JPS63277995A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はウラン−プルトニウム合金等の金属燃料を収容
する燃料集合体に係り、特に被覆管材との共晶合金生成
温度を高めるためにジルコニウム等の金属が添加された
金属燃料を有する燃料集合体に関する。

（従来の技術） 一般に軽水炉、高速増殖炉においては二酸化ウラン（Ｕ
Ｏ２）、二酸化プルトニウム（ＰｕＯ２）と二酸化ウラ
ンと゛の涙金材等の酸化物燃料（ＭＯ×）を焼結ベレッ
トに成形したものが核燃料として使用されている。また
、°高速増殖炉の核燃料としては、上記酸化物燃料以外
にウラン、プルトニウム等の金属あるいはそれらの合金
を他の元素と化合させることなく金属状態のままで使用
するいわゆる金属燃料が知られている。

金属燃料、は酸化物燃料に比較して種々の優れた特徴を
有している。まず、第１に金属燃料は、酸化物燃料と比
較して核分裂性原子の密度が高く、容易に増殖率の高い
炉心を構成することができるという特徴を持っている。

例えば、１ｄ当りのウラン密度は、ウラン金属の場合的
１９９／ｃｄであり、二酸化ウランの場合には約９ｇ／
ｃｄであって、約２倍の密度となる。また、金属燃料を
使用した炉心は、その中性子スペクトルが酸化物燃料を
使用した炉心よりも硬く、本質的に炉心の増殖性が高い
。このように、増殖率を高くすることにより、装荷時の
プルトニウム富化度の低減や燃料の反応度の長寿命化を
図ることができるという特徴を有する。

第２に金属燃料は、酸化物燃料に比較して高い熱伝導度
を持っている。例えば５００℃における熱伝導度は、ウ
ラン金属においては０．０８０Ｃａｌ／５ｅｃ−１℃で
あり、二酸化ウランの場合には０、００９Ｃａｌ／５ｅ
ｃ−、−１１’ｃであって、約９倍の高さの熱伝導度と
なる。また、金属燃料はナトリウム（Ｎａ）との共存性
に優れ、被覆管と燃料の間にナトリウムを充填すること
によって、この間の熱伝達性を高めることができる。

このため、金属燃料を用いることにより、非常に伝熱性
能の良い燃料設計が可能となり、酸化物燃料を用いた場
合に比較して容易に、負荷追従運転が可能な炉心や過出
力事故に対して安全裕度の大きい炉心を構成することが
できる可能性をもっている。

第３に金属燃料を使用する炉心は、固有の安全性が高い
。

金属燃料は、二酸化ウラン等のセラミックス系の燃料に
比較して熱膨張率が高いという特徴を持つている。すな
わち、金属燃料を用いた炉心は、ドツプラ係数について
は酸化物燃料炉心に比較して小さいが、事故時の急激な
燃料温度上昇により燃料が軸方向に伸び、この燃料の伸
びが負の反応度として作用する。また、前述した伝導性
能が高いという性質から、事故時においても、燃料の温
度上昇がゆるやかで、上昇しても冷却材のＦＩＪｌｍや
燃料と被覆管の共晶温度に至らないため、事故の拡大を
回避することができる。

第４に金属燃料を使用すれば、再処理・成型加工が単純
化される可能性を有している。金属燃料の再処理には主
にｉｓｍ冶金法が用いられる。高温裕余法は、溶融状態
の金属燃料と（溶融）塩との間の化学反応により核分裂
生成物（ＦＰ）を除去する方法であり、従来のｐ　ｕ　
ｒ、ｅ　ｘ法による再処理と比較して、工程が単純であ
り設備を小型化でき、廃棄物発生聞が少ないという特徴
を持っている。

一方、金属燃料の成型加工には射出成型法と呼ばれる方
法が用いられる。この射出成型法は鋳造によって燃料成
型をするものであり、酸化物燃料の成型加工に比較して
非常に単純で、再処理施設の中に成型加工ＦＡ設を組み
入れ、−貫した作業で再処理−成型加工を行なうことが
可能である。

（発明が解決しようとする問題点） このように、金属燃料は非常に優れた性質を有していな
がら、従来あまり使用されていなかった。それは、次の
理由による。

第１に、燃料のスエリングが非常に大きいため、燃焼度
が１〜２　ａｔｏ膳％しかとれなかったという理由があ
る。スエリングとは燃料内部の核反応によりＦＰガスが
発生し、このＦＰガスの作用により燃料が膨れる現象で
ある。

第２に、金属燃料は７００〜８００℃以上の温度で被覆
管材との間で共晶現象を起こしやすいという性質を持っ
ている。共晶現象とは、燃料が種々の原因で被覆管材と
接触した場合、一定の温度下で燃料と被覆管材との共晶
が生じる現像である。

この共晶生成物は一般に融点が低いため、共晶現象が起
こると低い温度で被覆管が溶融して燃料が破損するおそ
れがあった。

これらの問題点は、その後の研究により解決の見通しが
得られている。

まず、スエリングの問題についてはスメア密度を７５％
程度に下げる（燃料と燃料被覆管との間隙を大きくする
）ことにより解決できることが分ってきた。スメア密度
とは被覆管−燃料間のギャップも考慮した巨視的な燃料
密度のことである。

スメア密度を下げることによって、スエリングの問題が
解決できるのは、燃料がスエリングによって体積増加し
て最初の体積の２５〜３０％を超えると急激にＦＰガス
がガスプレナムへ抜けるようになり、その後のスエリン
グの進行が抑えられるからである。このように、スエリ
ングの問題が解決されることにより、燃焼度を向上させ
ることが可能となった。゛ 一方、燃料−被覆管材の共晶特性については、共晶ｆｆ
１ｉ（共晶が生成する一度）を高めることにより解決さ
れる。すなわち、金属燃料にジルコニウム（Ｚｒ）等の
金Ｒ（以下添加金属という）を添加することにより共晶
温度が高い優れた燃料合金が得られることが明らかにさ
れた。

しかしながら、ジルコニウム等の添加金属を添加するこ
とは、その添加量だけ核分裂性原子の密度を低下させる
こととなり、核特性向上の点からは好ましくない。その
ため、添加金属の添加ｍを最少限に抑えつつ、かつ−共
晶現象による問題を解決することができる燃料集合体の
開発が望まれていた。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたもので、共晶
現象の発生を適切に防止しつつ金属燃料に添加する添加
金属の思を低減させることにより、増殖性が高く、運転
サイクルを長期化することが可能な高性能炉心を構成す
ることができる燃料集合体を提供することを目的とする
。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明は、ラッパ管内に多数の燃料ピンが備えられると
ともに、各燃料ピンに金属燃料が収容され、その金属燃
料は被覆管材との共晶合金生成温度を高めるための添加
金属が添加された燃料集合体において、上記多数の燃料
ピンの少なくとも一部の燃料ピンに収容される金属燃料
は、添加される添加金属の含有率が冷却材出口側よりも
冷却材入口側で低減されたものである。

（作用） 金属燃料に添加される添加金属の含有率が冷・却材出口
側よりも冷却材入口側で低減されたから、全体を一様な
含有率とした場合に比較して、添加金属の添加量が低減
される。そのため、添加金属の添加量が低減された分だ
け、金属燃料の核分裂性原子の密度が上昇し、炉心の増
−殖性が向上する。

したがって、運転サイクル中の燃焼反応度の減少が小さ
くなり、運転サイクルの長期化が可能となる。

また、金属燃料に添加される添加金属の含有率が冷却材
出口側よりも冷却材入口側におい・で低減されたから、
冷却材出口側よりも冷却材入口側の共晶合金生成温度が
低下する。この場合においても、燃料被覆管温度分布が
冷却材出口側で高く、冷却材入口側で低くなっているこ
とから、共４ａ度と被覆管温度との間の余裕温度は充分
に確保され、共晶現象の発生が防止される。　〜（実施
例） 本発明に係る燃料集合体の一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図は本発明に係る燃料集合体の一実施例を示す構成
図である。燃料集合体１は例えば多角形状のラッパ！２
を有し、このラッパ管２内に多数の棒状の燃料ピン３が
収容される。ラッパ′ｒＪ２の上部には、燃料集合体を
炉心へ着脱する際、または移送する際の、把持部となる
ハンドリングヘッド４が設けられ、一方下部には燃料集
合体１を固定支持す・るためのエントランスノズル５が
設けられる。燃料集合体１は、炉容器の上方より炉心に
装荷され、下端に設けたエントランスノズル５を上部支
持板６および下部支持板７に挿通することにより炉心構
造物に支持固定される。

上記エントランスノズル５の側壁には、冷却材流入口８
が穿設されており、液体金属、ナトリウム。

笠の冷却材はこの冷却材流入口８を通り燃料集合体１の
ラッパ管２内に流入し、燃料ビン３間を上昇する間に熱
交換を行ない、高温になった冷却材はハンドリングヘッ
ド４より流出する。

前記燃料ピン３は、第２図に示すようにステンレス鋼の
金属材料からなる被覆管１０を有し、この被覆管１０内
にボンドナトリウム１１に包まれた金属燃料・１２が収
容される。ボンドナトリウム１１は液体金属ナトリウム
からなり、このボンドナトリウム１１上部には、金属燃
料１２の核反応によって生じるＦＰガスを貯えるための
ガスプレナム部１３が設けられる。

金属燃料７としては、金属ウラン（Ｕ）、ウラン−プル
トニウム（ＰＩ）合金、ウラン−トリウム（Ｔｈ）合金
、プルトニウム−トリウム合金が考えられる。　　　゛ そして、上記金属あるいは合金には、ウラン２３５（Ｕ
）、プルトニウム２３９　（ＰＩ）等の核分裂性元素と
、ウラン２３８（Ｕ）、４Ｇ プルトニウム２４０（Ｐｕ）、トリウム２３２（Ｔｈ）
等の親物質が含まれる。

また、この金属燃料７に添加される金属（以下添加金属
という）としてはジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（
Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）等の金属のうち少なくとも１種
類以上の金属が用いられる。

なお、添加金属が添加された金属燃料７には、ウランー
フィッシウム合金のようにウランにジルコニウム、モリ
ブデン、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（ＲＬＪ）
、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）等の多数の添
加金属が添加された場合も含まれる。

この実施例においては、ウラン−プルトニウム合金に添
加金属としてジルコニウムが添加された場合、すなわち
ウラン−プルトニウム−ジルコニウム合金を金属燃料７
として使用する場合について説明する。

ジルコニウムは前述したように共晶温度（共晶合金が生
成する温度）を上げるために添加されるものであり、ウ
ラン−プルトニウム−ジルコニウム合金の場合、ジルコ
ニウム含有率と共晶温度との関係は第３図に示すように
なっている。

この共晶温度曲線から明らかなように、共晶温度はジル
コニウム含有率が５％から１０％の間において急激に上
昇している。したがって、ジルコニウム含有率が１０％
程皮の場合が、共晶現象防止、核燃料密度向上の点から
最も効果的である。

この含有率は、あくまでウラン−プルトニウム−ジルコ
ニウム合金の場合の含有率であって、前述したその他の
金属を添加金属として使用する場合には、別の共晶温度
曲線が得られ、その共晶温度曲線に応じた別の含有率が
効果的となる。

ところで、前記ラッパ管２内を燃料ピン３に沿って昇流
する冷却材の温度は、冷却材入口側では比較的低く、冷
却材が燃料ピン３と熱交換しながら昇流することから、
冷却材出口側へ向うに従って上昇する。

このため、その冷却材と接触する被覆管５の温度も冷却
材入口側から冷却材出口側へ向うに従って上昇する。例
えば、炉心高さを１００１とした場合、炉心軸方向の被
覆管温度は第４図の実線または一点鎖線で示ずように４
００℃付近から５５０℃付近までの勾配を持った分布と
なる。

したがって、冷却材出口側よりも冷却入口側で共晶温度
を低下させた場合でも、被覆管温度と共晶温度との間の
余裕温度は充分確保される。

このような、第３図および第４図に示す現象を考慮し、
本実施例では第２図に示すように、金属燃料の軸方向の
ジルコニウム含有率が、冷却材出口側半分においては１
０％、冷却材入口側半分においては５％に配分される。

この配分は、２段階に限定されるものではな（、数段の
階段状に設定してもよい。また、もし技術的に可能であ
れば、被ＩＪ管温度分布曲線に合せて、ジルコニウム含
有率を曲線的に変化させてもよい。

また、このジルコニウム含有率の配分は、制御棒による
出力分布の変動、転換比等についても考慮して決定する
必要がある。

次に、上記実施例の作用について説明する。

上記実施例においては、ジルコニウム含有率を冷却材出
口側半分において１０％、冷却材入口側半分において５
％としたから、全体を一様に１０％の含有率とした場合
に比較して、全体としてのジルコニウムの添加ｍが低減
される。そのため、ジルコニウムの添加量が低減された
分だけ、金属燃料の実効的密度が上昇し、炉心の燃料富
化度を低減することができ、増殖性が向上する。したが
って、運転サイクル中の燃焼反応度の減少が小さくなり
、運転サイクルの長期化が可能となる。

また、上記実施例においては、ジル、コニウム含有率を
冷却材出口側半分において１０％、冷却材入口側半分に
おいて５％としたから、炉心軸方向における被覆管温度
の分布は第４図の実線に示すようになる。また、上記ジ
ルコニウム含有率の分布により共晶温度は冷却材出口側
半分において８００℃付近と高く、冷却材入口側半分に
おいて７００℃付近と低くなっている。

これに対し、被覆管温度のホットスポット温度（工学的
安全係数を考慮した設計温度）は、実際の運転時におけ
る被覆管温度と同様に冷却材入口側から冷却材出口側へ
向って勾配を持った分布となっている。

そのため、冷却材入口側半分の共晶温度が低い場合にお
いても、ホットスポット温度に対して充分な４度の余裕
が確保され、共晶現免の発生が防止される。

なお、第４図において、本実施例の場合の被覆管温度が
、ジルコニウム含有率を軸方向に一様に設定した場合の
被覆管温度に比較して軸方向分布形が若干異なっている
のは、本実施°例における金属燃料の核燃料密度が向上
したことから、燃料の発熱量分布が下半分で大となり、
下半分での発熱量が集合体全体の発熱量に比較して相対
的に増大したためである。

このように、上記実施例においては、共晶現象の発生を
適切に防止しつつ、ジルコニウムの添加量を低減させた
から、増殖性が高く、運転サイクルを長期化することが
可能な高性能炉心を構成することができる。

上記実施例においては、ラッパ管２内に多数の燃料ピン
３が備えられた場合について説明したが、上記ラッパ管
２は図示したものに限定されず、そ他の構成を有する場
合であってもよい。

また上記実施例においては、多数の燃料ピン３の全部に
つき、冷却材入口側のジルコニウム含有率を低下させた
場合について説明したが、一部の燃料ピン３にのみ適用
してもよい。

さらに、装荷時に核分裂物質を殆ど含まない親物質を中
心とするブランケット燃料集合体についても適用できる
。

また、本発明に係る燃料集合体は金属燃料のみから構成
される炉心ばかりでなく、金属燃料と酸化物燃料とから
構成される炉心にも適用することが可能である。

〔発明の効果〕

本発明に係る燃料集合体は、ラッパ管内に多数の燃料ピ
ンが備えられるとともに、各燃料ピンに金属燃料が収容
され、その金属燃料は被覆管材との共晶合金生成温度を
高めるための添加金属が添加された燃料集合体において
、上記多数の燃料ピンの少なくとも一部の燃料ピンに収
容される金属燃料は、添加される添加金属の含有率が冷
却材出口側よりも冷却材入口側で低減されたから、共晶
現像の発生を適切に防止しつつ、添加金属の添加ｍを低
減させることにより、増殖性を高めることができ、運動
サイクルを長期化することが可能な高性能炉心を構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る燃料集合体の一実施例を示す断面
図、第２図は上記実施例の燃料集合体に備えられる燃料
ピンの一例を示す断面図、第３図は上記実施例における
ジルコニウム含有率と共晶湯度との関係を示す図、第４
図は上記実施例における炉心高さと共晶温度・被覆管温
度との関係を示す図である。 １・・・燃料集合体、２・・・ラッパ管、３・・・燃料
ピン、４・・・ハンドリングヘッド、５・・・エントラ
ンスノズル、１０・・・被覆管、１１・・・ボンドナト
リウム、１２・・・金属燃料、１３・・・ガスプレナム
部。 荀２図 ジルコニウム含有率（−Ａ） 第３図 炉Ｊじ・高さくＣ）７１） 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ラッパ管内に多数の燃料ピンが備えられるとともに
   、各管内ピンに金属燃料が収容され、その金属燃料は被
   覆管材との共晶合金生成温度を高めるための添加金属が
   添加された燃料集合体において、上記多数の燃料ピンの
   少なくとも一部の燃料ピンに収容される金属燃料は、添
   加される添加金属の含有率が冷却材出口側よりも冷却材
   入口側で低減されたことを特徴とする燃料集合体。 ２、前記金属燃料はウラン、ウラン−プルトニウム合金
   、ウラン−トリウム合金、プルトニウム−トリウム合金
   のうち、いずれか１種類からなる特許請求の範囲第１項
   記載の燃料集合体。 ３、前記添加金属はジルコニウム、モリブデン、チタン
   のうち少なくとも１種類の金属が用いられた特許請求の
   範囲第１項記載の燃料集合体。 ４、前記添加金属の含有率は、燃料ピンに収容される金
   属燃料のうち冷却材出口側の半分が１０％、冷却材入口
   側の半分が５％に配分された特許請求の範囲第１項記載
   の燃料集合体。