JP2010243465A - 軽水炉燃料照射試験装置用キャプセル - Google Patents

Abstract

【課題】試験燃料棒の破損時に核分裂生成物を閉じ込めるキャプセル型の装置でありながら、ループ型と同等の優れた照射条件を提供すること。
【解決手段】ループ型と同等の優れた照射条件を提供するため、キャプセル内部に中揚程渦巻ポンプ型のインペラーと、仕切管を設け、キャプセルに内包された冷却水を強制循環させると共にその循環経路を確保している。インペラーの回転駆動力は、冷却水の外部に設けられた電動モータからの回転駆動力をマグネットカップリングによって伝達することにより得ている。高温となる冷却水側のインナーマグネットには耐熱性に優れるサマコバ磁石を、アウターマグネットにはネオジム磁石を用いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、軽水炉燃料の照射時における挙動を調べるための試験装置に用いられる、改良型のキャプセルに関するものである。

燃料の照射挙動を評価するための試験装置は、ループ型とキャプセル型の二種類に分けられる。ループ型は、試験燃料棒を保持するとともに冷却材の流路を確保する炉内管と、高温高圧の冷却水を試験燃料棒部へ供給するための循環ポンプ、加熱器等から成る炉外装置から構成される。なお、炉内管は原子炉内に固定されている。一方、キャプセル型は、試験燃料棒を装荷したキャプセルから構成され、キャプセルは炉内に挿入される。キャプセル型においては、試験燃料棒の冷却は、自身の発熱によりキャプセル内の冷却水に生じる自然対流によって行われている。すなわち、キャプセル型燃料照射試験装置では、試験燃料棒がキャプセル外部と遮断されている。

なお、本発明では、キャプセル上部のモータによって、キャプセル上部とは隔壁で分離されたキャプセル下部のインペラーを駆動するため、マグネットカップリング方式を採用しているが、このようなマグネットカップリング方式は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開2009-052531

上述のループ型の長所は、試験燃料棒の冷却水の温度・流量を炉外装置で任意に制御出来るため、実際の発電プラントの照射条件を精度良く模擬できることである。ループ型の短所は、燃料破損時に燃料棒から放出される核分裂生成物を燃料棒近傍に閉じ込めることができず、装置全体が核分裂生成物で汚染されてしまうことである。一方、上述のキャプセル型の長所は、試験燃料棒の破損時に燃料棒から放出される核分裂生成物をキャプセル内に閉じ込められることである。なお、キャプセルは、原子炉への装荷または原子炉からの取り出しが可能である。キャプセル型の短所は、前述のように試験燃料棒をキャプセル内の冷却水に生じる自然対流を利用して冷却しているため、実際の発電プラントの照射条件の模擬性に欠けることである。すなわち、従来の技術では、試験燃料棒の破損時における核分裂生成物の局所への閉じ込めと、実際の発電プラントの照射条件の精度良い模擬を両立することが出来なかった。

本発明は、かかる従来の問題に鑑みなされたものであり、試験燃料棒の破損時に核分裂生成物を閉じ込めるキャプセル型の装置でありながら、ループ型と同等の優れた照射条件を提供することを目的とする。

本発明は、キャプセル内に内包される冷却水を強制的に循環させ、さらに循環する冷却水の温度を制御することで、実際の発電プラントの照射条件を精度良く模擬しようとするものである。

ループ型と同等の優れた照射条件を提供するため、本発明の１つの観点に係る軽水炉燃料照射試験装置用キャプセルは、冷却水が内包されているキャプセル下部にインペラーと仕切管を設け、インペラーによってキャプセル下部に内包された冷却水を強制循環させると共に、仕切管によってその循環経路を確保するように構成している。そしてインペラーの回転駆動力は、そのキャプセル内の上部に設けられた電動モータからの回転駆動力をマグネットカップリングによって伝達することにより得ている。

より具体的には、本発明の一つの観点に係る軽水炉燃料試験装置用キャプセルは、キャプセル内に軽水炉燃料棒を固定して燃料棒の照射下挙動を試験するための軽水炉燃料照射試験装置用キャプセルであって、前記キャプセルの下部内に封入された、前記燃料棒を冷却するための冷却水、該冷却水を強制的に循環させるため、前記キャプセル内に設けられたインペラー、前記キャプセル下部と隔壁で分離された前記キャプセル上部に設置された電動モータ、前記電動モータから与えられる回転駆動力を、マグネットカップリング方式によって該インペラーに伝達するため、前記隔壁を挟んでキャプセルの上部と下部にそれぞれ設けられたアウターマグネットとインナーマグネット、及び前記インペラーによって強制的に循環させられる冷却水を前記燃料棒周囲に導くと共にその循環経路を確保するための仕切管を備えた構造になっている。

なお、300℃前後の高温となるキャプセル下部の冷却水側のインナーマグネットとしては、耐熱性に優れるサマリウムコバルト磁石（以下、サマコバ磁石と呼ぶ）を使用し、キャプセル上部のアウターマグネットにはより一層磁力の強いネオジム磁石を使用することが好ましい。

本発明では、閉塞されたキャプセル内に冷却水を強制的に循環させるための手段を設けているので、試験燃料棒の破損時に核分裂生成物を閉じ込める機能を有しながら、実際の発電プラントの照射条件を精度良く模擬した燃料照射試験を行うことが可能となる。

本発明の一実施形態にかかるキャプセルの構造とそれに接続された電動モータを表わしている概略図である。 本発明の一実施例におけるキャプセルの、インナーマグネットとアウターマグネットの具体的寸法関係を表わす図である。 電動モータの回転数と冷却水の流速の関係を表わすグラフである。 マグネットカップリングの温度特性を表わすグラフである。 従来型キャプセルを用いた燃料照射試験の概略説明図である。 図５に示された従来型キャプセルの拡大図である。

本発明の理解を容易にするため、初めに、従来の照射試験装置とそれに使用するキャプセルの構造について、図５及び図６を参照して簡単に説明する。図５に、従来型キャプセルを用いた燃料照射試験装置の概略構成を示す。また、図５に示された従来型キャプセルの部分の拡大図を図６に示す。

図５に示されるように、キャプセル５０は、キャプセル交換機５３によって原子炉５１内への装荷または原子炉５１からの取り出しが可能になっている。照射試験時には、試験燃料棒をキャプセル５０内に取り付け、キャプセル交換機５３によって原子炉５１内に装荷する。この際、キャプセル５０の試験燃料装荷部が炉心５２に配置され、実際の燃料とほぼ同様の条件で照射試験を行えるように構成されている。なお、キャプセル５０の全長は、例えば、８ｍ程度あり、その上端は図５に示されているように原子炉圧力容器に固定されるようになっている。しかし、従来のキャプセルは、図６に示されるように、試験燃料棒６０の周囲は冷却水６１で満たされているものの、冷却水６１は、実際の発電プラントのように強制循環されるものではなく、冷却水６１に生じる自然対流によって流されているため、必ずしも実際の発電プラントの状態を十分模擬しているとは言えない。

これに対して、本発明の一実施形態に係る軽水炉燃料照射試験装置用キャプセルは、図１に示されるように、冷却水の強制循環手段を備えているため、より実際の発電プラントに近い状態を模擬できる。図１において、キャプセル１０の下部内には、そこに内包される冷却水１２を強制的に循環させるためのインペラー１３が設けられている。インペラー１３は、隔壁１９を介してキャプセル１０の上部内に設けられた電動モータ２０により駆動される。

高温高圧、さらには水中での電動モータの使用は、きわめて困難である。電動モータを高温高圧水条件の外側へ設置する場合にも、高温高圧の境界へ駆動軸を貫通させる必要があり、これもきわめて困難である。そこで、マグネットカップリング方式を用いて、隔壁１９を介してキャプセル１０の上部内に設置された電動モータの駆動力を、キャプセル１０下部内の冷却水12中に設置されたインペラー１３へ伝達するように構成している。

キャプセル内部には、試験燃料棒１１を取り囲むようにして両端が開放された仕切管１４が設けられる。前述のインペラー１３は、仕切管１４の上端付近に設置される。インペラー１３の回転により仕切管１４の下端から吸い上げられた冷却水１２が上端から排出され、仕切管１４の外周部を下降して再び仕切管１４の下端から吸い上げられるといった、冷却水１２の循環経路が形成される。

なお、キャプセルの外筒には、ヘリウムガスの断熱層が設けられている。この断熱層を真空にすることによって、断熱層の真空度を制御することでキャプセル外筒部の熱通過率を制御、すなわち循環する冷却水の温度を制御することもできる。強制循環機能に、この真空断熱層の機能を組み合わせることで、強制循環機能を備えただけのキャプセル装置よりも、より一層優れたループ型と同等の照射条件を提供することが可能となる。また、インペラー１３としては、中揚程渦巻きポンプ型のインペラーが好適である。

本発明の効果を実証するため、独立行政法人日本原子力研究開発機構のＪＭＴＲ（Japan Materials Testing Reactor）で使用できる軽水炉燃料照射試験用キャプセルを作製した。その実施例について、本発明の実施形態を示す図１と、マグネット構造の実施例を示す図２を参照して説明する。キャプセル１０の全長は約８mであり、キャプセル１０内に電動モータ２０、インナーマグネット１６、アウターマグネット１５、仕切管１４、インペラー１３などの強制循環機能部が設けられた。試験燃料棒１１は図１に示されているように仕切管１４の中央部に取り付けられた。インナーマグネット１６からインペラー１３までの距離は約１００mmで、仕切管１４の長さは約５００mmである。この実施例では、インペラー１３として日本機械学会発行の機械工学便覧に説明されているような比速度が中程度の中揚程渦巻ポンプ型を採用したが、これは当然キャプセルの使用用途や使用する原子炉の大きさ等によって変更可能な設計的事項である。なお、図示されていないが、電動モータ２０を制御するためのコントローラは、キャプセル１０の外部に設けられている。本実施例のキャプセル１０の外観構造は図５及び図６に示された従来型キャプセル５０と実質的に同一である。

また、本実施例では、電動モータの駆動力を伝達するマグネットカップリングのうち、高温となる冷却水側のインナーマグネットには耐熱性に優れるサマコバ磁石を、アウターマグネットにはネオジム磁石を用いた。本発明の一実施例において使用されたこれらマグネットの寸法と配置を図２に示す。図２の（a）は、各マグネットの配置を示すマグネットカップリングの軸方向断面図であり、(b)はその径方向断面図である。図２において、図１と同一の符合は同一物を示し、符号２１は、電動モータ２０の回転軸に結合された回転駆動力伝達部材を示している。アウターマグネット１５は、この回転駆動力伝達部材２１の内壁面に９０°間隔で2個設けた。

常温、常圧の条件で、上述のマグネットカップリングを採用したキャプセルで得られる冷却水の流速は図３に示すとおりである。図３に示されるように電動モータの回転数（rpm）と冷却水の流速（m/s）は一次比例関係にあり、流速を高精度に制御可能であることがわかった。

照射試験中は冷却水が300℃前後の高温であり、マグネットカップリングも高温となるため、磁力特性に変化が生ずる。そこで、高温となるインナーマグネットの温度（℃）と伝達トルク（N・m)の関係を調べた。その結果を図４に示す。温度が高くなることでマグネットカップリングの伝達トルクは低下し、また一度昇温すると磁力が低下、すなわち伝達トルクの低下が発生した。しかし、昇温を繰り返しても更なる磁力低下は生じず、約300℃でも0.2 N・m以上の伝達トルクが得られた。これは、インペラーを回転させるために必要なトルク約0.05 N・mに対して十分なトルクである。

１０ 改良型キャプセル、 ５０ 従来型キャプセル
１１ 試験燃料棒
１２ 冷却水
１３ インペラー
１４ 仕切管
１５ アウターマグネット（ネオジム磁石）
１６ インナーマグネット（サマコバ磁石）
１７ キャプセル外筒
１８ 断熱層
１９ 隔壁
２０ 電動モータ
２１ 回転駆動力伝達部材

Claims (3)

1. キャプセル内に軽水炉燃料棒を固定して燃料棒の照射下挙動を試験するための軽水炉燃料照射試験装置用キャプセルであって、
   前記キャプセルの下部内に封入された、前記燃料棒を冷却するための冷却水、
   該冷却水を強制的に循環させるため、前記キャプセル内に設けられたインペラー、
   前記キャプセル下部と隔壁で分離された前記キャプセル上部に設置された電動モータ、
   前記電動モータから与えられる回転駆動力を、マグネットカップリング方式によって該インペラーに伝達するため、前記隔壁を挟んでキャプセルの上部と下部にそれぞれ設けられたアウターマグネットとインナーマグネット、及び
   前記インペラーによって強制的に循環させられる冷却水を前記燃料棒周囲に導くと共にその循環経路を確保するための仕切管、
   を備えていることを特徴とする軽水炉燃料試験装置用キャプセル。
2. 請求項１に記載の軽水炉燃料試験装置用キャプセルにおいて、前記インナーマグネットがサマコバ磁石であり、前記アウターマグネットがネオジム磁石であることを特徴とする軽水炉燃料試験装置用キャプセル。
3. 請求項１または２に記載の軽水炉燃料試験装置用キャプセルにおいて、前記キャプセルの外筒に、真空度制御が可能な真空断熱層が設けられていることを特徴とする軽水炉燃料試験装置用キャプセル。

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