JPS599585A - 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】 発明の分野 本発明け、改善された核燃料棒、よシ詳しく述べるなら
ば、所定出力での操業温度を下げることに々る放射方向
に濃縮勾配を有する核燃料棒に関する。

発明の背景 従来の燃料棒デザインは酸化ウランベレットのような核
分裂性燃料で充填されているジルコニウム合金さやを特
色としている。酸化ウランは焼結されそ１７てさやとの
良好な熱接触を与えるために寸法許容を閉じるように研
削される。近年、ベレットとさやとの接触がさやのクラ
ックおよび裂は目を引き起こす化学的相互作用に至ると
わかった。

原子炉内部でのさやの裂は目発生は放射性物質の蘭れの
結果になる。燃料棒を取り巻く冷却水が汚染されて原子
炉の運転停止を必要とする。

このタイプの故障を防止するために、より新しい燃料棒
デザインが提案されており、それでは核分裂性燃料が球
状又は粒状の形に作られる。ベレットおよび球状の両方
の燃旧組合せを使用する混成デザインは、米国特許第３
，７７８，３４８号（１９７３年１２月１１日発行）お
よび米国特許第４，１３１，５１１号（１９７８年１２
月２６日発行）のそれぞれに示すように公知である。

「球・やツク」ともいわれる球状又は粒の燃料の使用は
燃料とジルコニウム合金さやとのピーク接触ストレスを
減らす。表面相互作用でのこのような結果としての減少
はクラックおよび裂は目がさやに生じるであろう可能性
を減らす。

しかしながら、さや破損を減らすための球状燃料の利用
は燃料とさやとの間の非能率的な熱伝導の問題を解汐し
なかった。熱伝導を改善するために、いくつかの特許で
はグラファイトに核分裂性粒を混合することを提案して
いる（１９７４年８月２０日発行のカナダ特許第９５３
，４３７号に示すように）。

しかしながら、グラファイトの使用は酸化ウラン（Ｕ　
０２　）を高温にて還元して一酸化炭素ガスを作る。−
酸化炭素は燃料棒性能を低下させ、したがって、燃料中
への炭素のイ１！用は実行できる解決法ではない。

本発明は球状燃料を新しいやり方でどのように使用する
のかを教示します。燃料棒の中央部分が滅相酸化ウラン
又は他の低濃縮燃料で満たされる。

次に、減損燃料が外側環のより高濃縮燃料の外側環によ
って取り巻かれ、このようにして燃料断面に沿って放射
方向に濃縮勾配を形成している。濃縮燃料をさや表面近
くに集めることによって、より多くの核出来事がさや近
くで起こる。このことは低い熱伝導性の酸化ウランを通
る熱伝導路を短かくすることによって燃料棒の熱効率を
改善する。

このよう（・御所定出力での燃料棒の使用燃料中心線温
度がかなり下げられる。

関連技術の検討 米国特許＝”ｑ３，７７８．３４８号および第４，１３
１．５１１号に記載された上述の発明は本発明の教示と
は反対の教示である。これら特許は燃料棒のコア又は中
央に濃８燃料を配置することを教示している。

このことは、棒の中央により大きな体積の濃縮物質を与
えることになり、さや表面までの熱流路をより長くする
ことになる。これら燃料棒デザインの結果は、燃料棒の
熱効率がより小さくかつ燃料棒がより高温にて働くこと
である。より高い温度は核分裂気体放出を増大しかつさ
やでの応力を増すために、さやの裂は目およびクラック
の発生の可能性が高くなる。したがって、これらデザイ
ンはさやの裂は目およびクラック発生防止に関して失敗
している。

本発明は、（１）燃料棒の操業温度を下げることおよび
（２）球状燃ポ］を使用して燃料さや接触相互作用を減
らすことによって、さや故障を「相乗作用的に一１防止
する。

発明の要旨 本発明は原子炉に使用するための燃料要素す左わち燃料
棒に関する。燃料物質は細長いさや内に収容されている
。燃料物質に放射方向の濃縮勾配が少なくとも２つの異
なる燃料濃縮度の採用によって形成される。燃料棒の中
央部分は低濃縮核分裂性燃料を含んでなりそして外側環
状部分は十分により高濃縮燃料を含Ｘ７で々る。放射方
向の濃縮勾配によって燃ｔｌ棒が所定出力のためにより
低い温度にて働くことができる。燃料棒はペレットおよ
び粒燃料の混成物を含んで々る。

明確化のために、用語１粒燃料」又は「粒核分裂性燃料
」は、粉末燃料、球状燃料、粉末および球状の燃料の混
合物および異汝るサイズの粉末燃料および／又はｐ々る
サイズの球状燃料の混合物を青味する。

混成デザインは、粒燃料項によって囲まれたイ１ノット
中央部、ベンツ）’ｉｆｆによって取り巻かれた粒中央
部又ｆｄ、より低い濃縮度の粒コアでより高濃縮度の粒
環を有してもよい。

内側および外側要素のための濃縮度の範囲は次のとお秒
である。

中央部分・・・減損酸化ウラン０．２　％Ｕ−２３５１
いし最大で典型的に２係ＩＪ−’２３５であって中性デ
ザインによって所望 濃縮度 外側環状部分・・・約２．ＯＯ％Ｕ−２３５ないし２０
．００チＵ−２３５の範囲 他の１ルトニウムおよび／又はウラン−２３３のような
核分裂性同位元素がウラン−２３５と又はに代えて適用
できる。また、酸化トリウムが内部要素として酸化ウラ
ンに代えて使用できる。

本発明において粒燃料は３つの異なる球直径サイズ：１
５００−６００μｍ、４’ＯＯ１００μｍおよび５０μ
ｍ以下のそれぞれの範囲での混合物であることができ２
・、１これら３サイズの分別部がスミアデンシティ（ｓ
ｍｅａｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ）　９０パーセントに達する
ように混合される。

本発明の燃料デザインでは環状部分での燃料体積が等し
いか又はより大きいことを考慮している。

典型的には、環状部分と中央部分との体積パーセント割
合が７０７３０である。しかしながら、外側環状部分と
中央部分とのパーセントでの燃料体積割合が９０／１０
から５０１５０１で変動できる。

酸化ウランは比較的に低い熱伝導体でちる。本発明はさ
や近くをより大きな濃縮度とすることによって酸化ウラ
ンの低い熱伝導を克服する。冷却さや表面までの熱伝導
路を短かくして、所定出力での操業燃料中心線温度が注
目に値するほど下げられる。この結果はさや材料の変形
および応力が小さくなる。核分裂性燃料は高温にてさや
材料よりも大幅に膨張するために、温度を下げることは
この膨張したがってさやの変形を小さくする。さらに、
より低い操業温度では燃料による核分裂気体の放出がよ
り小さくカリ、さやにかかる内部圧力が下げられかつヘ
リウム伝導路が燃料内で核分裂気体によっては低下させ
られない。ヨウ素、セシウム、カドミウノ３、どのよう
な揮発性燃料生成物がさや内面上堆積することはより少
がい。これら元素は応力下でのジルコニウム合金さやの
クラック発生と々る化学的に助長された応力腐食を促進
する。

本発明の目的は原子炉に使用するための改善された燃料
要素を提供することである。

本発明の他の目的は、所定出力のためにより低い温度に
て働く燃料体を提供することである。

そして１本発明のその他の目的はさや（被覆）のクラッ
クおよび裂は目発生の可能性を減らすデザインの燃料要
素を提供することである。

本発明のこれらおよび別の目的が、添付図面に関連した
下記の詳細な記載を参照してより明らかにかつより良く
理解されるであろう。

発明の詳しい記述 本発明は原子炉にて使用するだめの燃料棒に関する。燃
料棒のデザインおよび使用での重要なことのひとつは核
分裂性燃料を収容しているさや（クラツディング）のク
ラック発生ないし裂は目発生の可能性である。クラック
はジルコニウム合金さやと酸化ウラン燃料との間の化学
的相互作用によってさやに発生するであろう。また、ク
ラックは内部ガス圧力又はウランベレットの膨張によっ
てさやに生じる応力のために発生するであろう。

本発明し１．さやでのクラック発生の可能性を減らしか
つ熱効率を改善する独特の燃料棒デザイン（設計）を特
色としている。

第１図にて燃料棒１０の断面図を示す。この燃料棒１０
は皺２図の拡大断面図にても示す。細長いジルコニウム
合金さや１１が混成核分裂性燃料を収容している。核分
裂性燃料は連続的に重ねた多数のペレット１２の中央部
分すなわちコアを含んでなり、これらペレットは円柱を
形成しておりかつ核燃料混合物１３によって囲まれてい
る。粒状燃料１３はさやの内部でペレットコア１２のま
わりの環状部分を占めている（第４図）。

さや１１は各末端近くに栓１４を有して燃料を所定位置
に保持している。燃料棒の底部にはコイルバネ１６を収
容している空間１５がある。この空間１５は燃料柱がそ
の使用中に膨張又は収縮するのを可能にする。コイルバ
ネ１６が燃料柱集結度を維持するのに必要な圧縮力を与
える。

ベレットコア１２は酸化ウラン（ＵＯ２）々どのような
減損又は低濃縮の核分裂性燃料からなる。このコアが０
．２　万いし２．０重器％Ｕ−２３５の濃縮度を有する
ようにすることができる。プルトニウム又はＴＪ　−２
３３などの他の核分裂性同位元素をＵ　−２３５の心゛
わりにあるいはＵ　−２３５と糸目合せて使用すること
ができる。酸化トリウムを酸化ウランの代わりにあるい
は酸化ウランと組合せて使用することもできる。

核燃料１３はコア１２よりも実質的に濃縮度が大きい。

酸化ウラン粒は２．０ないし２０．０重ｆｔ％Ｕ−２３
５を有する。プルトニウムおよびＵ−２３３同位元素が
酸化ウランの代わりに又は酸化ウランと組合せて使用さ
れてもよい。粒の典型的な混合物は、５８係の１５００
−６００１１ｍサイズ球体％２０係の４０ｎ　　１００
／１ｍサイズ球体および２２俤の５０８ｍ以下サイズ球
体からなるであろう。

燃料の中央操業温度ｌは、下記第１表に示すように公称
安定出力に対して数百度Ｃだけ下げられる。

第１表 混成燃料デザインおよび怠者燃料デザインでの中央燃料
温１３ｙ、公称ｎｗＲ＠定状態操業出力、２５ＫＷ　／
　Ｍ　（、７，５Ｋ９／　Ｆｔ）にて計算８Ｘ８　　　
　　　　０／１００　　　９８４混成環状ぺ１／ット＆
球体 ８Ｘ８　　　　　　　　１０／９０　　　　８６９混成
環せベレット＆球体 ８ｘ８　　　　　　　　３０／７０　　　　７８０球　
　　体 ８Ｘ８０／１００　９７３ ８Ｘ８　　３０／７０　６６６ ※　上記計算にて最大外側濃縮度５．００に対して平均
濃縮１ｉ３．７８を使用。

第３図に第１図の燃料棒に対する代わりの実施態様例の
断面を示す。第４図は第３図の燃料棒の拡大［（Ｊｉ面
図である。

第３図の実施態様例において、核燃料２３は燃料棒２０
の中央部にあり、そしてベレット２２がさや２１内で核
燃料２３のまわりの環状部分を占めている。

この実施態様例のための全ての他の実際の情報は第１図
の燃料棒１０のだめのものと実質的に同じである。捌素
１４，１５および１６は第１図に示したと同一である。

さやと接触した核燃料の使用はクラックおよび裂は目の
発生によるさや破損の可能性を減らすであろう。燃料材
料の断面での放射方向での濃縮勾配が燃料棒の操塑温度
を下げ、このことがさやでのクラック発生の可能性を減
らすことにもなる。

さや破損の可能性の低下は相乗作用であり、かつそれぞ
れの方法論によって別々に適用されたとしてもこの可能
性の組合せ低下よりも大きい。

この独特の相采作用は下記ファクターのいくつかの結采
である１、 １、放射方向での濃縮勾配による燃料中央部操業温度の
低下が燃料膨張をより小さくシ、シたがってさやでの応
力をより小さくする。

２、燃料温１１“Ｖおよび熱膨張を下げたことはより小
さな燃料−さやギャップの使用を可能にし、このことは
燃料操業温度をより下げるであろう。

３、下げられた燃料操業温度はまた棒ヘリウム雰囲気へ
の核分裂気体の放出を少なくシ、そしてこのことがヘリ
ウムバルク又はギャップコンダクタンス作用のいずれか
によるバーンアップ（燃焼）進行とともに燃料操業温度
での上昇を下げるであろう。

４、さやと接触状態の救状燃料は円周応力を均等に分布
させかつ熱い燃料内部からの核分裂生成物輸送トンネル
を設ける放射状クラックを与えない。

５、　　’ｔＪ状燃料は燃料中央部への燃料の変形によ
る応力軽＾８＊−１ａえかつペレット端部でのベレット
リッジンダ（ｐｅｌｌｅｔ　ｒｉｄｇｉｎｇ　）を小さ
くしそしてパーンアップが強まるときにさやでの応力を
小さくする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料棒の軸方向断面図であり、第２図
は第１図の線２−２に沿った拡大断面図であり、 第３図は本発明の別の実施態様例の燃料棒の軸方向断面
図であり、および 第４図は第３図の線４−４に沿った拡大断面図である。 １０・・・燃料棒、１１・・・さや、１２・・・ペレッ
トコア、１３・・・粒燃料、１４・・・栓、２０・・・
燃料棒、２１・・・さや、２２・・・環状ペレット、２
３・・・粒燃料。 以下余日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、細長いさや内に収容された燃料物質を含んでなる原
   子炉内にて使用する燃料要素であって、この燃料物質が
   ペレット燃料部分および核燃料部分の両方を含んでなり
   、これらの各部分が前記さや内部でそれぞれ内側および
   外側の実質的に同心領域を占め、その外側燃料部分はそ
   の内側燃料部分よりも実質的に高い濃縮度を有し、この
   ことによって放射方向での濃縮勾配な前記燃料物質内で
   力えてこのことが前記燃料要素のために改善された操業
   温度の結果に力る燃料要素。 ２、前記外側部分が前記核燃料を含んでなシかつ前記内
   側部分が前記４レツト燃料を含んでなる特許請求の範囲
   第１項記載の燃料要素。 ３、前記内側部分が約０．２ないし２．０重量％のウラ
   ンの濃縮度を有する核分裂性燃料を含んでなる特許請求
   の範囲第１項記載の燃料要素。 ４、前記内側部分が、酸化ウラン（２３５）、酸化ウラ
   ン（２３３）、プラトニウムおよび酸化トリウムのよう
   な核分裂性燃料の群の少なくともひとつを含有する核分
   裂性燃料混合物又は減損核分裂性燃料を含んでなる特許
   請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ５、前記外側部分が約２．０ないし２０．０重量％のウ
   ランの濃縮度を有する核分裂性燃料を含んでなる特許請
   求の範囲第１項記載の燃料要素。 ６、前記外側部分が、酸化ウラン（２３５）、酸化ウラ
   ン（２３３）およびプルトニウムのような核分裂性燃料
   の群の少なくもひとつを含有する核分裂性燃料混合物又
   は核分裂性燃料を含んでなる特許請求の範囲第１項記載
   の燃料要素。 ７゜前記核燃料が、直径サイズ範囲で約１５００カいし
   ６００μｍ、４００’ｉ’ｉ：いし１００　Ｊｉｍおよ
   び５０μｍ以下であり球形粒子３種の混合物を含んでな
   る特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。 ８、前記核燃料が約８５ないし９０パーセントのスミア
   デンシティ−を有する特許請求の範囲第１項記載の燃料
   要素。 ９　前記外側部分が前記被レット燃料を含んでなりかつ
   前記内側部分が前記核燃刺を含んでなる特許請求の範囲
   第１項記載の燃オミ１要素。 １０、前記燃料物質が前記さや内部で断面的に中央領域
   の回りに環状領域を占める前記ベレット部分又は粒部分
   を含んでなり、この環状領域が中央領域に対して／４’
   −セントで９０／１０から５０１５０までの範囲での体
   積比を有する特許請求の範囲第１項記載の燃料要素。