(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸（Ａ）に沿って延在する周壁（４）と２つの端面（６）とを含む、水型原子炉燃料棒（８）用焼結燃料ペレット（１）であって、
前記端面（６）の少なくとも１つは、前記周壁（４）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する少なくとも第１の面取部（１２）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第１の傾斜角を有する、少なくとも第１の面取部（１２）と、
前記第１の面取部（１２）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する第２の面取部（１４）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第２の傾斜角を有する、第２の面取部（１４）と、
を含み、
前記第１の傾斜角及び前記第２の傾斜角は同じ符号であり、前記燃料ペレットの外側に向けて方向付けられており、
前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角とは異なり、前記端面は、前記第２の面取部（１４）から前記中心軸（Ａ）の周りで延在する皿状陥没部（１６）をさらに備える、焼結燃料ペレット（１）。
【請求項２】
前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角より大きい、請求項１に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項３】
前記第１の傾斜角は、７°から４０°の間で実質的に構成される、請求項１又は２に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項４】
前記第２の傾斜角は、０．２°から１０°の間で実質的に構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項５】
前記第２の傾斜角は、０．４°から９°の間で実質的に構成される、請求項４に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項６】
前記周壁（４）は、実質的に円筒形である、請求項１から５のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項７】
前記端面（６）は、前記中心軸（Ａ）に実質的に垂直であり、かつ、実質的にその中央で前記周壁（４）と交差する平面（Ｐ）に関して、実質的に対称となる、請求項１から６のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項８】
前記周壁（４）の長さ（Ｈ）と前記周壁（４）の直径（Ｄ）との間の比は、０．４から２の間で実質的に構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット。
【請求項９】
各端面（６）は、前記周壁（４）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する少なくとも第１の面取部（１２）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第１の傾斜角を有する、少なくとも第１の面取部（１２）と、
前記第１の面取部（１２）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する第２の面取部（１４）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第２の傾斜角を有する、第２の面取部（１４）と、
を含み、前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角とは異なる、請求項１から８のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット（１）。
【請求項１０】
中心軸（Ａ）に沿って延在する周壁（４）と２つの端面（６）とを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の焼結燃料ペレット（１）を得るために焼結するようになされる水型原子炉燃料棒（８）用グリーン燃料ペレットであって、
前記端面（６）の少なくとも１つは、前記周壁（４）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する少なくとも第１の面取部（１２）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第１の傾斜角を有する、少なくとも第１の面取部（１２）と、
前記第１の面取部（１２）から前記中心軸（Ａ）に向かって延在する第２の面取部（１４）であって、前記中心軸（Ａ）に垂直な平面に対してゼロではない第２の傾斜角を有する、第２の面取部（１４）と、
を含み、
前記第１の傾斜角及び前記第２の傾斜角は同じ符号であり、前記燃料ペレットの外側に向けて方向付けられており、
前記第１の傾斜角は、前記第２の傾斜角とは異なり、前記端面は、前記第２の面取部（１４）から前記中心軸（Ａ）の周りで延在する皿状陥没部（１６）をさらに備える、グリーン燃料ペレット。
【請求項１１】
前記第１の傾斜角は、７°から４０°の間で実質的に構成される、請求項１０に記載のグリーン燃料ペレット。
【請求項１２】
前記第２の傾斜角は、０．２°から１０°の間で実質的に構成される、請求項１０又は１１に記載のグリーン燃料ペレット。
【請求項１３】
前記第２の傾斜角は、０．４°から９°の間で実質的に構成される、請求項１２に記載のグリーン燃料ペレット。
【請求項１４】
被覆管（７）と、前記被覆管（７）内の焼結燃料ペレット（１）の積層と、を含み、前記焼結燃料ペレット（１）の少なくとも１つは、請求項１から９のいずれか一項に記載のペレットである、核燃料集合体（１０）用燃料棒（８）。
【請求項１５】
構造体（１１）と、燃料棒（８）の束（９）と、を含み、前記燃料棒（８）の少なくとも１つは、請求項１４に記載の燃料棒である、核燃料集合体（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中心軸に沿って延在する周壁と2つの端面とを含むタイプの、軽水または重水型原子炉燃料棒用焼結燃料ペレットに関し、端面の少なくとも1つは、周壁から中心軸に向かって延在し、中心軸に垂直な平面に対して第1の非ゼロ傾斜を有する、少なくとも第1の面取部を含む。
【背景技術】
【０００２】
ロシア設計のVVER(Vodaa Vodiannee Energititscherski Reactor、英語ではWater Water Energy Reactor)を含む加圧水型原子炉(PWR)、または沸騰水型原子炉(BWR)、または加圧重水炉(PHWR)において、各核燃料棒は、被覆管によって包囲された焼結燃料ペレットの積層を含む。燃料ペレットは、主に、同位体235を任意の含量で有する酸化ウラン、および/または、たとえばＧＤ２Ｏ３などの可燃性毒物を添加する可能性のある酸化プルトニウムから形成されるグリーン燃料ペレットの焼結によって得られる。
【０００３】
上述のタイプの燃料ペレットは、特許文献１により公知である。端面の中央の中心軸の周りに、皿状陥没部が設けられ、面取部および陥没部が、平面によって結合している。
【０００４】
面取部の主要機能は、被覆管内への燃料ペレットの装填を容易にすることに加えて、その製造中およびその取扱い中のペレットの欠損の危険性を低減することである。
【０００５】
そのような欠損は、完成ペレット内の欠陥につながり、それらの欠陥は、燃料棒の周りを流れる冷却材中に過熱点をもたらす。そのような過熱点は、燃料棒の周りの均一な温度分配を妨げ、それが、原子炉の効率を低減させる。
【０００６】
ペレット被覆管相互作用(PCI)によって破損した燃料棒のホットセル試験は、その破損が、大部分はペレット端部まで延在する、周方向のペレット表面欠落(Missing Pellet Surface)(MPS)に起因することを示す。そのような欠損によって発生した燃料物質の断片は、ペレットの周壁と被覆管との間の間隙内に閉じ込められる可能性があり、被覆管上の機械的応力を増大させ、それは、ペレット被覆管機械的相互作用(PCMI)による局所的な被覆管破損につながる可能性がある。それに加えて、欠損によるペレット表面欠落は、被覆管支持喪失のために、被覆管に高い機械的応力をもたらす可能性もあり、過熱点と合わさり、核分裂生成物によって増強されて、被覆管破損に至る可能性もある。そのような破損は、放射性ガスおよび物質を原子炉冷却材および原子炉大気内に漏出させる可能性がある。
【０００７】
特許文献１に開示された燃料ペレットは、面取りにもかかわらず、多少の欠損が起こる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第０２／４５０９６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、欠損の危険性をさらに低減することによって、この問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この目的のために、本発明は、上述のタイプの焼結燃料ペレットに関し、このペレットは、第1の面取部から中心軸に向かって延在し、中心軸に垂直な平面に対して第2の非ゼロ傾斜を有する第2の面取部をさらに含み、第1の傾斜は、第2の傾斜とは異なる。
【００１１】
後に説明するように、第2の面取部は、第1の面取部と第2の面取部との間の鋭角部の出現を妨げ、それは、2つの重なったペレット間の接触を滑らかなままにすることを保証する。したがって、欠損の危険性を低減する。
【００１２】
焼結燃料ペレットの他の特徴によると、
-  第1の傾斜は、第2の傾斜より大きい。
-  第1の傾斜は、実質的に7°から40°の間で構成される。
-  第2の傾斜は、実質的に0.2°から10°の間で構成される。
-  第2の傾斜は、実質的に0.4°から9°の間で構成される。
-  周壁は、実質的に円筒形である。
-  端面は、中心軸に実質的に垂直であり、かつ、実質的にその中央で周壁と交差する平面に関して、実質的に対称となる。
-  周壁の長さと前記周壁の直径との間の比は、実質的に0.4から2の間で構成される。
-  各端面は、周壁から中心軸に向かって延在し、中心軸に垂直な平面に対して第1の非ゼロ傾斜を有する、少なくとも第1の面取部と、第1の面取部から中心軸に向かって延在し、中心軸に垂直な平面に対して第2の非ゼロ傾斜を有する、第2の面取部とを含み、第1の傾斜は、第2の傾斜とは異なる。
【００１３】
別の態様によると、本発明は、上述のような焼結燃料ペレットを得るために焼結するようになされる水型原子炉燃料棒用グリーン燃料ペレットに関し、グリーン燃料ペレットは、中心軸に沿って延在する周壁と2つの端面とを含み、端面の少なくとも1つは、周壁から中心軸に向かって延在するとともに、中心軸に垂直な平面に対して第1の非ゼロ傾斜を有する、少なくとも第1の面取部と、第1の面取部から中心軸に向かって延在するとともに、中心軸に垂直な平面に対して第2の非ゼロ傾斜を有する、第2の面取部と、を含み、第1の傾斜は、第2の傾斜とは異なる。
【００１４】
上述のように、グリーン燃料ペレットの第2の面取部は、焼結ペレットにおいて、燃料棒内の2つの重なったペレット間の滑らかな接触を保証し、この接触によってもたらされる欠損の危険性を低減する。焼結プロセスが極めて長い間、続けられても、第2の面取部は、たかだか平面になるだけである。したがって、焼結ペレットは、従来の形状を有するが、鋭角部を有する危険性は低い。
【００１５】
グリーン燃料ペレットの他の特徴によると、
-  第1の傾斜は、実質的に7°から40°の間で構成される。
-  第2の傾斜は、実質的に0.2°から10°の間で構成される。
-  第2の傾斜は、実質的に0.4°から9°の間で構成される。
【００１６】
別の態様によると、本発明は、被覆管と被覆管内の焼結燃料ペレットの積層とを含む、水型原子炉燃料集合体用燃料棒に関し、焼結燃料ペレットの少なくとも1つは、上述のペレットである。
【００１７】
別の態様によると、本発明は、構造体と燃料棒の束とを含む、水型原子炉燃料集合体に関し、燃料棒の少なくとも1つは、上述の燃料棒である。
【００１８】
本発明の他の態様および利点は、例によって与えられ、添付の図面を参照して行われる以下の説明を読むと、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明にかかる焼結燃料ペレットの概略断面図である。
【図２】図1の領域IIの拡大図である。
【図３】本発明にかかる燃料棒の概略断面図である。
【図４】本発明にかかる核燃料集合体の概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図1は、周壁4と2つの端面6とを含む焼結燃料ペレット1を示す。焼結燃料ペレット1は、図3に示されるように、水型原子炉燃料棒8を形成するために、被覆管7内に配置され、他の同様の焼結燃料ペレットと重ねられるようになされる。そのような燃料棒8は、図4に示されるように、核燃料集合体10の燃料棒束9内に案内され、この束9は、構造体11によって保持される。
【００２１】
図4は、PWR用の正方配列を有する典型的な燃料集合体10を示す。VVER用の燃料集合体10は、通常、六角形配列を有する。BWRおよびPHWR燃料集合体用に使用される構造体も異なるが、燃料ペレットおよび燃料棒は、類似しており、寸法は、それぞれの特定の設計に適合される。全ての場合において、被覆管7は、たとえば、ジルコニウム合金で形成される。
【００２２】
周壁4は、中心軸Aに沿って軸方向に延在しており、端面6は、周壁4の縁部から中心軸Aに向かって延在している。
【００２３】
PWRに使用される燃料ペレット1において、周壁4の直径Dは、通常、燃料集合体配列(主に14×14から19×19)によって、実質的に7.4mmから9.8mmの間で構成される。たとえば、17×17PWR燃料集合体用燃料ペレット1の直径Dは、通常、約8.192mmである。VVER燃料ペレット1用の値は、類似しており、たとえば、Dは、通常、VVER-1000用で7.51mmから7.60mmの間で変わる。
【００２４】
BWRに使用される燃料ペレット1において、周壁4の直径Dは、通常、燃料集合体配列(主に6×6から13×13)によって、実質的に8.0mmから10.3mmの間(6×6の最古の設計においては12.25mmまで搭載できる)で構成される。たとえば、10×10BWR燃料集合体用燃料ペレット1の直径Dは、通常、約8.670mmである。
【００２５】
PHWRに使用される燃料ペレット1において、周壁4の直径Dは、通常、燃料集合体配列によって、実質的に12.0mmから15.3mmの間で構成される。たとえば、19要素束PHWR燃料集合体用燃料ペレット1の直径Dは、通常、約14.3mmである。
【００２６】
これらの全ての場合において、周壁4の長さHと直径Dとの間の比、すなわちH/Dは、実質的に0.6から2の間で構成される。たとえば、典型的なH/D比は、17×17PWR燃料ペレットでは約1.6、VVER燃料ペレットでは約0.7、10×10BWR燃料ペレットでは約1.2、PHWR燃料ペレットでは約1.7である。
【００２７】
別の実施形態によると、燃料ペレット1は、特許文献１に開示された低減H/D比を有することができる。そのような燃料ペレット1において、実質的に8.192mmに等しい直径Dに関するH/D比は、たとえば、0.4から0.6の間で構成され、好ましくは0.5に等しい。
【００２８】
図示された実施形態において、端面6は、中心軸Aに実質的に垂直であり、かつ、実質的にその中央で周壁4と交差する平面Pに関して、実質的に対称となる。したがって、ここで、図1および図2を参照して、上端面6のみを説明する。
【００２９】
端面6は、周壁4から中心軸Aに向かって延在するとともに、第1の非ゼロ傾斜を有する第1の面取部12を含む。第1の傾斜は、第1の面取部12と、中心軸Aに垂直な平面P'との間の角度αによって定義される。角度αは、実質的に7°から40°の間で構成される。特定の実施形態では、角度αは、実質的に18°に等しい。軸Aに沿った第1の面取部12の寸法hは、実質的に0.10mmから0.20mmの間で構成され、好ましくは0.15mmに等しい。平面P'に沿った第1の面取部12の寸法lは、実質的に0.26mmから0.66mmの間で構成され、好ましくは0.46mmに等しい。
【００３０】
第1の面取部12は、その製造中の燃料ペレット1の欠損の低減を可能にし、被覆管7内への燃料ペレット1の装填を容易にする。さらに、第1の面取部12は、周壁4と端面6との間の鋭い角部を抑えることによって、この装填中に燃料ペレット1を劣化させる危険性を低減する。
【００３１】
さらに、端面6は、第1の面取部12から中心軸Aに向かって延在するとともに、第1の傾斜とは異なる第2の非ゼロ傾斜を有する第2の面取部14を含む。第2の傾斜は、第2の面取部14と平面P'との間の角度βによって定義される。角度βは、実質的に0.2°から10°の間で構成される。特に、角度βは、実質的に0.4°から9°の間で構成される。特定の実施形態では、角度βは、実質的に3°に等しい。軸Aに沿った第1の面取部12および第2の面取部14の寸法h'は、実質的に0.15mmから0.25mmの間で構成され、好ましくは0.20mmに等しい。平面P'に沿った第2の面取部14の寸法l'は、実質的に0.64mmから1.34mmの間で構成され、好ましくは0.99mmに等しい。
【００３２】
第1の傾斜および第2の傾斜は、図2に示されるように、同符号であり、燃料ペレット1の外側の方に向く。比較的「急な」第1の傾斜は、比較的「平坦な」第2の傾斜よりも大きい。
【００３３】
一実施形態によると、第1の面取部12および第2の面取部14は、端面6の全周上に延在する。
【００３４】
第2の面取部14は、燃料ペレット1が燃料棒8を形成するために被覆管7内で重ねられるとき、燃料ペレット1とその隣接するペレットとの接触面を形成する。
【００３５】
図1から図3に示される実施形態によると、端面6は、第2の面取部14から中心軸Aの周りに延在する皿状陥没部16をさらに含む。陥没部16は、核燃料棒8が原子炉内で使用されるとき、燃料ペレット1の軸方向熱膨張を可能にするように構成される。
【００３６】
陥没部16の最大深部は、中心軸A上に配置され、たとえば、実質的に0.1mmから0.5mmの間で構成され、好ましくは0.2mmから0.4mmの間で構成される。
【００３７】
水型原子炉内で使用される燃料ペレット1において、陥没部16の直径は、実質的に4.5mmから7.2mmの間で構成される。特定の実施形態では、陥没部16の直径は、実質的に8.192mmに等しい直径Dを有する周壁4に関しては実質的に5.3mmに等しく、実質的に9.33mmに等しい直径Dを有する周壁4に関しては実質的に6.4mmに等しい。燃料ペレット内のそのような皿状陥没部16およびその機能は、一般に知られており、本明細書ではより詳細には説明しない。
【００３８】
ここでは図示されていない、別の実施形態によると、燃料ペレットは、皿状陥没部16の代わりに、またはそれに加えて中心孔を有することができる。中心孔は、一方の端面6から反対の端面6まで延在しており、中心軸Aを中心とする。この孔の直径は、より高い値を試したとしても、たとえば、1から2mmの範囲内にある。燃料ペレット内のそのような中心孔およびその機能は、一般に知られており、本明細書ではより詳細には説明しない。
【００３９】
上述の焼結燃料ペレット1は、グリーン燃料ペレットを焼結することによって得られる。
【００４０】
グリーン燃料ペレットは、周壁4を実質的に円筒形にするために、同位体235を任意の含量で有する酸化ウラン、および/または、たとえばＧｄ２Ｏ３などの可燃性毒物を適当な型内に添加する可能性のある酸化プルトニウムを含む粉末などの燃料物質を適切な型へ圧縮することによって得られる。グリーンペレットを得るために、酸化ウランおよび/もしくは酸化プルトニウム以外の核分裂性物質を使用し、または、空孔形成剤、潤滑剤などの可燃性毒物以外の、もしくは追加の添加物を添加することが可能である。
【００４１】
グリーン燃料ペレットは、焼結燃料ペレット1と実質的に同じ形状と焼結燃料ペレット1よりもわずかに大きい寸法とを有する。すなわち、焼結燃料ペレット1はまた、周壁4と、2つの端面6と、を含み、それぞれの端面6は、第1の面取部12と、第2の面取部14と、図に示される実施形態によれば、皿状陥没部16とを含む。
【００４２】
グリーン燃料ペレットは、焼結され、上述の焼結燃料ペレット1の最終的な形状および寸法を得るために修正することができる。
【００４３】
グリーン燃料ペレットの焼結ステップ中に、第2の面取部14は、燃料物質の濃縮によって軸方向に移動する傾向がある。第2の傾斜のために、接触面は、製造公差にもかかわらず、第1の面取部12の第1の傾斜と同符号の第2の傾斜を常に示す。焼結プロセスが極めて長い間、続けられても、第2の面取部14は、たかだか平面になるだけである。
【００４４】
これは、第1の面取部12と第2の面取部14によって形成された接触面との間の鋭角部の出現を妨げる。したがって、2つの重なった燃料ペレット1間の接触面は、滑らかとなることが保証され、その結果、欠損の危険性は低減し、重なったペレット間の接触点は、皿状陥没部の周縁部まで移動する。
【００４５】
実際に、先行技術のペレットにおいて、欠損の危険性は、グリーンペレットの焼結中の第1の面取部12とペレットの接触面との間の鋭角部の出現に関係することを、本発明者らは、驚くべきことに発見した。
【００４６】
先行技術の燃料ペレットにおいて、水平となるようになされた接触面は、実際は、焼結ステップのために、ペレットの内側部分の方へ向き、面取部の傾斜とは反対の傾斜を示す可能性があった。
【００４７】
したがって、面取部と接触面との間に、鋭角部が、出現する可能性があった。
【００４８】
本発明の第2の面取部14によって、そのような鋭角部の出現を妨げる。したがって、本発明のグリーン焼結燃料ペレット1は、使用中のより良い挙動と、製造歩留りを大幅に増大させる、表面欠陥の大幅な低減と、を提供する。さらに、被覆管破損の危険性が、低減される。
【００４９】
上述のように、本発明の燃料ペレット1は、VVERを含むPWR、およびBWRまたはPHWR内で使用されるように構成される。これらの様々なタイプの原子炉内で使用する燃料ペレット1の全体的な形状は、同じであり、燃料ペレット1の寸法のみを合わせる必要がある。
【００５０】
上述の燃料ペレット1の形状の他の変形が可能である。たとえば、皿状陥没部16を、平面に置き換えることができ、または、燃料ペレット1を環状にするために、中心軸Aの周りに孔を設けることができる。陥没部16の形状を変更することもできる。たとえば、陥没部16を、円錐台とすることができる。
【００５１】
別の変形形態によると、端面6はそれぞれ、異なる形状を有し、または異なる傾斜寸法、陥没部寸法などを示す。したがって、端面6は、必ずしも平面Pに対して対称である必要はない。
【符号の説明】
【００５２】
1  焼結燃料ペレット
4  周壁
6  端面
7  被覆管
8  燃料棒
9  燃料棒束
10  核燃料集合体
11  構造体
12  第1の面取部
14  第2の面取部
16  皿状陥没部
A  ペレットの中心軸
D  ペレットの直径
H  周壁の長さ
P  平面
P'  平面
h  第1の面取部の軸Aに沿った寸法
h'  第1の面取部および第2の面取部の軸Aに沿った寸法
l  第1の面取部の平面P'に沿った寸法
l'  第2の面取部の平面P'に沿った寸法
α  第1の面取部の平面P'に対する角度
β  第2の面取部の平面P'に対する角度
【図１】
0005762960.tif 000002
【図２】
0005762960.tif 000003
【図３】
0005762960.tif 000004
【図４】
0005762960.tif 000005