JPH0221295A - 原子炉の燃料棒 - Google Patents
原子炉の燃料棒Info
- Publication number
- JPH0221295A JPH0221295A JP63170930A JP17093088A JPH0221295A JP H0221295 A JPH0221295 A JP H0221295A JP 63170930 A JP63170930 A JP 63170930A JP 17093088 A JP17093088 A JP 17093088A JP H0221295 A JPH0221295 A JP H0221295A
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- JP
- Japan
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- fuel
- pellet
- pellets
- gap
- nuclear reactor
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- Pending
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- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/30—Nuclear fission reactors
Landscapes
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、酸化ウラニウム（００２）を燃料材として利
用した原子炉用燃料に係り、特に、燃料棒の細径化に対
しても、燃料棒表面の熱流束の急上昇に伴うボイドフー
ドバックを抑制した。安定性の高い燃料棒に関する。
用した原子炉用燃料に係り、特に、燃料棒の細径化に対
しても、燃料棒表面の熱流束の急上昇に伴うボイドフー
ドバックを抑制した。安定性の高い燃料棒に関する。
第２図に従来の燃料棒断面の一例を示す。
従来の燃料棒は、酸化ウラニウム（ＵＯ３）の焼結材よ
り成る燃料ベレン＋−１と燃料ペレット１を包含する被
覆管２から構成されており、燃料ペレット１と被覆管２
の間にはキャップ３が設けられている。一般に、ギャッ
プ３には、燃料棒の製造時に封入されたヘリウムガス、
並びに、燃料ペレット１のウラニウムの核分裂によって
生成された、希ガスや揮発性ガスの一部が存在している
。
り成る燃料ベレン＋−１と燃料ペレット１を包含する被
覆管２から構成されており、燃料ペレット１と被覆管２
の間にはキャップ３が設けられている。一般に、ギャッ
プ３には、燃料棒の製造時に封入されたヘリウムガス、
並びに、燃料ペレット１のウラニウムの核分裂によって
生成された、希ガスや揮発性ガスの一部が存在している
。
ギャップ３は、燃料ペレット１の核反応に伴う出力の急
上昇に対して、燃料ペレット１から被覆管２へ移行する
熱の障壁として作用し、最終的には、被覆管３からその
外側に存在する冷却水への熱移行を抑制している。この
ため、燃料ペレット１の急激な出力上昇に遅れを持って
、冷却水へ熱が移行し、冷却水中の蒸気泡（ボイド）増
加に伴う、反応度の抑制が急激に作用し、ボイドフィー
ドバックによる不安定現象が生じることを阻止する働き
がある。
上昇に対して、燃料ペレット１から被覆管２へ移行する
熱の障壁として作用し、最終的には、被覆管３からその
外側に存在する冷却水への熱移行を抑制している。この
ため、燃料ペレット１の急激な出力上昇に遅れを持って
、冷却水へ熱が移行し、冷却水中の蒸気泡（ボイド）増
加に伴う、反応度の抑制が急激に作用し、ボイドフィー
ドバックによる不安定現象が生じることを阻止する働き
がある。
一方、燃料集合体内の燃料棒の本数の増加に伴い燃料棒
の細径化が検討されている。
の細径化が検討されている。
燃料棒の細径化に伴い、被覆管２．キャップ３の幅が減
少する傾向にあり、燃料ペレット１で発生した熱が、ギ
ャップ３．被覆管２を介し、短時間に冷却水へ移行する
傾向がある。これによって、ボイドフィードバックの作
用も顕著となり核反応に対する不安定性も増加する傾向
となる。
少する傾向にあり、燃料ペレット１で発生した熱が、ギ
ャップ３．被覆管２を介し、短時間に冷却水へ移行する
傾向がある。これによって、ボイドフィードバックの作
用も顕著となり核反応に対する不安定性も増加する傾向
となる。
これら、燃料棒の細径化に対して、ボイド、フィードバ
ックを抑制する手段は、ギャップ３の幅を増加し、ギャ
ップ３部の熱伝達率を低下させることが考えられる。し
かし、これは、燃料ペレット１、すなわち、ＵＯ２の総
重量の減少に起因し。
ックを抑制する手段は、ギャップ３の幅を増加し、ギャ
ップ３部の熱伝達率を低下させることが考えられる。し
かし、これは、燃料ペレット１、すなわち、ＵＯ２の総
重量の減少に起因し。
効率の点から得策ではない。
一方、燃料ペレット１と被覆管２の間のギャップ３以外
に、燃料ペレツ１へ１内にギャップを設けることも考え
られる。これに対しては、特開昭５４−１２１３８６号
公報「核燃料要素」に従来例がある。
に、燃料ペレツ１へ１内にギャップを設けることも考え
られる。これに対しては、特開昭５４−１２１３８６号
公報「核燃料要素」に従来例がある。
第３図に従来例の一例を示す。
従来例では、燃料ペレット１を中空円柱と中空円柱に二
分割し、その間に、銅製薄円柱筒４を設ける。従来例の
燃料棒は、燃料ペレット１の燃焼に伴う割れによって生
じる被覆管３への機械的応力の低減を目的とし、その応
力を吸収する部材として、銅製薄円柱筒４を設けている
。このため、燃料ペレット１内の熱伝達は、向上し、燃
料棒の細径化に伴う、ボイドフィードバックの抑制に対
しては、逆の効果となる。
分割し、その間に、銅製薄円柱筒４を設ける。従来例の
燃料棒は、燃料ペレット１の燃焼に伴う割れによって生
じる被覆管３への機械的応力の低減を目的とし、その応
力を吸収する部材として、銅製薄円柱筒４を設けている
。このため、燃料ペレット１内の熱伝達は、向上し、燃
料棒の細径化に伴う、ボイドフィードバックの抑制に対
しては、逆の効果となる。
また、銅製溝円柱４の装着に伴い、Ｕ○２総量が減少し
、取り出し燃焼度は、減少するという欠点が生じていた
。
、取り出し燃焼度は、減少するという欠点が生じていた
。
」二足従来技術は、燃料棒の細径化に伴うボイドフィー
ドバック効果の増大によって生じる。核的不安定性の増
加、及び、出力急」１昇時における燃料表面熱流体の急
上昇回避の点について考慮されておらず、今後の燃料設
計に対して、燃料集合体の核的安定性、並びに、表面熱
流束の急上昇に伴う燃料棒冷却効果の低下に起因する設
計上の制限が増加するという問題があった。
ドバック効果の増大によって生じる。核的不安定性の増
加、及び、出力急」１昇時における燃料表面熱流体の急
上昇回避の点について考慮されておらず、今後の燃料設
計に対して、燃料集合体の核的安定性、並びに、表面熱
流束の急上昇に伴う燃料棒冷却効果の低下に起因する設
計上の制限が増加するという問題があった。
本発明の目的は、燃料棒の細径化に際しても、設計上の
制限が増加することなく、また、Ｕ Ｏ２総量の減少に
伴う取り出し燃焼度が低下することなく、さらに、燃料
の燃焼に伴う応力の増加を、抑制することも勘案した燃
料棒を提供することにある。
制限が増加することなく、また、Ｕ Ｏ２総量の減少に
伴う取り出し燃焼度が低下することなく、さらに、燃料
の燃焼に伴う応力の増加を、抑制することも勘案した燃
料棒を提供することにある。
上記目的は、酸化ウラニウム（ＵＯ３）の燃料ペレット
を複数のブロックに分割し、かつ、個々のブロックの間
に形成されるＵＯ２ペレット間のギャップがＵ Ｏ２ペ
レツト内の熱流束に対してｉＩＬ行とならないようにす
ることで達成される。すなわち、ＵＯ２ペレット内の熱
流束は、ペレット中心から被ｒ！！管方向に放射線状に
拡散する。これに対して平行とならないギャップを設け
るものである。
を複数のブロックに分割し、かつ、個々のブロックの間
に形成されるＵＯ２ペレット間のギャップがＵ Ｏ２ペ
レツト内の熱流束に対してｉＩＬ行とならないようにす
ることで達成される。すなわち、ＵＯ２ペレット内の熱
流束は、ペレット中心から被ｒ！！管方向に放射線状に
拡散する。これに対して平行とならないギャップを設け
るものである。
また、これらギャップの間隔は、必ずしも一定の距離を
保持する必要はなく、接触していても良い。もちろん、
銅等の金属薄板を挿入する必要はない。
保持する必要はなく、接触していても良い。もちろん、
銅等の金属薄板を挿入する必要はない。
燃料ペレットで発生する熱は、燃料ペレツ１−の中心か
ら被覆管に向って移行していく。一般に、これら、熱の
移行は、円筒座標を用いた熱伝導方程式の解として得ら
れる。一方、これら熱移行に対し平行とならないギャッ
プが存在すると、熱移行に対する抵抗値として作用し、
燃料ペレットから被覆管へ移行する熱に時間的な遅れの
効果を付加する。これらギャップは、必ずしも距離を持
つ必要はなく、ギャップ間に存在する接触の熱伝達率は
、Ｕ０２燃料ペレット内の熱伝達率に比べ十分少さく、
目的とする効果が得られる。また、ギャップ間に金属等
の薄板などを挿入する必要もなくＵＯ２総量の減少が生
じることもない。このため、取り出し燃焼度が減少する
こともない。
ら被覆管に向って移行していく。一般に、これら、熱の
移行は、円筒座標を用いた熱伝導方程式の解として得ら
れる。一方、これら熱移行に対し平行とならないギャッ
プが存在すると、熱移行に対する抵抗値として作用し、
燃料ペレットから被覆管へ移行する熱に時間的な遅れの
効果を付加する。これらギャップは、必ずしも距離を持
つ必要はなく、ギャップ間に存在する接触の熱伝達率は
、Ｕ０２燃料ペレット内の熱伝達率に比べ十分少さく、
目的とする効果が得られる。また、ギャップ間に金属等
の薄板などを挿入する必要もなくＵＯ２総量の減少が生
じることもない。このため、取り出し燃焼度が減少する
こともない。
さらに、これらギャップは、分割された燃料ペレットが
長い薄板状となるように考慮することによって、燃料ペ
レットの割れ、及び１割れに伴って生じる燃料被覆管へ
の応力の増加を最少限に抑制することが出来る。
長い薄板状となるように考慮することによって、燃料ペ
レットの割れ、及び１割れに伴って生じる燃料被覆管へ
の応力の増加を最少限に抑制することが出来る。
以下１本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。
第１図は、正四角柱と円弧柱からなる燃料ペレット１．
被覆管２及びギャップ３から構成された燃料棒の例を示
す。
被覆管２及びギャップ３から構成された燃料棒の例を示
す。
燃料ペレット１は、正四角柱と円弧柱の二種類のペレッ
トで構成されているため、燃料ペレット１と被覆管２の
間に存在するギャップ３の他に、燃料ペレット１の内部
にもギャップ３が存在する。
トで構成されているため、燃料ペレット１と被覆管２の
間に存在するギャップ３の他に、燃料ペレット１の内部
にもギャップ３が存在する。
燃料棒内の熱伝達、及び、エネルギのバランスは次のフ
ーリエの式で得られる。
ーリエの式で得られる。
ここで、ρ：重密
度：比熱
Ｔ：温度
ｔ、：時間
：ナブラ演算子
に：熱伝導率
Ｑ：発生熱量
式（１）を軸方向の熱伝導を無視して、内筒座標で書く
と、 ・・・（２） ここで、ｒ：半径 熱伝導率には、燃料ペレット１の熱伝導率（ｋ ｕｏｚ
）とギャップ３の熱伝達率（ＨＯＡＰ）を用いると、 １７に＝Δｒ／ｋｕｏｚ＋１／ＨａＡｐ −（３
）ただし、第１図の例では、燃料ペレット１が周方向に
対称構造ではなく、周方向（θ）に対しての関数となる
。
と、 ・・・（２） ここで、ｒ：半径 熱伝導率には、燃料ペレット１の熱伝導率（ｋ ｕｏｚ
）とギャップ３の熱伝達率（ＨＯＡＰ）を用いると、 １７に＝Δｒ／ｋｕｏｚ＋１／ＨａＡｐ −（３
）ただし、第１図の例では、燃料ペレット１が周方向に
対称構造ではなく、周方向（θ）に対しての関数となる
。
Ｔ＝ＴＣｒ、０．ｔ） −（４）ＨｃＡ
ｐ＝ＨｃＡｐ（ｒ、 Ｏ） −（５）こ
こで、ＨａＡｐは、燃料ペレット１と被覆管のギャップ
３に対しては、ギャップコンダクタンスとして得られて
おり、また、燃料ペレット１内のギャップ３では、接触
熱伝達率として知られている値が利用出来る。
ｐ＝ＨｃＡｐ（ｒ、 Ｏ） −（５）こ
こで、ＨａＡｐは、燃料ペレット１と被覆管のギャップ
３に対しては、ギャップコンダクタンスとして得られて
おり、また、燃料ペレット１内のギャップ３では、接触
熱伝達率として知られている値が利用出来る。
第４図に、従来燃料と細径化燃料の出力急上昇時の挙動
を示す。
を示す。
従来燃料に比べ細径化を採用すると出力の急上昇に対し
短時間の間に燃料棒の表面熱流束が上昇する。このため
、燃料棒の設計上限値に対する余裕が減少し、出力密度
の減少等の設計上の制限を強化の必要性を示唆している
。一方、燃料ペレットの顕熱の制限は、緩和されるが、
これは影響も少さく、設計上の制限になることはない。
短時間の間に燃料棒の表面熱流束が上昇する。このため
、燃料棒の設計上限値に対する余裕が減少し、出力密度
の減少等の設計上の制限を強化の必要性を示唆している
。一方、燃料ペレットの顕熱の制限は、緩和されるが、
これは影響も少さく、設計上の制限になることはない。
本発明の採用により、細径上燃料でも、燃料棒内の熱伝
導を低下させることが可能となり、従来燃料と同程度、
さらには、それ以上の表面熱流束の低下を得ることがで
き、燃料設計の制限強化を回避することが出来る。
導を低下させることが可能となり、従来燃料と同程度、
さらには、それ以上の表面熱流束の低下を得ることがで
き、燃料設計の制限強化を回避することが出来る。
特に、本発明は、ギャップの幅、又は、ギャップ個数に
比例したギャップパラメータを用いてこれら、熱伝導特
性と設計パラメータとして利用出来ることに特徴がある
。
比例したギャップパラメータを用いてこれら、熱伝導特
性と設計パラメータとして利用出来ることに特徴がある
。
第５図に、燃料棒径に対して、表面熱流束及び顕熱への
影響を式（２）、 （３）、 （４）、 （５）を用い
てギャップをパラメータとして評価した結果を示す。
影響を式（２）、 （３）、 （４）、 （５）を用い
てギャップをパラメータとして評価した結果を示す。
すなオ〕ち、従来燃料の設計と同程度の効果を細径化燃
料棒に対しても得ようとする場合には、ギャップ幅、又
は、ギャップ個数を増加すれば良いことが判る。
料棒に対しても得ようとする場合には、ギャップ幅、又
は、ギャップ個数を増加すれば良いことが判る。
さらに、本発明では、燃料ペレットを設は当初より分割
して封入するため、燃焼に伴う燃料ペレットの割れに対
して余裕が得られており、割れを低減することが出来る
。このため、燃焼に伴う被覆管への割れ応力を大幅に低
減することが出来る。
して封入するため、燃焼に伴う燃料ペレットの割れに対
して余裕が得られており、割れを低減することが出来る
。このため、燃焼に伴う被覆管への割れ応力を大幅に低
減することが出来る。
第６図、第７図に本発明の変形例を示す。
第６図は、第１図の例をさらに拡張し、燃料ペレット内
に多数のギャップを形成し、熱伝導の低下をさらに得よ
うとしたものである。
に多数のギャップを形成し、熱伝導の低下をさらに得よ
うとしたものである。
第７図は、一般的な中空円柱と中実円柱の燃料ペレット
を採用した例である。中空円柱は、燃焼に伴う割れが生
じやすいので、本変形例では、製造時点ですでに四分割
し、割れに対する余裕を持たせるように考慮している。
を採用した例である。中空円柱は、燃焼に伴う割れが生
じやすいので、本変形例では、製造時点ですでに四分割
し、割れに対する余裕を持たせるように考慮している。
本発明によれば、出力急上昇時における燃料棒表面熱流
束の急上昇を抑制することができ、燃焼に伴う燃料ペレ
ットの割れを抑制することが可能となり割れの発生に伴
う、被覆管への応力を低減することが出来る。
束の急上昇を抑制することができ、燃焼に伴う燃料ペレ
ットの割れを抑制することが可能となり割れの発生に伴
う、被覆管への応力を低減することが出来る。
第１図は本発明の一実施例の断面図、第２図は従来技術
の一例を示す断面図、第３図は従来技術の一例を示す斜
視図、第４図、第５図は本発明の効果を示す特性図、第
６図、第７図は本発明の他の実施例の断面図である。 １・・・燃料ペレット、２・・・被覆管、３・・・ギャ
ップ、４・・・銅製薄円筒。 第１図 第２図 （α） （シ） 第 図 第 図 １．０ ノ１、← Ｄ／Ｄｏ −ブζ 第４図 纂６因 第７図
の一例を示す断面図、第３図は従来技術の一例を示す斜
視図、第４図、第５図は本発明の効果を示す特性図、第
６図、第７図は本発明の他の実施例の断面図である。 １・・・燃料ペレット、２・・・被覆管、３・・・ギャ
ップ、４・・・銅製薄円筒。 第１図 第２図 （α） （シ） 第 図 第 図 １．０ ノ１、← Ｄ／Ｄｏ −ブζ 第４図 纂６因 第７図
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、ウラニウム酸化物の円柱状ペレット、前記円柱状ペ
レットを包含するパイプ状の被覆管、前記円柱状ペレッ
トと前記パイプ状の被覆管の間にギャップを設けた原子
炉の燃料棒において、前記円柱状ペレットが、前記円柱
状のペレットの断面に対し内接する正四角柱一個と、前
記円柱状ペレットから前記正四角柱を除いた後の四個の
円弧柱とに分割されていることを特徴とする原子炉の燃
料棒。 ２、特許請求の範囲第１項において、 前記一個の正四角柱ペレットを、さらに、正四角柱に内
接する一個の正四角柱と残り四個の直角二等辺三角柱と
に分割することを特徴とする原子炉の燃料棒。 ３、特許請求の範囲第１項において、 前記円柱状ペレットを一個以上の中空同心円柱と一個の
円柱に分割し、かつ、前記中空同心円柱を円周方向に二
個以上に分割したことを特徴とする原子炉の燃料棒。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63170930A JPH0221295A (ja) | 1988-07-11 | 1988-07-11 | 原子炉の燃料棒 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63170930A JPH0221295A (ja) | 1988-07-11 | 1988-07-11 | 原子炉の燃料棒 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0221295A true JPH0221295A (ja) | 1990-01-24 |
Family
ID=15913998
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63170930A Pending JPH0221295A (ja) | 1988-07-11 | 1988-07-11 | 原子炉の燃料棒 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0221295A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6899579B1 (en) * | 2003-10-31 | 2005-05-31 | Brunswick Corporation | Marine propulsion device with variable air intake system |
| CN109801717A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒 |
-
1988
- 1988-07-11 JP JP63170930A patent/JPH0221295A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6899579B1 (en) * | 2003-10-31 | 2005-05-31 | Brunswick Corporation | Marine propulsion device with variable air intake system |
| CN109801717A (zh) * | 2019-03-20 | 2019-05-24 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒 |
| CN109801717B (zh) * | 2019-03-20 | 2023-09-15 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种减小pci效应的液态铅铋冷却小型反应堆用燃料棒 |
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