(57)【要約】【課題】  良好な耐ＰＣＩ破損特性を有しかつ経済性を向上した混合酸化物燃料集合体を提供すること。【解決手段】  沸騰水型原子炉用の燃料集合体は、ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレット１５ａを、第１の被覆管６ａに装填してなるウラン酸化物燃料棒１ａと、ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレット１５ｂを、第２の被覆管６ｂに装填してなる混合酸化物燃料棒１ｂとを有している。第１の被覆管６ａは、外周を構成する外管６１ａと、外管６１ａの内側に設けられた内張り６１ｂとからなり、第２の被覆管６ｂは、外周を構成する外管のみからなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、
ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレットを、第１の被覆管に装填してなるウラン酸化物燃料棒と、
ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレットを、第２の被覆管に装填してなる混合酸化物燃料棒とを有し、
第１の被覆管は、外周を構成する外管と、該外管の内側に設けられた内張りとからなり、第２の被覆管は、外周を構成する外管のみからなる、燃料集合体。
【請求項２】
前記第２の被覆管の肉厚が、前記第１の被覆管の肉厚よりも小さい、請求項１に記載の燃料集合体。
【請求項３】
前記第２の被覆管と、前記第１の被覆管の前記外管との形状および寸法が同一である、請求項２に記載の燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、沸騰水型原子炉で用いられる、混合酸化物燃料棒を含む燃料集合体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術を図４から図７を用いて説明する。図４は、燃料集合体の外観図である。図５は、燃料集合体を構成する燃料棒の外観図である。図６は、燃料棒の横断面図である。また、図７は、燃料棒の燃料集合体への配置を示す横断面図である。
【０００３】
沸騰水型原子炉の炉心に装荷される燃料集合体１１１は、図４に示すように、多数の燃料棒１０１、これを結束する複数のスペーサ１２、燃料棒１０１を上下方向に支持する上部タイプレート１３ａおよび下部タイプレート１３ｂ、燃料棒１０１の周囲を包囲するチャンネルボックス１４等から形成されている。燃料集合体１１１は多数個、原子炉圧力容器内（図示せず）の所定位置に装荷され、炉心を構成している。
【０００４】
従来、核燃料物質としては、天然ウランを濃縮して得られる濃縮ウランが用いられてきたが、近年では、核燃料リサイクルを図るため、濃縮ウランに加えて、核燃料再処理によって得られたプルトニウムを軽水炉の核燃料物質として用いることが計画されている。すなわち、従来は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａだけで構成されたウラン酸化物燃料集合体１１１ａを燃料集合体として使用していたが、これに代えて、ウラン酸化物燃料棒１０１ａと混合酸化物燃料棒１０１ｂとを混合して構成された混合酸化物燃料集合体１１１ｂを燃料集合体として使用しようとするもので、このような燃料をＭＯＸ燃料という。ここで、混合酸化物燃料棒１０１ｂとは、ウラン酸化物、プルトニウム酸化物を混合した材料より構成される燃料棒である。炉心は、ウラン酸化物燃料集合体１１１ａと混合酸化物燃料集合体１１１ｂとを適宜混在させて、または、混合酸化物燃料集合体１１１ｂのみで構成される。
【０００５】
燃料棒１０１の一般的な構造を図５および図６を用いて説明する。図５および図６は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａを代表として記載しているが、混合酸化物燃料棒１０１ｂでも同様である。ウラン酸化物燃料棒１０１ａは、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１１５ａが被覆管１０６の中に多数個装填され、一端をプレナムスプリング１７で押さえられ、被覆管１０６の両端を上部端栓１８および下部端栓１９で密封されて構成される。プルトニウムを用いる場合には、プルトニウム酸化物とウラン酸化物の混合物を焼結した混合酸化物ペレット（図示せず）が被覆管１０６の中に多数個装填され、同様に、一端をプレナムスプリング１７で押さえられ、被覆管１０６の両端を上部端栓１８および下部端栓１９で密封されて、混合酸化物燃料棒１０１ｂ（図７参照）が構成される。すなわち、ウラン酸化物燃料棒１０１ａと混合酸化物燃料棒１０１ｂとは、ペレットの種類が異なるほかは同一の構造である。
【０００６】
図６はウラン酸化物燃料棒１０１ａの横断面図を示す。ウラン酸化物燃料棒１０１ａの最外周部には、中空の被覆管１０６が設けられている。被覆管１０６は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａの外周を構成するジルコニウム合金からなる外管１６１ａと、外管１６１ａの内側に設けられた純ジルコニウムの内張り１６１ｂとから構成されている。被覆管１０６の中空部には、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１１５ａが多数装填され、ウラン酸化物ペレット１１５ａと内張り１６１ｂとの間には間隙１０７が設けられている。以上の構成は、混合酸化物燃料棒１０１ｂにおいても同様である。被覆管１０６を製造するには、ジルカロイ合金の外管１６１ａと、純ジルコニウムの内張り１６１ｂとを別々に製作し、ジルカロイ合金の外管１６１ａに純ジルコニウムの内管１６１ｂをはめ込み、二重管構造を形成する（例えば、非特許文献１、２参照。）。
【０００７】
ここで、内張り１６１ｂを設ける理由について述べる。一般に、炉心に装荷されたウラン酸化物ペレット１１５ａは、照射の影響および発熱に伴う温度上昇の影響により、熱膨張、スエリングが生じて体積が膨張する。膨張したウラン酸化物ペレット１１５ａが被覆管１０６を内側から押し、被覆管１０６に過度な引張応力を発生させると、被覆管１０６の健全性に悪影響が及ぼされる可能性がある。この現象をＰＣＩ（Pellet-Clad Interaction）あるいはペレット・被覆相互作用といい、ウラン酸化物ペレット１１５ａが高燃焼度になったときや、急激な出力上昇を行ったときなどに顕著に現れる。ＰＣＩには、機械的相互作用（ＰＣＭＩ：Pellet-Clad Mechanical Interaction)および化学的相互作用(ＰＣＣＩ：Pellet-Clad Chemical Interaction)の２通りの作用がある。ＰＣＩにより被覆管１０６が破損すると、ウラン酸化物が炉水中に流出し、ひいては環境に放出されるおそれがある。そこで、被覆管の健全性が確保されるよう、燃料集合体の使用末期においても過度な応力が発生しないように、被覆管１０６の肉厚および被覆管１０６とウラン酸化物ペレット１１５ａの初期の間隙１０７を適切に設定している。また、ジルコニウム合金製の外管１６１ａの内壁に、ジルコニウム合金より強度が低い純ジルコニウム製の内張り１６１ｂを設けることにより、ウラン酸化物ペレット１１５ａが被覆管１０６を内側から押しても、純ジルコニウム製の内張り１６１ｂが変形して応力を緩和するようにしている。すなわち、内張り１６１ｂは、ウラン酸化物ペレット１１５ａが外管１６１ａを押し広げる力を緩和するバッファとしての機能を有している。以上が、内張り１６１ｂを設ける理由である。
【０００８】
混合酸化物燃料棒１０１ｂの場合は、ウラン酸化物燃料棒１０１ａと同一の構造を採用することでＰＣＩ対策上の実績が活用できること、これまでのところウラン酸化物燃料棒１０１ａに比べ製造実績が極めて限られており、設計変更しても設計コストの増加を吸収することが難しいこと、などの理由により内張り１６１ｂを設ける方式を採用している。
【０００９】
以上説明したウラン酸化物燃料棒１０１ａおよび混合酸化物燃料棒１０１ｂは、チャンネルボックス１４の内部に正方格子状に適宜分布配列され、混合酸化物燃料集合体１１１ｂを形成する。図７は８行×８列の場合を例示しているが、７行×７列、９行×９列等、他の正方格子であってもかまわない。また、燃料棒の一部は、核特性の改善のためにウォータロッド４で置換されている。
【００１０】
【非特許文献１】藤田和巳、角間孜、「燃料被覆用ジルカロイ管の製造システムの現状」、日本原子力学会誌、日本原子力学会、１９８７年６月、第２９巻、第６号、ｐ．４８７−４９２
【非特許文献２】株式会社日立製作所、「沸騰水型原子力発電所ＭＯＸ燃料について」、ＨＬＲ−０６０訂１、平成１１年２月、ｐ．２０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
被覆管は、このような二重構造をとるため、外管と内張りを別々に製造し、さらにこれらを一体化する必要があり、材料、工程のいずれの面からみても製造コストの増加は避けられない。ＭＯＸ燃料はこれまではほとんど採用実績がなく、製造コストの問題が顕在化することはあまりなかったが、今後は混合酸化物燃料集合体の使用が増加していくことも予想されることから、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することが望まれている。
【００１２】
本発明の目的は、以上の状況に鑑み、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の燃料集合体は、沸騰水型原子炉用の燃料集合体であって、ウラン酸化物からなるウラン酸化物ペレットを、第１の被覆管に装填してなるウラン酸化物燃料棒と、ウラン酸化物とプルトニウム酸化物との混合物からなる混合酸化物ペレットを、第２の被覆管に装填してなる混合酸化物燃料棒とを有しており、第１の被覆管は、外周を構成する外管と、外管の内側に設けられた内張りとからなり、第２の被覆管は、外周を構成する外管のみからなっている。
【００１４】
このように構成された燃料集合体は、混合酸化物ペレットのクリープ変形量が、ウラン酸化物ペレットに比較して大きいという性質を利用し、混合酸化物燃料棒の被覆管の内張りを不要とすることによって、被覆管の構造が単純になり、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することができる。
【００１５】
本発明は、また、第２の被覆管の肉厚が、第１の被覆管の肉厚よりも小さくなるよう構成することができる。これにより、第２の被覆管の肉厚を薄くできるので、材料コストの低減を図ることができる。
【００１６】
本発明は、また、第２の被覆管と、第１の被覆管の外管の形状および寸法が同一となるよう構成することができる。これにより、第２の被覆管の肉厚を薄くでき、材料コストの低減を図ることができるだけでなく、第１の被覆管の外管と、第２の被覆管とを同一設計とすることができるので、設計、製作コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明によれば、混合酸化物ペレットのクリープ変形量が、ウラン酸化物ペレットに比較して大きいという性質を利用し、混合酸化物燃料棒の被覆管の内張りを不要とすることによって、被覆管の構造が単純になり、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。本発明は、混合酸化物燃料棒１ｂとウラン酸化物燃料棒１ａの構成、特に混合酸化物燃料棒１ｂの構成に特徴を有し、混合酸化物燃料集合体１１ｂの構成自体は、例えば、従来の技術として既に説明した図７と同一である。したがって、以下では混合酸化物燃料棒１ｂとウラン酸化物燃料棒１ａの構成を中心に説明する。
【００１９】
図１（ａ）はウラン酸化物燃料棒１ａの横断面を、図１（ｂ）は混合酸化物燃料棒１ｂの横断面を示す。ウラン酸化物燃料棒１ａの最外周部には、中空の第１の被覆管６ａが設けられており、第１の被覆管６ａは、ジルコニウム合金からなる外管６１ａと、その内側に設けられる純ジルコニウムの内張り６１ｂから構成されている。混合酸化物燃料棒１ｂの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の第２の被覆管６ｂが設けられている。第２の被覆管６ｂは、内張りを持たず、その厚さは第１の被覆管６ａの外管６１ａと内張り６１ｂとを合わせた厚さに等しい。第１の被覆管６ａの中空部には、ウラン酸化物の形態で焼結されたウラン酸化物ペレット１５ａが多数装填されている。また、第２の被覆管６ｂの中空部には、プルトニウム酸化物とウラン酸化物の混合物を焼結した混合酸化物ペレット１５ｂが同様に装填されている。ウラン酸化物ペレット１５ａと混合酸化物ペレット１５ｂの外径は同じである。また、ウラン酸化物ペレット１５ａと内張り６１ｂとの間には間隙７ａが設けられている。同様に、混合酸化物ペレット１５ｂと第２の被覆管６ｂとの間には間隙７ｂが設けられており、間隙７ａの幅と間隙７ｂの幅は同一である。
【００２０】
なお、本実施形態では、内張り６１ｂは厚さ約０．１ｍｍ、ウラン酸化物燃料棒１ａおよび混合酸化物燃料棒１ｂの外径は約１２．３ｍｍである。
【００２１】
以上から分かるとおり、本実施形態と従来技術との違いは混合酸化物燃料棒１ｂの違いにあり、ウラン酸化物燃料棒１ａは従来技術と同一である。また、混合酸化物燃料棒１ｂのその他の構成は従来技術と同様であり、図５に示すように、一端をプレナムスプリング１７で押さえ、被覆管１６の両端を上部端栓１８、下部端栓１９で密封して構成される点も従来技術と同様である。
【００２２】
混合酸化物燃料棒１ｂにおいて内張りが不要となる理由は以下のとおりである。一般に、ペレットは核分裂反応の進展とともに熱膨張、スエリングといった体積膨張が発生するが、一方、膨張したペレットが被覆管の内壁に接触し、被覆管を押し広げようとすると、その反力によりペレットには圧縮応力が働き、ペレットはクリープ変形して応力が緩和される。このクリープ変形特性に関して、混合酸化物ペレット１５ｂはウラン酸化物ペレット１５ａに比較してクリープ変形量が大きい。クリープ変形が大きければ、混合酸化物ペレット１５ｂが膨張して第２の被覆管６ｂの内壁に接触し、第２の被覆管６ｂを押し広げようとしても、混合酸化物ペレット１５ｂのクリープ変形により、応力が緩和されるため、第２の被覆管６ｂに発生する引張応力は小さくなり、内張りがなくても耐ＰＣＩ特性は維持可能となる。
【００２３】
このように構成された混合酸化物燃料棒１ｂにおいては、外管と内張りという二重構造をとる必要がないため、内張りを別途製作し、これを一体化する工程が不要となる。これによって、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することができる。
【００２４】
次に、図２により、本発明の第２の実施形態を説明する。図２（ａ）はウラン酸化物燃料棒１ａの横断面を、図２（ｂ）は混合酸化物燃料棒１ｃの横断面を示す。ウラン酸化物燃料棒１ａの構成は第１の実施例、すなわち図１と同様である。混合酸化物燃料棒１ｃの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の第２の被覆管６ｃが設けられている。第２の被覆管６ｃは、第１の被覆管６ａの外管６１ａと同じ厚さである。すなわち、第２の被覆管６ｃは、第１の被覆管６ａに比べて、内張りが不要である分だけ外径が小さい。本実施形態では、内張り６１ｂは厚さ約０．１ｍｍ、ウラン酸化物燃料棒１ａの外径は約１２．３ｍｍ、混合酸化物燃料棒１ｃの外径は約１２．１ｍｍである。
【００２５】
このように構成された燃料集合体においては、第１の実施形態と同様、混合酸化物燃料棒１ｃは、外管と内張りという二重構造をとる必要がないため、内張りを別途製作し、これを一体化する工程が不要となる。これより、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することができる。さらに、第１の実施形態における第２の被覆管６ａと比べて、第２の被覆管６ｃの肉厚を薄くできるので、材料コストの低減を図ることができる。また、第２の被覆管６ｃの外径が第１の被覆管６ａと比べて小さくなる分、第２の被覆管６ｃ周辺の水対燃料比を高くして、核特性の改善を図れる効果もある。
【００２６】
次に、図３により、本発明の第３の実施形態を説明する。図３（ａ）はウラン酸化物燃料棒１ａの横断面を、図３（ｂ）は混合酸化物燃料棒１ｄの横断面を示す。ウラン酸化物燃料棒１ａの構成は第１の実施例、すなわち図１と同様である。混合酸化物燃料棒１ｄの最外周部には、ジルコニウム合金からなる中空の第２の被覆管６ｄが設けられている。第２の被覆管６ｄは、第１の被覆管６ａの外管６１ａと同じ厚さであり、かつ同じ径である。一方、混合酸化物ペレット１５ｂと第２の被覆管６ｄとの間の間隙７ｄは、ウラン酸化物ペレット１５ａと内張り６１ｂとの間の間隙７ａよりも、内張りの分だけ広がっている。本実施形態では、内張り６１ｂは厚さ約０．１ｍｍ、ウラン酸化物燃料棒１ａおよび混合酸化物燃料棒１ｂの外径は約１２．３ｍｍである。
【００２７】
このように構成された燃料集合体においては、第１の実施形態と同様、混合酸化物燃料棒１ｄは、外管と内張りという二重構造をとる必要がないため、内張りを別途製作し、これを一体化する工程が不要となる。これより、良好な耐ＰＣＩ破損特性を有し、かつ経済性に優れた混合酸化物燃料集合体を提供することができる。また、第１の実施形態と比べて、第２の被覆管６ｄの肉厚を薄くできるので、材料コストの低減を図ることができる。さらに、第１の被覆管６ａの外管６１ａと、第２の被覆管６ｄとを同一設計とすることができるので、第１、第２の実施形態に対して、設計、製作コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施形態による、ウラン酸化物燃料棒および混合酸化物燃料棒の横断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による、ウラン酸化物燃料棒および混合酸化物燃料棒の横断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態による、ウラン酸化物燃料棒および混合酸化物燃料棒の横断面図である。
【図４】従来の燃料集合体の外観図である。
【図５】従来の燃料棒の外観図である。
【図６】従来の燃料棒の横断面図である。
【図７】従来の燃料棒の燃料集合体への配置を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
１ａ    ウラン酸化物燃料棒
１ｂ、１ｃ、１ｄ    混合酸化物燃料棒
４    ウォータロッド
６ａ    第１の被覆管
６ｂ、６ｃ、６ｄ    第２の被覆管
７ａ、７ｂ、７ｄ    間隙
１１ｂ    混合酸化物燃料集合体
１２    スペーサ
１３ａ    上部タイプレート
１３ｂ    下部タイプレート
１４    チャンネルボックス
１５ａ    ウラン酸化物ペレット
１５ｂ    混合酸化物ペレット
１７    プレナムスプリング
１８    上部端栓
１９    下部端栓
６１ａ    外管
６１ｂ  内張り
【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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