JPS5866093A - Nuclear fuel element - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
発明の背景
本発明は核***原子炉の炉心に使用する核燃料要素の改
善に関し、そして、内面に保護障壁被覆が設けられた、
被覆さやよりなる複合容器を備えているような核燃料要
素に適用される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to improvements in nuclear fuel elements for use in the cores of nuclear fission reactors, and which are provided with protective barrier coatings on their internal surfaces.
Applicable to nuclear fuel elements having a composite vessel consisting of a coated sheath.
複合容器を備えている核燃料要素、そして本発明が特に
関連している複合容器を備えている核燃料要素は、本願
と同じ≦会受入に譲渡されている米国特許第４．２００
．４９２号および１９７９年２ ｆｌ ２３日に出願さ
れた米国出願番号１４．３４８に開示されている。Nuclear fuel elements with composite vessels, and the nuclear fuel elements with composite vessels with which this invention is particularly related, are disclosed in U.S. Pat.
．． No. 492 and US Application No. 14.348, filed 2 fl. 23, 1979.
１２米国特許第４．２００．４９２号の開示、および、
その中で引用されている刊行物は、すべて参考文献とし
て水用ＩＩ書に組入れられるものとする。No. 12 U.S. Pat. No. 4,200,492, and
All publications cited therein are hereby incorporated by reference into Water II.
通常核燃料の被覆と称されている。核燃料容器の内面上
に結合されている障壁層、すなわち、被膜は、応力腐食
亀裂、あるいは、液体金属脆性として知られているある
有害な現傘から金属容器を保護するために設けられてい
る。そのような破壊的作用の発生は装置の損傷をもたら
す。この現象の原因は、一般に、原子炉の運転中におい
て、核燃料物質と、金属容器と、そして核***生成物間
で発生する、機械的および化学内相ｎ作用の組合わせに
帰せられている。たとえば、核燃料物質からの中性子お
よび核***生成物が放射され、そして容器の金属と相互
作用を起し、一方、核燃料の本体の熱膨張により、容器
に物理的力が加えられる。このような原因に基く、核燃
料要素の損傷は、１′：：ｌｌ
米ｌ特許第４．０５７．４６６号、および令弟４゜０４
５．２８８号、又、その外、当該技術において記されて
いる。It is commonly referred to as a nuclear fuel cladding. A barrier layer, or coating, bonded onto the interior surface of a nuclear fuel container is provided to protect the metal container from stress corrosion cracking, or a certain detrimental phenomenon known as liquid metal embrittlement. The occurrence of such destructive effects results in damage to the device. The cause of this phenomenon is generally attributed to a combination of mechanical and chemical internal interactions that occur between the nuclear fuel material, the metal vessel, and the fission products during nuclear reactor operation. For example, neutrons and fission products from nuclear fuel material are emitted and interact with the metal of the container, while thermal expansion of the body of nuclear fuel exerts physical forces on the container. Damage to nuclear fuel elements based on such causes is described in 1'::ll U.S. Pat.
No. 5.288 and elsewhere in the art.
ジルコニウム合金核燃料容器、たとえば、よく知られて
いる市販で得られるジルカロイ組成（米国特許第２．７
７２．９６４号参照）で形成されている容器の応力腐食
亀裂および他の破壊的現象は、容器の内面上に、少くと
も中程度に純粋なジルコニウム金属の障壁を設けること
により、有効に制御され、あるいは、克服されることが
発見された。核燃料容器に対する、このジルコニウム金
属障壁の使用は、ト記した米国特許第４，２００゜４９
２号および米国特許出願番号１４．３４８に記載されて
いる。Zirconium alloy nuclear fuel vessels, such as the well-known commercially available Zircaloy composition (U.S. Pat. No. 2.7
Stress-corrosion cracking and other destructive phenomena in containers, such as those formed in 72.964, can be effectively controlled by providing a barrier of at least moderately pure zirconium metal on the interior surface of the container. , or was discovered to be overcome. The use of this zirconium metal barrier for nuclear fuel containers is described in U.S. Pat.
No. 2 and U.S. Patent Application No. 14.348.
発電用原子炉に使用するための代表的核燃料要素は、容
器、すなわら、被覆さやの一部分にのみ核***燃料物質
を有しており、かくして、該容器の中には如何なる核燃
料も存在していない空の領域が残存する。こうして設け
られた空の領域は、ガス核***生成物、水蒸気、および
、その他の揮発／１物質の蓄積および保持のための、核
燃料容器内にお（）るブレナムあるいは、空の空間を構
成、する。A typical nuclear fuel element for use in a power reactor has fission fuel material in only a portion of the vessel, ie, the cladding, so that no nuclear fuel is present within the vessel. No empty area remains. The empty area thus created constitutes a blemish or empty space within the nuclear fuel vessel for the accumulation and retention of gaseous fission products, water vapor, and other volatile materials. .
この通常形式の核燃料要素においては、核***燃料物質
の柱、たとえば積重ねられているベレットは、容器内に
おいて、そのベースすなわち下端部から上方に向って延
在している。柱中の燃料の―は、そのベースから予め定
められた高さ、あるいは点まで、容器内で延在するよう
に設計されており、そして、充填燃料より先に延在して
いる核９６９．１８６号で説明されている如く、核燃料
が存在していない。かくして、核燃料要素とその容器は
、核燃料部分とブレナム載量の接触境界において、核燃
料部分とプレナム域とに分割されている。In this conventional type of nuclear fuel element, a column of fissile fuel material, such as a stack of pellets, extends upwardly within the vessel from its base or lower end. The core 969. of fuel in the column is designed to extend within the container from its base to a predetermined height or point, and extends beyond the charge fuel. As explained in issue 186, there is no nuclear fuel. Thus, the nuclear fuel element and its container are divided into a nuclear fuel section and a plenum region at the contact boundary of the nuclear fuel section and the plenum payload.
核燃料容器中の充填核燃ｒ１より上の区域におけす
る、核燃料容器内のこのプレナム域には、前記特許に示
されている如く、ばねのごとき押圧装買が設けられてお
り、一定位置に充填核燃料を保持し、それは容器の一端
に接して固定されている。This plenum area in the nuclear fuel container, in the area above the filling nuclear fuel r1 in the nuclear fuel container, is provided with a biasing device, such as a spring, as shown in the above-mentioned patent, to keep the filling in a fixed position. Holds the nuclear fuel, which is fixed against one end of the container.
代表的には、核燃料容器のプレナム域は、反応しない、
有効な熱伝達媒体として、ヘリウム、または、同様な不
活発性ガスで充満されている。Typically, the plenum region of a nuclear fuel vessel is unreactive,
It is filled with helium or a similar inert gas as an effective heat transfer medium.
したがって、充填核燃料より上のプレナム域にお（）る
核燃料容器は実質的に等温であって、その中にあるガス
媒体の有効な熱伝達能力と移動性のために、冷却材を形
成しているその周囲とほぼ等しい温度のま）でいる。核
***燃料物質を中に保持している核燃料容器の部分は、
電力発生中、冷部材を形成しｔいるその周囲に対して、
成る熱勾配ｃ軸持されている。特に、核燃料容器の壁を
通って周囲の冷却材に向けて、著しい温度降下を伴って
、充填核燃料あるいは核燃料の社内から外に向は温度勾
配が存在している。Therefore, the nuclear fuel vessel in the plenum region above the nuclear fuel charge is substantially isothermal and, due to the effective heat transfer capacity and mobility of the gaseous medium therein, forms a coolant. It remains at approximately the same temperature as its surroundings. The part of the nuclear fuel container that holds the fissile fuel material inside is
During power generation, the surrounding area forms a cold member,
A thermal gradient consisting of C is supported. In particular, a temperature gradient exists from the filled nuclear fuel or from the interior of the nuclear fuel to the outside, with a significant temperature drop through the walls of the nuclear fuel vessel to the surrounding coolant.
水冷の、あるいは減速原子炉システムの運転においては
、冷却媒体内における水の分解による水素の放出は固有
の現象である。水素の放出は、主として、システムの放
射状態および高温、そして、核燃料容器、すなわち、被
覆さやに通常使用されているジルコニウム合金と酸素の
間の強い親和力のためである。In the operation of water-cooled or moderated nuclear reactor systems, the release of hydrogen due to the decomposition of water within the cooling medium is an inherent phenomenon. Hydrogen release is primarily due to the radiant conditions and high temperatures of the system and the strong affinity between oxygen and zirconium alloys commonly used in nuclear fuel vessels, ie, cladding sheaths.
原子炉の環境内、すなわち、Ｆ配した如き条（１の組合
せにおいては、自由水素の性状とそのジルコニウム合金
核燃料容器に及ばづ影響は、異った温度条件に対して変
化することが法論づけられた。In the environment of a nuclear reactor, i.e., in combinations such as those set in It was done.
たとえば、水素が、ジルコニウム合金に浸透するとき、
より低い温度レベルを求めるように見える。For example, when hydrogen penetrates a zirconium alloy,
Looks like you're looking for a lower temperature level.
かくして、核燃料容器の異った温度勾配あるいは、温度
レベルは、その中で水素を異ったパターンで移動させる
。Thus, different temperature gradients or temperature levels in the nuclear fuel vessel cause hydrogen to move therein in different patterns.
かくして、水素が核燃料物質が保持されている部分にお
いて、したがって顕著な温度勾配が存在している部分に
おいて、核燃料容器のジルコニウム合金を貫通すると、
水素は、被覆さやの壁のより温度の低い外側部分、ある
いは、その近くに濃縮し残留し、そこから内部に向って
量がなくなるように分散していることが発見された。Thus, when hydrogen penetrates the zirconium alloy of the nuclear fuel vessel in areas where nuclear fuel material is held and therefore where significant temperature gradients exist,
It has been discovered that the hydrogen remains concentrated at or near the cooler outer portion of the wall of the coated pod, and is dispersed from there in decreasing amounts towards the interior.
一方、水素が、実質的に等温であるプレナム域を構成し
ている核燃料容器の部分で、ジルコニウム合金に接触し
、それを貫通４るとき、水素は、核燃料容器のジルコニ
ウム被覆壁を通って均一に移動し、分布する傾向を示す
ことが発見された。On the other hand, when hydrogen contacts and penetrates the zirconium alloy in the portion of the nuclear fuel vessel that constitutes a plenum region that is substantially isothermal, the hydrogen flows uniformly through the zirconium-coated walls of the nuclear fuel vessel. It was discovered that there is a tendency to move and distribute.
しかしながら、前記の引用特許および出願中の特許に記
載されている如く、被覆の内面上に、ジルコニウム金属
の障壁が結合されて、ジルコニウム合金核燃料容器が増
強されると、内方へ移動する水素は、内部的に発生する
核***生成物および核燃料の膨張のために設けられてい
る内部のジルコニウム金属の障壁中に集中することが発
見された。However, when a zirconium alloy nuclear fuel vessel is enhanced by bonding a zirconium metal barrier on the inner surface of the cladding, as described in the cited and pending patents, inwardly migrating hydrogen is , was discovered to concentrate in the internal zirconium metal barrier provided for internally generated fission products and nuclear fuel expansion.
したがって、そのような障壁が設けられている核燃料容
器においては、ジルコニウム合金の容器内へ貫通して移
動する水素は、ジルコニウム金属との境界に隣接する容
器の壁の区域内に顕著に蓄積し、集中するように見える
。Therefore, in a nuclear fuel vessel provided with such a barrier, hydrogen penetrating into the zirconium alloy vessel accumulates significantly in the area of the vessel wall adjacent to the interface with the zirconium metal; Looks like you're concentrating.
そのような、被覆壁の限定された部分内に、特に、容器
内面への障壁層の結合境界に隣接する限定された部分内
に蓄積する水素原子の集中は、複合核燃料容器構造に対
しては望ましクラ゛い影響を及ぼし、そして、苛酷な運
転条件の下では、核燃料の性能を低下させよう。Such a concentration of hydrogen atoms accumulating within a limited portion of the cladding wall, particularly adjacent to the bonding boundary of the barrier layer to the inner surface of the vessel, is a disadvantage for composite nuclear fuel vessel constructions. This would have an undesirable effect and, under severe operating conditions, reduce the performance of nuclear fuel.
発明の要約
本発明は、米国特許第４．２００，４９２号に記載され
ている如き、ジルコニウム合金の容器の内面上に横たわ
るジルコニウム金属の障壁よりなる、複合構成の核燃料
容器を改善する装置と、同様のものよりなる核燃料要素
に、使用中、水素の蓄積に対してより大きな耐久性を与
える装置とよりなっている。本発明は特に、核燃料容器
内でプレナム域を構成している核燃料容器のほとんどの
部分から、ジルコニウム金属の障壁層をほぼ完全に除去
することからなる。かくして、ジルコニウム金属の保護
障壁は、ジルコニウム合金核燃料容器内にある核***燃
料物質にほぼ隣接するか、あるいはそれを直接包囲する
区域におけるジルコニウム合金の容器の内面部分をのみ
覆うように保持されている。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an apparatus for improving a composite nuclear fuel vessel consisting of a zirconium metal barrier overlying the interior surface of the zirconium alloy vessel, as described in U.S. Pat. No. 4,200,492; The device is designed to provide similar nuclear fuel elements with greater resistance to hydrogen build-up during use. In particular, the invention consists in almost completely removing the barrier layer of zirconium metal from most parts of the nuclear fuel container which constitute the plenum area within the nuclear fuel container. Thus, the zirconium metal protective barrier is maintained over only the interior surface portion of the zirconium alloy nuclear fuel vessel in areas generally adjacent to or directly surrounding the fission fuel material within the zirconium alloy nuclear fuel vessel.
発明の目的
本発明の主要な目的は、ジルコニウム合金の被覆さやと
、該被覆さやのためのジルコニウム金属の保護障壁とを
備えている、複合核ｔｌＪＦｌ容器よりなる改善された
核燃料要素を提供することである。OBJECTS OF THE INVENTION The primary object of the present invention is to provide an improved nuclear fuel element consisting of a composite nuclear tlJFl vessel comprising a zirconium alloy cladding sheath and a zirconium metal protective barrier for the cladding sheath. It is.
本発明はさらに、自由水素の有害な影響に抗し、核燃料
要素の寿命を伸ばす、ジルコニウム合金とジルコニウム
金属障壁よりなる複合被覆さやを備えている核燃料要素
を提供することである。The present invention further provides a nuclear fuel element with a composite cladding sheath of zirconium alloy and zirconium metal barrier that resists the deleterious effects of free hydrogen and extends the lifetime of the nuclear fuel element.
本発明の目的はまた、既に形成されているガス用プレプ
ム容積を増大し、そして、該ガス用プレナム容積内にジ
ルコニウム水素化物の化合物を形成する水素の作用に起
因する該プレナム容積の減少に抗するようにして、複合
容器内にジルコニウム金属障壁を備えるジルコニウム合
金の複合容器よりなる核燃料容器を提供することである
。It is also an object of the present invention to increase the already formed gas plenum volume and counteract the reduction in the plenum volume due to the action of hydrogen forming zirconium hydride compounds within the gas plenum volume. It is an object of the present invention to provide a nuclear fuel container made of a zirconium alloy composite container having a zirconium metal barrier within the composite container.
本発明のさらにまた別な目的は、複合容器内にジルコニ
ウム金属障壁を備えているジルコニウ！１合金の複合容
器よりなる核燃料要素を改善するための方法を提供する
ことである。Yet another object of the present invention is to provide a zirconium metal barrier within a composite container. An object of the present invention is to provide a method for improving a nuclear fuel element consisting of a single alloy composite vessel.
本発明の追加の目的は、内部にジルコニウム金属の保護
壁を備えているジルコニウム合金の複合容器よりなる核
燃料要素が、自由水素、および、それが核燃料容器とそ
の寿命におよぼす悪影響に対して、より大きな抵抗力を
有する方法を提供することである。An additional object of the present invention is to provide a nuclear fuel element consisting of a zirconium alloy composite vessel with an internal zirconium metal protective wall that is more resistant to free hydrogen and its adverse effects on the nuclear fuel vessel and its lifetime. The object is to provide a method with high resistance.
発明の説明
本発明は、被覆さやの内面上に冶金的に結合された、は
ぼ純粋なジルコニウム金属の保護被覆障壁を備えている
、ジルカロイの如きジルコニウムの合金の被覆さやより
なる、複合核燃料容器を備えている、発電用原子炉のた
めの、核燃料要素に特に関連している。DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a composite nuclear fuel container comprising a coated sheath of an alloy of zirconium, such as Zircaloy, with a protective coating barrier of nearly pure zirconium metal metallurgically bonded onto the inner surface of the sheath. It is particularly relevant to nuclear fuel elements, for power reactors, comprising:
この構成および組成の核燃料要素は、前記した米国特許
第４．２００，４９２号および米国出願番号１４，３４
８に開示されている。Nuclear fuel elements of this construction and composition are disclosed in the aforementioned U.S. Pat. No. 4,200,492 and U.S. Application No. 14,34.
8.
特に、本発明は、ジルコニウムの外に、その中に重■で
少くとも５００ Ｑ、ｐｐ−の成分を有するジルコニウ
ム合金からつ（られた被覆さやと、その中に重量で５０
００１）ｌ）１以下の不純物を有するジルコニウム金属
からつくられた被覆さや用のための保護障壁部材とから
構成されている複合核燃料容器に関連している。好まし
くは、障壁部材のジルコニウム金属は重−で約４２００
１）ｌ）ＩＩ以下の不純物を含有している１、核燃料被
覆さやのためのジルコニウムの合金は、通常、原子力産
業でよく知られ、市販されているジルカロイ２あるいは
４よりなっている。In particular, the present invention provides a coating sheath made of a zirconium alloy having, in addition to zirconium, a zirconium alloy having a component of at least 500 Q, pp- by weight therein;
001) l) A protective barrier member for a sheath made of zirconium metal with impurities of 1 or less. Preferably, the zirconium metal of the barrier member has a weight of about 4200
1) l) Containing impurities below II 1. Zirconium alloys for nuclear fuel cladding sheaths usually consist of Zircaloy 2 or 4, which are well known and commercially available in the nuclear industry.
本発明は広い意味においては、上記した設計の複合核燃
料容器上への、自由水素による如何なる品位低下、ある
いは、有害な影響をも排除することからなる。水素に起
因する品位の低下、あるいは、損傷を克服するには、充
填核燃料より上に延在し、核***燃料物質が存在せず、
そして、プレプム域を形成する部分における、ジルコニ
ウム合金被覆さや内から、ジルコニウム金属障壁材料を
除去することによって克服される。In its broadest sense, the invention consists of eliminating any degrading or deleterious effects of free hydrogen on composite nuclear fuel vessels of the design described above. To overcome degradation or damage caused by hydrogen, it is necessary to extend above the charge nuclear fuel, where no fissile fuel material is present,
and is overcome by removing the zirconium metal barrier material from within the zirconium alloy coated sheath in the area forming the prepum region.
本発明による新規な核°燃料要素がもたら寸ユニーウな
核燃料容器は、如何なる核燃料も存在していないプレナ
ム域内、および、その近辺における水素化物の生成に抗
する。かくしてプレナム域内で、ジルコニウム水素化物
を生成するようにジルコニウム金属と反応する水素の作
用によって、核燃料容器内ガス収集用プレナム域の空間
容積がいがなる識別し得る程でも縮小されるのを回避す
る。The novel nuclear fuel element of the present invention provides a unique nuclear fuel vessel that resists hydride formation in and near the plenum region where no nuclear fuel is present. This avoids any appreciable reduction in the spatial volume of the plenum region for gas collection within the nuclear fuel vessel by the action of hydrogen reacting with zirconium metal in the plenum region to form zirconium hydride.
プレナム域における指定された区域で、ジルコニウム合
金の被覆さやの内面上に結合されているジルコニウム金
属の障壁を除去するには、若干の技術、あるいは方法、
あるいはそれらの組合わせのいずれか一つによって達成
される。たとえば、ジルコニウム金属は、研嵯、リーミ
ングまたはホーニングの如き機械的方法によって除去す
ることができる。機械的除去は、装置のプレナム域とし
く設計されている核燃料容器部分にほぼ共通してまたが
っている区域上の合金表面からジルコニウム金属を除去
するために適切な寸法を有する工具を使用することによ
り効率的に行なうことができる。適切な化学的方法もま
た、金属と反応する酸の如き、溶解試薬でジルコニウム
金属を除去するように指定された部分を接触させること
により、ジルコニウム金属を除去するのに使用すること
ができる。Several techniques or methods may be used to remove the zirconium metal barrier bonded on the inner surface of the zirconium alloy sheath in designated areas in the plenum region.
Or by any one of their combinations. For example, zirconium metal can be removed by mechanical methods such as grinding, reaming, or honing. Mechanical removal is accomplished by using a tool with appropriate dimensions to remove zirconium metal from the alloy surface on an area that generally spans the portion of the nuclear fuel vessel that is designed to be the plenum area of the device. It can be done efficiently. Suitable chemical methods can also be used to remove zirconium metal by contacting the moiety designated to remove zirconium metal with a lytic reagent, such as an acid that reacts with the metal.
図面を参照すると、本発明の敗色された核燃料要素１０
は以下の如く構成されている。燃料要素′ｌ（）は、閉
鎖された、細長い複合容器１２を備え、複合容器１２は
、ジルコニウムの合金で形成された被覆さや１４よりな
り、被覆さや１４は核***燃料物質１６を内蔵し、使用
中の核燃料要素１゜を包囲する冷却媒体（図示せず）か
ら、核***燃料１６を遮断する。一般に核燃料要素１０
は、示されている如く、管状−をｂて七）る。容器１２
は、容器１２を密閉するため、管状の被覆さや１４の端
部に取付けられている閉鎖用の端部プラグを備えている
。Referring to the drawings, a defeated nuclear fuel element 10 of the present invention
is structured as follows. The fuel element 'l() comprises a closed, elongated composite vessel 12 comprising a cladding sheath 14 formed of an alloy of zirconium, the cladding sheath 14 containing fission fuel material 16 and used. The fission fuel 16 is isolated from the cooling medium (not shown) surrounding the nuclear fuel element 1° therein. Generally nuclear fuel elements 10
7) has a tubular shape as shown. container 12
is provided with a closing end plug attached to the end of the tubular sheath 14 to seal the container 12.
ウラニウム、プルトニウム、あるいは、トリウムの酸化
物、あるいは、他の化合物の如き核***１り
燃料物質１６は、図示されている円筒状のベレットの如
き、複数個の小さな形状体で使用されるのが誘過である
。核***燃料物質１６、あるいはその単体は、一般に核
燃料容器すなわち、被覆さやと同じ、あるいは類似の断
面形状をしており、代表的には円筒状をしている。さら
に、充填される核***燃料物質体は１、複合容１１２の
内側の開口している面積よりも僅かに小さな断面積ある
いは寸法を有し、核***燃料物質と複合容器間に自由空
間１８を提供し、予め定められた抑制されない核***燃
料物質の横方向熱膨張を可能にする。かくして、代表的
な管状の核燃料要素においては、その中に供給される円
筒状の核***燃料物質は、そのまわりに環状の空間を残
すために、複合容器の内側に対して、充分より小さな直
径を備えている。Fission fuel material 16, such as uranium, plutonium, or thorium oxides or other compounds, is preferably used in a plurality of small shapes, such as the cylindrical pellets shown. It's too late. The fission fuel material 16, or element thereof, generally has the same or similar cross-sectional shape as the nuclear fuel container or cladding sheath, and is typically cylindrical. Furthermore, the bodies of fission fuel material to be filled 1 have a cross-sectional area or dimension slightly smaller than the open area inside the composite vessel 112 to provide free space 18 between the fission fuel material and the composite vessel. , allowing a predetermined unrestrained lateral thermal expansion of the fission fuel material. Thus, in a typical tubular nuclear fuel element, the cylindrical fission fuel material delivered therein has a sufficiently smaller diameter relative to the inside of the composite vessel to leave an annular space around it. We are prepared.
ベレットの形状で示されている燃料物質１６は、複合容
器１２の基部すなわち下端部から上方へ延在している柱
に積重ねられ、予め定められた量の核***物質を充填燃
料として供給されている。そしてそれは、容器１２の内
部空間を部分的にのみ占有する。代表的には、水冷の、
そして、減速発電原子炉においでは、充填燃料は、容器
容積、すなわら、管状要素の長さの大部分を占有するで
あろう。Fuel material 16, shown in the form of a pellet, is stacked in columns extending upwardly from the base or lower end of composite vessel 12 and is supplied with a predetermined amount of fissile material as filler fuel. . And it only partially occupies the interior space of the container 12. Typically, water-cooled,
And in a moderated power reactor, the charge fuel will occupy most of the vessel volume, ie, the length of the tubular element.
容器中に含有されている充填燃料より上に延在する、燃
料容器の残部、すなわち、残りの長ざは、以下なる固体
燃料物質からも空に保たれ、かくして、ガス状の核***
生成物、水蒸気および同様の揮発性物質の蓄積および保
持のためのプレナム域を提供する。実際上は、プレナム
域は、その区域を占めるため一般にヘリウムの如き、良
好な熱伝達特性を有する不活発性ガス媒体により満たさ
れ、そして、化学的活動を起させることなく、熱伝達の
効率を改善する。プレナムを形成している核燃料要素の
この小部分は、核燃料要素の極く小さ４部分に過ぎない
。たとえば、長さ約４０６４ ｍｍ（１６０インチ）（
３８１０ｉｎ＋（１５０インチ）の燃料）の沸騰水形原
子炉用の燃料要素に対して約２０３から３０５ｍｍ（８
から１２インチ）、好ましくは、２５４ｍｍ（１０イン
チ）で、そして、加圧水彩原子炉用の燃料要素に対して
は約１０２から２０３ｎ＋１４から８インチ）、好まし
くは１５２ｖｎ＜６インチ）である。The remainder of the fuel container, i.e. the remaining length, extending above the charge of fuel contained in the container is also kept free of solid fuel material, thus containing gaseous fission products, Provides a plenum area for the accumulation and retention of water vapor and similar volatile substances. In practice, the plenum region is generally filled with an inert gaseous medium, such as helium, which has good heat transfer properties to occupy its area and improves the efficiency of heat transfer without causing any chemical activity. Improve. This small portion of the nuclear fuel element forming the plenum is only four tiny portions of the nuclear fuel element. For example, a length of approximately 4064 mm (160 inches) (
approximately 203 to 305 mm (8
to 12 inches), preferably 254 mm (10 inches), and for fuel elements for pressurized watercolor reactors about 102 to 203n+14 to 8 inches), preferably 152vn<6 inches).
容器１２内の充填燃料のれは、代表的には、図示されて
いる如く、プレナム域内に位置している、ばね２０によ
り、定位置に取付けられている。The fuel charge within container 12 is typically held in place by a spring 20, which is located within a plenum region, as shown.
核燃料容器１２はかくしてその含有物や機能により２つ
の別々の部分すなわち、燃料物質保持部分２２とプレナ
ム域２４に分割される。The nuclear fuel container 12 is thus divided into two separate sections, a fuel material holding section 22 and a plenum region 24, depending on their contents and function.
本発明によれば、改善された核燃料要素１ｏは、実質的
に純粋なジルコニウム金属の保護障壁２６が、核燃料保
持部分２２全体にわたって、容器の被覆さや１４の内面
上に連続的に重合され、冶金的に結合されている。かく
して、ジルコニウム金属陣Ｗ１２６は、容器内に保持さ
れている燃料物質体１６にはば隣接するか、あるいは、
核燃料物質体を包囲している容器のすべての部分で、容
器１２の内面上にライニングを提供している。In accordance with the present invention, the improved nuclear fuel element 1o is characterized in that a protective barrier 26 of substantially pure zirconium metal is continuously polymerized over the entire nuclear fuel holding portion 22 and on the inner surface of the vessel jacket sheath 14. are connected to each other. Thus, the zirconium metal layer W126 is adjacent to the body of fuel material 16 held within the container, or
All portions of the vessel surrounding the nuclear fuel material body are provided with a lining on the interior surface of the vessel 12.
本発明の好ましい実施例においては、改善された核燃料
要素１０は、複合燃料容器の全内面にわたって最初から
、実質的に延在している冶金的に結合されているジルコ
ニウム金属の障壁を有する複合燃料容器からつくられる
。したがって、新しい核燃料要素は、充填燃料に隣接す
る部分より上に延在しているプレナム域を提供するため
に、その部分内から、実質的に完全に障壁部材２６のジ
ルコニウム金属を除去することにより形成される。In a preferred embodiment of the present invention, the improved nuclear fuel element 10 initially comprises a composite fuel having a metallurgically bonded zirconium metal barrier extending substantially over the entire interior surface of the composite fuel vessel. Made from containers. Accordingly, the new nuclear fuel element is constructed by substantially completely removing the zirconium metal of the barrier member 26 from within that portion to provide a plenum region that extends above the portion adjacent to the fuel charge. It is formed.
この作業のためには、ジルコニウム金属を下に横ｔ′、
：わる合金の内径まで、そして、充填燃料を含有するた
めの予め定められｌこ部分までの距離だけ除去するため
、適切な寸法と長さを有するホーニング■員が好ましい
。かくして、これは簡単な機械作業により達成すること
ができる。For this operation, lay the zirconium metal down,
A honing member of appropriate dimensions and length is preferred to remove the inner diameter of the alloy and a predetermined distance to contain the filler fuel. This can thus be achieved by simple mechanical operations.
障壁部材２６のジルコニウム金属は、プレナム域２４を
形成するように設計されている核燃料容器の部分におい
てのみ除去されるべきであって、図面に示されている如
く、充填燃料にほぼ隣接する、プレナム域と容器の核燃
料部分間のほぼ境界を超えて除去すべきではない。The zirconium metal of the barrier member 26 should be removed only in those portions of the nuclear fuel vessel that are designed to form the plenum region 24 and, as shown in the drawings, generally adjacent to the fuel charge. should not be removed beyond the approximate boundary between the area and the nuclear fuel portion of the vessel.
容器内におけるプレナム域と燃料部分間の境界は、原子
炉の運転条件の下で引き起こされた熱膨張の結果として
、容器内で燃料物質の柱が完全に伸びぎっている時の燃
料−プレナム境界部分の概略位置と指定するのが好まし
い。しかしながら、燃料−プレナム境界の位置の精密さ
、したがって、ジルコニウム金属障壁の除去位置の精密
さは、格別に決定的なものではなく、特に沸騰水形原子
炉の場合には決定的なものではない。The boundary between the plenum region and the fuel section within the vessel is the fuel-plenum boundary when the column of fuel material is fully extended within the vessel as a result of thermal expansion induced under reactor operating conditions. It is preferable to specify the approximate position of the part. However, the precision of the location of the fuel-plenum boundary, and therefore the location of the removal of the zirconium metal barrier, is not particularly critical, especially in the case of boiling water reactors. .
これは該１！！利の柱および核燃料要素の上部において
は、核***活動、したがって熱発生が減少するからであ
る。そのような上部領域においては核***活動が低いの
である。それは生成された蒸気が水を置き換えて、中性
子減速材として機能するからである。かくして、核燃料
要素の下部領域にお（）る稈、核燃Ｆｌ要素の上部領域
における核燃料部分の熱勾配は大きくはない。This is category 1! ! This is because in the upper part of the energy column and the nuclear fuel element, fission activity and therefore heat production is reduced. Fission activity is low in such upper regions. This is because the generated steam replaces water and acts as a neutron moderator. Thus, the thermal gradient of the culm in the lower region of the nuclear fuel element and the nuclear fuel part in the upper region of the nuclear fuel Fl element is not large.
添付図面は本発明にしたがって構成された核***燃料物
質を内蔵している核燃料１５累組立体の部分断面図を示
す。
１０・・・・・・核燃料要素、 １２・・・・・・複合
容器、１４・・・・・・被覆さや、
１６・・・・・・核***可能燃料物質、１８・・・・・
・自由空間、 ２０・・・・・・ばね、２２・・・・
・・核燃料保持部分、
２４・・・・・・プレナム域、 ２６・・・・・・
障壁部材。The accompanying drawings illustrate a partial cross-sectional view of a nuclear fuel 15 assembly containing fission fuel material constructed in accordance with the present invention. 10...Nuclear fuel element, 12...Composite container, 14...Coating sheath, 16...Fissile fuel material, 18...
・Free space, 20... Spring, 22...
...Nuclear fuel holding area, 24...Plenum area, 26...
Barrier member.
Claims (9)
いて、容器はジルコニウムの合金から形成されている被
覆さやよりなり、容器の内部より小さな断面寸法を有す
る核燃料物質の柱が該容器中に配設され、かつ、該容器
を部分的に満たし、かくして、核燃料の柱と容器の内面
間で、核燃料物質の柱のまわりに空間を残し、かつ、核
燃料物質の柱より上に延在している容器内にプレナム域
を設けるようにし、被覆さやは、その中の核燃料物質の
柱にほぼ隣接する内面の部分のみを被覆しているジルコ
ニウム金属の保護障壁を備えていることを特徴とする前
記核燃料要素。(1) A nuclear fuel element consisting of a ff-chained elongated vessel, the vessel consisting of a sheath made of an alloy of zirconium, in which a column of nuclear fuel material having a smaller cross-sectional dimension than the interior of the vessel is disposed. and partially filling said vessel, thus leaving a space around the column of nuclear fuel material between the column of nuclear fuel and the inner surface of the vessel, and extending above the column of nuclear fuel material. said nuclear fuel element having a plenum area therein, said cladding sheath comprising a protective barrier of zirconium metal covering only the portion of the inner surface substantially adjacent to the column of nuclear fuel material therein; .
晶棒ジルコニウムのグループから選択されたほぼ純粋な
ジルコニウム金属であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の核燃料要素。2. Nuclear fuel element according to claim 1, characterized in that the protective barrier is substantially pure zirconium metal selected from the group of sponge zirconium and crystal rod zirconium.
いで、容器はジルコニウムの合金から形成されている被
覆さやよりなり、容器の内部より小さな断面寸法を有す
る核燃料物質の柱が該容器中に配設されかつ該容器を部
分的に満たし、かくして、核燃料の柱と容器の内面間で
、柱のまわりに空間を残し、かつ、核燃料の柱より上に
延在している容器内にプレナム域を設けるようにし、そ
れによって、容器を部分的に満たしている該核燃料物質
の柱は、それに隣接する部分中に核燃料部分を、そして
、それより上に延在しているプレナム域をニウム金属の
保護障壁を備えていることを特徴とする前記核燃料要素
。(3) A nuclear fuel element consisting of a closed elongated vessel, the vessel consisting of a cladding sheath formed from an alloy of zirconium, in which a column of nuclear fuel material having a smaller cross-sectional dimension than the interior of the vessel is provided. a plenum area in the vessel that is disposed and partially fills the vessel, thus leaving a space around the column between the column of nuclear fuel and the inner surface of the vessel and extending above the column of nuclear fuel. such that the column of nuclear fuel material partially filling the vessel has a portion of nuclear fuel in an adjacent portion thereof and a plenum region extending above it that contains a portion of nuclear fuel material that partially fills the vessel. Said nuclear fuel element, characterized in that it is provided with a protective barrier.
び、トリウムの化合物、および、それらの混合物よりな
るグループから選択されることを特徴とする特許請求の
範囲第３項に記載の核燃料要素。(4) Nuclear fuel element according to claim 3, characterized in that the nuclear fuel material is selected from the group consisting of compounds of uranium, plutonium and thorium, and mixtures thereof.
晶棒ジルコニウムのグループ−から選択されたほぼ純粋
なジルコニウム金属であることを特徴とする特許請求の
範囲第３項に記載の核燃料要素。5. Nuclear fuel element according to claim 3, characterized in that the protective barrier is substantially pure zirconium metal selected from the group of sponge zirconium and crystal rod zirconium.
おいて、容器はジルコニウムの合金から形成されている
被覆さやよりなり、容器の内部より小さな断面寸法を有
する核燃料物質のペレットの柱が該容器中に配設されか
つ該容器を部分的に満たし、かくして、核燃料の柱と゛
容器の内面間で柱のまわりに環状の空間を残し、かつ、
核燃料の柱より上り延在している容器内にプレナム域を
設けるようにさせ、それによって、容器を部分的に満た
している核燃料の柱は、それに隣接している部分の核燃
料部分と、それより上に延在しでいるブレナム域を構成
し、被覆さやは、その中の核燃料物質の柱にほぼ隣接す
る核燃料部分内の内面の部分を被覆しているジルコニウ
ム金属の保護障壁を備えており、そして、核燃料の柱よ
り上に延在して、プレナム域を構成している、被覆さや
の部分の内面には、保護障壁のいかなるジルコニウム金
属も実質的に存在していないことを特徴とする前記核燃
料要素。(6) A nuclear fuel element consisting of a closed ill long vessel, the vessel consisting of a cladding sheath formed from an alloy of zirconium, in which a column of pellets of nuclear fuel material having a smaller cross-sectional dimension than the interior of the vessel is provided. disposed and partially filling the vessel, thus leaving an annular space around the column between the column of nuclear fuel and the inner surface of the vessel, and
A plenum area is provided within the vessel that extends above the column of nuclear fuel, such that a column of nuclear fuel that partially fills the vessel has a plenum area that extends above the column of nuclear fuel, so that the column of nuclear fuel that partially fills the vessel has a plenum area that the cladding sheath comprising a protective barrier of zirconium metal coating a portion of the interior surface within the nuclear fuel portion substantially adjacent to the column of nuclear fuel material therein; and wherein the inner surface of the portion of the cladding sheath extending above the nuclear fuel column and constituting the plenum region is substantially free of any zirconium metal of the protective barrier. Nuclear fuel elements.
結晶棒ジルコニウムのグループから選択されたほぼ純粋
なジルコニウム金属であることを特徴とする特許請求の
範囲第６項に記載の核燃料要素。(7) The protective barrier is made of spongidyl-1, and
7. Nuclear fuel element according to claim 6, characterized in that it is substantially pure zirconium metal selected from the group of crystal rod zirconium.
において、容器はジルコニウムの合金から形成されてい
る被覆さやよりなり、管状の容器の内径より小さな直径
を有する核燃料物質の円筒状ペレットの柱が該容器中に
配設され、がっ、該容器を部分的に満たし、かくして核
燃料ペレットの１と容器の内面間で、柱のまわりに環状
の空間を残し、かつ核燃料の社より上に延在している容
器内にブレナム域を設けるようにし、これによって、容
器を部分的に満たしている核燃料ペレットの柱は、それ
に隣接゛する容器の部分の核燃料部分と、それより上に
延在しているブレナム域を構成し、該被覆さやは、その
中の核燃料ペレットの柱にほぼ隣接する核燃料部分内の
内面の部分を被覆しているジルコニウム金属被覆の保護
障壁を備えており、そして、プレナム域を構成している
核燃料ベレットの柱より上に延在している被覆さやの部
分の内面には、保護障壁の如何なるジルコニウム金属も
実質的に存在していないことを特徴とする前記核燃料要
素。(8) A nuclear fuel element consisting of a closed elongate tubular vessel, the vessel consisting of a jacketed sheath formed from an alloy of zirconium and containing a column of cylindrical pellets of nuclear fuel material having a diameter smaller than the inside diameter of the tubular vessel. disposed in the vessel, partially filling the vessel, thus leaving an annular space around the column between one of the nuclear fuel pellets and the inner surface of the vessel, and extending above the column of nuclear fuel. A bllennum zone is provided in the vessel which partially fills the vessel so that the column of nuclear fuel pellets that partially fills the vessel extends over and above the nuclear fuel portion of the adjacent vessel section. the plenum zone, the cladding sheath comprising a protective barrier of zirconium metal cladding coating a portion of the interior surface within the nuclear fuel section generally adjacent to the column of nuclear fuel pellets therein; A nuclear fuel element, characterized in that the inner surface of the portion of the cladding sheath extending above the column of the nuclear fuel pellet constituting the nuclear fuel element is substantially free of any zirconium metal of the protective barrier.
晶棒ジルコニウムのグループから選択されＩＣはぼ純粋
なジルコニウム金属であることを特徴とする特許請求の
範囲第８項に記載の核燃料要素。(9) Nuclear fuel element according to claim 8, characterized in that the protective barrier is selected from the group of sponge silconium and crystal rod zirconium, and the IC is almost pure zirconium metal.
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