(57)【要約】【課題】燃料ペレット同士の固着を抑制する。【解決手段】核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で円柱状に形成された燃料ペレット１３の端面２１に、端面２１から窪んだディンプル２４を複数形成する。半径方向の内側の方にディンプル２４が多く形成されることが好ましい。ディンプル２４の代わりに、直線あるいは円形の溝を形成してもよい。また、ディンプル２４の代わりに、端面２１から突出した突部を形成してもよい。突部は、外周部に形成することが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料集合体に用いられる燃料ペレットにおいて、
核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で、端面に突部または凹部を複数持つ円柱状に形成されている
ことを特徴とする燃料ペレット。
【請求項２】
軸方向の最も外側に位置する部分の面積が半径方向の外側よりも小さい内側領域が前記端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料ペレット。
【請求項３】
核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で端面に突部または凹部を複数持つ円柱状に形成された燃料ペレットを被覆管の内部に装填した燃料棒を、複数束ねたことを特徴とする燃料集合体。
【請求項４】
燃料集合体に用いられる燃料ペレットにおいて、
核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で円柱状に形成され、端面にアルミナおよびシリカの析出を抑制する固着バリア層を備えた
ことを特徴とする燃料ペレット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽水炉に装荷される燃料集合体およびそれに用いる燃料ペレットに関する。
【背景技術】
【０００２】
軽水炉型原子炉には、燃料棒を束ねた燃料集合体が複数装荷される。燃料棒は、ジルコニウム基合金製の被覆管に、燃料ペレットを装填し、両端を封じたものである。燃料ペレットは、ＵＯ２あるいはＵＯ２とＰｕＯ２との混合酸化物を焼結したものであり、Ｇｄ２Ｏ３などの可燃性毒物が添加される場合がある。円柱形状をもつペレットとジルコニウム基合金製の燃料被覆管の間には、製造時のペレット装填性や、照射中のペレット−被覆管相互作用を考慮して、ギャップが形成されている。
【０００３】
ペレット−被覆管相互作用（ＰＣＩ）に伴い、主に燃焼中期において、被覆管に応力腐食割れ（ＳＣＣ）が生じる場合がある。このＰＣＩ−ＳＣＣ破損は、材料、応力、環境の３条件が重畳して生じる。すなわち、被覆管材料がＳＣＣに対し感受性を有しており、かつペレットが膨張して外側の被覆管を押し広げることによって被覆管に引張応力が負荷され、なおかつ核分裂によりペレット内で生成された腐食性の核分裂生成物（ヨウ素など）が被覆管の引張応力負荷部にある一定量存在する場合である。これらの少なくとも１つを抑制することによりＰＣＩ−ＳＣＣ破損を抑制できる。
【０００４】
被覆管内には、燃焼に伴って、核分裂によりペレット内に蓄積された気体状の核分裂生成物（ＦＰガス）が放出される。このため、高い燃焼度まで照射されると、ＦＰガスの放出量が大きくなる。ＦＰガス放出量が大きくなって燃料棒の内圧が被覆管外の冷却材圧力を上回ると、被覆管が外向きにクリープ変形を起こすリフトオフが生じることが懸念される。リフトオフが生じると、ペレット−被覆管のギャップが広がることによりギャップ部の熱伝達率が減少し、これに伴いペレット温度が上昇してＦＰガス放出量が高くなり、被覆管のリフトオフがさらに促進される、いわゆるサーマルフィードバックが働く。しかし、サーマルフィードバックは、ＦＰガスの放出量を低く抑えることで内圧の上昇を抑えることにより抑制できる。
【０００５】
ＰＣＩ−ＳＣＣ破損、または、サーマルフィードバックを抑制する方策として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）及びシリカ（ＳｉＯ２）あるいはこれらの化合物であるアルミナシリケートを微量添加して焼結したアルミナシリケート添加ペレットが考案されている（たとえば特許文献１および２参照）。アルミナシリケート添加ペレットでは、液相下で焼結が進むため、結晶粒が大きく成長する傾向がある。このためアルミナシリケート添加ペレットの焼結後の結晶粒径は、通常のペレットの１０μｍ程度に対して、約２０〜６０μｍと大きくなる。結晶粒径が大きいと、照射時に結晶粒内で生成されたＦＰガスがペレット外に放出される量が抑制される。このようなＦＰガス放出量低減の効果により、アルミナシリケート添加ペレットは、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損、サーマルフィードバックを抑制する働きをもつ。
【特許文献１】特公平８−２７３６７号公報
【特許文献２】特許第２７８６３４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
アルミナシリケートを添加していない一般的な燃料ペレットにおいては、装填時などにペレットが燃料棒内で偏心した状態となっても、燃焼中のペレットは膨張により端面間ですべり、偏心が解消される。しかし、軸方向に重なるペレット同士が互いに同一軸心からずれ偏心した状態で照射されると、アルミナシリケートの添加の影響により燃料ペレットが偏心したまま端面間でペレット同士が固着する可能性がある。
【０００７】
このように偏心した状態では、ペレットと被覆管の間のギャップが広くなる部分が生じてギャップ熱伝達率が低下し、その結果ペレット温度が上昇するおそれがある。このような場合、ＦＰガス放出量が増えてＰＣＩ−ＳＣＣ破損およびサーマルフィードバックが生じる懸念が高まる。
【０００８】
さらに、偏心し固着した状態でペレットが膨張した場合、狭ギャップ側では膨張量が小さい状態でもペレットが被覆管と接触し、なおかつ固着のために広ギャップ側にペレットが移動することもできない。この結果、ペレットの膨張過程を通じて被覆管を押し広げて負荷する応力を高めることとなり、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損の可能性が高まる。
【０００９】
このように燃料破損の一形態であるＰＣＩ−ＳＣＣ破損や、サーマルフィードバックは、アルミナシリケート添加ペレットによりＦＰガス放出を抑えることで抑制することができるが、ペレット同士が偏心したまま固着してしまうと、期待する効果が発揮されない可能性がある。
【００１０】
そこで、本発明は、アルミナシリケートが添加された燃料ペレット同士の固着を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の目的を達成するため、本発明は、燃料集合体に用いられる燃料ペレットにおいて、核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で、端面に突部または凹部を複数持つ円柱状に形成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、燃料集合体において、核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で端面に突部または凹部を複数持つ円柱状に形成された燃料ペレットを被覆管の内部に装填した燃料棒を、複数束ねたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、燃料集合体に用いられる燃料ペレットにおいて、核分裂性物質の酸化物にアルミナおよびシリカを添加した物質で円柱状に形成され、端面にアルミナおよびシリカの析出を抑制する固着バリア層を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アルミナシリケートが添加された燃料ペレット同士の固着を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る燃料ペレットの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１６】
［第１の実施の形態］
図３は、本発明に係る燃料ペレットの第１の実施の形態を用いた燃料棒の一部切欠き立断面図である。
【００１７】
燃料棒１１は、被覆管１２に燃料ペレット１３を装填し、被覆管１２の両端を端栓１４で封じたものである。被覆管１２および端栓１４は、たとえばジルコニウム基合金で形成される。燃料ペレット１３は、二酸化ウランにアルミナシリケートを微量添加して、ほぼ円柱状に焼結したものである。アルミナシリケートとは、アルミナとシリカの混合物である。
【００１８】
アルミナシリケートの添加物は、たとえばアルミナとシリカの重量比が約４：６で、合計の添加量を４０ｐｐｍ以上とする。アルミナシリケートの添加は、ペレットの製造時におけるＵＯ２の焼結を促進するため、結晶粒径が通常のペレットの１０μｍ程度に対して２０〜６０μｍ程度と大きくなる。
【００１９】
結晶体中の物質の拡散移動においては、拡散速度の違いから一般に結晶粒界が拡散の主なパスになると考えられる。アルミナシリケート添加によるペレット組織の大粒径化は、照射時に結晶粒内で生成される気体状の核分裂生成物（ＦＰガス）が結晶粒界に達するまでの距離を長くする。この結果、アルミナシリケートの添加は、ペレット外に放出されるＦＰガスの量を抑える効果をもつ。
【００２０】
また、アルミナシリケートはペレット内においてガラス相として主に結晶粒界に析出し、結晶粒界の全部または一部を覆っている。照射時に結晶粒内で生成されるＦＰガスは、前述したように主に結晶粒界を通ってペレット外部まで拡散していくため、結晶粒界に析出したアルミナシリケートがそれらＦＰガス、特にヨウ素、セシウムなどの腐食性生成ＦＰ核種と反応してこれを捕捉する。これらのＦＰガス放出量低減の効果によりアルミナシリケート添加ペレットはＰＣＩ−ＳＣＣ破損、サーマルフィードバックを抑制する効果をもつ。
【００２１】
ペレットの焼結を促進して、このような微細組織を得るためには、シリカの添加重量をアルミナのそれよりも大きくする必要があることが実験的に確かめられている。また、アルミナシリケートの添加量の範囲を４０ｐｐｍ以上としたのは、平均結晶粒径２０μｍの場合、その全結晶粒径を検出できる幅（約１ｎｍ）のアルミナシリケート相で被覆するためには少なくとも約４０ｐｐｍ必要であるからである。
【００２２】
なお、燃料ペレット１３は、主成分であるＵＯ２の他に、核分裂性物質としてのＰｕＯ２やＴｈＯ２、あるいは、可燃性毒物としてＧｄ２Ｏ３などを含有していてもよい。また、これらの酸化物にアルミナとシリカを添加物として加えるに当たっては、アルミナとシリカのそれぞれを加えて混合してもよいし、あるいは、アルミナとシリカを予め反応させてアルミナシリケートとした後に加えてもよい。
【００２３】
図１は、本実施の形態における燃料ペレットの斜視図である。図２は、本実施の形態における燃料ペレットの縦断面図である。
【００２４】
本実施の形態の燃料ペレット１３は円筒状に形成されていて、また、端面２１の外周部には軸に対して傾いたチャンファ部２３が側面２２との間に形成されている。端面２１には、軸方向に窪んだディンプル２４が複数形成されている。
【００２５】
被覆管１２へのペレット１３の装填時、燃料体の輸送時あるいは燃料集合体の原子炉への装荷時に、軸方向に重なる燃料ペレット１３同士が互いに同一軸心からずれて、偏心する場合がある。
【００２６】
図４は、ペレットが偏心した状態を示す燃料棒の部分縦断面を示す、図５におけるIV−IV矢視断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ矢視横断面図である。
【００２７】
アルミナシリケートが添加された燃料ペレット１３は、ＦＰガス放出量を低減し、その結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損、サーマルフィードバックを抑制する効果をもつ。しかし、図４および図５に示すように軸方向に重なる燃料ペレット１３同士が互いに同一軸心からずれて、偏心したまま、上下の燃料ペレット１３が固着してしまうと、期待する効果が発揮されない可能性がある。
【００２８】
しかし、本実施の形態の燃料ペレット１３を用いた燃料棒１１では、端面２１にディンプル２４を設けることによって、燃料ペレット１３同士の接触面積を減少させている。このため、照射中に、温度の上昇および照射の影響によって燃料ペレット１３の端面２１にアルミナシリケートが析出したとしても、燃料ペレット１３の間がアルミナシリケートによって固着されることが抑制される。この結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損が抑制される。また、ＦＰガス放出量が低減されるため燃焼末期の燃料棒内圧の上昇を抑える。このように燃料ペレット１３にディンプル２４を設けて燃料ペレット１３同士の接触面積を減少させることにより、燃料棒の健全性を高めることができる。
【００２９】
ディンプル２４の深さは、端面２１にアルミナシリケートが析出したとしても、向かい合う燃料ペレット１３の端面２１に接触しない程度の深さとすることが好ましい。また、ディンプルの数は、端面２１同士の接触部にアルミナシリケートが析出したとしても、燃料ペレット１３と被覆管１２の相互作用によって生じる応力によって、燃料ペレット１３が相対的に移動できる程度となるように設定する。ただし、ディンプル２４の深さを深くすることと、ディンプル２４の数を多くすることは、燃料棒１１に装荷されるウランのインベントリを減少させることになるため、燃料の経済性を損なわないように留意すべきである。ディンプル２４の深さは、たとえば５０μｍ〜１００μｍ程度とする。
【００３０】
燃料ペレット１３の端面２１では、水平方向中央部の方が温度が高いため、外周部に比べてアルミナシリケートによる燃料ペレット１３同士の固着の程度が大きいと考えられる。そこで、本実施の形態の燃料ペレット１３では、ディンプル２４は端面２１の水平方向の中心部に集中して形成されている。このため、燃料ペレット１３の端面２１の中央部は、その外側の領域に比べて燃料ペレット１３同士の接触面積が小さい。このため、燃料ペレット１３の間がアルミナシリケートによって固着されることがより抑制される。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図６は、本発明に係る燃料ペレットの第２の実施の形態における斜視図である。
【００３２】
本実施の形態の燃料ペレット３１は、端面２１に直線の溝３２を複数形成したものである。溝３２はたとえば直交する２方向に延びていて、端面２１には網目状の突部が形成されている。溝３２の深さは、たとえば５０μｍ〜１００μｍ程度とする。これらの溝３２によって、隣り合う燃料ペレット３１同士の接触面積が減少する。
【００３３】
このため、照射中に、温度の上昇および照射の影響によって燃料ペレット３１の端面２１にアルミナシリケートが析出したとしても、燃料ペレット３１の間がアルミナシリケートによって固着されることが抑制される。この結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損が抑制される。また、ＦＰガス放出量が低減されるため燃焼末期の燃料棒内圧の上昇を抑える。このように、燃料ペレット３１同士の接触面積を減少させることにより、燃料棒の健全性を高めることができる。
【００３４】
また、本実施の形態では、溝３２を設けて燃料ペレット同士の接触面積を減少させているが、端面２１から突出する突条を複数形成して、燃料ペレット同士の接触面積を減少させてもよい。
【００３５】
［第３の実施の形態］
図７は、本発明に係る燃料ペレットの第３の実施の形態における斜視図である。
【００３６】
本実施の形態の燃料ペレット４１は、端面２１に円形の溝４２を複数形成したものである。溝４２は、たとえば同心円状に形成されている。溝４２の深さは、たとえば５０μｍ〜１００μｍ程度とする。これらの溝４２によって、隣り合う燃料ペレット４１同士の接触面積が減少する。
【００３７】
このため、照射中に、温度の上昇および照射の影響によって燃料ペレット４１の端面２１にアルミナシリケートが析出したとしても、燃料ペレット４１の間がアルミナシリケートによって固着されることが抑制される。この結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損が抑制される。また、ＦＰガス放出量が低減されるため燃焼末期の燃料棒内圧の上昇を抑える。このように、燃料ペレット４１同士の接触面積を減少させることにより、燃料棒の健全性を高めることができる。
【００３８】
また、本実施の形態では、溝４２を設けて燃料ペレット同士の接触面積を減少させているが、端面２１から突出するリングを複数形成して、燃料ペレット同士の接触面積を減少させてもよい。
【００３９】
［第４の実施の形態］
図８は、本発明に係る燃料ペレットの第４の実施の形態における斜視図である。図９は、本実施の形態における燃料ペレットの縦断面図である。
【００４０】
本実施の形態の燃料ペレット５１の端面２１には、端面２１から突出する突部５２が複数形成されている。突部５２の突出高さは、たとえば５０μｍ〜１００μｍ程度とする。これらの突部５２によって、隣り合う燃料ペレット５１同士の接触面積が減少する。
【００４１】
このため、照射中に、温度の上昇および照射の影響によって燃料ペレット５１の端面２１にアルミナシリケートが析出したとしても、燃料ペレット５１の間がアルミナシリケートによって固着されることが抑制される。この結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損が抑制される。また、ＦＰガス放出量が低減されるため燃焼末期の燃料棒内圧の上昇を抑える。このように、燃料ペレット５１同士の接触面積を減少させることにより、燃料棒の健全性を高めることができる。
【００４２】
燃料ペレット１３の端面２１では、水平方向中央部の方が温度が高いため、外周部に比べてアルミナシリケートによる燃料ペレット１３同士の固着の程度が大きいと考えられる。そこで、本実施の形態の燃料ペレット５１では、ディンプル２４は端面２１の水平方向の外周部に集中して形成されている。このため、燃料ペレット５１の端面２１の中央部は、その外側の領域に比べて燃料ペレット５１同士の接触面積が小さい。このため、燃料ペレット５１の間がアルミナシリケートによって固着されることがより抑制される。
【００４３】
［第５の実施の形態］
図１０は、本発明に係る燃料ペレットの第５の実施の形態における斜視図である。図１１は、本実施の形態における燃料ペレットの縦断面図である。
【００４４】
本実施の形態の燃料ペレット６１は、端面に金属などの薄膜を二酸化ウランに固着させた固着バリア層６２が形成されている。固着バリア層６２は、燃料ペレット６１が照射中に経験する温度よりも高い融点の材料で形成される。燃料ペレット６１が照射中に経験する温度は、１７００℃程度である。また、固着バリア層６２は、中性子経済の悪化を抑制するため、熱中性子吸収断面積が小さい材料で形成されることが好ましい。
【００４５】
たとえば、融点が１８５２℃で、熱中性子吸収断面積が０．１８バーンのジルコニウムで固着バリア層６２を形成することができる。また、融点が２４６８℃で、熱中性子吸収断面積が１．１５バーンのニオブを固着バリア層６２に用いてもよい。融点が３５５０℃で、熱中性子吸収断面積が０．００３４バーンの炭素を、固着バリア層６２に用いることもできる。あるいは、これらの元素を用いた合金などを固着バリア層６２に用いてもよい。
【００４６】
このような固着バリア層６２を燃料ペレット６１の端面に形成することにより、燃料ペレットの端面へのアルミナシリケートの析出が抑制される。このため、燃料ペレット６１同士の固着が抑制される。この結果、ＰＣＩ−ＳＣＣ破損が抑制される。また、ＦＰガス放出量が低減されるため燃焼末期の燃料棒内圧の上昇を抑える。このように、燃料ペレット５１同士の接触面積を減少させることにより、燃料棒の健全性を高めることができる。
【００４７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る燃料ペレットの第１の実施の形態における斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料ペレットの第１の実施の形態における縦断面図である。
【図３】本発明に係る燃料ペレットの第１の実施の形態を用いた燃料棒の一部切欠き立断面図である。
【図４】ペレットが偏心した状態を示す燃料棒の部分縦断面を示す、図５におけるIV−IV矢視断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ矢視横断面図である。
【図６】本発明に係る燃料ペレットの第２の実施の形態における斜視図である。
【図７】本発明に係る燃料ペレットの第３の実施の形態における斜視図である。
【図８】本発明に係る燃料ペレットの第４の実施の形態における斜視図である。
【図９】本発明に係る燃料ペレットの第４の実施の形態における縦断面図である。
【図１０】本発明に係る燃料ペレットの第５の実施の形態における斜視図である。
【図１１】本発明に係る燃料ペレットの第５の実施の形態における縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１１…燃料棒、１２…被覆管、１３…燃料ペレット、１４…端栓、２１…端面、２２…側面、２３…チャンファ部、２４…ディンプル、３１…燃料ペレット、３２…溝、４１…燃料ペレット、４２…溝、５１…燃料ペレット、５２…突部、６１…燃料ペレット、６２…固着バリア層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2010145245.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
2010145245.tif 000013