JP2015517664A - 液体金属冷却原子炉用の燃料束 - Google Patents

Abstract

一実施形態では、液体金属冷却炉用の燃料束は、チャネルと、チャネルの下端に固定された突端アセンブリと、チャネル内に配置された複数の燃料棒と、複数の燃料棒の上方でチャネル内に配置された内部ミキサとを含む。内部ミキサは、周囲流れ制御部材および内部流れ制御部材を含む。周囲流れ制御部材は、チャネルの壁の近くに配置され、内部制御部材は、筐体の長手方向中心寄りに配置される。周囲流れ制御部材のうちの少なくとも１つは、チャネルを通じて流れる液体金属をチャネルの内部に向けて導くように構成され、内部流れ制御部材のうちの少なくとも１つは、チャネルを通じて流れる液体金属をチャネルの内部から離れるように導くように構成される。【選択図】図１

Description

例示的な実施形態は、概して液体金属冷却原子炉に関し、特に、液体冷却原子炉用の燃料束に関する。

ナトリウム冷却高速炉等の液体金属冷却原子炉は、サーマルストライピングの影響を受けるおそれがある。サーマルストライピングは、燃料束内のナトリウム流および燃料束を出るナトリウム流に高温点および低温点が発達するときに生じる。これらの高温点および低温点は、時間の経過と共に損傷を及ぼし得る熱応力を一次容器の上部に生じさせる。

特開平５−１５７８６９号公報

一実施形態では、液体金属冷却炉用の燃料束は、チャネルと、チャネルの下端に固定された突端アセンブリと、チャネル内に配置された複数の燃料棒と、複数の燃料棒の上方でチャネル内に配置された内部ミキサとを含む。内部ミキサは、周囲流れ制御部材および内部流れ制御部材を含む。周囲流れ制御部材は、チャネルの壁の近くに配置され、内部制御部材は、筐体の長手方向中心寄りに配置される。周囲流れ制御部材のうちの少なくとも１つは、チャネルを通じて流れる液体金属をチャネルの内部に向けて導くように構成され、内部流れ制御部材のうちの少なくとも１つは、チャネルを通じて流れる液体金属をチャネルの内部から離れるように導くように構成される。

別の実施形態では、液体金属冷却炉用の燃料束は、チャネルと、チャネルの下端に固定された突端アセンブリと、チャネル内に配置された複数の燃料棒と、燃料束を通じて流れる液体金属が出る燃料束の上端に配置された外部ミキサとを含む。外部ミキサは、外部流れ制御部材を含み、外部流れ制御部材のうちの少なくとも１つは、燃料束を出る液体金属を燃料束から離れるように導くように構成される。

上記および他の特徴ならびに例示的な実施形態の利点は、添付図面を参照して例示的な実施形態を詳細に説明することによってさらに明らかになるであろう。添付図面は、例示的な実施形態を示すことを意図しており、意図される特許請求の範囲を限定すると解釈されるべきではない。添付図面は、明示的に記されない限り、縮尺通りに描かれているとみなされるべきではない。

例示的な実施形態による液体金属冷却原子炉用の燃料束を示す図である。 図１の燃料束における内部ミキサの例示的な一実施形態を上から眺めた図である。 流れ制御部材の様々な実施形態を示す図である。 流れ制御部材の様々な実施形態を示す図である。 流れ制御部材の様々な実施形態を示す図である。 図１の燃料束における外部ミキサの例示的な実施形態を上から眺めた図である。

ここでは、詳細な例示的な実施形態を開示している。しかし、ここで開示する具体的な構造的および機能的な詳細は、例示的な実施形態を説明するための単なる例示を目的としている。しかし、例示的な実施形態は、多くの代替的な形態で実施されてもよく、ここで示す実施形態のみに限定されるものと解釈されるべきではない。

したがって、例示的な実施形態では様々な修正および代替的な形態が可能である一方で、それらの実施形態は、図面に例として示されており、ここで詳細に説明されるであろう。しかし、当然ながら、開示する特定の形態に例示的な実施形態を限定する意図はなく、それとは反対に、例示的な実施形態は、例示的な実施形態の範囲に包含される全ての修正、均等物および代替物をカバーするべきである。同様の番号は、図の説明を通じて同様の要素を意味している。

当然ながら、ここでは様々な要素を説明するために第１、第２、等の用語が使用され得るが、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。これらの用語は、一要素を他の要素から区別するためにのみ使用される。例示的な実施形態の範囲から逸脱せずに、例えば、第１の要素を第２の要素と名付けることができ、同様に、第２の要素を第１の要素と名付けることができる。ここで使用されるように、用語「および／または」は、関連して列挙する項目のうちの１つ以上の任意の組合せおよび全ての組合せを含む。

当然ながら、ある要素が他の要素に「接続される」または「結合される」と表現されるときには、同要素は、他の要素に直接的に接続または結合されてもよく、介在する要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が他の要素に「直に接続される」または「直に結合される」と表現されるときには、介在する要素が存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の語句（例えば、「〜と〜の間」と「〜と〜の間に直に」、「〜に隣接して」と「〜に直に隣接して」、等）は、同様に解釈されるべきである。

ここで使用される用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、例示的な実施形態を限定することを意図してはない。ここで使用されるように、単数形「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」および「前記（ｔｈｅ）」は、文脈上で他のものが明示されない限り、複数形も含むことを意図している。さらに当然ながら、ここで使用されるときには、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、述べられる特徴、整数、工程、動作、要素、および／または部品の存在を特定するが、１つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、部品および／またはそれらの集合の存在または追加を除外しない。

幾つかの代替的な実施では、記される機能／動作は、図に記される順序から外れて生じてもよいことに注目すべきである。例えば、連続して示される２つの図は、実際のところ、関連する機能性／動作に応じて、ほぼ同時に実行されてもよく、時には反対の順序で実行されてもよい。

燃料束または燃料アセンブリは、原子力発電プラントの炉心の主要な発熱部品である。液体金属高速増殖炉等の液体金属冷却炉の燃料束の設計は、炉心に臨界配列で配置され得、炉の設計条件でナトリウム等の液体金属によって容易に冷却され得る、核分裂物質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、例示的な実施形態による液体金属冷却原子炉用の燃料束を示している。特に、図１の燃料束は、ナトリウム冷却原子炉に関して説明されるであろう。図のように、燃料束は、六角形のチャネルまたはケーシング１０を含み、六角形のチャネルまたはケーシング１０は、上部外面に複数の横荷重パッド１１を有し、上部領域にある複数の燃料棒１２および下部領域にあるオリフィス／シールド部１３を内部に収容する。燃料棒１２は、その下端で燃料棒支持部１４に固定されており、隣接する棒およびチャネル１０の内面から燃料棒１２を離間させるように棒に巻き付けられたスペーサワイヤ１５を有する。横荷重パッド１１は、燃料アセンブリの挿入および歪曲が可能となるように炉心内の燃料アセンブリを離間させ、ナトリウム冷媒内での表面接触による摩擦を最小化するように機能する。突端サブアセンブリ１６は、チャネル１０の下端に固定され、複数のナトリウム入口１７を含み、ナトリウム入口は、ナトリウム冷媒をチャネル１０内に導き、入口１７の対向する端部にシール１８を有し、シールは、突端サブアセンブリ１６と、サブアセンブリ１６が内部に配置される関連する支持構造体２０の開口１９との間にナトリウムが漏れることを防ぐ。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。上端サブアセンブリ２３は、チャネル１０の上端に固定されており、燃料棒１２の周りを上向きに通過したナトリウム冷媒は、チャネル１０の上端の内部ミキサ２４を通じて通過し、上端サブアセンブリ２３の２５で示されている出口を通じて排出する。加えて、外部ミキサ３０は、上端アセンブリ２３に取り付けられる。内部ミキサ２４および外部ミキサ３０については、以下で詳細に説明されるであろう。

各燃料棒１２は、ステンレススチールまたはステンレス系合金（例えばＨＴ９）の中空細長のチューブであり、例えば、軸方向ブランケット・ウランペレットの領域によって上下で境界付けられ、プルトニウム・ウラン金属燃料スラグを収容する中央領域を有し、もちろん、半径方向ブランケットの構成で使用することができる。当然ながら、燃料の多様なバリエーションが存在し、この例に実施形態が限定されることはない。ステンレススチールの溶接プラグは、底部でチューブをシールする。上部ブランケットの上方の領域は、核分裂ガスプレナム部および燃料カラム保持具を収容し、同様のシールによって上部でシールされる。ダクトチャネルアセンブリ（部品１０、１６および２３）は、ステンレススチールまたはステンレス系合金で構成され、よって液体ナトリウム冷媒との相性がよい。スペーサワイヤは、３０４ＳＳ、３１６ＳＳおよびＰＥ−１６等の材料で構成される。

図２は、内部ミキサ２４の例示的な一実施形態の上からの眺めを示している。図のように、内部ミキサ２４は、チャネル１０の壁の近くに配置され、または取り付けられた周囲流れ制御部材２０５を含む。内部ミキサ２４は、周囲流れ制御部材２０５よりもチャネル１０の長手方向中心ＬＣの近くに配置された内部流れ制御部材２１０をさらに含む。内部流れ制御部材２１０は、流れ制御部材２０５および２１０を相互接続し、チャネル１０の壁に据え付ける格子支持体２１５によって支持され得る。図２に示すように、周囲流れ制御部材２０５は、チャネル１０の壁に直接装着されてもよく、格子支持体２１５によって支持されてもよい。

周囲流れ制御部材２０５は、一定またはパターン化された形態で配置されてもよく、図２に示すようにランダムに配置されてもよい。内部流れ制御部材２１０は、一定またはパターン化された形態で配置されてもよく、図２に示すようにランダムに配置されてもよい。周囲および内部流れ制御部材２０５および２１０ならびに格子支持体２１５は、ステンレススチールで形成され得、よって液体ナトリウムとの相性がよい。

周囲および内部流れ制御部材２０５および２１０は、図３Ａに示すようなチューブであってもよく、図３Ｂに示すようなノズルであってもよく、図３Ｃに示すようなベーン等であってもよい。周囲および内部流れ制御部材２０５および２１０の向きは、内部ミキサ２４を通じて流れる液体金属冷媒に関して周囲および内部流れ制御部材２０５および２１０が有する影響を決定する。一実施形態では、周囲流れ制御部材２０５のうちの少なくとも１つ以上は、チャネル１０の内部に向けて（例えば、チャネル１０の長手方向中心に向けて）液体金属冷媒を導くように向きを付けられる。この実施形態または別の実施形態では、内部流れ制御部材２１０のうちの少なくとも１つ以上は、チャネル１０の長手方向中心から離れるように（例えば、チャネル１０の壁に向けて）液体金属冷媒を導くように向きを付けられる。

例えば、一実施形態では、周囲流れ制御部材２０５のうちの１つ以上は、液体金属冷媒の流れに対してチャネル１０の長手方向中心ＬＣに向けて角度を付けられる。角度は、５〜６０°であり得るが、この範囲に限定されない。同様に、一実施形態では、内部流れ制御部材２１０のうちの１つ以上は、液体金属冷媒の流れに対してチャネル１０の長手方向中心ＬＣから離れるように角度を付けられる。角度は、５〜６０°であり得るが、この範囲に限定されない。

別の実施形態では、内部ミキサ２４は、チャネル１０の内周に適合する形状を有するフレームを含み得る。周囲流れ制御部材２０５および格子支持体２１５は、チャネル１０の壁に代えてフレームに接続されてもよい。そして、フレームは、チャネル１０の壁に接続され得る。

図４は、外部ミキサ３０の例示的な実施形態の上からの眺めを示す図である。図のように、外部ミキサ３０は、フレーム４０５を有する。フレーム４０５は、チャネル１０と同じ概略形状を有し、図１に示すように、チャネル１０の上端に載せられて取り付けられるように構成される。支持格子４１５は、フレーム４０５に接続され、外部流れ制御部材４１０を支持する。外部流れ制御部材４１０のうちの少なくとも１つは、燃料束を出る液体金属を燃料束から離すように（例えば、他の燃料束の上方の空間に向けて）導くように構成される。例えば、外部流れ制御部材４１０は、図３Ａに示すようなチューブであってもよく、図３Ｂに示すようなノズルであってもよく、図３Ｃに示すようなベーン等であってもよい。外部流れ制御部材４１０の向きは、内部ミキサ２４を通じて流れる液体金属冷媒に関して外部流れ制御部材４１０が有する影響を決定する。例えば、一実施形態では、外部流れ制御部材４１０のうちの少なくとも１つ以上は、液体金属冷媒の流れに対してチャネル１０の長手方向中心ＬＣから離れるように角度を付けられる。角度は、５〜６０°であり得るが、この範囲に限定されない。フレーム４０５、外部流れ制御部材４１０および格子支持体４１５は、ステンレススチールから形成され得、よって液体ナトリウム冷媒との相性がよい。

例示的な実施形態によれば、燃料束は、内部ミキサ２４のみ、外部ミキサ３０のみ、または内部および外部ミキサ２４および３０の両方を含んでもよい。

ミキサの使用によって、液体ナトリウムがナトリウム高速炉内の燃料束の加熱区間を出た後の、ナトリウムの混合が促される。混合によって、ナトリウムのサーマルストライピングが低減する。サーマルストライピングは、ナトリウムが燃料束を通じて流れながら高温点および低温点を発達させる現象である。これは、炉内でスペーサとして使用されるワイヤラップ等のらせん状のワイヤラップによって、均一の動力分布を有する束でも生じ得る。これらのワイヤラップは、ナトリウムを束内で渦動させる場合があり、この渦動作用の結果として温度勾配が発達する。燃料束上または燃料束内に設置されたミキサ２４および／または３０は、ナトリウム流出流を強制的に混合し、それによって流れ領域の温度勾配を低減させ、サーマルストライピングを低減させる。サーマルストライピングを低減することによって、燃料束の内部部品に関する温度応力が低減され、それによって設備の耐用年数が延びる。混合のためにチャネルまたはノズルを使用することによって、流れの乱れに対する作用が制御され得る。

例示的な実施形態は、チャネルの形状、ワイヤラップの使用の有無に拘らず、他の燃料設計にも適用され得る。

このように例示的な実施形態が説明されており、例示的な実施形態が様々に変化し得ることは自明であろう。そのような変形は、例示的な実施形態の意図される主旨および範囲から逸脱するとみなされるべきではなく、当業者にとって自明であろうそのような修正の全ては、以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。

１０ チャネルまたはケーシング
１１ 横荷重パッド
１２ 燃料棒
１３ オリフィス／シールド部
１４ 燃料棒支持部
１５ スペーサワイヤ
１６ 突端サブアセンブリ
１７ ナトリウム入口
１８ シール
１９ 開口
２０ 支持構造体
２１、２２ 燃料アセンブリ支持点
２３ 上端サブアセンブリ
２４ 内部ミキサ
２５ 出口
３０ 外部ミキサ
２０５ 周囲流れ制御部材
２１０ 内部流れ制御部材
ＬＣ 長手方向中心
２１５ 格子支持体
４０５ フレーム
４１０ 外部流れ制御部材
４１５ 格子支持体

Claims (15)

1. 液体金属冷却炉用の燃料束であって、
   チャネル（１０）と、
   前記チャネル（１０）の下端に固定された突端アセンブリ（１６）と、
   前記チャネル（１０）内に配置された複数の燃料棒（１２）と、
   前記複数の燃料棒（１２）の上方で前記チャネル（１０）内に配置された内部ミキサ（２４）であり、周囲流れ制御部材（２０５）および内部流れ制御部材（２１０）を含み、前記周囲流れ制御部材（２０５）が前記チャネル（１０）の壁の近くに配置され、前記内部流れ制御部材（２１０）が筐体の長手方向中心（ＬＣ）寄りに配置され、前記周囲流れ制御部材（２０５）のうちの少なくとも１つが、前記チャネル（１０）を通じて流れる液体金属を前記チャネル（１０）の内部に向けて導くように構成され、前記内部流れ制御部材（２１０）のうちの少なくとも１つが、前記チャネル（１０）を通じて流れる液体金属を前記チャネル（１０）の前記内部から離れるように導くように構成される、燃料束。
2. 前記内部ミキサ（２４）が、前記内部流れ制御部材（２１０）のうちの少なくとも１つを支持するように構成された支持格子（２１５）を含む、請求項１に記載の燃料束。
3. 前記支持格子（２１５）が、前記周囲流れ制御部材（２０５）のうちの少なくとも１つを支持するように構成される、請求項２に記載の燃料束。
4. 前記支持格子（２１５）が前記チャネル（１０）に接続される、請求項２に記載の燃料束。
5. 前記内部流れ制御部材（２１０）のうちの少なくとも１つが、チューブ、ベーンおよびノズルのうちの１つである、請求項１に記載の燃料束。
6. 前記周囲流れ制御部材（２０５）のうちの少なくとも１つが、チューブ、ベーンおよびノズルのうちの１つである、請求項１に記載の燃料束。
7. 前記燃料束を通じて流れる前記液体金属が出る前記燃料束の上端に配置された外部ミキサ（３０）をさらに備え、前記外部ミキサ（３０）が外部流れ制御部材（４１０）を含み、前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つが、前記燃料束を出る前記液体金属を前記燃料束から離れるように導くように構成される、請求項１に記載の燃料束。
8. 前記外部ミキサ（３０）が、前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つを支持するように構成された支持格子（４１５）を含む、請求項７に記載の燃料束。
9. 前記支持格子（４１５）が前記チャネル（１０）に接続される、請求項８に記載の燃料束。
10. 前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つが、チューブ、ベーンおよびノズルのうちの１つである、請求項７に記載の燃料束。
11. 前記燃料束を通じて流れる前記液体金属が出る前記燃料束の上端に配置された外部ミキサ（３０）をさらに備え、前記外部ミキサ（３０）が外部流れ制御部材（４１０）を含み、前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つが、前記燃料束を出る前記液体金属を他の燃料束の上方の空間に向けて導くように構成される、請求項１に記載の燃料束。
12. 液体金属冷却炉用の燃料束であって、
    チャネル（１０）と、
    前記チャネル（１０）の下端に固定された突端アセンブリ（１６）と、
    前記チャネル（１０）内に配置された複数の燃料棒（１２）と、
    前記燃料束を通じて流れる前記液体金属が出る前記燃料束の上端に配置された外部ミキサ（３０）であり、前記外部ミキサ（３０）が外部流れ制御部材（４１０）を含み、前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つが、前記燃料束を出る前記液体金属を前記燃料束から離れるように導くように構成される、燃料束。
13. 前記外部ミキサ（３０）が、前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つを支持するように構成された支持格子（４１５）を含む、請求項１２に記載の燃料束。
14. 前記支持格子（４１５）が前記チャネル（１０）に接続される、請求項１３に記載の燃料束。
15. 前記外部流れ制御部材（４１０）のうちの少なくとも１つが、チューブ、ベーンおよびノズルのうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の燃料束。