JP2016090396A - Fast reactor fuel element, fast reactor fuel assembly and fast reactor core - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fast reactor fuel element capable of properly raising the temperature of fuel for absorbing swelling of a metal fuel due to an irradiation by neutron while increasing the Doppler reactivity.SOLUTION: A fast reactor fuel element 40 includes: a hollow fuel rod 46 using a metal fuel, which extends in a vertical direction and in which a center hole 46a is formed in a radial direction penetrating central area of the fuel rod in a vertical direction; a solid rod 47 using a Doppler effect enhancement material which is disposed in the center hole 46a extending in a vertical direction; and a cladding tube 44 which has a cylindrical shape extending in a vertical direction, in which the hollow fuel rod 46 and the solid rod 47 are stored, and which is sealed at the top and the bottom thereof and is filled with a noble gas 49b as a heat transmission substance in a sealed space thereof.SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明の実施形態は、高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体、およびこれらを有する高速炉炉心に関する。   Embodiments of the present invention relate to a fast reactor fuel element, a fast reactor fuel assembly, and a fast reactor core having these.

図11は、高速炉における従来の炉心燃料集合体の燃料要素の構成例を示す立断面図である。また、図12は、図11のXII−XII線矢視水平断面図である。   FIG. 11 is a vertical sectional view showing an example of the configuration of fuel elements of a conventional core fuel assembly in a fast reactor. 12 is a horizontal sectional view taken along line XII-XII in FIG.

燃料要素140は、図11および図12に示すように、その中央部に核分裂性物質を多く含む炉心燃料141を配置し、この炉心燃料141の下部と上部に中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含む下部ブランケット燃料142aと上部ブランケット燃料142bを配置している。これらの燃料は、筒状の被覆管144に収納されている。被覆管144の下部は下部端栓145aで、上部は上部端栓145bで密封された構造である。   As shown in FIGS. 11 and 12, the fuel element 140 has a core fuel 141 containing a large amount of fissile material at the center thereof, and is converted into a fissile material by neutron absorption at the lower and upper portions of the core fuel 141. A lower blanket fuel 142a and an upper blanket fuel 142b containing a large amount of fissile parent material are disposed. These fuels are stored in a cylindrical cladding tube 144. The lower part of the cladding tube 144 is sealed with a lower end plug 145a, and the upper part is sealed with an upper end plug 145b.

炉心燃料141と被覆管144の間には、隙間が設けられており、金属燃料炉心の場合は、通常、この隙間には燃料から冷却材への熱伝達を促進するためのボンドナトリウム49aが充填されている。また、被覆管144内の燃料の上方には、燃料が燃焼することで排出されるクリプトン(Kr)やゼノン(Xe)などの核分裂生成物のガスを蓄積するための上部ガスプレナム143bを設けている。   A gap is provided between the core fuel 141 and the cladding tube 144. In the case of a metal fuel core, this gap is usually filled with bond sodium 49a for promoting heat transfer from the fuel to the coolant. Has been. Further, an upper gas plenum 143b for accumulating gas of fission products such as krypton (Kr) and Zenon (Xe) discharged when the fuel burns is provided above the fuel in the cladding tube 144. .

金属燃料は、酸化物燃料に比べて燃料の密度が高く、金属燃料炉心は増殖性能が良いことから燃焼反応度が小さい。そのため、制御棒に必要な反応度を小さくできるので、制御棒の誤引抜時に投入される反応度を小さく抑えられ、安全性の向上を図ることができる。   A metal fuel has a higher fuel density than an oxide fuel, and a metal fuel core has a low breeding reactivity because it has good growth performance. Therefore, since the reactivity required for the control rod can be reduced, the reactivity introduced when the control rod is erroneously pulled out can be suppressed to be small, and safety can be improved.

一方、原子炉の急激な出力上昇時の燃料温度変化に対応して原子炉出力を抑制するドップラー効果(反応度フィードバック効果)は、安全性を確保する上で重要な特性の一つであるが、金属燃料炉心は、中性子を減速する効果の高い酸素等の軽い元素が含まれていないので、酸化物燃料炉心に比べて中性子スペクトルが硬くドップラー係数の絶対値が小さくなる。また、金属燃料は、燃料の熱伝導率が高く、しかも前述したように、燃料と被覆管の隙間にボンドナトリウムを充填しているので燃料から冷却材への熱伝達が良好であり、炉心出力が上昇した場合でも燃料要素からの熱除去が速く燃料の温度上昇量が小さい。   On the other hand, the Doppler effect (reactivity feedback effect) that suppresses the reactor power in response to the fuel temperature change at the time of sudden power increase of the reactor is one of the important characteristics for ensuring safety. Since the metal fuel core does not contain light elements such as oxygen, which has a high effect of slowing down neutrons, the neutron spectrum is harder and the absolute value of the Doppler coefficient is smaller than that of the oxide fuel core. Metal fuel has high thermal conductivity, and as mentioned above, the gap between the fuel and the cladding tube is filled with bond sodium, so heat transfer from the fuel to the coolant is good, and the core output Even when the temperature rises, the heat removal from the fuel element is fast and the temperature rise of the fuel is small.

これらのことから、金属燃料炉心は、出力上昇時の温度変化に対する負の反応度変化(ドップラー反応度)が小さくなり原子炉の安全性が低下する可能性がある。   From these facts, in the metal fuel core, the negative reactivity change (Doppler reactivity) with respect to the temperature change at the time of increasing the output becomes small, and the safety of the nuclear reactor may be lowered.

これまでも、超ウラン元素の燃焼量を増大させるためにドップラー効果の向上策が検討されているが、ドップラー係数の絶対値の増大のみを目的としている(たとえば、特許文献1参照)。   Until now, measures for improving the Doppler effect have been studied in order to increase the combustion amount of the transuranium element, but the purpose is only to increase the absolute value of the Doppler coefficient (see, for example, Patent Document 1).

特開平7−294676号公報JP 7-294676 A

上述のような原子炉の燃料は、中性子照射による燃料の体積増加(スウェリング)が生じる。金属燃料では、このスウェリングが大きいので、燃料と被覆管の機械的相互作用による被覆管の破損を防止するために、燃料のスミア密度をたとえば約75%程度に低くしている。ここで、スミア密度は、被覆管の内部を燃料が占める体積割合を言う。   The fuel of the nuclear reactor as described above causes an increase in fuel volume (swelling) due to neutron irradiation. In metal fuel, this swelling is large, so that the smear density of the fuel is reduced to, for example, about 75% in order to prevent damage to the cladding tube due to mechanical interaction between the fuel and the cladding tube. Here, the smear density refers to the volume ratio of the fuel occupying the inside of the cladding tube.

また、前記のように、金属燃料は、ナトリウムとの共存性が良いことを利用して、燃料と被覆管の間隙にナトリウム(ボンドナトリウム)を充填して、燃料棒から冷却材への熱伝達を促進している。   In addition, as described above, the metal fuel has good coexistence with sodium, so that the gap between the fuel and the cladding tube is filled with sodium (bond sodium) to transfer heat from the fuel rod to the coolant. Promotes.

一方、ドップラー効果の寄与率は、たとえば、燃料が約85%で構造材が約15%であるので、ドップラー反応度を大きくするには、燃料が溶融しない範囲で出力上昇時の燃料の温度変化量を大きくすれば効果的である。   On the other hand, the contribution ratio of the Doppler effect is, for example, about 85% of fuel and about 15% of structural material. Therefore, in order to increase the Doppler reactivity, the temperature change of the fuel when the output rises within a range where the fuel does not melt Increasing the amount is effective.

図13は、従来の高速炉用の燃料要素の径方向の温度分布の例を示すグラフである。横軸は燃料要素中心からの距離であり、縦軸は温度であり、燃料と被覆管の隙間をナトリウムボンドとした場合(破線Y)とヘリウムボンド(実線X)とした場合の燃料要素の温度分布の例を示した図である。   FIG. 13 is a graph showing an example of a temperature distribution in the radial direction of a conventional fuel element for a fast reactor. The horizontal axis is the distance from the center of the fuel element, the vertical axis is the temperature, and the temperature of the fuel element when the gap between the fuel and the cladding tube is a sodium bond (dashed line Y) and the helium bond (solid line X) It is the figure which showed the example of distribution.

金属燃料は、密度が高く熱伝導は良いため、ナトリウムボンドの場合は、燃料要素の中心温度は冷却材温度より100℃程度しか高くない。一方、ヘリウムボンドの場合は、間隙での温度勾配が大きく、従来の燃料と被覆管の隙間間隔の場合、燃料温度が1500℃を超えている。金属燃料は、融点が低いので、従来の燃料と被覆管の隙間間隔の場合、燃料と被覆管の間隙をヘリウムボンドにすると、燃料温度が上がりすぎて溶融する可能性がある。   Since metal fuel has a high density and good heat conduction, the center temperature of the fuel element is only about 100 ° C. higher than the coolant temperature in the case of sodium bonds. On the other hand, in the case of helium bonds, the temperature gradient in the gap is large, and in the case of the gap distance between the conventional fuel and the cladding tube, the fuel temperature exceeds 1500 ° C. Since the metal fuel has a low melting point, if the gap between the conventional fuel and the cladding tube is a helium bond, the fuel temperature may rise too much and melt.

そこで本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたもので、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、あるいはドップラー反応度の増大のための燃料温度の適切な上昇を得ることを目的とする。   Therefore, an embodiment of the present invention has been made to solve the above-described problems, and absorbs the swelling of metal fuel due to neutron irradiation, or appropriately increases the fuel temperature for increasing Doppler reactivity. The purpose is to obtain.

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above-mentioned object, a fuel element for a fast reactor according to the present embodiment includes a hollow fuel rod that uses a metal fuel by forming a central hole that penetrates in the vertical direction in the radial center and extends in the vertical direction, and A solid rod that is arranged in the central hole and extends in the vertical direction and uses the Doppler effect enhancing material, and a cylindrical shape that accommodates the hollow fuel rod and the solid rod and extends in the vertical direction is closed at the top and bottom. And a cladding tube filled with a rare gas as a heat transfer material in an internal sealed space.

また、本実施形態は、互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドとを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、を備える高速炉用燃料集合体であって、前記高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を有することを特徴とする。   In addition, the present embodiment includes a plurality of fast reactor fuel elements that are arranged in parallel and extend in the vertical direction, and are installed horizontally below the plurality of fast reactor fuel elements, and the plurality of fast reactor fuel elements. A fuel element support grid that supports each lower part and is formed to allow a coolant to pass through, and accommodates the plurality of fast reactor fuel elements and the fuel element support grid, and extends in the vertical direction. A fast reactor fuel assembly comprising a trumpet tube formed to allow a coolant to pass therethrough, wherein the fast reactor fuel element has a central hole formed in a vertical direction at a radial center and formed in a vertical direction. A hollow fuel rod that extends using a metal fuel, a solid rod that is disposed in the central hole and extends in the vertical direction and uses a Doppler effect enhancing material, and accommodates the hollow fuel rod and the solid rod in a vertical direction A cylindrical shape that extends to the top And a rare gas as a heat transfer material in a sealed space inside the closed lower portion and having a, a cladding tube is filled.

また、本実施形態は、互いに平行に配列され鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料集合体と、前記複数の高速炉用燃料集合体の中に互いに隣接することなく設けられた複数の制御棒集合体と、前記高速炉用燃料集合体の径方向外側に配されて鉛直方向に延びる複数のブランケット燃料集合体と、を具備することを特徴とする高速炉炉心であって、前記高速炉用燃料集合体は、互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドとを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、を備え、前記高速炉用燃料要素は、径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、を有することを特徴とする。   The present embodiment also includes a plurality of fast reactor fuel assemblies arranged in parallel and extending in the vertical direction, and a plurality of control rods provided in the plurality of fast reactor fuel assemblies without being adjacent to each other. A fast reactor core, comprising: an assembly; and a plurality of blanket fuel assemblies that are arranged radially outside the fast reactor fuel assembly and extend in a vertical direction. A fuel assembly is arranged in parallel to each other and extends in the vertical direction, and a plurality of fast reactor fuel elements installed horizontally below the plurality of fast reactor fuel elements. A fuel element support grid that supports the lower part and allows the coolant to pass through, and accommodates the plurality of fast reactor fuel elements and the fuel element support grid, and extends in the vertical direction. Can pass The fast reactor fuel element includes a hollow fuel rod using a metal fuel that extends in the vertical direction and has a central hole penetrating in a vertical direction at a radial center, and the central hole. A solid rod using a Doppler effect enhancing material arranged in the vertical direction, and a cylindrical shape containing the hollow fuel rod and the solid rod and extending in the vertical direction, with the upper and lower portions closed and the interior And a cladding tube filled with a rare gas as a heat transfer material in the sealed space.

本発明の実施形態によれば、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、あるいはドップラー反応度の増大のための燃料温度の適切な上昇を得ることができる。   According to the embodiment of the present invention, it is possible to absorb the swelling of the metal fuel due to the irradiation of neutrons or obtain an appropriate increase in the fuel temperature for increasing the Doppler reactivity.

第1の実施形態に係る高速炉炉心を有する高速炉の構成例を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the example of composition of the fast reactor which has the fast reactor core concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係る高速炉炉心の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the fast reactor core which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の構成例を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the example of composition of the fuel assembly for fast reactors concerning a 1st embodiment. 図3のIV−IV線矢視水平断面図である。FIG. 4 is a horizontal sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3. 第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the composition of the fuel element for fast reactors concerning a 1st embodiment. 図5のVI−VI線矢視水平断面図である。FIG. 6 is a horizontal sectional view taken along line VI-VI in FIG. 5. 第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素の定格時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the temperature distribution of the radial direction at the time of rating of the fuel element for fast reactors concerning 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素の過渡時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the temperature distribution of the radial direction at the time of transition of the fuel element for fast reactors which concerns on 1st Embodiment. 第2の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the composition of the fuel element for fast reactors concerning a 2nd embodiment. 第3の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。It is a sectional elevation showing the composition of the fuel element for fast reactors concerning a 3rd embodiment. 従来の炉心燃料集合体の燃料要素の構成例を示す立断面図である。It is an elevational sectional view showing a configuration example of a fuel element of a conventional core fuel assembly. 図11のXII−XII線矢視水平断面図である。FIG. 12 is a horizontal sectional view taken along line XII-XII in FIG. 11. 従来の高速炉用の燃料要素の径方向の温度分布の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the temperature distribution of the radial direction of the fuel element for conventional fast reactors.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および高速炉炉心について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。なお、以下、高速炉用燃料要素、高速炉用燃料集合体および高速炉炉心は、原子炉容器内に設置された状態で上下関係を表現している。   Hereinafter, a fast reactor fuel element, a fast reactor fuel assembly, and a fast reactor core according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted. Hereinafter, the fast reactor fuel element, the fast reactor fuel assembly, and the fast reactor core express a vertical relationship in a state where they are installed in the reactor vessel.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る高速炉炉心を有する高速炉の構成例を示す立断面図である。高速炉1は、高速炉炉心3と、高速炉炉心3を内包し底部を有し鉛直方向に延びる円筒状の原子炉容器2と、原子炉容器2の上部の開口を塞ぐように設けられた遮へいプラグ11を有する。高速炉炉心3は、炉心支持板4に支持されている。高速炉炉心3は、後述する複数の高速炉用燃料集合体20のそれぞれの炉心部分を構成要素として形成されている。遮へいプラグ11の高速炉炉心3の上方には、制御棒駆動装置15が設けられており、高速炉炉心3に図示しない制御棒を挿入可能に構成されている。冷却材10は、たとえば液体金属ナトリウムであって、冷却材入口配管8より原子炉容器2内に流入し、冷却材出口配管9より流出する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an elevational sectional view showing a configuration example of a fast reactor having a fast reactor core according to the first embodiment. The fast reactor 1 is provided so as to close the fast reactor core 3, the cylindrical reactor vessel 2 containing the fast reactor core 3 and having a bottom portion and extending in the vertical direction, and the upper opening of the reactor vessel 2. It has a shielding plug 11. The fast reactor core 3 is supported by the core support plate 4. The fast reactor core 3 is formed with each core portion of a plurality of fast reactor fuel assemblies 20 described later as components. A control rod driving device 15 is provided above the fast reactor core 3 of the shielding plug 11 so that a control rod (not shown) can be inserted into the fast reactor core 3. The coolant 10 is, for example, liquid metal sodium and flows into the reactor vessel 2 from the coolant inlet pipe 8 and flows out from the coolant outlet pipe 9.

図2は、第1の実施形態に係る高速炉炉心の構成例を示す平面図である。高速炉用燃料集合体20は、内側炉心燃料集合体20aおよび外側炉心燃料集合体20bからなる。高速炉炉心3は、複数の内側炉心燃料集合体20a、複数の外側炉心燃料集合体20b、複数のブランケット燃料集合体31、複数の制御棒集合体32を有する。内側炉心燃料集合体20a、外側炉心燃料集合体20b、ブランケット燃料集合体31、および制御棒集合体32は、それぞれ断面は外側が六角形に形成されており、同一断面内で互いに稠密に配列される。   FIG. 2 is a plan view showing a configuration example of the fast reactor core according to the first embodiment. The fast reactor fuel assembly 20 includes an inner core fuel assembly 20a and an outer core fuel assembly 20b. The fast reactor core 3 has a plurality of inner core fuel assemblies 20a, a plurality of outer core fuel assemblies 20b, a plurality of blanket fuel assemblies 31, and a plurality of control rod assemblies 32. The inner core fuel assembly 20a, the outer core fuel assembly 20b, the blanket fuel assembly 31, and the control rod assembly 32 are each formed in a hexagonal shape on the outer cross section, and are arranged densely within the same cross section. The

高速炉炉心3においては、径方向中央のほぼ円形の領域に互いに平行に鉛直方向に延びた複数の内側炉心燃料集合体20aが配列されている。制御棒集合体32は、互いに隣接することなく複数の内側炉心燃料集合体20aが配列されている中に散在、すなわち互いに隣接することなく配されて、内側炉心燃料集合体20aに平行に鉛直方向に延びている。複数の外側炉心燃料集合体20bは、内側炉心燃料集合体20aの径方向外側に2層をなして環状に配列されており、それぞれが内側炉心燃料集合体20aに平行に鉛直方向に延びている。   In the fast reactor core 3, a plurality of inner core fuel assemblies 20a extending in the vertical direction in parallel to each other are arranged in a substantially circular region in the center in the radial direction. The control rod assemblies 32 are scattered in the arrangement of the plurality of inner core fuel assemblies 20a without being adjacent to each other, that is, are arranged without being adjacent to each other, and are parallel to the inner core fuel assemblies 20a in the vertical direction. It extends to. The plurality of outer core fuel assemblies 20b are annularly arranged in two layers on the radially outer side of the inner core fuel assembly 20a, and each extend in the vertical direction in parallel to the inner core fuel assembly 20a. .

ブランケット燃料集合体31は、外側炉心燃料集合体20bの径方向外側に3層をなして環状に配列されており、それぞれが外側炉心燃料集合体20bに平行に鉛直方向に延びている。なお、内側炉心燃料集合体20aの本数、外側炉心燃料集合体20bおよびブランケット燃料集合体31それぞれの層数、あるいは制御棒集合体32の本数は、それぞれの炉心の出力、得るべき特性等を踏まえて適切に決定されればよい。   The blanket fuel assemblies 31 are arranged annularly in three layers on the radially outer side of the outer core fuel assemblies 20b, and each extend in the vertical direction in parallel with the outer core fuel assemblies 20b. The number of inner core fuel assemblies 20a, the number of layers of outer core fuel assemblies 20b and blanket fuel assemblies 31, or the number of control rod assemblies 32 are based on the output of each core, the characteristics to be obtained, etc. Can be determined appropriately.

図3は、第1の実施形態に係る高速炉用燃料集合体20の構成例を示す立断面図である。また、図4は、図3のIV−IV線矢視水平断面図である。以下の説明は、内側炉心燃料集合体20aおよび外側炉心燃料集合体20bに共通である。   FIG. 3 is an elevational sectional view showing a configuration example of the fast reactor fuel assembly 20 according to the first embodiment. 4 is a horizontal sectional view taken along the line IV-IV in FIG. The following description is common to the inner core fuel assembly 20a and the outer core fuel assembly 20b.

高速炉用燃料集合体20は、複数の高速炉用燃料要素40、複数の高速炉用燃料要素40を下方から支持する燃料要素支持グリッド23、およびこれらを収納するラッパ管24を有する。   The fast reactor fuel assembly 20 includes a plurality of fast reactor fuel elements 40, a fuel element support grid 23 that supports the plurality of fast reactor fuel elements 40 from below, and a trumpet tube 24 that houses them.

複数の高速炉用燃料要素40は、互いに平行に三角格子状に配列され鉛直方向に延びている。高速炉用燃料要素40のそれぞれを下方から支持する燃料要素支持グリッド23は、水平に設置されラッパ管24の内面に取付けられている。燃料要素支持グリッド23には、高速炉用燃料要素40のそれぞれに供給される冷却材が下方から上方に通過するために複数の開口が形成されている。   The plurality of fast reactor fuel elements 40 are arranged in a triangular lattice parallel to each other and extend in the vertical direction. A fuel element support grid 23 that supports each of the fast reactor fuel elements 40 from below is installed horizontally and attached to the inner surface of the trumpet tube 24. A plurality of openings are formed in the fuel element support grid 23 so that the coolant supplied to each of the fast reactor fuel elements 40 passes from below to above.

高速炉用燃料要素40を三角格子状に稠密に配列することによって冷却材割合が減るので、冷却材の減速効果が小さいのが一般的に高速炉の特徴である。3角配列ゆえに冷却材が少ない体系において、後述する減速材を導入することによって、その効果が顕著に表れることから、三角配列のように高速炉用燃料要素40を稠密に配列することが好ましい。   Since the ratio of the coolant is reduced by densely arranging the fast reactor fuel elements 40 in a triangular lattice pattern, it is generally a feature of the fast reactor that the cooling effect of the coolant is small. In a system with few coolants due to the triangular arrangement, the effect is remarkably exhibited by introducing a moderator, which will be described later. Therefore, it is preferable to arrange the fast reactor fuel elements 40 densely as in a triangular arrangement.

ラッパ管24は、水平断面が六角形の筒状であり、鉛直方向に延びている。ラッパ管24内には、前述のように、複数の高速炉用燃料要素40が三角配列で稠密に収納されている。高速炉用燃料要素40の側面には、たとえば図示しないワイヤスペーサがスパイラルに巻かれており、ワイヤスペーサによって互いに隣接する高速炉用燃料要素40間の間隙が確保され、冷却材の流路が確保される。ラッパ管24は、下部に円筒状で下端が閉止されたエントランスノズル21を有する。エントランスノズル21の側面には、複数の冷却材流入孔22が形成されている。また、ラッパ管24は上部にハンドリングヘッド25を有し、ハンドリングヘッド25には径方向の中心に冷却材流出孔26が形成されている。   The trumpet tube 24 has a hexagonal cylindrical shape in the horizontal cross section and extends in the vertical direction. As described above, the plurality of fast reactor fuel elements 40 are densely accommodated in the trumpet tube 24 in a triangular arrangement. For example, a wire spacer (not shown) is spirally wound on the side surface of the fast reactor fuel element 40, and a gap between the fast reactor fuel elements 40 adjacent to each other is secured by the wire spacer to secure a coolant flow path. Is done. The trumpet tube 24 has an entrance nozzle 21 having a cylindrical shape at the bottom and closed at the lower end. A plurality of coolant inflow holes 22 are formed on the side surface of the entrance nozzle 21. Further, the trumpet tube 24 has a handling head 25 at the upper portion, and the handling head 25 is formed with a coolant outflow hole 26 at the center in the radial direction.

図5は、第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素40の構成を示す立断面図である。また、図6は、図5のVI−VI線矢視水平断面図である。高速炉用燃料要素40は、炉心燃料41、下部ブランケット燃料42a、上部ブランケット燃料42b、燃料棒支持板48、およびこれらを収納する被覆管44を有する。   FIG. 5 is an elevational sectional view showing the configuration of the fast reactor fuel element 40 according to the first embodiment. 6 is a horizontal sectional view taken along the line VI-VI in FIG. The fast reactor fuel element 40 includes a core fuel 41, a lower blanket fuel 42a, an upper blanket fuel 42b, a fuel rod support plate 48, and a cladding tube 44 for housing them.

下部ブランケット燃料42a、炉心燃料41および上部ブランケット燃料42bは、いずれも高い熱伝導率および高い燃料密度を有する金属燃料である。金属燃料は、ウラニウム、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムおよびキュリウム、あるいは、これらの少なくともいずれか一つを含む合金である。下部ブランケット燃料42a、炉心燃料41および上部ブランケット燃料42bは、それぞれ、円筒状であり鉛直方向に延びている。詳細は後述する。また、下部ブランケット燃料42a、炉心燃料41および上部ブランケット燃料42bは、この順番に下側から積み上げられている。下部ブランケット燃料42aは、被覆管44に取付けられた燃料棒支持板48に下端を支持されている。   The lower blanket fuel 42a, the core fuel 41, and the upper blanket fuel 42b are all metallic fuels having high thermal conductivity and high fuel density. The metal fuel is uranium, plutonium, neptunium, americium and curium, or an alloy containing at least one of these. The lower blanket fuel 42a, the core fuel 41, and the upper blanket fuel 42b are each cylindrical and extend in the vertical direction. Details will be described later. The lower blanket fuel 42a, the core fuel 41, and the upper blanket fuel 42b are stacked from the lower side in this order. The lower blanket fuel 42 a is supported at the lower end by a fuel rod support plate 48 attached to the cladding tube 44.

被覆管44は、円筒状で鉛直方向に延びている。被覆管44は、下部に下部端栓45aを有し、下部端栓45aによって下端を閉止されている。下部端栓45aは先端が細径となっている。また、被覆管44は上部に上部端栓45bを有し、上部端栓45bによって上端を閉止されている。この結果、被覆管44内は密閉空間が形成されている。   The cladding tube 44 is cylindrical and extends in the vertical direction. The cladding tube 44 has a lower end plug 45a at the lower portion, and the lower end is closed by the lower end plug 45a. The tip of the lower end plug 45a has a small diameter. Further, the cladding tube 44 has an upper end plug 45b at the upper portion, and the upper end is closed by the upper end plug 45b. As a result, a sealed space is formed in the cladding tube 44.

被覆管44内の燃料棒支持板48の下方は空間となっており、下部ガスプレナム43aを形成する。また、上部ブランケット燃料42bの上方は空間となっており、上部ガスプレナム43bを形成する。被覆管44内には、希ガス49bが封入されている。希ガス49bは、たとえば、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノンのいずれか、あるいは、これらの混合物である。   A space below the fuel rod support plate 48 in the cladding 44 is a space, and forms a lower gas plenum 43a. In addition, a space above the upper blanket fuel 42b forms a top gas plenum 43b. A rare gas 49 b is sealed in the cladding tube 44. The rare gas 49b is, for example, any one of helium, argon, krypton, and xenon, or a mixture thereof.

下部ブランケット燃料42a、炉心燃料41および上部ブランケット燃料42bのそれぞれには、径方向中心に、鉛直方向に貫通する中央孔46aが形成されている。すなわち、下部ブランケット燃料42a、炉心燃料41および上部ブランケット燃料42bのそれぞれは中空燃料棒46である。また、中央孔46aには、中央孔46aの内面とは間隙を有しながら中実棒47が設けられている。ここで、中実棒47は、後述するドップラー効果増強材を材料として用いている。   Each of the lower blanket fuel 42a, the core fuel 41 and the upper blanket fuel 42b has a central hole 46a penetrating in the vertical direction at the radial center. That is, each of the lower blanket fuel 42a, the core fuel 41, and the upper blanket fuel 42b is a hollow fuel rod 46. Further, a solid rod 47 is provided in the central hole 46a with a gap from the inner surface of the central hole 46a. Here, the solid rod 47 uses a Doppler effect enhancing material described later as a material.

ここで、Ciを燃料被覆管内径、Soを中空燃料棒外径、Siを中空燃料棒内径、Moを中実減速棒外径とした場合、其々の寸法は、次の条件を満たしている。
0.6<((So−Si)/(Ci−Mo))<0.8
Here, when Ci is the inner diameter of the fuel cladding tube, So is the outer diameter of the hollow fuel rod, Si is the inner diameter of the hollow fuel rod, and Mo is the outer diameter of the solid speed reducing rod, the respective dimensions satisfy the following conditions: .
0.6 <((So 2 -Si 2 ) / (Ci 2 -Mo 2)) <0.8

金属燃料は、特に中性子照射によりスウェリングすることが知られている。スミア密度を上げすぎると、ギャップ体積が減りキャップが小さくなるために、短期間の運転で、酸化物燃料が被覆管側に膨張し、被覆管とのコンタクトが問題となり、また寿命が短くなる。スウェリングによる中空燃料棒46の膨張力が被覆管44に過大な応力を生じないように、ある程度の空隙を中空燃料棒46と被覆管44の内面間に設けなければならない。   It is known that metal fuels are swollen especially by neutron irradiation. If the smear density is increased too much, the gap volume is reduced and the cap becomes small, so that the oxide fuel expands to the cladding tube side in a short period of operation, and contact with the cladding tube becomes a problem, and the life is shortened. A certain amount of space must be provided between the hollow fuel rod 46 and the inner surface of the cladding tube 44 so that the expansion force of the hollow fuel rod 46 due to swelling does not cause excessive stress on the cladding tube 44.

一方、空隙が大きすぎると中空燃料棒46中の核分裂性物質の富化度が大きくなり炉心の核的性能が劣化する。すなわち同じ運転期間での燃焼度が大きくなる。また、それとともに燃料温度が空隙の温度上昇により過度に高温になる可能性がある。   On the other hand, if the void is too large, the enrichment of the fissile material in the hollow fuel rod 46 will increase and the nuclear performance of the core will deteriorate. That is, the burnup during the same operation period increases. In addition, the fuel temperature may become excessively high due to the temperature increase of the air gap.

以上により、被覆管と中実管に挟まれた領域における中空燃料の体積占有率、すなわちスミア密度は、60%程度より大きく、かつ80%程度よりは小さい値が適切である。   As described above, the volume occupancy rate of the hollow fuel in the region sandwiched between the cladding tube and the solid tube, that is, the smear density, is appropriately larger than about 60% and smaller than about 80%.

水平断面において、被覆管44内の全面積から中実棒47の面積を除いた面積S1に対して、中空燃料棒46が初期に占める面積S2の割合は、充填率である。また、S1からS2を減じた面積は、中空燃料棒46がスウェリングした時に占め得る面積となる。   In the horizontal section, the ratio of the area S2 initially occupied by the hollow fuel rods 46 to the area S1 obtained by removing the area of the solid rod 47 from the total area in the cladding tube 44 is the filling rate. The area obtained by subtracting S2 from S1 is an area that can be occupied when the hollow fuel rod 46 is swollen.

これらを勘案し、スウェリング前の中空燃料棒46の充填率を、概ね60%ないし80%とすることにより、被覆管44の過度な応力発生を防止でき、また、燃料体積比の低下による炉心性能の劣化や過度な燃料温度上昇が防止できる。   Taking these into consideration, the filling rate of the hollow fuel rods 46 before swering is set to approximately 60% to 80%, so that excessive stress generation in the cladding tube 44 can be prevented, and the core due to a decrease in the fuel volume ratio. Performance deterioration and excessive fuel temperature rise can be prevented.

中実棒47に用いるドップラー効果増強材は、過渡的な事象が発生した場合に、ドップラー効果を大きくして、反応度の上昇を抑制するためのものである。ドップラー効果増強材としてこの目的を果たす機能を有する材料としては、具体的には、以下のいずれかのものがある。   The Doppler effect enhancing material used for the solid rod 47 is for increasing the Doppler effect and suppressing the increase in reactivity when a transient event occurs. Specifically, the material having the function of fulfilling this purpose as the Doppler effect enhancing material includes any of the following.

ドップラー効果増強材としての第1の材料は、通常、減速材に用いられる材料、たとえば、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、ベリリウム、黒鉛および炭化ケイ素などのいずれかを少なくとも一つを含む材料である。   The first material as the Doppler effect enhancing material is usually at least one of materials used for the moderator, such as beryllium oxide, lithium oxide, boron carbide, zirconium hydride, beryllium, graphite, and silicon carbide. It is a material containing.

これらのドップラー効果増強材としての減速材は、中性子の散乱断面積の絶対値は大きいが、散乱断面積の中性子エネルギー依存性は比較的小さい。このため、あるエネルギーの範囲の中性子が衝突して一様に減速するので、この結果、中性子の最終的なエネルギースペクトルは、低エネルギー側にピークを持つ。また、散乱効果の温度依存性も小さい。   These moderators as the Doppler effect enhancing material have a large absolute value of the neutron scattering cross section, but the neutron energy dependence of the scattering cross section is relatively small. For this reason, neutrons in a certain energy range collide and uniformly decelerate. As a result, the final energy spectrum of neutrons has a peak on the low energy side. Also, the temperature dependence of the scattering effect is small.

ドップラー効果の要因である中性子吸収反応(absorption)は、中性子捕獲反応(capture)と中性子核分裂反応(fission)の2種類の反応からなる。中性子の増減は、中性子捕獲反応の増加に伴う中性子数の減少と中性子核分裂反応の増加に伴う中性子数の増加のバランスにより決まる。なお、中性子核分裂反応による1核分裂あたりの中性子発生数(ν)はたとえば約2.9個である。   The neutron absorption reaction (absorption) which is a factor of the Doppler effect is composed of two kinds of reactions, a neutron capture reaction (capture) and a neutron fission reaction (fission). The increase or decrease in neutrons is determined by the balance between the decrease in the number of neutrons with an increase in neutron capture reaction and the increase in the number of neutrons with an increase in neutron fission reaction. The number of neutrons generated per fission by the neutron fission reaction (ν) is, for example, about 2.9.

すなわち、燃料核種の温度上昇に伴う反応度変化は、上記の中性子吸収の増加とそれに伴う中性子核分裂により発生する中性子のバランスの変化が主な要因である。燃料の中心に配置される中実棒47のドップラー効果増強材を中性子減速材とすることで、炉心の中性子スペクトルが低エネルギー側へシフトし、燃料核種の中性子捕獲反応が増加するのでドップラー効果が増大する。   That is, the change in reactivity accompanying the increase in temperature of the fuel nuclide is mainly due to the increase in neutron absorption and the change in the balance of neutrons generated by neutron fission. By using the Doppler effect enhancing material of the solid rod 47 arranged at the center of the fuel as a neutron moderator, the neutron spectrum of the core shifts to the low energy side, and the neutron capture reaction of the fuel nuclide increases, so the Doppler effect is Increase.

ドップラー効果増強材としての第2の材料は、高い中性子エネルギー領域の中性子吸収断面積の温度依存性の効果が大きな材料である。たとえば、クロム、鉄、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、およびタングステンなどのいずれかを少なくとも一つを含む材料である。   The second material as the Doppler effect enhancing material is a material having a large temperature-dependent effect on the neutron absorption cross section in the high neutron energy region. For example, the material includes at least one of chromium, iron, nickel, zirconium, niobium, molybdenum, tungsten, and the like.

これらのドップラー効果増強材を用いた場合も、減速材と同様に、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大するので、炉心の安全性が確保される。   Even when these Doppler effect enhancing materials are used, the safety of the core is ensured because the Doppler effect, which is an immediate negative feedback reactivity accompanying the temperature rise of the core, is increased as in the moderator.

ドップラー効果増強材としての第3の材料は、中性子共鳴散乱断面積の大きい材料である。たとえば、バナジウム、マンガン、セリウムおよびチタニウムなどのうち少なくともいずれか一つを含む材料である。   The third material as the Doppler effect enhancing material is a material having a large neutron resonance scattering cross section. For example, the material includes at least one of vanadium, manganese, cerium, titanium, and the like.

これらの材料は、いずれも燃料のドップラー効果が顕著な中速程度の概ね10eVから10keVのエネルギー領域において、中性子散乱断面積が中性子吸収断面積よりも顕著に大きい。このため、これらの減速材の付近では、ドップラーエネルギー領域の付近のエネルギーにピークを有する中性子エネルギースペクトルとなる。すなわち、このエネルギー領域では散乱中性子による中性子束が増加する。このため、燃料のドップラー効果もその他の減速材の場合よりも大きくなる傾向がある。したがって、このような中速散乱用材を用いた場合も、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大する。   Each of these materials has a neutron scattering cross section that is significantly larger than the neutron absorption cross section in the energy range of approximately 10 eV to 10 keV, which is about a medium speed where the Doppler effect of fuel is remarkable. For this reason, in the vicinity of these moderators, a neutron energy spectrum having a peak in energy in the vicinity of the Doppler energy region is obtained. That is, the neutron flux due to scattered neutrons increases in this energy region. For this reason, the Doppler effect of fuel tends to be larger than that of other moderators. Therefore, even when such a medium-speed scattering material is used, the Doppler effect, which is an immediate negative feedback reactivity associated with a rise in core temperature, is increased.

以上のように、ドップラー効果増強材としての第1ないし第3の材料の少なくともいずれかを含む材料を、中実棒47のドップラー効果増強材として用いることによって、ドップラー効果が増大し、反応度の抑制効果が得られる。   As described above, by using a material containing at least one of the first to third materials as the Doppler effect enhancing material as the Doppler effect enhancing material of the solid rod 47, the Doppler effect is increased and the reactivity is increased. An inhibitory effect is obtained.

次に、以上のように構成された本実施形態の作用を説明する。   Next, the operation of the present embodiment configured as described above will be described.

図7は、第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素の定格時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。横軸は中空燃料棒46である炉心燃料41の径方向中心からの距離である。縦軸は、定格出力で運転されている状態における炉心燃料41の径方向各部の温度である。実線Xは、被覆管44内に希ガスが封入されている、すなわちガスボンドの場合である。また、破線Yは、被覆管44内にボンド材であるナトリウム(ボンドナトリウム)49aが封入され、中空燃料棒46がボンドナトリウム49aに浸されている、すなわちナトリウムボンドの場合である。   FIG. 7 is a graph showing an example of the radial temperature distribution when the fast reactor fuel element according to the first embodiment is rated. The horizontal axis is the distance from the radial center of the core fuel 41 that is the hollow fuel rod 46. The vertical axis represents the temperature of each part in the radial direction of the core fuel 41 in a state where it is operated at the rated output. A solid line X is a case where a rare gas is sealed in the cladding tube 44, that is, a gas bond. A broken line Y is a case where sodium (bond sodium) 49a as a bond material is sealed in the cladding tube 44 and the hollow fuel rod 46 is immersed in the bond sodium 49a, that is, a sodium bond.

図7に示すように、定格運転時では、ナトリウムボンドの場合が約535℃、ガスボドであっても約770℃にとどまっている。なお、中空部に配置する中実棒47は燃料ではないので中性子との反応による発熱は少なく燃料温度への影響もほとんどないので、ここでは中実棒47の温度は図示していない。   As shown in FIG. 7, at the rated operation, the sodium bond stays at about 535 ° C., and the gas bond stays at about 770 ° C. Since the solid rod 47 arranged in the hollow portion is not a fuel, the heat generated by the reaction with neutrons is small and the fuel temperature is hardly affected. Therefore, the temperature of the solid rod 47 is not shown here.

図8は、第1の実施形態に係る高速炉用燃料要素の過渡時の径方向の温度分布の例を示すグラフである。具体的には、線出力が定格出力時の2倍となった場合の、過渡時の温度が最も上昇した時点の温度分布である。中空燃料棒46の内面の温度は上昇するが、ナトリウムボンドの場合で約575℃(温度上昇約40℃)、ガスボンドの場合で約1050℃(温度上昇約275℃)程度にとどまっている。   FIG. 8 is a graph showing an example of a radial temperature distribution during the transient of the fast reactor fuel element according to the first embodiment. Specifically, it is a temperature distribution at the time when the temperature at the time of transition rises most when the line output becomes twice that at the rated output. The temperature of the inner surface of the hollow fuel rod 46 rises, but it is only about 575 ° C. (temperature rise of about 40 ° C.) in the case of sodium bond and about 1050 ° C. (temperature rise of about 275 ° C.) in the case of gas bond.

中空燃料棒46では、スウェリング時の変形を中空燃料棒46の内側と外側の両方で吸収することができる。このため中実燃料の場合に比べて、中空燃料では外側の変形量が減少するので、燃料と被覆管の隙間を小さくすることができる。したがって、ガスボンド型のため間隙での温度勾配が大きくとも、間隙の寸法を小さくすることができた効果によって、間隙での温度差は従来の場合(図13参照)に比べて小さくなり、燃料温度は低く抑えられる。具体的には、図7および図8に示すように燃料温度が金属燃料の融点の約1100℃を超えることはない。   In the hollow fuel rod 46, deformation during swelling can be absorbed both inside and outside the hollow fuel rod 46. For this reason, compared with the case of a solid fuel, since the amount of deformation on the outside decreases in the hollow fuel, the gap between the fuel and the cladding tube can be reduced. Therefore, even if the temperature gradient in the gap is large due to the gas bond type, the temperature difference in the gap becomes smaller than in the conventional case (see FIG. 13) due to the effect of reducing the size of the gap, and the fuel temperature Is kept low. Specifically, as shown in FIGS. 7 and 8, the fuel temperature does not exceed about 1100 ° C., which is the melting point of the metal fuel.

以上の結果から明らかなように、本実施形態によれば、ガスボンドであっても原子炉の急激な出力上昇時にも、燃料温度が金属燃料の融点を超えることがない。また、ガスボンドとしたことにより、原子炉の急激な出力上昇時の燃料温度変化が大きくなり、原子炉出力を抑制するドップラー効果(反応度フィードバック効果)が増大するので、原子炉の反応度の過渡的な上昇を抑制することができる。   As is clear from the above results, according to the present embodiment, even if it is a gas bond, the fuel temperature does not exceed the melting point of the metal fuel even when the output of the reactor is suddenly increased. In addition, the gas bond increases the change in fuel temperature when the reactor power is suddenly increased, increasing the Doppler effect (reactivity feedback effect) that suppresses the reactor power. Increase can be suppressed.

また、ナトリウムボンド型では炉心燃料がボンドナトリウム49aに浸漬するために炉心燃料141(図11)の下部にガス空間を確保できないが、本実施形態では、ガスボンド型とすることで炉心燃料41の下部にも下部ガスプレナム43aを設けることが可能となり、被覆管44内のガス内圧を低く抑えることができる。   Further, in the sodium bond type, the core fuel is immersed in the bond sodium 49a, so a gas space cannot be secured in the lower part of the core fuel 141 (FIG. 11). However, in this embodiment, the lower part of the core fuel 41 is obtained by using the gas bond type. In addition, the lower gas plenum 43a can be provided, and the gas internal pressure in the cladding tube 44 can be kept low.

即ち、被覆管44への内圧荷重が減少し、被覆管44の肉厚を薄くすることが可能となり、燃料集合体当りの燃料体積比を増加させることができる。この結果、増殖比が向上し燃焼反応度が小さくなり、運転期間を延長できることになり、経済性が向上する。   That is, the internal pressure load on the cladding tube 44 is reduced, the thickness of the cladding tube 44 can be reduced, and the fuel volume ratio per fuel assembly can be increased. As a result, the growth ratio is improved, the combustion reactivity is reduced, the operation period can be extended, and the economic efficiency is improved.

以上のように、本発明の実施形態によれば、中性子の照射による金属燃料のスウェリングを吸収し、かつドップラー反応度の増大のための適切な燃料温度の上昇を図ることができる。   As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to absorb the swelling of the metal fuel due to the irradiation of neutrons and to increase the fuel temperature appropriately for increasing the Doppler reactivity.

[第2の実施形態]
図9は、第2の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態においては、炉心燃料41のみ中空燃料棒46であって、下部ブランケット燃料42aおよび上部ブランケット燃料42bは中空燃料棒46ではなく中実の燃料である。したがって、ドップラー効果増強材の中実棒47は、炉心燃料41の中央孔46a内にのみ設けられている。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is an elevational sectional view showing the configuration of the fast reactor fuel element according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. In the second embodiment, only the core fuel 41 is the hollow fuel rod 46, and the lower blanket fuel 42 a and the upper blanket fuel 42 b are solid fuel, not the hollow fuel rod 46. Therefore, the solid rod 47 of the Doppler effect enhancing material is provided only in the central hole 46 a of the core fuel 41.

下部ブランケット燃料42aおよび上部ブランケット燃料42bについては、核分裂性物質が少なく、ドップラー効果増強材の中実棒47を設けない場合でも、過渡時のドップラー効果を向上させる効果を減らす影響は小さい。すなわち、過渡時のドップラー効果を向上させる効果は、主に炉心燃料41によって得られることになる。   The lower blanket fuel 42a and the upper blanket fuel 42b have little fissile material, and even when the solid rod 47 of the Doppler effect enhancing material is not provided, the effect of reducing the effect of improving the Doppler effect at the time of transition is small. That is, the effect of improving the Doppler effect during the transition is mainly obtained by the core fuel 41.

このように、上下の軸ブランケット燃料、すなわち下部ブランケット燃料42aおよび上部ブランケット燃料42bを中実とすることによって、増殖比が増大し、経済性が向上する。   Thus, by making the upper and lower shaft blanket fuels, that is, the lower blanket fuel 42a and the upper blanket fuel 42b solid, the proliferation ratio is increased and the economic efficiency is improved.

[第3の実施形態]
図10は、第3の実施形態に係る高速炉用燃料要素の構成を示す立断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第3の実施形態においては、下部ガスプレナム43aを設けずに、上部ガスプレナム43bを広くしている。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is an elevational sectional view showing the configuration of the fast reactor fuel element according to the third embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. In the third embodiment, the upper gas plenum 43b is widened without providing the lower gas plenum 43a.

この場合、従来のナトリウムボンドの炉心燃料集合体と同じ位置に炉心燃料41が設けられることになる。このため、高速炉炉心の中で、一部の燃料集合体を、本実施形態の燃料集合体に交換した場合でも、炉心が一部ずれてしまうということがない。すなわち、従来の燃料集合体を、本実施形態の高速炉用燃料集合体20に交換する場合、全炉心分を一挙に交換しなくとも、一部を順次交換していくことが可能となる。   In this case, the core fuel 41 is provided at the same position as the conventional sodium bond core fuel assembly. For this reason, even if a part of the fuel assemblies in the fast reactor core are replaced with the fuel assemblies of the present embodiment, the core does not partially shift. That is, when the conventional fuel assembly is replaced with the fast reactor fuel assembly 20 of the present embodiment, it is possible to sequentially replace a part of the fuel assembly without replacing all the cores at once.

[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…高速炉、2…原子炉容器、3…高速炉炉心、4…炉心支持板、8…冷却材入口配管、9…冷却材出口配管、10…冷却材、11…遮へいプラグ、15…制御棒駆動装置、20…高速炉用燃料集合体、20a…内側炉心燃料集合体、20b…外側炉心燃料集合体、21…エントランスノズル、22…冷却材流入孔、23…燃料要素支持グリッド、24…ラッパ管、25…ハンドリングヘッド、26…冷却材流出孔、31…ブランケット燃料集合体、32…制御棒集合体、40…高速炉用燃料要素、41…炉心燃料、42a…下部ブランケット燃料、42b…上部ブランケット燃料、43a…下部ガスプレナム、43b…上部ガスプレナム、44…被覆管、45a…下部端栓、45b…上部端栓、46…中空燃料棒、46a…中央孔、47…中実棒、48…燃料棒支持板、49a…ボンドナトリウム、49b…希ガス、140…燃料要素、141…炉心燃料、142a…下部ブランケット燃料、142b…上部ブランケット燃料、143b…上部ガスプレナム、144…被覆管、145a…下部端栓、145b…上部端栓   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fast reactor, 2 ... Reactor vessel, 3 ... Fast reactor core, 4 ... Core support plate, 8 ... Coolant inlet piping, 9 ... Coolant outlet piping, 10 ... Coolant, 11 ... Shield plug, 15 ... Control Rod drive unit, 20 ... Fast fuel assembly, 20a ... Inner core fuel assembly, 20b ... Outer core fuel assembly, 21 ... Entrance nozzle, 22 ... Coolant inflow hole, 23 ... Fuel element support grid, 24 ... Trumpet tube, 25 ... handling head, 26 ... coolant outlet, 31 ... blanket fuel assembly, 32 ... control rod assembly, 40 ... fuel element for fast reactor, 41 ... core fuel, 42a ... lower blanket fuel, 42b ... Upper blanket fuel, 43a ... lower gas plenum, 43b ... upper gas plenum, 44 ... cladding tube, 45a ... lower end plug, 45b ... upper end plug, 46 ... hollow fuel rod, 46a ... central hole, 47 ... Solid rod, 48 ... Fuel rod support plate, 49a ... Bond sodium, 49b ... Noble gas, 140 ... Fuel element, 141 ... Core fuel, 142a ... Lower blanket fuel, 142b ... Upper blanket fuel, 143b ... Upper gas plenum, 144 ... Coating Pipe, 145a ... Lower end plug, 145b ... Upper end plug

Claims (8)

径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を備えることを特徴とする高速炉用燃料要素。
A hollow fuel rod using a metal fuel that has a central hole that penetrates in the vertical direction at the center in the radial direction and extends in the vertical direction;
A solid rod that is arranged in the central hole and extends in the vertical direction using a Doppler effect enhancing material,
A cladding tube containing the hollow fuel rod and the solid rod and extending in the vertical direction, closed at the top and bottom, and filled with a rare gas as a heat transfer material in the sealed space inside;
A fuel element for a fast reactor, comprising:
前記金属燃料は、ウラニウム、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウム及びキュリウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の高速炉用燃料要素。   2. The fast reactor fuel element according to claim 1, wherein the metal fuel includes at least one of uranium, plutonium, neptunium, americium, and curium. 前記ドップラー効果増強材は、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、ベリリウム、黒鉛及び炭化ケイ素の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高速炉用燃料要素。   The high-speed material according to claim 1, wherein the Doppler effect enhancing material includes at least one of beryllium oxide, lithium oxide, boron carbide, zirconium hydride, beryllium, graphite, and silicon carbide. Reactor fuel element. 前記ドップラー効果増強材は、クロム、鉄、ニッケル、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、およびタングステンの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高速炉用燃料要素。   3. The fuel element for a fast reactor according to claim 1, wherein the Doppler effect enhancing material includes at least one of chromium, iron, nickel, zirconium, niobium, molybdenum, and tungsten. 前記ドップラー効果増強材は、バナジウム、マンガン、セリウムおよびチタニウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高速炉用燃料要素。   3. The fuel element for a fast reactor according to claim 1, wherein the Doppler effect enhancing material includes at least one of vanadium, manganese, cerium, and titanium. 4. 前記希ガスは、ヘリウム、アルゴン、クリプトンおよびキセノンの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の高速炉用燃料要素。   The fast reactor fuel element according to any one of claims 1 to 5, wherein the rare gas includes at least one of helium, argon, krypton, and xenon. 互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、
前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、
前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、
を備える高速炉用燃料集合体であって、
前記高速炉用燃料要素は、
径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を有することを特徴とする高速炉用燃料集合体。
A plurality of fast reactor fuel elements arranged in parallel and extending in the vertical direction;
A fuel element support grid horizontally installed below the plurality of fast reactor fuel elements and supporting a lower portion of each of the plurality of fast reactor fuel elements to allow a coolant to pass therethrough;
A trumpet tube that houses the plurality of fast reactor fuel elements and the fuel element support grid, extends in a vertical direction, and has a lower part and an upper part formed so that a coolant can pass through;
A fast reactor fuel assembly comprising:
The fast reactor fuel element comprises:
A hollow fuel rod using a metal fuel that has a central hole that penetrates in the vertical direction at the center in the radial direction and extends in the vertical direction;
A solid rod that is arranged in the central hole and extends in the vertical direction using a Doppler effect enhancing material,
A cladding tube containing the hollow fuel rod and the solid rod and extending in the vertical direction, closed at the top and bottom, and filled with a rare gas as a heat transfer material in the sealed space inside;
A fuel assembly for a fast reactor, comprising:
互いに平行に配列され鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料集合体と、
前記複数の高速炉用燃料集合体の中に互いに隣接することなく設けられた複数の制御棒集合体と、
前記高速炉用燃料集合体の径方向外側に配されて鉛直方向に延びる複数のブランケット燃料集合体と、
を具備することを特徴とする高速炉炉心であって、
前記高速炉用燃料集合体は、
互いに並列に配されて鉛直方向に延びる複数の高速炉用燃料要素と、
前記複数の高速炉用燃料要素の下方に水平に設置され前記複数の高速炉用燃料要素のそれぞれの下部を支持し冷却材が通過可能に形成された燃料要素支持グリッドと、
前記複数の高速炉用燃料要素および前記燃料要素支持グリッドを収納し、鉛直方向に延びて、下部および上部は冷却材が通過可能に形成されたラッパ管と、
を備え、
前記高速炉用燃料要素は、
径方向中央に鉛直方向に貫通する中央孔が形成され鉛直方向に延びて金属燃料を用いた中空燃料棒と、
前記中央孔内に配され鉛直方向に延びてドップラー効果増強材を用いた中実棒と、
前記中空燃料棒および前記中実棒を収納し鉛直方向に延びた円筒状で上部および下部を閉止されその内部の密閉空間に熱伝達物質として希ガスが充填されている被覆管と、
を有することを特徴とする高速炉炉心。
A plurality of fast reactor fuel assemblies arranged parallel to each other and extending in the vertical direction;
A plurality of control rod assemblies provided in the plurality of fast reactor fuel assemblies without being adjacent to each other;
A plurality of blanket fuel assemblies that are arranged radially outside the fast reactor fuel assemblies and extend in the vertical direction;
A fast reactor core characterized by comprising:
The fast reactor fuel assembly is:
A plurality of fast reactor fuel elements arranged in parallel and extending in the vertical direction;
A fuel element support grid horizontally installed below the plurality of fast reactor fuel elements and supporting a lower portion of each of the plurality of fast reactor fuel elements to allow a coolant to pass therethrough;
A trumpet tube that houses the plurality of fast reactor fuel elements and the fuel element support grid, extends in a vertical direction, and has a lower part and an upper part formed so that a coolant can pass through;
With
The fast reactor fuel element comprises:
A hollow fuel rod using a metal fuel that has a central hole that penetrates in the vertical direction at the center in the radial direction and extends in the vertical direction;
A solid rod that is arranged in the central hole and extends in the vertical direction using a Doppler effect enhancing material,
A cladding tube containing the hollow fuel rod and the solid rod and extending in the vertical direction, closed at the top and bottom, and filled with a rare gas as a heat transfer material in the sealed space inside;
A fast reactor core characterized by comprising:
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