JP2013507631A - 核燃料集合体およびかかる集合体を備える原子炉 - Google Patents

核燃料集合体およびかかる集合体を備える原子炉 Download PDF

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Abstract

本発明は、核燃料集合体であって、その中に核燃料ピン(11)の束が配置されている、核分裂領域と呼ばれる中心部(10)、上部(14)および下部(12)に分割されている内部空間を画定するハウジング(2)と、冷却材供給用入口を備える下端部と、冷却材排出用出口を備える上端部と、上部プレナムおよび/または下部プレナムを備えるピン束中のピンと、ハウジングの内部空間下部(12)を、ハウジング(2)の壁面を貫通して相互連絡領域と呼ばれる、集合体を囲む領域(20)に連絡するための手段(18)であって、内部が所与の圧力しきい値未満になるように密封されている手段と、ハウジングの内側の上方中性子保護手段(22.1)とを備える核燃料集合体に関する。

Description

本発明は、原子炉用の集合体および少なくとも1つのかかる集合体を備える原子炉、より詳細には、GEN-IV Na-FNRとも呼ばれる第IV世代ナトリウム冷却高速中性子炉に関する。
一般には、原子炉の運転安全性を改善し、事故の場合の伝播リスクを限定しようとする試みが継続的に行われている。
原子炉は、その中に炉心が配置されている閉込め格納容器を備えており、この炉心は、隣接した燃料集合体を備えている。
集合体は、形状が円筒形であり、例えば、六角形であってもよく、集合体は、その中に燃料ピンが配置されているケーシングを備える。それぞれのピンは、その内側に燃料ペレットが積層されている被覆材と呼ばれる包装体からなる。ピンは、ペレット用の密封閉込め体を形成する。被覆材およびケーシングは、金属質である。ピンは、3つの主たるゾーン:すなわち、その中に燃料が配置されている核分裂ゾーンと呼ばれる中心ゾーン、おそらくは上部プレナムを備える上部ゾーンおよびおそらくは下部プレナムを備える下部ゾーンを備える。
ピンは、下部プレナムおよび/または上部プレナムを備え、プレナムは、核分裂ゾーンで長期間に発生する核分裂生成物からの形成物を吸収するために必要である。仮にプレナムがまったく存在しないと、核分裂生成物の発生のために核分裂ゾーン内の被覆材が変形し、したがって、冷却材の循環が危うくなると思われる。
冷却材は、それぞれの集合体内のピン間を循環することによって燃料から発生する熱エネルギーを排出する。次いで、このエネルギーは、電気エネルギーに変換される。GEN-IV Na-FNRの場合、冷却材は、溶融ナトリウムである。冷却材は、熱を抽出することによってそれを変換し、結果的に集合体を冷却し、集合体の過熱を防止する。
冷却材は、閉回路内で集合体の底部から上方にポンプによって循環する。冷却材からカロリーを抽出するために、集合体からの出口で1つまたは数個の熱交換器が設置されている。
予想される事故の1つは、例えば、冷却の問題による1つまたは数個の集合体の熱によるメルトダウン、次いで、この崩壊の活性炉心全体への拡大である。このメルトダウンの活性炉心全体への、すなわち、炉の包装体、またはおそらくは、炉の閉込め格納容器の破壊を引き起こす恐れのある隣接の集合体への伝播を防止しようとする試みがなされている。
こうした事故シナリオは、3つの相を含む:
-その間に内部炉心燃料集合体の崩壊機構が生ずる一次相-この崩壊は、被覆材の溶融、ペレットの崩壊、および集合体の核分裂ゾーンの空洞の拡大によるものである。1つまたは数個の集合体のこうした溶融は、多かれ少なかれ密封された空洞内に閉じ込められた液体炉心溶融物の沸騰浴の形成をすみやかに引き起こし、溶融材料が集合体の上部および下部に向かって移動する。炉心溶融物は、事故の場合に形成される場合のある、一緒に混合された溶融炉心の燃料および構造要素のマスであると定義される。
-集合体のケーシングの溶融のために生ずる炉心溶融物が横方向に伝播し、したがって、溶融を隣接集合体に伝播する遷移相。これは、集合体間の「汚染」機構と呼ばれる。
-この汚染が、炉心のすべての核分裂集合体に拡大し、広範囲に拡大した浴の形成をもたらす2次相。
こうした事故相の間、核分裂材料の圧密および再圧密は、原子炉容器の機械挙動を実際に危うくする恐れのある高エネルギー出力暴走をもたらす恐れがある。
集合体溶融の開始について数個の原因があってもよい。例えば:
-集合体へのナトリウム供給で欠陥がある場合がある。これは、一般に、制御ロッドの落下なしで、集合体中でナトリウムを循環させる1次ポンプの喪失と一緒に起きる場合があり;または、1つの集合体での供給欠陥によって局部的に存在する場合もある(この事故は、局部による全体の瞬時遮断またはより簡単にTIB事故と呼ばれる)、
-例えば、制御棒の無用な引き抜き、2次冷却の喪失、または炉心内での気泡の通過によって、集合体中の温度が異常に上昇するが、1次ポンプは正常に運転されている場合がある。
供給欠陥の場合、ナトリウムの蒸発が、核分裂の全高にわたり開始され、被覆材が乾燥し、次いで、被覆材が溶融するが、その溶融は、主として鋼の垂直円柱流を特徴とし、鋼は、より冷たい構造物に接触すると直ちに凍結する。この「凍結」鋼の集積物は、密実な金属坩堝を非常にすみやかに形成する。この場合、この坩堝の移動性は、それが核分裂カラムの底部に到達するまでは、被覆材の連続溶融に依存する。こうしたいわゆる「脱被覆」相の間に、上部プラグが部分的に形成される。これは、溶融鋼とナトリウムの間の相互作用現象、およびナトリウム蒸気による上方への溶融鋼の連行に由来する。次いで、このプラグは、被覆材の上部溶融先端に沿って移動する。
逆に、温度の異常上昇の場合、集合体のナトリウム供給は、中断されず、その結果として、溶融鋼とナトリウムの間の相互作用現象はより強く、より連続的である。
したがって、ナトリウム蒸気による上方への溶融鋼の連行に対する機構は、より効率的である。
この上部プラグの形成が進行することによって集合体へのナトリウムの供給が減少し、ついには事実上停止する。その理由は、ナトリウムがこれ以上上方に逃げることが不可能であり、またはそうすることがより困難になるからである。
次いで、上部プラグの下にあるゾーン内の圧力は、1次ポンプの揚圧に匹敵する値に到達する傾向がある。
次いで、集合体は、底部から排出される。
残りのシナリオでは、燃料ペレットの崩壊は、空洞を形成する傾向があり、この空洞は、軸方向に延伸し、核分裂カラムを高さ方向に徐々に覆う。被覆材由来の溶融鋼の一部分と一緒になった、核分裂カラムの底部近傍の燃料デブリ集合物は、下部プラグの形成を引き起こす。炉心溶融物流は、制御不能である。
かかる挙動は、原子炉容器の機械挙動を事実上危うくする恐れがある。これはまた、原子炉ユニットの閉込め格納容器の機械挙動を危うくする恐れがある。
したがって、生起する課題は、炉心溶融物流を制御することである。
したがって、本発明の目的は、インシデントが発生しても炉心溶融物の放射状伝播を限定することによって原子炉の底部に向かう炉心溶融物流を促進し、臨界リスクを低減できるように、より安全な原子炉および集合体構造体を開示することである。
上述の目的は、集合体中で炉心溶融物の上昇を限定し、核分裂ゾーンでそれが集積するのを防止し、したがって、炉心溶融物が放射状に伝播するリスクを軽減しつつ、崩壊状態でも集合体の一部分を通ってナトリウムの循環が可能である手段を備える核燃料集合体によって実現される。
これは、核分裂ゾーン上方の集合体の上部でのプラグの形成を促進し、集合体の下部で集合体の内側と集合体間ゾーンとの間の連絡を可能にすることによって行われる。
核分裂カラム上方の上部プラグの形成によって集合体中の炉心溶融物の上昇が限定される。
集合体の内側と集合体間ゾーンとの間の連絡を創出することによって冷却材の排出が可能になり、これによって、炉心溶融物が加圧冷却材の作用下で上昇するリスクが限定される。さらには、こうした連絡の創出によって、冷却材が集合体内および集合体外で循環を続け、溶融ゾーンから熱を排出することが可能になる。
特に有利な方式では、炉心溶融物を集合体の下方に排出することを促進することによって炉心溶融物が集合体の核分裂ゾーンから取り出され、この溶融材料が隣接集合体から離れたところで取り出され、炉心溶融物が隣接集合体内へ伝播することが防止される。これは、ピンの下部ゾーンを弱くすることによって行われる。使用される手段は、受動的であり、外部からの制御をまったく必要としない。
この特に有利な実施形態は、事故発生時においてそれぞれの燃料集合体内部の炉心溶融物の下方への移動に対する制御を改善する。
ピンの下部を弱くすることによって、炉心溶融物の下方への伝播を促進することができる。炉心溶融物の下方への移動は、有利には、大きな慣性を有する材料の存在を除去すること、例えば、下方の軸方向ブランケットまたは「LAB」(すなわち、ピン束の底部近傍の核燃料親ペレットの存在)を除去することによって促進される。
別の例では、ピン束中の下部中性子保護部が除去される。その理由は、それによって、壁面の炉心溶融物を凍結することができ、それによって炉心溶融物が下方に移動するのを防止できると思われるからである。
さらなる別の例では、ピンの下端部の直径を低減することによって材料の量が限定され、事故発生時において溶融材料の集積が促進される。
本発明は、激烈な炉心メルトダウン事故の場合において局部的な崩壊が放射方向に拡大することを防止し;炉心の活性部分上の拡大空洞中に閉込められた全体にわたる炉心溶融物浴の形成に向けての1次相から遷移相への変化を防止する。
したがって、これによって、その相の間中は核分裂材料の圧密/再圧密のリスクを排除できない2次相の発生を防止する。
これは、臨界/再臨界の場合に起きる恐れのある、原子炉容器および原子炉ユニットの閉込め格納容器の機械挙動を危うくすることを防止し、次いで、随伴する出力暴走は非常な高エネルギーになる恐れがある。
有利には、溶融が集合体で開始されると、他の集合体の核分裂ゾーンから離れたところでの炉心溶融物の排出を促進し、放射方向への炉心溶融物の伝播を防止するように、下方軸方向における溶融が促進される。
これは、ケーシングの上部における炉心溶融物の凍結を促進し、下部構造物を弱めることによって炉心溶融物の下方移動を促進しかつ下部プラグの形成リスクを低減することによって行われる。
有利には、それぞれの集合体に付属するレキュパレータは、炉心溶融物を回収するために集合体の下部ゾーンに設置される。レキュパレータは、臨界のリスクを低減することができる。有利には、このレキュパレータは、中性子吸収材料を含むことができる。
本発明の主題事項は、主として、核燃料集合体であって、
-その中に核燃料ピン束が配置されている核分裂ゾーンと呼ばれる中心部、上部および下部に分割されている内部空間の境界を定めるケーシングと、
-冷却材供給用入口を備える下端部と、
-冷却材排出用出口を備える上端部と、
-上部および/または下部プレナムを備えるピン束中のピンと、
-ケーシングの壁面を貫通する集合体間ゾーンと呼ばれる集合体を囲むゾーンによってケーシングの内部空間の下部との連絡を創出する手段と、
-内部上方中性子保護手段と呼ばれるケーシングの内側に配置された上方中性子保護手段とを備える核燃料集合体である。
有利には、少なくとも1つのピンは、その下端部にいかなる核燃料親材料も含まない。
やはり有利には、少なくとも1つのピンの下端部は、前記ピンの他の部分の外径より小さい直径を有する。
少なくとも1つのピンの少なくとも下端部は、炉心溶融物の温度より低い融点を有する金属製、またはその合金の相図が炉心溶融物の温度より低い平衡温度において共晶点もしくは包晶点を有する合金製であることが可能であり得る。
例示的な一実施形態では、少なくとも1つのピンは、上部プレナムのみを備える。
少なくとも1つのピンは、いかなる下部中性子保護部も備えない場合もある。有利には、必ずしもすべてのピンが、何らかの下部中性子保護部を備えるわけではなく、下部中性子保護部は、ケーシング内に一体化されている。
ケーシングの下部は、核分裂ゾーンの直径より小さい内径であってよく、それは、核分裂ゾーンを囲む壁面より厚いケーシング壁によって囲むことができ、こうして下部中性子保護部を形成する。
ケーシングの内部空間下部と集合体間ゾーンの間の連絡を創出する手段は、例えば、下部を囲むケーシング壁を貫通するチャネル、および下部において所与の圧力しきい値未満でチャネルを閉鎖する手段を備える。例えば、閉鎖手段は、破裂板、排気弁または逆止弁で形成することができる。
内部上方中性子保護手段は、核分裂ゾーンの直径より小さい内径を有し、核分裂ゾーンを囲む壁面より厚いケーシング壁によって囲まれたケーシングの上部によって形成することができる。
例示的な一実施形態では、内部上方中性子保護手段は、ピン内に統合され、ピンの上端部を形成する。
別の例示的な実施形態では、内部上方中性子保護手段は、ピンの上方およびピンと同一直線上に配置される。
核燃料親材料は、内部上方中性子保護手段に固定し、それぞれのピンと付属の内部中性子保護手段の間に置くことができる。
ケーシングは、有利には、その外側面上に突起を備え、この突起が、それを囲む他のケーシング面と接触してスペーサを形成することになる。前記突起は、好ましくは、概略、核分裂ゾーンにおいて配置される。
例えば、ケーシングは、多角形断面を有し、外部頂点は、有利には、切頂されているおよび/またはケーシングの高さの少なくとも一部分を超えて延伸する溝が設置されている。
本発明の主題事項はまた、本発明による集合体の組と炉心溶融物レキュパレータの組でもある。
例えば、炉心溶融物レキュパレータは、ケーシング内側から流出する炉心溶融物を収集することになるジャーの形態であってよい。
一実施形態では、炉心溶融物レキュパレータは、冷却材供給口と核分裂ゾーンの間のケーシング中のハウジング内に収まる。
レキュパレータハウジングの内面とレキュパレータの外面の間の通路断面は、例えば、集合体冷却材供給用入口通路の断面に概略等しくすることができる。
有利な例では、レキュパレータは、供給用入口と供給用出口の間の冷却材流動通路が開いている高い位置から、供給用入口と供給出口の間の冷却材流動通路が閉じている低い位置まで移動することができる。炉心溶融物レキュパレータは、弾性手段によってまたは溶融性支持タブによって高い位置に保持することができる。
別の実施形態では、炉心溶融物レキュパレータは、ケーシングの下方に配置される。例えば、前記炉心溶融物レキュパレータは、集合体に固定してもよく、また集合体を支持するダイアグリッドの下方に位置するダイアグリッドによって支持してもよい。
有利には、炉心溶融物レキュパレータは、中性子吸収材料を含む。
本発明の別の主題事項は、複数の集合体のうちの少なくとも1つが本発明に適合し、互いに隣接して配置され、集合体間の集合体間ゾーンの境界を定める複数の集合体と、集合体内の冷却材循環ポンプとを備える原子炉である。
本発明の別の主題事項は、本発明による少なくとも1組を含み、互いに隣接して配置され、集合体間の集合体間ゾーンの境界を定める複数の集合体と、集合体内の冷却材循環ポンプとを備える原子炉である。
例えば、原子炉は、液体ナトリウム冷却炉である。
本発明は、以下の説明および添付の図面を読んだ後により良く理解されよう。
本発明による核燃料集合体の例示的な一実施形態の縦断面概略図を示す。 本発明による燃料ピンの例示的な実施形態を示す。 本発明による燃料ピンの例示的な実施形態を示す。 本発明による燃料ピンの例示的な実施形態を示す。 本発明による燃料ピンの例示的な実施形態を示す。 事故の一次相における本発明による数個の集合体の縦断面図である。 本発明による一組の集合体の横断面図である。 集合体内部に統合された炉心溶融物レキュパレータを備えた本発明による集合体の別の例の縦断面図を示す。 本発明による炉心溶融物レキュパレータの例示的な一実施形態を示す。 集合体内に統合された本発明による炉心溶融物レキュパレータを備え、また集合体ケーシング内側に受動的炉心溶融物閉込め系を形成する本発明による集合体の2つの例示的な実施形態の図である。 集合体内に統合された本発明による炉心溶融物レキュパレータを備え、また集合体ケーシング内側に受動的炉心溶融物閉込め系を形成する本発明による集合体の2つの例示的な実施形態の図である。 集合体内に統合された本発明による炉心溶融物レキュパレータを備え、また集合体ケーシング内側に受動的炉心溶融物閉込め系を形成する本発明による集合体の2つの例示的な実施形態の図である。 集合体内に統合された本発明による炉心溶融物レキュパレータを備え、また集合体ケーシング内側に受動的炉心溶融物閉込め系を形成する本発明による集合体の2つの例示的な実施形態の図である。 集合体と、集合体の下に配置され、本発明により集合体に固定されたレキュパレータとを備える集合体の一例の縦断面図を示す。 集合体と、集合体の下に配置されているが、本発明により集合体に固定されていないレキュパレータとを備える別の集合体の例の縦断面図を示す。
本説明では、「ピン」という用語は、特に高速中性子炉で使用される少なくとも1つの核分裂材料を含む燃料棒を指す。
図1は、ケーシング2と、ケーシング2の内側に配置された燃料ピンとを備える本発明による集合体Aの一実施形態を示す。
示された例では、ケーシング2は、円柱形状であり、六角形断面を有し、図1に示すように垂直に配置することができるX軸を備える。
明らかに、それに対するケーシングが、円柱形状であり、円形断面を有する集合体は、本発明の範囲に含まれると思われる。
ケーシング2は、それを通って冷却材が侵入する第1の下端部6と、それを通って冷却材が排出される上端部8とを備える。
冷却材は、一次ポンプと呼ばれるポンプ(示さず)の作用下で閉回路(示さず)で連続的に循環する。冷却材の循環は、矢印Fによって図示されている。
例えば、Na-FNRでは、冷却材は、液体ナトリウムであってよい。しかし、本発明による集合体は、他の冷却材、例えば、硫黄(S)、リチウム(Li)、セレン(Se)、スズ(Sn)、ビスマス(Bi)、鉛(Pb)、ガリウム(Ga)およびインジウム(In)などの純物質、ナトリウム(Na)を含めての少なくとも1つの上述の純物質を含む二元もしくは三元合金[例えば、鉛ビスマス(Pb-Bi)、鉛-カリウム(Pb-K)、鉛マンガン(Pb-Mg)、鉛ナトリウム(Pb-Na)、ナトリウムカリウム(Na-K)、および鉛ビスマスリチウム(Pb-Bi-Li)]および溶融塩(ナトリウムを含めての上述の純物質のうちの1つを含む組成物を含む)[例えば、Li2BeF4、NaF-ZrF4、LiF-NaF-KF、LiF-RbF、LiF-BeF2、NaF-BeF2、NaF-ZrF4、NaF-KF-ZrF4、NaF-NaBF4、RbF-PbBF4およびNaBF4]と一緒に使用することができる。KF-KBF4、NBF4またはRbF4など他の溶融塩も予想することができると思われる。
ケーシング2は、中心部10またはピン11束を含む核分裂部、下端部12と中心部10の間の下部12、および中心部10と上端部8の間の上部14に分割された内部空間の境界を定める。
示された例では、中心部10の内部横断部は、下部12および上部14の内部横断面より大きい。他方では、ケーシングの外部横断面は、下端部を除いて、高さ方向全体にわたり概略一定である。したがって、下部12および上部14の壁面12.1、14.1は、核分裂ゾーン10を囲む壁面より厚い。壁面の厚さのこうした変動は、上部ケーシングPNSおよび下部ケーシングLNPそれぞれに対する中性子保護部を形成する。
集合体Aは、他の集合体も取り付けられているダイアグリッドと呼ばれるサポート17内で集合体スタンド16と呼ばれる下端部上に取り付けられる。
集合体スタンド16は、外径が低減されたケーシング2の部分によって形成される。
本発明によれば、集合体ケーシング2は、ケーシングの下部12の壁面12.1内のチャネル18を備え、こうしたチャネル18は、集合体Aの内部容積を集合体間ゾーンと呼ばれる集合体の外部容積20に連結するように設計されている。
正常運転中で、こうしたチャネル18は、閉じられ、冷却材圧が所与の圧力しきい値を超える場合のみに開放されることになる。
したがって、受動的な閉鎖手段(示さず)が、チャネル18内に設置されている。それらは、逆止弁、排気弁または所与の圧力を超えると壊れる破裂板であってよい。
受動的な性質のために、いかなる外部指令なしでもチャネルが開放されることが保証される。
集合体の溶融は、それが直ちに検出されなくても開始され得ることに留意されたい。したがって、安全手段、特に、集合体の溶融を軽減する手段の自律的な運転が望ましい。
チャネル18は、有利には、そのチャネルによって冷却材を集合体間ゾーン20に向けて均一に排出することが可能になるように、ケーシングの包装物の周縁全体にわたりおよびケーシングの下部の高さ全体にわたり分布している。
さらには、チャネル18は、有利には、冷却材循環方向でX軸に対して傾斜し、この配向によって集合体間ゾーン20に向かう流動が促進される。
さらには、チャネルの直径は、有利には、集合体間ゾーン20内の2つのケーシング間の距離に概略等しくなるように選定される。
一例として、本発明者らは、原子炉運転の崩壊に適合したチャネル18の本数を決定することになる。
世界的におよびすべてのNa-FNRの場合、ナトリウムは、約400℃で集合体の底部から入り、次いで、燃料によって加熱された後に550℃で出る。核分裂カラムに沿ってのその温度上昇は、約150℃である。
この温度は、核燃料ピン束の上の周囲圧におけるその沸点から約330℃高いところにある。その理由は、ナトリウムは、沸騰すべきではないからである。
この場合、周囲圧は、ナトリウムカラムの重量およびカバーガスプレナム内の圧力を考慮する。原子炉の屋根は、正常、インシデントおよび事故運転中に容器の熱膨張を吸収できる中性で非凝縮性のガスからなる容器の上部に位置する自由体積性のものである;正常運転中のその圧力は、1バール程度である。
集合体当り10%の供給不足が公称運転中に許容される場合、集合体内-集合体間の連絡チャネル18をはからずも開放しなければならないときに集合体間空間内に移送できるナトリウム流、および一定動力で集合体間ゾーンに向かう集合体内側のナトリウム流に対応して、核分裂カラムに沿ってのナトリウムの温度上昇は、10%になることになる。上述の特性のために、この上昇は、165℃のナトリウム出口温度に対応する。こうした条件下で、沸点までの余裕は315℃に減少する。したがって、温度は、ナトリウムが沸騰を開始する温度により接近する。しかし、この余裕は、沸騰を防止するのに依然として十分な大きさである。第一近似として、流量は通路の断面積に比例すると仮定するならば(幾何学的な特異性における流体/構造摩擦および圧損を無視して)、孔の必要数は、幾何学的特徴がPHENIX炉で規定されたのと類似している集合体に対して約30〜40になると思われる。したがって、孔の直径は、3mm程度である。
ケーシング2の内側から外側への流動が可能である。その理由は、集合体間ゾーン20の圧力が、ケーシングの下部の冷却材圧より低いからである。集合体間ゾーン内の冷却材は、正常状態下では循環しない;その圧力は、原子炉ユニット内の冷却材カラムの静水圧と原子炉屋根における圧力の和のみである。
この流動は、特に、集合体底部の圧損およびケーシング入口のポンプによる圧の出力のために、集合体底部への冷却材流動よりはるかに容易である。
集合体内部ゾーン内の冷却材流動と集合体間ゾーンの冷却材流動の間の比は、炉心、集合体およびピンの特性の関数として、およびそれぞれの事故の型に特異的な異なる崩壊速度の関数として固定されている。この比はまた、
-ケーシングの下部の連絡孔の数およびその水力直径、
-連絡部を創出するための受動系、詳細には、その系が誘発する圧損、開放時間など、およびそれを越えると通路が開放されて流動が可能になる差圧に依存する。
集合体A間の冷却材の循環は、ケーシング2の下部における圧力低下を別として、数種の利点を有する。
第1に、集合体間で移送される冷却材は冷たい。その理由は、冷却材が、核分裂ゾーン10の上流側のゾーンに位置するからである。
したがって、冷却材はまた、集合体間空間内の循環によってケーシング2の外面を冷却する手段を形成する。したがって、冷却材は、ケーシングの熱溶融を遅延させるのに参加する。
第2に、集合体の内側と外側の間の冷却材循環によって、インシデントをよりすみやかに検出することが可能になる。
ケーシング内の冷却材は、下方に移動する炉心溶融物によってもたらされる核分裂生成物を含む。
冷却材が、集合体間チャネル内を上方に移動するにつれて、冷却材は、遅延中性子信号検出器に向かってこうした生成物を上方に運ぶ。
本発明によれば、上部中性子保護手段の少なくとも一部分は、ケーシングの内側、ピン内および/またはケーシング内に形成されることになり、その保護手段は、より小さい直径を有する断面を作製することによって、上記の手段からある距離離れてピン上方に配置され、こうした手段によって提供される保護部は、上で説明したようにケーシング2の上部14.1の余分の厚さによって既に提供されている保護部の追加になる。
図2A〜2Dは、内部上方中性子保護手段と呼ばれるこうした保護手段の例示的な実施形態を示す。
図2Aは、核分裂ゾーンの下流側を向いた、ピン11内に直接統合されかつピンの上部縦方向端部を形成する内部上方中性子保護手段22.1を示す。この例では、ピンは、底部から上方に向かって、下部プレナム24、核分裂材料26、核燃料親材料28、上部プレナム30および内部上方中性子保護手段22.1を備える。
図2Bは、やはりピンの上端部を形成する内部上方中性子保護手段22.1を示すが、ピンは、いかなる核燃料親材料(「上部軸方向ブランケット」または「UAB」と呼ばれる)も含まない。
核燃料親材料がピン内に位置する必要は全く存在しない。核燃料親材料は、放射方向ブランケットと呼ばれる炉心外縁を形成する集合体内に収容されて、炉心の周縁部の周囲に配置されてもよく-この場合は、内部集合体は、必ずしもいかなる核燃料親材料も含むとは限らない-、また核燃料親材料は、図2Aに示された集合体の場合のように、燃料集合体(軸方向ブランケットという用語が使用される)の上部および/または下部に位置してもよい。
核燃料親材料は、原子炉の寿命全体を通して変化し、その結果、核燃料親同位体は、核分裂同位体に変化することができる。
図2Cおよび2Dでは、内部上方中性子保護手段22.2は、ピンから分離され、ピン上方に配置され、それと同一線上にある。図2Cでは、内部上方中性子保護手段22.2は、核燃料親材料と会合しており、図2Dでは、内部上方中性子保護手段は、単独に存在する。
図2Cおよび2Dに示された変形形態では、集合体は、ピン束および保護束を備え、保護束のそれぞれの要素は、概略、ピン11と同一線上にある。
したがって、保護部22.2は、主たるピン束と異なる幾何学的特徴を有する第2の型のピンによって形成される。集合体中の位置は、例えば、支持グリッドによって形成することができる。
例えば、中実円柱の形態のまたは小径中心孔を有する内部上方中性子保護手段22.1、22.2は、本発明の範囲外ではない。
内部上方中性子保護手段22.1、22.2は、例えば、ピン被覆材と同じ鋼から作製することができる。
ピン束において上方中性子保護手段の一部分をこのように置換すると、事故が発生した場合に、核分裂ゾーン10上方において密な上部プラグの形成が促進される。こうした保護手段22.1、22.2が、良好な熱慣性および良好な熱伝導度を有する材料である鋼から作製されると、炉心溶融物は、低い高さで凍結することができ、炉心溶融物の上方への移動を停止させる。保護手段の置換、および保護手段が個々に作製されるという事実は、特に効率的である。その理由は、保護手段22.1、22.2が、束の中に収容されているピンの数および直径に比例して、炉心溶融物に対して大きな交換面積を有するからである。
さらには、保護手段22.1、22.2は、中性子反射器として作用するので、ケーシングの上端部における上部中性子保護の高さが、少なくとも比例的には、減少する。さらには、束中の中性子保護手段22.1、22.2は、ケーシング中でより均一に分布し、したがって、ケーシングによって形成される保護部より中性子漏洩に対して効率的である。
明らかに、図2A〜2Dのピンの組合せから形成される上方中性子保護構造体は、本発明の範囲外ではない。例えば、保護部は、ピンの内側およびまたピンの上方で設置することができる。
さらに有利には、ピンの下端部は、炉心溶融物を凍結することによって炉心溶融物の下方への移動を遅延させる可能性があると思われる冷温ゾーンを除外または少なくとも低減するように改変されており、ピンの下端部はまた、その溶融を促進し、かつ炉心溶融物の下方への移動を促進するために可融性になってもいる。
図2A〜2Dはまた、本発明によるピンの下端部の例示的な実施形態を示す。
特に有利な一実施形態では、下部軸方向ブランケットとも呼ばれるピン下端部の下部核燃料親材料の存在は、低減または除外すらされている。
下部核燃料親材料は、集合体のすべてのピンから、またはピンの一部においてのみ欠落させることができる。したがって、下部核燃料親材料の全部または一部の欠落によって、ピン束の下部における材料の存在、したがって、炉心溶融物凍結のリスクを創出するマスの存在が低減する。
本発明の有利な実施形態に対応する炉心は、本発明による複数の集合体を備えることができ、下部核燃料親材料の存在の有無に応じて異なる集合体を提供することが可能であると思われる。
有利な例では、ピンの下端部における下部中性子保護部の存在を排除することが可能であると思われる。これは、すべてのピンまたは一部のピンのみに適用することができる。
この保護部を排除することに関連する利点は、下部軸方向ブランケットの全部または一部の除去によるものであると述べられた利点に類似している。
次いで、下部中性子保護部(PNI)は、有利には、上述したようなケーシング2の壁面の過剰な厚さによって示されたケーシング内に統合される。したがって、ピンの下端部における構造物の量は、非常に多量に低減される。
したがって、こうした材料の熱慣性による溶融材料の凍結リスクは低減される。溶融材料は、より容易に下方に流れることができる。
下部中性子保護部PNIを形成するケーシング下部の高さは、取得すべきである反射力の関数として選定される。
さらには、ケーシングの下部12内のチャネル23の水力直径は、有利には、集合体16の底部に形成された冷却材供給窓31の水力直径に概略等しい。窓31は、示された例の側面に示されている。
この直径によって、炉心溶融物の凍結または炉心溶融物デブリの妨害によるいかなる閉塞も引き起こすことなく炉心溶融物のすべての下方移動が可能になる。炉心溶融物の下方移動は、主として、パケットで行われ、ナトリウムと接触するとマスで凍結してデブリを形成する。
さらには、このデブリは、冷却されると突然破壊し(液体/固体密度の変化)、より小さいデブリを形成する恐れがあり、そのデブリ直径は、ケーシング内の下部中性子保護部(PNI)における通路断面と比較して依然として小さいままである。
さらに有利には、ピン11の被覆材の下端部の可融性は、改善することができる、すなわち、被覆材の溶融は、それを促進することによって炉心溶融物の下方移動を促進することができる。ピンの被覆材の下端部を形成する金属または合金は、有利には、炉心溶融物の移動に対する抵抗がより小さいように、より低い熱慣性を有するためのより薄い被覆材、またはより低い融点(固相線温度)、または、該当すれば、ピンの被覆材の他の部分を形成する他の材料の温度より低い共晶点もしくは包晶点を相図中の低温で有することを提供するように選定される。
下部プレナム被覆材の領域に要求される溶融温度は、1300Kのオーダーである。
図2A〜2Dでは、ピンは、下部プレナム24を備える。次いで、溶融がより容易になるように、下部プレナムを弱くすることが計画される。図は、本発明における下部プレナム24の例示的な実施形態を示す。その外径は、厳密に同じ被覆材厚さを保ちつつ、核分裂ゾーン内のピンおよび上部プレナム30の被覆材の直径より小さい。この直径の低減は、それが溶融する材料の量を低減するという事実とは別に、下部プレナム24のピン間の冷却材の通路断面を増加させることができる。その結果は、被覆材、および核分裂ゾーン由来のペレットによって形成される溶融材料が下部プレナムに到達すると、溶融材料のより大きいマスは下部プレナムの被覆材の周囲に捕捉することができるということである。その結果、下部プレナムの被覆材の周囲の熱エネルギーはより大きく、そのために下部プレナム被覆材の溶融が促進される。
例えば、下部プレナムのピンの外径は、ピンの核分裂ゾーンで規定される直径より10%〜40%小さくてもよい。
例示的な一実施形態では、すべてのピンまたは一部のピンのみは、下部プレナムを備えない。
下部プレナム、および下部中性子保護や下部軸方向ブランケットなど他の構造物がまったく存在しない場合、溶融する材料の量、および炉心溶融物の進行に対する障害物を形成できる材料の量はゼロになる。
有利には、被覆材が形成されるピンは、数種の材料から作製することができる。例えば、第1の材料は、核分裂部分および上部のピンの被覆材のために選定することができ、第2の材料は、ピンの下端部を覆う、例えば、下部プレナムを形成する下部のために選定することができると思われる。ピンの上部より低い温度で溶融が起こる材料をピンの下端部に有するという事実によって、正常運転中の問題は創出されない。その理由は、こうした材料は、冷温領域に位置し、そのために正常運転中では溶融に対して大きな余裕がもたらされるからである。
さらには、下部プレナムの分離を促進することは、ピン束の下部プレナムが核分裂ゾーン10の直下に設置されている支持グリッド(示さず)も、同時に分離できることを意味する。こうした構造物の分離は、ケーシングの通路断面を開放し、炉心溶融物の下方伝播を促進する。
さらには、下部プレナムの円柱形状は、その溶融または熱による弱体化をさらに促進する。
核分裂ゾーン10の底部のペレットの第1列の溶融/崩壊中に、炉心溶融物は、こうした管の内側に侵入し、したがって管をよりすみやかに溶融することができ、また炉心溶融物は、管の耐熱性を小さくすることもできる。
有利には、図4に示されたスペーサ34は、集合体A間、詳細には、運転条件に拘らず集合体間チャネルを開放しておくことになるケーシング2間に設置される。スペーサ34は、炉心溶融物の下方移動をさらに促進する。集合体間チャネル20が事故発生時において開放されると、集合体間チャネル20によって、エスケープチャネル18を通る冷却材の循環が可能になり、そのために炉心溶融物の下方移動が促進される。
好ましくは、スペーサ34は、集合体Aの核分裂ゾーン10において、ケーシングの放射方向の膨張が最大である位置に配置される。こうしたスペーサは、集合体間チャネルを閉鎖するリスクを防止または少なくとも低減する。
スペーサ34の形状および寸法は、必要な冷却材流動の関数として選定される。
こうしたスペーサ34は、原子炉の正常な運転を妨害しないが、その理由は、冷却材が正常運転中には集合体間で循環しないからであるということに留意されたい。
やはり有利には、および図4から分かるように、ケーシング2の外頂部36は、放射膨張の場合でも集合体間チャネルの存在を確実にするために先端を切断することができる。
チャネルを画定する3つのケーシング2が、その外面によって対で接触する場合、残りの集合体間チャネルが存在することになる。
さらにより有利には、および示されるように、凹んだ溝が、ケーシングの核分裂ゾーンの全長にわたり角に形成され、それが、より大きな断面チャネルの境界を定める。
明らかには、スペーサは、追加することができるおよび/またはケーシングのコーナーは、凸部を切断することができる。
上述の本発明によるピンの特徴は、集合体の束のすべてのピンまたはその一部のみに適用することができる。したがって、単一集合体のピンは、形状および構成において必ずしも同一ではない。
有利には、本発明による集合体はまた、集合体の下端部においてまたはその下方でケーシングの内側に位置する個別の炉心溶融物レキュパレータを備えることもできる。
本発明による原子炉は、それぞれが集合体と合体した複数のレキュパレータを備え、次いで、それぞれのレキュパレータは、レキュパレータが合体している集合体から炉心溶融物を回収するように設計されている。
灰皿とも呼ばれているレキュパレータは、ジャーの形態であり、集合体の内部崩壊に由来する炉心溶融物の全部または一部を回収することになる。
図5は、集合体内側に統合された炉心溶融物レキュパレータ38が設置された集合体の例示的な一実施形態を示す。
この例示的な実施形態では、レキュパレータ38は、冷却材供給窓31が設置された集合体底部7とエスケープ導管18が設置されたゾーンの間でケーシング2内に格納されている。
ケーシング2は、下部中性子保護部と冷却材の入口末端の間に位置するハウジング40を備える。
レキュパレータ38は、例えば、接続タブ(示さず)によってハウジング40に固定され、その配置および形状は、冷却材流に対するその作用を最小化する。
レキュパレータ38は、ジャーの形態であり、ジャーの断面の形状は、ケーシングの断面、すなわち、六角形または円形の断面と概略同じである。したがって、ジャーは、底部42、側壁44、および炉心溶融物がジャー内に侵入することになる上端部46を備える。
レキュパレータの壁面44とケーシング2のハウジング40の壁面の間の通路断面47は、有利には、その断面が、原子炉の正常運転に対する妨害を限定するために、ハウジング40の上流壁面および下流壁面に対応するような大きさになっている。
有利には、ジャーの底部42は、傾斜プロファイルを有し、対応するハウジング40の部分もまた、圧損を限定するために傾斜している。
やはり有利には、ハウジング40と、導管が形成されているゾーンとの間の連結部48は、X軸の方向に傾斜した側壁を備え、そのために、圧損を低減し、冷却材をハウジング40から出口へ向かわせている。
レキュパレータ38の高さおよびしたがってその容積は、集合体の崩壊中に形成され得る炉心溶融物の量の関数として選定され、レキュパレータ38の厚さは、この炉心溶融物のマスを保持するように決定される。
レキュパレータ内に収容できる炉心溶融物量は、レキュパレータ内に収容された炉心溶融物のマスが、設計事故シナリオのいかなるものに対しても臨界に確実に到達できないように、中性子の側から決まる。
事故後に炉心溶融物の冷却を促進することも有利である。例えば、これは、レキュパレータ38の外表面に、冷却材との熱交換を増進させるフィン(示さず)を設置することによって行うことができる。
やはり有利には、所与の空隙率を有する材料を使用してレキュパレータ38におけるケーシングの外側から内側への冷却材蒸気の循環を可能にする。しかし、この空隙率は、炉心溶融物の閉込めを改変するようなものではない。
好ましくは、レキュパレータは、臨界リスクを低減または除去さえできる中性子吸収材料50を備える。
例えば、この材料は、図5に示すようにレキュパレータの底部に、例えば、ボールまたは粉末の形態で配置することができる。
有利には、中性子吸収材料50を含むレキュパレータは、図5に示すようにレキュパレータ入口を閉鎖する蓋52を備えることができる。この蓋52は、溶融することができ、炉心溶融物の侵入を妨害することにならない。
この蓋は、冷却材を集合体の方に流すことによって中性子吸収材料の上方移動を防止することができる。この中性子吸収材料は、ピン間に局部的なプラグを形成する恐れがあり、局部的な溶融を引き起こす恐れがあると思われる冷却の不具合を引き起こす恐れがある。
蓋は、フィルターまたはグリッド型の要素で置換することができる。グリッドを使用する場合、グリッドの孔は、ピンの三角ピッチと比べて十分に小さくなるように選定されるものとする。連行が発生すると、これは、1片の中性子吸収材料が主としてピン束に、詳細には核分裂ゾーンに捕捉され、崩壊機構、すなわち、ホットポイントの形成、被覆材の機械的または熱的破壊などを引き起こす恐れがある局部的冷却欠陥を発生させることを防止する。
レキュパレータの開口部が蓋52によって閉鎖された場合、レキュパレータの内側容積は、ピンプレナムで使用されるガスと同一であってよい非凝縮性の不活性ガスで充填されることになり、そのガスの圧力は、蓋52の不時の破壊を防止するように、ケーシングへの入口における冷却材の水圧と同じである。
正常運転中では、ガスの温度は、集合体入口における冷ナトリウムの温度と同じである。圧力は理想気体の法則(PV=nRT)に従うと仮定すると、ガス圧は、ガスが使用される時点でレキュパレータの容積内に導入されるモル数「n」のみで決まる(つまり、P/T一定における変形)。したがって、圧力は、温度上昇によるガス膨張効果下で原子炉の正常運転中の不時の障害を単純に防止するために決定することができる。
中性子吸収材料は、レキュパレータ壁面の内面を覆う被覆材の形態で作製することができる。この被覆材は、金属包装袋で覆われる。
この被覆材およびこの包装袋はまた、溶融を遅延させる障壁を形成する。さらには、この被覆材は、レキュパレータ中の炉心溶融物デブリの流動を妨げない。
中性子吸収材料は、レキュパレータの全高を覆うように、例えば、図6に示すようにバー53の形態で作製できると思われる。次いで、この材料は、円柱包装袋55の内側に取り付けられる。
この実施形態に関しては、レキュパレータを閉じる必要はまったくない。
この実施形態は、レキュパレータの全高にわたり中性子吸収材料を均一に分散するという利点を有する。
有利には、レキュパレータを使用することによって炉心溶融物をケーシングの内側に閉込める;こうした変形形態を図7A〜7Bおよび8A〜8Bに示す。
図7Aおよび7Bでは、レキュパレータ38は、それを通って冷却材が到着するハウジング40の下端部と一緒に逆止弁を形成する。レキュパレータは、栓を形成し、ハウジング40の下端部は逆止弁の座を形成する。
スプリング型の弾性手段54が、集合体16の底部とレキュパレータ38の底部の間に設置され、レキュパレータ38に上向きの力を印加する。
中性子吸収材料50を含むレキュパレータ38が炉心溶融物を含まない場合、レキュパレータは、ハウジング40の下端部から一定の距離でスプリング54によって上方の位置に保持される。
正常運転中では(図7A)、レキュパレータ38は、高い位置に保持され、ケーシング2とレキュパレータ38の間の通路は、開いている。
集合体の崩壊が存在する事故発生時中では(図7B)、炉心溶融物Cが、レキュパレータ38中に流れ、炉心溶融物Cの重量が、炉心溶融物の所与量を超えたスプリング54の荷重に対抗し、レキュパレータ38が下方に移動し、その底部42が、ハウジング40の下端部に接触し、冷却材の到着に対してハウジング40を閉じる。したがって、炉心溶融物Cは、ハウジング40内に閉込められ、したがって、無傷のままである炉心部分を保護する。さらには、この閉鎖は、比較的不浸透性であり、そのために、集合体間ゾーン20において核分裂生成物のチャネル18からの放出を促進し、上で説明したように事故をよりすみやかに検出することが可能になる。
図8Aおよび8Bでは、レキュパレータは、正常運転であり、レキュパレータの上部をハウジング40の上部に連結するタブ52によって高い位置に保持されている。こうしたタブは、レキュパレータ中の炉心溶融物の重量と炉心溶融物との接触によるタブの溶融を合わせた効果によって破壊されることになる。タブは、低融点を有する材料から、または共晶点または包晶点を有する合金から作製して炉心溶融物の存在下の破壊を促進することができる。
この変形形態は、図8Aおよび8Bの例示的な実施形態で説明したのと類似の方式で機能し、したがって、詳細には説明しないことにする。
図9は、やはり、集合体およびレキュパレータからなる集合体の別の例示的な実施形態を示し、そこでは、レキュパレータは、ケーシングの外側および下方に、より詳細には、冷却材供給口の下方および集合体に固定されて配置される。
図9では、レキュパレータ38は、ケーシング2の下方で、集合体の冷却材供給窓31の下方に、すなわち、ダイアグリッド17の下方に固定されている。レキュパレータ38は、集合体16の底部への延伸部を形成する。
集合体のケーシング2の外側のレキュパレータのこの配置は、レキュパレータがケーシング2内側の圧損を引き起こさないという利点を有する。さらには、レキュパレータ38は、「冷たい」冷却材CF内に常に浸漬され、したがって、これが事故後の炉心溶融物の冷却を促進する。
レキュパレータは、これまでの例の場合と同様に中性子吸収材料50を含むことができ、この材料に適用可能な特徴およびレキュパレータ38中のその構造もまた、このレキュパレータに対して適用可能である。
図10は、レキュパレータ38’が、集合体16のスタンドの下方に配置されているが、スタンドに固定されず、集合体の支持ダイアグリッド17の下方に配置された第2のダイアグリッド58によって支持された別の例示的な実施形態を示す。例えば、第2のダイアグリッド58は、すべての集合体のレキュパレータ38’を支持する。
示された例では、集合体16の底部の下部縦方向端は、プレート60によって閉じられ、冷却材は、側面の窓31から入る。このプレート60は、それがレキュパレータ38’内への炉心溶融物の流動を妨げないように可融性になっている。プレート60は、有利には、炉心溶融物デブリを収容し、したがって溶融を促進できるように形状が凹であってよい。
前と同様に、レキュパレータ38’は、「冷たい」冷却材CC中に永続的に浸漬され、このために、事故後の炉心溶融物の冷却が助けられる。
この例示的な実施形態では、レキュパレータの直径は、集合体の底部の直径によって限定されず、したがって、その直径は、より大きくてよく、かくして炉心溶融物の収集の信頼性がより大きくなる。
有利には、中性子吸収材料50は、例えば、集合体16の底部の閉鎖プレート60上で、かつ集合体の内側のバーの形態であってもよいと思われる。
プレート60が集合体16の底部から離れると、次いで、バーは、炉心溶融物と一緒にレキュパレータ内に落下する。これによって、中性子吸収材料が、原子炉の全寿命を通して確実に効率が維持されることがより容易になる。
この場合、レキュパレータは、第2のダイアグリッドに固定され、40年と60年の間、原子炉の全寿命中、炉心下でその位置に留まる。
中性子吸収材料が、レキュパレータに固定される場合、その中性子吸収特性が、エージングの効果下、または炉心中の周囲放射の効果下で時間で変化しないことを確認することが必要になろう。材料が集合体に固定される場合において、中性子吸収材料の効率を評価することがより容易である。その理由は、集合体が、原子炉の寿命の間数回操作される(引き抜かれる、置換される、炉心内で移動する)からである。
図9の集合体はまた、この利点を有する。その理由は、材料が集合体と一直線上に固定されているので集合体を操作する場合材料は検査することができるからである。
本発明はまた、少なくとも1つの本発明による集合体、有利には、相互に隣接して配置され、ダイアグリッド17によって支持された数個の集合体を備える原子炉に関する。明らかに、集合体は、必ずしも同一ではない。詳細には、集合体は、例えば、ピンの数および型の点で、異なる構造および異なる構成を有することができる。
他の集合体への伝播を防止するための、集合体のインシデントの軽減における本発明による集合体の構造の効率は、感度調査と共にSIMMER III計算ソフトウエアを使用してモデル化され、実際に示されてきたし、このソフトウエアは、日本の原子力安全当局によって検証され、承認されている。このモデルは、事故を軽減し、炉心溶融物の下方移動を促進する点で本発明の非常に良好な効率を実際に示してきた。
本発明者らは、これから、図1および3を参照して本発明による集合体の運転を説明することにする。
図3は、事故状態での3つの集合体を示す。
図1に示された集合体Aは、正常運転状態である。
ピン11は、健全であり、冷却材は、ケーシング2の内側の集合体Aを通り底部から上方に移動し、ピン11によって放出される熱を排出する。
インシデントが発生する(図3)と、例えば、温度がピン11で上昇すると、冷却材の循環は、この過剰の熱を排出するのに不十分である。ピン11の核分裂ゾーン10の被覆材の部分が、ペレットと共に溶融を開始する。この溶融は、非常に熱い炉心溶融物と冷たい冷却材との相互作用によって上方に移動する炉心溶融物Cを創出する。ピン22の上部中性子保護部22.1は、いくらかの熱慣性を有し、炉心溶融物を凍結する。
次いで上部プラグ62が、上部中性子保護部22.1に形成される。
このプラグ62の存在は、冷却材が上方の方向に集合体Aを去ることを防止する。さらには、一次ポンプは運転を継続し、集合体の下部の冷却材圧は増加する。この圧力が所与のしきい値を超えると、チャネル18が開く。次いで、冷却材は、集合体の内側から集合体間ゾーン20へ流れる。
冷却材の循環は回復し、冷却材は、核分裂生成物を冷却材と共に運び、この核分裂生成物が、遅延中性子検出装置によって検出されることになる。
この循環はまた、ケーシング2の外表面を冷却する。
集合体Aの下部の冷却材圧は、降下し、炉心溶融物Cの下方移動を促進し、炉心溶融物は、もはや、集合体の頂部へ連行されない。
示された例では、炉心溶融物Cが、下方に移動するにつれて、可融性下部プレナム24と接触するようになり、したがって、これがその溶融を促進する。炉心溶融物は下方に移動し続け、いかなる要素もその下方移動を防止しない、すなわち、下部プラグを形成できる炉心溶融物を「凍結する」要素はまったく存在しない。
炉心溶融物Cは、集合体Aの下部に到達する。集合体Aが、図5、7A〜10に示されたような炉心溶融物レキュパレータ38または38’を備える場合、炉心溶融物は、レキュパレータを充たすことになる。図7A〜8Bに示された例示的な実施形態では、炉心溶融物で一杯のレキュパレータ38は、下方に移動し、ケーシング2内に炉心溶融物を単離する。
中性子吸収材料の存在は、臨界のいかなるリスクも防止することができる。
したがって、炉心溶融物は、隣接集合体の核分裂ゾーンから移動除去されてしまい、インシデントの放射伝播は、本発明により回避された。
本発明の特に有利な実施形態のために、すべての炉心集合体に対して1つの共通レキュパレータを備える代わりに、個々の炉心溶融物レキュパレータをそれぞれの炉心集合体に合体した容器内に統合するという事実は、炉心溶融物の回収を個別化する。
したがって、臨界マスは分割される。さらには、炉心溶融物の個々に回収された部分のそれぞれを中性子吸収材料の前に置くことによって、臨界リスクは、さらに、希釈機構および核分裂材料の中性子吸収および/または中性子吸収との混合によって低減する。これらは臨界質量分割機構の追加である。
約7つの集合体に等価の核分裂マスが集中される場合、臨界のリスクが一部の原子炉で実際に存在することが示された。この大きさの程度は、核燃料の富化および炉心の所与の集合体中に収容された核燃料のマスに依存する。こうした特定の原子炉に本発明による個別のレキュパレータを設置した集合体を使用することによってレキュパレータの核分裂マスは、臨界マスより1/7倍小さい。
本発明では、得られた結果は、炉心全体への放射伝播を防止し、したがって2次出力暴走に関連する問題点を除去するための、1つまたは数個の集合体で事故を軽減できる集合体構造および炉心構造である。
本発明による集合体は、ナトリウム冷却高速増殖炉の建造に特に適している。

Claims (30)

  1. 核燃料集合体であって、
    その中に核燃料ピン(11)の束が配置されている核分裂ゾーンと呼ばれる中心部(10)、上部(14)および下部(12)に分割されている内部空間の境界を定めるケーシング(2)と、
    冷却材供給用入口(31)を備える下端部(6)と、
    冷却材排出用出口を備える上端部(8)と、
    上部および/または下部プレナムを備えるピンの束中のピンと、
    前記ケーシング(2)の壁面を貫通する集合体間ゾーンと呼ばれる、当該集合体(20)を囲むゾーンによって前記ケーシング(2)の前記内部空間の前記下部(12)との連絡を創出する手段(18)であって、前記下部を囲む前記ケーシングの壁面を貫通するチャネル、および前記下部において所与の圧力しきい値未満でチャネルを閉鎖する手段を備える手段と、
    内部上方保護手段(22.1、22.2)と呼ばれる、前記ケーシングの内側に配置された上方中性子保護手段と
    を備える核燃料集合体。
  2. 少なくとも1つの前記ピンが、その下端部にいかなる核燃料親材料も含まない、請求項1に記載の核燃料集合体。
  3. 少なくとも1つの前記ピン(11)の前記下端部が、前記ピンの他の部分の外径より小さい直径を有する、請求項1または2に記載の核燃料集合体。
  4. 少なくとも1つのピン(11)の少なくとも前記下端部は、炉心溶融物の温度より低い低融点を有する金属製、またはその合金の相図が前記炉心溶融物温度より低い平衡温度において共晶点もしくは包晶点を有する合金製である、請求項1から3のうちの1つに記載の核燃料集合体。
  5. 少なくとも1つの前記ピンは、上部プレナムのみを備える、請求項1から4のいずれか一項に記載の核燃料集合体。
  6. 少なくとも1つの前記ピンは、いかなる下部中性子保護部も備えない場合もある、請求項1から5のいずれか一項に記載の核燃料集合体。
  7. 必ずしもすべてのピンが、何らかの下部中性子保護部を備えるわけではなく、前記下部中性子保護部は、前記ケーシング内に一体化されている、請求項6に記載の核燃料集合体。
  8. 前記ケーシング(2)の前記下部は、前記核分裂ゾーン(10)の直径より小さい内径を有し、前記囲んでいるケーシング(2)の壁面(12.1)は、前記核分裂ゾーン(10)を囲む壁面より厚く、こうして下部中性子保護部(LNP)を形成する、請求項7に記載の核燃料集合体。
  9. 前記閉鎖手段が、破裂板、排気弁または逆止弁で形成される、請求項1から8のうちの一項に記載の核燃料集合体。
  10. 前記内部上方中性子保護手段は、前記核分裂ゾーン(10)の直径より小さい内径を有し、前記核分裂ゾーンを囲む壁面より厚いケーシング壁(14.1)によって囲まれた前記ケーシング(2)の前記上部によって形成される、請求項1から9のうちの一項に記載の核燃料集合体。
  11. 前記内部上方中性子保護手段(22.1)は、前記ピン内に統合され、前記ピン(11)の上端部を形成する、請求項1から10のうちの一項に記載の核燃料集合体。
  12. 前記内部上方中性子保護手段(22.2)は、前記ピン(11)の上方および前記ピン(11)と同一直線上に配置される、請求項1から11のうちの一項に記載の核燃料集合体。
  13. 核燃料親材料(28)が、前記内部上方中性子保護手段(22.2)に固定され、それぞれのピン(11)と前記付属の内部中性子保護手段(22.2)の間に置かれる、請求項12に記載の核燃料集合体。
  14. 前記ケーシング(2)は、その外面上に突起(34)を備え、この突起が、それを囲む他のケーシング(2)の面と接触してスペーサを形成することになる、請求項1から13のうちの一項に記載の集合体。
  15. 前記突起(34)は、概略、前記核分裂ゾーン(10)に配置される、請求項14に記載の集合体。
  16. 前記ケーシング(2)は、多角形断面を有し、外部頂点は、切頂されているおよび/または前記ケーシング(2)の高さの少なくとも一部分にわたって延伸する溝が設置されている、請求項1から15のうちの一項に記載の集合体。
  17. 請求項1から16のうちの一項に記載の集合体と炉心溶融物レキュパレータ(38、38’)の組。
  18. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38、38’)は、前記ケーシング(2)の内側から流れる炉心溶融物を収集することになるジャーの形態である、請求項17に記載の組。
  19. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38)が、前記冷却材供給口(31)と前記核分裂ゾーン(10)の間の前記ケーシング(2)中のハウジング(40)内に収まる、請求項17または18に記載の組。
  20. 前記レキュパレータ(38)ハウジング(40)の内面と前記レキュパレータ(38)の外面の間の通路断面が、前記集合体冷却材供給用入口通路(31)の断面に概略等しい、請求項19に記載の組。
  21. 前記レキュパレータ(38)が、前記供給用入口(31)と供給出口の間の冷却材流動通路が開いている高い位置から、前記供給用入口(31)と供給出口の間の冷却材流動通路が閉じている低い位置まで動くことができる、請求項19または20に記載の組。
  22. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38)が、弾性手段(54)によって高い位置に保持される、請求項21に記載の組。
  23. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38)が、溶融性支持タブ(56)によって高い位置に保持される、請求項21に記載の組。
  24. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38)が、前記ケーシング(2)の下方に配置される、請求項17または18に記載の組。
  25. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38)が、集合体に固定されている、請求項24に記載の組。
  26. 前記炉心溶融物レキュパレータが、前記集合体を支持するダイアグリッド(17)の下方に位置するダイアグリッド(58)によって支持される、請求項24に記載の組。
  27. 前記炉心溶融物レキュパレータ(38、38’)が、中性子吸収材料(50)を含む、請求項17から26のうちの一項に記載の組。
  28. 複数の集合体のうちの少なくとも1つが請求項1から16のうちの一項に適合し、互いに隣接して配置され、集合体間の集合体間ゾーン(20)の境界を定める複数の集合体と、前記集合体内の冷却材循環ポンプとを備える原子炉。
  29. 互いに隣接して配置され、集合体間の集合体間ゾーン(20)の境界を定める請求項17から27のうちの一項に記載の少なくとも1組を備える複数の集合体と、前記集合体内の冷却材循環ポンプとを備える原子炉。
  30. 液体ナトリウム冷却炉である、請求項28または29に記載の原子炉。
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