JPS6319036B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、軽水炉、重水炉などに用いられる核
燃料要素の製造方法に係り、特にプルトニウム含
有燃料に好適な核燃料要素およびその製造方法に
関する。

〔従来技術〕

軽水炉、重水炉に使用される燃料要素は、一般
に第１図に示す如く、燃料ペレツト３、サーマル
インシユレータ５、プレナムスプリング６等を被
覆管２内に充填し、被覆管２の両端に端栓１およ
び４を溶接して密封したものである。このような
燃料要素２０内は、通常ヘリウムガス雰囲気にな
つている。燃料要素２０は、まず下部端栓１を被
覆管２に溶接し、多数の燃料ペレツト３、サマー
ルインシユレータ５を充填し、その後、燃料ペレ
ツト３および被覆管２内の湿気を除くために真空
脱ガス乾燥を300℃〜400℃の温度領域で行い、プ
レナムスプリング６を挿入した後、ヘリウム雰囲
気中で上部端栓４を被覆管２に溶接してそれを密
封することにより製造される。

軽水炉にて使用された使用済燃料の再処理によ
つて得られたプルトニウム含有燃料ペレツトを用
いた核燃料要素が製造されている。プルトニウム
は毒性が強く、核燃料要素を製造する際、安全管
理を十分に行うことが要求される。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、核燃料要素外部への核物質の
飛散を防止できる核燃料要素の製造方法を提供す
ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、一端が端栓にて密封された被
覆管内にプルトニウムを含む複数の燃料ペレツト
を充填し、プルトニウムを捕捉するフイルタが設
けられた通路を有する端栓を、通路の一端が前記
被覆管内に連通するように、被覆管の他端部に溶
接にて取付け、被覆管の両端部に端栓を取付けた
状態で通路を通して被覆管内のガスを吸引し、そ
の後、通路を介して被覆管内に不活性ガスを充填
し、外部に連通している通路を前記フイルタより
外側で密封鎖することにある。

最近、軽水炉にて使用された使用済燃料からプ
ルトニウムを抽出し、そのプルトニウムを軽水炉
用の核燃料要素に含有させるプルサーマル燃料の
開発が進められつつある。また、プルトニウムを
含んだ核燃料要素は、重水炉および高速増殖炉に
も当然のことながら用いられている。

このプルトニウムを含有している核燃料要素の
製造に当つては解決すべき技術的問題点がある。

第一の問題点は、プルトニウムは毒性が強く、
ウラン燃料とは異なり製造施設内のゼロ汚染管理
が必要であるということである。

第二の問題点は、ウラン燃料と異なり放射線が
強く、製造施設では遠隔操作あるいは自動化装置
が必要となることである。

既に製造を行つている重水炉用の核燃料要素製
造施設では、第一の制限条件を満足させる種々の
対策がなされている。

つまり、燃料ペレツトは大気中で取扱うのでは
なくグローブボツクス内で被覆管２内に充填さ
れ、充填後に第２図に示すようなフイルタ８を有
する仮端栓７を被覆管２の一端に着脱可能に挿入
する。プルトニウムの粒子は最小0.3μ程度であ
り、フイルタ８はこれを通さない高性能フイルタ
が用いられている。

このフイルタ８が効果を発揮するのは、密封用
の本端栓（図示せず）を被覆管２に溶接する前の
脱ガス乾燥工程である。脱ガス乾燥工程は、仮端
栓付燃料要素をチヤンバ内に入れ、仮端栓７に設
けられた通路２１を通して被覆管２内を真空に引
きながら約300℃で加熱して湿分を除去すること
により行われる。この真空引きの際、核燃料要素
内のプルトニウムの粒子が引かれるが、仮端栓７
に内蔵されているフイルタ８に引つ掛かり外部へ
の飛散を防止できる。

真空脱ガス乾燥工程終了後、被覆管内にヘリウ
ムガスが充填される。その後、仮端栓７を被覆管
２の一端より取外し、プレナムスプリングを被覆
管２内に挿入し、密封用の本端栓が被覆管に溶接
される。これで核燃料要素が完成される。

この重水炉用の核燃料は、プルトニウムの富化
度が低く（約２％）放射線も弱いため上記作業は
ほとんどグローブボツクス内で手作業で行われ
る。つまり、前記第一条件を満足すれば良いこと
になる。

しかしながら前述の軽水炉用の核燃料要素への
プルトニウム添加の場合はプルトニウム富化度が
高く（約５％）、従来型の重水炉用の核燃料要素
においても核燃料中の核分裂生成物が増加するの
で、核燃料からの放射線の強さは現在の重水炉用
の核燃料要素よりはるかに強くなる。

そこでこれらの核燃料を扱う施設では第二の条
件−遠隔操作化、自動化が必要となる。

ところが前述の如く従来の重水炉燃料製造施設
ではほとんどの作業が手作業で行なわれていて第
二の条件を満足させることはできない。

取わけ第一の条件を満足させるための手段であ
る仮端栓の取扱いは自動化の上で大きな支障とな
る。なぜならばこれらプルサーマル燃料、重水炉
燃料は、加圧型軽水炉（PWR）燃料の内圧30気
圧はもちろんのこと、燃料要素内圧をより高くす
る傾向にあり、このような高圧用チヤンバ内での
仮端栓ハンドリンク用装置の存在は圧力保証、シ
ール部からの汚染物質漏洩、チヤンバ内容積増加
による真空引き時間の増加、耐圧チヤンバ外から
の機器のメンテナンス性等の不具合の原因とな
る。

つまり製造中汚染防止の役目を果し、真空脱ガ
ス乾燥炉、高圧チヤンバ内で一切ハンドリングす
る必要のない端栓を持つた核燃料要素が必要とな
る。

発明者等は、種々の検討を行い第一および第二
の制限条件を満足する核燃料要素を発明したもの
である。

〔発明の実施例） 本発明の好適な一実施例である核燃料要素を以
下に述べる。第３図に本実施例の核燃料要素２４
を示す。被覆管２１の一端である下端には下部端
栓２が、その他端には上部端栓９が溶接されてい
る。被覆管２内には燃料ペレツト３、サーマルイ
ンシユレータ５、プレナムスプリング６が充填さ
れている。燃料ペレツト３は、ウランとともにプ
ルトニウムを含有している。上部端栓９内でしか
も被覆管２内の雰囲気と接する位置にフイルタ１
０が内蔵されている。またフイルタ１０を介して
被覆管２内の空間に連通される細長い孔部２２
が、上部端栓９内に設けられる。細長い孔部２２
は、外部に連通していた通路をＢ点で溶接にて封
鎖することによつて作られる。上部端栓９と被覆
管２の溶接箇所はＡ位置である。

上記構造がプルトニウム入燃料製造、とりわけ
プルサーマル燃料製造でいかに適しているかを以
下に述べる。

これらの核燃料要素を製造するには、まずヘリ
ウム雰囲気（常圧）中で被覆管２の一端に下部端
栓１をTIG溶接する。これは従来の軽水炉、重水
炉用の核燃料要素と同じである。

次に、汚染防止のためにグローブボツクスと呼
ばれるシールドされた箱の中でプルトニウム含有
の燃料ペレツト３、サーマルインシユレータ５、
プレナムスプリング６が充填される。この後、第
４図に示すようにフイルタ１０を内蔵している上
部端栓９がヘリウム雰囲気（常圧）であるチヤン
バ１３内で被覆管２に溶接される。溶接作業時に
は、被覆管２はグリツパ１１および上部端栓９は
グリツパ１２によつて把持されている。１４は、
溶接機、１５はシール部材である。ヘリウム雰囲
気に置換するときチヤンバ内を真空に引くが、こ
のとき被覆管２内から出る核物質は上部端栓９に
内蔵されたフイルタ１０に補捉され真空系の汚染
を防止する。このフイルタ１０は、ポーラスな金
属、あるいはセラミツクからできており0.3μ程度
の核燃料等の粒子まで補捉可能である。

上部端栓９が被覆管２に溶接されて脱落の心配
が解消されたことにより、被覆管２内の空間は、
上部端栓９のフイルタ１０を有する通路のみによ
つて外部と連通している。従つて、被覆管２外へ
の核物質の漏洩を防止でき、それ以後の製造工程
では特別に核燃料汚染防止対策を考慮する必要は
なくなる。すなわち、以後の製造工程間の移動が
容易になる。

上部端栓９を溶接した後、核燃料要素は真空脱
ガス乾燥される。核燃料要素は、真空装置を有す
る乾燥炉内に入れられる真空装置を駆動して乾燥
炉内を一端真空状態にする。これにより核燃料要
素内の湿分が除去される。溶接時の真空引きと同
様にこのときも上部端栓９に内蔵されたフイルタ
１０が汚染防止の役目を果す。所定の真空度に到
達後、乾燥炉が加熱されるので更に被覆管２内の
湿分が除去される。

真空脱ガス乾燥後、核燃料要素は、第５図に示
すような方法で上部端栓９の通路２３を閉塞され
る。すなわち、核燃料要素は、その頭部を溶接用
チヤンバ１３内に挿入される。外部との密閉はシ
ール部材１５により行う。ここでチヤンバ１３内
部を真空に引き、その後、チヤンバ１３内に加圧
ヘリウムが供給される。ヘリウムの圧力は、核燃
料の種類により異なるが数気圧から30気圧前後必
要となる。チヤンバ１３内に供給されたヘリウム
は通路２３を通つて被覆管２内に流入する。この
高圧下でチヤンバ１３外に設置したレーザ溶接装
置１７よりレーザ光を発し、レンズ１６を通して
上部端栓９の通路２３の先端を溶融して通路２３
を閉塞する。このため、第３図に示す細長い凹部
２２が、上部端栓９内に作られる。

本実施例の核燃料要素２４の製造上の利点は、
以下に示すものがある。

(1) 燃料ペレツト３充填後、フイルタ１０を内蔵
している上部端栓９を被覆管２に溶接している
ため、製造工程での核物質の飛散が完全に防げ
る。

(2) 従来のように溶接チヤンバでの仮端栓の取扱
いが不要なために余分な機構を省くことがで
き、燃料製造の自動化に対する信頼性を高める
ことができる。

(3) 仮端栓不要により高圧チヤンバの容積をより
小さくすることができ、チヤンバの排気、加圧
の時間を極小にすることができる。また、チヤ
ンバ外部とのシール部が全くないことからチヤ
ンバ内圧の維持が容易になる。

(4) 上部端栓の周溶接は常圧で、通路２３の封鎖
溶接のみを高圧下で行えるため、安定した溶接
性を得ることができる。

従来の重水炉用の核燃料要素の製造方法で行う
場合の不具合点を以下に述べる。

従来の方式では、まず燃料ペレツト３を充填
後、第２図に示すように高性能フイルタ
（HEPAフイルタ）と同材質のフイルタ８を内蔵
した仮端栓７を被覆管２に挿入する。この後、大
気中を運搬して真空脱ガス乾燥を行い、溶接用チ
ヤンバに頭を挿入しシールする。この方法は第４
図と同じ方法である。

チヤンバ１３と脱ガス乾燥炉はつながつており
ヘリウム雰囲気（常圧）となつている。ここで手
作業により仮端栓７を除去し、プレナムスプリン
グ６を挿入し、上部端栓４を被覆管２内にさし込
む。この後、端栓グリツパ１２で第２端栓７を保
持し、TIG溶接トーチ１４を調節してアークギヤ
ツプを適正にする。この作業が完了して初めて上
部端栓４と被覆管２の円周突き合わせ溶接を行つ
て完了となる。

この従来方式を用いて加圧型核燃料要素を製造
する場合の欠点を以下に述べる通りである。

(1) 燃料ペレツト３充填後の仮端栓７の被覆管２
への挿入のみでは核物質飛散を完全に防ぐこと
はできない。

(2) 高圧用チヤンバ１３内に仮端栓除去装置、端
栓グリツパ、プレナムスプリング挿入装置、ト
ーチ等を組み込む必要があり、(i)高圧チヤンバ
１３の容積増加に伴う加圧時間の増加が生産能
力を減じる、(ii)外部とのシール部分が増加する
ことにより高圧チヤンバ１３内の圧力の精度維
持が困難になる、および(iii)30気圧に耐えるチヤ
ンバ１３の構造は内装装置の調整、メンテナン
スが困難、等の不具合が生じる。

(3) 30気圧下で上部端栓４の周囲のTIG溶接はア
ークの安定性が得られず自動化が困難である。

これらの欠点は、プルトニウム燃料製造でのゼ
ロ汚染管理、施設の自動化という２つの命題を損
うもので、これは本実施例になる核燃料要素の構
造、製造方法を採用することにより解決するもの
である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、プルトニウム含有核燃料要素
の製造施設で核物質の飛散を完全に防ぎ、かつ被
曝防止の為の自動化を取り入れた核燃料要素製造
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の核燃料要素の縦断面図、第２図
は従来の核燃料要素の製造工程で仮端栓を取付け
た状態を示す説明図、第３図は本発明の好適な一
実施例である核燃料要素の縦断面図、第４図は第
３図に示す核燃料要素の上部端栓溶接方法を示す
説明図、第５図は第３図に示す核燃料要素の上部
端栓の栓溶接方法を示す説明図である。 １…下部端栓、２…被覆管、３…燃料ペレツ
ト、９…上部端栓、１０…フイルタ、２２…細長
い凹部、２３…通路、２４…核燃料要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被覆管の一端部に端栓を溶接し、前記被覆管
   内にプルトニウムを含む複数の燃料ペレツトを充
   填し、プルトニウムを捕捉するフイルタが設けら
   れた通路を有する前記端栓を、前記通路の一端が
   前記被覆管内に連通するように前記被覆管の他端
   部に溶接にて取付け、前記被覆管の両端部に端栓
   を取付けた状態で前記通路を通して前記被覆管内
   のガスを吸引し、その後、前記通路を介して前記
   被覆管内に不活性ガスを充填し、外部に連通して
   いる前記通路を前記フイルタより外側で密封する
   ことを特徴とする核燃料要素の製造方法。