JP4022204B2 - 新型燃料の実用化模擬試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、原子炉における新型燃料の実用化のための模擬試験方法、及びそれに用いる試験用照射燃料集合体に関するものである。更に詳しく述べると本発明は、新型燃料の試験を含めた許認可取得までの方法、及びその試験を実施するための照射用燃料集合体に関するものである。

原子炉材料や核燃料の研究開発などでは、材料試験片などを原子炉内に配置して放射線の作用下に曝す照射試験が行われている。例えば、高温の放射線環境下における液体冷却材中での材料のクリープ破断強度試験では、高圧ガスを封入した一定形状の円筒状の試験片を照射キャプセル内に収納し、それを原子炉内に挿入して、放射線環境下の液体中で試験片が破断するまでの時間を測定する（例えば特許文献１参照）。比較的小さな試験片の場合には、このような方法で特に問題は生じない。

しかし、上記の方法は材料単体の試験であり、組み上げた燃料要素の試験では別の問題が生じる。試験用燃料要素を原子炉で使用する場合、
（１）試験用燃料要素に燃料溶融や被覆管破損が生じても、他の燃料要素に影響を与えないこと、及び
（２）試験用燃料要素の被覆管破損による燃料片やＦＰ（核分裂生成物）の過度の拡散を防ぐこと、
が安全性確保に必要である。つまり、試験用燃料要素は、それ自体が、このような安全性を確保できる能力を有していなければならない。しかし、使用実績の無いあるいは少ない試験用燃料要素を原子炉で使用した場合、このような安全性を確保できるという保証はない。

そこで、原子炉での燃料の使用の許可に関する日本の安全審査では、許可範囲での安全設計の妥当性確認のために、海外先行炉での使用実績が求められてきた。そのため、使用実績の無いあるいは少ない燃料（以下、これを「新型燃料」と称す）を原子炉で使用するまでに必要な期間が長くなり、多種多様な新型燃料の試験を行うことが困難であった。
特開平９−１４５８９１号公報

本発明が解決しようとする課題は、使用実績の無いあるいは少ない新型燃料を原子炉で使用することが困難であり、そのため新型燃料の実用化までに長期間を要する点である。

本発明は、試験用の新型燃料要素１本全体をシュラウド管で保持して厚肉管構造のキャプセル内に装填し、該キャプセルを独立した冷却材流路となるコンパートメント内に収納し、該コンパートメントを複数本配列保持してキャプセル型照射燃料集合体とし、該キャプセル型照射燃料集合体を原子炉内に装荷して中性子照射を行うことにより、キャプセルによって原子炉内での安全性を確保しつつ実用炉での新型燃料要素の使用を模擬することを特徴とする新型燃料の実用化模擬試験方法である。

また本発明は、上記新型燃料の実用化模擬試験方法で用いる照射燃料集合体であって、試験用の新型燃料要素１本全体をシュラウド管で保持してキャプセル内に装填し、該キャプセルを独立した冷却材流路となるコンパートメント内に収納し、更に複数のコンパートメントを中央のタイロッドの周囲に配列し、周囲をラッパ管で覆い、上端部にハンドリングヘッドを、下端部にエントランスノズルを設けた試験用キャプセル型照射燃料集合体である。

本発明は、上記のような新型燃料の実用化模擬試験方法と、それに用いる試験用のキャプセル型照射燃料集合体であり、この技術を利用することによって、使用実績の無いあるいは少ない新型燃料でも安全性を確保しつつ試験を行うことができる。例えば、新型燃料を高速実験炉「常陽」で使用できるようになり、次のような効果が得られる。
（１）高速増殖炉の実用化に向けた開発において、対象となっている多種多様な燃料（マイナーアクチニド添加燃料、バイパック燃料等）の照射試験が全て高速実験炉「常陽」で実施可能となる。
（２）新型燃料の使用開始までの準備について、海外炉での先行照射も含めると、必要な期間を約４年は短縮できる。
（３）燃料の組成の一部であるプルトニウムについて、その富化度を制限する必要がないため、ウラン無し燃料によるプルトニウム燃焼炉の研究開発に資する照射試験にも対応可能となる。
（４）米国等によるＧＥＮ−ＩＶ（第４世代原子力発電システム）をはじめとする多種多様な照射ニーズに対し、世界でも数少ない高速中性子照射場として、それらに応えることが可能となる。
（５）この技術は、今後、燃料体に限らず、核燃料物質やＲＩを含む材料等の使用にも適用可能となる。

試験用燃料要素を原子炉内で使用する場合に、安全性確保に必要なことは、前述のように、「試験用燃料要素に燃料溶融や被覆管破損が生じても他の燃料要素に影響を与えないこと」及び「試験用燃料要素の被覆管破損による燃料片やＦＰの過度の拡散を防ぐこと」である。このため、使用実績がないあるいは少ない試験用燃料要素を用いた場合であつても、原子炉の安全性を確保できるように、従来、上記の条件を満足する能力を持たせていた試験用燃料要素に代わり、本発明では集合体構成部品にその能力を持たせるように発想の転換を図ったものである。そのため、試験用燃料要素を装填するキャプセルを内蔵したキャプセル型照射燃料集合体を開発し、それを用いることで試験用燃料要素を安全に原子炉内に装荷できるように構成している。

具体的には、試験用の新型燃料要素１本全体をシュラウド管で保持してキャプセル内に装填し、該キャプセルを独立した冷却材流路となるコンパートメント内に収納し、更に複数のコンパートメントを中央のタイロッドの周囲に配列し、周囲をラッパ管で覆い、上端部にハンドリングヘッドを、下端部にエントランスノズルを設けて試験用キャプセル型照射燃料集合体とする。このキャプセル型照射燃料集合体を原子炉内に装荷して中性子照射を行うことにより、キャプセルによって原子炉内での安全性を確保しつつ実用炉での新型燃料要素の使用を模擬する。

図１は、本発明に係るキャプセル型照射燃料集合体の一実施例を示す説明図である。Ａはキャプセル型照射燃料集合体の全体構造、Ｂは横断面、Ｃはコンパートメント、Ｄは開放型のキャプセル、Ｅは密封型のキャプセルをそれぞれ示している。キャプセル型照射燃料集合体１０は、中央のタイロッド１２の周りに６本のコンパートメント１４を配置し、それらが上下両端で保持されて、ロックナット１６で固定され、それらを六角筒状のラッパ管１８で覆った構造である。キャプセル型照射燃料集合体の上端部にはハンドリングヘッド２０を、下端部にはエントランスノズル２２を配し、周囲にはスペーサパッド２４が配設されている。このキャプセル型照射燃料集合体１０は、運転用の燃料集合体と同形であり、それと置き換えて炉心に装荷できるようになっている。

試験用の新型燃料要素３０は、その１本全体がシュラウド管３２で保持されて、厚肉管のキャプセル３４ａ，３４ｂ内に装填されるようになっている。このキャプセル３４ａ，３４ｂは、新型燃料要素３０の被覆管が破損した際に生じる圧力が、キャプセルの外へ伝わらないようにし、他の燃料要素等への破損伝播を防止する機能を果たす。キャプセルには、開放型（内壁構造容器）と密封型（密封構造容器）とがある。開放型のキャプセル３４ａの場合には、容器胴３６の上方と下方にストレーナ３８を設置し、上下に開放部を形成する。密封型のキャプセル３４ｂの場合には、ストレーナに代えて容器胴３６の上方と下方に閉止板４０を設置することで密封構造とする。

このような開放型のキャプセル３４ａまたは密封型のキャプセル３４ｂが、１本ずつコンパートメント１４に収納される。コンパートメント１４によって、新型燃料要素１本毎に独立した冷却材流路が確保される。そこで、コンパートメント１４は、内外２重構造をなし、外管４２と内管４４の間をガス層として、このガス層に断熱効果の高いガスを充填することにより、独立した冷却材流路の確保と合わせて、熱的に新型燃料要素１本毎に独立させることを可能としている。下端部に冷却材流入孔５０が開口し、オリフィス５２が設けられ、上端部に多数の小孔５４が開口してそれが冷却材流出部となっている。

キャプセル３４ａ，３４ｂの容器胴は厚肉管からなり、これによって新型燃料要素の被覆管が破損した際に生じる圧力にキャプセルが耐えうる構造とする。キャプセルは、その試験内容だけでなく従来にも増して安全審査が厳しくなることから、材質や肉厚などが制限される。例えば、ＪＩＳのＳＵＳ３１６を改良した材料（高速増殖炉「もんじゅ」の被覆管やラッパ管に使用している材料）を用い、肉厚は２．８ｍｍ以上とする。

ところで、燃料要素の種類が異なる場合、大きく違う可能性があるのは、その直径と全長である。直径は燃料要素の保持手段の径方向の大きさに、全長は保持手段の軸方向位置に影響を及ぼす。キャプセルを試験用の新型燃料要素の直径及び全長に合わせて製作すればよいのであるが、キャプセルは新型燃料要素の被覆管が破損した際に生じる圧力にキャプセルが耐えられるよう寸法を定める必要があり、そのためキャプセルを燃料要素の直径及び全長に合わせて製作するというわけにはいかない事情がある。そこで本発明では、キャプセルの中にシュラウド管と呼ぶ別の管を設けて、これを燃料要素とキャプセルの空間を維持するスペーサとする構造を採用している。シュラウド管は、その名のとおり管状であり、保持する燃料要素の直径に合わせた内径、保持する燃料要素の全長に合わせた長さとする。従って、シュラウド管のみ燃料要素に合わせた専用設計となる。シュラウド管はキャプセル内に固定されるが、燃料要素が異なっても固定位置と固定方法を同一にできるので、燃料要素の種類が異なっても同一のキャプセルを使用することが可能になる。

上記のように、キャプセルとしては、開放型のキャプセル３４ａの他、試験用燃料要素の被覆管破損により放出される燃料片及び核分裂生成物（ＦＰ）を全て閉じこめる密封型のキャプセル３４ｂがある。

開放型キャプセル３４ａは、キャプセルの上下が開放されていることから、炉内装荷により一次系冷却材のナトリウムを熱ボンド材として内部に導入できる利点を有しており、現有施設・設備での再組立・再装荷が可能である。しかし、試験用燃料要素の被覆管破損により放出される燃料片及びＦＰを全て閉じこめることはできない。このため、開放型キャプセルは、プラントの運転時の異常な過渡変化時にあっても試験用燃料要素の被覆管の健全性が確保できる場合に限り使用できることとし、プラントの事故と相まって試験用燃料要素の被覆管が破損した際に放出される燃料片及びＦＰの過度の拡散を防ぐため、キャプセル上下の開放部にストレーナ３８を設置している。

このような構造をとることで、例えば、酸化物燃料を溶融させる試験を行う場合（酸化物燃料以外は溶融させない）、万一、被覆管破損事故が発生しても、溶融燃料と冷却材の接触により発生する圧力に対し十分な強度を有するよう設計することにより、他の燃料要素の健全性に悪影響を与える恐れは生じない。

ここでストレーナ３８はステンレス鋼製の多孔板であり、熱を伝える物質として、開放型キャプセル３４ａ内に一次系冷却材であるナトリウムを導入できるよう孔を開けたものである。ただし、万一の新型燃料要素の被覆管の破損に伴って生じる小片が、原子炉の一次系の何処かに引っかかって冷却材の流れを阻害することがないように、ある程度の大きさのものを捕らえる目的で、小径の多孔としている。

通常は、上記のような開放型のキャプセル３４ａを使用するが、被覆管が破損するように故意に設計した場合など被覆管の開孔を許容する設計を行う場合には密封型のキャプセル３４ｂを使用する。被覆管開孔時に放出される核分裂生成ガス及び燃料を、密封型のキャプセル３４ｂ内に閉じ込め、原子炉内への拡散を防止する。

本発明では、運転用燃料集合体と入れ替えてキャプセル型照射燃料集合体を炉心に装荷し試験する。従って、キャプセル型照射燃料集合体を装荷する位置は、運転用燃料集合体のある位置となる。なお、装荷するキャプセル型照射燃料集合体の体数は、安全性などの観点から最大７体程度に制限される。

原子炉内におけるキャプセル型照射燃料集合体の設計寿命は、例えば７５０日程度である。しかし、新型燃料要素の装荷期間は１５００日を超えるものが多くある。そのような場合には、複数のキャプセル型照射燃料集合体を乗り継ぎながら照射試験を行うことになる。

本発明の実用化模擬試験においては、原子炉の事故と相まって、照射試験に供している新型燃料要素の健全性が喪失しても、これに起因する事象が、キャプセル型照射燃料集合体の中で収束することであれば、新型燃料要素は安全である（許認可が受けられる）と判断できる。

このようにすることで、万一、プラントの事故と相まってキャプセルに収めた試験用燃料要素の健全性が喪失しても、キャプセルの健全性が確保され、プラントに悪影響を及ぼす恐れはない。事故時にあってもキャプセルが安全性を担保することから、設置許可時の試験用燃料要素の設計にあっては、キャプセルの健全性に影響を与えないよう、設計方針及び設計方法並びに制限値の設定の考え方を明確にすればよく、燃料材や被覆材の物性データが必要にならない（使用実績も必要ない）新しい許認可取得方法が確立できた。

なお本発明方法は、高速増殖炉のみならず、全ての原子炉で実施可能なことはいうまでもない。

本発明に係るキャプセル型照射燃料集合体の一実施例を示す説明図。

符号の説明

１０ キャプセル型照射燃料集合体
１２ タイロッド
１４ コンパートメント
１８ ラッパ管
２０ ハンドリングヘッド
２２ エントランスノズル
３０ 新型燃料要素
３２ シュラウド管
３４ａ 開放型のキャプセル
３４ｂ 密封型のキャプセル

Claims (2)

1. 試験用の新型燃料要素１本全体をシュラウド管で保持して厚肉管構造のキャプセル内に装填し、該キャプセルを独立した冷却材流路となるコンパートメント内に収納し、該コンパートメントを複数本配列保持してキャプセル型照射燃料集合体とし、該キャプセル型照射燃料集合体を原子炉内に装荷して中性子照射を行うことにより、キャプセルによって原子炉内での安全性を確保しつつ実用炉での新型燃料要素の使用を模擬することを特徴とする新型燃料の実用化模擬試験方法。
2. 請求項１記載の新型燃料の実用化模擬試験方法で用いる照射燃料集合体であって、試験用の新型燃料要素１本全体をシュラウド管で保持してキャプセル内に装填し、該キャプセルを独立した冷却材流路となるコンパートメント内に収納し、更に複数のコンパートメントを中央のタイロッドの周囲に配列し、周囲をラッパ管で覆い、上端部にハンドリングヘッドを、下端部にエントランスノズルを設けた試験用キャプセル型照射燃料集合体。
   

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