JP2015515635A - 液体金属冷却原子炉用の燃料バンドル - Google Patents

Abstract

一実施形態では、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルが、チャンネルと、チャンネルの下方端部に固定された先端アセンブリと、チャンネルの内部に配置された複数の燃料棒とを備える。少なくとも１つの燃料棒が、燃料棒を取り囲み、その燃料棒を隣接する燃料棒から離隔する少なくとも１つの保護リングを備える。【選択図】図１

Description

実施例の実施形態は、全体に液体金属冷却原子炉に関し、より詳細には、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルに関する。

ナトリウム冷却高速炉などの液体金属冷却原子炉は、サーマルストライピングを被る可能性がある。サーマルストライピングは、燃料バンドルを出るナトリウム流内で高温点および低温点が発達する場合に発生する。これらの高温点および低温点は、長い時間をかけて損傷となる可能性がある、一次容器の上方部分内での熱応力の原因になる。

米国特許第４，０５６，４４１号明細書

一実施形態では、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルが、チャンネルと、チャンネルの下方端部に固定された先端アセンブリと、チャンネルの内部に配置された複数の燃料棒とを備える。少なくとも１つの燃料棒が、燃料棒を取り囲み、燃料棒を隣接する燃料棒から離隔する少なくとも１つの保護リングを備える。

別の実施形態では、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルが、チャンネルと、チャンネルの下方端部に固定された先端アセンブリと、チャンネルの内部に配置された複数の燃料棒とを備える。少なくとも１つの複数の燃料棒が、巻き付けられた棒である。巻き付けられた棒が、ワイヤでらせん状に巻き付けられ、複数の燃料棒の少なくとも１つが、巻き付けられていない棒である。

実施例の実施形態の上記および他の特徴および利点が、添付の図面を参照して実施例の実施形態を詳細に説明することによってより明らかになるであろう。添付の図面は、実施例の実施形態を図示することを意図し、意図する特許請求の範囲を制限すると解釈するべきではない。添付の図面は、明確に記さないのであれば、一定の縮尺で描かれていると考えるべきではない。

実施例の実施形態による、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルの図である。 実施例の実施形態による、燃料棒の実施例の図である。 図２Ａに示す燃料棒に隣接する燃料棒の図である。 燃料棒の底部から１メートルの点での燃料棒の下向き横断面図である。 燃料棒の底部から２メートルの点での燃料棒の下向き横断面図である。 別の実施形態による、燃料棒の下向き横断面図である。 巻き付けられた棒の図であり、燃料棒の長手方向の長さに沿った、ワイヤのらせん状巻き付け部を示す図である。 ２つの隣接する、巻き付けられていない棒の長手方向の長さに沿った、チャンネルの壁から突出するタブを示す図である。 タブの別の実施形態を示す図である。 別の実施形態による、燃料棒の下向き横断面図である。 ２つの巻き付けられた棒を示す図であり、ワイヤ巻き付け部が互いに反対の配向を有する図である。

詳細な実施例の実施形態を本明細書に開示する。しかし、本明細書に開示する特定の構造的および機能的詳細は、単に実施例の実施形態を説明する目的で表示する。しかし、実施例の実施形態は、多くの代替形態の中で実施可能であり、本明細書に説明する実施形態だけに限定されると考えるべきではない。

したがって、実施例の実施形態は、様々な修正形態および代替形態が可能であり、その実施形態が図面の中の実施例によって図示され、本明細書に詳細に説明することになる。しかし、実施例の実施形態を開示する特定の形態に限定する意図はなく、しかしそれとは反対に、実施例の実施形態は、実施例の実施形態の範囲内にあるすべての修正形態、均等物、および代替形態を包含するものと理解すべきである。図面の説明全体を通して、同じ符号は同じ要素を指示する。

第１の、第２のなどの用語は、本明細書で様々な要素を説明するために使用され得るが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきではないということを理解されたい。これらの用語は、１つの要素を他の要素から区別するためにだけ使用される。例えば、第１の要素は第２の要素と呼ぶことができ、同様に、実施例の実施形態の範囲から逸脱せずに第２の要素は第１の要素と呼ぶことができる。本明細書で使用する場合、「および／または」という用語は、１つまたは複数の関連する列挙された項目の任意のすべての組合せを含む。

ある要素が別の要素に「結合（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「連結（ｃｏｕｐｌｅｄ）」されていると言及する場合、その要素が他の要素に直接結合され、または直接連結されている可能性があり、あるいは介在する要素が存在する可能性がある。対照的に、ある要素が別の要素に「直接結合（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」または「直接連結（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ）」されていると言及する場合、介在する要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用する他の語は、同様に解釈されるべきである（例えば、「間に（ｂｅｔｗｅｅｎ）」対「直接間に（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ）」、「隣接する（ａｄｊａｃｅｎｔ）」対「直接隣接する（ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ）」など）。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態だけを説明する目的のためであり、実施例の実施形態を限定することを意図するのではない。本明細書で使用する場合、文脈でそうではないと明確に示さない限り、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、複数形も含むと意図する。本明細書で使用する場合、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」、および／または「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」は、記載する特徴、整数、ステップ、操作、要素および／または構成要素の存在を明示するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素、構成要素および／またはその群の存在または追加を排除するのではないことを更に理解されたい。

いくつかの代替実施の中で、記載する機能／作用が図面の中に記載する順番通りには発生しない可能性がある。例えば、連続して図示される２つの図面が、実際には概ね同時に実施される可能性があり、または関係する機能／作用に依存して、逆の順番で実施される可能性がある。

燃料バンドルまたはアセンブリは、原子力発電所の中で原子炉の主な熱生成要素である。液体金属高速増殖炉などの液体金属冷却原子炉内の燃料バンドル設計は、原子炉内の臨界アレイ内に配置可能であり、原子炉設計状態で、ナトリウムなどの液体金属によって容易に冷却可能である核分裂性材料の高信頼性アセンブリによってエネルギーを生成する。

図１は、実施例の実施形態による、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドルを図示する。特に、図１の燃料バンドルはナトリウム冷却原子炉に関して説明することになる。図示のように、燃料バンドルは、上方外側面上に複数の側面負荷パッド１１を有し、上方区域内に燃料棒１２、および下方区域内にオリフィス／被覆部分１３を中に含む六角形チャンネルまたはケーシング１０を備える。燃料棒１２は、その下方端部で燃料棒支持部１４内に固定されている。側面負荷パッド１１は、原子炉内の燃料アセンブリを離隔して、燃料アセンブリの挿入および歪みを許容し、ナトリウム冷却材内で面接触による摩擦を最小にする働きをする。先端サブアセンブリ１６は、チャンネル１０の下方端部に固定され、ナトリウム冷却材をチャンネル１０の中に導くための複数のナトリウム入口１７を含み、先端サブアセンブリ１６と、サブアセンブリ１６が内部に配置される支持構造体２０に付随する開口１９との間にナトリウムが漏れることを防止するために入口１７の対向する端部に封止１８を有する。構造体２０上の燃料アセンブリ支持点は、２１および２２で示されている。頂端部サブアセンブリ２３は、チャンネル１０の上方端部に固定され、ナトリウム冷却材は、燃料棒１２の周りを上方に通過して、チャンネル１０の上方端部内の内部ミキサ２４を通過し、頂端部サブアセンブリ２３内の２５で示される出口を通って排出される。

各燃料棒１２は、長い、中空のステンレス鋼、またはステンレス系合金（例えば、ＨＴ９）管であり、例えば、ウランの軸方向ブランケットペレットの領域に上方および下方で接するプルトニウムウラン金属燃料スラッグを含む中央領域を備え、もちろん半径方向のブランケット配置内で使用可能である。多くの様々な燃料が存在し、実施形態はこの実施例に限定されないことを理解されたい。溶接ステンレス鋼プラグが、底部で管を封止する。上方ブランケットの上の領域は、核分裂ガスプレナムセクションおよび燃料カラム保持装置を含み、類似のプラグによって頂部で封止される。ダクトチャンネルアセンブリ（構成要素１０、１６および２３）は、ステンレス鋼またはステンレス系合金から構成され、したがって液体ナトリウム冷却材と相性が良い。

図２Ａは、一実施形態による燃料棒の実施例を図示する。この実施形態では、隣接する燃料棒およびチャンネル１０の内側面から燃料棒１２を離隔するために、周りに巻き付けられるスペーサワイヤを有する代わりに、燃料棒１２の少なくとも１つが、少なくとも１つの保護リング２０５を含む。４つの保護リング２０５が図２Ａに示されているが、燃料棒１２は任意の数の保護リングを備えることができると理解されたい。

図２Ｂは、図２Ａに示す燃料棒に隣接する燃料棒を図示する。図示のように、隣接する燃料棒は、長手方向の長さに沿って、図２Ａの燃料棒上の保護リングの位置とは異なる位置に配置されている１つまたは複数の保護リングを備えることができる。

一実施形態では、原子炉の燃料棒１２が２つ以上の組に分割され得る。各組の燃料棒１２は、長手方向の長さに沿って保護リング２０５の同じパターンを有することができ、異なる組は、異なる保護リングのパターンを有することができる。更に、１つまたは複数の燃料棒１２が、２つ以上の組の中に含まれることが可能である。図３Ａおよび図３Ｂは、そのような配置の実施例の実施形態を図示する。図３Ａは、燃料棒の底部から１メートルの点での燃料棒の下向きの横断面図を図示し、燃料棒１２の底部から１メートルの点での第１の組３０５および第２の組３１０内の燃料棒の保護リング２０５を示す。図３Ｂは、燃料棒の底部から２メートルの点での燃料棒の下向きの横断面図を図示し、燃料棒の底部から２メートルの点での第１の組３０５および第２の組３１０内の燃料棒の保護リング２０５を示す。図示のように、中央燃料棒１２−Ｃは両方の組に属する。図３Ａに示すパターンは、各奇数メートルの間隔で繰り返され、図３Ｂに示すパターンは、各偶数メートルの間隔で繰り返されることができる。図３Ａおよび図３Ｂから理解されるように、いくつかの燃料棒は、全く保護リング２０５を含まない場合がある。３つ以上の組および３つ以上のパターンが採用可能であることも理解されたい。更に、実施形態は開示する間隔に限定されず、その代りに、任意の間隔（例えば、０．５メートル）を使用することが可能であることを理解されたい。

離隔要素としてのワイヤ巻き付けの使用をなくすことによって、バンドル内でのバルク状ナトリウムの回転を低減し、炉心領域内部のナトリウム流の良好な混合を促進し、熱ストライピングを低減する。

図４は、別の実施形態による、燃料棒の下向き横断面図を図示する。この実施形態では、燃料棒１２のすべてではないが、燃料棒１２のいくつかが、ワイヤ４０５によってらせん状に巻き付けられている。すなわち、一実施形態によれば、少なくとも１つの燃料棒が巻き付けられた棒であり（すなわち、ワイヤによってらせん状に巻き付けられている）、少なくとも１つの燃料棒１２が巻き付けられていない棒である。図４に示す実施形態では、各巻き付けられた棒４００が、それに隣接する、巻き付けられていない燃料棒４１０を有する。更に、図４は、タブ４２０が、チャンネル１０の内壁に取り付けられて、巻き付けられていない棒４１０をチャンネル１０の壁から離れて離隔することができる。

図５は、巻き付けられた棒４００を図示し、燃料棒の長手方向の長さに沿ってワイヤ４０５のらせん状巻き付けを示す。図６は、２つの隣接する、巻き付けられていない棒４１０の長手方向の長さに沿って、チャンネル１０の壁から突出するタブ４２０を図示する。一実施形態では、ワイヤ４０５は、３０４ステンレス鋼（ＳＳ）、３１６ＳＳおよびＰＥ−１６などの材料から構成される。一実施形態では、タブ４２０は、３０４ＳＳ、３１６ＳＳおよびＰＥ−１６などの材料から構成される。

図７は、タブの別の実施形態を示す。この実施形態では、タブ８２０が所望の角度または配向を有して形成されている。タブ８２０の配向は、巻き付けられた棒のワイヤ２０５、４０５の配向と逆である。

図８は、別の実施形態による、燃料棒の下向き横断面図を図示する。この実施形態では、巻き付けられた棒４００は、第１の組４００−１と第２の組４００−２に分割されている。第１の組４００−１の巻き付けられた棒４００は、同じ第１の配向に従ってらせん状に巻き付けられている。第２の組４００−２の巻き付けられた棒４００は、同じ第２の配向に従ってらせん状に巻き付けられており、第２の配向は第１の配向とは異なる。例えば、図９に示すように、第２の配向は第１の配向の逆であることができる。

巻き付けられた棒の数を減少させ、および／または巻き付けられた棒を巻き付けるワイヤの配向を変更することによって、バンドル内でのバルク状ナトリウムの回転を低減し、炉心領域内部のナトリウム流の良好な混合を促進し、熱ストライピングを低減する。

熱ストライピングを低減することによって、燃料バンドル内部構成要素上の熱応力が低減され、それによって装置の寿命を延長する。

このようにして実施例の実施形態を説明してきたが、同じ方法が多くの方法の中で変形可能であることは明らかであろう。そのような変形形態は、実施例の実施形態の意図する精神および範囲から逸脱すると考えるべきではなく、当業者にとって明らかなように、そのようなすべての変形形態は以下の特許請求の範囲の中に包含されると意図するものである。

１０ チャンネルまたはケーシング
１１ 負荷パッド
１２ 燃料棒
１２−Ｃ 中央燃料棒
１３ オリフィス／被覆部分
１４ 燃料棒支持部
１６ 先端サブアセンブリ
１７ ナトリウム入口
１８ 封止
１９ 開口
２０ 支持構造体
２１ 燃料アセンブリ支持部分
２２ 燃料アセンブリ支持部分
２３ 頂端部サブアセンブリ
２４ 内部ミキサ
２５ 出口
２０５ 保護リング
３０５ 第１の組
３１０ 第２の組
４００ 巻き付けられた燃料棒
４００−１ 第１の組
４００−２ 第２の組
４０５ ワイヤ
４１０ 巻き付けられていない燃料棒
４２０ タブ
８２０ タブ

Claims (14)

1. チャンネル（１０）と、
   前記チャンネル（１０）の下方端部に固定された先端アセンブリ（１６）と、
   前記チャンネル（１０）の内部に配置された複数の燃料棒（１２）であって、少なくとも１つの前記燃料棒（１２）が、前記燃料棒（１２）を取り囲み、前記燃料棒（１２）を隣接する燃料棒（１２）から離隔する少なくとも１つの保護リング（２０５）を備える、複数の燃料棒（１２）と
   を備える、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドル。
2. 前記燃料棒（１２）が、前記燃料棒（１２）の長手方向の長さに沿って配置された２つ以上の保護リング（２０５）を含む、請求項１に記載の燃料バンドル。
3. 前記複数の燃料棒（１２）の中の少なくとも第１の燃料棒（１２）および第２の燃料棒（１２）が、それぞれ少なくとも１つの保護リング（２０５）を備え、前記第１の燃料棒（１２）の前記保護リング（２０５）が、前記第２の燃料棒（１２）の前記保護リング（２０５）とは異なる長手方向の位置にある、請求項１に記載の燃料バンドル。
4. 前記複数の燃料棒（１２）が、第１の組（３０５）の燃料棒（１２）および第２の組（３１０）の燃料棒（１２）を含み、前記第１の組（３０５）の燃料棒（１２）の中の各燃料棒（１２）が、前記燃料棒（１２）上に長手方向に配置された１つまたは複数の保護リング（２０５）の第１のパターンを備え、前記第２の組（３１０）の燃料棒（１２）の中の各燃料棒（１２）が、前記燃料棒（１２）上に長手方向に配置された１つまたは複数の保護リング（２０５）の第２のパターンを備え、前記第１のパターンが、前記第２のパターンとは異なる、請求項１に記載の燃料バンドル。
5. 前記複数の燃料棒（１２）の少なくとも１つの燃料棒（１２）が、保護リング（２０５）を備えない、請求項１に記載の燃料バンドル。
6. チャンネル（１０）と、
   前記チャンネル（１０）の下方端部に固定された先端アセンブリ（１６）と、
   前記チャンネル（１０）の内部に配置された複数の燃料棒（１２）であって、少なくとも１つの前記複数の燃料棒（１２）が、巻き付けられた棒（４００）であり、前記巻き付けられた棒（４００）が、ワイヤ（４０５）でらせん状に巻き付けられ、前記複数の燃料棒（１２）の少なくとも１つが、巻き付けられていない棒（４１０）である、複数の燃料棒と
   を備える、液体金属冷却原子炉用の燃料バンドル。
7. 前記巻き付けられた棒（４００）に隣接する前記複数の燃料棒（１２）の中の前記燃料棒（１２）が、巻き付けられていない棒（４１０）である、請求項６に記載の燃料バンドル。
8. 前記複数の燃料棒（１２）が、２つ以上の巻き付けられた棒（４００）を備える、請求項７に記載の燃料バンドル。
9. 前記巻き付けられた棒（４００）の中の前記ワイヤ（４０５）が、同じ配向を備える、請求項８に記載の燃料バンドル。
10. 前記複数の燃料棒（１２）の中の燃料棒（１２）を前記チャンネル（１０）の壁から離れて離隔するために、前記チャンネル（１０）の前記壁から延在するタブ（４２０）を更に備える、請求項９に記載の燃料バンドル。
11. 前記複数の燃料棒（１２）が、第１の組（４００−１）の巻き付けられた棒（４００）および第２の組（４００−２）の巻き付けられた棒（４００）を含み、前記第１の組（４００−１）の巻き付けられた棒（４００）のワイヤ（４０５）が、第１の配向を備え、前記第２の組（４００−２）の巻き付けられた棒（４００）のワイヤ（４０５）が、第２の配向を備え、前記第１の配向が、前記第２の配向とは異なる、請求項８に記載の燃料バンドル。
12. 前記複数の燃料棒（１２）の中の燃料棒（１２）を前記チャンネル（１０）の壁から離れて離隔するために、前記チャンネル（１０）の前記壁から延在するタブ（４２０）を更に備える、請求項１１に記載の燃料バンドル。
13. 前記複数の燃料棒（１２）の中の燃料棒（１２）を前記チャンネル（１０）の壁から離れて離隔するために、前記チャンネル（１０）の前記壁から延在するタブ（８２０）を更に備える、請求項１に記載の燃料バンドル。
14. 前記タブ（８２０）が、前記巻き付けられた棒（４００）を巻き付けている前記ワイヤ（４０５）の配向とは異なる配向を備える、請求項１３に記載の燃料バンドル。