【手続補正書】
【提出日】平成15年11月12日(2003.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】核燃料棒用燃料ペレット、燃料棒及び核燃料アセンブリ
【特許請求の範囲】
【請求項１】原子炉燃料アセンブリ内の核燃料棒のための燃料ペレットにおいて、
ａ）核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料の内部円筒形コア；及び
ｂ）単位容量当たり少ない核分裂可能な核材料及び内部円筒形コアとほぼ同じ量の、単位容量当たりの親物質を有する核燃料の外部円筒形層
からなること特徴とする、核燃料棒用燃料ペレット。
【請求項２】内部円筒形コアの核燃料が、大体においてウラン化合物、プルトニウム化合物、トリウム化合物及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１記載の燃料ペレット。
【請求項３】外部円筒形層が約１ミル〜約２５ミルの厚さを有する、請求項２記載の燃料ペレット。
【請求項４】外部円筒形層が約３ミル〜約８ミルの厚さを有する、請求項３記載の燃料ペレット。
【請求項５】外部円筒形層が約４ミル〜約５ミルの厚さを有する、請求項４記載の燃料ペレット。
【請求項６】内部円筒形コアの核燃料が濃縮二酸化ウランである、請求項１記載の燃料ペレット。
【請求項７】外部円筒形層の核燃料が、大体において減損ウラニア、天然ウラニア、及び内部円筒形コア内の二酸化ウランの濃縮度より低い濃縮度を有する濃縮二酸化ウランからなる群から選択される、請求項６記載の燃料ペレット
。
【請求項８】内部円筒形コア内の二酸化ウランの濃縮度が、約５重量％未満である、請求項７記載の燃料ペレット。
【請求項９】外部円筒形層が約１ミル〜約２５ミルの厚さを有する、請求項８記載の燃料ペレット。
【請求項１０】外部円筒形層が約３ミル〜約８ミルの厚さを有する、請求項９記載の燃料ペレット。
【請求項１１】外部円筒形層が約４ミル〜約５ミルの厚さを有する、請求項１０記載の燃料ペレット。
【請求項１２】原子炉燃料アセンブリ内の核燃料棒のための燃料ペレットにおいて、
ａ）中心軸線を有し、かつ核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料からなる内部円筒形コアと、
ｂ）外部半径を有する核材料の複数の同軸の外部円筒形層とからなり、同軸の外部円筒形層のそれぞれが核分裂可能な材料及び親物質からなり、複数の同軸の外部円筒形層のそれぞれの内部の核分裂可能な材料の濃度が内部円筒形コアの中心軸線から外部半径に向かって減少すること特徴とする、核燃料用燃料ペレット。
【請求項１３】同軸の外部円筒形層の複数が５より少ない、請求項１２記載の燃料ペレット。
【請求項１４】内部円筒形コアの核材料が濃縮二酸化ウランである、請求項１３記載の燃料ペレット。
【請求項１５】複数の同軸の外部円筒形層のそれぞれの核材料が、大体において減損ウラニア、天然ウラニア、及び内部円筒形コア内の二酸化ウランの濃縮度より低い濃縮度を有する濃縮二酸化ウランからなる群から選択される、請求項１４記載の燃料ペレット。
【請求項１６】内部円筒形コアの核材料が濃縮二酸化ウランである、請求項１２記載の燃料ペレット。
【請求項１７】複数の同軸の外部円筒形層のそれぞれの核材料が、大体において減損ウラニア、天然ウラニア、及び内部円筒形コア内の二酸化ウランの濃縮度より低い濃縮度を有する濃縮二酸化ウランからなる群から選択される、請求項１６記載の燃料ペレット。
【請求項１８】同軸の外部円筒形層のそれぞれの内部の核分裂可能な核材料の濃度が、内部円筒形コアの中心軸線から最も外部の層の外部半径に向かってほぼ連続的に漸進的に減少しており、それにより内部円筒形コアの中心軸線から外部半径に向かう核分裂可能な材料の濃度プロフィールが、ペレット内部で増殖されるプルトニウムプロフィールの逆である、請求項１７記載の燃料ペレット。
【請求項１９】内部に核燃料ペレットを含有する金属製管状燃料棒クラッディングからなり、かつ該金属製管状燃料棒クラッディング内部に核燃料ペレットを気密シールするための載設されたシール手段を有する原子炉燃料アセンブリ用の燃料棒において、核燃料ペレットの少なくとも１つが、
ａ）核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料の内部円筒形コア；及び
ｂ）単位容量当たり少ない核分裂可能な核材料及び内部円筒形コアとほぼ同じ量の、単位容量当たりの親物質を有する核燃料の外部円筒形層
からなること特徴とする、燃料棒。
【請求項２０】内部に核燃料ペレットを含有する金属製管状燃料棒クラッディングからなり、かつ該金属製管状燃料棒クラッディング内部に核燃料ペレットを気密シールするための載設されたシール手段を有する原子炉燃料アセンブリ用の燃料棒において、核燃料ペレットの少なくとも１つが、
ａ）中心軸線を有し、かつ核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料からなる内部円筒形コアと、
ｂ）外部半径を有する核材料の複数の同軸の外部円筒形層とからなり、同軸の外部円筒形層のそれぞれが核分裂可能な材料及び親物質からなり、複数の同軸の外部円筒形層のそれぞれの内部の核分裂可能な材料の濃度が内部円筒形コアの中心軸線から外部半径に向かって減少すること特徴とする、燃料棒。
【請求項２１】加圧水形原子炉のために核燃料アセンブリにおいて、
ａ）下方タイプレート；
ｂ）上方端部と、前記下方タイプレートに接続された下方端部を有するガイドチューブ；
ｃ）ガイドチューブに沿って間隔を有するスペーサグリッド；
ｄ）ガイドチューブの上方端部に取付られた上方タイプレート；
ｅ）半径方向で間隔を有し、かつスペーサグリッドによってガイドチューブに沿って支持された複数の核燃料棒からなり、該複数の核燃料棒の少なくとも１つは、内部に核燃料ペレットを含有する金属製管状燃料棒クラッディングからなりかつ該金属製管状燃料棒クラッディング内部に核燃料ペレットを気密シールするための載設されたシール手段を有し、核燃料ペレットの少なくとも１つが、
Ｉ）核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料の内部円筒形コア；及び
ＩＩ）単位容量当たり少ない核分裂可能な核材料及び内部円筒形コアとほぼ同じ量の、単位容量当たりの親物質材料を有する核燃料の外部円筒形層
からなること特徴とする、核燃料アセンブリ。
【請求項２２】沸騰水形原子炉のための核燃料アセンブリにおいて、該アセンブリが、アセンブリの底部に向かって位置決めされた下方タイプレートと、アセンブリの頂部に向かって位置決めされた上方タイプレートとの間に支持された複数の核燃料棒、冷却材／減速材を燃料棒の回りをアセンブリの底部からアセンブリの頂部に向かって誘導するための複数の燃料棒を包囲する外部チャネル、燃料棒を互いに間隔をもって位置決め及び保持するためのスペーサグリッドを有し、複数の核燃料棒の少なくとも１つが、内部に核燃料ペレットを含有する金属製管状燃料棒クラッディングからなりかつ該金属製管状燃料棒クラッディング内部に核燃料ペレットを気密シールするための載設されたシール手段を有し、核燃料ペレットの少なくとも１つが、
ａ）核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料の内部円筒形コア；及び
ｂ）単位容量当たり少ない核分裂可能な核材料及び内部円筒形コアとほぼ同じ量の、単位容量当たりの親物質を有する核燃料の外部円筒形層
からなること特徴とする、核燃料アセンブリ。
【請求項２３】沸騰水形原子炉のための核燃料アセンブリにおいて、該アセンブリが、アセンブリの底部に向かって位置決めされた下方タイプレートと、アセンブリの頂部に向かって位置決めされた上方タイプレートとの間に支持された複数の核燃料棒、冷却材／減速材を燃料棒の回りをアセンブリの底部からアセンブリの頂部に向かって誘導するための複数の燃料棒を包囲する外部チャネル、燃料棒を互いに間隔をもって位置決め及び保持するためのスペーサグリッドを有し、複数の核燃料棒の少なくとも１つが、内部に核燃料ペレットを含有する金属製管状燃料棒クラッディングからなりかつ該金属製管状燃料棒クラッディング内部に核燃料ペレットを気密シールするための載設されたシール手段を有し、核燃料ペレットの少なくとも１つが、
ａ）中心軸線を有しかつ核分裂可能な材料及び核親物質材料の少なくとも１つを含む核燃料からなる内部円筒形コア；及び
ｂ）外部半径を有する核材料の複数の同軸の外部円筒形層とからなり、同軸の外部円筒形層のそれぞれが核分裂可能な材料及び親物質からなり、複数の同軸の外部円筒形層のそれぞれの内部の核分裂可能な材料の濃度が内部円筒形コアの中心軸線から外部半径に向かって減少すること特徴とする、核燃料アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に原子炉用の核燃料アセンブリ、より詳細には核燃料アセンブリ内部の核燃料棒内で使用するための核燃料ペレットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
操業上の核電力の経済性及び競合位置の改良における現行の思想は、原子炉燃料コストを減少するための努力のための強力な刺激を提供する。このような低下を達成するための原理的な手段は、一貫して核燃料の設計電力出力及び核分裂バーンアップにおける増大である。
【０００３】
ウォータ形原子炉のための核燃料棒は、一般に管又は容器を有し、これらの中に球、小粒子又は円筒体のようなのような種々の形状を有してもよくかつ核分裂可能及び／又は親物質からなる燃料ペレットが収容されている。ウラン化合物、トリウム化合物、プルトニウム化合物及びそれらの混合物を包含する種々の核燃料を使用することができる。米国で一般にウォータ形原子炉のために使用される核燃料ペレットは、典型的には、ウラン２３５（Ｕ２３５）がほぼ５重量％（ｗ／ｏ）まで濃縮された焼結二酸化ウラン（ＵＯ２）からなる円形円筒体である。米国の外部では、核燃料ペレット内の核燃料は混合酸化物であってよく、この場合には例えばプルトニウム（これは使用済み核燃料の再生から得られる）は天然又は減損ウランと組み合わされて約５％までの核分裂可能なプルトニウムを含有するプルトニウムとウランの混合酸化物［（ＰＵ−Ｕ）Ｏ２］を形成しかつ僅かに濃縮されたウランを使用する発電用原子炉で使用される。
【０００４】
原子炉の運転過程で、核燃料ペレット及びより詳細にはペレット周辺部で達成される種々の高さのバーンアップの結果として形成されるリム（rim）と称される外部層は、著しい構造変化を受ける。高いバーンアップでは、該リムは高多孔質になり、かつ該燃料のグレインは、初期に典型的に１０μｍ以上に製造した場合のグレイン構造に比較して寸法が０．５〜１．０ミクロンのサブグレインに破砕される。該リム構造は機械的に弱く、ガス発生の傾向があり、かつ高い多孔性に基づき低い熱伝導率を有する。該リムの厚さは、如何に燃料ペレットの初期濃縮に依存するリム内の局所的バーンアップを決定するかに左右されるが、バーンアップ５０ＧＷｄ／ｔＨＭ（ギガワット・日／重金属のメートルトン：トリウム、ウラン又はプルトニウム）で、リムの厚さは典型的にはほぼ５０ミクロン（２ミル）でありかつ６０ＧＷｄ／ｔＨＭでは、該厚さは１００ミクロン（４ミル）に達してもよい。７０ＧＷｄ／ｔＨＭの平均ペレットバーンアップで、厚さは２００ミクロン（８ミル）であってよい。
【０００５】
リム構造の形成は、高い燃料バーンアップを達成するための能力に著しく関与する。該リムは、高多孔質、機械的に著しく弱くなり、破砕の可能性を増大し、かつ付随してアサーマル核分裂生成物ガス放出の可能性を増大しかつ局所的熱伝導率を低下し、ひいては燃料棒中心温度の低下を惹起する。
【０００６】
特徴的リム構造の成長及び形成は、ペレットリム内で達成される極めて高いバーンアップ値の結果である。より詳細には、Ｕ２３５中で濃縮された二酸化ウラン燃料を装填した原子炉の運転中に、中性子及び特に燃料ペレット内でＵ２３５の核分裂から形成されるエピサーマル中性子は、短い距離だけ燃料ペレットの薄い外部層内に侵入し、そこでこれらはプルトニウム２３９及びその他のプルトニウム同位元素を形成するための共鳴ピークに基づきウラン２３８（Ｕ２３８）による捕獲のために利用することができる。ペレットリム内の高いバーンアップは、 Ｕ２３５の核分裂プラス、前記のように主にエピサーマル中性子の捕獲によりリム内のＵ２３８から増殖される核分裂可能なプルトニウムの結果である。
【０００７】
機械的に弱い多孔質リム構造の形成は高いバーンアップ（例えばウラン燃料内のペレット平均５５〜６０ＧＷｄ／ｔＵ、但し１ＧＷｄ／ｔＵ＝１ギガワット・日／ウランのメートルトン＝１ＧＷｄ／ｔＨＭ）を達成する能力に著しく関与しかつ電力出力を増大するので、リム構造の形成が阻止されるか、又は少なくとも減少もしくは遅延される燃料ペレットを有するという利点が生じる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記欠点を有しない新規の核燃料棒用燃料ペレット、燃料棒及び核燃料アセンブリを提供することであった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題は、本発明により、原子炉燃料アセンブリ内の核燃料のための燃料ペレットにおいて、
ａ）核分裂可能な材料及び親物質の少なくとも１つを含む核燃料の内部円筒形コア；及び
ｂ）単位容量当たり少ない核分裂可能な核材料及び内部円筒形コアとほぼ同じ量の、単位容量当たりの親物質を有する外部円筒形層
からなること特徴とする、核燃料棒用燃料ペレットにより解決された。
【００１０】
【実施例】
図１は、下方タイプレート１２、ガイドチューブ１４、半径方向で間隔が保たれ、かつガイドチューブに沿って間隔をもってスペーサグリッド１６により支持された核燃料棒１８、計装管２８、及びガイドチューブの上方端部に取付けられた上方タイプレート２６からなる過圧水形原子炉（ＰＷＲ）核燃料アセンブリを示す。各核燃料棒１８は一般に、核分裂可能及び／又は親物質からなる核燃料ペレット１００が収容された金属製管状燃料棒クラッディング２９、及び核燃料ペレットを金属製管状燃料棒クラッディング内に気密にシールする上端部プラグ２２及び下端部プラグ２４を含む。核分裂反応を制御する際に援助するために使用される制御棒は、この図面には示されていないが、ガイドチューブ内に配置されている。
【００１１】
図２には、米国における原子炉で典型的に使用される沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）の例が、全体として３０で示され、これは下方タイプレート３４Ａと上方タイプレート３６の間に支持された核燃料棒３２を有する。各燃料棒は一般に金属製管状燃料棒クラッディング５２を有し、該金属製管状燃料棒クラッディング内に、末端プラグのようなシール手段により管状クラッディング内に気密シールされた核燃料ペレット１００が収容されている。下方タイプレート３４Ａ及び上方タイプレート３６は、構造的に、燃料棒のアレー内に位置決めされたタイロッド４０によって又は内部水チャネルのような別の手段により接続されている。スペーサグリッド３８は、燃料アセンブリの長さに亙り燃料棒３２の中間支持を行いかつそれらを横方向の振動を制限する一方で相対的に間隔をもつように保持する。外部チャネル４２が燃料アセンブリを包囲しかつ下方タイプレートから上方タイプレートまで延びている。米国以外の原子炉、典型的には欧州で使用される沸騰水形原子炉燃料アセンブリが、全体として３０で図３に示されており、かつ同様にタイロッド４０、スペーサグリッド３８、外部チャネル４２、及びそれぞれ一般的に燃料ペレット１００が収容された金属製管状燃料棒クラッディング５２を有する燃料棒３２を有する。燃料棒３２は、下方タイプレート３４Ｂと上方タイプレート３６の間に支持されている。
【００１２】
図４に関して説明すれば、図２及び３に示された核燃料棒は、金属製管状燃料棒クラッディング５２内に位置決めされた核分裂可能及び／又は親物質からなる複数の燃料ペレット１００として示された核燃料を有する。金属製管状燃料棒クラッディングは、その端部で、アセンブリ内への燃料棒の据えつけを容易にするためにアライメントピン３３を有することができる末端プラグ５４によってシールされている。核燃料の長手方向の膨張及び核燃料から放出されるガスの蓄積を可能にするために、燃料棒の一方の端部に真空スペース又は空間５６が設けられている。螺旋ばね部材５８がスペース５６内に配置されかつ燃料棒の取り扱い及び輸送の際に燃料ペレットの位置を維持することができる。クラッディング５２は、円周溶接部６２によって末端プラグ５４に固定されている。
【００１３】
図５及び６に関して説明すれば、本発明に基づく、図１〜３におけるような原子炉燃料アセンブリ内の燃料棒内で使用するための燃料ペレット１００が示されており、該燃料ペレットは核燃料の外部円筒形層１３０及び内部円筒形コア１１０を有し、該外部層１３０は単位容量当たり少ない核分裂可能な核燃料、及び内部円筒形コア１１０とほぼ同じ、単位容積当たりの親物質を有する。ペレット周囲の燃料燃焼度に影響を及ぼす変数の２つは、（ａ）減損ウラニアと内部コアの濃縮の間にあるように選択することができる核分裂可能な材料（例えばＵ２３５）の濃度、及び（ｂ）外部円筒形層の厚さｔである。例えばウラン化合物、プルトニウム化合物、トリウム化合物及びそれらの混合物を含む種々の核燃料を使用することができるが、本発明の有利な実施例においては、外部円筒形層１３０は約１〜２５ミル、但し有利には約３〜８ミル、特に４〜５ミルの厚さを有する低濃縮、天然又は減損ウラニアからなり、かつ内部円筒形コア１１０は濃縮二酸化ウランである。
【００１４】
低濃縮外部円筒形層１３０内のバーナップは、外部層には少ないＵ２３５が存在するので、標準燃料ペレットにおけるよりも低くなる。低濃縮、天然又は減損ウラニア外部層を有するペレットのためのプルトニウム生成プロフィール（ペレット外部半径Ｒからペレット中心軸線Ｃまで）は、標準的従来技術のペレットためとほぼ同じになる。プルトニウム生成は、主に、極く小さい距離だけ侵入しかつセルフシールディングに基づきペレットの中心部に向かって急速に減少するエピサーマル中性子に基づきペレットの薄い外部シェル内で高い。標準ペレットのリム内の燃焼度は、Ｕ２３５とプルトニウム同位元素の両者の核分裂の貢献に基づき極めて高くなる。
【００１５】
原子炉運転中に、エピサーマル中性子は、低濃縮、天然又は減損ウラニアからなる外部円筒形層１３０内に殆ど捕獲され、かつ従ってペレットリム内でのプルトニウムの増殖及び核分裂は、それが標準的ペレット内で起こると同様に起こる。しかしながら、外部層１３０内にはバーンアップに貢献するためには殆ど又は全くＵ２３５は存在しないので、外部層１３０内のバーンアップは、内部コア内のＵ２３５の含量に関して外部層１３０内のＵ２３５の１重量％減少あたりほぼ９．６ＧＷｄ／ｔＵだけ減少せしめられる。従って、本発明によれば、リム形成は、ペレット平均バーンアップが６０ＧＷｄ／ｔＵを越えて９０（又はそれ以上） ＧＷｄ／ｔＵに増大すると、実質的リム再構造化起こらない時点まで著しく遅延させることができる。
【００１６】
ペレットの外部層１３０内のＵ２３５の量を減少させることにより、内部コア１１０のためのＵ２３５濃縮の所望量を、均一な組成のペレットと同じ反応性を有するペレットを得るためには少量増加させねばならない。例えば、天然ウランからなる５ミルの外部層１３０を有する直径０．３５インチのペレットは、以下のようにペレット全体に均一な４ｗ／ｏＵ２３５濃縮を有する直径０．３５インチの標準ペレットに匹敵する。標準的従来技術のペレットで使用するための４ｗ／ｏＵ２３５濃縮１００キログラム毎に、ほぼ４．２０ｗ／ｏＵ２３５濃縮９４．５キログラム及び天然ウラニア５．５キログラムが必要となる。４ｗ／ｏから４．２０ｗ／ｏのＵ２３５における濃縮に基づきコスト差、及び例えば圧縮、同時押出、スプレーコーティング、又はスラリー内への浸漬によるような４．２０ｗ／ｏ濃縮Ｕ２３５上に外部層を製造するための付加的工程が存在するにもかかわらず、高いバーンアップを燃料を放射する能力は、減少した原子炉燃料コストに基づく著しいコスト倹約を生じる。
【００１７】
図５及び６の実施例においては、内部コア１１０より低いＵ２３５濃縮度を有する単一の外部円筒形層からなるペレット１００が示されている。図７及び８に示された選択的実施例では、ペレット１００は、内側円筒形コア１１０と、厚さｔａ，ｔｂ，ｔｃ及びｔｄを有する１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ及び１３０ｄとして示された複数の円筒形層からなり、この場合Ｕ２３５濃度は外部円筒形層のそれぞれにおいてペレットの中心軸線Ｃから外部半径Ｒに向かって増大する。本発明の別の実施例においては、内部円筒形コア１１０及び大多数の外部層からなり、この場合Ｕ２３５は次第に外部層において実質的に連続的に中心軸線Ｃからペレット外部半径に向かって減少し、従ってペレットの中心からペレットの外周に向かうＵ２３５濃縮プロフィールは、ペレット内で増殖されるプルトニウムプロフィールの逆である。このようなプルトニウム生成プロフィールの逆であるＵ２３５濃縮プロフィールを有するペレットは、所定のバーンアップで、完全に平坦なプロフィールを生じかつリムの形成を阻止する。
【００１８】
前記の説明及び図面は本発明による有利な実施例を表すが、当業者にとっては、本発明の真の思想及び範囲から逸脱することなく種々の変更及び修飾を行うことができることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】加圧水形原子炉のための核燃料アセンブリの立面側面図であり、該アセンブリは高さが短縮されている。
【図２】沸騰水形原子炉のための核燃料アセンブリの立面側面図であり、該アセンブリは高さが短縮されている。
【図３】沸騰水形原子炉のための別の核燃料アセンブリの立面側面図であり、該アセンブリは高さが短縮されている。
【図４】外部管又はクラッディングの一部が破断された、核燃料を含有する核燃料棒の部分的縦断面図である。
【図５】本発明による燃料ペレットの斜視図である。
【図６】図５の６−６線に沿った燃料ペレットの断面図である。
【図７】本発明による燃料ペレットの別の実施例の斜視図である。
【図８】図５の８−８線に沿った燃料ペレットの断面図である。
【符号の説明】
１２  下方タイプレート、  １４  ガイドチューブ、  １６  スペーサグリッド、  １８  核燃料棒、  ２２  上端部プラグ、  ２４  下端部プラグ、  ２６  上方タイプレート、  ２８  計装管  ２９  金属製管状燃料棒クラッディング、  ３０  沸騰水形原子炉（ＢＷＲ）、  ３２  燃料棒、  ３３  アライメントピン、  ３４Ａ  タイプレート、  ３６  上方タイプレート、  ３８  スペーサグリッド、  ４０  タイロッド、  ４２  外部チャネル、  ５２  金属製管状燃料棒クラッディング、  ５４  末端プラグ、５６  真空スペース又は空間、  ５８  螺旋ばね部材、  ６２  円周溶接部、１００  核燃料ペレット、  １１０  内部円筒形コア、  １３０  核燃料の外部円筒形層、  Ｒ  ペレット外部半径、  Ｃ  中心軸線、１３０ａ，１３０ｂ，１３０ｃ及び１３０ｄ、   ｔａ，ｔｂ，ｔｃ及びｔｄ  複数の円筒形層厚さ