(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質を含む中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた球体状を成す被覆粒子燃料と、
中性子を吸収して前記核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備え、
混入される前記可燃性毒物の一部が、前記被覆粒子燃料の直径より小さい球体状を成す可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であり、この可燃性毒物粒子が前記マトリックスの中で分散して含有されていることを特徴とする核燃料コンパクト。
【請求項２】
前記可燃性毒物の表面は、ＳｉＣの被膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の核燃料コンパクト。
【請求項３】
前記可燃性毒物は、ガドリニウム及びホウ素の少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の核燃料コンパクト。
【請求項４】
前記マトリックスが、炭化ケイ素のセラミックスから形成されることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の核燃料コンパクト。
【請求項５】
前記マトリックスの気孔率が、２０％以上であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の核燃料コンパクト。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の前記核燃料コンパクトが被覆管の内部に積層して充填されたことを特徴とする核燃料棒。
【請求項７】
核燃料物質を含む中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた球体状を成す被覆粒子燃料と、
中性子を吸収して前記核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備え、
混入される前記可燃性毒物の一部が可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であり、前記マトリックスの気孔率が、２０％以上であることを特徴とする核燃料コンパクト。
【請求項８】
核燃料物質を含む中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた球体状を成す被覆粒子燃料と、
中性子を吸収して前記核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備え、
混入される前記可燃性毒物の一部が可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であることを特徴とする核燃料コンパクト。
【請求項９】
核燃料物質を含む中心核を核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆して球体状を成す被覆粒子燃料を形成するステップと、
粉末状の基材と粉末状の可燃性毒物とを混合するステップと、
前記基材と前記可燃性毒物との混合粉末と、前記被覆粒子燃料とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理してマトリックスを形成するステップと、を含み、
前記基材に混入される前記可燃性毒物の一部が、前記被覆粒子燃料の直径より小さい球体状を成す可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であり、この可燃性毒物粒子が前記マトリックスの中で分散して含有されていることを特徴とする核燃料コンパクトの製造方法。
【請求項１０】
前記焼結助剤に酸化アルミニウムと酸化イットリウムの混合物を用いて、
前記可燃性毒物は酸化ガドリニウムを含んで、
前記酸化ガドリニウムの重量が、前記焼結助剤の重量の０．８倍以上であることを特徴とする請求項９に記載の核燃料コンパクトの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、核反応を調整するための可燃性毒物を含有する核燃料コンパクト、核燃料コンパクトの製造方法、及び核燃料コンパクトを被覆管内に積層させて装荷する核燃料棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所において大規模な自然災害の被害により電源喪失などの重大事故に至った場合、炉心を冷却する冷却機器が駆動できなければ、制御棒の挿入により原子炉を停止することができた場合であっても、燃料内の核分裂生成物による崩壊熱などにより原子炉の内部が高温状態となる。
【０００３】
冷却材に水を用いる軽水炉の原子炉内構造物において、金属材料が主に用いられてきたが、これら金属材料は、高温の水蒸気と金属―水反応により酸化して、水素を発生させる。
【０００４】
重大事故が発生して原子炉内が高温状態となり、原子炉格納容器内の水蒸気と金属材料との反応により水素が発生すると、原子炉格納容器内の水素濃度が高まり、条件によっては水素燃焼により原子炉格納容器の健全性を損なうおそれがある。
【０００５】
重大事故時においても原子炉の安全性を高めるため、炉内の構造物中で大部分を占める核燃料棒の被覆管を非金属材、例えばＳｉＣ長繊維強化ＳｉＣ複合材料（以下、“ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料”と省略する）を用いる構成が検討されている。
【０００６】
このＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料は、繊維と繊維を固めているセラミックスとの界面での剥離や滑りにより擬延性を与えて、モノリシックセラミックスの弱点である脆弱性を回避した材料である。一方で、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料を被覆管に適用した場合、材料内部における剥離などの損傷を回避することは難しく、材料内部での破損が発生した場合、核分裂により生成される核分裂生成ガスが被覆管の外部へ漏洩する危険性があった。
【０００７】
そこで、被覆管内の核燃料物質を含む燃料要素そのものに核分裂生成ガスの閉じ込め性能を持たせるため、核分裂生成ガスを閉じ込めるための被覆層で核燃料物質を含有する中心核（カーネル）を覆った被覆粒子燃料を、基材内で分散させて加工成形した核燃料コンパクトを用いる技術の研究開発が行われている。この被覆粒子燃料を用いる技術は、従来高温ガス炉で適用されてきた技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１２７４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、従来の軽水炉燃料では、燃焼初期における燃料体の過剰な反応度を抑制するため、中性子吸収断面積の大きいガドリニウムやホウ素などの可燃性毒物と核燃料物質とを直接混合して、加工成形を行い可燃性毒物入りの燃料ペレットとして用いている。
【００１０】
この場合では、燃料ペレットが積層されて封入される核燃料棒内の大部分に核燃料物質が装荷されるため、可燃性毒物の混合による燃料ペレット中の核燃料物質の閉める割合が減り、核燃料物質の装荷量が極端に低下することはなかった。
【００１１】
一方、軽水炉燃料に被覆粒子燃料から構成される核燃料コンパクトを用いた場合、核燃料物質を含有する中心核に可燃性毒物を混合すると、中心核内に装荷できる核燃料物質の量には制限があるため、可燃性毒物の混合による核燃料物質の装荷量の低下が大きな問題となる。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、軽水炉燃料に被覆粒子燃料を用いた場合に、核燃料物質の装荷量を低下させずに可燃性毒物を核燃料物質の近傍に配置することができる核燃料コンパクト、核燃料コンパクトの製造方法、及び核燃料コンパクトを被覆管内に積層させて装荷する核燃料棒を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態に係る核燃料コンパクトにおいて、核燃料物質を含む中心核を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた球体状を成す被覆粒子燃料と、中性子を吸収して前記核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備え、混入される前記可燃性毒物の一部が、前記被覆粒子燃料の直径より小さい球体状を成す可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であり、この可燃性毒物粒子が前記マトリックスの中で分散して含有されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明の実施形態に係る核燃料コンパクトの製造方法において、核燃料物質を含む中心核を核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆して球体状を成す被覆粒子燃料を形成するステップと、粉末状の基材と粉末状の可燃性毒物とを混合するステップと、前記基材と前記可燃性毒物との混合粉末と、前記被覆粒子燃料とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理してマトリックスを形成するステップと、を含み、前記基材に混入される前記可燃性毒物の一部が、前記被覆粒子燃料の直径より小さい球体状を成す可燃性毒物粒子であり、この可燃性毒物粒子の直径が、前記被覆粒子燃料の直径の０．２２倍であり、この可燃性毒物粒子が前記マトリックスの中で分散して含有されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態により、軽水炉燃料に被覆粒子燃料を用いた場合に、核燃料物質の装荷量を低下させずに可燃性毒物を核燃料物質の近傍に配置することができる核燃料コンパクト、核燃料コンパクトの製造方法、及び核燃料コンパクトを被覆管内に積層させて装荷する核燃料棒を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る核燃料コンパクトが装荷される核燃料棒の概略構成図。
【図２】（Ａ）は第１実施形態に係る核燃料コンパクトの構成を説明する図、（Ｂ）は本実施形態に係る被覆粒子燃料の断面図。
【図３】酸化アルミニウム−酸化イットリウムにおける状態図。
【図４】酸化アルミニウム−酸化ガドリニウムにおける状態図。
【図５】本実施形態に係る核燃料コンパクトの製造方法を示すフローチャート。
【図６】（Ａ）は第２実施形態に係る核燃料コンパクトの構成を説明する図、（Ｂ）はマトリックスにおける表面の部分拡大図。
【図７】（Ａ）は第３実施形態に係る核燃料コンパクトの構成を説明する図、（Ｂ）はマトリックス内に含有される、被覆粒子燃料と可燃性毒物粒子の配置の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る核燃料棒１１の縦断面図を示している。
【００１８】
核燃料棒１１は、中空円筒状の被覆管１２内に複数の核燃料コンパクト１０が積層して装荷されている。被覆管１２の上端及び下端には、上端端栓１３及び下端端栓１４が設けられており、両端栓により核燃料コンパクト１０は被覆管１２内に封止される。
【００１９】
被覆管１２には、ジルカロイ合金やステンレス合金、あるいはＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材料など、高温条件で十分な安定性を持つ材料が用いられる。特に、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材を用いることで、高温の水との酸化反応による水素および酸化熱発生を抑制でき、炉心溶融などを引き起こす重大事故時にその進展を遅らせることができる。
【００２０】
被覆管１２内の上部には、核燃料コンパクト１０を積層しない一定の空間としてプレナム１５が設けられている。プレナム１５は、核燃料コンパクト１０から放出される核分裂生成ガスを収容するガス溜めとなる。
【００２１】
プレナム１５内にはバネ状のプレナムスプリング１６が設けられており、プレナムスプリング１６の一端は上端端栓１３に接続され、他端は核燃料コンパクト１０に係止されることで、核燃料コンパクト１０は被覆管１２内で固定されている。
【００２２】
図２（Ａ）は第１実施形態に係る核燃料コンパクト１０の構成を説明する図であり、（Ｂ）は被覆粒子燃料１７の断面図である。
【００２３】
本実施形態に係る核燃料コンパクト１０は、核燃料物質を含む中心核２０を、核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する被覆層で被覆させた粒子状の被覆粒子燃料１７と、中性子を吸収して核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、被覆粒子燃料１７を分散して含有するマトリックス１８と、を備える。
【００２４】
被覆粒子燃料１７は、同心球状の複数領域から構成される粒子状の核燃料要素であり、中心部分に核燃料物質を含む中心核２０（カーネル）が形成され、中心核２０を覆うように複数の被覆層が形成されている。
【００２５】
核燃料物質には、ウラン２３５を濃縮した酸化ウラン（ＵＯ２）、プルトニウムなどを用いる。また、核燃料物質を含む中心核２０の成形は、乾式法や湿式法などの高温ガス炉用の燃料で使用される既存の方法を用いることができる。なお、核燃料物質の化学形は、酸化物に限定されず、窒化物、炭化物など、中心核２０を安定的に形成できる状態を用いる。
【００２６】
中心核２０を覆う複数の被覆層は、中心核２０における核分裂により生成する核分裂生成ガスを保持する（閉じ込める）ためのものであり、中心核２０から外側に向かって順に、低密度炭素から成るバッファ層２１、熱分解炭素層２２、ＳｉＣ層２３、及び熱分解炭素層２４で構成されている。これらの被覆層は、例えば流動床中で蒸着ガスの熱分解により中心核２０を中心に蒸着、被覆されて形成される。
【００２７】
なお、図２（Ｂ）は、被覆層の一例を示したものであり、４層で構成される被覆層に限定されるものでは無く、さらに熱分解炭素層などの被覆層を追加しても良いし、３層以下の被覆層で構成しても良い。
【００２８】
マトリックス１８は、中性子を吸収して核分裂の反応度を調整するための可燃性毒物が混入されて、被覆粒子燃料１７を分散して含有する金属セラミックスである。マトリックス１８の基材として、炭化ケイ素、チタン合金、酸化アルミニウムなどが例示される。
【００２９】
マトリックス１８は、粉末状の基材と粉末状の可燃性毒物とを均一となるように混合して混合粉末を作り、この混合粉末の中に被覆粒子燃料１７を加える。そして、この混合物に焼結助剤を添加して、焼結処理することで円柱状に成形されたものである。被覆粒子燃料１７は、マトリックス１８内で分散されるように焼結処理される。なお、マトリックス１８を成形するための焼結方法は、液相焼結法などセラミックスを形成する既存の方法を用いる。
【００３０】
可燃性毒物としては、中性子吸収断面積の大きい元素が用いられ、例えば熱中性子吸収断面積の大きいガドリニウムまたはホウ素など、あるいはガドリニウムまたはホウ素の化合物が用いられる。ガドリニウムの化合物として酸化ガドリニウム（Ｇｄ２Ｏ３）、ホウ素の化合物として二ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）が例示される。
【００３１】
特にガドリニウムの中性子吸収反応は、主としてガドリニウム１５５、ガドリニウム１５７の（ｎ，γ）反応によるものとなる。反応後のガドリニウム１５６、ガドリニウム１５８は安定核種であり、反応前のガドリニウムと同種元素となる。
【００３２】
このため、燃焼中は強い放射線場にあるため格子欠陥の形成などの損傷は起こりうるものの、可燃性毒物の燃焼におけるマトリックス１８の化学的な性質の変化は最低限に抑制され、核燃料コンパクト１０を安定的に維持できる。
【００３３】
また、焼結助剤は、マトリックス１８の基材よりも融点が低い材料が選択されて、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）と酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）の混合材料を用いることができる。
【００３４】
図３は、Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３における２成分系の状態図を示している。なお、図中において、α―Ａｌ２Ｏ３は三方晶Ａｌ２Ｏ３多形を意味しており、Ｃ及びＨのそれぞれは、立方晶、六方晶Ｙ２Ｏ３多形を意味する。また、図中のＥ１〜Ｅ３は共晶点（ｅｕｔｅｃｔｉｃ）を、Ｐは包晶点（ｐｅｒｉｔｅｃｔｉｃ）を示す。
【００３５】
Ａｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３の混合比を調整することで融点を下げることができるため、焼結処理の温度を下げることができる。例えば、物質量比でおおよそＡｌ２Ｏ３：Ｙ２Ｏ３＝４：１が選定された場合、融点を１８２９℃（共晶点Ｅ１）まで下げることができる。
【００３６】
図３の状態図によれば、物質量比でＡｌ２Ｏ３：Ｙ２Ｏ３＝４：１が選定された場合、焼結処理後で成形されたマトリックス１８内にはＡｌ２Ｏ３とＹ３Ａｌ５Ｏ１２（ＹＡＧ）が混合して存在することになる。
【００３７】
具体的には、共晶点Ｅ１でのＹ２Ｏ３、ＹＡＧそれぞれのモル分率は、１９．５ｍｏｌ％、３７．５ｍｏｌ％となる。これを重量分率に換算すると、Ｙ２Ｏ３、ＹＡＧそれぞれは、３５．６ｗｔ％、５７．０ｗｔ％となる。さらに、てこの原理を用いてＡｌ２Ｏ３の相の重量比を計算すると、Ａｌ２Ｏ３は焼結助剤中の重量比で３８％存在する。
【００３８】
Ａｌ２Ｏ３は高温水との共存性が悪いため、焼結助剤としてＡｌ２Ｏ３とＹ２Ｏ３を用いることで焼結温度を下げられる一方で、高温水環境中ではマトリックス１８の耐食性を下げてしまうおそれがある。
【００３９】
核燃料コンパクト１０は、被覆管１２内に積層されるため、直接高温の炉水と通常時には接触しないが、破損時など異常時は高温水と接触する場合が考えられる。このため、高温水に対する耐食性をマトリックス１８が有することが望ましく、マトリックス１８中のＡｌ２Ｏ３の存在量を低減することが望ましい。
【００４０】
そこで、可燃性毒物としてＧｄ２Ｏ３を用いて、Ａｌ２Ｏ３との状態遷移を利用してマトリックス１８中のＡｌ２Ｏ３の存在量を低減する方法を検討する。
【００４１】
図４は、Ａｌ２Ｏ３とＧｄ２Ｏ３における２成分系の状態図を示している。なお、Ｈ、Ａ、及びＢのそれぞれは、高温六方晶、Ａ型六方晶、Ｂ型単斜晶Ｇｄ２Ｏ３を意味する。
【００４２】
図４の状態図によると、Ａｌ２Ｏ３のモル分率を１００％から低下させていくと、Ａｌ２Ｏ３のモル分率が６２．５％のときに、Ｇｄ３Ａｌ５Ｏ１２の固相に変化して、Ａｌ２Ｏ３の固相が存在しなくなることが分かる。
【００４３】
Ｇｄ３Ａｌ５Ｏ１２の組成に基づいて、Ｇｄ３Ａｌ５Ｏ１２の固相に変化させるために必要なＧｄの添加量を検討する。ＧｄとＡｌの比率は、Ｇｄ／（Ｇｄ＋Ａｌ）＝３／８＝０．６／１．６となり、物質量比でＧｄ：Ａｌ＝０．６：１．０となる。つまり、Ａｌ２Ｏ３とＧｄ２Ｏ３の物質量比で、Ｇｄ２Ｏ３がＡｌ２Ｏ３の０．６倍以上であれば、Ａｌ２Ｏ３の固相が存在しなくなる。
【００４４】
共晶点Ｅ１（図３）でのＡｌ２Ｏ３は、焼結助剤１ｇにつき０．００３６８２ｍｏｌと計算される。この物質量の０．６倍（＝０．００２２０９ｍｏｌ）のＧｄ２Ｏ３が、Ａｌ２Ｏ３をＧｄ３Ａｌ５Ｏ１２の固相に変化させるために必要な物質量となる。これを焼結助剤１ｇに対して換算すると０．８ｇのＧｄ２Ｏ３が必要な重量と計算できる。
【００４５】
つまり、焼結助剤の重量を基準とすると、Ｇｄ２Ｏ３の重量が焼結助剤の０．８倍以上であれば、耐食性を低下させるＡｌ２Ｏ３の固相の発生を抑制することができる。
【００４６】
図５は、本実施形態に係る核燃料コンパクト１０の製造手順を示すフローチャートである（適宜、図２参照）。ここでは、マトリックス１８の基材として、ＳｉＣを用いる場合を例に説明する。
【００４７】
粒子形成ステップＳ１０では、核燃料物質を含む中心核２０を、複数の被覆層で被覆して粒子状の被覆粒子燃料１７を形成させる。
【００４８】
混合ステップＳ１１では、粉末状の可燃性毒物と炭化ケイ素の基材とを均一となるように混合させる。
【００４９】
焼結処理ステップＳ１２では、可燃性毒物と炭化ケイ素の混合粉末と、被覆粒子燃料１７とを混合する。そして、焼結助剤を添加して焼結処理が行われて、円柱状のマトリックス１８に成形される。このとき、被覆粒子燃料１７はマトリックス１８内で分散されるように焼結処理される。
【００５０】
このように、粉末状の可燃性毒物を混入させてマトリックス１８を成形することにより、中心核２０に核燃料物質を添加する場合や被覆粒子燃料１７の周囲に可燃性毒物を含む被覆層（オーバーコート層）を設ける場合と比較して、核燃料コンパクト１０における核燃料物質の装荷量を低下させずに可燃性毒物を核燃料物質の近傍に配置することができる。
【００５１】
また、マトリックス１８内に可燃性毒物が均質に分布するため、燃焼の偏りを低減することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
図６（Ａ）は、第２実施形態に係る核燃料コンパクト１０の構成を説明する図であり、（Ｂ）はマトリックス１８における表面の部分拡大図である。なお、第１実施形態と共通の構成又は機能については、重複する説明を省略する。
【００５３】
第２実施形態では、マトリックス１８の気孔率を調整して、核分裂によって生成されるガスをマトリックス１８の外部に排出して被覆管１２（図１）の自由空間に逃すことを特徴とする。ここでは、マトリックス１８の基材としてＳｉＣを用いて、可燃性毒物としてホウ素を用いる場合について検討する。
【００５４】
ホウ素は、可燃性毒物としての役割を有するとともに、ＳｉＣの焼結助剤として一般に広く用いられるものであり、マトリックス１８の焼結を補助する。
【００５５】
一方で、ホウ素による中性子吸収は、主としてホウ素１０の（ｎ，α）反応による。αはヘリウム原子核であるため、中性子吸収にともないヘリウムガス（Ｈｅガス）が発生する。ホウ素は主にＳｉＣの粒界に存在するため、（ｎ，α）反応により発生するＨｅガスは粒界ガスバブルとして存在する。
【００５６】
ホウ素による中性子吸収により発生するＨｅガスが核燃料コンパクト１０内に蓄積すると、ガススウェリング（ガス膨張）が発生するおそれがある。
【００５７】
核燃料コンパクト１０が膨張すると、被覆管１２（図１）と核燃料コンパクト１０との間には一定のクリアランスが確保されているものの、被覆管１２と核燃料コンパクト１０が接触して、被覆管１２にかかる負荷を増加させてしまう危険性がある。
【００５８】
そこで、図６（Ｂ）に示すように、ホウ素による中性子吸収により発生するＨｅガスをマトリックス１８の外部に排出するための気孔を、ＳｉＣ結晶粒の境界である結晶粒界に与える。
【００５９】
長軸／短軸比３〜４程度の扁平楕円体形状の気孔を考えた場合、気孔によるパーコレーション（浸透）の閾値は、体積比で２０％程度となる。このため、気孔率がマトリックス１８の体積比で２０％以上であれば連結なクラスタが存在することができ、このとき気孔がマトリックス１８の全体に渡って生じる。
【００６０】
したがって、マトリックス１８の気孔率を調整して２０％以上とすることで、マトリックス１８の内部でＨｅガスが発生した場合であっても、このＨｅガスを、気孔を介して被覆管１２の自由空間に通じて逃すことができる。なお、気孔率の調整法は、多孔質ＳｉＣセラミックスの気孔率を調整するための既存の方法を用いる。
【００６１】
このように、発生したＨｅガスを核燃料コンパクト１０から被覆管内の自由空間内に逃す構成とすることにより、核燃料コンパクト１０におけるマトリックス１８のガススウェリングを低減でき、核燃料コンパクト１０の安定性を向上することができる。
【００６２】
また、α粒子そのものは非放射性なので、被覆管１２の微小亀裂などから万が一ヘリウムガスが漏れ出しても、放射能の漏洩にはつながることは無い。
【００６３】
（第３実施形態）
図７（Ａ）は、第３実施形態に係る核燃料コンパクト１０の構成を説明する図であり、（Ｂ）は被覆粒子燃料１７と可燃性毒物粒子２５の配置の一例を示す図。なお、第１実施形態と共通の構成又は機能については、重複する説明を省略する。
【００６４】
第３実施形態では、マトリックス１８に混入される可燃性毒物の一部が、被覆粒子燃料１７の直径より小さい可燃性毒物粒子２５であり、この可燃性毒物粒子がマトリックス１８の中で分散して含有されていることを特徴とする。
【００６５】
焼結助剤とともに混入させた粉末状の可燃性毒物のみでは、核設計の条件によっては可燃性毒物の量として不十分である場合がある。この場合、可燃性毒物をホウ素１０やガドリニウム１５５、ガドリニウム１５７など中性子吸収断面積の大きい同位体に濃縮することで、化学的な組成を変えずに中性子吸収断面積を高めることも考えられるが、これは技術的な観点、製造コストなどから容易ではない。
【００６６】
そこで、マトリックス１８を焼結成形する際に、粉末状の可燃性毒物とともに粒子状の可燃性毒物粒子２５を基材に混入させることで、可燃性毒物粒子２５をマトリックス１８の中で分散して含有させる。
【００６７】
可燃性毒物粒子２５の直径を被覆粒子燃料１７の直径より小さい粒子とすることで、被覆粒子燃料１７の充填率を大きく下げずに、可燃性毒物粒子２５をマトリックス１８中に分散させて含有させることができる。
【００６８】
このように、球状の可燃性毒物粒子２５をマトリックス１８内に分散して含有させることで、同位体濃縮を行うこと無く簡易に可燃性毒物の量を調整することができる。
【００６９】
また、被覆粒子燃料１７及び可燃性毒物粒子２５の２つの球体を充填する場合、最密充填した球の間隙に内接する小さな球（可燃性毒物粒子２５）の半径ｒは、幾何学的な配置を考慮すると、大きな球（被覆粒子燃料１７）の半径Ｒの０．２２倍となる。
【００７０】
可燃性毒物粒子２５の半径ｒを被覆粒子燃料１７の半径Ｒの０．２２倍に設定することで、最密充填した被覆粒子燃料１７の間隙に可燃性毒物粒子２５が存在できることになり、被覆粒子燃料１７の充填率、すなわち核燃料物質の装荷量への影響を最小限に抑制することができる。
【００７１】
なお、混入される可燃性毒物粒子２５が焼結助剤と反応して化学的なバランスを崩してしまう恐れがある場合には、可燃性毒物粒子２５の表面に、反応を抑制する被膜を形成しても良い。この被膜は、例えばＳｉＣを化学気相成長させて可燃性毒物粒子２５の表面に形成させる。
【００７２】
以上述べた各実施形態の核燃料コンパクトによれば、粉末状の可燃性毒物を混入させてマトリックスを成形することにより、軽水炉燃料に被覆粒子燃料を用いた場合に、燃料コンパクトにおける核燃料物質の装荷量を低下させずに可燃性毒物を核燃料物質の近傍に配置することができる。
【００７３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７４】
１０  核燃料コンパクト
１１  核燃料棒
１２  被覆管
１３  上部端栓
１４  下部端栓
１５  プレナム
１６  プレナムスプリング
１７  被覆粒子燃料
１８  マトリックス
２０  カーネル
２１  バッファ層
２２  熱分解炭素層
２３  ＳｉＣ層
２４  熱分解炭素層
２５  可燃性毒物粒子
【図１】
0006699882.tif 000002
【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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