JP2622269B2 - 原子炉燃料集合体のガスパージ機構 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、液体金属冷却型原子炉に用いられるチュ
ーブインシェル型燃料集合体に関するもので、特に、シ
ェル管と冷却管間或いは冷却管相互間に熱膨脹による軸
方向伸び差が生じても、冷却管の座屈等損傷を来すこと
なく変位を吸収できるガスパージ機構に関する。

［従来の技術］ 液体金属冷却型原子炉に用いる燃料集合体で、燃料物
質が被覆管に収納されたピン状燃料において、その内部
のFPガス（核分裂生成ガス）を放出する構造は、一般的
にベント型燃料として知られている。例えば、特開昭49
−109792や特開昭50−5797に詳述されているが、その典
型例を示せば第３図の通りである。

すなわち、第３図において符号30はピン状燃料であ
る。ピン状燃料30は燃料被覆管21の下端に下部端栓22を
上端に上部端栓23が溶接されている。燃料被覆管21の内
部には円柱状の核燃料ペレット25が軸方向に積層し装填
されている。また、この核燃料ペレット25は内部充填液
体金属（例えばナトリウム）５中に浸されている。

積層された核燃料ペレットの上方には燃料ピン内ガス
プレナム26があり、ベント機構部ガスプレナム27とを仕
切る仕切栓40を備えている。また、仕切栓40にはベント
機構部ガスプレナムに向かって延びるガス導出管29が設
けられており、一方、上部端栓23の側からはガス外部導
出管28がベント機構部ガスプレナムに向かって伸びてい
る。

前述のように構成されたピン状燃料30はその複数本を
バンドルとして図示していないラッパ管（六角筒状のシ
ェル）に収納されて炉心に装荷される。従って、炉心に
装荷された状態は、ピン状燃料30の周囲は原子炉冷却材
（例えばナトリウム）17によって満たされている。この
ため、ガス外部導出管28の開口部から冷却材17がベント
機構部ガスプレナム27内に侵入し、圧力バランスしたと
ころに液面17aが形成される。

このような、従来のピン状燃料におけるガスパージ機
構では、中性子照射によって燃料部位で発生したFPガス
はピン内ガスプレナム26の内圧を高めるので、発生した
FPガスはガス導出管29を通してベント機構部ガスプレナ
ム27に押し出され、やがては、ガス外部導出管28の下端
まで液面17aを押し下げたところでガス外部導出管28を
通して原子炉冷却材17中に放出される。

［発明が解決しようとする課題］ 燃料要素を外部から冷却する従来のピン状燃料に対
し、燃料体内に冷却材流路を備えた新たな概念からなる
いわゆるチューブインシェル型燃料集合体では、冷却管
及びシェル管が熱膨脹や中性子照射による成長で軸方向
に延びるが、多数本の冷却管相互間及び冷却管とシェル
管の間に伸び量に差があって、その差を吸収する構造を
採らないと冷却管に圧縮力が掛かり冷却管を座屈変形さ
せるおそれがある。一方、シェル管内部のFPガスを集合
体外部に放出させる構造においては、内部の液体金属は
外部に放出させないことが必要である。この両方の問題
に応えるには、従来のピン状燃料のガス放出機構では、
ピン内部の液体金属の外部放出を防止できても、冷却管
の伸びを吸収するという必要性がなかったため新たに工
夫が必要となった。

この発明は、前述した問題点を解決することを目的と
している。

［課題を解決するための手段］ この目的に対応して、この発明の原子炉燃料集合体の
ガスパージ機構は、軸方向に多数の貫通穴を有する燃料
体をシェル管内に装填し、前記燃料体の下部に下部支持
グリッド板、上部にFPガスプレナク部を確保するように
軸方向と距離を隔て配置された上部支持グリッド板と、
前記燃料体の貫通穴に挿入され前記下部支持グリッド板
と上部支持グリッド板間に冷却材流路を形成する冷却管
とを備えたチューブインシェル型燃料集合体において、
前記上部支持グリッド板は冷却管の貫通穴に上方に延び
る案内管を備えており、前記案内管の内側に配置された
前記冷却管はその上端部が前記案内管の上端を越えた位
置で外側へ折り返された二重管構造となっており、前記
案内管との間で屈曲路を形成したことを特徴としてい
る。

［作用］ シェル管内部のガスプレナムに貯まっているガスは、
屈曲路を経由し、外側へ折り返された外側管下端を通過
して原子炉冷却材中に放出される。シェル管内ガスプレ
ナムの温度が下がったり、外圧が上がった場合には、屈
曲路に形成された液体金属液面が上昇し、場合によって
は原子炉冷却材はシェル管内燃料部位に侵入する。

ガスパージ部ガスプレナム（屈曲路内空間）とシェル
管内ガスプレナムの容積比を適当に設定すれば、シェル
管内部に侵入する液体金属の量を一定量以下に制限する
ことができる。また、シェル管内ガスプレナムの容積を
燃料体や内部液体金属の膨脹量以上に確保すれば、シェ
ル管内の充填液体金属がガスパージ部ガスプレナムを逆
流して外部に漏洩するのを防止できる。

一方、冷却管とシェル管、或いは冷却管相互間の軸方
向伸びの差は、冷却管が上部支持グリッド板に固定され
ていないので、冷却管が自由にスライドすることにより
吸収できる。

［実施例］ 次に、この発明の好適な実施例を添附図面を参照し詳
細に説明する。

第１図はこの発明のガスパージ機構を備えたチューブ
インシェル型燃料集合体の外観図、第２図はこの発明の
ガスパージ機構の詳細を説明するための要部断面説明図
であって、図の簡略化のため冷却管１本に対応する部分
を示している。前記第１図及び第２図において符号１は
チューブインシェル型燃料集合体であって、燃料集合体
１は第１図によく示されているように六角形をした筒状
のシェル管２に対し、下部にはエントランスノズル11
を、上部にはハンドリングヘッド12を備えた全体として
外観が六角柱状の燃料集合体であって、ピン状燃料のバ
ンドルを内部に収納した従来の液体金属冷却型原子炉燃
料集合体と外観上ほとんど変らない。しかし、シェル管
の内部は前述した通り、新概念のチューブインシェル型
燃料集合体においては燃料体の内に冷却材の流路を備え
ており内側から冷却できる構造となっている。すなわ
ち、図中の矢印は冷却材17の流れ方向を示している。

具体的には、符号４で示されるものが燃料体であり、
燃料体４はシェル管２内に装填しうる寸法で六角柱状に
形成されている。この燃料体４には軸方向に貫通する多
数の貫通穴９が設けられており、この貫通穴９内には冷
却管３が挿入されている。冷却管３はその下端が目皿状
の下部支持グリッド板７の目、すなわち開孔部に気密に
溶接により接合されている。そして、下部支持グリッド
板７の周囲は、もちろん、シェル管２の内面に気密に接
合されている。従って、冷却管とシェル管及び下部支持
クリッド板により形成される空間には燃料体４が装填さ
れた形態となる。この燃料体４は練炭のように沢山のタ
テ穴のあいた六角柱状のものであるが必ずしも一体型で
はなく軸方向に幾つか分割した積層タイプが採用される
こともある。

一方、燃料体４が装填される前記空間には燃料体４か
らの熱を冷却管３内を流れる冷却材に伝達するにあたっ
て熱伝達を促進するための液体金属５が装填されてお
り、燃料体４上方のシェル管内ガスプレナム６に液面5a
を形成している。符号８は上部支持グリッド板であり、
上部支持グリッド板８はその周囲がシェル管２の内面に
気密に接合されており、下部支持グリッド板と同様に目
皿状に穿たれた多数の冷却管貫通穴18を備えている。こ
の貫通穴18には上方に向かって円筒状の案内管10が気密
に固定設置されている。冷却管３は、この案内管10内を
貫通して上方に延びているが、その上端は、前記案内管
10の上端を越えた位置外側へで折り返された二重管構造
となっている。すなわち、外側へ折り返された二重管構
造としての外側管3b（これに対し内側となる冷却管部を
便宜上内側管3aと呼ぶ）と前記案内管10とによって屈曲
路となっており、この部分がガスパージ部ガスプレナム
15を形成している。この外側管3bは燃料集合体製作時に
は、その下端が上部支持グリッド板８の上面に刻まれた
円環状の溝16にはめ込まれており、低融点合金により開
口部がシールされている。このシール部は燃料集合体が
原子炉容器内に装荷されて出力状態になったときは、融
解して開口状態となり、冷却管と上部支持グリッド板の
接合状態は解放される。

第２図における二重管部の仮想線は熱膨脹による冷却
管３の変位（軸方向の伸び）を示している。この図から
も明らかなように冷却管３は上部支持グリッド板８には
固定されておらず案内管10内を軸方向に自由にスライド
出来る。また、第２図でのガスパージ部ガスプレナム15
内の冷却材液面17aは燃料の出力状態における液位を示
しており、FPガスが定常的に原子炉冷却材17中に放出さ
れている時液面は開口部まで下がっている。この液面
は、燃料の出力停止状態においては燃料体４部の温度が
下がり、シェル管内ガスプレナム６の圧力減少（温度降
下によるガスの収縮等）により冷却材17がガスパージ部
ガスプレナム（屈曲路空間）15に一部侵入して液面が上
昇し、例えば符号17a′で示す位置に液面が形成され
る。なお、図中符号13はストレーナー、14は冷却材流入
口、19は上部スペーサパッド、20は中間スペーサパッド
である。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、この発明によれば冷
却管とシェル管、或いは冷却管相互間に軸方向伸びの差
を生じても、これを拘束することなく変位を吸収でき、
冷却管を座屈させる軸方向荷重が負荷されることがな
い。また、シェル管内ガスプレナムとガスパージ部ガス
プレナムの容積比を適当に設定することによって原子炉
冷却材のシェル管内燃料部位への流入量を一定限度内に
留め、かつ、内部の充填液体金属の外部（冷却中）への
漏洩を防止しうる原子炉燃料集合体のガスパージ機構を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のガスパージ機構を備えたチューブイン
シェル型燃料集合体の外観図、第２図はこの発明のガス
パージ機構の詳細を説明するための要部断面説明図、及
び第３図は従来のピン状燃料におけるFPガスベント機構
の一例を示す図である。 １……チューブインシェル型燃料集合体 ２……シェル管 ３……冷却管 3a……二重管部の内側管 3b……二重管部の外側管 ４……燃料体 ５……内部充填液体金属 ６……シェル管内ガスプレナム ７……下部支持グリッド板 ８……上部支持クリッド板 ９……貫通穴 10……案内管 15……ガスパージ部ガスプレナム 16……円環状の溝 17……原子炉冷却材 17a……液面 18……冷却管貫通穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 武 茨城県那珂郡東海村大字舟石川622番地 12 三菱原子力工業株式会社東海研究所 内 (56)参考文献 特開 平１−153997（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向に多数の貫通穴を有する燃料体をシ
   ェル管内に装填し、前記燃料体の下部に下部支持グリッ
   ド板、上部にFPガスプレナム部を確保するように軸方向
   に距離を隔て配置された上部支持グリッド板と、前記燃
   料体の貫通穴に挿入され前記下部支持グリッド板と上記
   支持グリッド板間に冷却材流路を形成する冷却管とを備
   えたチューブインシェル型燃料集合体において、前記上
   部支持グリッド板は冷却管の貫通穴に上方に延びる案内
   管を備えており、前記案内管の内側に配置された前記冷
   却管はその上端部が前記案内管の上端を越えた位置で外
   側へ折り返された二重管構造となっており、前記案内管
   との間で屈曲路を形成したことを特徴とする原子炉燃料
   集合体のガスパージ機構