要があり、さらに
二酸化ウランペレットの素成変更を考えると225以下
に設定する必要がある。
[発明の効果〕 本発明による核燃料棒によれば、燃料ペレットの中心軸
部及び燃料ペレット間に1100°にの雰囲気中におい
て酸素分圧を4Torr以上にさせる金属酸化物の混合
体を配置させたので、ジルコニウム合金製被覆管の応力
腐食割れを有効に防止させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す核燃料棒の縦断面図、
第2図はよう紫雲囲気中におけるジルコニウム合金の最
大応力と酸素分圧の関係を示す特性図、第3図は金網酸
化物の混合体にお′ける平衡酸素分圧と温度の関係を示
す特性図、第4図は従来の核燃料棒の縦断面図、第5図
は被覆管内で割れた燃料ペレットを拡大して示す斜視図
である。 1・・・被覆管     2・・・燃料ペレット3・・
・上部端栓    4・・・下部端栓5・・・上部プレ
ナム部   6・・・プレナムスプリング7・・・燃料
ペレット   8.9・・・金属酸化物の混合体代理人
 弁理士 則 近 憲 佑 (はか1名)第1図 第4図 第5図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)被覆管と、この被覆管内に装填された多数の燃料
    ペレットと、前記被覆管の両端に設けられた上下端栓と
    から成り内部にガスが封入された核燃料棒において、C
    O_3O_4とCoOの混合体と、CuOとCu_2O
    の混合体の少なくとも1つの混合体を前記燃料ペレット
    の中心軸部及び燃料ペレットと燃料ペレットとの間に配
    置して成ることを特徴とする核燃料棒。
  2. (2)燃料ペレットは含まれている二酸化ウランの酸素
    対ウランの比(O/U比)が2.15以上2.25以下
    であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の核
    燃料棒。
JP59262839A 1984-12-14 1984-12-14 核燃料棒 Pending JPS61140890A (ja)

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