JP4081527B2 - 炉心燃料集合体及び原子炉 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子力プラントにおいて、受動的炉停止機構（ＳＡＳＳ：Self Actuated Shutdown System ）を備えた炉心燃料集合体及びこの炉心燃料集合体を多数配列装架した原子炉構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に原子力プラントでは、冷却材循環機による炉心への冷却材の流量が低下することにより、炉心冷却性能が低下する事故が発生した場合、これを検知し、制御棒を炉心に挿入して、原子炉出力を低下させ、原子炉を安全に停止させる設計としているが、万一の制御棒が炉心に挿入されない場合に対しても、炉心冷却性能低下事故が終息するように設計しなければならない。この対応として、炉心冷却性能低下による炉心状態及びこの炉心雰囲気の変化に基づき、受動的に制御棒が炉心に挿入される概念、即ち受動的炉停止機構（以下、ＳＡＳＳと称する）を採用する設計思想が有効とされている。
【０００３】
上記ＳＡＳＳは、ナトリウム冷却高速炉では、制御棒を磁石で保持し、炉心冷却性能低下事故等に冷却材が高温になることを利用して、磁石による保持力を低下させて制御棒を落下させる概念が考えられている。この磁石式ＳＡＳＳの構造を、図７の炉心２０の概念図によって説明すると、図中２１は炉心２０内に多数配列装架された炉心燃料集合体で、この炉心燃料集合体２１の群の中に一定配列に調整棒集合体２２が分散装架され、さらに同様に炉心燃料集合体２１の群の中に調整棒集合体２２に囲まれるように、一定配列に安全棒集合体２３が分散装架されている。安全棒集合体２３の制御棒２４は電磁石２５により支持棒２６に保持されている。冷却材は下方から炉心燃料集合体２１に沿って上方へ矢印の如く流れる。
【０００４】
かかる構造の磁石式ＳＡＳＳにおいて、炉心燃料集合体２１内の燃料温度が上昇し、これに伴い燃料被覆管の温度も上昇すると、冷却材の温度も上昇する。この温度上昇した冷却材の上方への流れにより炉心中央部から安全棒集合体２３の制御棒２４を支持棒２６に保持している電磁石２５の部分に熱輸送され、電磁石２５の雰囲気温度が上昇し、電磁石２５の温度が上昇する。その結果、電磁石２５の制御棒保持力が低下し、制御棒２４が炉心中央部に落下し、炉が停止せしめられる。
【０００５】
ところで、ガス冷却炉のＳＡＳＳは、制御棒を下から支持して駆動しているため、単に切り離しても制御棒は落下しない。また、ガス冷却炉では、より高い温度状態で運転されるため、磁石による制御棒保持力が低下する。従って、磁石を大型化する必要がある。磁石を大型化すると、その熱容量が大きくなり、雰囲気温度の上昇に対する追従が鈍くなる。加えて、ガス冷却炉では冷却材であるガスの比熱および熱伝達率が小さいため、磁石自体の温度上昇はガスよりも遅れる。その結果、ＳＡＳＳの作動を遅らせることになり、早期に炉心冷却性能低下事故に対処できない可能性がある。先行技術文献として、特開平８−５０１８９号記載の原子炉停止装置がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、炉心の温度上昇が、発熱体である燃料の中心から始まるので、応答性の観点からは、燃料中心温度を検知してＳＡＳＳを作動させる方が、磁石の温度上昇に依拠した方式よりも敏速な炉停止を実現できることから、ＳＡＳＳの働きをする燃料ピンを多数配列内蔵した炉心燃料集合体を提供し、且つこの炉心燃料集合体を炉心に装架した原子炉構造を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の炉心燃料集合体は、燃料被覆管内でペレット支持円筒の上端のペレット支持板上に、燃料ペレットを多数積載支持した通常の燃料ピンと、燃料被覆管内で上端からの懸架棒の下端のペレット支持板上に、燃料ペレットを多数積載支持し、燃料ペレットの異常高熱により懸架棒が溶断され、燃料ペレットが落下するように構成したＳＡＳＳ付き燃料ピンとが、外管内に交互に配列内蔵されて成るものである。
【０００８】
本発明の原子炉構造は、ガス冷却炉の炉心内に、上記構成の炉心燃料集合体が多数配列装架され、この炉心集合体の群の中に調整棒集合体と安全棒集合体が一定配列に分散装架されて成るものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の炉心燃料集合体及び原子炉構造の実施形態について説明する。先ず、炉心燃料集合体の実施形態を図によって説明する。
図１は、炉心燃料集合体１の縦断面図で、この炉心燃料集合体１の外管２内に、図１のＡ部拡大破断斜視図である図２に示すように通常の燃料ピン３と、ＳＡＳＳ付き燃料ピン４とが交互に配列内蔵されている。図１中、５は冷却材であるガスの入口ノズルである。通常の燃料ピン３は、図３の縦断面図に示すように燃料被覆管６内で下部のガスプレナム７に配したペレット支持円筒８の上端のペレット支持板９上に、燃料ペレット１０が多数積載支持されて成るものである。ＳＡＳＳ付き燃料ピン４は、図４の縦断面図に示すように燃料被覆管６内で上端からの懸架棒１１の下端に設けたペレット支持板１２上に、燃料ペレット１０を多数積載支持されて成り、燃料ペレット１０の異常高熱により図５の縦断面図に示すように懸架棒１１が溶断され、燃料ペレット１０が落下するように構成されている。懸架棒１１は燃料融点よりは低い温度で溶断されるジルコニウム合金、ニオブ合金、耐熱金属間化合物などの材料が好ましい。
【００１０】
上記のように構成された炉心燃料集合体１は、ガス冷却炉のＳＡＳＳ（受動的炉停止機構）として採用される。即ち、図６に示すようにガス冷却炉の炉心２０内に、上記炉心燃料集合体１が多数配列装架される。そして、この炉心燃料集合体１の群の中に、従来と同様、調整棒集合体２２と安全棒集合体２３が一定配列に分散装架される。図６中、２７は炉心２０の下部のプレナム室、Ｆは炉心燃料域を示す。
【００１１】
上記のように炉心２０内に、炉心燃料集合体１を多数配列装架したガス冷却炉において、冷却材であるヘリウムは、炉心２０の下部のプレナム室２７に矢印のように入り、下から炉心燃料集合体１に沿って矢印のように上昇し、炉心燃料域Ｆで燃料から熱が与えられて温度上昇し、炉心２０から出ていく。この冷却材が一定量流れ、ガス冷却炉が定格運転されている時は、各炉心燃料集合体１内の図４に示すＳＡＳＳ付き燃料ピン４における燃料ペレット１０が燃料被覆管６を通して冷却され、該燃料ペレット１０を多数積載支持したペレット支持板１２の懸架棒１１は燃料ペレット１０の内面からの熱伝導および放射伝熱により溶断されることがない。従って、燃料ペレット１０は炉心燃料域Ｆに位置しているので、燃料の空間密度が高く、炉心が臨界状態に維持され、所定の原子炉出力が得られる。
【００１２】
然して、ガス冷却炉の炉心冷却性能低下事故時には、炉心温度が上昇する。この炉心温度の上昇は、発熱体である燃料の中心から始まり、この燃料の中心温度が異常に上昇すると、即ち、各炉心燃料集合体１内の図４に示すＳＡＳＳ付き燃料ピン４における燃料ペレット１０の温度が異常に上昇すると、該燃料ペレット１０を多数積載支持したペレット支持板１２の懸架棒１１は、燃料ペレット１０の内面からの熱伝導および放射伝熱により溶断され、図５に示すようにペレット支持板１２に多数積載支持された燃料ペレット１０が落下する。その結果、図６に示す炉心燃料域Ｆにおける燃料の空間密度が低下し、炉心が未臨界の状態となり、原子炉出力が低下し、原子炉の安全停止がなされる。勿論、ガス冷却炉の緊急停止事故時或いは炉心冷却性能低下事故時には、炉心燃料集合体１の群の中に分散装架された調整棒集合体２２と安全棒集合体２３は本来の機能を果たすべく炉心燃料域Ｆのレベルに挿入される。
【００１３】
【発明の効果】
以上の説明で判るように本発明の炉心燃料集合体は、通常の燃料ピンと、燃料ペレットからの熱伝導および放射伝熱により、該燃料ペレットを多数積載支持するペレット支持板の懸架棒を溶断して、燃料ペレットを落下するＳＡＳＳ付き燃料ピンとを交互に配列内蔵して成るものであるから、炉心冷却性能低下事故時に、最初に温度上昇を来たす燃料の中心温度に反応して、ＳＡＳＳ付き燃料ピンの燃料ペレットが落下し、炉心燃料域における燃料の空間密度を低下させることができる。従って、冷却材の低流量時に応答が遅くなる従来の磁石の温度上昇に依拠した方式よりも敏速なＳＡＳＳの作動が可能で、極めて応答性に優れる。しかも、ＳＡＳＳ付き燃料ピンにおける懸架棒は燃料の融点よりも低いので、懸架棒の溶断により燃料の異常発熱が防止され、燃料の溶融が防止される。
【００１４】
また、本発明の原子炉構造は、上記の作用効果を奏する炉心燃料集合体が、ガス冷却炉の炉心内に多数配列装架され、この炉心燃料集合体の群の中に制御棒集合と安全棒集合体が一定配列に分散装架されたものであるから、ガス冷却炉の炉心冷却性能低下事故時に、最初に温度上昇する炉心燃料集合体内のＳＡＳＳ付き燃料ピンにおける燃料ペレット自身からの熱伝導および放射伝熱により該燃料ペレットを支持した懸架棒が溶断されて燃料ペレットが落下し、炉心燃料域における燃料の空間密度が低下し、炉心が未臨界の状態となる。従って、原子炉の出力が低下し、原子炉の安全停止がなされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の炉心燃料集合体の縦断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大破断斜視図である。
【図３】図１の炉心燃料集合体内の通常の燃料ピンの縦断面図である。
【図４】図１の炉心燃料集合体内のＳＡＳＳ付き燃料ピンの縦断面図である。
【図５】図４のＳＡＳＳ付き燃料ピン内における燃料ピンが懸架棒の溶断により落下した状態を示す縦断面図である。
【図６】図１の炉心燃料集合体が多数配列装架されているガス冷却炉の炉心概念図である。
【図７】磁石式ＳＡＳＳの構造を示すナトリウム冷却高速炉の炉心概念図である。
【符号の説明】
１ 炉心燃料集合体
２ 外管
３ 通常の燃料ピン
４ ＳＡＳＳ付き燃料ピン
５ 入口ノズル
６ 燃料被覆管
７ ガスプレナム
８ ペレット支持円筒
９ ペレット支持板
１０ 燃料ペレット
１１ 懸架棒
１２ ペレット支持板
２０ ガス冷却炉の炉心
２２ 調整棒集合体
２３ 安全棒集合体
２７ プレナム室
Ｆ 炉心燃料域

Claims (2)

1. 燃料被覆管内でペレット支持円筒の上端のペレット支持板上に、燃料ペレットを多数積載支持した通常の燃料ピンと、燃料被覆管内で上端からの懸架棒の下端のペレット支持板上に、燃料ペレットを多数積載支持し、燃料ペレットの異常高熱により懸架棒が溶断され、燃料ペレットが落下するように構成したＳＡＳＳ付き燃料ピンとが、外管内に交互に配列内蔵されて成る炉心燃料集合体。
2. ガス冷却炉の炉心内に、請求項１記載の炉心燃料集合体が多数配列装架され、この炉心集合体の群の中に制御棒集合体と安全棒集合体が一定配列に分散装架された構造を有する原子炉。

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