JP4987397B2 - 原子炉用模擬燃料棒 - Google Patents

Description

本発明は、例えば沸騰水型原子炉（以下、ＢＷＲと記す）用燃料集合体の伝熱流動性能の評価試験に使用される原子炉用模擬燃料棒に関する。

一般にＢＷＲ用燃料集合体では、原子力プラントの運転コスト低減を実現するため、限界出力が高く、圧力損失の小さな燃料集合体が求められている。
このような新しい燃料集合体の冷却特性を理解するために燃料集合体の伝熱流動性能を評価するための試験が行われている。

この燃料集合体の伝熱流動性能を評価するための試験では、実際の核燃料棒を使用するのではなく、実機燃料棒の表面状態を模擬して製造され、電気ヒータを備えた原子炉用模擬燃料棒（以下ヒータロッドと記す）を使用して行われている。

従来の代表的なヒータロッドの構成を図７に示す。
図示するように従来のヒータロッド１は、端部が閉塞された長尺、円筒状の、通常ステンレスあるいはインコネル等の金属材料によってできた被覆管２と、この被覆管２の内部に間隔を置いて同軸状に収納された内側電気絶縁材３−１および外側電気絶縁材３−２と、この内側電気絶縁材３−１と外側電気絶縁材３−２との間に配置されたニクロム線などから成る発熱体４および被覆管２の外表面に埋め込まれた熱電対５とから構成されている。

伝熱流動性能の評価試験に際しては、発熱体４に電流を流し、ヒータロッド１を発熱させる事により実機燃料棒を模擬させるようにしている。
発熱体４で発生した熱は、電気絶縁材３を伝導で伝わり、被覆管２に伝わり、さらに被覆管２内部を熱伝導で伝わり、最終的に外部の冷却流体へ熱伝達される。

内側、外側の電気絶縁材３は例えば酸化マグネシゥム（ＭｇＯ）、ボロンナイト（ＢＮ）などの絶縁材によって構成されている。
電気絶縁材３の熱伝導率、発熱体４と電気絶縁材３との接触抵抗、そして電気絶縁材３と被覆管２との接触抵抗を良好にし、発熱体４の温度を低く抑えるために、発熱体４と被覆管２との間に電気絶縁材３−２を詰めた後、被覆管２を減径するためにスエージング工程により電気絶縁材３−２の密度の増加そして密着度合いを改善している。

伝熱流動性能を評価するための温度測定用の熱電対５は、被覆管２の外表面あるいは内表面に溝を切り、そこに埋め込まれて温度を測定している。
このように構成されたヒータロッド１は、圧力容器に収納され伝熱流動性能の評価試験が行われる。

図８は、ヒータロッド１を圧力容器６内に収納した状態を示す。通常、冷却材７が圧力容器６の下部より圧力容器６内に供給され、圧力容器６内の中央部に配置されたヒータロッド１の熱を奪い、除去した後圧力容器６の上部より排出される。

ヒータロッド１は、図示しない外部電源から発熱体４に電気が供給されるため、発熱体４には外部電源に接続される電極８が接続されており、圧力容器６の下部フランジ９から電極８部分が導出される。

軽水炉の試験の場合は、圧力容器６内は高圧（例えば約７ＭＰａ）で行われる事が多く、電極８の導出部の圧力シールそして電気絶縁のために電極８は被覆管２と共に下部フランジ９に気密に接続され外部へ導出される。

このような従来のヒータロッド１においては以下に述べるような解決すべき課題があった。
即ち、実機核燃料棒の被覆管材料は一般にジルカロイが用いられているが、ヒータロッド１の被覆管２の材質としてはジルカロイが高価であるためステンレスあるいはインコネル等の材料が用いられている。

前記したように、通常、ヒータロッド１を圧力容器６から導出する場合、圧力シールのために、ヒータロッド１を構成する被覆管２と圧力容器６の下部フランジ９とを溶接する必要があるが、下部フランジ９は通常ステンレスでできており、ヒータロッド１の被覆管２の材質をなるべく実機核燃料棒に近ずけるため核燃料棒の被覆管と同じジルカロイで構成した場合、下部フランジ９と被覆管２とは異種金属となるため両者を溶接することができない。

また、下部フランジ９をジルカロイで作る事も考えられるが、非常に高価であり、従来圧力容器の下部フランジをジルカロイで製作した例もない。
加えて、被覆管２の材質を圧力容器６内部で、引き出し部分をジルカロイからステンレスに変更する事も考えられるが、この場合もジルカロイとステンレスとの異種金属となり溶接ができないという課題がある。

一方、熱電対５は、通常被覆管２の外表面に形成した溝内に取り付けられており、熱電対５をこの溝内に取り付けることにより、取付け用の溝が被覆管２表面に露出してしまい、被覆管２の外表面の表面状態が実機核燃料棒の表面状態と異なってしまう。

これを防ぐため、熱電対５を被覆管２の内面に取り付けることによって表面状態を同じにする事が考えられているが、外面に取り付ける場合に比較して、製造が面倒であり、高価となる。

さらに、上記課題を解決するために図９に示すように、ヒータロッド１の最外周にある被覆管２を二重にして内側被覆管２−１と外側被覆管２−２としたヒータロッドが考えられている。
このようにすると、外側被覆管２−２をジルカロイで製造すれば実機燃料棒表面材質であるジルカロイと同等の材質とすることができる。

また、図９に示すように内側被覆管２−１表面に取付け用の溝を形成し、この溝内に熱電対５を埋め込むことで、熱電対取り付け用の溝が外側被覆管２−２の外表面に形成されずに、ヒータロッド１の表面状態が実機核燃料棒と同じ滑らかなヒータロッドを得られるという利点があり、上記課題をクリアすることができると考えられる。

しかし、外側被覆管２−２を内側被覆管２−1に密着させる場合両者の密着性に均一性が保たれているかどうかの検査ができず、両被覆管２−１、２−１間に不必要なギャップが形成されていた場合、熱の伝達が不均一になったり、熱の伝達が良好に行われなかったりして正確な伝熱流動性能の評価試験が行えない、という課題がある。

本発明は以上の課題を解決するためになされたものであり、被覆管表面状態をより一層実機核燃料棒の外表面の状態に近づけ、より正確な伝熱流動性能の評価試験が行える原子炉用模擬燃料棒を得ることを目的とする。

以上の目的を達成するために、本発明に係る原子炉用模擬燃料棒は、原子炉の実機核燃料棒の表面状態を模擬して製造される原子炉用模擬燃料棒であって、ステンレス又はインコネルからなる被覆管と、この被覆管内に絶縁体を介して収納された発熱体と、前記被覆管の外表面の長手方向に形成された熱電対取り付け溝と、この熱電対取り付け溝に埋め込まれた熱電対と、前記被覆管の外表面に溶射されて設けられ前記熱電対を覆う溶射層と、を有し、前記溶射層はジルカロイにより形成されたことを特徴とする。

本発明によれば、被覆管表面状態をより一層実核燃料棒の害表面の状態に近づけ、より正確な伝熱流動性能の評価試験が行える原子炉用模擬燃料棒を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
まず、図1を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。
なお、以下の実施の形態の説明において、図７乃至図９に示す従来のものと同一部分には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図１において、１は原子炉用模擬燃料棒（ヒータロッド）、２は円筒状の被覆管、３−１は内側電気絶縁材、３−２は外側電気絶縁材、４は発熱体、１０は被覆管２の外表面に形成された熱電対取り付け溝、５は前記熱電対取り付け溝１０中に埋め込まれた熱電対である。

１１は被覆管２の外表面全体に亘って被覆管２と同じ材質の粒子を溶射によって被覆した溶射層である。
ここで、溶射とは、コーティング材料を、加熱により溶融もしくは軟化させ（「溶」）、微粒子状にして加速し被覆対象物表面に衝突させて（「射」）、扁平に潰れた粒子を凝固・堆積させることにより被覆対象物表面に皮膜を形成するコーティング技術の一種であり、るものである。

このような構成にすると、溶射層１１と被覆管２とは金属的に接着しているため、図９で説明したように従来のヒータロッドの如く外側、内側被覆管との間に隙間が生じる恐れもなくなり、熱の流れが均一となり、正確な伝熱流動性能の評価試験が行える。

さらに、図１に示すように被覆管２の表面に埋め込まれた熱電対５は、溶射層１１により覆われるため、熱電対取り付け溝１０が被覆管２の表面に露出せず、表面状態が滑らかな実核燃料棒と同じ表面状態のヒータロッドが得られ、正確な伝熱流動性能の評価試験が行える。

（第２の実施の形態）
次に本発明の第２の実施の形態について図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
前記第１の実施の形態においては、被覆層２の外表面全体に亘って溶射層１１を形成するようにしているが、本実施の形態においては図２に示すように溶射層１１は熱電対取り付け溝１０部分の外表面のみに形成するようにしている。

このような構成にすると、ヒータロッド１の被覆管２全表面に溶射層を施工するのに比べて溶射に要する施工時間が短くなり、工程の短縮ならびに材料費の低減からコストの削減が図られ、ヒータロッドの価格を低く抑えることができる。

この場合溶射層部分だけが被覆管２の表面より飛び出した形となると実核燃料棒の表面状態と異なる状態となる恐れがあるため、熱電対取り付け溝１０の深さを熱電対５の寸法より若干深くするか、あるいは逆に熱電対５の寸法を熱電対取り付け溝１０の深さより細くすることによって熱電対取り付け用溝１０内において、熱電対５の表面と被覆管２の表面との間に０．１〜０．２ｍｍ程度の隙間１２を形成するようにする。

このような構成にすることによってその隙間１２部分に溶射層１１を形成するようにすれば、溶射層１１表面と被覆管２表面とが面一となり、溶射層１１部分が被覆管２の表面より飛び出した形となるのを防ぐことができ、正確な伝熱流動性能の評価試験が行える。

（第３の実施の形態）
次に本発明の第３の実施の形態について図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施の形態においては、ヒータロッド１の被覆管２表面に取り付けた熱電対５の測温点１３付近のみに溶射層１１を形成している。
このように、被覆管２表面には熱電対５と熱電対取り付け溝１０との間に空間があり、その空間が伝熱性能に影響する可能性がある。

本実施の形態では、伝熱性能を計測するのに重要な熱電対の測温点１３付近のみ、熱電対取り付け溝１０を溶射によって埋めることにより熱電対取り付け溝１０がこの部分で被覆管２の表面に露出されず、ヒータロッド１の表面状態が実機核燃料棒と同じ表面状態とすることができ、正確な伝熱流動性能の評価試験が行える。
また、溶射の施工時間短縮と、材料費の低減からヒータロッドの価格をさらに低減することができる。

（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、図１から図３における溶射材をジルカロイとする。このようにすると、実機燃料棒表面材質はジルカロイのため、表面状態が同じ状態、同じ材質のより模擬されたヒータロッドが得られ、より正確な伝熱流動性能の評価試験が行える。

（第５の実施の形態）
次に本発明の第５の実施の形態について図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施の形態においては、熱電対５と被覆管２に形成された熱電対取り付け溝１０との間の隙間１２に伝熱セメント等の熱伝導率が良く、埋め込み時は柔らかく、乾燥すると硬くなる埋め込み部材１４を埋め込むことにより、熱電対取り付け溝１０と熱電対５との接触面の凹凸を無くし、熱伝達が良好になり、表面状態が実機核燃料棒に近いヒータロッドが得られる。

埋め込み部材として用いられる伝熱セメント１４は溶射材に比べて安価であるため、よりコスト削減を図ったヒータロッドが得られる。

（第６の実施の形態）
次に本発明の第６の実施の形態について図５（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施の形態においては、被覆管２に形成した熱電対取り付け溝１０の大きさを可能な限り大きくし、熱電対５との隙間を大きくする。

これにより、伝熱セメント等の埋め込み部材１４の埋め込み作業を容易にし、熱電対５と熱電対取り付け溝１０との間の隙間１２を埋め込み部材１４により完全に満たすことができる。
これによって、熱電対５と熱電対取り付け溝１０との間に隙間が無くなり、熱伝達の良いヒータロッドが得られる。

（第７の実施の形態）
次に本発明の第７の実施の形態について図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
本実施の形態においては、熱電対５と熱電対取り付け溝１０との間の隙間１２に伝熱セメント等の埋め込み部材１４を埋め込み、さらに被覆管２から露出した埋め込み部材１４の外表面に溶射層１１を形成することにより、よりヒータロッド１の外表面状態が実機核燃料棒と同じヒータロッドが得られる。

（第８の実施の形態）
次に本発明の第８の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、前記第１から７の実施の形態で説明したヒータロッド１の溶射層１１あるいは埋め込み部材１４等を埋め込んだ表面を、実機核燃料棒表面と同じ粗さに機械加工などにより研磨する。
これにより、親水性に影響がある表面粗さを実機核燃料棒と同じとしたヒータロッドが得られる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明してきたが、本発明は上述の各実施の形態に限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変形を採ることができる。例えば、上述の第１ないし第７の実施の形態に説明した特徴を任意に組み合わせたところの原子炉用模擬燃料棒の構成であっても良い。

本発明の第１の実施の形態によるヒータロッドを示す横断平面図。 本発明の第２の実施の形態によるヒータロッドを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部横断平面図。 本発明の第３の実施の形態によるヒータロッドを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部横断平面図。 本発明の第５の実施の形態によるヒータロッドを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部横断平面図。 本発明の第６の実施の形態によるヒータロッドを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部横断平面図。 本発明の第７の実施の形態によるヒータロッドを示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は一部横断平面図。 従来のヒータロッドを示す横断平面図。 従来のヒータロッドの圧力容器への設置状況を示す縦断正面図。 従来の別の形式の二重被覆ヒータロッドを示す横断平面図。

符号の説明

１…ヒータロッド、２…被覆管、３…電気絶縁材、３−１…内側電気絶縁材、３−２…外側電気絶縁材、４…発熱体、５…熱電対、６…圧力容器、７…冷却材、８…電極、９…下部フランジ、１０…熱電対取り付け溝、１１…溶射層、１２…隙間、１３…熱電対の測温点、１４…埋め込み部材。

Claims (8)

1. 原子炉の実機核燃料棒の表面状態を模擬して製造される原子炉用模擬燃料棒であって、
   ステンレス又はインコネルからなる被覆管と、この被覆管内に絶縁体を介して収納された発熱体と、前記被覆管の外表面の長手方向に形成された熱電対取り付け溝と、この熱電対取り付け溝に埋め込まれた熱電対と、前記被覆管の外表面に溶射されて設けられ前記熱電対を覆う溶射層と、を有し、前記溶射層はジルカロイにより形成されたことを特徴とする原子炉用模擬燃料棒。
2. 前記熱電対が前記被覆管の外表面に形成された取り付け溝内に埋め込まれ前記被覆管外表面より内側へ埋め込まれて組立てられることを特徴とする請求項１記載の原子炉用模擬燃料棒。
3. 前記溶射層が前記被覆管の外表面全体に形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の原子炉用模擬燃料棒。
4. 前記溶射層が前記被覆管の熱電対取り付け溝部分の外表面のみに形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の原子炉用模擬燃料棒。
5. 前記溶射層が前記被覆管の熱電対の測温点付近のみに形成されたことを特徴とする請求項１または２記載の原子炉用模擬燃料棒。
6. 前記熱電対と熱電対取り付け溝の隙間部分を、熱伝導率が良く、埋め込み時は柔らかく、乾燥すると硬くなる埋め込み部材を埋め込んだ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原子炉用模擬燃料棒。
7. 前記埋め込み部材が伝熱セメントであることを特徴とする請求項６記載の原子炉用模擬燃料棒。
8. 前記被覆管の表面粗さを実機核燃料と同じにしたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の原子炉用模擬燃料棒。

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