(57)【要約】【課題】軽水炉においてＴＲＵ生成量を抑制して環境負荷を低減できる燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法を提供する。【解決手段】燃料ペレット１０は、核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核２８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２６と、被覆粒子燃料２６を分散して含有するマトリックス２７と、を備える。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核を、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粒子状の被覆粒子燃料と、
前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備えることを特徴とする燃料ペレット。
【請求項２】
前記被覆粒子燃料における前記中心核の直径が２ｍｍ以下に調整され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】
前記核燃料物質が、ウラン、プルトニウム、超ウラン元素、及びマイナーアクチノドの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料ペレット。
【請求項４】
前記マトリックスが、炭化ケイ素、チタン合金、または酸化アルミニウムのセラミックスであ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燃料ペレット。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の燃料ペレットが被覆管の内部に積層して装荷されることを特徴とする核燃料棒。
【請求項６】
前記被覆管は、ＳｉＣｆ／ＳｉＣ複合材で構成されることを特徴とする請求項５に記載の核燃料棒。
【請求項７】
請求項６に記載の複数の核燃料棒がチャネルボックスの内部に配置され装荷されることを特徴とする燃料集合体。
【請求項８】
核燃料物質を含むとともに直径が調整させて中心核を成形するステップと、
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前記中心核を被覆させた粒子状の被覆粒子燃料を形成するステップと、
基材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するステップと、を含むことを特徴とする燃料ペレットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、軽水炉に適用される燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所において発生する高レベル放射性廃棄物の放射性毒性は、ワンススルーサイクルの場合、１０万年以上に亘って自然界より高いレベルにある。この放射性毒性のうち５００年程度時間が経過した以降は、超ウラン元素（ＴＲＵ）に起因する毒性が支配的となる。ＴＲＵ核種の長期に亘る毒性はその半減期の長さに起因している。
【０００３】
高レベル放射性廃棄物は現状、ガラス固化体として安定化処理させて地層処分されているが、これらを処分するための処分場の確保や長期間の管理が必要となるため環境負荷は極めて大きい。
【０００４】
高レベル放射性廃棄物の管理期間を短縮させて環境への負荷を低減するため、ＴＲＵ核種を核変換によって短寿命核種にする研究が従来から進められている。ＴＲＵ核種を短寿命核種に核変換する代表的な技術として、高速炉で発生する高速中性子を用いて核変換を行う方法や加速器駆動炉（ＡＤＳ）等の加速器を有する核変換設備によって消滅処理する技術が検討されている。
【０００５】
しかし、現在並びに今後の原子力発電所に用いられる炉型としては軽水炉が主力であると考えられる。このため、高速炉や加速器駆動炉を用いたＴＲＵ核変換の運用が開始するまでに相当量のＴＲＵが蓄積して、核変換に必要な設備の基数が増大する可能がある。また、核変換に必要な設備の建設には、膨大な設備投資が必要となる。
【０００６】
このため、発生したＴＲＵを核変換するのでは無く、軽水炉で発生するＴＲＵ生成量を抑制する技術が検討されており、例えばプルトニウムの割合と炉心流量を調整して核燃料の燃焼度を高めてＴＲＵの生成量を低減する技術などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−３３０６５号公報
【特許文献２】特許第４９３６９０６号公報
【特許文献３】特開２００８−２１６００９号公報
【特許文献４】特開２００６−６４６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、軽水炉におけるＴＲＵ生成量を抑制するためには、核燃料の燃焼度を高めるとともに核反応により発生する中性子を減速する減速性能を高めることが効果的であることが知られている。
【０００９】
しかし、燃料ペレットに含まれる核燃料物質の割合あるいは量を調整して燃焼度を高めた場合、核分裂生成ガスが被覆管内に蓄積して管内の圧力が増加することとなる。被覆管の設計条件により管内の圧力の上限値は定められているため、高められる燃焼度には上限が存在する。また、燃焼度を高めすぎると被覆管の中性子照射損傷が増加するという問題がある。
【００１０】
一方、減速性能を高めるためには、燃料集合体中に配置される核燃料棒の数を減らし、ウォーターロッドを追加することで実現できるものの、原子炉における線出力密度増加や限界出力が低下して、原子炉の安全性裕度や経済性を損なうおそれがある。燃料ペレット自体の構成を中空ペレットや低密度ペレットすることも考えられるが、到達し得る線出力密度には限界がある。
【００１１】
このように、従来の技術では、原子炉の健全性や経済性を損なうことなく、高燃焼度化と高減速化とを同時に達成することは困難であった。
【００１２】
本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、軽水炉においてＴＲＵ生成量を抑制して環境負荷を低減できる燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態に係る燃料ペレットにおいて、核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核を、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粒子状の被覆粒子燃料と、前記被覆粒子燃料を分散して含有するマトリックスと、を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の実施形態に係る燃料ペレットの製造方法において、核燃料物質を含むとともに直径が調整させて中心核を成形するステップと、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前記中心核を被覆させた粒子状の被覆粒子燃料を形成するステップと、基材と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するステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の実施形態により、軽水炉においてＴＲＵ生成量を抑制して環境負荷を低減できる燃料ペレット、核燃料棒、燃料集合体、及び燃料ペレットの製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（Ａ）は本実施形態に係る燃料集合体の縦断面図、（Ｂ）は本実施形態に係る燃料ペレットが装荷される核燃料棒の縦断面図。
【図２】（Ａ）は本実施形態に係る燃料ペレットを示す説明図、（Ｂ）は被覆粒子燃料の断面図。
【図３】（Ａ）は被覆粒子燃料の中心核の粒子径と水素対重金属原子数比との関係を示す解析結果のグラフ、（Ｂ）は被覆粒子燃料の中心核の粒子径と燃焼度との関係を示す解析結果のグラフ。
【図４】本実施形態に係る燃料ペレットの製造方法を示すフローチャート。
【図５】燃焼度をパラメータとして変化させた場合における、水素対重金属原子数比と放射性毒性との関係を示す解析結果のグラフ。
【図６】本実施形態に係る燃料ペレットと通常の軽水炉における燃料ペレット（比較例）とにおける、廃棄物の放射性毒性を比較したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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（Ａ）は本実施形態に係る燃料集合体１０の縦断面図を示しており、図１（Ｂ）は本実施形態に係る燃料ペレット２０が装荷された核燃料棒１１の縦断面図を示している。
【００１８】
燃料集合体１０は、円筒状のチャネルボックス１２の内部に、燃料ペレット２０が装荷された複数の核燃料棒１１が配置される。チャネルボックス１２の上部には核燃料棒１１の上端を支持する上部タイプレート１３が備えられており、下部には核燃料棒１１の下端を支持する下部タイプレート１４が備えられている。スペーサ１５は、下部タイプレート１４及び上部タイプレート１３の間に互いに離間して配置され核燃料棒１１相互の水平方向間隔を保っている。
【００１９】
また、上部タイプレート１３には、燃料集合体１０の通常の搬送時に把持されるハンドル１６と、螺子１７を介してプレートに固定されたチャンネルファスナ１８が設けられている。チャンネルファスナ１８は、原子炉の炉心部（図示略）に隣接配置される燃料集合体１０の間隔を調整するものである。
【００２０】
図１（Ｂ）に示すように、核燃料棒１１は、中空円筒状の被覆管２１内に複数の燃料ペレット２０が積層して装荷されている。被覆管２１の上端及び下端には、上部端栓２２及び下部端栓２３が設けられており、両端栓により燃料ペレット２０は被覆管２１内に封止される。
【００２１】
被覆管２１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（炭化ケイ素繊維と炭化ケイ素の複合材）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。
【００２２】
被覆管２１内の上部には、燃料ペレット２０を積層しない一定の空間としてプレナム２４が設けられている。プレナム２４は、燃料ペレット２０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。
【００２３】
プレナム２４内にはバネ状のプレナムスプリング２５が設けられており、プレナムスプリング２５の一端は上部端栓２２に接続され、他端は燃料ペレット２０に係止されることで、燃料ペレット２０は被覆管２１内で固定されている。
【００２４】
図２（Ａ）は、本実施形態に係る燃料ペレット２０の構成を説明する図であり、図２（Ｂ）は被覆粒子燃料２６の断面図である。
【００２５】
本実施形態に係る燃料ペレット２０は、核燃料物質を含むとともに直径が調整されて成形された中心核２８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２６と、被覆粒子燃料２６を分散して含有するマトリックス２７と、を備える。
【００２６】
被覆粒子燃料２６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２８（カーネル）が形成され、中心核２８を覆うように複数の被覆層が形成されている。
【００２７】
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、軽水炉において発生した放射性廃棄物から分離回収した超ウラン元素、マイナーアクチノドなどを再利用しても良い。
【００２８】
核燃料物質を含む中心核２８は、乾式法や湿式法などの方法を用いて、粒子の直径Ｒを小径に調整して成形される。
【００２９】
ここで、調整される中心核２８の直径について検討する。
図３は（Ａ）は、中心核２８の粒子径Ｒと水素対重金属原子数比（Ｈ／重金属原子数比）との関係を示す解析結果であり、図３（Ｂ）は中心核２８の粒子径Ｒと燃焼度との関係を示す解析結果である。
【００３０】
なお、水素対重金属原子数比は、中性子の減速性能を示す指標の１つであり、数値が高いほど減速性能が高いこと意味する。ここでは、重金属としてウランを用いて計算している。
【００３１】
また、燃焼度とは、炉心に装荷された核燃料物質が核分裂によって発生させたエネルギーを単位ウラン重量当たりに発生したエネルギーで表したもので、１ギガワット（ＧＷ）の熱を１日（ｄ）出し続けた場合の熱量の大きさなどを単位とする。
【００３２】
図３（Ａ）に示されるように、粒子径Ｒが５ｍｍから小さくなる程に水素対重金属原子数比は増加して減速性能が増加することがわかる。また、図３（Ｂ）に示されるように、粒子径Ｒが５ｍｍから小さくなる程に燃焼度が増加することがわかる。つまり、粒子径Ｒの粒子径を小さくすることにより、高燃焼度化と高減速化を同時に実現できる。
【００３３】
中心核２８の粒子径Ｒは、高燃焼度化と高減速化とを実現させる観点から、２ｍｍ以下に設定することが好ましく、燃焼度と減速性能がより高くなるため、１ｍｍ以下に設定されることがより好ましい。
【００３４】
図２に戻って説明を続ける。
中心核２８を覆う複数の被覆層は、中心核２８で核分裂により生成され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２８から外側に向かって順に、低密度炭素から成る第１被覆層２９、熱分解炭素から成る第２被覆層３０、ＳｉＣからからなる第３被覆層３１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２８を中心に蒸着、被覆されて形成される。
【００３５】
なお、図２（Ｂ）は、被覆層の一例を示したものであり、３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。
【００３６】
マトリックス２７は、被覆粒子燃料２６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２７の基材として、炭化ケイ素、チタン合金、酸化アルミニウムが例示される。
【００３７】
マトリックス２７は、粉末状の基材と被覆粒子燃料２６とを混合し、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筒状に成形されたものである。被覆粒子燃料２６は、マトリックス２７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２７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。
【００３８】
なお、焼結助剤は、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。
【００３９】
被覆粒子燃料２６を粒子のままで被覆管２１内に装荷した場合、被覆管２１内で混合する可能性が大きく、沸騰水型原子炉で通常行われる軸方向に濃縮度分布を付けるという技術の適用が困難となる。一方、基材を用い焼結してペレット化することで、安全性と経済性を向上させることができる。また、ペレット化することにより、熱伝導度を高めることができ、原子炉装荷時の運転温度を下げることができる。
【００４０】
図４は、本実施形態に係る燃料ペレット２０の製造方法を示すフローチャートである（適宜、図２参照）。
【００４１】
成形工程Ｓ１０では、核燃料物質を含む中心核２８を小径に調整させて成形される。中心核２８の粒子径Ｒは、好ましくは２ｍｍ以下に設定することが望ましく、１ｍｍ以下であることがより好ましい。
【００４２】
粒子形成工程Ｓ１１では、中心核２８を複数の被覆層で被覆して粒子状の被覆粒子燃料２６を形成される。
【００４３】
焼結工程Ｓ１２では、基材と被覆粒子燃料２６とを混合して、焼結助剤を添加して焼結処理が行われて、円筒状のマトリックス２７に成形される。このとき、被覆粒子燃料２６はマトリックス２７内で分散されるように焼結処理される。
【００４４】
図５は、燃焼度をパラメータとして変化させた場合における、水素対重金属原子数比と放射性毒性との関係を示す解析結果のグラフである。なお、燃焼度は、４５（ＧＷｄ／ｔ）、６０（ＧＷｄ／ｔ）、２５０（ＧＷｄ／ｔ）、及び５００（ＧＷｄ／ｔ）に変化させている。
【００４５】
図５に示すように、燃焼度を増加させるとともに減速性能（水素対重金属原子数比）を増加させることで、放射性廃棄物の毒性が抑制されることがわかる。
【００４６】
つまり、核燃料物質を含む中心核２８の粒子径Ｒを小径に調整して、燃焼度及び減速性能を増加させることで、軽水炉において高い毒性を示すＴＲＵの生成量を抑制することが可能となる。このため、環境負荷が低減される。
【００４７】
図６は、本実施形態に係る燃料ペレット２０と通常の軽水炉における燃料ペレット（比較例）とにおける、廃棄物の放射性毒性の結果を比較したグラフである。
【００４８】
実施例は燃焼度５００（ＧＷｄ／ｔ）で中心核２８の粒子径Ｒが１ｍｍに成形された燃料ペレット２０の結果である。一方、比較例は、軽水炉に用いられている通常の燃料ペレットであり、燃焼度を４５（ＧＷｄ／ｔ）で均質なウラン燃料を燃料ペレットに焼結したものである。
【００４９】
図６の結果から、被覆粒子燃料２６の中心核２８の粒子径Ｒを１ｍｍにすることで、通常の燃料ペレットに比較して、放射性毒性が３分の１程度にまで低減されることがわかる。
【００５０】
以上述べた実施形態の燃料ペレットによれば、燃料ペレット内に核燃料要素として被覆粒子燃料を用いて、燃料物質を含む中心核の粒子径を小径に調整することで、高減速性能と高燃焼度とを実現でき、軽水炉においてＴＲＵ生成量を抑制することができる。これにより、環境負荷を低減できる。
【００５１】
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】
【００５２】
１０  燃料集合体
１１  核燃料棒
１２  チャネルボックス
１３  上部タイプレート
１４  下部タイプレート
１５  スペーサ
１６  ハンドル
１７  螺子
１８  チャンネルファスナ
２０  燃料ペレット
２１  被覆管
２２  上部端栓
２３  下部端栓
２４  プレナム
２５  プレナムスプリング
２６  被覆粒子燃料
２７  マトリックス
２８  カーネル
２９  第１被覆層
３０  第２被覆層
３１  第３被覆層
【図１】
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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２】
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