JP2015535606A - 原子炉 - Google Patents

Abstract

原子炉は、ハウジングを備え、該ハウジングは、棒型の燃料要素の束を活性領域内に含む。該燃料要素は、管状のシェル内に封入され、一次冷却材の中に沈められる。該冷却材は、活性領域と少なくとも１つの熱交換器との間を循環する。該燃料要素のシェルの下に累積するガス状の核分裂破片の圧力の高さを減らすため、そして、該燃料要素の活性領域の入口において、一次冷却材の速度場をできる限り均一に分布させるために、該燃料要素は上の部分に、燃料で満たされた活性領域を与えられる。また、該活性領域の下に配置された中空の作業領域が与えられる。

Description

本発明は、原子力工学の分野に関する。さらに特定すると、高速中性子炉の設計に関するものであり、特に、重液体金属冷却材を備えたプール型原子炉に関するものである。

液体金属冷却材を備えた原子炉は、取り外し可能なカバーによって閉じられたハウジングの中に配置された、燃料要素（燃料棒）の束を備えていることが知られており、この燃料要素は網目状のホルダーによって固定されている。それぞれの燃料要素は、下側の部分、中間の部分、そして上側の部分より成る。中間の部分および上側の部分は、管状のケースに包まれ、ガス状の核分裂破片が通過できる環状の型の燃料要素によって形成されている。下側の部分は、固体の球形をした燃料要素により形成されているが、それは、ガス状の核分裂破片へ通路を供給する必要条件が、下側の部分に対してあまり高くないからである（特許文献１参照）。

本発明にもっとも類似した技術は、原子炉、特にプール型の原子炉において、炉心と少なくとも１つの熱交換器との間を循環する、一次冷却系の冷却材へ沈められた燃料要素の束を備えた炉心を収容する原子炉に関するものである。この技術では、燃料要素は対応する平行な縦軸に沿って延び、対応する活性領域が燃料要素の下端に配置され、かつ一次冷却系の冷却材へ沈められた結果、炉心を形成する。そして、活性領域の上には、対応する作業領域が配置される（特許文献２参照）。

英国公報ＧＢ２１６３８８８（１９８６年） 国際公開公報ＷＯ２００９０４０６４４（２００９年）

上記の、もっとも類似した技術は、２つの本質的な欠点を持つ。

（１）燃料要素の活性領域の上に作業領域を配置することは、結果として、作業領域において、ガス状の核分裂破片（キセノンおよびクリプトン同位体）が主に蓄積され、炉心入口の温度を持つ冷却材よりも著しく高い温度である、炉心出口に対応する温度を持つ冷却材によって洗浄されるため、燃料要素を封印するケース、およびその機械的な圧力に作用する、ガスの圧力の上昇を招く。ケース内のガス圧および機械的な圧力を減少させるため、以下のことが必要である。すなわち、他の同等な状態に従って作業領域の長さを増し、結果として、炉心の流体抵抗が高まり、冷却材のポンピングにより多くの力が必要となる。つまり、原子炉のハウジングの高さを増すことは、必然的に、原子炉の性能を低下させることになる。

（２）通常の運転状態において起こり得る故障の場合は、炉心入口に外部物質が侵入した後に起こり得る。すなわち、炉心における冷却材の速度分布が不規則になり、結果として、炉心中央部分における冷却材の速度および供給率の減少を招き、燃料要素の温度が上昇する。燃料要素の温度について、承服できないような上昇から防ぐには、そのような温度の上昇が検出される場合に原子炉の出力を減少することが要求され、結果として原子炉はより低性能になる。さもなければ、燃料要素は損傷し、放射線事故を招くだろう。

本発明の目的は、原子炉、特に、液体金属の冷却材を備えたプール型原子炉の信頼性および安全性を保証することである。

もっとも類似した技術の上で述べた欠点を排除するために、本明細書では以下の内容を提案する。すなわち、原子炉、特にプール型原子炉、望ましくは液体金属冷却材を備えたものであり、炉心と少なくとも１つの熱交換器との間を循環する一次冷却系の冷却材に沈められた、燃料要素の束を包含する炉心を備えた原子炉において、自らの活性領域（活性の燃料領域）よりも下に燃料を持たない（中空の作業領域を持つ）、燃料要素を配置する。

本発明の技術的効果は、以下に存する。第一に、下側、すなわち燃料要素の冷えた領域に存在するガスの温度が低下することにより、低圧レベルのガス状の核分裂破片が燃料要素のケース内に蓄積されることが可能ならば、その低圧レベルによって、長期の強度の基準に従う耐用年数が決定されることを保証する。そして、第二に、出来る限りに、燃料要素の活性（燃料）領域において一次冷却系の冷却材の速度場の一様な分布を行うと、以下を保証する。すなわち、外部物質が炉心の入口断面へ侵入し、炉心における冷却材の大量移動に対して横断する場合を含め、下側の作業領域が格子を絞る機能を果たす、ことを保証する。

原子炉の概略図（ポンプを除く）を示す。 燃料要素の断面図を示す。

本発明について、図面を用いて説明する。

本発明の本質について、以下の特定の例を用いて説明するが、以下の特定の例は、本発明で実現しうる全ての可能性を包含するものではない。

原子炉、特にプール型の原子炉、好ましくは液体金属の冷却材を備えているものは、以下のものを包含する。すなわち、炉心（２）を収容した円筒のハウジング（１）、少なくとも１つの熱交換器（３）、および少なくとも１つのポンプである。また、原子炉は、以下のようなものも考えられる。すなわち、単数あるいは複数のポンプが用いられず、冷却材が自然対流によって循環するような原子炉である。

熱交換器（３）およびポンプ（用いられるのであれば）は、円筒のハウジング（１）および円筒の独立したシェル（４）によって形成された環状の空間に配置される。

炉心（２）は円筒の独立したシェル（４）の中に配置され、上部に遮蔽プラグ（５）が配置される。

炉心（２）は、組み立ておよび分解を容易にするため、燃料要素の束および底部のノズルから成る燃料集合体を備える。燃料要素は、スペーサーである格子による束と、燃料集合体の底部のノズルに固定された下側の支持格子との間で、燃料集合体へ接続されている。炉心（２）の断面における冷却材の一様な分布を保証し、燃料要素の周りを冷却材が流れる時の流体の不安定性を削減するために、スペーサーである格子および下側の支持格子は、断面において燃料要素の相対的な配置を維持する。同時に、燃料要素の締結構造は、燃料要素の温度による延びの違いによって起こる機械的な圧力を除去する目的で、その軸方向の動きを許容する。

棒状の燃料要素は、例えば、燃料ペレットのように、中空の空間に燃料を格納する筒状のケースによって、円筒の形状に形成される。

燃料要素は、燃料集合体の縦軸に沿って延び、上端に活性（燃料）領域（６）を持つ。燃料要素の管状のケース（８）について、下側の部分は、燃料を含まない、中空の（作業）領域（７）を形成する。中空の（作業）領域（７）は、燃料要素の活性（燃料）領域（６）に対して下側へ配置される。燃料要素は一次冷却系の冷却材へ沈められ、炉心（２）を形成する。燃料ペレット（９）は、管状のケース（８）の上側に水準を設定する保持器（図中の記述は省略）により、固定されている。燃料棒（ペレット）（９）は、中性子反射を終えるために用いられる物質、もしくは増殖物質（例えば、Ｕ‐２３８が配置される）から作られる。

原子炉の運転工程の間、一次冷却系の液体金属の冷却材（例えば、鉛もしくは鉛ビスマスの共晶）は、ポンプ（用いられるのであれば）によって運搬、もしくは自然対流によって循環し、炉心（２）および熱交換器（３）を通して移動する。なお、熱交換器（３）は、この中にて、一次系の加熱した冷却材が、二次冷却系の冷却材へ熱を運搬するためのものである。

燃料要素のケースの下に蓄積されるガス状の核分裂生成物の圧力は、当分野で公知の燃料要素のそれと比較して、低くなる。これは、ガス状の核分裂生成物が、燃料要素の中空の作業領域内、すなわち中空（作業）領域（７）の内部に蓄積されるからである。

さらに、一次冷却系の冷却材の、冷却材の速度場における不規則性は、スペーサーである格子によって接続された燃料要素の束を通る、“冷たい”冷却材の通過の際に排除される。さらに均一な冷却材の流れが、燃料要素の活性（燃料）領域（６）へ来ると、燃料要素の活性（燃料）領域（６）の過熱を避けることができる。

１ 円筒のハウジング
２ 炉心
３ 熱交換器
４ シェル
５ 遮蔽プラグ
６ 活性（燃料）領域
７ 中空（作業）領域
８ 管状のケース
９ 燃料ペレット

Claims (1)

1. 炉心を収容するハウジングを備え、前記炉心は燃料棒の束を格納し、該燃料棒は管状のケースを備え、かつ、一次冷却系の冷却材へ沈められるものであり、該冷却材は、前記炉心と少なくとも１つの熱交換器との間を循環するものである、原子炉において、
   前記燃料棒は、その上側の部分に配置された燃料で満たされた活性領域と、前記活性領域の下に配置された中空の作業領域とを備えたことを特徴とする原子炉。

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