JP5568785B2 - Nuclear fuel rod - Google Patents
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Description
本発明は、原子炉に使用される核燃料棒に関し、特に、熱機械的健全性を大幅に向上させた核燃料棒に関する。 The present invention relates to a nuclear fuel rod used in a nuclear reactor, and more particularly, to a nuclear fuel rod having greatly improved thermomechanical soundness.
軽水原子炉の炉心には、複数の核燃料棒からなる燃料集合体が多数本装荷されている。核燃料棒は、ウラン、プルトニウムなどの酸化物をペレット状に焼結し、これを長尺の金属製の被覆管に積層させるように挿入し、ヘリウムなどの不活性ガスを封入したのち、被覆管の上下端部に端栓が溶接された構造になっている。 A large number of fuel assemblies composed of a plurality of nuclear fuel rods are loaded in the core of a light water reactor. Nuclear fuel rods are made by sintering oxides such as uranium and plutonium into pellets, inserting them into a long metal cladding tube, and sealing with inert gas such as helium. It has a structure in which end plugs are welded to the upper and lower ends.
被覆管は、燃料ペレット内で発生した放射性物質を封じ込めるのと同時に、燃料ペレットで発生した熱を燃料ペレットと被覆管との間隙及び被覆管を通して冷却材である軽水に伝達させる機能を有する。被覆管の材質としては、原子炉内の放射線場中の水環境において耐食性に優れ、中性子の吸収が少ないことが望ましく、例えばジルカロイ２やジルカロイ４が使用されている。 The cladding tube has a function of confining radioactive material generated in the fuel pellet and simultaneously transferring heat generated in the fuel pellet to light water as a coolant through the gap between the fuel pellet and the cladding tube and the cladding tube. As a material of the cladding tube, it is desirable that it is excellent in corrosion resistance in the water environment in the radiation field in the nuclear reactor and has little neutron absorption. For example, Zircaloy 2 or Zircaloy 4 is used.
原子炉の稼働時に燃料ペレットは熱膨張するが、この燃料ペレットの熱膨張を吸収するために被覆管との間には間隙が設けられており、この間隙部の熱伝達は、燃焼初期には製造時に封入したヘリウムガスが熱伝達媒質としての役割をになう。 The fuel pellets thermally expand when the reactor is in operation, but a gap is provided between the fuel pellet and the cladding tube to absorb the thermal expansion of the fuel pellet. The helium gas enclosed at the time of manufacture serves as a heat transfer medium.
一方、燃焼が進むとペレット内で核分裂により生成された核分裂生成ガスがペレットから放出されヘリウムガスと混合していく。核分裂生成ガスの主成分はキセノンやクリプトンであり、これらのガスの熱伝度率はヘリウムガスの１／３０程度であるため、間隙の熱伝導率は燃焼と共に低下していく。そのため、間隙の熱伝導率が低下した状態で燃料ペレットの出力が上昇すると急激な温度上昇が起きる。その場合、燃料ペレットは静的熱的応力破壊あるいは熱衝撃破壊を起こし、割れた燃料ペレット破片は外側にせり出し被覆管に機械的応力（ＰＣＩ）をかけることで核燃料棒が破損を起こす可能性があることが知られている。 On the other hand, as the combustion proceeds, the fission gas generated by fission in the pellet is released from the pellet and mixed with helium gas. The main components of the fission product gas are xenon and krypton, and the thermal conductivity of these gases is about 1/30 that of helium gas, so the thermal conductivity of the gap decreases with combustion. For this reason, when the output of the fuel pellets rises with the thermal conductivity of the gap lowered, a rapid temperature rise occurs. In that case, the fuel pellets may cause static thermal stress failure or thermal shock failure, and the cracked fuel pellet fragments may protrude to the outside and apply mechanical stress (PCI) to the cladding tube, which may cause damage to the nuclear fuel rods. It is known that there is.
また、燃料ペレットの燃焼度が高くなると燃料ペレット内で発生した核分裂生成ガスの蓄積により、燃料ペレットがスエリングを起こしＰＣＩが生じる可能性が高くなる。
さらに、被覆管の耐ＰＣＩ特性を劣化させる要因として、被覆管材料であるジルカロイの水素吸収が挙げられる。水素は、フレッティング等の予期せぬ事象によって被覆管が破損した場合、破損部から侵入した水分が直ちに破損部近傍のペレットや被覆管内表面と反応して水素を発生する場合や、核燃料棒製造時に何らかの原因で侵入または残留した水素含有物質が放射線により分解することで発生する。
Further, when the burnup of the fuel pellets increases, the accumulation of fission product gas generated in the fuel pellets increases the possibility that the fuel pellets cause swelling and PCI.
Furthermore, hydrogen absorption of zircaloy, which is a cladding tube material, can be cited as a factor that degrades the PCI resistance of the cladding tube. Hydrogen is generated when the cladding tube breaks due to an unexpected event such as fretting, when moisture that has entered from the damaged portion immediately reacts with the pellets near the damaged portion or the inner surface of the cladding tube to generate hydrogen. Occasionally, hydrogen-containing substances that enter or remain for some reason are decomposed by radiation.
上述のような問題に対処し、核燃料棒の熱機械健全性を高めるために、従来から種々の対策が講じられている。例えば、ペレットの外表面あるいはペレット内部にＳｉＣ等の繊維状物質を分散させ、ＰＣＩを防止するもの（特許文献１）、燃料ペレットと被覆管の間隙にアルミニウムやセリウムもしくはその合金化合物、又はスズまたは鉛を充填することで、燃料ペレットから被覆管への熱伝導性を高めるもの（特許文献２、３）、等が提案されている。
上述した従来のペレットの外表面あるいはペレット内部にＳｉＣ等の繊維状物質を分散させる方法では（特許文献１）、ＳｉＣは熱伝導率が比較的良いものの常温で約３２Ｗ／ｍ．Ｋである。この値は、被覆管材料であるジルコニウムの約２３Ｗ／ｍ．Ｋと同程度、ダイヤモンドの約２０００Ｗ／ｍ．Ｋの約１／６０であるが、用いられるＳｉＣが繊維状の充填材であること考えると接触面積が固体ＳｉＣを充填した場合と比べ例えば１／１００程度である。したがって、ＳｉＣの熱伝導率は、約０．３Ｗ／ｍ．Ｋであり、ヘリウムの熱伝導率である０．１５Ｗ／ｍ．Ｋとオーダー的に等しくなってしまうため、熱伝導率の改善は期待できない。したがって、燃料ペレットの温度上昇を低減させる効果は期待できず、その結果、ＰＣＩの低減効果も期待できない。 In the conventional method of dispersing a fibrous material such as SiC on the outer surface of the pellet or inside the pellet (Patent Document 1), although SiC has a relatively good thermal conductivity, SiC has a relatively good thermal conductivity of about 32 W / m. K. This value is about 23 W / m. K, about 2000 W / m. Although it is about 1/60 of K, considering that the SiC used is a fibrous filler, the contact area is, for example, about 1/100 compared to the case where solid SiC is filled. Therefore, the thermal conductivity of SiC is about 0.3 W / m. K, and the thermal conductivity of helium is 0.15 W / m. Since it becomes equal to K in order, improvement in thermal conductivity cannot be expected. Therefore, the effect of reducing the temperature rise of the fuel pellet cannot be expected, and as a result, the effect of reducing PCI cannot be expected.
次に、合金化合物を充填材として被覆管内の間隙に充填する従来技術は（特許文献２、３）、合金化合物がペレットの温度変化に伴う膨張と収縮の繰返しに追従するのに十分な延性や展性を維持できないばかりか、ペレット温度が合金化合物の溶融温度を超えた場合に、合金化合物が溶融を起こし、溶融物が流下するとその部位には間隙が生じ、その後はヘリウムガスもしくはヘリウムガスと核分裂生成ガスの混合ガスが熱伝導媒体となるため熱伝導性が低下する。また、充填される金属は中性子の吸収強さの目安となる共鳴積分値が被覆管材料であるジルカロイに比べ、アルミニウム及びセリウムは同程度、鉛は５倍程度、スズは千倍以上となり、多少なりとも中性子経済は低下する。
Next, conventional techniques for filling a gap in a cladding tube with an alloy compound as a filler (
さらに、被覆管の水素脆化の防止の観点からは、いずれも核燃料棒内の水素の低減作用を有してはいない。このように、合金化合物を充填材として用いる従来技術では、燃料ペレットの温度上昇を低減させる効果は期待できず、また、中性子経済、水素脆化防止の点からも課題があった。 Furthermore, from the viewpoint of preventing hydrogen embrittlement of the cladding tube, none of them has an action of reducing hydrogen in the nuclear fuel rod. As described above, the prior art using the alloy compound as a filler cannot be expected to reduce the temperature rise of the fuel pellets, and has problems in terms of neutron economy and prevention of hydrogen embrittlement.
本発明は、上述課題を解決するためになされたものであり、核燃料棒の急激な出力上昇や燃焼が進んだ状態において、核燃料棒の核特性の低下を招くことなく、熱機械的健全性を大幅に向上させることができる核燃料棒を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and in a state where the output of the nuclear fuel rod suddenly increases and combustion progresses, the thermomechanical soundness is reduced without causing deterioration of the nuclear characteristics of the nuclear fuel rod. It aims at providing the nuclear fuel rod which can be improved significantly.
上記課題を解決するために、本発明に係る核燃料棒は、被覆管と、被覆管内に装填される複数の燃料ペレットと、前記被覆管の端部を封止する上部端栓及び下部端栓と、被覆管内に形成されたプレナム部とを有する核燃料棒において、前記燃料ペレットと被覆管との間隙部に、繊維状のカーボンナノチューブを充填しカーボンナノチューブ層を形成するとともに、前記カーボンナノチューブ層におけるカーボンナノチューブの充填率が、５．２×１０ １１ 本／ｃｍ ２ の面積密度で充填された場合の充填率を１００％としたとき、１０〜５０％であることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a nuclear fuel rod according to the present invention includes a cladding tube, a plurality of fuel pellets loaded in the cladding tube, and an upper end plug and a lower end plug that seal the ends of the cladding tube. In the nuclear fuel rod having a plenum portion formed in the cladding tube, a carbon nanotube layer is formed by filling a gap between the fuel pellet and the cladding tube with a fibrous carbon nanotube to form a carbon nanotube layer. The filling factor of the nanotube is characterized by being 10 to 50% when the filling factor is 100% when filled with an area density of 5.2 × 10 11 pieces / cm 2 .
また、本発明に係る核燃料棒は、被覆管と、被覆管内に装填される複数の燃料ペレットと、前記被覆管の端部を封止する上部端栓及び下部端栓と、被覆管内に形成されたプレナム部とを有する核燃料棒において、前記被覆管の内面にカーボンナノチューブ層を形成するとともに、前記カーボンナノチューブ層と前記燃料ペレットとの間に間隙部を形成し、かつ、前記カーボンナノチューブ層におけるカーボンナノチューブの充填率が、５．２×１０ １１ 本／ｃｍ ２ の面積密度で充填された場合の充填率を１００％としたとき、１０〜５０％であることを特徴とする。 Further, a nuclear fuel rod according to the present invention is formed in a cladding tube, a plurality of fuel pellets loaded in the cladding tube, an upper end plug and a lower end plug sealing the end of the cladding tube, and the cladding tube. A nuclear fuel rod having a plenum portion, wherein a carbon nanotube layer is formed on an inner surface of the cladding tube, a gap portion is formed between the carbon nanotube layer and the fuel pellet , and carbon in the carbon nanotube layer is formed. The filling factor of the nanotube is characterized by being 10 to 50% when the filling factor is 100% when filled with an area density of 5.2 × 10 11 pieces / cm 2 .
本発明によれば、燃料ペレットと被覆管との間隙部に所定の充填密度のカーボンナノチューブ層を形成することにより、燃料ペレットのスエリングや熱膨張による体積増加を吸収できるとともに高い熱伝導性を確保できるので、燃料ペレットの温度上昇を抑制し、その結果、核燃料棒の熱機械的健全性を大幅に向上させることができる。 According to the present invention, by forming a carbon nanotube layer having a predetermined filling density in the gap between the fuel pellet and the cladding tube, it is possible to absorb the increase in volume due to swelling and thermal expansion of the fuel pellet and to ensure high thermal conductivity. Therefore, the temperature rise of the fuel pellet can be suppressed, and as a result, the thermomechanical soundness of the nuclear fuel rod can be greatly improved.
本発明は、燃料ペレットと被覆管との間隙部にカーボンナノチューブを配置することを特徴とするが、まず、カーボンナノチューブの熱機械的特性について説明する。
カーボンナノチューブは、優れた熱伝導体であり、その熱伝導率は常温で約３０００Ｗ／ｍ．Ｋであり、アルミニウムの１２倍、ダイヤモンドの１．５倍程度である。本発明では、燃料ペレットと被覆管との間隙部にカーボンナノチューブを配置することにより、従来のヘリウムガスを間隙の熱伝達媒質とする核燃料棒より高い効率で燃料ペレットで発生した熱を被覆管を通して冷却材である軽水に伝達することができる。
The present invention is characterized in that carbon nanotubes are arranged in the gap between the fuel pellet and the cladding tube. First, the thermomechanical characteristics of the carbon nanotubes will be described.
Carbon nanotubes are excellent thermal conductors, and their thermal conductivity is about 3000 W / m. K, 12 times that of aluminum and 1.5 times that of diamond. In the present invention, by disposing carbon nanotubes in the gap between the fuel pellet and the cladding tube, heat generated in the fuel pellet is more efficiently passed through the cladding tube than a nuclear fuel rod using conventional helium gas as a heat transfer medium for the gap. It can be transmitted to light water, which is a coolant.
また、カーボンナノチューブは耐熱性においても優れており、無酸素環境下で１２００℃程度まで安定であるので、原子炉の通常運転時において被覆管が接する冷却水温度が２５０℃〜３００℃であることから、カーボンナノチューブはその充填環境の温度域において十分安定である。したがって、核燃料棒の使用環境下において、燃料ペレットの温度上昇を低く抑えペレットの熱膨張によるＰＣＩを抑制することができる。 In addition, carbon nanotubes are excellent in heat resistance and are stable up to about 1200 ° C. in an oxygen-free environment, so that the cooling water temperature at which the cladding tube contacts during normal operation of the reactor is 250 ° C. to 300 ° C. Therefore, the carbon nanotube is sufficiently stable in the temperature range of its filling environment. Therefore, in the environment where the nuclear fuel rod is used, the temperature rise of the fuel pellet can be suppressed to suppress PCI due to the thermal expansion of the pellet.
さらに、カーボンナノチューブは、重量比で最大１３〜１４％の水素を吸収し、脱離温度も６００Ｋ以上であることから、核燃料棒内の水素を効率的に吸蔵できるので、被覆管の水素脆化を防止することができる。 Furthermore, carbon nanotubes absorb hydrogen at a maximum of 13 to 14% by weight and have a desorption temperature of 600K or higher, so that hydrogen in the nuclear fuel rods can be occluded efficiently. Can be prevented.
以下、本発明に係る核燃料棒の実施形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る核燃料棒を図１及び２を参照して説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る核燃料棒の全体構成図であり、図２はその断面図である。
Hereinafter, embodiments of a nuclear fuel rod according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
A nuclear fuel rod according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a nuclear fuel rod according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view thereof.
図１において、核燃料棒は、燃料ペレット２と被覆管３との間隙部に配置されたカーボンナノチューブ層１、下部端栓４、上部端栓５、プレナム部６、プレナムスプリング７から構成される。
In FIG. 1, the nuclear fuel rod includes a carbon nanotube layer 1, a lower end plug 4, an upper end plug 5, a plenum portion 6, and a
本第１の実施形態では、カーボンナノチューブ層１は繊維状のカーボンナノチューブからなる。
繊維状のカーボンナノチューブは相互に絡み合った粗な性状を有するため、燃料ペレットのスエリングや熱膨張による体積増加を吸収できる空間を確保しつつ、高い熱伝導性を確保できるので燃料ペレットの温度上昇を抑制でき、ＰＣＩ防止効果が高い。
In the first embodiment, the carbon nanotube layer 1 is composed of fibrous carbon nanotubes.
Fibrous carbon nanotubes have rough properties that are entangled with each other, so that high thermal conductivity can be ensured while ensuring a space that can absorb the volume increase due to swelling and thermal expansion of the fuel pellets, thus increasing the temperature of the fuel pellets. It can be suppressed and the PCI prevention effect is high.
繊維状のカーボンナノチューブを被覆管内に充填するには、燃料ペレットを被覆管に装填する際に、挿入口とは逆方向からペレット内を吸気するという方法で間隙部に繊維状のカーボンナノチューブを充填する。その際、吸気は燃料ペレットの装填に対しては抵抗とはならず、逆にペレット内への引き込み作用を有する。また、カーボンナノチューブの充填後に、従来どおりヘリウムガスを充填すれば、ヘリウムガスはカーボンナノチューブ繊維間の空間に満たされ、更に熱伝導率を高めることができる。
また、繊維状のカーボンナノチューブの充填密度は、燃料ペレットのスエリングや熱膨張による体積増加を吸収できるとともに、高熱伝導率を確保できるように調整される。
In order to fill the carbon nanotubes with fibrous carbon nanotubes, when the fuel pellets are loaded into the cladding tube, the gaps are filled with fibrous carbon nanotubes by sucking the pellets from the opposite direction to the insertion port. To do. At that time, the intake air does not resist the loading of the fuel pellets, but conversely has a drawing action into the pellets. Further, if helium gas is filled as usual after filling the carbon nanotubes, the helium gas is filled in the space between the carbon nanotube fibers, and the thermal conductivity can be further increased.
In addition, the packing density of the fibrous carbon nanotubes is adjusted so as to absorb the increase in volume due to swelling and thermal expansion of the fuel pellets and to ensure high thermal conductivity.
本第１の実施形態では、この充填密度を以下のような手法で求めることができるが、必ずしも、この方法に限定されない。
カーボンナノチューブは、直径が数ｎｍ〜十数ｎｍ、長さが数十ｎｍ〜数十μｍの繊維状の素材であり、カーボンナノチューブ自体の密度は２ｇ／ｃｍ３であるが、マクロな性状は、繊維状の粉体であり、その重量密度は０．０３ｇ／ｃｍ３程度であり、これを面積密度に換算すると５．２×１０１１本／ｃｍ２である。本件発明では、この面積密度で充填されたとき１００％充填と呼ぶこととする。
In the first embodiment, the filling density can be obtained by the following method, but is not necessarily limited to this method.
The carbon nanotube is a fibrous material having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers and a length of several tens of nanometers to several tens of micrometers, and the density of the carbon nanotube itself is 2 g / cm 3 . It is a fibrous powder, and its weight density is about 0.03 g / cm 3 , which is 5.2 × 10 11 pieces / cm 2 when converted to area density. In the present invention, when filled with this area density, it is called 100% filling.
次に、カーボンナノチューブ単体の熱伝導率から充填率１００％での熱伝導率を見積もる。ここでカーボンナノチューブの代表的な断面積を約１．５×１０−１４ｃｍ２（半径５ｎｍ）とする。 Next, the thermal conductivity at a filling rate of 100% is estimated from the thermal conductivity of the carbon nanotube alone. Here, a typical cross-sectional area of the carbon nanotube is about 1.5 × 10 −14 cm 2 (radius 5 nm).
まず、１００％充填率でのカーボンナノチューブの面積充填率は式（１）で与えられる。
（１．５×１０−１４）×（５．２×１０１１）＝７．５×１０−２ （１）
First, the area filling rate of carbon nanotubes at 100% filling rate is given by equation (1).
(1.5 × 10 −14 ) × (5.2 × 10 11 ) = 7.5 × 10 −2 (1)
これにカーボンナノチューブの熱伝送率３０００Ｗ／ｍＫを乗ずると式（２）が得られる。
（７．５×１０−２）×３０００＝２２５Ｗ／ｍ.Ｋ （２）
When this is multiplied by the carbon nanotube heat transfer rate of 3000 W / mK, Equation (2) is obtained.
(7.5 × 10 −2 ) × 3000 = 225 W / m.K (2)
これは、ヘリウムガスの熱伝導率０．１５Ｗ／ｍ．Ｋや被覆管材料であるジルコニウムの熱伝導率２３Ｗ／ｍ．Ｋを大きく上回っている。例えば、間隙の熱伝達率が被覆管と等しくなるカーボンナノチューブの充填率を逆算すると式（３）となる。
２３／２２５≒０．１ （３）
This is because the thermal conductivity of helium gas is 0.15 W / m. K and zirconium, which is a cladding material, have a thermal conductivity of 23 W / m. K is greatly exceeded. For example, when the filling rate of the carbon nanotubes in which the heat transfer coefficient of the gap is equal to that of the cladding tube is calculated back, Equation (3) is obtained.
23/225 ≒ 0.1 (3)
したがって、カーボンナノチューブの充填率を最低でも０．１程度とすれば、ヘリウムガスの熱伝導率を２桁程度上回る熱伝導率となり、高い熱伝導性を確保できる。一方、上限については、ペレットの体積膨張を容易に吸収し、また、被覆管への装填の容易性を考慮すると最大で０．５程度が好ましい。 Therefore, if the filling rate of the carbon nanotubes is at least about 0.1, the thermal conductivity exceeds the thermal conductivity of helium gas by about two orders of magnitude, and high thermal conductivity can be secured. On the other hand, the upper limit is preferably about 0.5 at maximum considering the ease of volume expansion of the pellet and the ease of loading into the cladding tube.
また、上記の核燃料棒の燃料ペレットは二酸化ウランからなるが、燃料ペレット中に可燃性毒物（ガドリニア）を含有する核燃料棒にこのカーボンナノチューブ層１を適用しても、同様な効果が得られる。 The fuel pellet of the nuclear fuel rod is made of uranium dioxide, but the same effect can be obtained by applying the carbon nanotube layer 1 to a nuclear fuel rod containing a flammable poison (gadolinia) in the fuel pellet.
本第１の実施形態によれば、燃料ペレットと被覆管との間隙部に所定量の繊維状のカーボンナノチューブ充填し、所定の充填密度のカーボンナノチューブ層１を形成することにより、燃料ペレットのスエリングや熱膨張による体積増加を吸収できるとともに高い熱伝導性を確保できるので、燃料ペレットの温度上昇を抑制し、その結果、核燃料棒の熱機械的健全性を大幅に向上させることができる。 According to the first embodiment, fuel pellets are swollen by filling the gap between the fuel pellet and the cladding tube with a predetermined amount of fibrous carbon nanotubes and forming the carbon nanotube layer 1 with a predetermined packing density. As a result, it is possible to absorb the increase in volume due to thermal expansion and ensure high thermal conductivity, thereby suppressing the temperature rise of the fuel pellets, and as a result, the thermomechanical soundness of the nuclear fuel rod can be greatly improved.
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る核燃料棒を図３を参照して説明する。
本第２の実施形態に係る核燃料棒は、繊維状のカーボンナノチューブに代わり、予め被覆管内面にカーボンナノチューブ層１を電解メッキ等により薄膜状に形成したことを特徴とする。
(Second Embodiment)
A nuclear fuel rod according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The nuclear fuel rod according to the second embodiment is characterized in that the carbon nanotube layer 1 is formed in advance on the inner surface of the cladding tube in a thin film shape by electrolytic plating or the like instead of the fibrous carbon nanotubes.
本第２の実施形態では、カーボンナノチューブ層１と燃料ペレットの間に間隙部８が形成され、ここにヘリウムガスが充填される。
この薄膜状のカーボンナノチューブ層１の充填率は、カーボンナノチューブの量及び溶剤の量を調整することにより適宜調整することができる。望ましい充填率は、第１の実施形態と同様に、０．１〜０．５である。
In the second embodiment, a
The filling rate of the thin-walled carbon nanotube layer 1 can be appropriately adjusted by adjusting the amount of carbon nanotubes and the amount of solvent. A desirable filling rate is 0.1 to 0.5 as in the first embodiment.
本第２の実施形態によれば、簡単な製造工程により被覆管内面にカーボンナノチューブ層を形成させることにより、スエリングや熱膨張によって燃料ペレットがカーボンナノチューブ層に接触しても、その体積増加をカーボンナノチューブ層が吸収できるとともに高い熱伝導性を確保できるので、燃料ペレットの温度上昇を抑制し、その結果、核燃料棒の熱機械的健全性を大幅に向上することができる。 According to the second embodiment, by forming the carbon nanotube layer on the inner surface of the cladding tube by a simple manufacturing process, even if the fuel pellet comes into contact with the carbon nanotube layer by swelling or thermal expansion, the volume increase is reduced to carbon. Since the nanotube layer can be absorbed and high thermal conductivity can be secured, the temperature rise of the fuel pellet can be suppressed, and as a result, the thermomechanical soundness of the nuclear fuel rod can be greatly improved.
（第３の実施形態）
本第３の実施形態に係る核燃料棒は、核燃料棒上部のプレナム部６に繊維状のカーボンナノチューブを充填することを特徴とする（図示せず）。
(Third embodiment)
The nuclear fuel rod according to the third embodiment is characterized in that the plenum portion 6 above the nuclear fuel rod is filled with fibrous carbon nanotubes (not shown).
プレナム部６は、発熱体である燃料ペレットが存在しない空隙であり、比較的低い温度に保たれる。しかも、カーボンナノチューブ自体が高い熱伝導性を有するため、被覆管に効率的に熱を逃がすことができ、その結果、上部端栓５側を低い温度に保つことができる。また、プレナム部に充填されたカーボンナノチューブは、被覆管内の水素を効率的に吸収するので、被覆管の水素脆化を防止することができる。
なお、プレナム部６内のカーボンナノチューブは、直接、燃料ペレットに接触しないようにプレナムスプリングの内部に配置することが望ましい。
The plenum portion 6 is a space where there is no fuel pellet as a heating element, and is maintained at a relatively low temperature. In addition, since the carbon nanotubes themselves have high thermal conductivity, heat can be efficiently released to the cladding tube, and as a result, the upper end plug 5 side can be kept at a low temperature. Further, since the carbon nanotubes filled in the plenum part efficiently absorb hydrogen in the cladding tube, hydrogen embrittlement of the cladding tube can be prevented.
It is desirable that the carbon nanotubes in the plenum portion 6 are arranged inside the plenum spring so as not to directly contact the fuel pellets.
本第３の実施形態によれば、プレナム部にカーボンナノチューブを配置することにより、上部端栓側を低い温度に保つことができるとともに、被覆管内の水素を効率的に吸収するので、核燃料棒の熱機械的健全性をさらに向上させることができる。 According to the third embodiment, by arranging the carbon nanotubes in the plenum part, the upper end plug side can be kept at a low temperature, and the hydrogen in the cladding tube is absorbed efficiently, so that Thermomechanical soundness can be further improved.
１…カーボンナノチューブ層、２…燃料ペレット、３…被覆管、４…下部端栓、５…上部端栓、６…プレナム部、７…プレナムスプリング、８…間隙部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Carbon nanotube layer, 2 ... Fuel pellet, 3 ... Cladding tube, 4 ... Lower end plug, 5 ... Upper end plug, 6 ... Plenum part, 7 ... Plenum spring, 8 ... Gap part.
Claims (4)
前記燃料ペレットと被覆管との間隙部に、繊維状のカーボンナノチューブを充填しカーボンナノチューブ層を形成するとともに、前記カーボンナノチューブ層におけるカーボンナノチューブの充填率が、５．２×１０ １１ 本／ｃｍ ２ の面積密度で充填された場合の充填率を１００％としたとき、１０〜５０％であることを特徴とする核燃料棒。 In a nuclear fuel rod having a cladding tube, a plurality of fuel pellets loaded in the cladding tube, an upper end plug and a lower end plug sealing the end portion of the cladding tube, and a plenum portion formed in the cladding tube,
In the gap between the fuel pellet and the cladding tube, a fibrous carbon nanotube is filled to form a carbon nanotube layer, and the carbon nanotube filling rate in the carbon nanotube layer is 5.2 × 10 11 pieces / cm 2. A nuclear fuel rod, characterized in that the filling rate when filled at an area density of 100% is 10 to 50% .
前記被覆管の内面にカーボンナノチューブ層を形成するとともに、前記カーボンナノチューブ層と前記燃料ペレットとの間に間隙部を形成し、かつ、前記カーボンナノチューブ層におけるカーボンナノチューブの充填率が、５．２×１０ １１ 本／ｃｍ ２ の面積密度で充填された場合の充填率を１００％としたとき、１０〜５０％であることを特徴とする核燃料棒。 In a nuclear fuel rod having a cladding tube, a plurality of fuel pellets loaded in the cladding tube, an upper end plug and a lower end plug sealing the end portion of the cladding tube, and a plenum portion formed in the cladding tube,
A carbon nanotube layer is formed on the inner surface of the cladding tube, a gap is formed between the carbon nanotube layer and the fuel pellet , and a filling factor of the carbon nanotubes in the carbon nanotube layer is 5.2 × A nuclear fuel rod characterized by 10 to 50% when the filling rate when filled with an area density of 10 11 pieces / cm 2 is 100% .
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