JPH0827367B2 - 燃料要素 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、発電用の水冷型原子炉において使用すべき
核分裂性の核燃料を細長い被覆容器（たとえば筒状の外
被）の内部に封入して成る改良された燃料要素に関する
ものである。かかる用途において使用すべき核燃料を被
覆容器の内部に封入する目的は、それを冷却材から隔離
することにより、両者間の反応を防止すると共に、核燃
料からの放射性物質またはそれから生じる核分裂生成物
による冷却材の汚染を防止することにある。

発電用の水冷型原子炉において使用するための従来の
燃料要素は、ペレット状の濃縮ウラン酸化物をジルカロ
イ−２（米国特許第2772964号）のごときジルコニウム
合金製の被覆容器内に封入したものから成っている。場
合によっては、ウラン酸化物の代りにウラニアとガドリ
ニアとの混合物または固溶体が使用されることもあれ
ば、ウランの一部がプルトニウムおよび（または）トリ
ウムで置換されることもある。

原子炉の炉心内において長時間の放射線照射を受けた
場合、通常の燃料要素は急速な出力上昇時に起こる被覆
容器の破裂によって破損を生じ易いことが経験的に知ら
れている。このような被覆容器の破裂は、長期間の放射
線照射によって脆化しかつ内部の核燃料に由来する核分
裂生成物の蓄積によって腐食した被覆容器の内面に対し
て熱膨張した核燃料が応力を及ぼす結果として生じるこ
とが判明している。

かかる有害な現象に関する研究の結果、核燃料被覆容
器の（一般に「応力腐食割れ」と呼ばれる）破損には３
つの条件が関与することが確認された。第１の条件は被
覆容器を構成する金属が照射環境中において応力腐食割
れを生じ易いことであり、第２の条件はあるレベルの物
理的応力が存在することであり、そして第３の条件は攻
撃的な腐食物質への暴露が起こることである。応力腐食
割れによる金属の破損を低減もしくは排除するために
は、上記のごとき３つの条件の少なくとも１つを緩和す
ることが必要である。

ジルカロイ−２のごときジルコニウム合金製の被覆容
器内にウラン酸化物核燃料を収容して成る通常の燃料要
素において上記のごとき破損を防止するために有効な１
つの手段は、被覆容器の合金基体の内面上に非合金化ジ
ルコニウム金属の隔壁層を冶金的に結合することであっ
た。かかる隔壁層を構成する非合金化ジルコニウム金属
は合金基体に比べて照射脆化に対する抵抗性が大きく、
従って長期間の放射線照射にもかかわらず使用期間全体
を通じて軟らかい塑性状態を保持する。急速な出力上昇
に際して熱膨張する核燃料が上記のごとき被覆容器に及
ぼす局部的な物理的応力は、隔壁層を構成する比較的軟
らかい非合金化ジルコニウム金属の塑性流れによって緩
和される。その上、非合金化ジルコニウム金属は合金基
体に比べて核分裂生成物の腐食作用を受け難いことも判
明している。換言すれば、非合金化ジルコニウム金属は
腐食性核分裂生成物の存在下における割れの発生に対し
て抵抗性を有するものである。

腐食性照射生成物の存在下における燃料ペレットと被
覆容器との相互作用に原因する有害な応力腐食割れ現象
を防止するのに非合金化ジルコニウム金属の隔壁層が有
効である理由は、それが被覆容器全体にわたって物理的
応力および腐食感受性を緩和することにある。

燃料要素において有効な非合金化ジルコニウム金属の
隔壁層は、米国特許第4200492および4372817号明細書中
に開示されている。

頻繁かつ急激な出力上昇に暴露された場合における燃
料要素の破損の一因を成す応力腐食割れの問題を解決す
るためのもう１つの方法は、添加剤を用いてウラン酸化
物核燃料の物理的性質を改善するというものであった。
たとえば、10分の数パーセントという少ない量のケイ酸
アルミニウム（またはケイ酸アルミニウムを含有する粘
土）をウラン酸化物中に分散させると、燃料ペレットの
塑性を増大させるのに有効であることが判明している。
その結果、燃料ペレットの熱膨張によって誘起される物
理的応力は低減することになる。

ウラン酸化物核燃料中に導入されたケイ酸アルミニウ
ム添加剤は、被覆容器の金属材料の応力腐食割れに際し
て同時に存在すると考えられる３つの条件の内の２つを
排除もしくは緩和するのに有効であることが判明してい
る。すなわち、ケイ酸アルミニウム添加剤はウラン酸化
物から成る燃料ペレットのクリープ速度を実質的に増大
させ、それによって核燃料の熱膨張が被覆容器に及ぼす
応力を低減させる。また、かかる添加剤が塑性変形量お
よび変形速度を増大させる結果、核燃料はそれ自体が有
する空隙中および（または）被覆容器の内側に存在する
開放状態の割れ目に流れ込み、それによって熱膨張に原
因する物理的相互作用の力をより広い面積に分散させ
る。このように、作用する力が分散する結果として大き
い局部応力が緩和されるわけである。

更にまた、核燃料中に導入されたケイ酸アルミニウム
添加剤は照射に際して生じる核分裂生成物と反応し、そ
れにより物理的応力の存在下で被覆容器の金属材料の割
れの一因を成す攻撃的な核分裂生成物の濃度を低下させ
る。

核分裂性核燃料に対するケイ酸アルミニウム添加剤の
効果およびそれの使用量は、米国特許第3679596、37152
73、3826754、3872022および4052330号明細書中に開示
されている。

上記に引用された米国特許（すなわち、第4200492、4
372817、3679596、3715273、3826754、3872022および40
52330号）の明細書は、本発明に関連する当業技術の現
状を例示するものである。

発明の背景 本発明は、核分裂性の核燃料物質を収容した被覆容器
の破裂がもたらす燃料要素の破損の問題に関するもので
ある。かかる被覆容器は、核燃料物質およびそれから生
じる核分裂生成物を内部に封入して物理的に隔離するこ
とにより、周囲の冷却材（たとえば水）との接触および
（または）それの汚染を防止するために使用される。

冷却材としての水または水蒸気が被覆容器の裂け目を
通して侵入して内部の核燃料物質に接触すると、核燃料
物質は破壊的な反応を受けると共に、核分裂生成物が漏
れ出て系統全体の冷却材を汚染することになる。

発明の要約 本発明に従えば、応力腐食割れに原因した被覆容器の
破損に関与する全ての因子を効果的に抑制するため協力
して作用する特定の構造および組成を有する改良された
燃料要素が提供される。詳しく述べれば、本発明の改良
された燃料要素の構造および組成が協力して作用するこ
とにより、応力腐食割れの原因となる条件（すなわち、
物理的応力、腐食性環境および感受性材料）の全てが効
果的に軽減もしくは排除されるのである。

発明の目的 本発明の主たる目的は、厳しい条件下での使用に耐え
る改良された燃料要素を提供することにある。

また、容器壁の割れに原因する破損に一層良く耐える
燃料要素を提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、高い「燃焼度」に達するまでの長い照射期
間にわたって頻繁かつ急激な出力上昇に耐えると共に、
割れやその他の破損にも耐えるような改良された燃料要
素を提供することも本発明の目的の１つである。

更にまた、応力腐食およびそれがもたらす割れに対し
て高度の抵抗性を有する改良された燃料要素を提供する
ことも本発明の目的の１つである。

更にまた、応力腐食割れの原因となる条件（すなわ
ち、物理的応力、腐食性環境および感受性材料）を軽減
もしくは排除する特異な組合せの構造および組成を持っ
た燃料要素を提供することも本発明の目的の１つであ
る。

発明の詳細な説明 本発明の燃料要素は、ジルコニウム合金管の内面に対
して非合金化ジルコニウム金属のごとき軟質金属の隔壁
層を冶金的に結合して成る複合被覆容器と、核燃料物質
としてのウラン酸化物をケイ酸アルミニウム添加材で改
質したものから成りかつ上記の複合被覆容器内に収容さ
れた中心芯材とから構成されている。このような構造お
よび組成の組合せが生み出す特性および効果は単なる補
足的なものではなく相乗的なものであって、特に約35MW
d/kgUを越えるような高い燃焼度において優れた性能を
もたらす。かかる相乗的な優れた性能は燃料要素の耐久
性において発現される結果、本発明の燃料要素は高い出
力レベルへの急激な出力上昇に耐えると共に、破損を生
じることなしに激しい出力循環にも耐えるのである。

先ず第１図を見ると、燃料要素10の部分切欠き断面図
が示されている。かかる燃料要素10は細長い複合被覆容
器12を含んでいる。通例、複合被覆容器12は両端に上部
端栓16および下部端栓16′を溶接した密閉状態の管状体
14から成っている。本発明の主たる特徴の１つに従え
ば、ジルコニウム合金から成る管状体14の内面に対して
非合金化ジルコニウム金属の隔壁層18が冶金的に結合さ
れている。ジルコニウム合金管14の内面に対して冶金的
に結合された非合金化ジルコニウム金属の隔壁層18の厚
さは複合被覆容器12の厚さの約５〜約30％に等しく、ま
た好ましくは40μｍより大きい。

複合被覆容器12の内部には、核燃料物質から成る円柱
状の中心芯材20が収容されている。この場合には、中心
芯材20は核分裂性物質および（または）燃料親物質から
成る複数の燃料ペレットを柱状に積み重ねたものとして
示されている。なお、燃料ペレットは円柱状または球状
のごとき様々な形状を有し得る。また、場合によって
は、別の形態（たとえば粒子状）の核燃料物質が使用さ
れることもある。

第２図に示されるごとく、中心芯材20および複合被覆
容器12は前者の外面と後者の内面との間に間隙22が生じ
るように設計されるのが通例である。

図示のごとく、中心芯材20は複合被覆容器12の全長に
わたって存在しないのが通例である。中心芯材20を構成
する燃料ペレットの柱が複合被覆容器12の全長より短い
長さにわたって充填されている結果、一端には空所また
はプレナム24が存在している。かかるプレナム24は核燃
料物質の縦方向の膨張を可能にすると共に、核分裂およ
び照射に際して核燃料物質から放出される気体状生成物
が蓄積するための空間として役立つ。好ましくは、プレ
ナム24の内部にばねのごとき保持手段26が配置されてい
る。かかる保持手段26は、特に燃料要素の取扱いや輸送
に際し、核燃料物質の軸方向運動を防止するために役立
つ。

複合被覆容器12の基体を構成するジルコニウム合金管
14を形成するために適した材料としては、ジルカロイ−
２およびジルカロイ−４として知られるジルコニウム合
金が挙げられる。ジルコニウム−２は、重量基準で表わ
して約1.5％のスズ、約0.14％の鉄、約0.1％のクロム、
約0.05％のニッケルおよび残部のジルコニウムから成っ
ている。ジルカロイ−４はジルカロイ−２より低いニッ
ケル含量を有すると共に、ジルカロイ−２よりやや高い
鉄含量を有している。これらの合金に関する一層詳しい
説明は、米国特許第2772969および3148055号明細書中に
見出される。

ジルコニウム合金管14の内面に対して冶金的に結合さ
れた隔壁層18は、結晶棒ジルコニウムおよびスポンジ状
ジルコニウムとして知られる非合金化ジルコニウム金属
から成っている。詳しく述べれば、かかるジルコニウム
金属は約5000ppm未満好ましくは約4200ppm未満の不純物
（すなわち、ジルコニウム以外の成分）を含有するもの
でなければならない。それらの不純物のうち、酸素は約
200〜約1200ppmの範囲内にあることが必要である。その
他の不純物はいずれも、市販の結晶棒ジルコニウムおよ
びスポンジ状ジルコニウムにおける正常含量範囲内にあ
ればよい。すなわち、アルミニウムは約75ppm以下、ホ
ウ素は約0.4ppm以下、カドミウムは約0.4ppm以下、炭素
は約270ppm以下、クロムは約200ppm以下、コバルトは約
20ppm以下、銅は約50ppm以下、ハフニウムは約100ppm以
下、水素は約25ppm以下、鉄は約1500ppm以下、マグネシ
ウムは約20ppm以下、マンガンは約50pp以下、モリブデ
ンは約50ppm以下、ニッケルは約70ppm以下、ニオブは約
100ppm以下、窒素は約80ppm以下、ケイ素は約120ppm以
下、スズは約50ppm以下、タングステンは約100ppm以
下、チタンは約50ppm以下、そしてウランは約3.5pp以下
であればよい。

本発明のもう１つの主たる特徴は、上記のごとき複合
被覆容器の内部に配置される核燃料物質の組成にある。
本発明において使用される核分裂性の核燃料物質は、通
常のごとき濃縮ウラン酸化物、プルトニウム酸化物、ト
リウム酸化物またはそれらの混合物から成るものであ
る。それらはまた、ガドリニウムやその他の常用中性子
吸収剤（いわゆる「毒物質」）を含有していてもよい。
なお、本発明の実施に際して好適な核燃料物質は二酸化
ウランである。

通常の核燃料物質を改質するため本発明において使用
される添加材としては、ケイ酸アルミニウム、ケイ酸ア
ルミニウムを含有する物質（たとえば粘土）、およびケ
イ酸アルミニウムを生成する物質（たとえば、アルミナ
とシリカとの混合物）が挙げられる。その実例はカオリ
ンおよびベントナイトである。なお、かかる添加剤の適
当な原材料は米国特許第3826754号明細書中に開示され
ている。

通常の核燃料物質中に導入されるケイ酸アルミニウム
添加剤は任意の有効量で使用すればよいが、通例は改質
された核燃料物質の全量を基準として約0.05〜約5.0
（重量）％好ましくは約0.1〜約1.0（重量）％の量で使
用される。とは言え、核燃料物質中に導入されるケイ酸
アルミニウム添加剤の量はできるだけ少なくすることが
一般に望ましい。なぜなら、それは核分裂性物質または
燃料親物質に置き換わることによって核燃料物質の効率
を低下させるからである。

本発明の新規な燃料要素がもたらす相乗効果は幾つか
の作用機序に基づいているが、それらは機械的作用、化
学的作用および機械的・化学的作用の３つに分類するこ
とができる。機械的作用とは、被覆容器中の引張応力を
低減させることである。化学的作用とは、ある種の公知
の腐食性核分裂生成物を減少させることである。機械的
・化学的作用とは、上記のごとき化学的作用が相乗的に
働くことにより、有害な「ペレット−被覆相互作用」に
対する被覆容器のひずみ速度感受性を低下させることで
ある。

本発明の機械的相乗作用は次述のように説明される。
原子炉における各回の出力上昇に際しては、核燃料物質
の熱膨張がそれを吸収する被覆容器に対して応力を及ぼ
す。その際、本発明の複合被覆容器を構成する比較的軟
らかい非合金化ジルコニウム金属の隔壁層は（割れの開
始部位として知られている）容器内面に加わる局部応力
を緩和する。複合被覆容器の内面における即時の応力緩
和は、複合被覆容器の急速な一次クリープによって起こ
る。本発明の系においてはまた、改質された核燃料物質
が熱間圧縮を受けて利用可能な空間を埋めるように変形
し、それによって応力を緩和するように働く。その後、
より緩徐な作用機序（すなわち二次クリープ）による応
力の緩和が起こる。複合被覆容器のジルコニウム合金基
体部分の二次クリープ速度が改質された核燃料物質の変
形過程に比べて遅いことにより、応力に原因する被覆容
器の外方への変形は制限されるのである。このように、
急速な応力緩和機序（すなわち、非合金化ジルコニウム
金属の隔壁層の一次クリープ並びに核燃料物質の一次ク
リープおよび熱間圧縮）と改質された核燃料物質の早い
二次クリープ速度との組合せによって内部応力が低減す
る結果、初期段階における核燃料物質の急速な膨張に対
処すると共に、高い燃焼度の核燃料物質において（部分
的には気体状核分裂生成物の蓄積により）起こる緩徐な
膨張にも対処することが可能となる。

ジルコニウム金属の隔壁層を有する複合被覆容器はペ
レット−被覆相互作用による破損に対して抵抗性を有す
るとは言え、大きい出力上昇は（ペレット−被覆界面を
成す）複合被覆容器の内面に微小割れを生じることが知
られている。ジルコニウム金属の隔壁層が軟らかいた
め、これらの微小割れは硬いジルコニウム合金材料の場
合ほど急速には成長しない。しかしながら、かかる微小
割れは循環荷重の作用下では成長し易い。改質された核
燃料物質のペレットと組合わせて使用した場合には、か
かるペレットの柔軟性が出力循環時における応力の蓄積
（ラチェット効果）を防止する結果、隔壁層中の微小割
れの成長は起こらなくて済む。このような出力循環に対
する抵抗性が機械的相乗作用のもう１つの特徴である。

本発明の化学的相乗作用は次のように説明される。研
究の結果、ヨウ素およびカドミウムを含有する特定の核
分裂生成物は被覆容器の壁に割れを引起こす傾向のある
ことが証明されている。非合金化ジルコニウム金属の隔
壁層は、ヨウ素化合物に原因する応力腐食割れに対して
高度の抵抗性を付与することが確認されている。とは言
え、最も攻撃的な公知物質はカドミウムであり、しかも
カドミウムの有害な作用はセシウムの存在によって悪化
することが判明している。ケイ酸アルミニウム添加剤は
セシウムを核燃料物質の内部に保持し、それによってセ
シウムが被覆容器に到達するのを防止するために役立
つ。

核燃料物質が消費され、そして照射により生じた超ウ
ラン元素（たとえば、プルトニウム、ネプツニウムな
ど）中において起こる核分裂が増加するのに伴い、生成
するカドミウムやヨウ素の比率は増大する。従って、本
発明の燃料要素は長い照射期間にわたって破損に対する
防御をもたらすわけである。

本発明の機械的・化学的相乗作用は次のように説明さ
れる。被覆容器の壁体において、ヨウ素は比較的遅いひ
ずみ速度の下で最も激しく割れを引起こす一方、カドミ
ウムは早いひずみ速度の下で割れ目の成長を引起こす。
本発明の構造および組成は、早いひずみ速度および遅い
ひずみ速度のいずれにおいても割れに対する抵抗性をも
たらすのである。

機械的・化学的相乗作用のもう１つの特徴は、上記の
ごとき構造および組成が被覆容器に対する核燃料物質の
固着を抑制することである。被覆容器の壁面に対するセ
ラミック核燃料物質の固着は、機械的応力の発生源を成
すと共に、酸素や有害な核分裂生成物を核燃料物質から
被覆容器に輸送する経路を成すのである。

本発明の実施を一層詳しく説明するため、以下に実施
例を示す。

ジルコニウム金属および２種の核燃料（すなわち、通
常の二酸化ウランおよびカオリナイト添加剤で改質され
た二酸化ウラン）を使用しながら、それらの間の相互作
用の有無および程度を下記のごとくにして評価した。

２個の二酸化ウランペレット間に結晶棒ジルコニウム
の薄片を配置し、そして加圧下でそれらの表面同士を接
触させた。なお、一方のペレットは二酸化ウランのみか
ら成っていたのに対し、他方のペレットは二酸化ウラン
中に１（重量％）のカオリナイト添加剤を分散させたも
のから成っていた。このようにして形成された二酸化ウ
ラン／ジルコニウム金属／カオリナイト改質二酸化ウラ
ンの複合物から成る検体に約175ポンド／平方インチの
接触圧を加えながら、約99.99％のアルゴンガスから成
る雰囲気中において約3.81℃／秒の速度で1400±25℃の
温度まで加熱した。上記のごとき３種の部材から成る検
体を30.5分間にわたって約1400℃の温度に保持し、約1.
3℃／秒の速度で600℃の温度まで冷却し、それからゆっ
くりした自然の速度で室温まで放冷した。

強固に合体した３種の部材から成る検体を長軸に沿っ
て（すなわち、３種の部材の各々を横断するようにし
て）切断することによって２個の断片を得た。次いで、
光学的金属組織学検査および走査電子顕微鏡検査によ
り、それらの断片の２つの界面を調べた。

光学的金属組織学検査および走査電子顕微鏡検査の結
果、カオリナイト改質二酸化ウランとジルコニウム金属
との界面における反応区域は、未改質二酸化ウランとジ
ルコニウム金属との界面における反応区域よりも顕著に
小さいことが判明した。更にまた、カオリナイト改質二
酸化ウランとジルコニウム金属との界面の反応区域にお
いて認められた相は、未改質二酸化ウランとジルコニウ
ム金属との界面に比べ、二酸化ウランからジルコニウム
金属中への酸素の拡散が少ないことを示していた。

本発明のこのような比較評価によれば、燃料要素中に
おけるケイ酸アルミニウム改質二酸化ウラン核燃料とジ
ルコニウム金属との併用が利益をもたらすこと、すなわ
ち事故時における極めて急激な出力上昇に相当する厳し
い攻撃的条件の下でも化学的相互作用の低減が得られる
ことがわかる。このような評価を高温下における促進炉
外試験と見なせば、上記の結果はまた、長期間にわたる
正常運転条件下において（すなわち、長期間にわたる原
子炉内使用条件への暴露に際して）燃料棒内で起こると
考えられる現象を示している。

更にまた、数種の従来の燃料要素および本発明の燃料
要素に関する比較実験を行うことにより、それらの相対
性能を評価した。詳しく述べれば、従来の燃料要素とし
ては、単純なジルコニウム−２製の容器内に未改質のウ
ラン酸化物核燃料を封入して成る標準的な燃料要素、内
面に対して非合金化ジルコニウム金属の隔壁層を冶金的
に結合したジルカロイ−２製の容器内に未改質ウラン酸
化物核燃料を封入して成る燃料要素、およびケイ酸アル
ミニウム添加剤で改質されたウラン酸化物核燃料を単純
なジルカロイ−２製の容器内に封入して成る燃料要素を
使用した。本発明の燃料要素は、内面に対して非合金化
ジルコニウム金属の隔壁層を冶金的に結合したジルカロ
イ−２製の容器内に、ケイ酸アルミニウム添加剤で改質
されたウラン酸化物核燃料を封入したものから成ってい
た。なお、ケイ酸アルミニウム添加剤の使用量および原
材料、並びに非合金化ジルコニウム金属の隔壁層の寸法
および性質はいずれの場合にも同じであった。詳しく述
べれば、ケイ酸アルミニウム添加剤は0.25（重量）％の
カオリナイトから成り、またジルコニウム金属の隔壁層
は0.003インチの厚さを有していた。

複合被覆容器と組合わせて使用されたケイ酸アルミニ
ウム改質核燃料が燃料要素の信頼度に及ぼす効果を第３
図に示す。この図は、改質燃料ペレットおよび複合被覆
容器がもたらす共同効果並びに個別効果に関する実験的
および解析的な研究の結果を示している。詳しく述べれ
ば、（観測された破損出力に対応する）ペレット−被覆
相互作用による破損が発生し始める出力が照射量の関数
として示されている。第３図中の各曲線よりも下方の領
域は、破損を生じることなしに燃料要素を使用し得る出
力および照射量の条件を表わしている。各曲線上および
それよりも上方の領域は、上記に記載された応力腐食割
れ機序に従って破損が起こると予想される条件を表わし
ている。

第３図のグラフは、使用中の燃料要素の内部における
熱的および機械的条件を計算するための解析モデルを用
いて実験データから作成したものである。詳しく述べれ
ば、混ず最初に照射試験から得られた実験データを評価
することにより、通常のジルカロイ−２製被覆容器およ
びジルコニウム隔壁層を持った被覆容器内に通常の未改
質燃料ペレットを封入して成る燃料要素において破損が
発生し始めるための被覆容器応力が求められた。次に、
同じ解析モデルと共にその応力レベルを使用することに
より、ジルコニウム隔壁層を持った被覆容器内に封入さ
れた改質燃料ペレットの挙動が推定された。なお、この
研究において使用された燃料要素は、商業的な熱中性子
炉用の核燃料の代表例を成すものであった。解析に際し
ては、かかる燃料要素を使用しながら、比較的低い出力
（7kW/ft）の下で様々な照射量に達するまで運転を行
い、次いで新たな高いレベルにまで瞬間的に出力を上昇
させた。破損を起こさせるための出力は、実験的に観測
された破損に対応する出力レベルに関連した被覆容器応
力に基づいて決定された。

第３図に示された結果は、有害な核分裂生成物に対す
る添加剤相の効果を無視している点に留意されたい。有
害な核分裂生成物の化学的状態および量は、被覆容器応
力が臨界値に達しさえすれば必ず破損を引起こすような
ものであると仮定した。このような処理は、核分裂生成
物に対する添加剤相の改善効果を考慮に入れないもので
ある。それ故、上記のごとき解析の結果は燃料要素の信
頼度の向上を低く見積もったものとなっている。

上記のごとき研究の結果は、改質燃料ペレットまたは
複合被覆容器のいずれか一方を使用することにより、破
損を生じることなしに燃料要素を使用し得る出力レベル
が上昇することを示している。かかる結果によればま
た、一層重要なことには、改質燃料ペレットと複合被覆
容器とを併用した場合における安全運転のための出力レ
ベルが、改質燃料ペレットまたは複合被覆容器を単独に
使用した場合に予想されるレベル、あるいは単独使用の
場合に得られる利益を単純に加算して得られるレベルよ
りも高くなっていることがわかる。なお、改質燃料ペレ
ットと複合被覆容器との併用による改善の程度は照射量
と共に変化する。とは言え、かかる改善は典型的な熱中
性子スペクトルを持った原子炉における燃料要素の使用
寿命の大部分にわたって顕著なものであり、従って従来
予測されなかった性能および信頼度の向上を可能にする
ものである。

上記の解析結果は、主として照射の初期段階において
発現する機械的相乗作用のみを示しているに過ぎない。
ここで使用した解析モデルでは化学的相乗作用を予測す
ることはできないが、かかる化学的相乗作用の存在は実
験データから知ることができる。すなわち、35MWd/kgU
を越える照射量の下でも利益げ得られることはこの実施
例においては認められないが、それは照射試験によって
確認されている。詳しく述べれば、本発明がもたらすこ
のような利益を証明するため、0.25％のベントナイトを
含有する燃料ペレットとジルコニウム隔壁層を有する複
合被覆容器とを併用して成る燃料要素をデュアン・アー
ノルド（Duane Arnold）原子炉内に装入して照射したと
ころ、満足すべき結果が得られたのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は複合被覆容器の内部に核燃料物質のペレットを
柱状に配置して成る燃料要素の部分断面立面図、第２図
は第１図の燃料要素の拡大横断面図、そして第３図は従
来の燃料要素と比較しながら本発明の燃料要素を解析し
た結果を示すグラフである（ただし、Ａは未改質核燃料
／ジルカロイ−２容器、Ｂは未改質核燃料／ジルコニウ
ム隔壁層付きジルカロイ−２容器、Ｃはケイ酸アルミニ
ウム改質核燃料／ジルカロイ−２容器、そしてＤはケイ
酸アルミニウム改質核燃料／ジルコニウム隔壁層付きジ
ルカロイ−２容器についての測定値を示す）。 図中、10は燃料要素、12は複合被覆容器、14はジルコニ
ウム合金管、16および16′は端栓、18は隔壁層、20は中
心芯材、22は間隙、24はプレナム、そして26は保持手段
を表わす。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・ビーティ・パターソン，ジュ ニア アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ ン・ホゼイ、バルロイ・ドライブ、6285番 (72)発明者 ジョン・ハリス・デビーズ アメリカ合衆国、カリフォルニア州、サ ン・ホゼイ、ナンキャロウ・ウェイ、1311 番 (56)参考文献 特開 昭54−59600（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−8837（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）ジルコニウム以外の成分を5000ppm
   より大きい重量比率で含有するジルコニウム合金管と、
   前記ジルニウム合金管の厚さの５〜30％に等しい厚さを
   有しかつ前記ジルコニウム合金管の内面に対して冶金的
   に結合されたジルコニウム金属の隔壁層とから構成され
   た細長い複合被覆容器、並びに（ｂ）ウラン化合物、プ
   ルトニウム化合物、トリウム化合物およびそれらの混合
   物から成る群より選ばれた核燃料物質中に前記核燃料物
   質の0.01〜５（重量）％までに相当する量のケイ酸アル
   ミニウム添加剤を分散させたものから成り、かつ前記容
   器との間に間隙を残すようにして前記容器の内部に配置
   されて前記容器を部分的に充填している中心芯材の両者
   を含むことを特徴とする燃料要素。
2. 【請求項２】前記ケイ酸アルミニウム添加剤が粘土であ
   る請求項１記載の燃料要素。
3. 【請求項３】前記ケイ酸アルミニウム添加剤が前記核燃
   料物質の0.05〜1.0（重量）％に相当する量で前記核燃
   料物質中に分散している請求項１記載の燃料要素。
4. 【請求項４】前記隔壁層がスポンジ状ジルコニウムから
   成る請求項１記載の燃料要素。
5. 【請求項５】（ａ）ジルコニウム以外の成分を5000ppm
   より大きい重量比率で含有するジルコニウム合金管と、
   前記ジルコニウム合金管の厚さの１〜30％に等しい厚さ
   を有しかつ前記ジルコニウム合金管の内面に対して冶金
   的に結合されたスポンジ状ジルコニウムの隔壁層とから
   構成された細長い複合被覆容器、並びに（ｂ）ウラン酸
   化物から成る核燃料物質中に前記核燃料物質の0.01〜５
   （重量）％に相当する量のケイ酸アルミニウム添加剤を
   分散させたものから成り、かつ前記容器との間に間隙を
   残すようにして前記容器の内部に配置されて前記容器を
   部分的に充填している中心芯材の両者を含むことを特徴
   とする燃料要素。
6. 【請求項６】前記隔壁層を構成するスポンジ状ジルコニ
   ウムが1000〜5000ppmの範囲内の重量比率でジルコニウ
   ム以外の成分を含有する請求項５記載の燃料要素。
7. 【請求項７】前記ケイ酸アルミニウム添加剤が前記核燃
   料物質の0.1〜1.0（重量）％に相当する量で前記核燃料
   物質中に分散している請求項５記載の燃料要素。
8. 【請求項８】前記ケイ酸アルミニウム添加剤が粘土であ
   る請求項５記載の燃料要素。
9. 【請求項９】前記ケイ酸アルミニウム添加剤がカオリン
   である請求項５記載の燃料要素。
10. 【請求項１０】（ａ）ジルコニウム以外の成分を5000pp
    mより大きい重量比率で含有するジルコニウム合金管
    と、1000〜5000ppmの範囲内の重量比率でジルコニウム
    以外の成分を含有したスポンジ状ジルコニウムから成
    り、前記ジルコニウム合金管の厚さの５〜30％に等しい
    厚さを有し、かつ前記ジルコニウム合金管の内面に対し
    て冶金的に結合された隔壁層とから構成された細長い複
    合被覆容器、並びに（ｂ）二酸化ウランから成る核燃料
    物質中に前記核燃料物質の0.1〜1.0（重量）％に相当す
    る量のケイ酸アルミニウム添加剤を分散させたものから
    成り、かつ前記容器との間に間隙を残すようにして前記
    容器の内部に配置されて前記容器を部分的に充填してい
    る中心芯材の両者を含むことを特徴とする燃料要素。