JPS58171694A - 中空ペレツト核燃料棒 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は核分裂炉の炉心゛に用−いる核燃料要素の改良
に関し、特に、燃料要素内のガス用再循環路を形成する
中空燃料ペレツ１〜を有りる改良核燃料棒に関づる。

根状、管状、棒状等の様々な形状を有し判る燃料要素に
核燃料が内蔵されるような原子炉が現在設ｉ１され、製
造されそして運転されている。燃料拐利、すなわら、核
分裂性元素、例えば１Ｊ２ｎ、ｊＪ　７６またはＰｕｚ
ああるいはこれらの化合物は、通常耐食性、非反応性、
熱伝導性の容器または被覆に包囲される。これらの燃料
要素は、核分裂連鎖反応を持続するのに十分な燃料要素
からなる燃料集合体となるように組合わされ、原子炉容
器内に設置される。冷却材は原子炉容器内を流れ、核分
裂反応によっＣ生じた熱を奪いそしＣ熱Ｊネルギーを熱
交換器に伝える。

燃料要素被覆は幾つかの目的に役立つ。この被覆は核燃
料を冷７Ｊｌ口の掲食効果から保護し、放射性核燃料と
、燃料の壊変によって生ずる核分裂生成物とを内蔵しそ
しＣ冷却材の汚染を防ぎ、ま、た、核分裂によって生ず
る熱を冷却材に伝達りる効率的４１熱伝導体として役立
つ。被覆はまた燃料要永相す間の効率的な中性ｆ移送を
促進するために低中性子吸収断面をもつ必要がある。鵡
通の被覆月利はジルコニウムとその合金、ステンレス鋼
、アルミニウムとその合金、ニオブ、およびある種のン
グネシウム合金である。被覆の破損と、冷Ｎｌ材への放
射性物質の放出はプラントの運転に重大な影響を与える
。

核燃料は通常、密封された燃料要素被覆内に取外し自在
に設けられたペレットとして形成される。

燃料要素内の核燃料ペレットは、被覆の構造的健全性を
確保しかつ冷却材への伝熱の効率を高めるように設計さ
れな（）ればならない。

核燃料ペレットは代通焼結二酸化ウランと他のレラミッ
ク組成物で作られる。なぜなら、しシミツク形態のペレ
ットは融点が高く、例えば、二酸化ウランの場合り　０
００　’Ｆ　′ｃあるからである。燃料ベレットを高温
で用いれば、燃料要素は発生熱を最も効率良く伝達し得
、従つＣ１原子炉は最も効率良く機能する。もし熱が燃
料要素から効率良く除去されなければ、望ましくない効
果が生ずる。

燃料ベレットは溶融するおそれがあり、そして燃料要素
の機械的破損と他の望ましくない熱関係の問題をひき起
り。一般に、効率の悪い伝熱は原子炉の運転効率を悪く
する。

燃料ペレッ１へを形成するために通例用いられる二酸化
ウランのような焼結セラミック組成物は、原子か運転中
燃料ペレットに存在する高温状態ぐの照射中かなりの場
の核分裂生成物、例えば、ヨー素とカドミウムを放出り
る。核分裂生成物の堆積は特に問題になる。なぜなら、
ある種の核分裂生成物は被覆の化学的ぜい化をひき起こ
すおそれがあるからである。被覆は、燃料ペレットの熱
膨張による応力と、発生ガスにＪ、る内部勺圧による応
力を受【ノる可能性がある。これらの応力は被覆のぜい
化と共に破損をひき起こすおそれがある。

また、ペレット製造］稈から生ずる残存水分が燃料要素
内に存在づる可能性がある。もし過多の水分が存在すれ
ば、燃料使用中に水蒸気が放（旦され、ジルコニウム合
金製被覆と反応し、そしてぜい化をもたらすジル″ｊニ
ウム水索化物を形成する。

これらの水素化物もまた運転中燃料要素の機械的破損を
ひき起こ１ａ３それがある。その結果、ペレットにおけ
る残存水蒸気を除去する様々な技術（乾式処理と高温真
空ガス放出）、または燃料要素内の非構造的化学友応性
ゲッタにおいて残存水蒸気を優先的に捕える様々な技術
が用いられてきた。これらの技術は、単独でも組合わさ
れても、水素化物のぜい化とジルコニウム合金を被覆し
た燃料要素の破損とを防ぐのに有効であることがわかっ
Ｃいる。

従って、必要なものは、熱的に誘起される機械的応力の
ような高温と関係づ−る悪影響と、ぜい化をもたらづ腐
食性核分裂生成物とを最小にしながら、燃料要素内の核
燃料ペレットから周囲冷Ｌ１祠への熱伝達を最大にする
ための機構である。

特に必要なりのは、核燃料要素内の燃料ペレットと被覆
との間の腐食性相り１作用を防止づる技術ぐある。

さらに必要なものは、核分裂反応における燃料要素内の
水素発生の悪影響を最小にする機構である。

先行技術の説明 中空ペレッ１−とゲッタは燃料棒用として知られている
。しかし、先行技術は燃料棒内部の中空ペレットを貫通
ｑるガス勇循環路を教示しでいない。

米国特許第３８９９３９２号には、ゲッタ材料を水蒸気
と反応性ガスとを吸収するように用いることによって水
素化問題を解決しようとする方法が開本されている。こ
の方法はぜい化の原因を最小にするが、燃料ペレットの
熱膨張によって生ずる被覆応力を除去しない。

内部ボイドを有する燃料要素ペレットは当業者に周知で
あ。このようなボイドが膨張による熱応力を許容づるこ
とは既に示されＣおり、ボイドは〜般にペレットの外部
に対して密閉されている。

このような構造の例（よ米国特許第３０４３７６１号、
第３４４２７６１号および第３１４５１４９号に見られ
る。

１ルしｆ炉冷却材が燃料要素の軸り内通路を通つＣ外部
的に循環するような燃料要素設計は公知である。米国特
許第２９８３６６３号は、内部通路と外殻を備えるよう
に被覆イ・１ぎ環状断面部を有する燃料棒を承り。密１
４されｌこ燃料要素内の冷却材内循環についてはなんの
示唆もない。

免１へＬＬ 本発明によれば、原子炉燃料要素は、ぜい化をｂたらず
水蒸気と核分裂生成物を吸収用のゲッタへ、または低応
力域におＧする凝結のために開放プレブームへ導く再循
環流路を備える。この再循環流路は次のような複数の燃
料ペレット、すなわち、軸り向流路を形成づるように相
互に連結される軸り内通路を有し、そしＣ環状流路を画
成する環状空間を形成するように被覆管の内径より小さ
な外径を有する燃料ペレッ１〜によって設けられる。燃
料要素は垂直軸線に沿って設けられることが好ましい。

底ペレット、継手また（ま取付（ｙベースが、環状流路
から軸方向流路への流路を提供りる。流路はゲッタを貫
通づるかまたはその周囲に−存し、ゲッタは通常、燃料
要素内に４３いて、充てんガスに捕えられた望ましくな
い不ｌｌｌ１！物のブックリングを最大に１６ように設
ｂ１された箇所に設（ノられる。

非腐食性充てんガスは燃料ペレットから被覆殻ま（゛の
熱伝達に役立つ。

従って、本発明の主目的は燃料ペレットから被覆への熱
伝達を改良（るために充てんカス用の再循環路を有する
核燃料要素を提供することである。

本発明の他の目的は、燃料要素の作用中に生ずる水蒸気
と核分裂生成物を燃料要素の低温域に存りるゾレノム室
に通ず改良１１式を用いた核燃料要素を提供することで
ある。

本発明の他の目的は、燃料要素の低温域に設けたゲッタ
カプセルに水蒸気と核分裂生成物を捕える核燃料要素を
提供すること（・ある。

本発明の他の目的は、燃料棒のプレナム内に設（ノたゲ
ツタカブレルに水蒸気と核分裂生成物を捕える核燃料要
素を提供することである。

本発明の他の目的は、被覆を燃料ペレットの、応力を誘
起り−る熱膨張から隔離する核燃料要素を提供づること
である。

これらの目的と他の目的は添付図面と関連りる以下の説
明から明らかとなろう。

Ｌ１飢【吐 第１図は本発明による核燃料要素１０のｌＦｉ面図であ
る。燃料要素１０は上端密閉体１４と下端密閉体１８と
を有する被覆１２によって形成された密封中空筒形室を
備え、両端密閉体は密閉体溶接部１６において被＠１２
に溶接されている。被覆１２と両端密閉体１４．１８は
通例ジル−１ニウム合金ｒ″製造されている。本発明に
よれば、上端密閉体１８のＦ面には、半径方向通路２２
をＴｈｌる継手−または取（＝ｊ　１．ｊペース２０が
装着され、半径り内通路２２はベース２０の外部を継手
２０内の軸方向通路を画成づる中空ボイドに連結し−Ｃ
いる。

継手２０は、燃料要素内の熱的ａ５よび化学的状態に抗
づる適当なセラミックまたは耐火金属材料て゛製造され
得る。代表的なレラミツク８１１１は、ウラン、プルト
ニウム、トリウム、ジルコニウム、ハーノーウム、二オ
シ、イツトリウム、アルミニウムの酸化物、窒化物また
は炭化物およびそれらの混合物を含むがそれらに限定さ
れない。代表的な金属材料は、ステンレス鋼、ニック゛
ル、タングステン、八ツニウム、ジルコニウムＪ３よび
二Ａブの金属または合金を含みうるが、イれらに限定さ
れない。さらに、本発明によれば、中空ベース２０には
複数の燃料ペレット２４が積み重ねられ、各燃料ベレッ
ト２４は内部ボイドを石する。このボイドはベース２０
からキャップ３０を貫通する軸方向室２６の一部を形成
づる。また、各燃料ペレット２４は被覆１２の内径より
小さな外径を有し、従つＣ１第２図に示づように外部環
状室２８を形成りる。

１ヤツゾ３０はレラミックまたは耐火金属月ＦＩＣ作ら
れ、重なり合う燃料ペレット２４の頂部に設置される。

キャップ３０はまた活性燃料ペレットＣ−もよい。ギャ
ップ３０にはゲッタカプセル３２が取付けられでいる。

ゲッタカプセル３２は、好ましくは粒状のゲッタ材料３
６を有効量弁てんした通気性容器３４でよい。ゲッタ材
料３６４よヨー索およびカドミウムと反応する材料、例
えば、ジルコニウム、チタン、銅、ニッケルまたはそれ
らの合金である。バスケット形態の粒状材料が好ましい
。なぜなら、粒子によって提供されるも効表面積が大き
いからぐある。しかし、他の形態、例えば、らけん積形
のゲッタ材料もゲッタとして用いつる。ゲッタカプセル
３２は燃料要素の通常最も、高い部分におりるプレ犬ム
至３８内に配置され−Ｃいる。ブレナム室３８はゲッタ
リブセル３２を設置づる最適な場所である。なぜなら、
高温燃料ペレットから駆逐される水蒸気がゲッタと反応
しそして（あるいは）プレブーム室３８の被覆内面に凝
結するからである。

核燃料要素１０は光（んガス４０、例えば、１１縮ヘリ
ウムで満たされＣおり、このガスは燃料ペレット２４と
被覆１２との間の効率の良い熱伝達を促進り゛る。

運転中、燃料棒１０は原子炉内に垂直位置を占めるよう
に設けられる。垂１ツノ向に重なり合う燃料ペレット２
４は、温度が半径方向に低下する熱勾配を設定４る。軸
方向内室２６に沿う燃料ペレット２４の表面温度はペレ
ット２４の外面にお（〕る表面温度より高くなろう。ま
た、燃料要素の底部における温度は上部プレプムにおけ
る温度より低い。これらの湿度差によりガスの再循環流
に推進力が与えられ、ガス流は上りに向かって軸方向室
２６を通り、さらにゲッタ７Ｊプセル３２を通り次いで
、下りに向かって被覆１２の壁に沿う環状室２８を通り
、さらに半径り内通路２２を通って軸り内室２６に戻る
。さらに詳述号名と、熱は軸／ｊ向内室６の表面から充
てんカスに伝達され、充Ｃんガスは対応する密度減少に
よって上昇する。

加熱された充てんガスは」三方に流れでゲッタカプセル
３２を通り、そこで不純物が化学反応によっで捕えられ
、そして充てんガスはブレナム室３８に入り、そこで充
てんガスは熱を比′較的低潟の被＠１２に伝達し、そし
て不純物は凝結によって捕えられる。こうして比較的低
温になり、密度が畠よりそして除染されたガスは降下し
て環状室２８を通って燃料要素１０の底部に達し、その
間熱を被覆１２に伝達し、次いで半径方向通路２２を通
って軸方向室２６に達し、そこからガスは再び１昇する
。

本発明の重要な利点の一つは、燃料要素の破損を招くペ
レットと被覆間の相互作用に対する抵抗力の向上である
。本発明は、燃料の温度を均等に調整しながら、有害核
分裂生成物を充てんガスから除人することを促進する。

本発明の他、ＣＯ，ｓ装な利点は、燃料棒の総合伝熱を
増加することによって燃料要素の全熱効率を高めること
である。

以上、本発明の実施例についＣ詳述したが、もちろん本
発明の範囲内で幾多の改変が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による核燃料要素の断面図、第２図は１
個の燃料ペレットを切断したば揚台の燃料要素の断面図
、第３図は底ベレットを切断した場合の燃料要素の断面
図で循環通路を示す。 １０・・・・・・燃料要素、 １２・・・・・・被覆、 １４・・・・・・上端密閉体、 ］８・・・・・・下端密ｍ体、 ２０・・・・・・ベース〈取付物）、 ２２・・・・・・半径方向通路、 ２４・・・・・・燃料ペレツ１〜． ２６・・・・・・軸り自室、 ２８・・・・・・環状室、 ３０・・・・・・キャップ。 ３２・・・・・・ゲッタカシｌし、 ３４・・・・・・通気性容器、 ３６・・・・・・ゲッタ材料、 ３８・・・・・・プレナム室。 特許出願人 ゼネラル・土しクトリツク・カンバーイ代理人　（７６
３０）　　生　沼　肥　ニＦＩＧ　　　、２ ＦＩＧ、　　　３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　上端と下端を有づる細長い被覆容器と。 この被覆容器の下端に一体的に封着された下端密閉体と
   、前記被覆容器の上端に一体的に封着された上端密閉体
   と、前記被覆容器に対しＵ＠ｂ向の中央空洞を有して軸
   ′ｈ１ｂｊ通路を形成し、前記被覆容器の内側寸法より
   小ざな外側寸法を有して環状通路を形成する少なくとも
   １個の燃料ペレットと、前記燃料ペレットと前記上端密
   閉体との間に存しかつ前記軸方向通路Ｊ３よび環状通路
   と連通づるプレナム室を画成する手段と、前記環状通路
   および前記軸方向通路と連通しかつ前記燃料ペレットと
   前記下端密閉体との間に存して流体を流通させる手段と
   から成り、この流体流通手段と前記軸方向通路と前記環
   状通路と前記プレナム室は熱を前記被覆容器に伝達する
   ために前記ペレットを囲みかつそれを貫通する流体再ｆ
   ］環路を画成する、核燃料要素。 （２）　前記流体流通手段は耐火材料のペレットまたは
   取付物を貫通りる半径方向通路によって形成され−Ｃい
   る、特許請求の範囲第（１）項記載の核燃料要素。 〈３）　水と水蒸気と揮発性核分裂生成物の吸収のため
   に前記プレナム室内に装着された手段をさらに含む、特
   許請求の範囲第（１〉項記載の核燃料要素。 （４）　前記吸収手段は、前記軸り白道路内を、１−昇
   する加熱されたガスと核分裂生成物を捕えるために配置
   された中空形または開放形あるいは通気性の容器と、ゲ
   ッタ合金を含みそして前記通気性容器内に配設された複
   数の粒子とからなる、特許請求の範囲第（１）項記載の
   核燃料要素。 〈５）　前記粒子はさらに銅または銅合金を含む、特許
   請求の範囲第（４）項記載の核燃料要素。 （６〉　前記通気性容器を取付ける手段をさらに含み、
   この容器取付は手段は、加熱されたガスを前記軸方向通
   路から通気性容器に通しつるように前記燃料ペレツ１〜
   の１−ｈに配置された耐火材料の環状体からなる、特許
   請求の範囲第（４）１ｇ４記載の核燃料要素。 （７）　水と水蒸気と揮発性核分裂生成物を前記燃料ペ
   レットの前記軸方向通路から前記吸収手段に移送づるた
   めと、前記燃料ペレツ１−によつＣ・生じた熱を前記被
   覆容器に伝達するための充填ガスをさらに含む、特許請
   求の範囲第（４）項記載の核燃料要素。 （８）　前記中空燃料ペレットはウラン化合物、プルト
   ニウム化合物、ｌ〜リウム化合物およびこれら諸化合物
   の混合物とからなる群から選択した材料ぐ製造されてい
   る、特許請求の範囲第く４）項記載の核燃料要素。 くっ）　前記被覆容器はジルコニウム、ジル」ニウム合
   金、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム化合物
   、ニオブ、ニオブ合金およびマグネシウム合金とからな
   る群から選択したＵ料て゛製造されている、特許請求の
   範囲第（４）ＩＪｉｌ記載の核燃料要素。