JPS59211891A - 環状の燃料ペレツトのための多孔質プラグ - 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、原子炉に関し、特に、加圧水型原子炉のため
の燃料棒に関する。

加圧水型原子炉の燃料棒は、通常、ジルコニウム合金ま
たは他の材料でできた外側クラッド（包被）で包被した
二酸化ウランのペレットの積重体である。これらの燃料
棒は、束の形に束ねられて、１つの燃料素子を構成する
。各燃料素子は、また、各燃料棒を所定位貨に保持する
ために頂部端板および底部端板と、燃料素子の長手に沿
って間陥をおいて設けられた数個のスペーサグリッドを
備えている。

在来の中実燃料ペレットに代えて環状の燃料ペレットを
使用することが２．ここ何年来研究されている。そのよ
うな環状燃料ペレットの特徴は、中央部分が中空になっ
ていることである。環状燃料ペレットの使用は、在来の
中実燃料ペレットを使用した場合Ｇこ比べて、幾つかの
利点を有する。第１に、中央に空洞即ち中空領域を有す
るので燃料ペレットの反応湿度の最高限度を低くするこ
とができることである。それによって、燃料棒の寿命を
延長することができ、従って、材料コストを削減し、使
用ずみ燃料棒の交換期間を延長することができる。第２
に、燃料棒の有効使用期間中核分裂によるガス状生成物
が燃料棒内に堆積するが、燃料棒の中央空洞領域がその
ようなガス状生成物のための収容室の役割を果すことで
ある。

しかしながら、環状燃料ペレットの使用には、上述の利
点があるが、幾つかの欠点も伴う。主な欠点の１つは、
核燃料の断片または砕片が燃料棒の内側面から剥落し、
中央空洞内へ落下する可能性があることである。そのよ
うな砕片は、各燃料棒の底部にまで落下し、そこに堆積
する。あるいは、比較的大きい砕片は、中央空洞領域の
長手のどこかに引用かる場合もある。いずれにしても、
そのような燃料の砕片は、パワーピーキング（パワーが
過度のピークに達してしまうこと）の問題を生じ、熱伝
達の不良により極めて高温に達し、溶融することもある
。この破砕の問題は、原子炉運転中の周期的な熱変動に
より燃料ペレットが浸食されることによって生じる。し
かも、そのような破砕が生じた後ではシステムの状態を
査定するに当って不安を起させるという付随的な問題が
ある。

米国特許第４．２７５．６１６号には、燃料組立体（燃
料素子）の各スペーサグリッドの高さのところに各燃料
棒内にスペーサプラグを挿入する構成が開示されている
。これらのプラグは、ペレットの砕片をＢｌｆ捉し、そ
れによって過度のパワーピーキングおよびパワー分布の
不安定を回避することを企図したものである。しかしな
がら、、この構成は、必然的に、分裂性物質を燃料棒内
に軸方向に再分布させ、（１′ト片を各スペーサプラグ
の上面に再ｆｉｔ；積ざぜてしまう。また、この構成は
、環状燃料゛　　ペレットの一５４ｃ以上の浸食および
破砕を防止する役割を果すことはできない。

発＋ｙＪの４！Ｉ′ｌ要 本発明は、燃料の断片が剥落し、それらが（ｔｌｌの部
位に（ｑ”Ｉ″するのを防止するように燃料棒の中央空
洞領域内に多重［質プラグを挿入することによって現状
燃料ペレットの使用に付随する上述の諸問題を解決する
ものである。

このプラグは、例えば酸化ジルコニウム、酸化アルミニ
ウム、二酸化チタンのような材料から製造した耐火繊維
であることが好ましい。この多孔質プラグは、現状の核
燃料ペレットの中央空洞領域内へ容易に挿入することが
でき、かつ、中央空洞領域を充填するような圧縮繊維、
編組ロープまたは他の適当な構造体とすることができ、
それによって各燃料ペレットの内側縁に生じた砕片や断
片が落下して燃料棒内の他の部位０こ付着ないし堆積す
るのを防止する。この中央空洞充填プラグは、多孔質で
あるため、原子炉の運転中手じる核分裂反応によって発
生するガスを収容するための溜め空間を提供する。プラ
グは、また、核分裂生成物ガスのためのゲッターとして
も機能し、それによって内圧を減少し、腐蝕の問題を軽
減し、ガス放出の可能性を少くする。このように、多孔
餉プラグの使用は、核の反応率の変化、パワー分布の変
動、ホットスポットの発生、ガスの温度および圧力の上
昇等の原因となる燃料の転置（燃料の砕片が剥落して燃
料棒内の他の部位に付層ないし堆積すること）を防止す
る。更に、プラグは、燃料ペレットの内側面に燃料砕片
を拘束する物理的拘束体としても機能し、ペレットへの
適正な熱伝達を維持する。多孔質プラグの使用のもう１
つの利点は、環状部分の肉厚が比較的薄い燃料）ペレッ
トの使用を可能にし、従って、燃料棒の全容積に対する
中央空洞領域のイ゛ψに；比（容積割合）の許容範囲を
拡大するので、燃Ａ＝目クツの最適ｔ’計に融通性を与
える。

矩：か゛Ｕ紛１の説明 多１３１図には、夕！’　Ｉｉｉ’！クラッド１４内に
包被されたイ、す数個の珈状ベレット１２の積重体から
成る燃料什１０の１分節体１０が示されている。燃料ペ
レット１２は、λ１ノ常、二ｈ・２化ウランのような適
当な４勿ケ１でシｙＡ九さ才りる。クラッド１４は、通
？Ｋ　、ジルコニウム合金で刀ａ威される。ｌｌ！ｌｉ
ｌ線方向に積取された環状ペレット１２によって中央空
洞領域１６が、１ｉ１１ｊ定ざｎる。ｆ１″って、本発
明による原子炉燃料棒は、その中央部に沿ってｊｈｉｉ
線方向に延長する中央空洞領域１６を有する。中央空洞
領域の、燃料棒の全′８積Ｇこ占める容積？＋ｌＩ合は
、従来の技術においては約１０％とされている。

第２図は、第１図の燃料捧分節体において、その現状燃
料ペレット１２の内側向から燃料材がイｂ砕して剥落し
たところを示す。燃料の断片が欠は落ちた部分は符号１
８で示されている。このように剥落した砕片は、その元
の位ｉｆより下方の中央空洞領域１６のどこかＧこ付〃
゛、するか、あるいは燃料棒の底部しこまで落下し、燃
料刺片２０として堆積する。燃料の、燃料軸でのこのよ
うな転置または再分布は、燃料棒の核反応率に変動を生
じ、ホットスポット（即ち、過度のパワーピーキングに
よる退歩部分を生じ、従って、燃料棒の有効寿命を短縮
し、パワー分布の予測を田螺なものにする。

第６図は、本発明による多孔値プラグ２２を中央空洞領
域浅に押入した燃料、８１０の１分節体を示す。この多
孔質プラグは、耐熱杓、セラミック謙ボ１１または他の
適当な材料で製造することができる。

第６図に示された実施例では、プラグ２２は、環状燃料
ペレットの中央空洞に密Ｇこ絞合するロープの形に形成
されており、ペレットはこのロープによって連接された
形となっている。多孔質プラグ２２は、その燃料棒の有
効寿命中燃料棒内にペレットから生じたガスを収容する
のに十分な多孔度を有し、かつ、燃料ペレットの内側面
が燃料の砕片または断片が剥落し「転置」（他の部位に
付着または堆積すること）するのを防止するのに十分な
押圧力を燃料棒の内側面に及ぼすように設計する。多孔
質プラグの使用は、光に述べた利点の他に、燃料棒内の
内部空洞に随伴する安全面の問題を砂利し、原子力燃料
内に例えば酸化ガドｌＪニウムのような可燃ポイズンを
分布させる別法を提供するという利点を有する。

本発明の多孔質プラグは、密嵌合ロープの形とする他に
、その他のいろいろな形態とすることができる。例えば
、詰込み繊維や、撚回ストランドロープや、フェルト円
柱体や、ばらまたは圧縮繊細や、低密ト迂、高多孔度の
中実体などを用いることができる。

組成としては、多孔ｆ（プラグは、原子炉の作動温度に
おいて原子力燃料およびそのクラッドと）適合性を有し
、糸の中性子に対して有害でない耐火材でなければなら
ない。この条件を充足する多くのセラミック材は、繊維
の形で利用することができ、紡バムし、織物として織成
することかできる。例えばジルカー・ブ資ダクツ・イン
コーホレーテッド社から販売されている酸化ジルコニウ
ム繊維などは、本発明の多孔質プラグとして非常に適し
ているＯ インペリアル・ケミカル・インダストリ社の製品である
「サフイル」のような酸化アルミニウム繊維も、本発明
に使用することができる。その他、二ｉ−り化チタン、
酸化イツトリウム、酸化ノ１フニウム、ｒｂ化セリウム
、酸化タンタル、二酸化トリウム、二酸化ウラン、酸化
ガドリニウム、およびグラファイトなども、本発明のプ
ラグの素側として使用することができる。また、上記材
料の混合物または他の材料の混合物を使用することもで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、在米の環伏慾料棒の一部切除した透視図、第
２図は第１図と同様な図であるが、燃料棒の内側面の欠
落した部分を示す。第６図は本発明の燃料棒の一部切除
した透視図である。 １０：燃料棒 １２：燃料ペレット １４：クラッド １６：中央空洞領域 ２２：多孔質プラグ 代理人の氏名　倉　内　基　弘 同　　　　　　風　　間　　弘　　志′ＦＩＧ、　Ｉ　
　　　　　　　　　ＦＩＧ、２ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 旬　筒吠クラッド内に積重された複数個の燃料ペレット
   から成る、原子炉用燃料棒において、燃料の断片が剥落
   し転ｊｆｆ、ｔするのを防止するために該燃料棒の中央
   空洞領域内に多孔ａのプラグを挿入したことを特徴とす
   る燃料棒。 ２）　　ＱｉＪ記多孔質プラグは、詰込み繊維から成る
   ものである特許請求の範囲第１項記載の燃料棒。 ３）前記多孔質プラグは、編組ｐ−プから成るものであ
   る特許１１Ｊ求の範囲第１項記駁の燃料棒。 リ　ｉＩｊ記多孔ηプラグは、複数本のストランドを撚
   り合せたロープから成るものである特許請求の範囲第１
   項記載の燃料棒。 ５）前記多孔質プラグは、高多孔度、低密度の中実棒か
   ら成るものである特許請求の範囲第１項記載の燃料棒。 ６）　前記多孔質プラグは、フェルトの円柱体から成る
   ものである特許請求の範囲第１項記載の燃料棒。 ７）前記多孔質プラグは、酸化アルミニウム、酸化ジル
   コニウム、二酸化チタン、醒イｒイツトリウム、酸化ハ
   フニウム、酸化セリウム、酸化タンタ　　ル、二酸化ト
   リウム、ニルイ１１ウラン、ｊｐ’化ガドリニウム、グ
   ラファイト、およびそれらの混合物から選択された耐火
   繊維で製造されたものである特許請求の範囲第１項記載
   の燃料棒。