(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直径Ｄ及び長さＬを有する円柱体からなり、該円柱体の上下端面の各々には、前記円柱体の軸心に沿う軸方向寸法ａ及び前記軸心に直交する半径方向寸法ｂの面取り部が外周縁に形成されると共に、前記軸心と同心状に直径ｄ及び深さｈのデイッシュが形成されている核燃料ペレットにおいて、前記デイッシュの前記直径ｄを前記円柱体の前記直径Ｄの７０〜７８％とし、前記面取り部の前記軸方向寸法ａ及び前記半径方向寸法ｂの比ａ／ｂが１／３〜１／４の範囲にあることを特徴とする核燃料ペレット。
【請求項２】
前記円柱体の前記長さＬ及び前記直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．３〜１．５の範囲にあることを特徴とする請求項１に記載の核燃料ペレット。
【請求項３】
前記デイッシュの前記深さｈが０．２２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の核燃料ペレット。
【請求項４】
装填された核燃料ペレットが請求項２に記載の核燃料ペレットからなる燃料棒。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子炉において用いられる燃料集合体の核燃料棒に関し、また、該核燃料棒に装填される核燃料ペレット、特にその外形構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、加圧水型原子炉用の燃料集合体においては、良く知られているように、下部ノズル及び上部ノズルと、該上部ノズル及び下部ノズル間に軸方向に離間して配設される複数の支持格子と、下部ノズルから上部ノズルまで上記支持格子を通って延在する複数の制御棒案内シンブルとから骨格構造体が形成されており、燃料棒は、その上端及び下端がそれぞれ上部ノズル及び下部ノズルから軸方向に若干離間して、各支持格子により横方向から支持されている。
【０００３】
このような燃料集合体の燃料棒の一例が図７に示されている。図７において、燃料棒１０は、長尺の被覆管１１内に多数の核燃料ペレット１２を縦方向に積み重ねたもので、被覆管の上端及び下端は、上部端栓１１ａ及び下部端栓１１ｂにより閉止されている。被覆管１１内には、核燃料ペレット１２に加えコイルばね１４が設けられており、プレナム１３内のこのコイルばね１４が最上方の核燃料ペレット１２ａに当接して上方から押さえている。プレナム１３の体積は、原子炉の運転中に核燃料ペレット１２からは放射性ガス生成物が放出されるため、過度の内圧上昇を防ぐ観点から決められている。しかし、核燃料ペレット１２の長さによっては、燃料棒内に装填した場合に、プレナム１３としての長さが必要以上に残ることがあるため、上述の核燃料ペレット１２とは異なる短い長さのプレナム体積調整用短小ペレットを別に用意して、これを燃料棒に装填しなければならないことがある。
【０００４】
図６の（ａ）及び（ｂ）は、従来の核燃料ペレットの一例をそれぞれ斜視図と断面図で示している。図６の（ａ）において、燃料粉末の成型・焼結により製造される核燃料ペレット１２は、ほぼ円柱形をしていて、軸方向に離間した上端面及び下端面を有する。各端面は、その外周縁が面取りされていて、面取り部１５を形成すると共に、端面中央は皿状の凹部に形成されていて、この凹部がデイッシュ１６と称されている。
【０００５】
次に、図６の（ｂ）において、核燃料ペレット１２の高さをＬ、直径Ｄ、面取り部１５の軸方向寸法ａ及び半径方向寸法ｂ、デイッシュ１６の直径ｄ及び深さｈとする。従来、面取り部１５の軸方向寸法ａ及び半径方向寸法ｂの比は、代表的にはａ／ｂ≒１／２であり、デイッシュ１６の深さｈは、原子力発電プラントにおいて使用される燃料棒の種類（特に、その直径）により異なるが、約０．２２〜０.２６ｍｍである。
【０００６】
また、核燃料ペレットの長さ（軸方向の最大寸法）Ｌは、燃料粉末の成型・焼結炉の容量、燃料棒への核燃料ペレット装填時のプレナム体積確保、ペレット被覆機械的相互作用（ＰＣＭＩ=  Pellet  Clad  Mechanical  Interaction）の低減等の観点から決められ、現在、核燃料ペレットの長さ／直径比（Ｌ／Ｄと称する）≒１．２のものが用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したペレット被覆機械的相互作用（以下、ＰＣＭＩという）の対策上及びペレット欠け発生防止の点からは、核燃料ペレットのデイッシュ１６の大きさは、大きいほうが良いが、過度に大きいとペレット製造時にペレット端部に力が掛かり易く、キャッピングが生じ易くなり、通常の生産性が期待できなくなる。また、ＰＣＭＩ対策上、ペレットの長さ／直径比Ｌ／Ｄは小さいほうが好ましいとの理由から（即ち、ＰＣＭＩの現象の強弱を表わす燃料要素永久伸びと比Ｌ／Ｄの関係は知られており、ペレットの長さ／直径比Ｌ／Ｄが小さいほど、燃料棒は伸びが小さい。）、前述したようにＬ／Ｄ≒１．２としているが、この比率では燃料棒曲がり発生頻度が増加することが分かっており、燃料棒曲がり発生の観点からは、このように小さな値は最適ではない。
【０００８】
なお、キャッピングとは、粉体を圧縮成型する場合、端面近傍の周面の周方向にクラック状のものが発生し、均一な圧縮成型を困難にすることがあり、この現象を指している。極端な場合には、帽子を脱がせたように剥離してしまうことがある。
【０００９】
更に、成型圧力は、成型される粉末重量に比例（この場合、直線の傾きは粉末の種類や、その潤滑状態によっても異なる）することが知られており、従って、直径Ｄを一定にして長さ／直径比Ｌ／Ｄを変化させると、成型圧力は長さ／直径比Ｌ／Ｄに比例することが分かる。従って、Ｌ／Ｄを大きくすることにより成型圧力が増す方向になり、成型時にキャッピングの発生頻度の増加を招くことになる。また、成型圧力がある閾値を超えると、成型欠けが起こり易くなる。しかも、Ｌ／Ｄを大きくすればするほど、燃料棒の剛性が増し曲がりに対し効果はあるが、それだけＰＣＭＩの増加を招く結果になる。
【００１０】
従って、従来の核燃料ペレットの外形寸法は、核燃料ペレットの特性のある一面に限れば好適な値に決められているかも知れないが、核燃料ペレットの製造工程も含めて考えると、必ずしも最適な値に定められているとは言えず、改善が強く望まれていた。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明は、上述したような要求を満たす核燃料ペレットを提供することを目的とするものであり、この目的を達成するために、請求項１に記載の本発明は、直径Ｄ及び長さＬを有する円柱体からなり、該円柱体の上下端面の各々には、前記円柱体の軸心に沿う軸方向寸法ａ及び前記軸心に直交する半径方向寸法ｂの面取り部が外周縁に形成されると共に、前記軸心と同心に直径ｄ及び深さｈのデイッシュが形成されている核燃料ペレットにおいて、前記デイッシュの前記直径ｄを前記円柱体の前記直径Ｄの７０〜７８％としたことを特徴とするものである。
なお、前記面取り部の前記軸方向寸法ａ及び前記半径方向寸法ｂの比ａ／ｂは１／３〜１／４の範囲である。
また、請求項２に係る本発明のように、前記円柱体の前記長さＬ及び前記直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．３〜１．５の範囲にあることが有利である。
請求項３に記載の本発明のように、前記デイッシュの前記深さｈが０．２２ｍｍ以下であれば更に有利である。
更に、本発明によれば、請求項４に記載のように、装填される核燃料ペレットの長さＬ及び直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．３〜１．５の範囲にある核燃料ペレットのみを使用した燃料棒を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な実施形態について添付図面を参照して詳細に説明するが、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。従来例に関する図７と同様に、図１において、（ａ）は本発明の実施形態に係る核燃料ペレットの斜視図であり、（ｂ）は同核燃料ペレットの軸心を通る縦断面図である。
【００１３】
図１の（ａ）において、ペレット１は、従来と同様に円柱体からなり、その上下端面の外周縁に面取り部２を有し、また、各端面の中央に、軸方向の内方に凹んだデイッシュ３を有している。これらのデイッシュ３の中心はペレット１の軸心と一致している。また、核燃料ペレット１の高さをＬ、直径をＤ、面取り部２の軸方向寸法をａ及び半径方向寸法をｂ、デイッシュ３の直径をｄ及び深さをｈとする。
【００１４】
本発明によれば、比ａ／ｂは約１／３〜１／４であり、深さｈも従来のものより小さい値で、０．２２ｍｍ以下としている。また、比Ｌ／Ｄは焼結炉の諸条件や燃料棒のプレナム体積確保の条件から約１．３〜１．５としており、好適には約１．４である。
【００１５】
上述した本発明の核燃料ペレットは、図７に示すような燃料棒の被覆管内に軸方向に積み重ねて装填され、かかる燃料棒が組み立てられて燃料集合体となり、原子炉に装荷され燃焼に供される。図２は、原子炉運転時における燃料棒内の上側ペレット１Ａ及び下側ペレット１Ｂの接触面での変形状態を説明する図で、デイッシュ端部の変形は、デイッシュ径が大きい位置のペレット部分ほど軸方向の熱膨脹が小さくなるため、被覆管とペレットとの相互作用が低減することが理解できる。
【００１６】
燃料棒内に装填しうる状態のペレットにするためには、燃料粉末を成型して円柱体とし、多数のかかる円柱体を焼結用ボートに縦積みに収容して焼結炉において焼結し、最終的に核燃料ペレット１とするが、焼結用ボートの形状寸法は、焼結炉における効率的な核燃料ペレットの焼結と臨界防止とを目的として、焼結炉の寸法に基づいて決められるのが実状である。
【００１７】
そのため、核燃料ペレットの比Ｌ／Ｄの値によっては、焼結前の成型ペレットを焼結用ボート内に積み重ねた場合、焼結用ボート内に無駄なスペースが生じてしまうことがあるが、比Ｌ／Ｄを約１．３〜１．５、好ましくは約１．４にすることにより焼結用ボートの容積を積み重ねに有効に利用できることが分かった。しかも、核燃料ペレットの長さ対直径の比Ｌ／Ｄを上述の値に設定すると、燃料棒１本当たりに装填すべき核燃料ペレットの数が減少し、装填作業が簡単になるばかりか、運転中の燃料棒の剛性が大きくなり、燃料棒の曲がりが抑制される。
【００１８】
しかも、原子炉運転中における燃料棒内のペレット温度は、ペレット軸心から半径方向に離れるにつれて低下することが知られている。従って、デイッシュ３の直径ｄをペレット径Ｄの７０〜７８％とすることにより、従来のものと比較して、デイッシュ端部が温度の低いペレット周辺部側に移動するため、隣接する上下の核燃料ペレットの端面と干渉する可能性がある端部の軸方向熱変形量が小さくなって、被覆管とペレットとの相互作用が低減し、燃料棒の曲がりが低減される。
【００１９】
また、比ａ／ｂを約１／３〜１／４にすることにより、ペレット成型用金型のエッジ部の角度が小さくなって金型の寿命が延びる。図５の（ａ）は、ペレット成型用金型４によりペレット体５をプレスする状態を示しており、図５の（ｂ）は、金型寿命と比ａ／ｂの関係を示す実験例である。金型４を形成する超硬材料は一般にヤング率が高いので、ペレットの面取り部２（図１参照）に相当する金型部分、即ちエッジ部４ａは、その下向き角度がある一定値を超えると急に欠け易くなり、その角度は成型に使用する圧力等によって変わるが、試験では、比ａ／ｂが１／３を超え１／２に接近するような角度になるにつれて、エッジ部４ａの欠けによる金型の寿命に至ることが分かった。一方、デイッシュの深さｈが小さくなり、直径ｄが大きくなることにより、デイッシュ曲率半径が大きくなるので、ペレット成形性及び耐ＰＣＭＩ性能が向上する。
【００２０】
面取り部２の比ａ／ｂは、ペレット成型用金型４の寿命の観点から言えば、小さくすることが望ましい。一方、燃料棒の照射挙動は現行ペレットと同程度とする必要があり、燃料棒内の自由体積が現行と同等となるようにデイッシュ径を決める必要があり、更に、デイッシュの外側のランド部の幅は隣接するペレット同士の座りの安定性を損なわない幅として設定しなければならず、これらを考慮すると、面取り部２の比ａ／ｂは、約１／３〜１／４となる。
【００２１】
図３は、サイクル初期の値に対するデイッシュ径ｄの変化とペレット及び被覆管の伸び差（ｍｍ）の関係についての実験例を表わしており、デイッシュ径ｄがペレット径Ｄの約７０％を超え始めると、軸方向ＰＣＭＩの駆動力を表わす伸び差が顕著に減少を開始することが分かる。その結果、ＰＣＭＩの減少になる。一方、ペレット径Ｄに対するデイッシュ径ｄの比自体は、大きければ大きいほど良いのであるが、面取り部２を設けなければならない関係上、上限は７８％とする。
【００２２】
ペレットと被覆管の熱膨張による伸び差は上述のようにデイッシュ径ｄを大きくするほど減少する。そして、被覆管とペレットが接触している場合、両者の熱膨張差が小さいほうが、熱膨張差に起因した燃料棒曲がりは小さくなる。デイッシュ径ｄをパラメータとしたペレットと被覆管の熱膨張差の解析的評価は、１４×１４型及び１５×１５型燃料集合体用ペレット並びに１７×１７型燃料集合体用ペレットについて、ｄ／Ｄ比が７８，７７，７１％並びに７６，７４，７０％の３条件について実施し、いずれも熱膨張差を現行ペレット仕様に比べて低減できることが明らかになった。また、この低減効果の燃料棒曲がりへの影響を解析的に評価した結果、ｄ／Ｄ比の上記３条件いずれにおいても、同程度の曲がり低減効果があることを確認した。なお、下記の表１は、この解析的評価に用いたペレットの諸元を示している。以上のことから、ｄ／Ｄ比を７０〜７８％の範囲に設定することにより、燃料棒曲がりを有意に低減しうることが分かる。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
また、本発明によれば、デイッシュ径ｄを最小でもペレット径Ｄの７０％と大きくしたため、デイッシュ３の曲率半径が大きくなる。デイッシュの曲率半径がが大きくなり、その深さｈが浅くなることにより、ペレットの凹凸が全体として小さくなるので、成型時の圧力がペレット全体に均一化されることになり、ペレット成型性が向上する。
【００２５】
図４は、種々のＬ／Ｄ比のペレットを装填した燃料棒のＰＣＭＩについての実験例を示しており、縦軸に燃料被覆管の伸び（％）、横軸に燃料棒長さ当たりの発熱量（ｗ／ｃｍ）を表わしている。なお、図４において、３つの線図のほぼ水平な直線部分の近くに記載されている数字「１」、「２」、「４」は、実験に供された燃料棒の番号を表わしており、また、各燃料棒「１」、「２」、「４」に装填されたペレットは、線図の右上に示されており、その直径はいずれも１３．９ｍｍ、長さはそれぞれ７，１４，３０ｍｍである。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の本発明によれば、直径Ｄ及び長さＬを有する円柱体からなり、該円柱体の上下端面の各々には、前記円柱体の軸心に沿う軸方向寸法ａ及び前記軸心に直交する半径方向寸法ｂの面取り部が外周縁に形成されると共に、前記軸心と同心に直径ｄ及び深さｈのデイッシュが形成されている核燃料ペレットにおいて、前記デイッシュの前記直径ｄを前記円柱体の前記直径Ｄの７０〜７８％としたので、デイッシュの外周縁を画成するペレット端面部分が、ペレット周辺部に移動するため、該ペレット端面部分の軸方向の熱変形量が小さくなって、ＰＣＭＩが低減すると共に、燃料棒の曲がりも抑制され、信頼性の向上に資することができる。
そして、面取り部の前記軸方向寸法ａ及び前記半径方向寸法ｂの比ａ／ｂを１／３〜１／４の範囲としたので、ペレット成型用金型のエッジ部の角度が小さくなり、金型の寿命を伸ばすことができ、ペレットの生産性も向上する。
更に、請求項２に記載の本発明によれば、前記円柱体の前記長さＬ及び前記直径Ｄの比Ｌ／Ｄが１．３〜１．５の範囲にあるので、焼結用ボートでグリーンペレットを焼結する際に、焼結用ボートの容積を有効に利用できるだけでなく、燃料棒当たりのペレットの充填数が減少し、生産性及び作業性が向上する。また、このペレットを充填した燃料棒の剛性が大きくなり、燃料棒の曲がりが抑制され、ＰＣＭＩも増加することができる。
請求項３に記載の本発明によれば、デイッシュの径を拡大しただけでなく、ペレット中心部の軸方向熱変形を吸収しうる範囲で、デイッシュの深さｈを０．２２ｍｍ以下と小さくしたため、デイッシュの曲率半径を大きくすることが可能となり、成型性に優れ且つ耐ＰＣＭＩ性能の高い核燃料ペレットを提供することができる。
最後に、請求項２に記載の核燃料ペレットを使用すれば、燃料棒に充填する核燃料ペレットを１種のみとすることができ、燃料棒の生産コスト低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は本発明による核燃料ペレットの斜視図、（ｂ）はその核燃料ペレットの軸心に沿った縦断面図である。
【図２】  核燃料ペレットと被覆管との相互作用について、核燃料ペレットの半径方向温度分布と関連付けて説明するための図である。
【図３】  核燃料ペレット及び被覆管の伸び差（ＰＣＭＩ）とデイッシュ径の関係についての実験例を示すグラフである。
【図４】  核燃料ペレット被覆管相互作用の実験例を示すグラフである。
【図５】  （ａ）は、ペレット成型用金型によりペレット体をプレスする状態の説明図、（ｂ）はエッジ部の角度と金型寿命の関係を示すグラフである。
【図６】  （ａ）は従来の核燃料ペレットの斜視図、（ｂ）はその核燃料ペレットの軸心に沿った縦断面図である。
【図７】  図６の核燃料ペレットが装填された燃料棒を一部破断して示す側面図である。
【符号の説明】
１…核燃料ペレット、２…デイッシュ、３…面取り部。
【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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