クラスタ型燃料とその種類

クラスタ型燃料とその種類

原子力を知りたい

すいません、クラスタ型燃料に関して少し理解できない部分があります。

原子力マニア

では、具体的にどこがわからないですか?

原子力を知りたい

「円環状に配列されて1本の圧力管内に収容される燃料集合体」の部分がイメージできません。

原子力マニア

想像してみてください。円柱形の圧力管の中に、燃料棒が円を描くように等間隔で配置されているんです。これが、クラスタ型燃料集合体です。

クラスタ型燃料とは。

原子力分野で「クラスタ型燃料」と呼ばれる用語があります。広義では、クラスタとは一定の間隔で配置された燃料棒の集合体を指します。原子炉であるPWRやBWRの燃料は正方格子状に配置されているため、この呼び方が当てはまります。

しかし、通常は以下のようなものをクラスタ型燃料と呼びます。

* 英国でSGHWRと称される炉
* 日本で新型転換炉ATRと称される炉
* 数十本の燃料棒を円状に配列し、1本の圧力管内に挿入される燃料集合体

また、チェルノブイリ原発事故で知られるRBMK型炉でも、36本の燃料棒を束ねたクラスタ型燃料集合体が使用されています。

クラスタ型燃料の定義

-クラスタ型燃料の定義-

クラスタ型燃料は、ナノサイズで、金属または半金属の原子またはイオンが核の周りに凝集した構造を持つ燃料です。これらのナノクラスターは、通常、炭素コーティングまたはその他の保護層で覆われています。クラスタ型燃料は、原子レベルの化学結合により結合しており、バルク材料とは異なる独自の特性を持っています。原子レベルの集合により、クラスタ型燃料は、高い反応性、優れた安定性、高いエネルギー密度などのユニークな性質を示します。これにより、次世代のエネルギー源やプロパルサント、触媒材料として期待されています。

PWRとBWRにおけるクラスタ型燃料

PWR（加圧水型原子炉）とBWR（沸騰水型原子炉）では、クラスタ型燃料が使用されています。PWRでは、燃料棒が正方形の格子状に配置されており、水路が形成されています。一方、BWRでは、燃料棒が円形の格子状に配置されており、燃料棒と燃料棒との間には蒸気と水の通り道があります。この構造の違いにより、PWRでは高圧の水が燃料棒を冷却するのに対し、BWRでは沸騰した水が直接燃料棒を冷却します。

重水減速軽水冷却圧力管型炉におけるクラスタ型燃料

重水減速軽水冷却圧力管型炉（PHWR）におけるクラスタ型燃料は、重水を減速材として、軽水を冷却材として使用する原子炉で用いられる特殊なタイプの核燃料である。PHWRでは、燃料集合体である燃料チャネル内に、燃料ペレットをジルカロイ製の被覆管に封入したクラスタ型燃料が装荷されている。ジルカロイは中性子吸収断面積が低く、腐食抵抗性に優れているため、原子炉用燃料被覆管として広く使用されている。

クラスタ型燃料は、複数の燃料ペレットを配置した構造になっており、ペレットが被覆管に密に詰め込まれている。この構造により、高い熱伝導率が得られ、燃料の過加熱を防ぐことができる。また、被覆管はペレットを冷却材と隔離し、燃料の被覆欠損を防ぐ役割を果たす。