JPH10111375A

JPH10111375A - 燃料集合体

Info

Publication number: JPH10111375A
Application number: JP8262766A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 浩山口; Ichiro Tsukahara; 一郎塚原; Seiichi Komura; 清一小村
Original assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Engineering Corp; Toshiba Corp
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1996-10-03
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】ＭＯＸ燃料棒の下部端栓溶接部２０に作用す
る応力をウラン燃料棒と同等あるいはそれ以下に低減す
る。【解決手段】特に燃料棒下部における出力が大きいＭ
ＯＸ燃料棒については、燃料有効長の最下に位置する燃
料ペレット１０と燃料棒下部端栓１２との間に断熱体２
１を設ける。この断熱体２１は二酸化アルミニウムのよ
うに高温で組成変化が小さいＡｌ₂ Ｏ₃ を用い、その形
状は燃料ペレットとほぼ同じ円柱形状、あるいはペデス
タル構造体とする。この断熱体２１の上面または下面に
複数のスリットを設けて燃料ペレット１０と下部端栓１
２との接触面積を減少させることも有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉に装荷され
る燃料集合体に関わり、特にウラン−プルトニウム混合
酸化物燃料棒の下部端栓溶接部に作用する応力を低減す
べく改良された燃料集合体に関する。

【０００２】

【従来の技術】原子炉燃料にはこれまで主に二酸化ウラ
ン（ＵＯ₂ ）が用いられてきたが、近年、燃料経済性の
向上を図るため、使用済みウラン燃料を再処理して得ら
れたプルトニウムを軽水炉で利用するプル・サーマル利
用（Plutonium thermal utilization ）の計画が進めら
れている。これは、再処理で回収された二酸化プルトニ
ウム（ＰｕＯ₂ ）に二酸化ウラン（ＵＯ₂ ）を混合する
ことにより、混合酸化物燃料（mixed-oxide fuel；以下
ＭＯＸ燃料という。）を製造し利用するものである。す
なわち、二酸化ウランの燃焼によって新たに生成された
プルトニウムを回収し、これと天然ウランあるいは劣化
ウランとを混合したＭＯＸ燃料からなるペレットを製造
し、ウラン燃料ペレットとともに燃料として用いるもの
である。

【０００３】図９は従来の燃料集合体１の構成を示した
切欠斜視図である。燃料集合体１は角筒状のチャンネル
ボックス２内に複数本の燃料棒３と少なくとも１本のウ
オータロッド４を収納している。これらの燃料棒３とウ
ォータロッド４は複数のスペーサ５により間隔を保持し
格子状に整列され、さらに上部タイプレート６と下部タ
イプレート７によって支持されている。また、チャンネ
ルボックス２内の下部にあるフィンガスプリング８は燃
料集合体の中を流れる冷却材が外部に流出することを抑
制するために設けられている。

【０００４】図１０はこの燃料棒３の縦断面図である。
燃料棒３は被覆管９内に複数の焼結ペレット１０を装填
し、上下端を上部端栓１１及び下部端栓１２で密封して
いる。この焼結ペレット１０装填部を燃料有効部１３と
いう。また、燃料有効部１３の上部にはＦＰガスが燃料
棒３内に放出された際のガス溜としての役割を持つプレ
ナム部１４が設けられ、プレナム部１４には焼結ペレッ
ト１０の軸方向の振動を抑制するスプリング１５が配設
されている。そのスプリング１５の内部には燃料棒の中
の水分を吸収するゲッタ１６が組み込まれている。

【０００５】図１１（ａ）は従来のウラン燃料棒の断面
図、図１１（ｂ）は従来のＭＯＸ燃料棒の断面図であ
る。ここに示すように、ウラン燃料棒の燃料濃縮度分布
とＭＯＸ燃料棒の燃料富化度分布には大きな違いがあ
る。すなわち、ウラン燃料棒３ａの燃料有効部１３ａの
うちウラン２３５の利用率の小さい燃料棒上下端は、天
然ウランペレット１７を配置した天然ウラン領域１７ａ
となっている。また燃料有効部１３ａの上下端を除いた
領域は、濃縮ウランペレット１８を配置した濃縮ウラン
領域１８ａとなっている。

【０００６】ところがＭＯＸ燃料棒３ｂは、燃料有効部
１３ｂ全域に渡って同じプルトニウム富化度のＭＯＸペ
レット１９が配置されている。これは、ＭＯＸ燃料の製
造工程が粉末処理からペレット成型、燃料棒装填までが
現状では一連の作業で行われていることから、異種富化
度のＭＯＸ燃料を製造するにはそれぞれ別々の工程をふ
まえる必要があり、製造上の観点から異種富化度のペレ
ットの製造が難しいためである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１２は上述のウラン
燃料及びＭＯＸ燃料の軸方向出力を模式的に示したグラ
フである。なお、図中には、上記従来の技術で示したウ
ラン燃料棒３ａにおける濃縮ウラン領域１８ａ及び天然
ウラン領域１７ａの位置をあわせて示した。この図から
わかるように、ウラン燃料と比べてＭＯＸ燃料は燃料下
部における出力が高くなっている。これは、ＭＯＸ燃料
棒の下部にはウラン燃料棒のように天然ウラン領域が配
置されず、燃料棒中心部と同じ富化度のＭＯＸペレット
１９が配置されているためである。

【０００８】図１３は燃料棒下部の拡大断面図である。
燃料有効部における燃料ペレット１０と被覆管９との間
には間隙が存在し両者は接していないが、図に示すよう
に、燃料有効部の最下に位置する燃料ペレット１０は燃
料棒下部端栓１２に載置しており、燃料ペレット１０か
ら燃料棒下部端栓１２へ、図中矢印で示した熱流束が生
じる。この熱流束により、この燃料ペレット１０に接す
る下部端栓１２は、燃料ペレット１０に接していない被
覆管９よりも相対的に温度が高くなる。さらに図１２に
示したように、燃料下部の出力が高いＭＯＸ燃料の方が
燃料棒下部での燃料ペレットの発熱量が大きく、ウラン
燃料に比べて下部端栓１２の温度がより高くなる。

【０００９】よって特にＭＯＸ燃料では、下部端栓１２
と被覆管９下端部の温度差がより大きくなる傾向があ
る。したがって、ウラン燃料棒と比較してＭＯＸ燃料棒
では、下部端栓１２と被覆管９との接合部分に両者の温
度差に起因して大きな熱膨張差が生じ、それに伴って応
力が増大し、ＭＯＸ燃料棒が弾性範囲を超える恐れがあ
る。

【００１０】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、下部端栓溶接部２０に作用する応力をウラ
ン燃料棒並に低減したＭＯＸ燃料棒を備えてなる燃料集
合体を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、核分裂性物質からなる燃料ペレットを
被覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を備えた
複数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね燃料棒
の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タイプレ
ートと、これら両タイプレート間で燃料棒相互の間隔を
保持する複数のスペーサを有する燃料集合体において、
燃料棒の少なくとも一部には燃料ペレットと燃料棒下部
端栓との間に断熱体を設けてなることを特徴とする燃料
集合体を提供する。

【００１２】これにより、燃料被覆管下端部と燃料棒下
部端栓との熱膨張差により発生する下部端栓溶接部の応
力を低減することができる。また、断熱体が設けられた
燃料棒の燃料ペレットは二酸化ウランと二酸化プルトニ
ウムを混合し成型した混合酸化物からなるよう設定する
ことにより、特に燃料棒下部での燃料ペレットの発熱量
の高いＭＯＸ燃料棒に本発明を適用することで、ＭＯＸ
の利用を図りかつ上述した熱膨張差により発生する下部
端栓溶接部の応力を低減することができる。

【００１３】さらに、この断熱体としては二酸化アルミ
ニウム（Ａｌ2 Ｏ3 ）のように高温でも物性の変化の小
さい物質を使うことで、断熱効果が一層向上する。さら
にこの断熱体は燃料ペレットと実質的に同じ径を持つ円
柱形状に成型する。これにより、断熱体をペレットと同
様に装填することで燃料棒製造時の取扱いがしやすくな
る。

【００１４】あるいはこの断熱体は下部端栓の上面に設
けられたペデスタル構造体であり、かつこのペデスタル
構造体は燃料ペレットとの接触部と下部端栓との連結部
とからなり、この連結部の径は接触部の径より小さいよ
う設定する。これにより、燃料棒下部端栓と断熱体との
接触面積を減らすことで上述の熱膨張差により発生する
下部端栓溶接部の応力を低減することができる。

【００１５】さらにこの断熱体の上面または下面の少な
くとも一方に複数のスリットを設ける。これにより、燃
料棒下部端栓と断熱体との接触面積あるいは燃料ペレッ
トと断熱体との接触面積を減らすことで上述の熱膨張差
により発生する下部端栓溶接部の応力を低減することが
できる。

【００１６】また、核分裂性物質からなる燃料ペレット
を被覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を備え
た複数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね燃料
棒の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タイプ
レートと、これら両タイプレート間で燃料棒相互の間隔
を保持する複数のスペーサを有する燃料集合体におい
て、燃料棒の少なくとも一部には燃料棒下部端栓の上面
に複数のスリットを設けてなることを特徴とする燃料集
合体を提供する。これにより、燃料棒下部端栓と断熱体
との接触面積を減らすことで上述の熱膨張差により発生
する下部端栓溶接部の応力を低減することができる。

【００１７】あるいは、核分裂性物質からなる燃料ペレ
ットを被覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を
備えた複数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね
燃料棒の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タ
イプレートと、これら両タイプレート間で燃料棒相互の
間隔を保持する複数のスペーサを有する燃料集合体にお
いて、燃料棒の最下に位置する燃料ペレットの下面に複
数のスリットを設けてなることを特徴とする燃料集合体
を提供する。これにより、燃料ペレットと断熱体との接
触面積を減らすことで上述の熱膨張差により発生する下
部端栓溶接部の応力を低減することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係
る燃料集合体の燃料棒の下部の拡大断面図である。本実
施形態は燃料ペレット１０と下部端栓１２との間に、ペ
レットとほぼ同じ長さの径の円柱形状に成型された非発
熱体（断熱体）２１を設けたものである。断熱体として
は、例えば300 〜1500℃の使用条件下でも物性の変化が
小さい二酸化アルミニウム（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）のように、高
温条件下に耐えうるものを使用する。これにより、発熱
体である燃料ペレット１０と下部端栓１２が直接接する
ことがないから下部端栓１２の温度上昇を抑制し、下部
端栓１２と被覆管９の温度差に伴う熱膨張差を抑制する
ことができる。

【００１９】以下本実施形態の作用効果について説明す
る。なおここで断熱体２１としてはＡｌ₂ Ｏ₃ を用いる
ものとする。図２は本実施形態における下部端栓溶接部
２０近傍の下部端栓温度の解析結果を示したグラフであ
る。横軸には断熱体２１の高さを示し、縦軸にはそれに
対応する下部端栓温度を、従来の断熱体を置かない場合
の下部端栓最大温度を１として相対値で示した。この図
によれば、断熱体２１の高さを５mm、１０mmとしたと
き、それぞれ従来に比べて下部端栓最大温度が８０％以
下、７０％以下に低減されることがわかる。また、断熱
体２１の高さが１０mm以上となると下部端栓最大温度は
ほぼ変わらない、すなわち断熱体２１の高さに関わらず
断熱効果が飽和する傾向を示している。従って、燃料ペ
レット１０とほぼ同じ高さの１０mmの断熱体２１で十分
な断熱効果を図ることができる。

【００２０】図３はこの場合の下部端栓１２と被覆管９
との温度差の解析結果を示したグラフである。グラフの
縦軸には下部端栓１２と被服管９との最大温度差を、従
来の断熱体を置かない場合の当該温度差を１として相対
値で示した。上述した断熱体２１の断熱効果により、断
熱体２１の高さを５mm、１０mmとしたとき、それぞれ従
来に比べて当該温度差が６０％以下、４０％以下に低減
されることがわかる。従って、下部端栓１２と被覆管９
の熱膨張差が大幅に抑制できる。

【００２１】図４は下部端栓溶接部２０に作用する応力
の解析結果を示したグラフである。グラフの縦軸には下
部端栓溶接部２０に発生する応力を、従来の断熱体を置
かない場合の当該応力を１として相対値で示した。上述
した下部端栓１２と被覆管９の熱膨張差の抑制効果によ
り、断熱体２１の高さを５mm、１０mmとしたとき、それ
ぞれ従来と比べて下部端栓溶接部２０に発生する応力が
約５０％、約３０％に低減される。

【００２２】一方、従来の図１３に示す場合での下部端
栓溶接部２０に発生する応力は、ＭＯＸ燃料棒を１とす
るとウラン燃料棒はおよそ０．６である。このことを考
慮すれば、断熱体２１を設けることにより、特に断熱体
２１の高さを５mm以上とした場合には、下部端栓溶接部
２０に発生する応力を従来のウラン燃料棒と同程度ある
いはそれ以下に低減することができる。

【００２３】以下本発明の第２の実施形態について説明
する。図５は本実施形態に係る燃料集合体の燃料棒の下
部拡大断面図である。本実施形態では、燃料ペレット１
０と下部端栓１２との間に断熱体となるペデスタル構造
体２２を設けたものである。このペデスタル構造体２２
は、燃料ペレット１０の接触部２２ａと下部端栓１２と
の連結部２２ｂから成り、この連結部２２ｂは接触部２
２ａより細径となるよう設定した。

【００２４】こうして連結部２２ｂを細径とすることに
より、このペデスタル構造体２２と下部端栓溶接部２０
近傍との間に間隙を設けて発熱体である燃料ペレット１
０と下部端栓１２との距離を従来より大きくすること
で、下部端栓１２への熱の伝達を抑制する。この構成に
よれば、上述した第１の実施形態において燃料棒の燃料
有効長下部に設けた断熱体２１の高さより、ペデスタル
構造体２２の高さを低くすることができると同時に、第
１の実施形態と同様に下部端栓溶接部２０に発生する応
力を抑制することができる。

【００２５】以下本発明の第３の実施形態について説明
する。本実施形態は、従来の場合として図１３に示した
燃料棒の下部端栓１２の上方のベース部、すなわち下部
端栓１２の発熱体である燃料ペレット１０との接触面
に、複数のスリット２３を一方向に設けたものである。
図６（ａ）は本実施形態に係る燃料集合体の燃料棒下部
端栓１２の拡大断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の燃料
棒下部端栓１２の上面図である。図６（ａ）において斜
線で示した部分が燃料ペレット１０と直接接触する面で
ある。

【００２６】このように下部端栓１２のベース部に複数
のスリット２３を一方向に設けることにより、発熱体で
ある燃料ペレット１０と下部端栓１２との接触面積を減
らすことで燃料ペレット１０からの下部端栓１２への熱
の伝導を抑制し、下部端栓１２と被覆管９との温度差に
よる熱膨張差から生じる応力を低減することができる。

【００２７】また本実施形態の変形例として、下部端栓
１２のベース部に格子状のスリットを設けたものがあ
る。図６（ｃ）はこの場合の下部端栓１２の上面図であ
る。この構成によっても本実施形態と同様の作用効果を
得ることができる。

【００２８】以下本発明の第４の実施形態について説明
する。本実施形態は、従来の場合として図１３に示した
燃料棒の燃料有効長の最下部の燃料ペレット２４の下面
の下部端栓１２との接触面に、複数のスリット２３を一
方向に設けたものである。図７（ａ）は本実施形態に係
る燃料集合体の燃料有効長の最下部の燃料ペレット２４
の拡大断面図、図７（ｂ）は図７（ａ）の下面図であ
る。図７（ａ）において斜線で示した部分が下部端栓１
２と直接接触する面である。

【００２９】なお、図７（ａ）に示すように燃料ペレッ
ト２４の上面にも同様のスリット２３を設けてもよい
が、本実施形態の本質は燃料ペレット２４の下面にスリ
ットを設けた点にある。

【００３０】このように燃料ペレット２４の下部端栓１
２との接触面に複数のスリットを一方向に設けることに
より、発熱体である燃料ペレット２４と下部端栓１２と
の接触面積を減らすことで燃料ペレット１０からの下部
端栓１２への熱の伝導を抑制し、下部端栓１２と被覆管
９との温度差による熱膨張差から生じる応力を低減する
ことができる。

【００３１】また本実施形態の変形例として、燃料ペレ
ット２４の下部端栓１２との接触面に格子状のスリット
を設けたものがある。図７（ｃ）はこの場合の燃料ペレ
ットの下面図である。この構成によっても本実施形態と
同様の作用効果を得ることができる。

【００３２】以上いくつかの実施の形態を示したが、こ
れらの実施形態を適宜組み合わせることにより、燃料ペ
レットと下部端栓との接触面積を減らすことで、燃料棒
を下部端栓と被覆管との温度差による熱膨張差から生じ
る応力を低減した構造とすることができる。その一例を
第５の実施形態として以下説明する。図８は本実施形態
に係る燃料棒下部端栓の上部に位置するペデスタル構造
体２５の拡大断面図である。

【００３３】図８に示したペデスタル構造体２５は、第
２の実施形態として図５に示した下部端栓１２の上部に
位置する非発熱体のペデスタル構造体２２の燃料ペレッ
ト１０との接触面に、第３の実施形態において説明した
スリット２３を設けた構造である。このスリットは、第
３の実施形態において図示して説明したように、一方向
のもの、格子状のもののいずれでもよい。これにより、
第２の実施形態と第３の実施形態の作用効果を併せ持つ
ことができる。

【００３４】また、以上の各実施形態はＭＯＸ燃料棒に
ついてのみではなく、従来のウラン燃料棒においても適
用可能である。この場合、上述の作用によって、従来よ
り下部端栓溶接部に作用する応力をさらに低減すること
ができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明の各実施例に関わる燃料集合体に
よれば、ＭＯＸ燃料棒の下部端栓溶接部に作用する応力
をウラン燃料棒と同等あるいはそれ以下に低減すること
により、より安全な燃料集合体を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料集合体の燃
料棒の下部の拡大断面図である。

【図２】本発明の第１の実施形態における燃料棒下部端
栓溶接部近傍の下部端栓温度の解析結果を示したグラフ
である。

【図３】本発明の第１の実施形態における燃料棒下部端
栓と被覆管との温度差の解析結果を示したグラフであ
る。

【図４】本発明の第１の実施形態における燃料棒下部端
栓溶接部に作用する応力の解析結果を示したグラフであ
る。

【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料集合体の燃
料棒の下部の拡大断面図である。

【図６】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る燃料集
合体の燃料棒の下部端栓の拡大断面図、（ｂ）は（ａ）
に示した下部端栓の上面図、（ｃ）は本実施形態の変形
例に係る燃料集合体の燃料棒の下部端栓の上面図であ
る。

【図７】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る燃料集
合体の燃料棒の燃料有効長の最下に位置する燃料ペレッ
トの拡大断面図、（ｂ）は（ａ）に示した燃料ペレット
の上面図、（ｃ）は本実施形態の変形例に係る燃料集合
体の燃料棒の燃料有効長の最下に位置する燃料ペレット
の上面図である。

【図８】本発明の第５の実施形態に係る燃料集合体の燃
料棒の下部端栓の上部に位置するペデスタル構造体１８
の拡大断面図である。

【図９】従来の燃料集合体の構成を示した切欠斜視図で
ある。

【図１０】従来の燃料集合体の燃料棒の縦断面図であ
る。

【図１１】（ａ）は従来のウラン燃料棒の断面図、
（ｂ）は従来のＭＯＸ燃料棒の断面図である。

【図１２】従来のウラン燃料及びＭＯＸ燃料の軸方向出
力を模式的に示したグラフである。

【図１３】従来の燃料集合体の燃料棒の下部拡大断面図
である。

【符号の説明】

１燃料集合体２チャンネルボックス３燃料棒４ウォータロッド５スペーサ６上部タイプレート７下部タイプレート８フィンガスプリング９燃料被覆管１０、２４燃料ペレット１１上部端栓１２下部端栓１３燃料有効部１４燃料棒プレナム部１５スプリング１６ゲッタ１７天然ウランペレット１８濃縮ウランペレット１９ＭＯＸペレット２０下部端栓溶接部２１、２２、２５断熱体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小村清一神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】核分裂性物質からなる燃料ペレットを被
覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を備えた複
数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね前記燃料
棒の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タイプ
レートと、これら両タイプレート間で前記燃料棒相互の
間隔を保持する複数のスペーサを有する燃料集合体にお
いて、前記燃料棒の少なくとも一部には前記燃料ペレッ
トと前記燃料棒下部端栓との間に断熱体を設けてなるこ
とを特徴とする燃料集合体。
【請求項２】前記断熱体が設けられた燃料棒の燃料ペ
レットは二酸化ウランと二酸化プルトニウムを混合し成
型した混合酸化物からなることを特徴とする請求項１記
載の燃料集合体。
【請求項３】前記断熱体は二酸化アルミニウム（Ａｌ
₂ Ｏ₃ ）からなることを特徴とする請求項１記載の燃料
集合体。
【請求項４】前記断熱体は前記燃料ペレットと実質的
に同じ径を持つ円柱形状に成型されてなることを特徴と
する請求項１記載の燃料集合体。
【請求項５】前記断熱体は前記下部端栓の上面に設け
られたペデスタル構造体であり、かつこのペデスタル構
造体は前記燃料ペレットとの接触部と前記下部端栓との
連結部とからなり、この連結部の径は前記接触部の径よ
り小さいことを特徴とする請求項１記載の燃料集合体。
【請求項６】前記断熱体の上面または下面の少なくと
も一方に複数のスリットを設けてなることを特徴とする
請求項１乃至請求項５記載の燃料集合体。
【請求項７】核分裂性物質からなる燃料ペレットを被
覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を備えた複
数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね前記燃料
棒の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タイプ
レートと、これら両タイプレート間で前記燃料棒相互の
間隔を保持する複数のスペーサを有する燃料集合体にお
いて、前記燃料棒の少なくとも一部には前記燃料棒下部
端栓の上面に複数のスリットを設けてなることを特徴と
する燃料集合体。
【請求項８】核分裂性物質からなる燃料ペレットを被
覆管に装填し上下端に上部端栓及び下部端栓を備えた複
数本の燃料棒と、これら燃料棒を格子状に束ね前記燃料
棒の上下端を保持する上部タイプレート及び下部タイプ
レートと、これら両タイプレート間で前記燃料棒相互の
間隔を保持する複数のスペーサを有する燃料集合体にお
いて、前記燃料棒の最下に位置する燃料ペレットの下面
に複数のスリットを設けてなることを特徴とする燃料集
合体。