JPS61280597A - 燃料集合体 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、沸騰水型原子炉に装荷する燃料集合体に関す
る。

〔発明の背景〕

原子炉を一定の期間運転するためには、運転初期におい
て、運転中の核分裂物質の燃焼による反応度劣化分だけ
の余剰反応度を有している必要がある。そして、原子炉
を臨界に保つために、この余剰反応度を制御する必要が
あり、従来その方法として、中性子吸収物質からなる制
御棒を炉心に挿入する方法、および燃料中にＧｄ２０６
等の中性子吸収断面積の大きい可燃毒物を混入した特殊
燃料棒を含む燃料集合体を炉心に装荷する方法が多く併
用されている。

一方、燃料集合体内の出力分布平坦化および燃焼の均一
化をはかるため、集合体内に中性子の減速を促す水ロン
ドを挿入する集合体が使われている。

第２図に前記した特殊燃料棒及び水ロッドを含む従来の
沸騰水型原子炉の燃料集合体の例を示す。

この例ではチャンネルがツクスフの内部に６２本の燃料
棒１〜５と２本の水ロッド６が挿入されている。また、
燃料棒のうち、５で示す燃料棒は、原子炉の余剰反応度
を制御するために、中性子吸収断面積用るガドリニアを
含むペレットが充てんされた特殊燃料とされている。−
力水ロッド６の中には、飽和水が流れており、燃料集合
体中央部での水の量を相対的に多くし、中性子減速効果
によシ燃料の反応度を高め、集合体内での局所出力分布
の平坦化を図っている。また、水ロンドは燃料集合体内
のボイド率変化に伴う反応度変化を小さくする役割も持
っている。

このような燃料集合体の問題点は、中性子毒物質を含ま
ない燃料棒と、核分裂物質の濃縮度は同じでも中性子毒
物質を含む特殊燃料棒を別個につくる必要があ）、燃料
ペレットの製造から組立までの燃料製造管理が複雑にな
り、製造コストの上昇をもたらすことがあげられる。ま
た、燃料の長寿命化によシ、燃料経済性の向上を図る場
合には、濃縮度を高くする必要があるが、濃縮度の増加
によシ、次の問題が生じる。第一の問題は、濃縮度の増
加に伴ない燃焼初期で制御しなければならない余剰反応
度が増大し、従来のガドリニア入り特殊燃料棒を使った
集合体では、このガドリニア入り特殊燃料棒の本数を多
くする必要がある。さらに、中性子の平均エネルギーが
高くなるため、ガドリニア人多特殊燃料棒１本あた）の
余剰反応度制御効果が減少する。このため、さらにガド
リニア入シ特殊燃料棒の本数が増加することになる。

濃縮度増加の第二の問題点は、中性子エネルギーの増加
により、ボイド率変化に伴う反応度変化率が大きくなシ
、また制御棒価値が低下する。

そこで、これらの問題を解決するものとして、可燃織物
としてガドニウム（Ｇｄ）を用い、かつ中性子減速材と
して水素密度の高いジルコニウム／・イドライド（Ｚｒ
Ｈ２）を用いた固体減速棒を・燃料集合体の一部に含む
ものを提案している（特開昭５９−１８４８８５号参照
）。

ところで、前記提案の固体減速棒において用いられる中
性子減速材としてのジルコニラムノ・イドライドと、こ
れを保持するための被覆管用材料として、炉水に対する
耐食性に秀れ・寸た中性子吸収断面積がきわめて小さい
という要求をも′りものとして好適に用いられるゾルコ
ニウム合金と、の関係等を考慮すると、更に改善すべき
点のあることが知見される。

すなわち、まずプルコニウムハイド゛ライドの性質を考
えると、その性質は第３図の状態図、第４図の水素解離
圧と原子数比Ｘ（ノルコニウムの水素とソルコニアの原
子数比：　ｘ　＝　Ｈ／Ｚｒ　）の関係、第５図の機械
的性質とＩ（／Ｚｒ原子数比Ｘの関係、に示される通り
である。各相の結晶榊造は、）ｌ／Ｚｒ原子数比Ｘの少
ない１項にα相：　ＨＣＰ　（稠密六方格子）・β相：
　ＢＣＣ（体心立方格子）、δ相：　ＦＣＣ（面心立方
格子）、ε相：　ＦＣＴ　（面心正方格子）及び準安定
なγ相（ＦＣＴ　）から成る。水素の解離圧は、４００
℃程度のα＋δ相で１０　　ｖ＋ｍＨｇ以下であるが、
δ相やε相では水素含有量の増加にともない解離圧が急
激に増加する。まン”Ｃ，Ｘが１．５以上のα相やε相
は脆く、形状を保ちにぐ〈粉状にな）やすいことも第３
図、第４図及び第５図かられかる。

一方、被覆管の材料として好適に用いられるジルコニウ
ム合金の性質を考えると、これは水素を吸収し易く、そ
の結果、脆化するという傾向を示す。

これらのことからすると、水素によって脆化される性質
をもったジルコニウム合金製の被覆管が、内部に水素発
生源となるジルコニウムハイドライドを保有した構造と
なっている固体減速俸は、中性子減速能力、被覆管とし
ての高耐食性等で適当する前記材料の相互の影響、すな
わち被覆管における経時的な機械的健全性の確保につい
て考慮されるべき問題があると言えるのである。

〔発明の目的〕

本発明は、水素発生源となるゾルコニラムノ飄イドライ
ドをジルコニウム合金製の被覆管で被覆した固体減速棒
を使用する燃料集合体において、その固体燃料棒におけ
る被覆管の水素脆化を防止できる構造及び材料を提供す
ることを目的とする。

〔発明の概要〕

而して、前記目的を達成するためになされた本発明よシ
なる燃料集合体の特徴は、燃料棒と、ツルコニウム合金
製の被覆管の内部に中性子減速材としてジルコニウムハ
イドライドイドを充填した固体減速枠と、を多数本組合
せ配置してなる燃料集合体であって、前記固体減速枠の
少なくとも上下端近傍夫々には、被覆管内に原子炉冷却
水を貫流可能とする通水開口を設けたところにある。

本発明においてかかる構成が採用されるに至った理由は
次のことによる。

一般に原子炉で使用されているノルコニウム合金製の燃
料被覆管は、放射線分解による水素を含む原子炉冷却水
にその外表面が接触しているにも拘わらず、水素吸収量
は少なく（燃料使用末期においても１００　ｐｐｍ以下
）、水素脆化することはない。

一方、燃料棒の成形加工時に、被覆管内部に水分を微量
に残留させた場合、燃焼が進むにつれて水分が分解し、
水素がジルコニウム合金製の被覆管を内部から脆化させ
ることが知られている。

このようなジルコニウム合金製被覆管の外表面と内表面
における水素吸収挙動の相違は、要するに、前者では常
に冷却水がジルコニウム合金表面を流動して、活発な発
生期の水素が流出し水素の蓄積がないのに対し、他方後
者では、水素が燃料棒内の封じられた空間に蓄積滞留さ
れることの差によって生ずるものと考えられる。

本発明の前記した特徴的構成は、ｆさにかかる事実の知
見に基づいて採用されたのである。また固体減速枠を内
蔵した被覆管内に・水素密度の高い水を貫流させること
は、固体減速棒内の水素密度を向上させることになり、
不活性ガス等で被覆管内の空間を満たす方法に比べて減
速効果の点で有利となる効果も得られる。

本発明において、固体減速枠の少なくとも上・下端部近
傍（例えば被覆管の上・下端部あるいは上・下端部）の
夫々設ける通水開口は、原子炉冷却水が管内を貫流する
条件を満足すればその位置、開口の大きさは特に限定さ
れないが、内蔵したジルコニウムハイドライドの′９ｃ
覆管外への散逸全効果的に防止するには、開口の大きさ
は必要範囲内で出来るだけ小さくすることが望ましい。

通水開口は更に被覆管の上下中間位置に設けてもよい。

また以上の通水開口の形成にあたっては、更に次の構成
を採用することにより本発明が一層好まし〈実施される
。たとえば、通水開口のうちの流入側については、水流
によって内部のジルコニラムノ・イドライドの侵食を避
けるようにすることが好ましく・このために被覆管の局
面から原子炉冷却水が被覆管内に流入し、この流入位置
にノルコニウムハイドライドを存在させないようにする
。また被覆管内の貫流が管内全周に渡って均一に流れる
ように・管周囲に渡って多数の小孔を設けることも好ま
しい。

本発明において用いられる被覆管の材料は、耐食性及び
中性子吸収断面績の観点から・Ｚｒ−１，５Ｓｎ−０，
Ｉ　Ｆｅ　−０，Ｉ　Ｃｒ　−０，０５Ｎｌ　（ノルカ
ロイ−２）、Ｚｒ　−１，５Ｓｎ　−０，２Ｆｅ　−０
，Ｉ　Ｃｒ　（ノルカロイ−４）、Ｚｒ　−２，５Ｎｂ
及びＺｒ　−１，ＯＮｂなとのジルコニウム合金が使用
され、特にＺｒ−Ｎｂ系合金は、水素吸収性能、耐食性
に優れていること、及び強度が高いため被覆管の薄肉化
が図れることから、好適である。

固体減速棒内には、ジルコニウムハイドライドと共に、
中性子吸収断面積の大きな可燃毒物例えばガドリニア等
を含むようにしてもよいことは言うまでもない。また固
体減速枠の被覆管内に充填されるノルコニウムハイドラ
イド（可燃毒物を含んでいてもよい）の形状は、一般的
には円柱状の被レッドとされるが、これは球状その他の
ものとしても差支えない。

次に、管内に原子炉冷却水を貫流させる貫流方式にした
場合にジルコニラムノ・イドライドに要求される性能を
検討する。

先に、第４図で説明したように、ジルコニウムハイドラ
イドのＨ／Ｚ　ｒ原子数比Ｘが１．６を越える領域に存
在するδ相やＣ相は、水素の解離圧が高く、使用中に水
素が解離し、被覆管内を貫流する冷却水とともに管外に
運ばれ、固体減速枠の水朱密度は低下し、減速能力が変
化する。

また、Ｈ／Ｚｒ原子数比又と機械的性質の関係（第５図
）によれば、Ｘが１．５を越えると急激に脆くな夛、粉
状になシやすくなることが知られている。したがって、
Ｘが１．５以上では、ジルコニウムハイドライドが粉状
になシ貫流水とともに枠外に運び去られる可能性が考え
られる。以上より、貫流方式の場合、Ｈ／Ｚｒ原子数比
Ｘは１．６以下、さらに好適には１．５以下であること
が好ましい。

Ｈ／Ｚｒ原子数比Ｘの下限値は、原子炉冷却水温度約２
８０℃での水素密度（約５　Ｘ　１０　　Ｈａｔｏｒｎ
Ａ−ｒｎ３）と同等な水素密度が得られるｘ　（＝　１
．３　）とすることが好ましい。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図によシ説明する。

第１図は固体減速棒の構造の構成概要−例を示している
。可燃毒物Ｇｄを含有する多数のペレット状ジルコニウ
ムハイドライド１０はジルコニウム合金製被覆管１１に
積層収納され、被覆管１１の両端１は上部を上部端栓１
２、下部を下部端栓１３で溶接封止されている。被覆管
１１の上部及び下部には通水開口１４が開げられておシ
、冷却水１５が、下から上の被覆管１１′とジルコニウ
ムハイドライド１０の間隙を満たし貫流できる構造とな
っている。

ジルコニウムハイドライド１０は前記したＨ７’Ｚｒ原
子数比Ｘの１．３から１．６の範囲、好適には１．３か
ら１．５の範囲で好ましく用いられ、特に１．４付近で
は・使用温度範囲（室温から約４００′Ｃまで）でα＋
δ相を保つため水素の解離は微小量にとどまるので有利
となる。

このような構造の固体減速棒を、第２図に示したように
燃料棒と組合せて格子状に配置し・所望する燃料集合体
を構成させる。

この燃料集合体を所定の沸騰水型原子炉に装荷すると、
原子炉冷却水の循環流動性によシ、固体減速棒の被覆管
内には通水開口１４．１４を通して貫流が流れ、これに
よシ該被覆管内における水素の蓄積滞留がなくなシ、管
外表面側と同じような条件となって管内表面側でも水素
脆化が好適に防止される効果が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ジルコニウムハイドライドを水素源と
したジルコニウム合金製被覆管の水素脆化を防止できる
ので、固体減速棒の機械的健全性が経時的な劣化を生ず
ることなく確保でき、その効果は大なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は可燃毒物入シ固体減速棒の縦断面図、第２図は
燃料集合体の横断面図、第３図はＺｒ−Ｈ状態図、第４
図はＨ／Ｚｒ原子数比と水素解離圧の関係図、第５図は
水素密度と機械的性質の関係図である。 １０・・・ジルコニウムハイドライド、１１・・・ジル
コニウム合金製被覆管、１４・・・通水開口、　　　　
１５・・・冷却水。 第１図 Ｉ５二下合β１暦壮 第２図 ７〜４−と針棒 に特＆燃捧 ６：７ＫＯ”ｔド −７：４−イＪオルポーＩフ又 第４図 嘔、原手数比（χ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）燃料棒と、ジルコニウム合金製の被覆管の内部に
   中性子減速材としてジルコニウムハイドライドを充填し
   た固体減速棒と、を多数本組合せ配置してなる燃料集合
   体であって、前記固体減速棒の少なくとも上下端近傍夫
   々には、被覆管内に原子炉冷却水を貫流可能とする通水
   開口を設けたことを特徴とする燃料集合体。
2. （２）固体減速棒の内部充填物が、中性子吸収断面積の
   大きな可燃毒物を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項に記載した燃料集合体。
3. （３）ジルコニウムハイドライドの水素とジルコニウム
   の原子数比ｘ＝（Ｈ／Ｚｒ）が、１．３から１．６の範
   囲であることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項又
   は第（２）項に記載した燃料集合体。