JPS58210589A - 核燃料要素 - 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】 本発明は、核燃料の燃焼（核分裂）にともなって核燃料
要素内に蓄積する核分裂生成物による被覆管の応力腐食
割れ防止構造を改良した核燃料要し 素に関するンのである。

核燃料要素は、ウラン酸化物を円柱状に圧粉、成形して
焼結したペレットを多数個円筒状のジルコニウム合金被
覆管内に充填し、両端開口部を端栓で密封して構成され
る。この核燃料要素を原子炉内で使用すると、燃料ペレ
ットの中心部の温度は１０００Ｃ以上に上昇し、被覆管
の温度は３００〜４００Ｃに到達する。このような高温
になると、核燃料の燃焼に伴って蓄積される核分裂生成
物（以下Ｆ、Ｐと称す）特に、Ｉ、Ｃ８，Ｔｅ、Ｃｄな
どの揮発生核穐が被覆管内表面に沈着し、被覆管に腐食
作用を起こすと同時に、燃料要素の発熱に伴うペレット
の熱膨張による応力が被覆管に作用し、応力腐食割れが
発生する。この現象は、核分裂生成物濃度が一定濃度以
上に達しているとき、原子炉出力の急激な上昇などによ
り、被覆管への応力が増加すると、一層起り易くなるこ
とが知られている。この応力腐食割れ防止のため、円柱
状ペレットの性質、形状、被覆管製法の改良、さらに、
原子炉運転方法の改善などによシ、応力の集中を抑制す
る方法が考えられている。しかし、これらの方法は、燃
料ペレットから核分裂生成物の放出を完全に抑制するも
のではないため、核燃料要素の長寿命化及び原子炉の負
荷追従運転などの過酷な使用条件に対しては種々の問題
がある。

応力腐食割れを起こす主要な核種である沃素（Ｉ）など
の揮発性核分裂生成物は、ペレット中６部の１００ＯＣ
以上の温度領域では、ベレット周囲の低温部に拡散、ま
たは、ベレット外に分布することが照射後試験の結果に
より判明している。

とれらの揮発性核分裂生成物をペレット内に留めるだめ
の従来技術として、ペレット内に金属酸化物（Ｃａｂ、
Ｆｆ０３＊ＡｔｍＯｓ＋　Ｓ　ｉ（ｈなど）を添加して
有害核分裂生成物の放出を抑制する方法などが知られて
いるが、ベレット中心の高温部では、１．Ｔｅ、Ｃｓな
どの蒸気圧が高いため、クラックが多数発生すると、前
記金属酸化物及びベレットなどから、一部がクラックを
通してベレット外へ放出されることが避は難い。

このように従来技術では、ベレットに添加物の有無にか
かわらず、ベレット間や被覆管内表面に、Ｉ、Ｃｓ、Ｔ
ｅ、［Ｊなどの酸化物が沈着または化合物となって存在
し、披轡管内表面のジルコニウムが沃化物または酸化物
あるいはこれらの複合化合物となって、被覆管を脆化さ
せ応力腐食割れの一因となることが考えられる。

本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、ジルカ
ロイ視被覆管の応力腐食割れを抑制、防止できる核燃料
要素を提供することを目的としたものである。

本発明の核燃料要素は、ジルコニウム合金製被覆管内に
複数個の二酸化ウラン焼結燃料ベレットが積層、充填さ
れ、上記被覆管の両端開口部が密封されてなり、上記燃
料ベレット相互間に、ジルコニウムまたはジルコニウム
合金製の円板が挟着されてなるものである。

ジルコニウム（Ｚｒ）は沃素と（１）式のように反応す
る。

Ｚｒ＋ＸＩ＝Ｚ’Ｉｘ（Ｘ＝１〜４）＝＝（１）この反
応式は、例えば、ＺｒＩ４となった場合、６００’にの
生成自由エネルギーが−１５６ｋｃａｌ／ｍｏｔ、と非
常に活性な反応であり、被覆管と反応した場合応力腐食
割れの原因となる。

そこで、ベレットとベレットとの間の領域にジルコニウ
ムまたは合金製の板状体、例えば、円板を介在させた場
合、介在物の表面積は、介在物がない場合のジルコニウ
ム合金製被覆管内表面積に対して、約５０％増加させる
ことができ、同一に反応した場合でも、被覆管内面に反
応する沃素濃度を低下させる動きを有し−Ｃいる。一方
、燃焼中の燃料ベンツ）Ｋは第２図に示すように、多数
のクラック８が発生しており、揮発性の核分裂生成物は
ベレット中を拡散するようＫなり、高融の中心部からク
ラック８を通してペレット間に気化することが容易であ
る。

揮発性の核種としては、Ｘｅ、Ｋｒの希ガスの１１かＣ
ｓ、ｉ、’ｌ’ｅ、Ｒ，ｂ、Ｂｒ、Ｃｄ、Ｓｅ。

Ｓｂ、Ａｇなどがある。これらの核種は、単体または化
合物となってベレット外へ放出される。

ペレット間に介在された板状体は、ベレット中心部から
放出された気体と、（１）式のように反応するほか、そ
の他の核種を表面に沈着する。特に、Ｉｌｌ　ｅは蒸気
圧が１２００ｘでは３９８　Ｔｏｒｒとかなり大きいが
、７００　’Ｋにおいては、０．０２６Ｔｏｒｒとなり
、温度の低下とともに急速に低下する。

Ｔｅａｓの場合は、９００’にで０．００４Ｔｏｒｒと
かなり低くなる。このため、沃素の親核種であるＴｅも
ペレット間に介在させた板状体の温度勾配にしたがって
沈着され、Ｔｅの壊変によるＩも同様に反応するので、
放出される核分裂生成物の多くが介在物に保持される。

このようにペレット間にジルコニウム介在物を配置する
ことにより、ＩＩ　Ｔｅ、Ｃｓその他、被覆管内表面に
対し有害な核種を、ベレットとベレットとの境界に保持
することができ、被覆管内表面に到達する核分裂生成物
を応力腐食割れが生じない低い濃度に低減させることが
できる。しかも、ジルコニウムの熱中性子の吸収断面積
は０．１８パーンと他の金属に比べて非常に低いので、
燃料要素の核反らには悪影響は与えない。

次に本発明の核燃料要素の一実施例を第１図によシ説明
する。第１図は縦断面図であシ、１はジルコニウム合金
製の被覆管、２，３はそれぞれ上下の端栓、４は燃料ベ
レット、５はスプリング、６はガス溜め、７はジルコニ
ウムまたはジルコニウム合金製の円板である。被覆管１
は下部の開口端を端栓３によシ密封され、内部に複数個
の燃料ペレット４を上下の第４図に円板７を介装されて
積！−シ充填され、上端の開口を端栓２により密封され
、上端の燃料ペレット４と端栓２との間にスプリング５
が介装されこの部分にガス溜め６の空間が形成されてい
る。円板７は第３図に示す円板状に形成され、核分裂生
成物の１．Ｃｓ、’ｌ’ｅなどの核種を保持している。

第２図は第１図の燃料ペレット４のクラックが　。

入った状態の一部の拡大図であり、燃焼中のペレット４
は、熱応力により第２図のように多数のクラック８を生
じるが、円板７の介在物は第２図のように複雑に割れた
燃料ペレット４を正常状態に支える役割を有している。

そして、被覆管１への熱伝達を円ｆｊｔＫ行うほか、中
心部の１００Ｏｒ以上の領域から放出される揮発性核種
を、被覆管１より高温部で優先的に沈着させる効果があ
る。

これらの役割を果たすためのジルコニウム量は燃料ベレ
ッ）Ｉｇ当、９３０ｍｇ以下で十分である。

また、上記のように介在物の円板７を燃料ペレット１の
相互の境界のみに配置した場合、燃料ペレットの周囲中
央部は有害核分裂生成物が沈着し、応力腐食割れを起こ
す可能性はあるが、燃焼した燃料ペレット４は第２図の
ように、中央部は端部より凹形に焼き締まる傾向がある
。従って、燃料ペレットＩＫよる応力は端部に比べて小
さくなるため、応力腐食割れの起こる確率は低いと考え
られる。

このように本実施例の核燃料要素は、燃料ペレット相互
の境界に、ジルコニウムまたはジルコニウム合金製の円
板の介在物を挿入配置することにより、被覆管内表面と
反応する核分裂生成物を前記円板の介在物と反応させ、
または介在物に沈着させて保持することＫよシ、被覆管
内表面を腐食脆化させる核分裂生成物濃度を著しく減少
できる。

さらに、介在物の円板が、燃焼によってクラックの生じ
た燃料ペレット破片の軸方向移動を防止できるので、被
覆管に対する過度の応力集中を防止できる。従って、被
覆管の応力腐食割れを抑制、防止し核燃料の信頼性を向
上すると共に、設計寿命を長くでき経済性を向上できる
。

第４図、第５図は円板７の他の実施例を示し、第４図の
寿施例に訃いては、中心の高温部は燃料ペレットと同様
にジルコニウム介在物の保持する割合が小さくなること
から、１０００ｔｌ’以上の中心部を避けるように円環
板状に形成したものであシ、上記実施例と同様の作用効
果を有する。また、第５図においては、保持能力を大き
くするだめ、多孔質に焼結した介在物の円板としたもの
であシ、同様の作用効果を有する。

以上記述した如く本発明の核燃料要素は、被覆管の応力
腐食割れを抑制、防止でき経済性を向上できる効果を有
するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の核燃料要素の実施例の縦断面図、第２
図は第１図の燃料ペレットのクラックが入った状態の詳
細図、第３図は第１図の円板の詳細図、第４図、第５図
はそれぞれ第１図の円板の他の実施例の斜視図である。 １・・・被覆管、２．３・・・端栓、４・・・燃料ペレ
ット、７・・・円板。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ジルコニウム合金製被覆管内に複数個の二酸化ウラ
   ン焼結燃料ペレットが積層、充填され、上記被覆管の両
   端開口部が密封されてなる核燃料要素において、上記燃
   料ペレット相゛互間に、ジルコニウムまたはジルコニウ
   ム合金製の円板が挟着されてなることを特徴とする核燃
   料要素。