JPH0367238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

発明の分野 本発明は、改善された核燃料棒、より詳しく述
べるならば、所定出力での操業温度を下げること
になる放射方向に濃縮勾配を有する核燃料棒に関
する。 発明の背景 従来の燃料棒デザインは酸化ウランペレツトの
ような核分裂性燃料で充填されているジルコニウ
ム合金さやを特色としている。酸化ウランは焼結
されそしてさやとの良好な熱接触を与えるために
寸法許容を閉じるように研削される。近年、ペレ
ツトとさやとの接触がさやのクラツクおよび裂け
目を引き起こす化学的相互作用に至るとわかつ
た。原子炉内部でのさやの裂け目発生は放射性物
質の漏れの結果になる。燃料棒を取り巻く冷却水
が汚染されて原子炉の運転停止を必要とする。 このタイプの故障を防止するために、より新し
い燃料棒デザインが提案されており、それでは核
分裂性燃料が球状又は粒状の形に作られる。ペレ
ツトおよび球状の両方の燃料組合せを使用する混
成デザインは、米国特許第3778348号（1973年12
月11日発行）および米国特許第4131511号（1978
年12月26日発行）のそれぞれに示すように公知で
ある。 「球パツク」ともいわれる球状又は粒の燃料の
使用は燃料とジルコニウム合金さやとのピーク接
触ストレスを減らす。表面相互作用でのこのよう
な結果としての減少はクラツクおよび裂け目がさ
やに生じるであろう可能性を減らす。 しかしながら、さや破損を減らすための球状燃
料の利用は燃料とさやとの間の非能率的な熱伝導
の問題を解決しなかつた。熱伝導を改善するため
に、いくつかの特許ではグラフアイトに核分裂性
粒を混合することを提案している（1974年８月20
日発行のカナダ特許第953437号に示すように）。 しかしながら、グラフアイトの使用は酸化ウラ
ン（UO₂）を高温にて還元して一酸化炭素ガスを
作る。一酸化炭素は燃料棒性能を低下させ、した
がつて、燃料中への炭素の使用は実行できる解決
法ではない。 本発明は球状燃料を新しいやり方でどのように
使用するのかを教示します。燃料棒の中央部分が
減損酸化ウラン又は他の低濃縮燃料で満たされ
る。次に、減損燃料が外側環のより高濃縮燃料の
外側環によつて取り巻かれ、このようにして燃料
断面に沿つて放射方向に濃縮勾配を形成してい
る。濃縮燃料をさや表面近くに集めることによつ
て、より多くの核出来事がさや近くで起こる。こ
のことは低い熱伝導性の酸化ウランを通る熱伝導
路を短かくすることによつて燃料棒の熱効率を改
善する。このように所定出力での燃料棒の使用燃
料中心線温度がかなり下げられる。 関連技術の検討 米国特許第3778348号および第4131511号に記載
された上述の発明は本発明の教示とは反対の教示
である。これら特許は燃料棒のコア又は中央に濃
縮燃料を配置することを教示している。このこと
は、棒の中央により大きな体積の濃縮物質を与え
ることになり、さや表面までの熱流路をより長く
することになる。これら燃料棒デザインの結果
は、燃料棒の熱効率がより小さくかつ燃料棒がよ
り高温にて働くことである。より高い温度は核分
裂気体放出を増大しかつさやでの応力を増すため
に、さやの裂け目およびクラツクの発生の可能性
が高くなる。したがつて、これらデザインはさや
の裂け目およびクラツク発生防止に関して失敗し
ている。 本発明は、(1)燃料棒の操業温度を下げることお
よび(2)球状燃料を使用して燃料さや接触相互作用
を減らすことによつて、さや故障を「相乗作用的
に」防止する。 発明の要旨 本発明は原子炉に使用するための燃料要素すな
わち燃料棒に関する。燃料物質は細長いさや内に
収容されている。燃料物質に放射方向の濃縮勾配
が少なくとも２つの異なる燃料濃縮度の採用によ
つて形成される。燃料棒の中央部分は低濃縮核分
裂性燃料を含んでなりそして外側環状部分は十分
により高濃縮燃料を含んでなる。放射方向の濃縮
勾配によつて燃料棒が所定出力のためにより低い
温度にて働くことができる。燃料棒は粒燃料を含
んでなる。 明確化のために、用語「粒燃料」又は「粒核分
裂性燃料」は、粉末燃料、球状燃料、粉末および
球状の燃料の混合物および異なるサイズの粉末燃
料および／又は異なるサイズの球状燃料の混合物
を意味する。 燃料棒は少なくとも２つの異なる濃縮度の粒燃
料のみを実際的に含んでなる。さらにまた、より
高濃縮度が燃料物質の外側部分を占めている。 内側および外側要素のための濃縮度の範囲は次
のとおりである。 中央部分…減損酸化ウラン0.2％Ｕ−235ない
し最大で典型的に２％Ｕ−235で
あつて中性デザインによつて所望
濃縮度 外側環状部分…約2.00％Ｕ−235ないし20.00
％Ｕ−235の範囲 他のプルトニウムおよび／又はウラン−233の
ような核分裂性同位元素がウラン−235と又はに
代えて適用できる。また、酸化トリウムが内部要
素として酸化ウランに代えて使用できる。 本発明において粒燃料は３つの異なる球直径サ
イズ：1500−600μm、400−100μmおよび50μm以
下のそれぞれの範囲での混合物であることができ
る。これら３サイズの分別部がスミアデンシテイ
（smear density）90パーセントに達するように
混合される。 本発明の燃料デザインでは環状部分での燃料体
積が等しいか又はより大きいことを考慮してい
る。典型的には、環状部分と中央部分との体積パ
ーセント割合が70／30である。しかしながら、外
側環状部分と中央部分とのパーセントでの燃料体
積割合が90／10から50／50まで変動できる。 酸化ウランは比較的に低い熱伝導体である。本
発明はさや近くをより大きな濃縮度とすることに
よつて酸化ウランの低い熱伝導を克服する。冷却
さや表面までの熱伝導路を短かくして、所定出力
での操業燃料中心線温度が注目に値するほど下げ
られる。この結果はさや材料の変形および応力が
小さくなる。核分裂性燃料は高温にてさや材料よ
りも大幅に膨張するために、温度を下げることは
この膨張したがつてさやの変形を小さくする。さ
らに、より低い操業温度では燃料による核分裂気
体の放出がより小さくなり、さやにかかる内部圧
力が下げられかつヘリウム伝導路が燃料内で核分
裂気体によつては低下させられない。ヨウ素、セ
シウム、カドミウムなどのような揮発性燃料生成
物がさや内面上に堆積することはより少ない。こ
れら元素は応力下でのジルコニウム合金さやのク
ラツク発生となる化学的に助長された応力腐食を
促進する。 本発明の目的は原子炉に使用するための改善さ
れた燃料要素を提供することである。 本発明の他の目的は、所定出力のためにより低
い温度にて働く燃料棒を提供することである。 そして、本発明のその他の目的はさや（被覆）
のクラツクおよび裂け目発生の可能性を減らすデ
ザインの燃料要素を提供することである。 本発明のこれらおよび別の目的が、添付図面に
関連した下記の詳細な記載を参照してより明らか
にかつより良く理解されるであろう。 発明の詳しい記述 本発明は原子炉にて使用するための燃料棒に関
する。燃料棒のデザインおよび使用での重要なこ
とのひとつは核分裂性燃料を収容しているさや
（クラツデイング）のクラツク発生ないし裂け目
発生の可能性である。クラツクはジルコニウム合
金さやと酸化ウラン燃料との間の化学的相互作用
によつてさやに発生するであろう。また、クラツ
クは内部ガス圧力又はウランペレツトの膨張によ
つてさやに生じる応力のために発生するであろ
う。 本発明は、さやでのクラツク発生の可能性を減
らしかつ熱効率を改善する独特の燃料棒デザイン
（設計）を特色としている。 第１図にて燃料棒１０の断面図を示す。この燃
料棒１０は第２図の拡大断面図にても示す。細長
いジルコニウム合金さや１１が放射方向に濃縮勾
配のある核分裂性燃料を収容している。核分裂性
燃料は中央（中芯）の低濃縮（又は減損）粒状混
合物１２を有しており、これは実際的により高濃
縮度の別の粒状燃料混合物１３によつて取り囲ま
れている。粒状燃料１３はさやの内部で粒状コア
１２のまわりの環状部分を占めている（第２図）。 さや１１は各末端近くに栓１４を有して燃料を
所定位置に保持している。燃料棒の底部にはコイ
ルバネ１６を収容している空間１５がある。この
空間１５は燃料柱がその使用中に膨張又は収縮す
るのを可能にする。コイルバネ１６が燃料柱集結
度を維持するのに必要な圧縮力を与える。 コア１２は酸化ウラン（UO₂）などのような減
損又は低濃縮の核分裂性燃料からなる。このコア
が0.2ないし2.0重量％のＵ−235を有するように
することができる。プルトニウム又はＵ−233な
どの他の核分裂性同位元素をＵ−235の代わりに
あるいはＵ−235と組合せて使用することができ
る。酸化トリウムを酸化ウランの代わりにあるい
は酸化ウランと組合せて使用することもできる。 粒には３種の異なる球状サイズがある。球体は
直径サイズ：1500−600μm、400−100μmおよび
50μm以下の３つの範囲がある。球状サイズの選
択が球体をスミアデンシテイ−90％まで詰めるの
を可能にする。 コア粒１２および粒１３はそれぞれさや１１内
へ、米国出願（Serial Nos.）第327816号および
第327817号（1981年12月７日出願）に記載された
のと同様な方法および装置によつて装填される。
コア粒１２はさや１１内に配置された管状ランス
によつて堆積される。外側粒１３は管状ランスの
まわりに堆積され、そしてランスは粒１２が粒１
３と混じらないように注意深く引抜かれる。 粒の密度はより低に値となるように制御でき
る。このことは燃料が高バーンアツプ（燃焼）時
に膨張するのを防ぐであろう。粒の密度は混合物
の各直径サイズの割合を変えることによつて変え
られる。粒の典型的な混合物は、58％の1500−
600μmサイズ球体、20％の400−100μmサイズ球
体および22％の50μm以下サイズ球体からなるで
あろう。 粒１３は粒１２に対する体積比（パーセント
で）90／10から50／50までの範囲内にある。 典型的な体積比は70％対30％である。 燃料棒１０の外側環状部分に濃縮核分裂性燃料
を配置することはジルコニウム合金さや近くに非
常に多くの核分裂を与える。熱エネルギがさやへ
より短かい平均距離にて改善された熱伝導がある
ように伝わる。燃料の中央操業温度は、下記第１
表に示すように与えられた出力に対して数百度Ｃ
だけ下げられる。

【表】 さやと接触した粒燃料の使用はクラツクおよび
裂け目の発生によるさや破損の可能性を減らすで
あろう。燃料材料の断面での放射方向での濃縮勾
配が燃料棒の操業温度を下げ、このことがさやで
のクラツク発生の可能性を減らすことにもなる。 さや破損の可能性の低下は相乗作用であり、か
つそれぞれの方法論によつて別々に適用されたと
してもこの可能性の組合せ低下よりも大きい。 この独特の相乗作用は下記フアクターのいくつ
かの結果である。 １ 放射方向での濃縮勾配による燃料中央部操業
温度の低下が燃料膨張をより小さくし、したが
つてさやでの応力をより小さくする。 ２ 燃料温度および熱膨張を下げたことはより小
さな燃料−さやギヤツプの使用を可能にし、こ
のことは燃料操業温度をより下げるであろう。 ３ 下げられた燃料操業温度はまた棒ヘリウム雰
囲気への核分裂気体の放出を少なくし、そして
このことがヘリウムバルク又はギヤツプコンダ
クタンス作用のいずれかによるバーンアツプ
（燃焼）進行とともに燃料操業温度での上昇を
下げるであろう。 ４ さやと接触状態の球状燃料は円周応力を均等
に分布させかつ熱い燃料内部からの核分裂生成
物輸送トンネルを設ける放射状クラツクを与え
ない。 ５ 環状燃料は燃料中央部への燃料の変形による
応力軽減を与えかつペレツト端部でのペレツト
リツジング（pellet ridging）を小さくしそし
てバーンアツプが強まるときにさやでの応力を
小さくする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料棒の軸方向断面図であ
り、および第２図は第１図の線２−２に沿つた拡
大断面図である。 １０…燃料棒、１１…さや、１２…コア粒、１
３…外側粒、１４…栓。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細長いさや内に収容された燃料物質を含んで
   なる原子炉に使用する燃料要素であつて、この燃
   料物質が少なくとも２つの異なる濃縮度の粒燃料
   からなり、低い濃縮度粒が前記燃料要素の中央部
   分を占めかつより高濃縮度粒が前記さや内部で前
   記より低い濃縮度粒中央部分のまわりの外側部分
   を占め、このことによつて放射方向での濃縮度勾
   配が前記燃料物質内で与えられてこのことが前記
   燃料要素のために改善された操業温度の結果にな
   る燃料要素。 ２ 前記中央部分が約0.2ないし2.0重量％のウラ
   ンの濃縮度を有する核分裂性燃料からなる特許請
   求の範囲第１項記載の燃料要素。 ３ 前記中央部分が、酸化ウラン（235）、酸化ウ
   ラン（233）、プラトニウムおよび酸化トリウムの
   ような核分裂性燃料の群の少なくともひとつを含
   有する核分裂性燃料混合物又は減損核分裂性燃料
   を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要
   素。 ４ 前記外側部分が約2.0ないし20.0重量％のウ
   ランの濃縮度を有する核分裂性燃料からなる特許
   請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ５ 前記外側部分が、酸化ウラン（235）、酸化ウ
   ラン（233）およびプルトニウムのような核分裂
   性燃料の群の少なくともひとつを含有する核分裂
   性燃料混合物又は核分裂性燃料を含んでなる特許
   請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ６ 前記粒燃料が、直径サイズ範囲で約1500ない
   し600μm、400ないし100μmおよび50μm以下であ
   る球形粒子の混合物を含んでなる特許請求の範囲
   第１項記載の燃料要素。 ７ 前記粒燃料が約85ないし90パーセントのスミ
   アデンシテイーを有する特許請求の範囲第１項記
   載の燃料要素。 ８ 前記粒燃料が直径約1500ないし600μmの球状
   粒を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料
   要素。 ９ 前記粒燃料が直径約400ないし100μmの球状
   粒を含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料
   要素。 １０ 前記粒燃料が直径約50μm以下の球状粒を
   含んでなる特許請求の範囲第１項記載の燃料要
   素。 １１ 前記核分裂性物質が前記さや内で環状域お
   よび中央域を占める粒を含んでなり、この環状域
   が中央域に対してパーセントで90／10ないし50／
   50の体積比を有する特許請求の範囲第１項記載の
   燃料要素。