JPS6049872B2 - 核燃料ペレツト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、波形端部を有する帯状突出部を円柱状ペレ
ット周面に連続する如く設け、それによつてペレットと
、それが挿入される被覆管の機械的相互作用を低減しう
るようにした核燃料ペレットに関するものである。

従来、円柱状の核燃料ペレットを被覆管内に充填して
て燃料棒を構成する場合、燃料ペレットと被覆管の間に
は、直径にして０．１５〜０．３−のギャップが設けら
れている。

燃料ペレットは、それを 焼結したのみでは、両端部の
径がペレット高さ中央部の径よりも大きな砂時計形（ア
ワー・グラス）となるので、外周研磨を施すことによつ
て、このギャップ値がペレット高さ方向で均一になるよ
うに調整して直円柱状にしている。 ところが、このよ
うな従来の円柱状燃料ペレットを被覆管に充填した燃料
棒が原子炉に装荷され、運転状態に入ると、燃料ペレッ
トは、ペレット内の大きな温度勾配のためにクラックが
半径方向に入り、クラックにより生じたペレット片は、
外側に張り出して被覆管に軽く接触するようになる。

更に原子炉出力が増加すると、ペレット片はその端面効
果により、第１図にモデル的に示すように、当初は直円
柱状であつたものがその中心軸から外側にそりかえつて
、やはりアワー・グラス形に変形する。原子炉での燃料
の燃焼と共に、ペレット片は、熱膨張のほかにスエリン
グにより被覆管と強く接触して相互作用を生じる。この
ため、ペレット１の上下端面でのクラック開口部に”面
する被覆管内面の円周方向の引張応力が局部的に大きく
なり歪集中が生ずる。この種の歪集中のみては、必ずし
も燃料被覆管の破損をもたらすものではないが、燃料ペ
レット１中央の高温度から熱輻射とよう素などの核分裂
生成ガス（ＦＰガス）流がクラックに沿つて歪集中の生
じている被覆管内面にあたることによつて生じる高温腐
食性雰囲気が、被覆管内面クラックの発生と進展を促し
、ひいては燃料破損に至らしめると考えられている。核
分裂によつてペレット内に生成し蓄積しているＦＰガス
の放出率は、ペレットの温度に依存する。特に、急激に
原子炉出力が増加すると、ペレット温度が急上昇してペ
レット中心部から放出されるＦＰガスはパースト的に増
加し、第２図に示すように、熱輻射及びＦＰガス流５が
、燃料ペレット１のクラック３に沿つて、被覆管２の内
面クラック開口部４に直接あたり、熱輻射により局所的
に被覆管内面温度を上昇させる。クラックにより生じた
ペレット片の強い接触により被覆管内面に局部的に歪の
集中している部分は、高濃度のＦＰガス流が集中的に吹
き付けられると応力腐食を受け、被覆管２に生じる円周
方向の全体歪は小さくても、被覆管は歪集中部分で破損
してしまう。損傷部を符号３０で示す。このような技術
的課題を解決するため、従来から種々の対策が提案され
ているが、本発明もこれらと同様、ペレットと被覆管と
の機械的相互作用を低減すべく工夫されたものてあつて
、従来のものに比して、その効果が著しく、製造も容易
に行えるような核燃料ペレットを提供することを目的と
している。

以下、図面に基づき本発明について詳述する。

第３図及び第４図は本発明の一実施例を示している。そ
れらの図から明らかなように、本発明に係る核燃料ペレ
ットは、略円柱状をなすペレット６の周側面に、周方向
に連続し、かつ端部が波形をなす帯状突出部７を有する
ものである。この帯状突出部７は、ペレット本体と同一
材質のものであ．つて連続一本的な構造である。そして
、この帯状突出部７は、ペレット６の周面のほぼ中央部
に設けるのが好ましい。更にこの実施例では、燃料ペレ
ット６は、その上下両端縁が面取り形状（チャンファ形
状）１０となつており、略中心部には円！形凹部１１が
設けられている。面取り形状１０は、たとえば直径が９
〜１６Ｔ１０！ｌのペレットにおいて、仮想ペレット外
周端縁から半径方向に約０．３〜１．０Ｔｒ０Ｔ１１高
さ約０．３〜１．５朗を結ふ線の位置で上下両端面に斜
面を形成させる。円形凹部１１の直径っは、約２〜８７
！＄ｔとするのが好ましい。このような核燃料ペレット
は、成形ダイスに原料粉末を充填し、上下パンチて圧縮
成形してグリーン・ペレットとした後、焼結することに
よつて製造される。特に、グリーン・ペレット製作には
上下のパンチの形状を変えるのみで、円筒状のダイスを
用いることができるので、製造コストも単純な円柱状ペ
レットの場合と同等である。得られた核燃料ペレットは
、一方の端栓を溶接した燃料被覆管内に装填され、次に
スプリングを挿入し、他方の端栓を溶接して封止するこ
とによつて燃料要素に組立てられる。

本発明に係る核燃料ペレットを用いることによ）つてペ
レットと被覆管との機械的相互作用（ＰＣＭＩ：Ｐｅｌ
ｌｅｔＣＩａｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｎｔｅｒａｃｔ
ｉＯｎ）を低減できる理由は次の通りてある。

ＰＣＭＩが生じるのは、主としてペレットとそのペレッ
トが接する被覆管内面個所であるから、ペレット高さの
：中間部以外の所の部分の燃料物質を除去することによ
つてＰＣＭＩを低減できる。しかし、単にペレット周面
て中間部のみを残して核燃料物質を削除したとすると、
ペレットの発熱を効率よく燃料被覆管を介して外部の冷
却材に伝えることが困難と”なる。そこで本発明のよう
に、原子炉での使用時の平均温度分布のときの熱膨張の
みでペレットと被覆管が接触する部分を波形状に形成す
れば、これによつてＰＣＭＩを低減し、かつ、できるだ
け大きな接触面積を確保し、高い熱伝効率を維持するこ
とができる。本発明おける波形帯状突出部の厚さ（高さ
）は、ペレットの直径にも依存するが、約０．２〜１？
程度である。

また、本発明のような波形の帯状突出部だと、第５図に
示されているように、熱応力によつてペレット６の半径
方向にクラック８ａが入つた際に、その位置が波形帯状
突出部７の箇所てあつたとすると、それによつてペレッ
ト６と被覆管９との機械的相互作用か生じるか、その両
側２０には燃料物質がないのて、クラック発生部分に過
大な応力が発生する以前に当該部分が細分されてしまう
。また、突出部７以外の箇所にクラック８ｂが発生する
確率の方がより大きいが、この場合にはＰＣＭＩは生じ
ない。波形突出部における波の数は、ペレットの直径に
もよるが約４〜２４個程度が好ましい。いずれにしても
このような理由でＰＣＭＩは極力低下させうるから、被
覆管内面における歪集中を回避でき、応力腐食破損を受
けにくくすることができるのてある。さらに、原子炉で
使用中の円柱状ペレットがアワー・グラス状に変形する
程度は、ペレットの直径に比して高さが小さい程小さい
ことから、本発明のペレット高さをその直径と同程度と
することによりＰＣＭＩを無視できるほど小さなものに
することができる。また、上記本発明の実施例では、ペ
レットの上・下端面に面取り１０を施してあるから、ペ
レットの製造過程でのかけや割れの発生を防ぐことがで
きる。更に、このペレットは、その中心部に浅い円形凹
部を井戸型状に設けてあるので、ペレットの上・下端面
縁での径方向への膨出量も少なくなり、被覆管との相互
作用を一段と小さくすることができる。特に燃焼度の高
いペレットの場合には、この円形凹部１１によつてペレ
ット６のスエリングによる膨張を吸収することができる
ので比較的大きな円形凹部を設けておいた方がよい。以
上、本発明の一実施例について、その形状と発明の詳細
な説明したが、本発明はこのような形状のみに限定され
るものでないこと勿論である。以下、他の実施例につい
ても簡単に説明しておく。例えば、第６図に示す例ては
、帯状突出部７は、その上下両端部に着目したとき、両
端部の波形が第３図の例に比してはるかに大きく、かつ
同位相となつている。この場合、任意のペレット高さで
ペレット外周に着目したとき、突出物が外周を一周して
連結しているところはないのてＰＣＭＩを一層低減てき
るのてある。また、第７図の例ては、帯状突出部７は、
その上端部の波形と下端部の波形とが異なる形状となつ
ている。このようにすれば、上下ペレット端面でのＰＣ
ＭＩの箇所が合致するのを避けることがてきる。更に、
第８図，第９図の例ては、ペレット高さが直径よりも小
さい略円柱状のペレット６は、その上下両端縁の面取り
部１０が帯状突出部７の波形端部と連続するようになつ
ている。前記したように直円柱状ペレットがアワー・グ
ラス形となる変形の程度は、ペレットの高さが低い程小
さいことから、面取り部をもつこの形状では、ＰＣＭＩ
の生じる可能性はペレット高さの中央部となるが、これ
は従来の燃料の燃焼度程度では無視できない程度に小さ
い。これらペレットの形状は、その使用状況等に応じて
更に別の変更を施すこともできる。いずれにせよ上記各
実施例のペレットは、程度の差こそあれ、第３図及び第
４図に関連して説明したのと同様の作用をする。本発明
は前述のように構成した核燃料ペレットであるから、原
子炉運転時に、ペレットと被覆管との間で生じる機械的
相互作用はきわめて弱くなり、それ故、被覆管の歪集中
を避けることができ、その結果、被覆管内面の局部的な
応力腐食を防止し、燃料の健全性を高めることがてきる
し、更には、ペレット周面の上下部には核燃料物質が除
去された格好となつていて、ＰＣＭＩて悪影響を及ぼす
アワー・グラス形とならないため、ペレットと被覆管と
のギャップ調整のための外周研磨を施さないで、予めゴ
ー／ノーゴー・ゲージで規格に合つた外径寸法のものを
選別すればよいように、グリーン●ペレット製作のため
のパンチを使用原料粉末の性質に応じて設計可能である
から、ペレット製造の経済性を一層高めることができる
等のすぐれた効果を有するものてある。

・図面の簡単な説明 第１図は従来の円柱状ペレットの原子炉内での変形モデ
ル図、第２図は従来の円柱状ペレットのクラック開口部
の説明図、第３図は本発明に係る核燃料ペレットの一実
施例の斜視図、第４図はそ）の縦断面図、第５図は本発
明に係る核燃料ペレットのクラックの説明図、第６図は
本発明の他の実施例を示す斜視図、第７図は本発明の他
の実施例を示す斜視図、第８図は本発明の更に他の実施
例を示す斜視図、第９図はその縦断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 略円柱状をなすペレットの周側面に、周方向に連続
   し、かつ端部が波形をなす帯状突出部を設けたことを特
   徴とする核燃料ペレット。 ２ 帯状突出部は、その上下両端部に着目したとき、両
   端部の波形が逆位相となつている特許請求の範囲第１項
   記載の核燃料ペレット。 ３ 帯状突出部は、その上下両端部に着目したとき、両
   端部の波形が同位相となつている特許請求の範囲第１項
   記載の核燃料ペレット。 ４ 帯状突出部は、その上端部の波形と下端部の波形と
   が異なる形状のものである特許請求の範囲第１項記載の
   核燃料ペレット。 ５ 略円柱状のペレットは、その上下両端縁に面取りを
   施したものであつて、該面取り部は、帯状突出部の波形
   端部と連続するようになつている特許請求の範囲第１項
   記載の核燃料ペレット。