JP2815190B2 - 燃料集合体及び炉心 - Google Patents

燃料集合体及び炉心

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周作 澤田
良昭 大政
求 十亀
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、核燃料集合体に係わり、特に限定するもの
ではないが、高速増殖炉に好適な燃料集合体及びそれを
用いた炉心に関するものである。
[従来の技術] 従来の高速増殖炉用燃料集合体は、第4図に示すよう
に、ラッパ管(wrapper管、即ち包囲管)2内に多数本
の燃料棒1のバンドルが収容されており、ラッパ管2の
上部、下部は中性子遮蔽用の遮蔽体6、7に結合されて
いる。
燃料棒1は被覆管4に燃料ペレット3が積層されて構
成され、その上下部にはガスプレナム部10、11が形成さ
れている。そしてガスプレナム部にはバネ体が設けら
れ、燃料ペレット3、3を相互に離間しないように弾性
的に支持している。燃料集合体に依っては、燃料棒1の
燃料ペレット積層部のうち軸方法の中間部は炉心部とな
り、上下端部はブランケット部となっていることもあ
る。
これらの燃料棒1はグリッドスペーサ或はワイヤスペ
ーサ5で三角配列状に多数配列され、その外周がラッパ
管2で包囲されている。ラッパ管2は、同一肉厚で同一
内径であるが、その炉心から離れた部位が外側に向って
肉厚を増したパッド部14となっている。そしてこのパッ
ド部14同志が接するようにラッパ管2同志は拘束され
る。上記のように構成された燃料集合体内に冷却材とし
て液体ナトリウムが下から上方へ向って流され、その間
に核分裂によって発生した熱が冷却材に伝達されるよう
になっている。
また従来の炉には、上記のように構成された多数個の
燃料集合体を装荷する場合に冷却材の流量分布が炉心の
熱出力に見合うように冷却材入口部に流量配分用オリフ
ィスが設けられている。
[発明が解決しようとする課題] ところで、かかる従来の燃料集合体は、一般的な特徴
として、炉心のコンパクト化のため或は核特性の向上の
ために、細径の燃料棒を多数配列し、且つ燃料棒間のギ
ャップを狭く設定している。したがって、燃料棒が束ね
られた燃料バンドル部では冷却材の圧力損失が大きくな
り、そのため冷却材循環のためのポンプも大きくなると
いう課題が生じる。
したがって、本発明は炉心全体の冷却材圧力損失を小
さくし得る燃料集合体を提供することを目的とし、更に
具体的には炉心核熱特性を悪化させずに燃料バンドル部
での圧力損失を低減させ得る低圧力損失型の燃料集合体
を提供することを目的としている。
また他の目的は、上記燃料集合体を用いることにより
従来の如き冷却材流量配分用のオリフィスを格別に必要
としない原子炉炉心を提供することを目的としている。
[課題を解決するための手段] 本発明の燃料集合体は、特許請求の範囲の請求項1な
いし6の夫々に記載の構成上の特徴を有するものであ
り、また、それを用いた原子炉炉心は請求項7及び8に
記載の特徴を有する。
[作用] 本発明の燃料集合体の構成によれば、冷却材が包囲管
の内部を流れるとき、包囲管の内径が拡大されている部
分では従来のものより流れ抵抗が小さく、従って燃料集
合体内の圧力損失は小さくなる。したがって、本発明の
燃料集合体を用いた炉心は、炉心全体としての圧力損失
が低減され、循環ポンプも小型のものが適用できる。
本発明において、包囲管の内径拡大部を燃料棒のガス
プレナム部に対応した部分としたのは下記の考察に基づ
く。すなわち、燃料バンドル部の軸方向部位のうち、炉
心有効長部(核分裂反応がこの部で起る)では、発熱を
効率良く除去する必要があるので、その部分に対する包
囲管の部分は内径を拡大することはできない。もし、こ
の部分の内径を拡大すれば、冷却材は燃料バンドルと包
囲管内面との間を流れる割合が多くなり、各燃料棒間に
流れる割合が少くなって、核分裂反応の発熱を除去する
上で好ましくない。これに対し、非発熱部であるガスプ
レナム部については、それに対する包囲管の部分を内径
拡大しても除熱上の問題がないこと、また、包囲管は運
転に伴う燃料バンドルの膨れを抑える働きを有するが、
ガスプレナム部の膨れは殆んどないため包囲管の肉厚お
よび包囲管間ギャップを炉心有効長部ほど大きくとる必
要がないこと、等を考慮して、本発明ではガスプレナム
部に対応する包囲管の部分を拡径したのである。これに
より、前記のように、従来技術よりも圧力損失の低減が
図れる。高速増殖炉用燃料集合体では、高燃焼度化を図
るためにガスプレナム部の軸方向長さを炉心有効長部と
同程度としているので、本発明による構成は圧力損失低
減に大きく寄与する。
また、ブランケット部も発熱や膨らみが少いので、こ
の部分について、ガスプレナム部と同様、包囲管を拡径
することにより、圧力損失低減効果をより高めることが
できる。
また本発明の炉心においては、請求項7のように、内
径の拡大率(すなわち、本発明の包囲管の内面間距離を
炉心軸方向中央部の包囲管の内面間距離で割ったもの)
を異ならしめて圧力損失の異なる様にした燃料集合体が
炉心の夫々の領域に、熱出力の大小を考慮して装荷され
るので、流量分配用のオリフィスを設けなくても、最適
配分量の冷却材を循環させることができる。
[実 施 例] 第1図は、本発明の第1の実施例になる高速増殖炉用
燃料集合体を示す断面図である。第4図の従来例と比較
すると、包囲管すなわちラッパ管2の形状が相違するだ
けで、他の部分は同じである。本実施例では燃料棒1の
ガスプレナム部11に対応したラッパ管2の部分は、肉厚
は同じだが内径および外径が他の部分より拡大されてい
る。図示の実施例では、上方部分にもガスプレナム部10
が設けられているが、この上方のガスプレナム部10は短
かいので、それに対応した包囲管2の部分の径は拡大さ
れていない。
上記実施例における燃料棒1の外径を7.6mm、ラッパ
管2の、ガスプレナム部11に対応した部分の内径、外径
をそれぞれ154mm、162mmとし、第4図に示す従来例の燃
料棒外径を7.6mm、ラッパ管の内/外径をそれぞれ150m
m、158mmとして、燃料要素部の圧力損失および炉心全体
の圧力損失の値を下記の表1に示す。なお、ラッパ管の
配列ピッチは164mmである。
上記の表1から明らかなように、本実施例によると、
燃料要素部での圧力損失を従来のものに比較して約16%
低減することができる。また炉心全圧損の中でも燃料要
素部の圧力損失が大部分を占めるため、炉心全体の圧力
損失を約14%低減することができる。したがって、本実
施例によると、冷却材循環ポンプの動力を低減でき、ポ
ンプの小型化、ひいては原子炉容器を縮小できるという
効果が得られる。
なお図示はされていないが、ラッパ管の横断面形状は
六角形を呈しているので、その角部は拡径することなく
肉厚を厚くして構造強度を増大させた構造とすることも
できる。またガスプレナム部が炉心上部に位置するとき
は、その部分のラッパ管を拡径することにより同様に実
施することができる。
また、ブランケット部を有する場合には、ブランケッ
ト部は、ガスプレナム部と同様、燃焼による発熱および
ラッパ管に対する膨れが小さいので、ブランケット部分
のラッパ管も拡径することもできる。この場合は3mの燃
料要素のうち1.7mの部分の圧損を低減できるので従来例
に比較して燃料要素部の圧力損失を更に減らすことがで
きる。
また、以上のような燃料集合体を圧力損失の大小を考
慮して炉心に装荷すると、炉心冷却材の流量分布を改善
することができる。すなわち熱出力の大きい炉心領域の
燃料集合体には本実施例による内径を拡大したラッパ管
を用い、熱出力に応じてラッパ管の内径拡大率を変えて
燃料要素部圧力損失を調整し、各炉心領域に最適な冷却
材流量を流すようにすることができる。この結果、従来
の冷却材入口部の流量分配用オリフィスを省くこともで
きる。
次に第2図に示す実施例について説明する。第1図に
示すのと同様の構成要素には同じ符号を付して重複説明
は省略する。本実施例によるとラッパ管2の拡径部は、
薄肉化と同時に該薄肉部を内径、外径とも拡大すること
により形成されている。
本実施例による燃料棒1の外径を7.6mm、ガスプレナ
ム部11に対応したラッパ管の内径、外径をそれぞれ158m
m、162mm、ラッパ管の配列ピッチを164mmとし、第4図
に示す従来のそれら寸法を7.6mm、150mm、158mm、164mm
としたときの両者の圧力損失値を下記の表2に示す。
以上のように、本実施例によると、燃料要素部の圧力
損失を約24%低減でき、また炉心全体の圧力損失を21%
程度低減することができる。この結果、第1図に示した
前記実施例の効果は本実施例では更に向上する。
なお図示の実施例では、ガスプレナム部に対応した部
分のみを拡径しているが、前述もしたように、ブランケ
ット部も同様に拡径しても実施でき、その場合、前記実
施例で述べたと同じ効果が得られることは明らかであ
る。
なお、第2図ではラッパ管の拡径部は、薄肉化と共に
内径、外径の両方を拡大したが、これに代えて、外径は
拡大せずに薄肉化で内径のみ拡大した実施例も可能であ
る。
第3図には、本発明の更に別の実施例が示されてい
る。本実施例では、ガスプレナム対応部分11′とブラン
ケット対応部分13′、13′とにおいてラッパ管の内径お
よび外径がそれぞれ拡大されている。下方のガスプレナ
ム部対応部分は他部よりも薄肉化されている。そしてブ
ランケット対応部分13′、13′は肉厚は同じで内外径が
拡大されている。なお、上部のブランケット対応部分で
は一部分がパッド部14として更に外径のみを拡大してい
る。
この実施例において、燃料棒1の外径を7.6mm、ブラ
ンケット部に対応したラッパ管2の内径、外径をそれぞ
れ154mm、162mm、ガスプレナム部に対応したラッパ管2
の内径、外径をそれぞれ158mm、162mm、ラッパ管の配列
ピッチを164mmとし、第4図に示す従来例のそれら寸法
を7.6mm、150mm、158mm、164mmとしたときの両者の比較
を下記の表3に記す。
上記表3から明らかなように、本実施例によると燃料
要素部の圧力損失を32%程度、また炉心全体の圧力損失
を約28%低減できる。
なお、ラッパ管のガスプレナム部およびブランケット
部に対応した部分の内径のみを拡径し、外径は拡径しな
い(よってその部分は薄肉化)ように実施してもよい
し、角部は肉厚にして強度をもたせるようにして実施す
ることも可能である。
[発明の効果] 以上詳述したように、本発明の燃料集合体によれば、
燃料集合体の圧力損失、ひいては炉心圧力損失を低減で
きる。その結果、冷却材循環のためのポンプの低動力
化、小型化ができ、原子炉全体のコンパクト化に寄与で
きる。
更に、本発明の炉心では、圧力損失の異なる燃料集合
体を、炉心の夫々の領域の熱出力に応じて炉心に装荷す
るので、その結果、従来の冷却材流量配分用のオリフィ
スを省略しても、冷却材の流量分布を適正にできる。
【図面の簡単な説明】
図面は高速増殖炉用燃料集合体を示す図で、第1,2,3図
は本発明のそれぞれ異なる実施例を示す断面図、第4図
は従来例を示す断面図である。 1……燃料棒、2……包囲管(ラッパ管) 3……核燃料ペレット、4……被覆管 10,11……ガスプレナム部 12……炉心部、13……ブランケット部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 十亀 求 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内 (72)発明者 金戸 邦和 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式 会社日立製作所日立工場内

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被覆管内に燃料ペレット積層部とガスプレ
    ナム部とを軸方向に有する燃料棒を複数本束ねた燃料バ
    ンドルを包囲管内に保持している燃料集合体において、 前記燃料集合体は高速中性子を利用する原子炉用の燃料
    集合体であり、前記ガスプレナム部に対応した前記包囲
    管の部分の内径が前記燃料ペレット積層部に対応した部
    分のそれよりも拡大されていることを特徴とする燃料集
    合体。
  2. 【請求項2】前記ガスプレナム部に対応した前記包囲管
    の部分の肉厚が薄肉化されて、その部分の内径が拡大さ
    れていることを特徴とする請求項1記載の燃料集合体。
  3. 【請求項3】前記ガスプレナム部に対応した前記包囲管
    の部分の外径をも拡大したことを特徴とする請求項2記
    載の燃料集合体。
  4. 【請求項4】前記ガスプレナム部に対応した前記包囲管
    の部分は、前記燃料ペレット積層部に対応した部分と比
    べて肉厚が同じで、且つ、内径および外径が拡大されて
    いることを特徴とする請求項1記載の燃料集合体。
  5. 【請求項5】前記燃料ペレット積層部はブランケット部
    を含み、該ブランケット部に対応した前記包囲管の部分
    の内径が前記燃料ペレット積層部の他の部分に対応した
    部分のそれよりも拡大されていることを特徴とする請求
    項4記載の燃料集合体。
  6. 【請求項6】前記高速中性子を利用する原子炉が高速増
    殖炉であり、前記燃料集合体が高速増殖炉用燃料集合体
    であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに
    記載の燃料集合体。
  7. 【請求項7】多数個の燃料集合体を装荷してなる原子炉
    炉心において、 前記原子炉は、高速中性子を利用する原子炉であり、該
    炉の炉心は、夫々の炉心領域の熱出力に応じて前記内径
    の拡大率を変えて燃料要素部圧力損失を調整し、各炉心
    領域に最適な冷却材流量を流すようにされていることを
    特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の燃料集
    合体を該夫々の炉心領域に装荷してなる原子炉炉心。
  8. 【請求項8】多数個の燃料集合体を装荷してなる原子炉
    炉心において、 前記原子炉は、高速増殖炉であり、該炉の炉心は、夫々
    の炉心領域の熱出力に応じて前記内径の拡大率を変えて
    燃料要素部圧力損失を調整し、各炉心領域に最適な冷却
    材流量を流すようにされていることを特徴とする請求項
    6に記載の燃料集合体を該夫々の炉心領域に装荷してな
    る原子炉炉心。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS54118976A (en) * 1978-03-07 1979-09-14 Toshiba Corp High speed breeder reactor
JPH01105193A (ja) * 1987-10-17 1989-04-21 Nippon Atom Ind Group Co Ltd 燃料集合体

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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