JPH0527064A - 核燃料要素及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 中空の核燃料ペレットと同様の優れた核的及
び熱的特性を有し、かつ被覆管の腐食割れが防止できる
核燃料ペレットを有する核燃料要素、及びその核燃料ペ
レットの容易な製造方法を提供する。 【構成】 本発明のジルコニウム・銅系又は炭素系の核
分裂生成物捕獲材を組み込んだ核燃料ペレットを有する
核燃料要素において、核燃料ペレットの加圧成形は、次
のようにして行なう。まず、核燃料ペレットの加圧成形
用具９内に、薄肉円板と丸棒とを組み合わせた形状に加
圧成形しておいた核分裂生成物捕獲材素材１３を挿入
し、次いで、二酸化ウラン粉末１４を充填する。その
後、核分裂生成物捕獲材素材１３を含む二酸化ウラン粉
末１４を加圧成形する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は原子力発電用の核燃料要
素に係り、特に短円柱形核燃料ペレット（以下、核燃料
ペレットと称す）を有する核燃料要素に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の例として、「軽水炉燃料のふ
るまい」［原子力安全研究協会編、実務テキストシリ−
ズＮｏ．３、第１２１頁〜第１２９頁（Ｓ６０．８）］
に開示のものがある。これには、原子力発電用各炉型ご
との核燃料要素について、核燃料ペレットの形状とその
製造方法、ペレット・被覆管相互作用やペレット・被覆
力学的相互作用による被覆管破損に対する防止方法、及
び特に加圧水型軽水炉の核燃料ペレットの軸中心部の溶
融防止対策として、軸中心部に空孔を設けた、中空の核
燃料ペレットを用いる方法が述べられている。

【０００３】上記の核燃料要素は、原子炉に多数本装荷
されるが、これらの核燃料要素の燃焼中においては、い
ずれの核燃料ペレットの内部でも、温度分布は中心部で
高く表層部で低い状態にある。このため、核燃料ペレッ
トの各部の温度に対応した熱膨張によって、核燃料ペレ
ットはつづみ状に変形したり、クラックが発生し、これ
らは被覆管を局部的に変形させるペレット．破壊力学的
相互作用の原因となる。このペレット．破壊力学的相互
作用の原因を取り除くために考案されたのが、上記の中
空の核燃料ペレットであり、高温となる部分を取り除く
とともに熱膨張による変形をこの中空部分で吸収できる
ようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の従来技
術では、中空の核燃料ペレットの製造上の歩止り、及び
核分裂生成物の放出による問題について配慮されておら
ず、核分裂生成物の挙動及びその捕獲手段等の問題点、
並びにそれらの問題点の改善策については開示されてい
ない。

【０００５】一方、近年、総電力量に対する原子力発電
量の比率が高まり、原子炉は従来の出力一定運転から負
荷追従運転が要求されるようになってきているが、負荷
追従運転では原子炉の出力が負荷に応じて変化するた
め、これに従来の核燃料要素を使用した場合、負荷上昇
に伴って発生する核分裂生成物の増加に起因するペレッ
ト・被覆管相互作用やペレット・被覆力学的相互作用に
よる被覆管の応力腐食割れが懸念されている。

【０００６】本発明の目的は、核的及び熱的特性は、上
記の中空の核燃料ペレットと基本的に同じであるが、燃
焼過程で生成される核分裂生成物を捕獲・保持して、核
分裂生成物の放出を低減することにより、ペレット・被
覆管相互作用やペレット・被覆力学的相互作用による被
覆管の応力腐食割れが防止でき、かつ製造が容易な核燃
料ペレットを有する核燃料要素を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、次のように
して達成することができる。

【０００８】（１）直径が核燃料ペレットと同一又はこ
れより僅かに小さく、断面が円形状の薄肉円板と、直径
が薄肉円板より小さく、薄肉円板の軸中心部から薄肉円
板上に直立した丸棒とからなり、核分裂生成物の吸収能
を有するジルコニウム・銅系又は炭素系の核分裂生成物
捕獲材が、底辺部と中心部とを形成している核燃料ペレ
ットを有する核燃料要素を用いること。

【０００９】（２）（１）において、核燃料要素の上下
端部には炭素系の核分裂生成物捕獲材を組み込んだ核燃
料ペレットを、中間部にはジルコニウム・銅系の核分裂
生成物捕獲材を組み込んだ核燃料ペレットをそれぞれ配
置した核燃料要素を用いること。

【００１０】（３）核分裂生成物の吸収能を有するジル
コニウム・銅系又は炭素系の核分裂生成物捕獲材素材粉
末を加圧成形して、直径が短円柱形核燃料ペレットと同
一又はこれより僅かに小さく、断面が円形状の薄肉円板
と、直径が薄肉円板より小さく、薄肉円板の軸中心部か
ら薄肉円板上に直立した丸棒とからなる核分裂生成物捕
獲材素材を形成する工程と、核分裂生成物捕獲材素材を
短円柱形核燃料ペレットの加圧成形用具内に挿入した
後、この加圧成形用具内に核燃料素材粉末を充填し、核
分裂生成物捕獲材素材を含む核燃料素材粉末を加圧成形
する工程と、加圧成形して得られた核分裂生成物捕獲材
素材を含む核燃料素材を焼結して短円柱形核燃料ペレッ
トをつくる工程と、短円柱形核燃料ペレットを被覆管内
にスタック状に封入する工程とを有する核燃料要素の製
造方法を用いること。

【００１１】

【作用】本発明では、核燃料要素の上下端部には炭素系
の核分裂生成物捕獲材を組み込んだ核燃料ペレットを、
中間部にはジルコニウム・銅系の核分裂生成物捕獲材を
組み込んだ核燃料ペレットをそれぞれ配置した核燃料要
素を用いているので、核燃料ペレットの燃焼過程で生成
される核分裂生成物は、核燃料ペレット内に組み込んだ
上記の各核分裂生成物捕獲材により吸収・保持されて、
核燃料ペレットからの核分裂生成物の放出量が低減さ
れ、ペレット・被覆管相互作用やペレット・被覆力学的
相互作用による被覆管の応力腐食割れが防止される。

【００１２】なお、核燃料ペレットの加圧成形及び焼結
などの製造は、すでに製造方法が確立している従来の場
合と同一の手法なので、容易に行なうことができる。

【００１３】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図５により説明す
る。図１は一実施例の核燃料ペレットの斜視図、図２は
図１の核分裂生成物捕獲材部分の斜視図、図３は核分裂
生成物捕獲材素材の加圧成形方法の説明図、図４は核燃
料ペレットの加圧成形方法の説明図、図５は図１の核燃
料ペレットをスタック状に被覆管に封入した核燃料要素
の模式縦断面図であり、１は核燃料ペレット、２は核分
裂生成物捕獲材、３は核分裂生成物捕獲材素材の加圧成
形用具、４は外筒、５は内筒、６は底板、７はうわ蓋、
８は核分裂生成物捕獲材素材粉末、９は核燃料ペレット
の加圧成形用具、１０は外筒、１１は底板、１２はうわ
蓋、１３は核分裂生成物捕獲材素材、１４は二酸化ウラ
ン粉末、１５は被覆管、１６は上部端栓、１７は下部端
栓、１８はプレナムを示している。

【００１４】この実施例の核燃料ペレット１は、図１に
示すように、内部に核分裂生成物捕獲材２を組み込んだ
短円柱形からなっている。図２は、図１の核分裂生成物
捕獲材２の部分である。

【００１５】この実施例の核燃料ペレット１の製造に際
して使用する主な用具は、図３の核分裂生成物捕獲材素
材の加圧成形用具３、図４の核燃料ペレットの加圧成形
用具９及び焼結炉（図示せず）である。なお、図５は、
製造された核燃料ペレット１が、核燃料要素の被覆管１
５に封入されている状態を示している。

【００１６】また、核分裂生成物捕獲材素材の加圧成形
用具３は、図３に示すように、外筒４、内筒５、底板６
及びうわ蓋７からなっており、核燃料ペレットの加圧成
形用具９は、図４に示すように、外筒１０、底板１１及
びうわ蓋１２からなっている。

【００１７】核燃料ペレットの製造工程は、一般に、ウ
ランの再転換加工→粉末処理→加圧成形→焼結→外周研
磨→洗浄・乾燥の順で行われるが、この実施例では、図
４に示す核燃料ペレットの加圧成形用具９を用いて、核
燃料素材粉末の加圧成形を行なう前段階において、核分
裂生成物捕獲材素材１３を加圧成形用具９内に予め挿入
しておくだけで、その後はすでに製造方法が確立してい
る従来の核燃料ペレットの場合と同一の手法で加圧成形
及び焼結ができるので、量産化を図ることが可能であ
る。

【００１８】なお、核分裂生成物捕獲材素材粉末８に
は、希ガス系の核分裂生成物の吸収能に優れたジルコニ
ウム・銅の素材粉末に中性子吸収能の大きなハフニウム
を混入したジルコニウム・銅系のものと、セシウムの吸
収能に優れた炭素の素材粉末に中性子吸収能の大きなハ
フニウムを混入した炭素系のものの２種類の素材粉末
を、核燃料素材粉末には二酸化ウラン粉末１４をそれぞ
れ用いている。

【００１９】この実施例の核燃料ペレット１の製造は、
次のようにして行なわれる。

【００２０】まず、核分裂生成物捕獲材素材１３のつく
り方であるが、図３において、核分裂生成物捕獲材素材
の加圧成形用具３のうわ蓋７を外して内筒５を設置し、
その後、核分裂生成物捕獲材素材粉末８を規定量充填
し、うわ蓋７を取付け、縦断面がＴ字型となるまで核分
裂生成物捕獲材素材粉末８を加圧成形して、核分裂生成
物捕獲材素材１３にした後、うわ蓋７と底板６を外し、
内筒５と一緒に核分裂生成物捕獲材素材１３を取り出
し、内筒５から核分裂生成物捕獲材素材１３を抜き取る
工程をとっている。

【００２１】この場合、核分裂生成物捕獲材素材粉末８
は、この粉末の原料を粉砕及び造粒処理して得られる。
また、加圧成形して得られる核分裂生成物捕獲材素材１
３は、薄肉円板の直径が核燃料ペレット１と同一又はこ
れより僅かに小さく、薄肉円板を含めた丸棒の高さが燃
料ペレット１より１ｍｍ程度低めとなるように加圧成形
される。丸棒の直径は約２ｍｍ、薄肉円板の直径は核燃
料ペレット１により異なるが一般に１２ｍｍ程度であ
り、薄肉円板の厚さは約１ｍｍである。更に、核分裂生
成物捕獲材素材１３は、焼結時や原子炉運転時の焼きし
まり、及び相対的な熱膨張差を考慮して、予め適宜決め
ている密度となるように加圧成形されている。

【００２２】続いての製造工程は、下記のとおりであ
る。まず、ウラン濃縮工場から送られてきた六フッ化ウ
ランを再転換加工して二酸化ウラン粉末１４を得る。核
燃料ペレット１の核燃料素材である二酸化ウラン粉末１
４は、濃縮度、かさ比重及び不純物含有量等の検査後、
ボ−ルミル等の方法で粉砕されて活性度が与えられ、そ
の後、造粒等の粉末処理がなされる。

【００２３】次いで、核燃料ペレットの加圧成形用具９
を用いて加圧成形が行なわれるが、この加圧成形は、図
４に示すように、核燃料ペレットの加圧成形用具９内に
核分裂生成物捕獲材素材１３を挿入し、続いて、二酸化
ウラン粉末１４を充填し、加圧成形する。この加圧成形
の条件は、原子炉の型式や使用目的よって異なるが、軽
水炉等では加圧成形体の密度が５０〜６０％ＴＤ（Ｔｈ
ｅｏｒｉｔｉｃａｌＤｅｎｓｉｔｙ）程度になるよう
に、加圧成形を行っている。なお、この場合の加圧成形
の方法は、図３の核分裂生成物捕獲材素材粉末８の加圧
成形の場合に比べて、内筒がないこと、及び核分裂生成
物捕獲材素材１３を予め加圧成形用具内に挿入しておく
ことだけが異なり、素材粉末を加圧成形する工程は同じ
である。

【００２４】次いで、上記の加圧成形体の焼結が行なわ
れるが、この焼結は、還元雰囲気中で１７００℃以上の
高温加熱し、３〜５時間保持して行なわれ、焼結後の核
燃料ペレット１の形状は、図１に示すものと同じになる
が、製造された核燃料ペレット１の高さは直径の１〜
１．２倍程度となるようにしている。

【００２５】上記の方法で核燃料ペレット１が製造され
るが、この実施例の場合、従来の中空の核燃料ペレット
の中空部分が、核分裂生成物捕獲材２に代わった形とな
っており、また、核分裂生成物捕獲材２は高精度で製造
することができる。なお、核分裂生成物捕獲材素材１３
がつくられた後は、成形・焼結技術が確立している従来
と同一の手法で核燃料ペレットの製造ができ、量産化が
可能である。

【００２６】この実施例の方法で焼結された核燃料ペレ
ット１は、図５に示すように、更にスタツク状に被覆管
１５内に封入され、原子力発電用の核燃料要素となる。
なお、被覆管１５内にはヘリウムガスが加圧封入されて
いる。核燃料要素の構造は従来と同様であるが、被覆管
１５内のいずれの核燃料ペレット１にも、核分裂生成物
捕獲材２を組み込んでいる点が異なっている。これらの
核燃料ペレット１のうち、炭素系の核分裂生成物捕獲材
２が組み込まれている核燃料ペレット１は核燃料要素の
上下端部に、ジルコニウム・銅系の材質の核分裂生成物
捕獲材２が組み込まれている核燃料ペレット１は核燃料
要素の中間部にそれぞれ配置されている。

【００２７】前述のように、核燃料要素は、原子炉に多
数本装荷されるが、これらの核燃料要素は燃焼中におい
て、いずれの核燃料ペレット１の内部でも、温度分布は
中心部で高く表層部で低い状態にある。このため、核燃
料ペレット１の各部の温度に対応した熱膨張によって、
核燃料ペレット１はつづみ状に変形したり、クラックが
発生し、これらは被覆管を局部的に変形させるペレッ
ト．破壊力学的相互作用の原因となる。このペレット．
破壊力学的相互作用の原因を取り除くために考案された
のが、従来の中空の核燃料ペレットであり、高温となる
部分を取り除くとともに熱膨張による変形をこの中空部
分で吸収できるようになっている。

【００２８】この実施例の核燃料ペレット１の核的及び
熱的特性は、中空の核燃料ペレットと基本的に同じ考え
に立っているが、核分裂生成物の放出を低減する作用に
関しては、中空の核燃料ペレットと全く異なっている。

【００２９】中空の核燃料ペレットの場合、低燃焼時は
核燃料ペレット内部の粒内で生成した核分裂生成物が熱
拡散により粒界に析出し、気泡を形成して放出が抑制さ
れるが、高燃焼になると粒界に析出した気泡がネットワ
−クを形成するとともに中空内面に粒界侵食が発生し、
この粒界侵食部を経て核分裂生成物が中空内部に放出さ
れ、核燃料ペレットからの放出量が増加する。更に、核
分裂生成物の放出量は燃焼過程とともに増加する傾向が
ある。一方、核燃料ペレットの表層部では、内部よりも
燃焼度が高く、核分裂生成物の生成量も多いが、表層部
は冷却材により冷却されて温度が低いため、生成した核
分裂生成物は粒内に保持される。しかし、粒内における
保持量が限界に達すると結晶粒を破壊して核燃料ペレッ
ト外に放出される。この表層部からの核分裂生成物の放
出量は燃料の高燃焼時に無視できなくなる。核燃料ペレ
ットから放出される核分裂生成物の中でも、希ガス核分
裂生成物はプレナム１８のガス空間へ移動する。また、
セシウムは核燃料ペレットの内部から表層部へ移行して
核燃料ペレットと核燃料ペレットとの間隙に沈着し、更
に燃焼度が進むとスタック状の核燃料ペレットの上下端
部の比較的低温部分に移行して濃縮する。セシウムの濃
縮部ではセシウムウランタイトが生成して体積が膨張
し、被覆管１５の変形や応力腐食割れを起こす可能性が
ある。

【００３０】これに対して、本実施例では、被覆管１５
に封入しているスタック状の核燃料ペレット１のうち、
中間部にはジルコニウム・銅系の核分裂生成物捕獲材２
を組み込んでいる核燃料ペレット１を配置しているの
で、燃焼過程で核燃料ペレット１の内部に核分裂生成物
による気泡のネットワ−クが形成されても、粒界侵食は
発生せず、希ガス核分裂生成物の放出が抑制できる。ま
た、核燃料ペレット１の表層部では、結晶粒内の核分裂
生成物の蓄積量の限界によって結晶粒が破壊され、核分
裂生成物を放出するが、核分裂生成物捕獲材２の薄肉円
板状の部分によって、希ガス核分裂生成物を吸収・保持
することができる。

【００３１】一方、セシウムは、スタック状の核燃料ペ
レット１の上下端部に移行するが、上下端部に配置され
ている核燃料ペレット１に組み込んでいる炭素系核分裂
生成物捕獲材２によつて吸収・保持されるため、セシウ
ムウランタイトの生成が抑制され、ペレット・被覆管相
互作用やペレット・被覆力学的相互作用による被覆管１
５の応力腐食割れが防止できる。

【００３２】また、上記の結果から、従来、困難とされ
ていた負荷追従運転が可能となり、効率の良い原子炉運
転ができる。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、核燃料ペレットの燃焼
過程で生成される核分裂生成物は、核燃料ペレット内に
組み込んだ上記の各核分裂生成物捕獲材により効果的に
吸収・保持され、核燃料ペレットからの核分裂生成物の
放出量が低減されるので、ペレット・被覆管相互作用や
ペレット・被覆力学的相互作用による被覆管の応力腐食
割れが防止される。また、この防止によって、負荷追従
運転が可能となり、効率の良い原子炉運転ができる。上
記の核燃料ペレットは製造が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の核燃料ペレットの斜視図で
ある。

【図２】図１の核分裂生成物捕獲材部分の斜視図であ
る。

【図３】本発明の一実施例の核分裂生成物捕獲材素材の
加圧成形方法の説明図である。

【図４】本発明の一実施例の核燃料ペレットの加圧成形
方法の説明図である。

【図５】図１の核燃料ペレットをスタック状に被覆管に
封入した核燃料要素の模式縦断面図である。

【符号の説明】

１…核燃料ペレット、２…核分裂生成物捕獲材、３…核
分裂生成物捕獲材素材の加圧成形用具、４…外筒、５…
内筒、６…底板、７…うわ蓋、８…核分裂生成物捕獲材
素材粉末、９…核燃料ペレットの加圧成形用具、１０…
外筒、１１…底板、１２…うわ蓋、１３…核分裂生成物
捕獲材素材、１４…二酸化ウラン粉末、１５…被覆管、
１６…上部端栓、１７…下部端栓、１８…プレナム。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直径が短円柱形核燃料ペレットの外径と
   同一又はこれより僅かに小さい薄肉円板と、直径が前記
   薄肉円板より小さく、前記薄肉円板の軸中心部から前記
   薄肉円板上に直立した丸棒とからなり、核分裂生成物の
   吸収能を有するジルコニウム・銅系又は炭素系の核分裂
   生成物捕獲材が、底辺部と中心部とを形成してなる前記
   短円柱形核燃料ペレットを有することを特徴とする核燃
   料要素。
2. 【請求項２】前記核燃料要素の上下端部には前記炭素系
   の核分裂生成物捕獲材を組み込んだ前記短円柱形核燃料
   ペレットを、中間部には前記ジルコニウム・銅系の核分
   裂生成物捕獲材を組み込んだ前記短円柱形核燃料ペレッ
   トをそれぞれ配置してなる請求項１記載の核燃料要素。
3. 【請求項３】 核分裂生成物の吸収能を有するジルコニ
   ウム・銅系又は炭素系の核分裂生成物捕獲材素材粉末を
   加圧成形して、直径が短円柱形核燃料ペレットと同一又
   はこれより僅かに小さく、断面が円形状の薄肉円板と、
   直径が前記薄肉円板より小さく、前記薄肉円板の軸中心
   部から前記薄肉円板上に直立した丸棒とからなる核分裂
   生成物捕獲材素材を形成する工程と、該核分裂生成物捕
   獲材素材を前記短円柱形核燃料ペレットの加圧成形用具
   内に挿入した後、該加圧成形用具内に核燃料素材粉末を
   充填し、前記核分裂生成物捕獲材素材を含む前記核燃料
   素材粉末を加圧成形する工程と、該加圧成形して得られ
   た前記核分裂生成物捕獲材素材を含む前記核燃料素材を
   焼結して前記短円柱形核燃料ペレットをつくる工程と、
   該短円柱形核燃料ペレットを被覆管内にスタック状に封
   入する工程とを有する核燃料要素の製造方法。