JP3253989B2 - Fuel assemblies and mixed oxide fuel rods - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は軽水炉に用いられる燃料
集合体に係わり、特に、混合酸化物燃料棒を含む燃料集
合体およびその混合酸化物燃料棒に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel assembly used in a light water reactor, and more particularly to a fuel assembly including a mixed oxide fuel rod and its mixed oxide fuel rod.

【０００２】[0002]

【従来の技術】軽水炉、例えば沸騰水型原子炉用の燃料
集合体は、一般には、ウラン酸化物単独あるいはウラン
酸化物に少量の中性子毒物を混合して焼結した中実のウ
ラン酸化物ペレットを多数個被覆管内に装填して両端を
端栓で密封し、その内部をヘリウムガスで加圧充填した
ウラン酸化物燃料棒で構成されている。一方、近年、プ
ルトニウム酸化物とウラン酸化物との混合物を焼結した
中実の混合酸化物ペレットを多数個被覆管内に装填して
両端を端栓で密封した混合酸化物燃料棒も使用されつつ
ある。2. Description of the Related Art Fuel assemblies for light water reactors, for example, boiling water reactors, are generally solid uranium oxide pellets obtained by sintering uranium oxide alone or by mixing a small amount of neutron poison with uranium oxide. Are loaded in a cladding tube, both ends are sealed with end plugs, and the inside thereof is constituted by a uranium oxide fuel rod filled with helium gas under pressure. On the other hand, in recent years, mixed oxide fuel rods in which a large number of solid mixed oxide pellets obtained by sintering a mixture of plutonium oxide and uranium oxide are loaded in a cladding tube and both ends are sealed with end plugs are being used. is there.

【０００３】ところで、沸騰水型原子炉用のウラン酸化
物燃料棒は、燃焼度を高めた時においても燃料棒内圧が
過度に高くならないようにするため、平成元年７月申請
の「柏崎刈羽原子力発電所原子炉設置変更許可申請書」
に記載のように、製造時のヘリウム圧力を５気圧に高め
る工夫をしている。これは、燃焼度が進むにつれてペレ
ットから燃料棒内の自由空間に放出されるガス状核***
生成物の熱伝導度が小さいため、製造時に熱伝達の良い
ヘリウムガスを充填し、ガス状核***生成物によるペレ
ット−被覆管の熱伝導度の低下を防ぐためである。ペレ
ット−被覆管の熱伝導度の低下が防止されると、ペレッ
ト温度の上昇が抑制でき、ガス状核***生成物の放出が
低く抑えられるため、さらにガス状核***生成物による
ペレット−被覆管の熱伝導度の低下を防ぐことができ
る。熱伝達の良いヘリウムガス量が多いほど、熱伝達の
悪いガス状核***生成物によるペレット−被覆管の熱伝
導度の低下への影響を小さくすることができるので、ペ
レット−被覆管の熱伝導の観点からは、製造時のヘリウ
ムガスの圧力は高いほど好ましい。しかし、製造時のヘ
リウムガスの圧力を高めすぎると、照射末期の燃料棒内
圧におけるガス状核***生成物の寄与分をヘリウムガス
自身の寄与分が上回るため、かえって照射末期の燃料棒
内圧を高くしてしまい、燃料棒健全性の観点から逆効果
になってしまう。従って、製造時のヘリウムガス圧力に
は最適点が存在する。この最適点は、燃料の照射長さ
（燃焼度）に依存しており、最近の高燃焼度８×８燃料
の製造時のヘリウムガス圧力は燃焼度に応じて５気圧が
設定されている。The uranium oxide fuel rods for boiling water reactors have been filed in July 1989 with the title "Kashiwazaki-Kariwa" filed in July 1989 in order to prevent the fuel rod internal pressure from becoming excessively high even when the burnup is increased. Application for Permission to Change Nuclear Power Plant Reactor Installation ''
As described in (1), the helium pressure at the time of manufacture is improved to 5 atm. This is because gaseous fission products released from the pellets into the free space in the fuel rod as the burnup progresses are low in thermal conductivity, so helium gas with good heat transfer is filled during production, and gaseous fission products are filled. This is to prevent a decrease in the thermal conductivity of the pellet-coated tube due to the above. If the decrease in the thermal conductivity of the pellet-cladding tube is prevented, the rise in the pellet temperature can be suppressed, and the release of gaseous fission products can be suppressed. A decrease in conductivity can be prevented. The larger the amount of helium gas with good heat transfer, the smaller the effect of gaseous fission products with poor heat transfer on the decrease in the thermal conductivity of the pellet-cladding tube. From the viewpoint, the higher the pressure of the helium gas during the production, the better. However, if the pressure of the helium gas during production is too high, the contribution of the gaseous fission products to the internal pressure of the fuel rod at the end of irradiation will be higher than that of the helium gas itself. This has the opposite effect from the viewpoint of fuel rod integrity. Therefore, there is an optimum point in the helium gas pressure at the time of manufacture. This optimum point depends on the irradiation length (burnup) of the fuel, and the helium gas pressure at the time of producing a high burnup 8 × 8 fuel recently is set at 5 atm according to the burnup.

【０００４】混合酸化物燃料棒は、ペレット自体の熱伝
導度がウラン酸化物ペレットに比べ小さいため、同一の
条件下で照射した場合にはペレット温度が高くなり、ガ
ス状核***生成物の放出率が高くなる。このため、混合
酸化物を含む軽水炉燃料の燃料棒内圧を低く抑えかつ高
燃焼度まで燃焼させるためには、上記のウラン酸化物燃
料棒での製造時のヘリウムガス圧力の効果を応用し、特
開昭６３−１６８５８６号公報に記載のように、混合酸
化物燃料棒の製造時のヘリウムガス圧力をウラン酸化物
燃料棒の製造時のヘリウムガス圧力より大に設定して、
ガス状核***生成物の寄与を小さくする方策が考案され
ている。[0004] Since the mixed oxide fuel rod has a smaller thermal conductivity than the uranium oxide pellet, the pellet temperature becomes higher when irradiated under the same conditions, and the release rate of gaseous fission products is increased. Will be higher. For this reason, in order to keep the fuel rod internal pressure of the light water reactor fuel containing mixed oxides low and burn it to a high burnup, the effect of the helium gas pressure at the time of manufacturing with the uranium oxide fuel rod described above is applied. As described in Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-168586, the helium gas pressure at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod is set to be larger than the helium gas pressure at the time of manufacturing the uranium oxide fuel rod.
Measures have been devised to reduce the contribution of gaseous fission products.

【０００５】また、従来の混合酸化物燃料棒を含む軽水
炉燃料集合体は、昭和５９年１０月申請の「敦賀発電所
原子炉設置変更許可申請書」に記載のように、２４本の
混合酸化物燃料棒と３８本のウラン酸化物燃料棒、及び
２本のウォータロッドを８×８の正方格子状に配列した
構造となっている。ウラン酸化物燃料棒には中実のウラ
ン酸化物ペレットが装填され、製造時のヘリウム圧力は
３気圧となっている。一方、混合酸化物燃料棒には中心
線に沿って孔の貫通した中空の混合酸化物ペレットが装
填され、製造時のヘリウム圧力は大気圧となっている。
混合酸化物ペレットを中空ペレットとしているのは、温
度が高く、気体状核***生成物の放出量の多いペレット
中心部を取り除くとともに、燃料棒内の自由体積を大き
くして燃焼とともに増大していく燃料棒内圧を低く抑え
るためである。A conventional light water reactor fuel assembly containing mixed oxide fuel rods has a capacity of 24 mixed oxidation fuels as described in the “Application for Permission to Change Tsuruga Power Station Reactor Application” filed in October 1984. The fuel rods, 38 uranium oxide fuel rods, and two water rods are arranged in an 8 × 8 square lattice. The uranium oxide fuel rods are loaded with solid uranium oxide pellets, and the helium pressure during production is 3 atm. On the other hand, the mixed oxide fuel rod is loaded with a hollow mixed oxide pellet having a hole penetrating along the center line, and the helium pressure at the time of production is atmospheric pressure.
Hollow pellets are used for mixed oxide pellets because it removes the center of the pellet, which has a high temperature and releases a large amount of gaseous fission products, and increases the free volume in the fuel rods to increase with combustion. This is for keeping the rod internal pressure low.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
６３−１６８５８６号公報に記載の従来技術は、混合酸
化物燃料棒とウラン酸化物燃料棒との燃焼にともない放
出されるガス状生成物の違いについて配慮がされておら
ず、混合酸化物燃料棒の製造時のヘリウムガス圧力をウ
ラン酸化物燃料棒の製造時のヘリウムガス圧力より高く
設定することが、燃料棒内圧を下げるためには無効であ
るばかりか、むしろ内圧を高めてしまう恐れがあること
が判明した。However, the prior art disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-168586 discloses a method for producing gaseous products released by the combustion of mixed oxide fuel rods and uranium oxide fuel rods. No consideration has been given to the difference, and setting the helium gas pressure during the manufacture of mixed oxide fuel rods higher than the helium gas pressure during the manufacture of uranium oxide fuel rods will lower the fuel rod internal pressure. It was found that this was not only ineffective, but could also increase the internal pressure.

【０００７】即ち、最近の知見によると、混合酸化物燃
料棒では、燃焼にともないペレット−被覆管の熱伝導度
を低下させるキセノン、クリプトン等のガス状核***生
成物とともに相当量のヘリウムが放出されることが分っ
た。このヘリウムは、３重核***、酸素の（ｎ，
α）反応、混合酸化物燃料ペレットの中のプルトニウ
ムが照射中に中性子を吸収して生成したキュリウム−２
４２、キュリウム−２４４等の超ウラン元素のα崩壊に
より生じているものであると考えられ、特に混合酸化物
燃料棒ではウラン酸化物燃料棒と比較して、超ウラン元
素の発生量が多いため、上記のうちの超ウラン元素の
α崩壊によるヘリウムの発生が多いと考えられる。この
ため、混合酸化物燃料棒では、ウラン酸化物燃料棒のよ
うに燃焼が進むとともに、ペレット−被覆管の熱伝導度
が低下することはない。That is, according to recent findings, a considerable amount of helium is released from mixed oxide fuel rods together with gaseous fission products such as xenon and krypton which lower the thermal conductivity of the pellet-cladding tube during combustion. I found out. This helium is triple fission, oxygen (n,
α) Curium-2 produced by the reaction, plutonium in the mixed oxide fuel pellets absorbing neutrons during irradiation
42, curium-244, etc., which are considered to be caused by α decay of transuranium elements. Particularly, mixed oxide fuel rods generate more transuranium elements than uranium oxide fuel rods. It is considered that the generation of helium due to the α decay of the transuranium element among the above is large. Therefore, in the mixed oxide fuel rod, combustion proceeds as in the uranium oxide fuel rod, and the thermal conductivity of the pellet-clad tube does not decrease.

【０００８】従って、特開昭６３−１６８５８６に記載
のように、混合酸化物燃料棒の製造時のヘリウムガス圧
力をウラン酸化物燃料棒の製造時のヘリウムガス圧力よ
り大きく設定することは、燃料棒内圧を下げるためには
無効であるばかりか、むしろ内圧を高めてしまう。Therefore, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-168586, setting the helium gas pressure at the time of manufacturing a mixed oxide fuel rod higher than the helium gas pressure at the time of manufacturing a uranium oxide fuel rod is difficult. Not only is it ineffective for lowering the rod internal pressure, but rather it increases the internal pressure.

【０００９】また、上記従来技術のように混合酸化物燃
料棒の製造時のヘリウムガス圧力を高める場合には、加
圧ヘリウム下での封入溶接が必要であるが、溶接チャン
バ等の圧力境界が何らかの事由で破られた場合に、境界
内部に存在するプルトニウム酸化物粉末がその圧力差に
より大気圧中に飛散し、作業員の被曝の原因となる恐れ
があるため、安全上も好ましくないとともに、このよう
な事象を回避するための措置を装置に施すと、製造コス
トを上昇させて経済上も好ましくないという問題があ
る。When the helium gas pressure at the time of manufacturing a mixed oxide fuel rod is increased as in the above-mentioned prior art, it is necessary to perform encapsulation welding under pressurized helium. If it is broken for any reason, the plutonium oxide powder present inside the boundary may scatter into the atmospheric pressure due to the pressure difference and cause exposure of workers, which is not preferable in terms of safety, If measures are taken for avoiding such an event on the apparatus, there is a problem that the manufacturing cost is increased, which is not economically preferable.

【００１０】また、敦賀発電所で照射された混合酸化物
燃料集合体のように、混合酸化物燃料を中空ペレットに
することにより、燃料棒内の自由空間体積を増加させる
と、燃料棒内の圧力は減って燃料健全性は確保される
が、燃料集合体１体当たりのプルトニウム装荷量が減る
ことになり、燃料サイクルコストが上昇するという問題
がある。また、中空ペレットは製造過程において、混合
酸化物粉末を圧縮成型するダイス／パンチ等の特殊な治
具が必要であるとともに、製造歩留まりが低下して製造
コストを上昇させて経済上も好ましくない。[0010] Further, by increasing the free space volume in the fuel rod by making the mixed oxide fuel into a hollow pellet, as in the mixed oxide fuel assembly irradiated at the Tsuruga power station, Although the pressure is reduced and the fuel integrity is ensured, the plutonium loading per fuel assembly is reduced and the fuel cycle cost is increased. In the production process of the hollow pellet, a special jig such as a die / punch for compression-molding the mixed oxide powder is required, and the production yield is lowered to increase the production cost, which is not economically preferable.

【００１１】本発明の目的は、製造コストの上昇等の経
済上の不都合を生じることなしに、高燃焼度まで燃焼さ
せても燃料棒内圧を過度に上げることなく、燃料健全性
を維持することのできる混合酸化物燃料棒を含む軽水炉
の燃料集合体およびその混合酸化物燃料棒を提供するこ
とである。An object of the present invention is to maintain the fuel integrity without excessively increasing the internal pressure of a fuel rod even when the fuel is burned to a high burnup without causing economical disadvantages such as an increase in manufacturing cost. It is an object of the present invention to provide a light water reactor fuel assembly including the mixed oxide fuel rod and the mixed oxide fuel rod.

【００１２】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、ウラン酸化物単独あるいはウラン酸化物
に少量の中性子毒物を混合して焼結した中実のウラン酸
化物ペレットを多数個被覆管内に装填して両端を端栓で
密封し、その内部の自由空間をヘリウムガスで加圧充填
した少なくとも１本のウラン酸化物燃料棒と、プルトニ
ウム酸化物とウラン酸化物との混合物を焼結した中実の
混合酸化物ペレットを多数個被覆管内に装填して両端を
端栓で密封し、その内部の自由空間にヘリウムガスを充
填した少なくとも１本の混合酸化物燃料棒を配列保持し
ている軽水炉の燃料集合体において、前記混合酸化物燃
料棒の被覆管内の自由空間の大きさを前記ウラン酸化物
燃料棒の被覆管内の自由空間の大きさと実質的に同じと
したまま、前記混合酸化物燃料棒内の製造時のヘリウム
圧力を前記ウラン酸化物燃料棒よりも低くしたものであ
る。In order to achieve the above object, the present invention provides a method for producing a large number of solid uranium oxide pellets obtained by sintering a mixture of uranium oxide alone or uranium oxide with a small amount of a neutron poison. At least one uranium oxide fuel rod and a mixture of plutonium oxide and uranium oxide are filled in a cladding tube, both ends are sealed with end plugs, and the free space inside is filled with helium gas under pressure. A large number of solid mixed oxide pellets were loaded into a cladding tube, both ends were sealed with end plugs, and at least one mixed oxide fuel rod filled with helium gas in a free space therein was arranged and held. In a fuel assembly of a light water reactor, the mixed oxide fuel
The size of the free space in the cladding tube
The size of the free space in the cladding of the fuel rod is substantially the same
While the one in which the helium pressure during preparation of the mixed oxide fuel in the rods were lower than the uranium oxide fuel rods.

【００１３】また、上記目的を達成するため、本発明
は、プルトニウム酸化物とウラン酸化物との混合物を焼
結した中実の混合酸化物ペレットを多数個被覆管内に装
填して両端を端栓で密封し、その内部にヘリウムガスを
充填した混合酸化物燃料棒において、製造時のヘリウム
圧力を０．１気圧以上大気圧未満としたものである。Further, in order to achieve the above object, the present invention provides a method of loading a large number of solid mixed oxide pellets obtained by sintering a mixture of plutonium oxide and uranium oxide into a cladding tube and plugging both ends thereof. In a mixed oxide fuel rod filled with helium gas therein, the helium pressure at the time of production is set to 0.1 atm or more and less than atmospheric pressure.

【００１４】[0014]

【作用】ガス状核***生成物のペレットからの放出量は
ペレットの温度が高いほど、また燃焼度が高いほど大き
くなることが知られている。従って、一定の燃焼度まで
燃焼させた場合、燃焼末期での燃料棒内圧を低く抑える
ためには、燃焼中のペレット温度をできるだけ低く保つ
必要がある。ペレット温度は、概略以下のようにして求
まる。It is known that the amount of gaseous fission products released from pellets increases as the temperature of the pellets increases and as the burnup increases. Therefore, when the fuel is burned to a certain burnup, it is necessary to keep the pellet temperature as low as possible in order to keep the fuel rod internal pressure at the end of combustion low. The pellet temperature is roughly determined as follows.

【００１５】[0015]

【数１】 Ｔｐｓ＝Ｔｃｉ＋ｑｃｏ（Ｄｃｏ／Ｄｃｉ）／Ｈｇ ここで、Ｔｐｓ＝ペレット表面温度 Ｔｃｉ＝被覆管表面温度 ｑｃｏ＝被覆管外面熱流束 Ｄｃｏ＝被覆管外径 Ｄｃｉ＝被覆管内径 Ｈｇ＝ギャップ熱伝達係数 ギャップ熱伝達係数Ｈｇは次の三成分からなる。Tps = Tci + qco (Dco / Dci) / Hg where Tps = pellet surface temperature Tci = cladding tube surface temperature qco = cladding tube outer surface heat flux Dco = cladding tube outer diameter Dci = cladding tube inner diameter Hg = gap heat Transfer coefficient The gap heat transfer coefficient Hg is composed of the following three components.

【００１６】[0016]

【数２】Ｈｇ＝ｈｓ＋ｈｇ＋ｈｒ ここで、ｈｓ＝固体接触による熱伝達係数 ｈｇ＝ガスによる熱伝達係数 ｈｒ＝輻射による熱伝達係数 このうち、固体接触による熱伝達係数ｈｓは、ペレット
と被覆管が接触していない場合は０であるが、接触した
場合は次式となる。Hg = hs + hg + hr where hs = heat transfer coefficient due to solid contact hg = heat transfer coefficient due to gas hr = heat transfer coefficient due to radiation Among these, the heat transfer coefficient hs due to solid contact is the contact between the pellet and the cladding tube. If it is not, the value is 0, but if it is touched, the following equation is obtained.

【００１７】[0017]

【数３】ｈｓ＝Ｋｍ×ｆｇ ここで、Ｋｍ＝ペレットと被覆管の平均熱伝導度 ｆｇ＝接触圧、被覆管硬さ、被覆管表面粗さ、ペレット
表面粗さの関数 また、ガスによる熱伝達係数ｈｇは次式となる。Hs = Km × fg where Km = average thermal conductivity of pellet and cladding tube fg = function of contact pressure, cladding tube hardness, cladding tube surface roughness, pellet surface roughness The transfer coefficient hg is given by the following equation.

【００１８】[0018]

【数４】ｈｇ＝Ｋｇｍ×ｇ×Ｇ ここで、Ｋｇｍ＝ガスの熱伝導度 ｇ＝接触圧、被覆管表面粗さ、ペレット表面粗さの関数 Ｇ＝ペレット−被覆管ギャップが小さくなると大となる
関数 このうち、ガス熱伝導度Ｋｇｍは、次のように表せる。Hg = Kgm × g × G where Kgm = thermal conductivity of gas g = function of contact pressure, cladding surface roughness, pellet surface roughness G = larger when the pellet-cladding tube gap is smaller The gas thermal conductivity Kgm can be expressed as follows.

【００１９】[0019]

【数５】 (Equation 5)

【００２０】ここで、Ｘｉ ＝核種ｉのモル分率 Ｍｉ ＝核種ｉの分子量 ｆｉ（Ｔｇ）＝核種ｉに依存するギャップ温度Ｔｇの関
数で、ｆヘリウム、ｆキセノン、ｆクリプトンより２桁
大きい 輻射によるねつ伝達係数ｈｒは、他の２項に比べ無視で
きる。Here, Xi = molar fraction of nuclide i Mi = molecular weight of nuclide i fi (Tg) = gap temperature Tg depending on nuclide i, which is two orders of magnitude larger than f helium, f xenon and f krypton. Is negligible compared to the other two terms.

【００２１】ペレット系方向温度分布は、次の方程式を
解いて得られる。The temperature distribution in the pellet system direction can be obtained by solving the following equation.

【００２２】[0022]

【数６】 (Equation 6)

【００２３】 ここで、Ｔ（ｒ）＝半径ｒ位置でのペレット温度 ｒｐｓ＝ペレット半径 ｑ（ｒ）＝半径ｒ位置での発熱量 これらの式より、発熱量が一定で、径方向寸法が同一の
とき、ペレット温度を下げるにはギャップ熱伝達係数Ｈ
ｇ，特にガスによる熱伝達係数ｈｇを下げることが有効
であることがわかる。ガスによる熱伝達係数ｈｇは、数
４および数５より明らかなように、ペレット−被覆管ギ
ャップに存在するガス組成に依存し、ヘリウムが大きな
値となる。Here, T (r) = pellet temperature at radius r position rps = pellet radius q (r) = heat value at radius r position From these equations, the heat value is constant and the radial dimension is the same. In order to lower the pellet temperature, the gap heat transfer coefficient H
It can be seen that it is effective to reduce the heat transfer coefficient hg due to the gas, especially the gas. As is clear from Equations 4 and 5, the heat transfer coefficient hg due to the gas depends on the gas composition existing in the gap between the pellet and the cladding tube, and helium has a large value.

【００２４】本発明の燃料集合体においては、ウラン酸
化物燃料棒については、ペレット−被覆管ギャップにあ
らかじめ多量のヘリウムガスを加圧充填しておくことに
より、上記のヘリウムガスの作用から、燃焼に伴ってペ
レットから放出されるキセノン、クリプトンといったガ
ス状核***生成物によるギャップ熱伝達係数の低下を小
さく抑えることができる。ただし、ヘリウムガス加圧量
が過度であると、製造時のヘリウムガス自体の燃料棒内
圧への寄与が大きくなりすぎるため、最終的に寿命末期
の燃料棒内圧を高めてしまうこととなる。従って、製造
時のヘリウムガス充填圧力には燃料の到達燃焼度に依存
した最適値が存在し、本発明ではヘリウムガスの充填圧
力はその最適値に選択される。In the fuel assembly of the present invention, the uranium oxide fuel rods are filled with a large amount of helium gas in advance in the gap between the pellet and cladding tube under pressure, so that the helium gas is used for combustion. As a result, a decrease in the gap heat transfer coefficient due to gaseous fission products such as xenon and krypton released from the pellets can be suppressed. However, if the helium gas pressurization amount is excessive, the contribution of the helium gas itself to the fuel rod internal pressure at the time of manufacture becomes too large, and eventually the fuel rod internal pressure at the end of life will be increased. Therefore, the helium gas filling pressure at the time of manufacture has an optimum value depending on the ultimate burnup of the fuel, and the helium gas filling pressure is selected to be the optimum value in the present invention.

【００２５】これに対し、混合酸化物燃料棒について
は、燃料に伴い、ペレットからキセノン、クリプトンが
放出されると同時に、相当量のヘリウムが放出されるこ
とは前述した通りであり、この自身が生成するヘリウム
ガスの作用でギャップ熱伝導係数の低下は最小限に押さ
えられる。従って、混合酸化物燃料棒の製造時のヘリウ
ムガスの加圧は、ウラン酸化物燃料棒におけるようなギ
ャップ熱伝達係数の低下を小さく抑える効果は小さく、
むしろ、最終的に寿命末期の燃料棒内圧を高めてしまう
こととなる。一方、混合酸化物燃料棒といえども燃焼初
期にはヘリウムガスの発生は少ないので、ヘリウムガス
加圧量が過度に小さい場合は、ペレット温度が高くなり
過ぎて、ペレットの熱膨張が過大になるといった不都合
が生じてくる。本発明においては、混合酸化物燃料棒内
の製造時のヘリウム圧力をウラン酸化物燃料棒よりも低
くすることにより、燃焼初期にはその充填ヘリウムガス
によりギャップ間熱伝導係数を改善してペレットの過大
の熱膨張を防止し、発生ヘリウムガスが多くなるとその
ヘリウムガスの作用でガス状核***生成物によるギャッ
プ熱伝導係数の低下を最小限に押さえ、寿命末期でも燃
料棒内圧は過度に大きくなることはなく、燃料健全性は
維持される。On the other hand, as for mixed oxide fuel rods, as described above, a considerable amount of helium is released at the same time as xenon and krypton are released from the pellets along with the fuel. The decrease in the gap thermal conductivity is minimized by the action of the generated helium gas. Therefore, pressurization of helium gas during the production of mixed oxide fuel rods has a small effect of suppressing a decrease in the gap heat transfer coefficient as in uranium oxide fuel rods,
Rather, the internal pressure of the fuel rod at the end of life is eventually increased. On the other hand, even in the mixed oxide fuel rod, the generation of helium gas is small in the early stage of combustion, so if the helium gas pressurization amount is too small, the pellet temperature becomes too high and the thermal expansion of the pellet becomes excessive. Such inconveniences arise. In the present invention, the helium pressure during preparation of the mixed oxide fuel in the rods is set lower than that of uranium oxide fuel rods, the initial combustion to improve the gap Manetsu transfer coefficient by its filling helium gas pellets Excessive thermal expansion is prevented, and when the generated helium gas increases, the effect of the helium gas minimizes the decrease in the gap thermal conductivity due to gaseous fission products, and the internal pressure of the fuel rod becomes excessively large even at the end of life. No fuel integrity is maintained.

【００２６】混合酸化物燃料棒の製造時のヘリウム圧力
は０．１気圧以上大気圧未満とすることが好ましい。こ
れは、本願発明者等の検討結果によるもので、製造時の
ヘリウム圧力を大気圧未満とすることにより、取出時の
燃料棒内圧を最小とすることができ、製造時のヘリウム
圧力を０．１気圧以上とすることにより、寿命初期の燃
料ペレットの温度上昇を小さく抑制することができる。The helium pressure at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod is preferably 0.1 atm or more and less than atmospheric pressure. This is based on the study results of the inventors of the present application. By setting the helium pressure at the time of manufacture to be lower than the atmospheric pressure, the internal pressure of the fuel rod at the time of removal can be minimized, and the helium pressure at the time of manufacture is reduced to 0.1. By setting the pressure to 1 atm or more, the temperature rise of the fuel pellets at the beginning of the life can be suppressed to a small level.

【００２７】また、本発明では中実の混合酸化物ペレッ
トを装填し、かつ混合酸化物燃料棒の被覆管内の自由空
間の大きさをウラン酸化物燃料棒の被覆管内の自由空間
の大きさと実質的に同じとするので、燃料集合体内の核
***性物質量が低減することはない。更に、混合酸化物
燃料棒の密封溶接は大気圧より低い圧力下で実施できる
ため、万が一溶接設備の圧力環境が破れた場合でも、プ
ルトニウム酸化物粉末が大気中に飛散することがないた
め、製造時の安全性も確保される。Also, in the present invention, solid mixed oxide pellets are loaded , and free air in the cladding tube of the mixed oxide fuel rod is filled.
Free space in the cladding of uranium oxide fuel rods between sizes
Is substantially the same as the size of the fissile material in the fuel assembly. Furthermore, since the sealed welding of the mixed oxide fuel rods can be performed under a pressure lower than the atmospheric pressure, even if the pressure environment of the welding equipment is broken, the plutonium oxide powder does not scatter in the atmosphere. Time security is also ensured.

【００２８】[0028]

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４により
説明する。図１において、本実施例の燃料集合体１は、
混合酸化物燃料棒２とウラン酸化物燃料棒３およびウォ
ータロッド４を８×８正方格子状に束ねられ、その周囲
をチャンネルボックス５で囲まれて構成されている。混
合酸化物燃料棒２は、図２に示すように、被覆管６の中
に中実の混合酸化物ペレット７を多数個装填して上部を
スプリング８で押さえた状態で上下端を端栓９，１０で
溶接密封している。混合酸化物ペレット７は、ウラン酸
化物の粉末とプルトニウム酸化物の粉末と少量の添加物
とを混合して圧縮成型、焼結したものである。混合酸化
物ペレット７と被覆管６の間のギャップ幅は、製造時に
約０．２〜０．２５ｍｍであり、混合酸化物燃料棒２の
中の自由空間には、製造時の室温で約０．９気圧のヘリ
ウムガス１１が充填されている。このヘリウムガス１１
の充填は次のようにして行われる。下端に既に下部端栓
１０が溶接され、中実の混合酸化物ペレット７が装填さ
れた被覆管６と上部端栓とを溶接して密封する際、被覆
管内の空気あるいはその他のガスは、ヘリウムガス１１
に置換され、溶接は約０．９気圧のヘリウムガス１１雰
囲気である溶接チャンバ内で行われる。その結果、混合
酸化物燃料棒２の中の自由空間には、室温で約０．９気
圧のヘリウムガスが充填されることになる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. In FIG. 1, the fuel assembly 1 of the present embodiment is
The mixed oxide fuel rod 2, the uranium oxide fuel rod 3, and the water rod 4 are bundled in an 8 × 8 square lattice, and the periphery thereof is surrounded by a channel box 5. As shown in FIG. 2, the mixed oxide fuel rod 2 is loaded with a large number of solid mixed oxide pellets 7 in a cladding tube 6, and the upper and lower ends thereof are end plugs 9 while the upper portion is pressed by a spring 8. , 10 are sealed by welding. The mixed oxide pellets 7 are obtained by mixing uranium oxide powder, plutonium oxide powder, and a small amount of additives, compression molding and sintering. The gap width between the mixed oxide pellet 7 and the cladding tube 6 is about 0.2 to 0.25 mm at the time of manufacture, and the free space in the mixed oxide fuel rod 2 has about 0 at room temperature at the time of manufacture. Helium gas 11 at a pressure of 0.9 atm is filled. This helium gas 11
Is performed as follows. When the lower end plug 10 is already welded to the lower end and the cladding tube 6 loaded with the solid mixed oxide pellet 7 and the upper end plug are sealed by welding, air or other gas in the cladding tube is helium. Gas 11
The welding is performed in a welding chamber which is an atmosphere of helium gas 11 at about 0.9 atm. As a result, the free space in the mixed oxide fuel rod 2 is filled with helium gas of about 0.9 atm at room temperature.

【００２９】ウラン酸化物燃料棒３は、混合酸化物燃料
棒２と同一の径方向寸法で、同材質の被覆管６の中に、
混合酸化物ペレット７とほぼ同一寸法のウラン酸化物ペ
レット１２を多数個装填して上部をスプリング８で押さ
えた状態で上下端を端栓９，１０でほ溶接密封してい
る。ウラン酸化物ペレット１２は、ウラン酸化物と粉末
と少量の添加物とを混合して圧縮成型、焼結したもので
ある。ウラン酸化物燃料棒３の自由空間には、製造時に
室温で約５気圧のヘリウムガス１１が充填されている。The uranium oxide fuel rod 3 has the same radial dimensions as the mixed oxide fuel rod 2 and is formed in a cladding tube 6 of the same material.
A large number of uranium oxide pellets 12 having substantially the same dimensions as the mixed oxide pellets 7 are loaded, and the upper and lower ends are welded and sealed with end plugs 9 and 10 while the upper part is pressed by a spring 8. The uranium oxide pellets 12 are obtained by mixing uranium oxide, powder, and a small amount of additives, compression molding, and sintering. The free space of the uranium oxide fuel rod 3 is filled with a helium gas 11 at room temperature at about 5 atm during manufacture.

【００３０】本実施例の混合酸化物燃料棒２およびウラ
ン酸化物燃料棒３の製造時のヘリウムガス１１の充填圧
力は、以下のように設定される。混合酸化物燃料棒２お
よびウラン酸化物燃料棒３の製造時のヘリウムガス１１
の充填圧力をパラメータとして、燃料集合体を燃焼度５
０ＧＷｄ／ｔまで燃焼させた場合の各々の取出し時の燃
料棒内圧相対値を、図３に示す。ウラン酸化物燃料棒３
では製造時のヘリウムガス１１の充填圧力が５気圧のと
き、取出し時の燃料棒内圧が最小となっている。一方、
混合酸化物燃料棒２では、取出し時の燃料棒内圧が最小
となるのは製造時のヘリウムガス１１の充填圧力が大気
圧以下であり、また、大気圧以下の場合はその値によら
ずあまり差がない。The filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod 2 and the uranium oxide fuel rod 3 of this embodiment is set as follows. Helium gas 11 during production of mixed oxide fuel rod 2 and uranium oxide fuel rod 3
The fuel assembly is burned up to a burnup of 5
FIG. 3 shows the relative values of the fuel rod internal pressure at the time of taking out each fuel when the fuel is burned to 0 GWd / t. Uranium oxide fuel rod 3
When the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacture is 5 atm, the internal pressure of the fuel rod at the time of removal is at a minimum. on the other hand,
In the mixed oxide fuel rod 2, the internal pressure of the fuel rod at the time of removal is minimized when the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacture is equal to or lower than the atmospheric pressure. There is no difference.

【００３１】また、混合酸化物燃料棒２の製造時のヘリ
ウムガスの充填圧力をパラメータとした同一出力の場合
の寿命初期の燃料ペレット温度を、図４に示す。これに
よると、ヘリウムガスの充填圧力が０．１気圧付近を境
としてこれよりも小さくなると燃料ペレット温度の上昇
が大きくなることが分る。即ち、ヘリウム充填圧力は
０．１気圧以上大気圧未満とすることが好ましい。FIG. 4 shows the fuel pellet temperature at the beginning of the life when the output is the same with the helium gas filling pressure as a parameter during the manufacture of the mixed oxide fuel rod 2. According to this, when the filling pressure of the helium gas becomes lower than around 0.1 atm, the temperature of the fuel pellet increases more. That is, the helium filling pressure is preferably set to 0.1 atm or more and less than the atmospheric pressure.

【００３２】以上より、本実施例では、燃料集合体の到
達最高燃焼度を５０ＧＷｄ／ｔとした場合には、ウラン
酸化物燃料棒３の製造時のヘリウムガス１１の充填圧力
は５気圧を選定し、混合酸化物燃料棒２の製造時のヘリ
ウムガス１１の充填圧力は、０．１気圧以上大気圧未満
である約０．９気圧を選定している。As described above, in this embodiment, when the ultimate burnup of the fuel assembly is set to 50 GWd / t, the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the uranium oxide fuel rod 3 is selected to be 5 atm. The filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod 2 is selected to be about 0.9 atm, which is not less than 0.1 atm and less than the atmospheric pressure.

【００３３】上記のように、本実施例では、ウラン酸化
物燃料棒３および混合酸化物燃料棒２の各々に適切な製
造時のヘリウムガス１１の充填圧力を設定しているた
め、燃料集合体１を燃焼度５０ＧＷｄ／ｔまで燃焼させ
た場合においても、燃料棒内のガス圧力は過度に大きく
なることはなく、また燃焼初期にもペレットの熱膨張が
過大になることもなく、燃料健全性は維持される。ま
た、中実の混合酸化物ペレット７を装填し、かつ混合酸
化物燃料棒２の被覆管６内の自由空間の大きさをウラン
酸化物燃料棒３の被覆管６内の自由空間の大きさと実質
的に同じとしているため燃料集合体１内の核***性物質
量が低減することはない。更に、混合酸化物燃料棒２の
密封溶接は大気圧より低い約０．９気圧で負圧管理され
たチャンバ内で実施されるため、万が一溶接設備の圧力
境界が破れた場合でもプルトニウム酸化物粉末が大気中
に飛散することがないため、製造時の安全性も確保され
る。As described above, in this embodiment, the uranium oxide fuel rods 3 and the mixed oxide fuel rods 2 are each set at an appropriate filling pressure of the helium gas 11 at the time of production. 1 was burned to a burnup of 50 GWd / t, the gas pressure in the fuel rods did not become excessively large, and the thermal expansion of the pellets did not become excessively large even at the initial stage of combustion. Is maintained. In addition, a solid mixed oxide pellet 7 is charged and mixed
The size of the free space in the cladding tube 6 of the
Size and substance of free space in cladding tube 6 of oxide fuel rod 3
Fissile content of the fuel assembly 1 will not be reduced for that the same city. Furthermore, since the sealed welding of the mixed oxide fuel rod 2 is performed in a chamber controlled at a negative pressure at about 0.9 atm lower than the atmospheric pressure, even if the pressure boundary of the welding equipment is broken, the plutonium oxide powder is Is not scattered into the atmosphere, so safety during manufacturing is also ensured.

【００３４】本発明の第２の実施例を図５〜図７により
説明する。図５において、本実施例の燃料集合体１Ａ
は、混合酸化物燃料棒２とウラン酸化物燃料棒３Ａおよ
びウォータロッド４を８×８正方格子状に束ねられ、そ
の周囲をチャンネルボックス５で囲まれて構成されてい
る。混合酸化物燃料棒２は図６に示すように、第１の実
施例と同じ構造をしている。ウラン酸化物燃料棒３Ａ
は、混合酸化物燃料棒２と同一の径方向寸法で、同材質
の被覆管６の中に、混合酸化物ペレット７とほぼ同一寸
法のウラン酸化物ペレット１２を多数個装填して上部を
スプリング８で押さえた状態で上下端を端栓９，１０で
ほ溶接密封している。ウラン酸化物燃料棒３の自由空間
には、製造時に室温で約１０気圧のヘリウムガス１１が
充填されている。A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In FIG. 5, the fuel assembly 1A of the present embodiment
Is composed of a mixed oxide fuel rod 2, a uranium oxide fuel rod 3A, and a water rod 4 bundled in an 8 × 8 square lattice, and the periphery thereof is surrounded by a channel box 5. As shown in FIG. 6, the mixed oxide fuel rod 2 has the same structure as that of the first embodiment. Uranium oxide fuel rod 3A
Are loaded with a number of uranium oxide pellets 12 having substantially the same dimensions as the mixed oxide pellets 7 in a cladding tube 6 of the same diameter as the mixed oxide fuel rods 2 and of the same material, and a spring at the top. The upper and lower ends are welded and sealed with end plugs 9 and 10 in a state of being held down by 8. The free space of the uranium oxide fuel rod 3 is filled with a helium gas 11 at room temperature and about 10 atm during manufacturing.

【００３５】第２の実施例の混合酸化物燃料棒２および
ウラン酸化物燃料棒３Ａの製造時のヘリウムガス１１の
充填圧力は、以下のように設定されている。The filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod 2 and the uranium oxide fuel rod 3A of the second embodiment is set as follows.

【００３６】混合酸化物燃料棒２およびウラン酸化物燃
料棒３Ａの製造時のヘリウムガス１１の充填圧力をパラ
メタとして、集合体を燃焼度６０ＧＷｄ／ｔまで燃焼さ
せた場合の各々の取出し時の燃料棒内圧を、図７に示
す。ウラン酸化物燃料棒３Ａでは製造時のヘリウムガス
充填圧力が１０気圧のとき、取出し時の燃料棒内圧が最
小となっている。一方、混合酸化物燃料棒２では、第１
の実施例と同様、取出し時の燃料棒内圧が最小となるの
は製造時のヘリウムガス１１の充填圧力が大気圧以下で
あり、また、大気圧以下の場合はその値によらずあまり
差がない。したがって、集合体の到達最高燃焼度を６０
ＧＷｄ／ｔとした場合には、ウラン酸化物燃料棒３Ａの
製造時のヘリウムガス１１の充填圧力は１０気圧を選定
し、混合酸化物燃料棒２のヘリウムガス１１の充填圧力
は第１の実施例と同様、約０．９気圧を選定している。Using the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod 2 and the uranium oxide fuel rod 3A as a parameter, the fuel at the time of taking out each fuel when the assembly is burned to a burnup of 60 GWd / t FIG. 7 shows the rod internal pressure. In the uranium oxide fuel rod 3A, when the helium gas filling pressure at the time of manufacture is 10 atm, the fuel rod internal pressure at the time of removal is at a minimum. On the other hand, in the mixed oxide fuel rod 2, the first
As in the embodiment, the pressure inside the fuel rod at the time of removal is minimized when the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacture is equal to or lower than the atmospheric pressure, and when the pressure is equal to or lower than the atmospheric pressure, there is little difference regardless of the value. Absent. Therefore, the ultimate burnup of the aggregate is 60
In the case of GWd / t, the filling pressure of the helium gas 11 at the time of manufacturing the uranium oxide fuel rod 3A is set at 10 atm, and the filling pressure of the helium gas 11 of the mixed oxide fuel rod 2 is set at the first embodiment. As in the example, about 0.9 atm was selected.

【００３７】本実施例によっても、第１の実施例と同様
に、製造コストの上昇等の経済上の不都合を生じること
なしに、高燃焼度まで燃焼させても燃料棒内圧を過度に
上げることなく、燃料健全性を維持することができる。According to this embodiment, similarly to the first embodiment, the internal pressure of the fuel rod is excessively increased even if the fuel rod is burned to a high burnup without causing economical disadvantages such as an increase in manufacturing cost. Therefore, fuel integrity can be maintained.

【００３８】[0038]

【発明の効果】本発明によれば、経済上の不都合を生じ
ることなしに、高燃焼度まで燃焼させても燃料棒内圧を
過度に上げることなく、燃料健全性を維持することがで
きる混合酸化物燃料棒を含む軽水炉の燃料集合体および
その混合酸化物燃料棒を提供することができる。According to the present invention, it is possible to maintain the fuel integrity without excessively increasing the internal pressure of the fuel rod even if the fuel is burned to a high burnup without causing any economical inconvenience. It is possible to provide a light water reactor fuel assembly including a fuel rod and a mixed oxide fuel rod thereof.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の第１の実施例による燃料集合体の横断
面図である。FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel assembly according to a first embodiment of the present invention.

【図２】図１に示す燃料集合体を構成する燃料棒の縦断
面図である。FIG. 2 is a vertical sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly shown in FIG.

【図３】本発明の第１の実施例の効果を示す、製造時の
ヘリウムガス充填圧力と寿命末期の燃料棒内圧との関係
を示す図である。FIG. 3 is a graph showing the effect of the first embodiment of the present invention, showing the relationship between the helium gas filling pressure during manufacture and the fuel rod internal pressure at the end of life.

【図４】本発明の第１の実施例の効果を示す、製造時の
ヘリウムガス充填圧力と燃焼初期の燃料ペレット温度の
関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the effect of the first embodiment of the present invention, showing the relationship between the helium gas filling pressure during production and the fuel pellet temperature at the beginning of combustion.

【図５】本発明の第２の実施例による燃料集合体の横断
面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of a fuel assembly according to a second embodiment of the present invention.

【図６】図５に示す燃料集合体を構成する燃料棒の縦断
面図である。FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a fuel rod constituting the fuel assembly shown in FIG.

【図７】本発明の第２の実施例の効果を示す、製造時の
ヘリウムガス充填圧力と寿命末期の燃料棒内圧との関係
を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the effect of the second embodiment of the present invention, showing the relationship between the helium gas filling pressure during manufacture and the fuel rod internal pressure at the end of life.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 燃料集合体 ２ 混合酸化物燃料棒 ３ ウラン酸化物燃料棒 ４ ウォータロッド ６ 被覆管 ７ 混合酸化物ペレット １１ ヘリウムガス １２ ウラン酸化物ペレット Reference Signs List 1 fuel assembly 2 mixed oxide fuel rod 3 uranium oxide fuel rod 4 water rod 6 cladding tube 7 mixed oxide pellet 11 helium gas 12 uranium oxide pellet

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】ウラン酸化物単独あるいはウラン酸化物に
少量の中性子毒物を混合して焼結した中実のウラン酸化
物ペレットを多数個被覆管内に装填して両端を端栓で密
封し、その内部の自由空間をヘリウムガスで加圧充填し
た少なくとも１本のウラン酸化物燃料棒と、プルトニウ
ム酸化物とウラン酸化物との混合物を焼結した中実の混
合酸化物ペレットを多数個被覆管内に装填して両端を端
栓で密封し、その内部の自由空間にヘリウムガスを充填
した少なくとも１本の混合酸化物燃料棒を配列保持して
いる軽水炉の燃料集合体において、前記混合酸化物燃料
棒の被覆管内の自由空間の大きさを前記ウラン酸化物燃
料棒の被覆管内の自由空間の大きさと実質的に同じとし
たまま、前記混合酸化物燃料棒内の製造時のヘリウム圧
力を前記ウラン酸化物燃料棒よりも低くしたことを特徴
とする燃料集合体。1. A large number of solid uranium oxide pellets obtained by sintering uranium oxide alone or by mixing a small amount of neutron poison with uranium oxide are charged into a cladding tube, and both ends are sealed with end plugs. At least one uranium oxide fuel rod whose internal free space is pressurized and filled with helium gas, and a large number of solid mixed oxide pellets obtained by sintering a mixture of plutonium oxide and uranium oxide are placed in a cladding tube. The fuel assembly of a light water reactor, which is loaded and sealed at both ends with end plugs, and has at least one mixed oxide fuel rod filled with helium in a free space therein , wherein the mixed oxide fuel is
The size of the free space in the cladding of the rod is
The size of the free space in the cladding tube
A fuel assembly wherein the helium pressure during manufacture in the mixed oxide fuel rod is lower than that of the uranium oxide fuel rod. 【請求項２】請求項１記載の燃料集合体において、前記
混合酸化物燃料棒の製造時のヘリウム圧力が０．１気圧
以上大気圧未満であることを特徴とする燃料集合体。2. The fuel assembly according to claim 1, wherein the helium pressure at the time of manufacturing the mixed oxide fuel rod is 0.1 atm or more and less than atmospheric pressure. 【請求項３】プルトニウム酸化物とウラン酸化物との混
合物を焼結した中実の混合酸化物ペレットを多数個被覆
管内に装填して両端を端栓で密封し、その内部にヘリウ
ムガスを充填した混合酸化物燃料棒において、製造時の
ヘリウム圧力を０．１気圧以上大気圧未満としたことを
特徴とする混合酸化物燃料棒。3. A large number of solid mixed oxide pellets obtained by sintering a mixture of plutonium oxide and uranium oxide are loaded into a cladding tube, both ends are sealed with end plugs, and the inside is filled with helium gas. The mixed oxide fuel rod according to claim 1, wherein the helium pressure at the time of manufacture is 0.1 atm or more and less than atmospheric pressure.