JP4301540B2 - 燃料棒及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には、原子炉用の改良された燃料棒設計に関する。更に詳細には、本発明は、１つ又はそれ以上の金属酸化物が燃料棒内部に存在して２次水素化を軽減するようになった原子炉燃料棒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、堆積物の侵食によってＬＷＲの燃料棒被覆材が破損すると、冷却水／冷却蒸気は、燃料棒の内部に侵入して燃料及びジルコニウム合金被覆材との酸化反応が起こり、水素とジルコニウム及びウラニウム酸化物成分とが生成される。この酸化反応により、水蒸気中の酸素が徐々に除去されて、燃料棒の内部空間が水素と水蒸気との混合物で満たされてしまう。最初の破損箇所から十分な距離では、大部分の水蒸気が反応してしまっているので水素は高度に乾燥している。この条件下では、水素は被覆材によって急速に吸収され、脆性の多量の２次水素化物が形成される。その後の被覆材への負荷により、これらの２次水素化箇所では新しい破損が生じる。破損は、円周方向である場合もあり、又は場合によっては軸方向へ亀裂伝播が起こることもある。全ての場合において、冷却材に対する燃料及び分裂生成物の付加的な曝露が起こる。従って、被覆材の２次水素化を軽減することは重要である。
【０００３】
ジルコニウム合金被覆材における２次水素化物の形成に関連する条件は、文献において広範囲に論じられている。現在、被覆材内部での水蒸気−水素混合物における水蒸気比が閾値レベル以下に低下すると大規模な２次水素化が起こることがよく認識されている。一般的に、被覆材の大規模な２次水素化には、高度に乾燥した水素条件が必要であり、少量の水蒸気であっても２次水素化を軽減するのに役立ち得る。
【特許文献１】
特開平０４−２０４１９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、被覆が破損して燃料棒内部に水又は水蒸気が浸入する場合に、ジルコニウム合金被覆材の２次水素化を生じない燃料棒の設計が必要である。本発明は、その必要性を満たすことを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
意外にも、燃料棒内に１つ又はそれ以上の金属酸化物を付与することにより、２次水素化を軽減又はなくし得ることが発見されている。本発明は、特に、軽水炉（ＬＷＲ）用の改良された燃料棒の設計を提供するものである。
【０００６】
第１の態様において、本発明は、２次水素化傾向が軽減されている燃料棒を作る方法を提供し、燃料棒中に金属酸化物の有効量を付与する段階を含んでいる。一般的に、水素比がＭ／ＭＯｘ系に関する平衡条件以上である場合、金属酸化組成物は、水素と金属酸化物との間に逆反応が起こり、水蒸気を発生して２次水素化を軽減させるようになっている。金属酸化物は、鉄、ニッケル、錫、ビスマス、銅、コバルト、クロム、マンガン酸化物、及び／又はそのような酸化物を組み合わせたものから選択できる。
【０００７】
別の態様において、本発明は、本発明の方法で作られ、２次水素化を被る傾向が低減されている燃料棒を提供するようになっている。
本発明は、以下に添付の図面を参照して説明されている。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料棒内部に１つ又はそれ以上の金属酸化物の有効量を付与することによって、原子炉燃料棒での２次水素化を軽減又は実質的になくすことができるという意外な発見に帰するものである。酸化物は、鉄、ニッケル、錫、ビスマス、銅、コバルト、クロム、マンガンの酸化物、及び／又はそのような酸化物を組み合わせたものであってもよい。好適な金属酸化物の具体例は、酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄；Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化錫（ＳｉＯ₂）、酸化銅（ＣｕＯ）、及び酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）である。本発明は、特に、ジルコニウム合金ベースの被覆材内に収容されている酸化ウラン燃料への適用が見出されている。このような燃料棒は、一般にＬＷＲに用いられている。
【０００９】
水蒸気が燃料被覆材内部に入ると、燃料／被覆材との酸化反応が起こり、結果として水素が発生する。このことは一般に次式で説明できる。
ｘＨ₂Ｏ＋Ｚｒ＝ＺｒＯ_x＋ｘＨ₂
ｘＨ₂Ｏ＋ＵＯ₂＝ＵＯ_2+x＋ｘＨ₂
【００１０】
金属酸化物に近い領域における燃料棒内での水素：水蒸気比率は、金属／金属酸化物（Ｍ／ＭＯｘ）系の熱力学的平衡状態によって決定でき、金属酸化物が置かれている燃料棒内の温度で評価される。水素比がＭ／ＭＯｘ系に関する平衡条件を越えて上昇すると、水素とＭＯｘとの間の逆反応により水蒸気が発生して、内部を仮の平衡状態に保つ。
【００１１】
平衡状態は、ＭＯｚがｚ＜ｘである低位酸化物であり純金属ではないＭＯｚ／ＭＯｘ系に対応し得る場合もあることに留意されたい。従って、逆反応は、以下のように説明できる。
ＭＯｘ＋Ｈ₂＝Ｍ（又はＭＯｚ、ｚ＜ｘ）＋Ｈ₂Ｏ
【００１２】
金属酸化物の平衡状態における水素：水蒸気比率において、水蒸気比が２次水素化に関する閾値レベルを越えている場合には、２次水素化を軽減できる。水素と金属酸化物との間の逆反応により発生する水蒸気は、特定の長さにわたり容易に拡散し得るので、金属酸化物が離散した間隔でのみ存在する場合であっても２次水素化を軽減できる。
【００１３】
金属酸化物は、幾つかの可能性のある実施形態に基づいて存在できる。第１の実施形態において、金属酸化物は、被覆材内面上の被膜として存在できる。金属酸化物は、酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄；Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化銅（ＣｕＯ）、及び酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）から選択できる。一般的に、酸化ビスマスは、他の酸化物よりも中性子吸収断面積が小さいので用いられる。一般的に、被膜は、１ミル（２５ミクロン）以下、例えば０．２５−０．５ミルの範囲の厚さで塗布される。
【００１４】
第２の実施形態として、金属酸化物は、燃料ペレット表面上の被膜として存在きる。金属酸化物は、酸化鉄（Ｆｅ₃Ｏ₄；Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化錫（ＳｎＯ₂）、酸化銅（ＣｕＯ）、及び酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）から選択できる。一般的に、酸化ビスマスは、他の酸化物よりも中性子吸収断面積が小さいので用いられる。一般的に、被膜は、１ミル（２５ミクロン）以下、例えば０．２５−０．５ミルの範囲の厚さで塗布される。
【００１５】
第３の実施態様として、金属酸化物は、個々のペレットとして、または燃料ペレット間のウェハーとして、若しくは燃料スタックの下部又は燃料スタックの上部又はそれらの双方の位置に存在できる。一般的に、個々のペレット又はウェハーは、そのペレットと殆ど同じ幾何学的形状（直径）、又は僅かに大きいものであってもよい。それらが燃料ペレットの間に存在する場合には、ペレット又はウェハーの厚さは、使用されるペレット又はウェハー数に依存する。一般的に、ペレット又はウェハーは、酸化鉄（Ｆｅ3Ｏ4；Ｆｅ2Ｏ3）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、酸化錫（ＳｎＯ2）、酸化銅（ＣｕＯ）、及び酸化ビスマス（Ｂｉ2Ｏ3）から選択される金属酸化物の粉末を焼結することによって作ることができる。
【００１６】
第４の実施形態として、添付の図１を参照すると周囲のガスへの自由なアクセスをもたらす穿孔又はスリット４を壁部に有するコンテナ２が示されている。典型的に、コンテナは、ステンレス鋼等の金属酸化物と反応しない材料で作られている。コンテナの壁部は、１０ミル以下の厚さであり、実質的に燃料ペレットと同じか又は僅かに大きい外径を有している。前述のように、金属酸化物は、粉末又はペレットとしてコンテナ２内に存在できる。
【００１７】
第５の実施形態において、金属酸化物は、燃料棒に沿って（連続的な様式ではなく）離散的に分布できる。金属酸化物は、第１から第４の実施形態のいずれかに説明されている形態であってもよい。
【００１８】
第６の実施形態において、添付の図２を参照すると外側被覆材８及び燃料ペレットスタック１０を備える燃料棒６が示されている。前述の金属酸化物を収容するコンテナ２は下部に設けられており、下部エンドキャップ１２及び燃料スタック１０によって所定位置に保持されている。図２は、コンテナが燃料スタックの下部に存在する状態を示している。しかし、同様のコンテナは、燃料スタックの上部に配置することもできる。通常の配列において、コンテナは、燃料スタックの下部に配置され、随意的に追加のコンテナをスタックに上部に置くことができる。コンテナが燃料スタックの上部にある場合には、プリナム及びコンテナを所定位置に保持するためのリテイナースプリング（図示せず）が存在する。
【００１９】
２次水素化を軽減するために使用される特定の金属酸化物は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｃｒ、及びＭｎの酸化物から選択することができる。一般的に、金属酸化物は、各燃料棒内に最大約１５グラムの量、より一般的には最大約１２グラム、例えば２から１０グラムの量で存在する。
【００２０】
選択される特定の金属酸化物は、金属酸化物が十分急速に水素と反応するか否かに基づく必要がある。反応速度は、先の反応において水素が発生する速度を妨げ得るように十分に速い速度であることが必要である。
【００２１】
金属酸化物の選択における別の因子は、平衡状態での水素：水蒸気比率において水蒸気が十分に濃く、２次水素化を防ぐようになっているか否かである。一般的に、水蒸気の圧力が水素の圧力の約５％よりも大きい場合には、水素化が回避できると考えられる。
【００２２】
一般的に、鉄、ニッケル、錫、ビスマス、及び銅の酸化物が用いられる。金属酸化物が燃料ペレットカラム空間に配置される場合、金属酸化物の炉心への導入による寄生的中性子吸収を最小にするように、典型的に酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）が使用される。金属酸化物が燃料カラム下部又は上部に配置される場合、寄生的中性子吸収は重要な検討事項ではなく、典型的に酸化銅（ＣｕＯ）が使用される。また、寄生的吸収を最小にする、それらの物質の特定のアイソトープ酸化物も使用できる。
【００２３】
以下の実施例は、本発明を例示するものである。
ステンレス鋼コンテナ内の閉空間にジルコニウム・ストリップを配置して、水素をコンテナの微小孔を通して閉空間内に入れて試験を行った。４００°Ｃにおいて１日以内で、ストリップは大規模に水素化されることが示された。しかし、ジルコニウム・ストリップに加えて、特定の金属酸化物が閉空間内に存在する場合には、同様の形状及び試験条件下で試験を行うと、明白な水素化は認められなかった。試験は、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、ＣｕＯ、Ｂｉ₂Ｏ₃、ＮｉＯ、及びＳｎＯ₂に関して行った。
【００２４】
本発明は、現時点で最も実用的で好適な実施形態であると考えられるものに関して説明されているが、本発明は、開示された実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の精神及び範囲に包含される種々の修正物及び均等物をカバーすることが意図されていることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】壁部に穿孔又はスリットを有するコンテナを示す。
【図２】内部に金属酸化物を有する燃料棒を示す。
【符号の説明】
２ コンテナ
４ 穿孔又はスリット
６ 燃料棒
８ 外側被覆材
１０ 燃料ペレットスタック
１２ エンドキャップ

Claims (12)

1. 燃料棒を製造する方法であって、
   燃料棒中に金属酸化物の有効付与量を決定する段階と、
   決定された付与量の前記金属酸化物を燃料棒中に付与する段階とを具備し、
   前記有効付与量は、燃料中に発生した水素を前記金属酸化物の酸素と水蒸気に反応させることにより水蒸気―水素混合物における水蒸気比を上昇させるような量として決定されることを特徴とする燃料棒製造方法。
2. 前記金属酸化物の組成は、水素比が、金属／金属酸化物間における平衡条件を越える場合に、前記水素と前記金属酸化物との間に逆反応が起こり、水蒸気を発生させるものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
3. 前記金属酸化物が、鉄、ニッケル、錫、ビスマス、銅、コバルト、クロム、マンガンの酸化物、及びそのような酸化物を組み合わせたものから選択されることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
4. 前記金属酸化物が、燃料棒当り１５グラム未満の量で存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
5. 前記金属酸化物が、前記燃料棒の被覆材の内面上の被膜として存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
6. 前記金属酸化物が、燃料ペレット上の被膜として存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
7. 前記金属酸化物が、燃料ペレットスタック（１０）としての個々のペレット、またはウェハーとして存在することを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
8. 前記金属酸化物が、燃料とは別体で、この金属酸化物を主に内蔵するコンテナ（２）内にあることを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
9. 前記コンテナ（２）が、燃料ペレットスタック（１０）の下部にあることを特徴とする請求項８に記載の燃料棒製造方法。
10. 前記コンテナ（２）が、燃料ペレットスタック（１０）の上部にあることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料棒製造方法。
11. 前記金属酸化物が、前記燃料棒に沿って離散的に分布することを特徴とする請求項１に記載の燃料棒製造方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれかの方法に従って製造された燃料棒。

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