(57)【要約】【課題】核燃料物質の分布をより均一化して局所的に出力が高い部分が生じることを抑制可能な燃料棒及び燃料集合体を提供する。【解決手段】実施形態によれば、燃料棒を構成する少なくとも１つ以上の燃料セグメント１１は、核燃料物質が焼結されて構成されている複数の燃料ペレット１５と、軸方向に延びており複数の燃料ペレット１５が当該軸方向に配列される内部空間２２を有して軸方向の両端にある端栓２１，２３により内部空間２２が密閉されている被覆管２０と、軸方向に隣り合う燃料ペレット１５の間に配置されており、当該燃料ペレット１５が発した熱を被覆管２０に向けて伝達可能であり且つ少なくとも一部が燃料ペレット１５に比べて熱伝導率の高い材料で構成されている伝熱機構３０とを有する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
核燃料物質が焼結されて構成されている複数の燃料ペレットと、
軸方向に延びており、複数の燃料ペレットが当該軸方向に配列される内部空間を有し、軸方向の両端にある端栓により内部空間が密閉されている被覆管と、
軸方向に隣り合う燃料ペレットの間に配置されており、当該燃料ペレットが発した熱を前記被覆管に向けて伝達可能であり、且つ少なくとも一部が当該燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されている伝熱機構と、
を備える燃料セグメントを
少なくとも１つ以上軸方向に配置されてなることを特徴とする燃料棒。
【請求項２】
前記燃料セグメントの前記伝熱機構は、少なくとも一部が軸方向に弾性変形可能に構成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料棒。
【請求項３】
前記燃料セグメントの前記伝熱機構は、隣り合う前記燃料ペレットを互いに離間する向きに付勢する圧縮ばねを有する
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料棒。
【請求項４】
前記燃料セグメントの前記伝熱機構は、
軸方向と直交する方向に広がる板状をなしており、前記燃料ペレットの端面と接する伝熱板を有し、
前記圧縮ばねは、軸方向に隣り合う当該伝熱板の間において弾性変形する
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料棒。
【請求項５】
前記燃料セグメントの前記伝熱板は、外縁部が中心部に比べて厚くなるよう構成されている
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料棒。
【請求項６】
前記燃料セグメントの前記内部空間には、前記伝熱機構の他に、前記燃料ペレットの軸方向の移動を制限するものが設けられていない
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料棒。
【請求項７】
少なくとも１つ以上の燃料セグメントを軸方向に配置してなる燃料棒が、水平方向に格子状に配置されて構成された燃料集合体であって、
前記燃料セグメントは、
核燃料物質が焼結されて構成されている複数の燃料ペレットと、
軸方向に延びており且つ複数の燃料ペレットを収容可能な内部空間を有し、当該内部空間において当該燃料ペレットが軸方向に配列される被覆管と、
軸方向に隣り合う燃料ペレットの間に設けられており、少なくとも一部が燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されており、且つ当該燃料ペレットからの熱を前記被覆管に向けて伝達可能な伝熱機構と、
を有することを特徴とする燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、原子炉の炉心を構成する核燃料の燃料棒に関し、特に、炉心に挿入される燃料集合体を構成する燃料棒に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子炉の炉心に挿入される燃料集合体を構成する燃料棒は、金属材料などからなる燃料被覆管（被覆管）の内部空間に複数の燃料ペレットを収容して構成される。このような被覆管の内部空間には、燃料ペレットを収容する他に、燃料ペレットから放出される核分裂生成物ガス（以下、ＦＰガスと記す）を保持するための容積が必要となる。一般的には、内部空間のうち軸方向の端部に、燃料ペレットが挿入されない領域（以下、プレナム領域と記す）が設けられている（例えば、特許文献１参照）。被覆管は、当該プレナム領域にＦＰガスが充満し保持されることにより、内部空間の圧力が所定の適正な範囲内になるよう設計されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平６−２３０１６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このような燃料棒においては、端部にプレナム領域が設けられている場合、軸方向における核燃料物質（燃料ペレット）の分布に偏りが生じて出力分布が不均一となる場合がある。このような燃料棒及び燃料集合体においては、出力分布が不均一となり、局所的に出力が高い部分が生じ、出力スパイクが生じる虞がある。出力スパイクが生じると、線出力密度の高い部分に合わせて運転が制限されて、燃料集合体全体として効率的に、核燃料物質を燃焼させることができないという問題が生じる。
【０００５】
また、出力が高い部分は高温であるため、その部分にある燃料ペレットからは、比較的多量のＦＰガスが発生する。このようなＦＰガスを保持するため、燃料棒には、さらに容積が大きいプレナム領域を確保する必要が生じる。プレナム領域をより大きくすると、その分、燃料棒に核燃料物質（燃料ペレット）を装荷することができないという問題が生じる。
【０００６】
本発明の実施形態は、上記事情に鑑みてなされたものであって、核燃料物質の分布をより均一化して局所的に出力が高い部分が生じることを抑制可能な燃料棒及び燃料集合体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】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明の実施形態の燃料棒は、核燃料物質が焼結されて構成されている複数の燃料ペレットと、軸方向に延びており、複数の燃料ペレットが当該軸方向に配列される内部空間を有し、軸方向の両端にある端栓により内部空間が密閉されている被覆管と、軸方向に隣り合う燃料ペレットの間に配置されており、当該燃料ペレットが発した熱を前記被覆管に向けて伝達可能であり、且つ少なくとも一部が当該燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されている伝熱機構と、を備える燃料セグメントを少なくとも１つ以上軸方向に配置してなることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の実施形態の燃料集合体は、少なくとも１つ以上の燃料セグメントを軸方向に配置してなる燃料棒が、水平方向に格子状に配置されて構成された燃料集合体であって、前記燃料セグメントは、核燃料物質が焼結されて構成されている複数の燃料ペレットと、軸方向に延びており且つ複数の燃料ペレットを収容可能な内部空間を有し、当該内部空間において当該燃料ペレットが軸方向に配列される被覆管と、軸方向に隣り合う燃料ペレットの間に設けられており、少なくとも一部が燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されており、且つ当該燃料ペレットからの熱を前記被覆管に向けて伝達可能な伝熱機構と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の実施形態によれば、核燃料物質の分布をより均一化して局所的に出力が高い部分が生じることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の燃料集合体を示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態の燃料集合体を示す横断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【図３】第１の実施形態の燃料棒を示す縦断面図である。
【図４】第１の実施形態の変形例に係る燃料棒を示す縦断面図である。
【図５Ａ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｂ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｃ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｄ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｅ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｆ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図５Ｇ】第１の実施形態の変形例に係る伝熱機構を説明する図である。
【図６】第２の実施形態の燃料棒を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態により、本発明が限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。
【００１２】
〔第１の実施形態〕
まず、第１の実施形態の燃料集合体の概略構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施形態の燃料集合体を示す縦断面図である。図２は、本実施形態の燃料集合体を示す横断面図であり、図１のＩＩ−ＩＩ線による断面図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料集合体（fuel assembly）１は、複数の燃料棒１０を有している。燃料集合体１において、隣り合う燃料棒１０は、互いに間隔をあけて平行に延びている。燃料集合体１は、燃料棒１０の間隔を保持するための機構、いわゆるスペーサ５を有している。スペーサ５は、燃料棒１０及び燃料集合体１の軸方向に間隔をあけて複数配置されている。
【００１４】
各燃料棒１０のうち、軸方向の一方の端部は、上部タイプレート３により保持されており、軸方向の他方の端部は、下部タイプレート７により保持されている。燃料集合体１は、下部タイプレート７を鉛直下側に、上部タイプレート３を鉛直上側に向けて、炉心（図示せず）に挿入される。
【００１５】
なお、軸方向のうち、下部タイプレート７側を、以下に「下側」と記して図に矢印Ｄで示し、上部タイプレート３側を、以下に「上側」と記して図に矢印Ｕで示す。
【００１６】
本実施形態の燃料集合体１は、沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）に用いられる。図２に示すように、燃料集合体１の中心には、冷却材が貫流する管、いわゆるウォータロッド８が設けられている。複数の燃料棒１０は、軸方向に直交する断面において、ウォータロッド８を囲うようにして、矩形且つ格子状、いわゆるマトリックス状に配列されており、より詳細には、正方格子状に配列されている。
【００１７】
なお、複数の燃料棒１０のうち少なくとも一部は、上部タイプレート３及び下部タイプレート７に接続されており、いわゆるタイロッドとして構成されている。また、複数の燃料棒１０は、上部タイプレート３、下部タイプレート７、スペーサ５、ウォータロッド８と共にチャンネルボックス２により囲まれている。本実施形態において、チャンネルボックス２は、図２に示す横断面が略矩形をなしており、正方格子状に配列された複数の燃料棒１０の外側を囲っている。
【００１８】
次に、本実施形態の燃料棒１０について、図１及び図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の燃料棒１０を示す縦断面図である。
【００１９】
原子炉の安全性を高めるため、核燃料物質を被覆するための容器である被覆管２０に、セラミックス等の非金属材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維強化−炭化ケイ素複合材料を用いることが提案されている。このような材料は、展性や延性が低く、金属材料に比べて加工性が乏しいため、金属材料による被覆管２０に比べて長い被覆管２０を製作することが困難である。そこで、被覆管２０を非金属材料製とする場合には、比較的長さが短い被覆管２０の軸方向に複数の燃料ペレット１５が配列された短尺の燃料棒（燃料セグメント）１１を構成し、当該短尺の燃料棒（燃料セグメント）１１を軸方向に複数連結することにより、一つの長尺の燃料棒１０を構成する。長尺の燃料棒１０は、炉心への出し入れに際して一体として取り扱えるよう、複数まとめられて燃料集合体を構成する。本実施形態は、被覆管２０を非金属製として燃料棒１０をこのような短尺の燃料棒（燃料セグメント）１１を軸方向に複数連結して構成したものを例に示すが、これに限らず、金属製の被覆管２０により構成され、一つの燃料セグメント１１のみからなる長尺の燃料棒１０に本実施形態を適用することも可能である。
【００２０】
図１に示す燃料集合体１を構成する各燃料棒１０は、図３に示すように、複数の燃料セグメント１１から構成されている。複数の燃料セグメント１１は、軸方向（図に矢印Ｕ及び矢印Ｄで示す）に連結されて燃料棒１０を構成する。すなわち、各燃料セグメント１１は、一つの燃料棒１０が複数に分割されたものである。
【００２１】
各燃料セグメント１１は、複数の燃料ペレット１５を有している。燃料ペレット１５は、核燃料物質が焼結されて構成されたものであり、本実施形態においては、略円柱状をなしている。燃料ペレット１５には、例えば、ウラン２３５を濃縮した二酸化ウランペレット等を用いることができる。燃料ペレット１５は、被覆管２０内に複数、充填される。
【００２２】
被覆管２０は、複数の燃料ペレット１５を収容する内部空間２２を有している。内部空間２２には、複数の燃料ペレット１５が、軸心が一致するように軸方向に配列されている。なお、隣り合う燃料ペレット１５の間には、当該燃料ペレット１５が発した熱を、内部空間２２に伝達する機構が収容される。当該機構の構成については、後述する。
【００２３】
内部空間２２は、さらに、ヘリウム等のガスが充填されて密閉される。ガスが充填された後、被覆管２０のうち軸方向上側（図に矢印Ｕで示す）の端には、上部端栓２１が形成され、且つ軸方向下側（図に矢印Ｄで示す）の端には、下部端栓２３が形成される。これら上部端栓２１及び下部端栓２３により、被覆管２０の内部空間２２は、密閉される。
【００２４】
被覆管２０は、セラミックス等、高温条件で十分な安定性を持つ非金属材料で構成されている。本実施形態において、被覆管２０は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維により強化され、且つ母材が炭化ケイ素（ＳｉＣ）である複合材料、いわゆる「ＳｉＣ繊維強化ＳｉＣ複合材料」で構成されている。
【００２５】
以上に説明した燃料セグメント１１において、燃料ペレット１５を構成する核燃料物質に核分裂が生じると、燃料ペレット１５の温度が上昇すると共に、燃料ペレット１５内においてＦＰガスが発生する。当該ＦＰガスは、発生当初は、微小な気泡等の形態で燃料ペレット１５内に存在しているが、燃料ペレット１５が高温となるに従って、燃料ペレット１５から内部空間２２に放出される。燃料ペレット１５の温度上昇を抑制すれば、内部空間２２へのＦＰガスの放出も抑制することが可能となる。
【００２６】
そこで、本実施形態の燃料セグメント１１においては、軸方向に隣り合う燃料ペレット１５の間に、燃料ペレット１５が発した熱を内部空間２２に伝達可能な部材であり、少なくとも一部が燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されている機構（以下、伝熱機構と記す）３０が設けられている。
【００２７】
本実施形態において、伝熱機構３０は、軸方向において、燃料ペレット１５と交互に配置されている。なお、内部空間２２には、当該伝熱機構３０の他に、燃料ペレット１５の軸方向の移動を制限するものは、設けられていない。
【００２８】
伝熱機構３０は、軸方向に隣り合う燃料ペレット１５の端面とそれぞれ接する２つの伝熱板３３と、これら伝熱板３３の間において軸方向に弾性変形可能な弾性部材としての圧縮ばね（compression spring）３６を有している。すなわち、伝熱機構３０のうち少なくとも圧縮ばね３６は、軸方向に弾性変形可能に構成されている。
【００２９】
伝熱板３３は、軸方向と直交する方向に広がる円板状をなしており、燃料ペレット１５の端面と接するよう配置されている。伝熱板３３は、燃料ペレット１５に比べて熱伝導率の高い材料で構成されている。伝熱板３３は、燃料ペレット１５が発した熱を受けて被覆管２０及び内部空間２２に向けて放熱する。
【００３０】
本実施形態において、伝熱板３３は、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）を含む材料で構成されている。伝熱板３３は、燃料ペレット１５に直接接するため、特に十分な耐熱性が必要である。酸化ベリリウムは、セラミックス材料のうち耐熱性と熱伝導率がそれぞれ高く、且つ中性子吸収断面積も小さいため、伝熱板３３を構成する材料に好適である。
【００３１】
一方、圧縮ばね３６は、高温で弾性変形が可能なものであれば、様々な材料で構成することができる。圧縮ばね３６を構成する材料は、中性子吸収断面積が比較的小さいものが好ましい。例えば、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や部分安定化ジルコニア、又はこれら材料を含むセラミックスを用いることができる。
【００３２】
圧縮ばね３６は、被覆管２０の軸方向に圧縮荷重が負荷されたときに、当該荷重に抵抗する力（付勢力）を生じさせる。圧縮ばね３６は、隣り合う燃料ペレット１５の間にそれぞれ設けられている。圧縮ばね３６は、隣り合う燃料ペレット１５が互いに離間する向きに、当該燃料ペレット１５及び伝熱板３３を付勢する。
【００３３】
これにより、内部空間２２において、複数の燃料ペレット１５が、軸方向に所定の間隔をあけて配置されると共に、軸方向に隣り合う伝熱板３３の間には、それぞれプレナム領域が形成される。燃料ペレット１５が発した熱は、伝熱板３３を介してプレナム領域及び被覆管２０に伝達される。
【００３４】
このように構成された燃料セグメント１１は、燃料ペレット１５が発した熱を、伝熱板３３を介してプレナム領域に充填されているガス及び被覆管２０に伝達し、燃料ペレット１５の温度上昇を抑制することができる。これにより、燃料棒の軸方向における出力分布をより均一化することができ、出力スパイクの発生を抑制して効率的に核燃料物質を燃焼させることができる。
【００３５】
また、燃料ペレット１５の温度上昇が抑制されることにより、燃料ペレット１５からプレナム領域に放出されるＦＰガスの量も抑制することができ、従来の燃料セグメントに比べてプレナム領域の容積を小さくすることができ、被覆管２０の内部空間２２に、より多量の核燃料物質を装荷することが可能となる。
【００３６】
なお、本実施形態の燃料セグメント１１において、内部空間２２に収容される複数の燃料ペレット１５は、軸方向において伝熱機構３０と交互に配置されているものとしたが、本発明に係る燃料棒は、この態様に限定されるものではない。本発明の実施形態に係る燃料棒は、軸方向に隣り合う燃料ペレットの間に、少なくとも一部が当該燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成された伝熱機構３０が配置されていれば良い。例えば、図４に示す変形例のように隣り合う燃料ペレット１５が隣接している箇所（図４に符号１８で示す）を有していても良い。
【００３７】
また、本実施形態において、伝熱機構３０は、燃料ペレット１５の端面に接する２つの伝熱板３３と、これら伝熱板３３の間において弾性変形する圧縮ばね３６であるものとしたが、本発明に係る伝熱機構は、この態様に限定されるものではない。本発明に係る伝熱機構は、少なくとも一部が燃料ペレットに比べて熱伝導率の高い材料で構成されており、且つ軸方向に弾性変形可能に構成されていれば良い。伝熱機構には、例えば、熱伝導率の高い材料で構成された端部を有する圧縮ばねを用いることもできる。また、燃料ペレットの端面と接する伝熱板を、軸方向に弾性変形可能な構造に構成したものでも良い。
【００３８】
また、本発明に係る圧縮ばねは、図３及び図４に示す態様の圧縮ばね３６に拘わらず、様々な態様のものを用いることができる。例えば、図５Ａに示すコイルばね３６Ａや、図５Ｂに示す断面がＵ字状の板ばね３６Ｂ、図５Ｃに示す断面が波形状の板ばね３６Ｃ、図５Ｄに示す板ばね３６Ｄ、図５Ｅに示す断面が楕円状の板ばね３６Ｅ、図５Ｆに示す、ばね座金３６Ｆ、図５Ｇに示す皿ばね３６Ｇ等を用いることができる。また、これらのばねを組み合わせたものを伝熱機構に用いることも好適である。
【００３９】
〔第２の実施形態〕
第２の実施形態の燃料棒について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の燃料棒を示す縦断面図である。なお、第１の実施形態と略共通の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４０】
図６に示すように、燃料ペレット１５Ｃが発した熱は、伝熱板３３Ｃを介して、被覆管２０及び内部空間２２に向けて伝達される。被覆管２０は、その外側にある冷却材により冷却される。被覆管２０と伝熱板３３との間における熱伝達を良好なものにするため、本実施形態の伝熱板３３Ｃは、外縁部３３ｅの軸方向の厚さが、中心部３３ａに比べて厚くなるよう構成されている。より具体的には、外縁部３３ｅは、中心部３３ａから径方向外側にある外周面３３ｇに向かうに従って厚くなるよう構成されている。
【００４１】
また、本実施形態の燃料ペレット１５Ｃは、軸方向（図に矢印Ｕ及び矢印Ｄで示す）の外側にある端部１５ａ，１５ｃに面取りが施されている。具体的には、燃料ペレット１５Ｃのうち、上側端部１５ａ及び下側端部１５ｃは、軸方向外側に向かうに従って径が小さくなるよう構成されている。燃料ペレット１５Ｃの上側端部１５ａ及び下側端部１５ｃは、伝熱板３３Ｃの外縁部３３ｅとそれぞれ径方向に対向している。
【００４２】
以上のように構成された本実施形態の伝熱機構は、伝熱板３３Ｃのうち被覆管２０と対向する外周面３３ｇの面積をより大きくすることができ、伝熱板３３Ｃと被覆管２０との間における熱伝達を、より向上させることができる。なお、伝熱板３３全体を厚くすると、その分、燃料ペレットが装荷できる長さが減少するが、本実施形態の燃料ペレット１５Ｃには、面取りが形成されているため、この空間に伝熱板３３Ｃの外縁部３３ｅを配置することができる。
【００４３】
〔他の実施形態〕
以上に説明した各実施形態において、燃料集合体１は、沸騰水炉（ＢＷＲ）に用いられるものとしたが、本発明の燃料集合体は、この態様に限定されるものではない。本発明は、加圧水炉（ＰＷＲ）等、その他の原子炉にも適用することができる。
【００４４】
なお、本実施形態において、被覆管２０は、セラミックス等の非金属材料で構成されているものとしたが、本発明に係る被覆管を構成する材料は、上述した態様に限定されるものではない。当該材料は、高温条件で十分な安定性を有していれば良く、例えば、ジルカロイ（ジルコニウムの合金）や、ステンレス鋼等を用いることもできる。
【００４５】
また、上述した各実施形態において、複数の燃料セグメント１１が軸方向に複数連結されて、いわゆる「セグメント燃料棒」を構成されているものとしたが、本発明に係る燃料棒は、この態様に限定されるものではない。本発明は、一つの燃料セグメントとして構成された（複数の燃料セグメントに分割されていない）燃料棒にも適用することができる。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態について説明したが、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】
【００４７】
１  燃料集合体、２  チャンネルボックス、３  上部タイプレート、５  スペーサ、７  下部タイプレート、８  ウォータロッド、１０  燃料棒、１１，１１Ｂ  燃料セグメント、１５  燃料ペレット、１５Ｃ  燃料ペレット、１５ａ  上側端部、１５ｃ  下側端部、２０  被覆管、２１  上部端栓（端栓）、２２  内部空間、２３  下部端栓（端栓）、３０  伝熱機構、３３，３３Ｃ  伝熱板、３３ａ  中心部、３３ｅ  外縁部、３３ｇ  外周面、３６  圧縮ばね、３６Ａ  コイルばね、３６Ｂ  板ばね、３６Ｃ  板ばね、３６Ｄ  板ばね、３６Ｅ  板ばね、３６Ｆ  ばね座金（ばね）、３６Ｇ  皿ばね。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
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【図６】
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