JPS6338106B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は核分裂炉の炉心に用いる核燃料要素の
改良に関し、特に、燃料要素内のガス用再循環路
を形成する中空燃料ペレツトを有する改良核燃料
棒に関する。

板状、管状、棒状等の様々な形状を有し得る燃
料要素に核燃料が内蔵されるような原子炉が現在
設計され、製造されそして運転されている。燃料
材料、すなわち、核分裂性元素、例えばU²³³、
U²³⁵またはPu²³⁹あるいはこれらの化合物は、通
常、耐食性、非反応性、熱伝導性の容器または被
覆に包囲される。これらの燃料要素は、核分裂連
鎖反応を持続するのに十分な燃料要素からなる燃
料集合体となるように組合わされ、原子炉容器内
に設置される。冷却材は原子炉容器内を流れ、核
分裂反応によつて生じた熱を奪いそして熱エネル
ギーを熱交換器に伝える。

燃料要素被覆は幾つかの目的に役立つ。この被
覆は核燃料を冷却材の腐食効果から保護し、放射
性核燃料と、燃料の壊変によつて生ずる核分裂生
成物とを内蔵しそして冷却材の汚染を防ぎ、ま
た、核分裂によつて生ずる熱を冷却材に伝達する
効率的な熱伝導体として役立つ。被覆はまた燃料
要素相互間の効率的な中性子移送を促進するため
に低中性子吸収断面をもつ必要がある。普通の被
覆材料はジルコニウムとその合金、ステンレス
鋼、アルミニウムとその合金、ニオブ、およびあ
る種のマグネシウム合金である。被覆の破損と、
冷却材への放射性物質の放出はプラントの運転に
重大な影響を与える。

核燃料は通常、密封された燃料要素被覆内に取
外し自在に設けられたペレツトとして形成され
る。燃料要素内の核燃料ペレツトは、被覆の構造
的健全性を確保しかつ冷却材への伝熱の効率を高
めるように設計されなければならない。

核燃料ペレツトは普通焼結二酸化ウランと他の
セラミツク組成物で作られる。なぜなら、セラミ
ツク形態のペレツトは融点が高く、例えば、二酸
化ウランの場合5000〓であるからである。燃料ペ
レツトを高温で用いれば、燃料要素は発生熱を最
も効率良く伝達し得、従つて、原子炉は最も効率
良く機能する。もし熱が燃料要素から効率良く除
去されなければ、望ましくない効果が生ずる。燃
料ペレツトは溶融するおそれがあり、そして燃料
要素の機械的破損と他の望ましくない熱関係の問
題をひき起す。一般に、効率の悪い伝熱は原子炉
の運転効率を悪くする。

燃料ペレツトを形成するために通例用いられる
二酸化ウランのような焼結セラミツク組成物は、
原子炉運転中燃料ペレツトに存在する高温状態で
の照射中かなりの量の核分裂生成物、例えば、ヨ
ー素とカドミウムを放出する。核分裂生成物の堆
積は特に問題になる。なぜなら、ある種の核分裂
生成物は被覆の化学的ぜい化をひき起こすおそれ
があるからである。被覆は、燃料ペレツトの熱膨
張による応力と、発生ガスによる内部与圧による
応力を受ける可能性がある。これらの応力は被覆
のぜい化と共に破損をひき起こすおそれがある。

また、ペレツト製造工程から生ずる残存水分が
燃料要素内に存在する可能性がある。もし過多の
水分が存在すれば、燃料使用中に水蒸気が放出さ
れ、ジルコニウム合金製被覆と反応し、そしてぜ
い化をもたらすジルコニウム水素化物を形成す
る。これらの水素化物もまた運転中燃料要素の機
械的破損をひき起こすおそれがある。その結果、
ペレツトにおける残存水蒸気を除去する様々な技
術（乾式処理と高温真空ガス放出）、または燃料
要素内の非構造的化学反応性ゲツタにおいて残存
水蒸気を優先的に捕える様々な技術が用いられて
きた。これらの技術は、単独でも組合わされて
も、水素化物のぜい化とジルコニウム合金を被覆
した燃料要素の破損とを防ぐのに有効であること
がわかつている。

従つて、必要なものは、熱的に誘起される機械
的応力のような高温と関係する悪影響と、ぜい化
をもたらす腐食性核分裂生成物とを最小にしなが
ら、燃料要素内の核燃料ペレツトから周囲冷却材
への熱伝達を最大にするための機構である。

特に必要なものは、核燃料要素内の燃料ペレツ
トと被覆との間の腐食性相互作用を防止する技術
である。

さらに必要なものは、核分裂反応における燃料
要素内の水素発生の悪影響を最小にする機構であ
る。

先行技術の説明 中空ペレツトとゲツタは燃料棒用として知られ
ている。しかし、先行技術は燃料棒内部の中空ペ
レツトを貫通するガス再循環路を教示していな
い。

米国特許第3899392号には、ゲツタ材料を水蒸
気と反応性ガスとを吸収するように用いることに
よつて水素化問題を解決しようとする方法が開示
されている。この方法はぜい化の原因を最小にす
るが、燃料ペレツトの熱膨張によつて生ずる被覆
応力を除去しない。

内部ボイドを有する燃料要素ペレツトは当業者
に周知である。このようなボイドが膨張による熱
応力を許容することは既に示されており、ボイド
は一般にペレツトの外部に対して密閉されてい
る。このような構造の例は米国特許第3043761号、
第3442761号および第3145149号に見られる。

原子炉冷却材が燃料要素の軸方向通路を通つて
外部的に循環するような燃料要素設計は公知であ
る。米国特許第2983663号は、内部通路と外殻を
備えるように被覆付き環状断面部を有する燃料棒
を示す。密封された燃料要素内の冷却材再循環に
ついてはなんの示唆もない。

発明の要約 本発明によれば、原子炉燃料要素は、ぜい化を
もたらす水蒸気と核分裂生成物を吸収用のゲツタ
へ、または低応力域における凝結のために開放プ
レナムへ導く再循環流路を備える。この再循環流
路は次のような複数の燃料ペレツト、すなわち、
軸方向流路を形成するように相互に連結される軸
方向通路を有し、そして環状流路を画成する環状
空間を形成するように被覆管の内径より小さな外
径を有する燃料ペレツトによつて設けられる。燃
料要素は垂直軸線に沿つて設けられることが好ま
しい。底ペレツト、継手または取付けベースが、
環状流路から軸方向流路への流路を提供する。流
路はゲツタを貫通するかまたはその周囲に存し、
ゲツタは通常、燃料要素内において、充てんガス
に捕えられた望ましくない不純物のゲツタリング
を最大にするように設計された箇所に設けられ
る。非腐食性充てんガスは燃料ペレツトから被覆
殻までの熱伝達に役立つ。

従つて、本発明の主目的は燃料ペレツトから被
覆への熱伝達を改良するために充てんガス用の再
循環路を有する核燃料要素を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、燃料要素の作用中に生ず
る水蒸気と核分裂生成物を燃料要素の低温域に存
するプレナム室に通す改良方式を用いた核燃料要
素を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料要素の低温域に設け
たゲツタカプセルに水蒸気と核分裂生成物を捕え
る核燃料要素を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料棒のプレナム内に設
けたゲツタカプセルに水蒸気と核分裂生成物を捕
える核燃料要素を提供することである。

本発明の他の目的は、被覆を燃料ペレツトの、
応力を誘起する熱膨張から隔離する核燃料要素を
提供することである。

これらの目的と他の目的は添付図面と関連する
以下の説明から明らかとなろう。

発明の説明 第１図は本発明による核燃料要素１０の断面図
である。燃料要素１０は上端密閉体１４と下端密
閉体１８とを有する被覆１２によつて形成された
密封中空筒形室を備え、両端密閉体は密閉体溶接
部１６において被覆１２に溶接されている。被覆
１２と両端密閉体１４，１８は通例ジルコニウム
合金で製造されている。本発明によれば、下端密
閉体１８の上面には、半径方向通路２２を有する
継手または取付けベース２０が装着され、半径方
向通路２２はベース２０の外部を継手２０内の軸
方向通路を画成する中空ボイドに連結している。
継手２０は、燃料要素内の熱的および化学的状態
に抗する適当なセラミツクまたは耐火金属材料で
製造され得る。代表的なセラミツク材料は、ウラ
ン、プルトニウム、トリウム、ジルコニウム、ハ
フニウム、ニオブ、イツトリウム、アルミニウム
の酸化物、窒化物または炭化物およびそれらの混
合物を含むがそれらに限定されない。代表的な金
属材料は、ステンレス鋼、ニツケル、タングステ
ン、ハフニウム、ジルコニウムおよびニオブの金
属または合金を含みうるが、それらに限定されな
い。さらに、本発明によれば、中空ベース２０に
は複数の燃料ペレツト２４が積み重ねられ、各燃
料ペレツト２４は内部ボイドを有する。このボイ
ドはベース２０からキヤツプ３０を貫通する軸方
向室２６の一部を形成する。また、各燃料ペレツ
ト２４は被覆１２の内径より小さな外径を有し、
従つて、第２図に示すように外部環状室２８を形
成する。

キヤツプ３０はセラミツクまたは耐火金属材料
で作られ、重なり合う燃料ペレツト２４の頂部に
設置される。キヤツプ３０はまた活性燃料ペレツ
トでもよい。キヤツプ３０にはゲツタカプセル３
２が取付けられている。ゲツタカプセル３２は、
好ましくは粒状のゲツタ材料３６を有効量充てん
した通気性容器３４でよい。ゲツタ材料３６はヨ
ー素およびカドミウムと反応する材料、例えば、
ジルコニウム、チタン、銅、ニツケルまたはそれ
らの合金である。バスケツト形態の粒状材料が好
ましい。なぜなら、粒子によつて提供される有効
表面積が大きいからである。しかし、他の形態、
例えば、らせん板形のゲツタ材料もゲツタとして
用いうる。ゲツタカプセル３２は燃料要素の通常
最も高い部分におけるプレナム室３８内に配置さ
れている。プレナム室３８はゲツタカプセル３２
を設置する最適な場所である。なぜなら、高温燃
料ペレツトから駆逐される水蒸気がゲツタと反応
しそして（あるいは）プレナム室３８の被覆内面
に凝結するからである。

核燃料要素１０は充てんガス４０、例えば、圧
縮ヘリウムで満たされており、このガスは燃料ペ
レツト２４と被覆１２との間の効率の良い熱伝達
を促進する。

運転中、燃料棒１０は原子炉内に垂直位置を占
めるように設けられる。垂直方向に重なり合う燃
料ペレツト２４は、温度が半径方向に低下する熱
勾配を設定する。軸方向内室２６に沿う燃料ペレ
ツト２４の表面温度はペレツト２４の外面におけ
る表面温度より高くなろう。また、燃料要素の底
部における温度は上部プレナムにおける温度より
低い。これらの温度差によりガスの再循環流に推
進力が与えられ、ガス流は上方に向かつて軸方向
室２６を通り、さらにゲツタカプセル３２を通り
次いで、下方に向かつて被覆１２の壁に沿う環状
室２８を通り、さらに半径方向通路２２を通つて
軸方向室２６に戻る。さらに詳述すると、熱は軸
方向室２６の表面から充てんガスに伝達され、充
てんガスは対応する密度減少によつて上昇する。
加熱された充てんガスは上方に流れてゲツタカプ
セル３２を通り、そこで不純物が化学反応によつ
て捕えられ、そして充てんガスはプレナム室３８
に入り、そこで充てんガスは熱を比較的低温の被
覆１２に伝達し、そして不純物は凝結によつて捕
えられる。こうして比較的低温になり、密度が高
まりそして除染されたガスは降下して循状室２８
を通つて燃料要素１０の底部に達し、その間熱を
被覆１２に伝達し、次いで半径方向通路２２を通
つて軸方向室２６に達し、そこからガスは再び上
昇する。

本発明の重要な利点の一つは、燃料要素の破損
を招くペレツトと被覆間の相互作用に対する抵抗
力の向上である。本発明は、燃料の温度を均等に
調整しながら、有害核分裂生成物を充てんガスか
ら除去することを促進する。

本発明の他の重要な利点は、燃料棒の総合伝熱
を増加することによつて燃料要素の全熱効率を高
めることである。

以上、本発明の実施例について詳述したが、も
ちろん本発明の範囲内で幾多の改変が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による核燃料要素の断面図、第
２図は１個の燃料ペレツトを切断したば場合の燃
料要素の断面図、第３図は底ペレツトを切断した
場合の燃料要素の断面図で循環通路を示す。 １０…燃料要素、１２…被覆、１４…上端密閉
体、１８…下端密閉体、２０…ベース（取付物）、
２２…半径方向通路、２４…燃料ペレツト、２６
…軸方向室、２８…環状室、３０…キヤツプ、３
２…ゲツタカプセル、３４…通気性容器、３６…
ゲツタ材料、３８…プレナム室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 上端と下端を有する細長い被覆容器と、この
   被覆容器の下端に一体的に封着された下端密閉体
   と、前記被覆容器の上端に一体的に封着された上
   端密閉体と、前記被覆容器に対して軸方向の中央
   空洞を有して軸方向通路を形成し、前記被覆容器
   の内側寸法より小さな外側寸法を有して環状通路
   を形成する少なくとも１個の燃料ペレツトと、前
   記燃料ペレツトと前記上端密閉体との間に存しか
   つ前記軸方向通路および環状通路と連通するプレ
   ナム室を画成する手段と、前記環状通路および前
   記軸方向通路と連通しかつ前記燃料ペレツトと前
   記下端密閉体との間に存して流体を流通させる手
   段とから成り、この流体流通手段と前記軸方向通
   路と前記環状通路と前記プレナム室は熱を前記被
   覆容器に伝達するために前記ペレツトを囲みかつ
   それを貫通する流体再循環路を画成する、核燃料
   要素。 ２ 前記流体流通手段は耐火材料のペレツトまた
   は取付物を貫通する半径方向通路によつて形成さ
   れている、特許請求の範囲第１項記載の核燃料要
   素。 ３ 水と水蒸気と揮発性核分裂生成物の吸収のた
   めに前記プレナム室内に装着された手段をさらに
   含む、特許請求の範囲第１項記載の核燃料要素。 ４ 前記吸収手段は、前記軸方向通路内を上昇す
   る加熱されたガスと核分裂生成物を捕えるために
   配置された中空形または開放形あるいは通気性の
   容器と、ゲツタ合金を含みそして前記通気性容器
   内に配設された複数の粒子とからなる、特許請求
   の範囲第１項記載の核燃料要素。 ５ 前記粒子はさらに銅または銅合金を含む、特
   許請求の範囲第４項記載の核燃料要素。 ６ 前記通気性容器を取付ける手段をさらに含
   み、この容器取付け手段は、加熱されたガスを前
   記軸方向通路から通気性容器に通しうるように前
   記燃料ペレツトの上方に配置された耐火材料の環
   状体からなる、特許請求の範囲第４項記載の核燃
   料要素。 ７ 水と水蒸気と揮発性核分裂生成物を前記燃料
   ペレツトの前記軸方向通路から前記吸収手段に移
   送するためと、前記燃料ペレツトによつて生じた
   熱を前記被覆容器に伝達するための充填ガスをさ
   らに含む、特許請求の範囲第４項記載の核燃料要
   素。 ８ 前記中空燃料ペレツトはウラン化合物、プル
   トニウム化合物、トリウム化合物およびこれら諸
   化合物の混合物とからなる群から選択した材料で
   製造されている、特許請求の範囲第４項記載の核
   燃料要素。 ９ 前記被覆容器はジルコニウム、ジルコニウム
   合金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウ
   ム化合物、ニオブ、ニオブ合金およびマグネシウ
   ム合金とからなる群から選択した材料で製造され
   ている、特許請求の範囲第４項記載の核燃料要
   素。