JPH0119556B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、使用済核燃料の再処理の結果として
得られるプルトニウムあるいは減損ウラン等の経
済的な有効利用を可能とする核燃料棒に関し、更
に詳しくは、減損ウラン、天然ウラン等のウラン
から作られた略球形状二酸化ウラン（UO₂）核燃
料粒子と、これと一定比率で二酸化プルトニウム
（PuO₂）粉末、ないし二酸化プルトニウムにバー
ナブル・ポイズンである酸化ガドリニウム
（Gd₂O₃）を添加した粉末とを均一に混合した上、
これらの核燃料を金属製燃料被覆管に充填し両管
端部が封止されている発電用熱中性子原子炉用の
プルトニウム利用核燃料棒に関するものである。

わが国が開発を進めている重水型炉の新型転換
炉（ATR）では、プルトニウムを天然ウランに
均一に混合した二酸化物を用いた円柱状ペレツト
が使用されている。この時、プルトニウムの混合
比率は、約１％と1.5％の２種類がある。

従来の核燃料棒は第１図に示すように、多数個
の円柱状をなす核燃料物質の焼結ペレツト１を燃
料被覆管２の中に３〜４ｍ積層装填し、両管端部
を上部端栓３及び下部端栓４で密封した構造のも
のが、発電用原子炉に採用されている。この場
合、最下ペレツトと下部端栓との間にアルミナ等
の断熱ペレツト５が挿入され、最上ペレツトと上
部端栓との間には金属製抑え板６に点溶接された
コイル・スプリング７が設けられていることが多
い。このように金属製燃料被覆管の内部に装填さ
れる円柱状焼結ペレツトは、第２図Ａに示すよう
に、焼結したままの形状は砂時計（アワ・グラ
ス）形をしているので、ペレツトと被覆管内面と
の間隙（ギヤツプ値）を半径にして0.06〜0.15mm
の範囲で一様にするため、ペレツトの円筒側面を
外周研磨しなければならない。

この研磨工程は、後述のペレツトと被覆管の相
互作用（Pellet−Clad Interaction；PCIと略称）
を低減させる観点からも重要であつて省略できな
いものである。この外周研磨（センタレス・グラ
インダー）は、特に、毒性の極めて強いプルトニ
ウムなどを用いてウランとの混合酸化物の円柱状
ペレツトを製造する際、核燃料物質使用量の約１
％の研磨屑を生じて加工施設等の清浄保持の点か
ら厄介な問題となつている。その理由は、使用済
核燃料の再処理によつて得られる人工的元素のプ
ルトニウムが、アルフア（α）線を放射し人体に
取込まれると極めて有害なためである。

また、このような円柱状ペレツトを用いた核燃
料棒は、原子炉の頻繁な出力変動運転モードに遭
遇した場合に燃料の使用寿命の点で問題となる。
センタレス・クラインダーをかけた第２図Ｂのよ
うな直円柱状ペレツト１は、原子炉内で使用され
ると、ペレツト内の半径方向の大きな温度勾配の
ために、ペレツトの円周部に半径方向の亀裂（ク
ラツク）が、核燃料棒の単位長あたりの発熱量に
依存して２〜20箇所生じ、このクラツクを境界と
してペレツト片（フラグメント）ができる。な
お、第１図及び第２図Ｂのペレツト１の両端面の
角部には、PCIを低減させるための面取り（チヤ
ンフア）がしてある。さて、フラグメントが生じ
ることによつて、使用初期の状態では直円柱状で
あつたペレツトは、原子炉が定格出力運転状態に
入ると、ペレツトの中心温度が外周部よりも高い
ことによる効果と、ペレツト両端面近傍の酸化物
燃料物質の密度が高さ中央部よりも僅かに大きい
ことが関与して、第３図に示すように、ペレツト
１のフラグメント８は、その中心軸から外側に反
り返るように変形する。

このことは、原子炉で使用中の円柱状ペレツト
１が包絡面としては、やはり、アワ・グラス形状
になることを意味する。このため、第４図に示す
ように、ペレツトのフラグメント８が燃料被覆管
２の内面と強く接触して、燃料ペレツト１のクラ
ツク開口部９に面する燃料被覆管２の内面には、
ペレツトと被覆管の相互作用のPCIが生じて、局
所的に応力が集中する。この応力集中部には核燃
料物質の燃焼に伴つて生じた核分裂生成物（以
下、FPという）のうちのヨウ素、セシウム等を
伴う高温の烈しい腐食環境のもとで微細なヘア・
クラツク１０が発生する。ヘア・クラツク１０
は、原子炉の運転中に燃料被覆管の厚み方向に伸
展して、遂には、燃料の設計寿命に達する以前に
燃料被覆管２が破損してしまう可能性が高いので
ある。

本発明は、前述のような従来技術の現状に加え
て、以下の通りの一般的背景に鑑みてなされたも
のである。

(1) わが国の原子力発電所の規模の全電力設備容
量に占める比重が増し、これ迄のような基底負
荷（ベース・ロード）運転方式から将来は負荷
追従運転方式に移向せざるを得なくなること。

(2) 使用済核燃料の国内貯蔵量及び国内・外での
再処理量の増加に伴つて、プルトニウムの有効
利用としては、何としても原子力の平和目的の
核燃料にして用いることが必要であること。

(3) プルトニウム利用の本命と看做されている高
速増殖炉は、開発途上の段階であつて技術的に
も経済的にも幾多の困難が予想されているの
で、すでに商業化されている重水炉（HWR）
ないし軽水炉（PWR及びBWR）などの熱中性
原子炉でプルトニウムを燃焼させようとする機
運が高まつてきたこと。

(4) 使用済核燃料の再処理業務が、経済的及び国
際政治的ないしは環境的な厳しい制約と困難性
のため、核燃料を原子炉内で長期間（〜８年）
使用して、燃料の高い燃焼度を達成できる核燃
料の要請が増大してきたこと。

従つて、本発明の目的は、長期間にわたる原子
炉の負荷追従運転モードにも燃料の健全性を維持
できてPCIの低減を図ることができ、しかも、プ
ルトニウム燃料加工施設の設備を合理化できて遠
隔自動製作にも適し、総合的にみて安全性が高
く、安価で容易に製造できる発電用中性子原子炉
で用いられる核燃料棒を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、上記の目的に加え
て、高い燃焼度を達成することができるプルトニ
ウム利用核燃料棒を提供することである。

以下、本発明について詳述する。本発明の第１
の発明は、核燃料物質として、濃縮ウラン、減損
ウラン、天然ウラン、または劣化ウランを用いた
安定な二酸化物（UO₂）の平均粒径が0.6mmない
し1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、これに安定
なプルトニウムの二酸化物（PuO₂）粉末を添加
して均一に混合した上、金属製燃料被覆管の中に
マクロ空間密度分布がほぼ一様となるように充填
し、該金属製燃料被覆管の両管端部を封止てなる
プルトニウム利用核燃料棒である。

ここで、0.6〜1.5mmの略球形状の二酸化ウラン
燃料粒子の濃縮度が、核燃料棒の核・熱特性の全
体的特性をほぼ決定する。同粒子は理論密度比が
94〜97％T.D.のとき、原子炉で使用中に焼きし
まり難い焼結粒子である。粒径0.6〜1.5mmの略球
形状としたのは、金属製燃料被覆管の内径が原子
炉の炉型にもよるが７〜18mmであるから、この寸
法に対応して、燃料のマクロ空間密度が略均一と
見做せる範囲で粒径の大きいものを採用すると有
利なためである。

本発明の第２の発明は、前記第１の発明で用い
たプルトニウム二酸化物粉末に代えて、プルトニ
ウム二酸化物と原子炉の核分裂反応を抑制するバ
ーナブル・ポイズンである酸化ガドリニウム
（Gd₂O₃）との混合物粉末を用いるプルトニウム
利用核燃料棒である。安定なプルトニウム二酸化
物粉末、又はそれと酸化ガドリニウムとの混合物
粉末は、採用する二酸化ウラン粒子直径の約1/5
程度以下のもので、二酸化ウラン粒子間の空隙に
入りうる焼結微粒子が好ましいが、製造コスト等
との関係から粉末でもよい。二酸化プルトニウム
に酸化ガドリニウム（ガドリニアと呼称）が１〜
20％までの範囲で混合された焼結微粒子で0.1〜
0.3mmの寸法のものがよい。それ以上のガドリニ
アを添加するとすると、二酸化プルトニウムと酸
化ガドリニウムの混合粉末になる。そのとき、二
酸化プルトニウム粉末は、その粉末粒子の粒度分
布が0.2〜10μｍ程度で（Ｏ／Pu）比が2.00〜2.03
のものが大気中でも安定していて実用に適してい
る。

次に、本発明の一実施例を第５図に示す。この
実施例において、下部端栓４が周溶接された長尺
の燃料被覆管２の中に前述の安定なウランの二酸
化物（UO₂）の核燃料粒子１１と、プルトニウム
の二酸化物（PuO₂）粉末又はプルトニウム二酸
化物とガドリニア（PuO₂＋Gd₂O₃）との混合粉
末（以下これらを総称してプルトニウム含有粉末
という）１２とが均一に混合・充填されて、核燃
料棒の有効発熱部分を形成し、上部端栓３で燃料
被覆管２の上端を密封した構造となつている。下
部端栓４と略球形状二酸化ウランの核燃料粒子１
１及びプルトニウム含有粉末１２との均一・混合
燃料充填層の最下部分との間に黒鉛（グラフアイ
ト）または金属のウールの下端部区画層１３が設
けられている。金属製ウールは、ステンレス鋼製
細線などのほか、熱中性子吸収の少ないジルコニ
ウムの線材またはストリツプ材にニツケル・メツ
キしたものなどがよい。

このグラフアイト・ウールまたは金属製ウール
の下端部区画層１３は、原子炉の運転と停止に伴
う均一・混合燃料充填層と金属製燃料被覆管２の
長さ方向の熱膨脹差に基づく相対的変位を緩和
し、燃料被覆管２の長さ方向に過度の応力が加わ
らないように作用する。また、本実施例において
は、均一・混合燃料充填層の最上部にもグラフア
イト・ウールまたは金属製ウールの上端部区画層
１４が設けられている。この機能は、均一・混合
燃料を燃料被覆管内に充填した後、燃料被覆管内
を真空びきをし不活性ガスのヘリウムと置換して
上部端栓３が被覆管２に周溶接されるのである
が、この真空びきの時に粉末状の核燃料物質が、
真空装置系を汚染することのないようにフイルタ
ーの作用を為すことである。

上端部区画層１４に接して断熱ペレツト（上
部）１５、これに接してコイル・スプリング７が
上部端栓３との間に挿入されている。コイル・ス
プリング７は、燃料被覆管２内の均一・混合燃料
充填層を圧縮・保持し、このことによつて均一・
混合燃料充填層内に核燃料の燃料及び原子炉の運
転・停止に伴う体積変化による空隙が生じないよ
うにし、以つて、原子炉で使用中の核燃料棒の健
全性を維持するのに役立つ。

ここで、本発明の第２の発明の核燃料棒に係る
原子炉の炉心の核分裂反応を抑制するバーナブ
ル・ポイズンの機能について、原子炉の制御能力
に敷衍して以下に述べる。

原子炉が、核燃料の新規補充と交換なしに一定
期間継続して運転可能であるためには、原子炉の
炉心は、核分裂反応を維持する最小限界値よりも
大きな余剰反応度を有する必要がある。他方、余
剰反応度の値は、原子炉の停止余裕以下でなけれ
ば、原子炉出力が暴走して危険な状態に到る。つ
まり、原子炉の余剰反応度は、原子炉設備の固体
制御棒ないしは液体中性子吸収材によつて補償可
能な範囲内になければならない。このように、余
剰反応度は、原子炉の運転期間中は常に規定値以
内に維持される必要があるから、余剰反応度の値
には各原子炉の出力制御系統との関連で一定の上
限値が定められている。

核燃料の原子炉内の滞在期間を６年以上８年位
に長くして、燃料の燃焼度を高め核燃料棒あたり
の核分裂エネルギーの総発生量を増加させようと
の要請は、使用済核燃料の再処理業務が、経済的
及び国際政治的ないしは地域の環境的な要因の制
約と困難性のために、一段と緊要なこととなりつ
つある。

発電用原子炉の炉心に装荷される従来型の核燃
料集合体は、主として濃縮ウランの酸化物の円柱
状ペレツトを用いた核燃料棒の多数本が、沸騰軽
水冷却炉（BWR）では（８×８）本が、また加
圧軽水冷却炉（PWR）では（17×17）本が、ス
ペーサ、上・下のタイ・プレート等によつて横断
面が格子状配列の一体ものに組立てられている。
核燃料棒に含有される核燃料物質の量、つまり、
核分裂性物質の含有量ないしはウランの濃縮度
が、前記核燃料集合体内の核燃料棒の組込まれる
前述の格子状配列の位置等によつて異なる値を採
用し、核燃料棒の局所発熱ピークを抑制している
場合が多い。

然しながら、核燃料棒の燃料ペレツトにウラン
濃縮度の異なる値を採用するのみでは、期待する
高い燃料の燃焼度を経済的に達成することができ
ない。何故ならば、通常の原子炉・炉心の余剰反
応度は、炉心の燃焼が進行するにつれて単調減少
関数的に低下するので、燃料の燃焼度を向上させ
ようとして、初期ウラン濃縮度を高めると、原子
炉・炉心の停止余裕も大きくする必要が生じる。
このことは、固体制御棒本数あるいは液体中性子
吸収材濃度を増加しなければならないことを意味
し、このようにして、燃料の燃焼度向上のための
ウラン濃縮度の増加と原子炉・炉心の停止余裕と
の関係は、所謂“いたちごつこ”になつてしま
う。

ところで、核燃料物質の核分裂反応を抑制する
バーナブル・ポイズンを適切に添加した燃料ペレ
ツトを核燃料棒に使用すると、バーナブル・ポイ
ズンは中性子を吸収することによつてバーナブ
ル・ポイズン物質の原子核が中性子を吸収しない
別の物質の原子核に変換するので、初期余剰反応
度を原子炉に固有の規定値以内に保つことがで
き、且つ燃料の燃焼に伴つてバーナブル・ポイズ
ンの濃度が徐々に減少し、その減少分だけ余計に
燃料の核分裂反応が盛んに進行することになる。

消滅するバーナブル・ポイズンの量と相対的な
核燃料物質の蘚生という平衡関係によつて、横軸
に燃料の燃焼度をとり、縦軸を余剰反応度とした
ときの曲線が、初期炉心の余剰反応度が一定値以
下に抑制されて、ある燃焼度以降は“横ばい”な
いしは中央部が若干とも“上方に凸状態”となる
ように、バーナブル・ポイズンと核燃料物質との
混合比率を設定することができ、従つて燃料の燃
焼度も向上させることが可能となる。

BWR用燃料ペレツトには、その材質が二酸化
ウランのものと二酸化ウランにガドリニヤを複数
の混合比率でペレツト全体に均一に添加した複数
種類のペレツトが用いられている。

従来技術と対比すると、本発明の特徴が明瞭で
あつて、本発明の第２の発明によれば、略球形状
の二酸化ウラン粒子はすべて同一濃縮度と直径の
ものを製造し、これと混合する相対的に少量のプ
ルトニウム含有粉末中のガドリニヤの処方を微細
に調合することによつて、核燃料物質とバーナブ
ル・ポイズンの含有比率の調節された核燃料棒を
容易に提供することができる。

第６図は、第５図に示すような本発明に係る核
燃料棒の部分拡大横断面図である。この第６図を
前述の第４図と対比すれば明らかなように、本発
明の第１および第２の発明では粒子状燃料を用い
ているため、被覆管内面には従来の円柱状ペレツ
トを用いた場合にみられるようなPCIは全く生じ
ない。

本発明は、前述のように構成された核燃料棒で
あるから、次に述べるような数多くのすぐれた効
果を奏しうる。まず、従来技術の円柱状のプルト
ニウム・ウラン混合酸化物ペレツトのセンタレ
ス・グラインダーの工程がないので猛毒のプルト
ニウムの研磨屑が発生することもなく、略球形状
の二酸化ウラン粒子とプルトニウム含有粉末と
は、何れも半流動体と見做すことができ、そのた
め半自動連続工程によつて燃料粒子の製造・検査
及び金属製燃料被覆管内への充填が可能となり、
燃料加工従事者の放射線被曝量は著しく低減され
るし、加工・検査費用が安価となる。また、本発
明では燃料が粒子状であるので、従来の円柱状ペ
レツトの場合にみられるようなPICがなく、負荷
追従運転に適するし、核燃料物質、とくに核分裂
性物質の含有量の調合も容易である。更に、本発
明で用いる二酸化ウランとして特に減損ウランを
利用した場合には、使用済核燃料の再処理で得ら
れる減損ウランを再濃縮することなく、プルトニ
ウム粉末と混合して、所望の核燃料棒を容易に得
ることができるので、大幅なコストの低減が図れ
る。再処理で得られる通常のプルトニウムは核分
裂性物質が大部分であるが、この種のプルトニウ
ムは、非分裂性の同位体も含有していてＵ−235
が60〜80％の高濃縮ウランに相当するので、比較
的少量の二酸化プルトニウムで核燃料棒の核・熱
的性能の調整が可能である。バーナブル・ポイズ
ンと二酸化プルトニウムの混合粉末を用いる本発
明の第２の発明においては、上記したような効果
に加えて、二酸化ウラン粒子と混合する相対的に
少量のプルトニウム含有粉末中のガドリニアの処
方を微細に調合することが可能になり、これによ
つて核燃料物質とバーナブル・ポイズンの含有比
率の調節された、高い燃焼度を備えた核燃料棒を
提供することができる。また、バーナブル・ポイ
ズンを二酸化プルトニウムに混合する場合にも、
沸騰水型原子炉燃料のようにペレツトに均一に混
合する訳ではないので、製造ラインの組替えや品
質管理が容易となる。

このように、本発明は、総合的にみて、安全性
が高く、安価で容易に製造できる発電用熱中性子
原子炉で用いられる理想的なプルトニウム利用核
燃料棒を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型の核燃料棒の図、第２図Ａは焼
結したままの円柱状ペレツトが砂時計（アワ・グ
ラス）型をしていることを示す図、第２図Ｂは砂
時計型の円柱状ペレツトの側面外周にセンタレ
ス・クラインダーをかけて直円柱状としたものを
示す図、第３図は従来の直円柱状ペレツトを原子
炉内で使用中の変形想定モデル図、第４図は従来
技術の核燃料棒の被覆管内面にみられるペレツト
と被覆管の相互作用（PCI）の説明図、第５図は
本発明に係る核燃料棒の一実施例を示す説明図、
第６図はその部分拡大横断面図である。 ２……金属製燃料被覆管、３……上部端栓、４
……下部端栓、１１……核燃料粒子、１２……プ
ルトニウム含有粉末。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 核燃料物質として、濃縮ウラン、減損ウラ
   ン、天然ウラン、または劣化ウランを用いたウラ
   ンの安定な二酸化物（UO₂）の平均粒径が0.6mm
   ないし1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、安定な
   プルトニウム二酸化物（PuO₂）粉末とを均一に
   混合した上、金属製燃料被覆管の中にマクロ空間
   密度分布がほぼ一様となるように充填し、該金属
   製燃料被覆管の両管端部を封止してなるプルトニ
   ウム利用核燃料棒。 ２ 核燃料物質として、濃縮ウラン、減損ウラ
   ン、天然ウラン、または劣化ウランを用いたウラ
   ンの安定な二酸化物（UO₂）の平均粒径が0.6mm
   ないし1.5mmの略球形状の核燃料粒子と、安定な
   プルトニウム二酸化物（PuO₂）に原子炉の核分
   裂反応を抑制するバーナブル・ポイズンである酸
   化ガドリニウム（Gd₂O₃）を１％から70％までの
   範囲で添加した混合粉末とを均一に混合した上、
   金属製燃料被覆管の中にマクロ空間密度分布がほ
   ぼ一様となるように充填し、該金属製燃料被覆管
   の両管端部を封止してなるプルトニウム利用核燃
   料棒。