JPH02245694A - 原子炉の炉心 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子炉炉心に係り、特に耐震性に優れた原子炉
炉心に関する。

〔従来の技術〕

高速増殖炉、沸騰水型原子炉、加圧木型原子炉、などの
多数の燃料棒によって構成される原子炉炉心においては
、地震等により加振された場合、燃料棒が変位する。こ
の変位により燃料棒の機能が阻害されたり制御棒が挿入
が阻害されたりすることを防ぐため、従来は例えば拘束
枠等によって機械的に変位を抑制している。しかし、燃
料棒と拘束枠の間に大きな衝突力が生じるため、特開昭
５８−２０８６９１あるいは特開昭５６−７３３８７な
どに記載されているような衝突力低減方法が考えられて
いる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は、構造が複雑で製造費用が高く、保守が
困難であるという問題点があった。

本発明の目的は、保守が容易かつ確実に燃料棒の変位制
御を行うため、流体の付加容鷺を増加させることにある
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、燃料棒群と外筒の間の液体の燃料棒軸方向
の流れまたは周方向の流れを妨げる装置を設置すること
により達成される。

これらの燃料群棒は、その自体の強度、あるいはあとで
説明するように制御棒の挿入性を確保するためなどから
、熱荷重、地震荷重、その他の荷重によって変形してよ
い変位量がきまっている。

ここではこれを許容変形範囲と呼ぶ。

また、燃料棒の変位が拘束枠によって抑制されている場
合には、燃料棒の許される変形範囲は許容変形範囲より
小さい。

これらの装置が地震時に燃料棒に衝突することがあれば
、装置及び燃料棒双方に悪影響があるので、これらの装
置は燃料棒の許容変形範囲のまた拘束枠がある場合は許
される燃料棒の変形範囲の外側に設置する必要がある。

〔作用］ 以下、燃料棒群の地震時の振動について説明する。まず
、第２図、第３図を用い原子炉炉心について述べる。燃
料棒２が燃料棒支持装［１に支持され、全体で燃料棒群
３を構成している。燃料棒群３を取り囲んで外筒４が設
置されている。これらの間には液体５が充填されている
１図では燃料棒２は下端においてのみ燃料棒支持装［１
に支持されているが、両端で支持されてもかまわない。

また燃料棒２の断面は円形となっているが他の形状（四
角形、六角形など）でもかまわない、また外筒４内に液
体の表面６があるが、原子炉炉心全体が液体の内に浸さ
れていてもよい、さらに燃料棒２が水平方向に支持され
てもかまわない、また外筒４は他の形状であってもよい
０日本機械学会論文集（０編）第４９巻４４５号（昭和
５８月９月）１４７４ページから１４８１ページで論じ
られているように、燃料棒群３は地震時には全体が同相
に振動するモードが卓越しほぼ１自由度で取扱える。そ
して、燃料棒群３に加わる流体力は、燃料棒群３の形状
と外筒４の形状により定まる。流体力は一般に加速度に
比例する力なので、燃料棒群３を１自由度系に近似した
ときの運動方程式は、と書ける。ただしＭは燃料棒群３
の質量、Ｃは減衰定数、Ｋは復元ばね定数、Ｘは燃料棒
群の支持部との相対変位、・は時間の一階微分、・・は
時間の２階微分を表わす、また右辺第一項は地震力、第
２項は浮力、第３項は流体力を表し、Ｍｏは燃料棒群３
が排除する液体のａ社、Ｍｖは流体力の比例定数（以下
付加貫電と呼ぶ）、ｚは燃料棒群の支持部の加速度であ
る。（１）式を整理すると、ｘ＋２ζωｘ＋ω”ｘ＝−
βｚ　　　　　　−（２）となる、ただし、 したがって、付加質ｉｔ　Ｍ　ｖが大きいと、固有円振
動数ωが低減し、刺激係数βが低減するという効果があ
る。−収約に原子炉炉心は長尺な燃料棒２から成ってお
り、その固有振動数が地震の卓越振動数より低いため、
固有振動数を下げると第２図に示す様に応答変位が低減
する。さらに刺激係数が下がると（２）式かられかるよ
うに実質的に地震入力が低減し応答変位が低減する。し
たがって。

耐震面からは付加質量が大きいことが望ましい。

ところが、原子炉炉心においては、燃料棒２の取換え、
制御棒（図示省略）の取扱いなどの理由から一端面にお
いては、燃料棒軸方向の液体の移動が自由である構造と
なっているため、燃料棒群３の等価半径と燃料棒群の軸
方向長さの比（軸長比）が小さい場合、軸方向長さが長
く燃料棒群３と外筒４の間の液体５が２次元的流れとな
る場合に比べ、付加ｇｔ量が小さくなる。第３図に計算
結果の一例を示す、したがって、燃料棒群と外筒の間の
燃料棒軸方向の流れを妨げれば２次元的流れに近づき付
加質量を大きくすることができる。

また、付加質量は外筒４の半径が燃料棒群３の半径に近
い方が大きくなるが、燃料棒群と外筒の間の流体の周方
向流れを妨げれば、実質的に外地半径を小さくしたこと
となり付加質量を大きくすることができる。

〔実施例〕

以下、本発明のいくつかの実施例を用いて説明する。な
お、説明には代表例として高速増殖炉炉心を用いるが、
他の炉型（例えば、沸騰水型原子炉、加圧木型原子炉な
ど）にも適用可能であることはいうまでもない。

まず第６図により高速増殖炉の概略を説明する。

主容器７に燃料棒支持装置１に支持された燃料棒群３が
あり、外筒４に囲まれている。主容器７はルーフスラブ
８でふたをされ、ルーフスラブ８には、制御棒駆動装置
９、ポンプ１１、熱交換器１２などが据付られている。

ここでは液体５は冷却材である液体ナトリウムである。

比較的低温の液体ナトリウム５はポンプ１１により燃料
棒群３に送られ熱せられ高温の液体ナトリウムとなる。

これが熱交換器１２に送られ外部に熱を取り出し発電を
行う、炉心出力の調整を行うため制御棒１０の制御棒駆
動装置９によって燃料棒群３の中に抜き差しされる。ま
た地震等の緊急時には即座に挿入されるようになってい
る。燃料棒２は第７図に示すような六角形断血を持ち、
蜂の巣状に燃料棒群３を形成しているゆ下端を燃料棒支
持装置１に差しこまれて支持されている。これらの燃料
棒２はルーフスラブ８に取つけられている燃料交換ＷＩ
（図示省略）により交換されるため、上端は自由となっ
ている。第１図が本発明の一実施例で。

燃料棒群２上端のよりやや上の位置に外筒４にとりつけ
られた板状構造の流れを妨げる装置１３ａで、外筒４と
燃料棒群３の間の流体の燃料棒軸方向の流れを妨げてい
る０本図では簡単のため燃料棒群を一点鎖線で表わして
いる０本実施例はとくに、拘束枠等の機械的な変位抑制
装置が設けられていない炉心に適しており、炉心群の許
容変形範囲が大きくても効果的に軸方向流れを妨げるこ
とができる。また、本実施例によれば上方向から燃料取
換等が可能である。また、炉心設計によっては、燃料棒
群の最外周数層に取換えが不要な固定中性子遮蔽体１４
を置く場合もあるが、この場合は、第８図に示すように
、流れを妨げる装置を固定中性子遮蔽体１４の上まで伸
ばしてもよい、なお、本図でも燃料棒群は一点鎖線であ
られしている。この場合、流れの抑制効果がより一層高
まる。

これらの実施例によれば、燃料棒群と外筒間の液体の燃
料棒軸方向の流れが妨げられ付加質量が増加し、燃料棒
２の変位応答が低減する。第９図に単位長さあたりの付
加質量分布の計算結果の一例を示すが、流れを妨げる装
置の効果で、付加質量が増加している。

さらに別の実施例について第１０図を用いて説明する０
本実施例では、燃料棒群３と外筒４の間に拘束枠１５及
び拘束枠にも流れを妨げる効果はあるが、さらに効果を
たかめるため燃料棒軸方向と垂直な面を持つ板状構造で
ある流れを妨げる装置１３ｂを設けである。本装置は図
においては２個だけ設置されているが、もちろん１個あ
るいは３個以上設けてもかまわない０本図においても燃
料棒群は一点鎖線であられしている１本実施例によれば
、軸方向の長さが妨げられ付加質量が増加でき応答が低
減する６本実施例によっても、拘束枠１５における衝突
は避けられないが、燃料枠の応答が低減することによっ
て衝突力を低減することができる。また、本実施例は、
拘束枠がない場合でも、許容変形範囲の外側であれば適
用できる。

また本実施例は、高速増殖炉のように一端のみが支持さ
れている炉心だけではなく１両端が支持された炉心にも
適用可能である。第１１図に本実施例の効果の一計算例
を示すが、単位長さ当たりの付加質量が増加しているこ
とがわかる。

さらに別の実施例について第１２図を用いて説明する。

燃料棒３と外筒４の間ｋ、燃料棒軸方向と平行な面を持
つ板状構造物である、燃料棒軸方向流れを妨げる装Ｍ　
１３　ｃを設けている。本発明によれば、外筒４の半径
が実質的に小さくなった効果があり、付加ａ量が増加し
て応答が低減する。なお、第１２図においては、８枚の
装置を設けているが、他の枚数であってもがまねない、
第１３図に本実施例の効果の一計算結果を示す単位長さ
当たりの付加質量が増加していることがわかる０本実施
例は拘束枠がある場合には、拘束枠で燃料棒が変位しな
い範囲の位置に設ければよい。

また、拘束枠のない場合には、許容変形範囲よりも外側
に設置すればよい。

付加質量を増力ｌさせるという観点がらは、外筒４の位
置を燃料棒に近接させた方が望ましい場合が多いが、外
筒も流体力を受けるため、それに対しての強度を持つこ
とが必要で、厚肉化や、外側にリブなどを設は補強する
必要が出てくる。そこで、本実施例によれば、外筒４を
ある程度燃料棒群３から離すことができるため薄肉化が
可能であり、また、流れを妨げる装ｗｔｌ　３　ｃを補
強材として機能させることもできる。そのため、炉心構
造自体のコンパクトが可能である。

さらに、流れを妨げる装置は外筒に取り付けられた突起
物であっても、他の実施例と同様な効果を得ることがで
きる。

また１本実施例は、高速増殖炉だけではなく、他の炉型
にも適用できるのはいうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、燃料棒群の付加質量を増加させること
ができるので、地震時の燃料棒群の変位応答を低減する
ことができ、高耐震性を持つ原子炉構造を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の縦断面図、第２１ｇは原子
炉炉心の概略図で、第３図のＢ−Ｂ新面図、第３図は、
第２図のＡ−新面図１．第４図は燃料棒の度位応答スペ
クトル、第５図は燃料棒群の付加質量の分布図、第６図
は高速増殖炉の概略図、第７図は高速増殖炉炉心の概略
図、第８図は本発明の別の一実施例、第９図は第１図の
実施例の付加質量分布、第１０図は本発明の別の実施例
、第１１図は第１０図の実施例の付加質量分布、第１２
図は本発明のさらに別の実施例、第１３回は第１２図の
実施例の付加質量分布である。 １・・・燃料棒支持装置、２・・・燃料棒、３・・・燃
料棒群、４・・・外筒、５・・・液体、６・・・液体の
表面、７・・・主容器、８・・・ルーフスラブ、９・・
・制御棒駆動装置。 １０・・・制御棒、１１・・・ポンプ、１２・・・熱交
換器、１３ａ〜１３ｃ・・・流れを妨げる装置、１４・
・・固定集 図 孫り駁 半 巳 亮 図 埠 巴 ネ 不 区 隼 ｚ 口 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料棒支持装置と該支持装置に一端を支持された多
   数の燃料棒と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及
   び燃料棒と外筒の間に充填された液体からなる原子炉の
   炉心において、支持されていない側の燃料先端位置に、
   外筒に取付けられた燃料棒群と外筒の間のすきまを覆う
   板状構造物を設置したことを特徴とする原子炉の炉心。 ２、燃料棒支持装置と、該支持装置に支持された燃料棒
   群と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒
   と外筒の間に充填された液体からなる原子炉炉心におい
   て、燃料棒群と外筒間の液体の燃料棒軸方向の流れを妨
   げる一つまたは複数の装置を、燃料棒の許容変形範囲の
   外側に設けたことを特徴とする原子炉の炉心。 ３、流れを妨げる装置は、外筒に取付けられ、燃料棒と
   外筒の間に位置し燃料棒の軸方向に垂直な面を持つ板状
   構造物であることを特徴とする特許請求範囲第２項の原
   子炉の炉心。 ４、燃料棒支持装置と、該支持装置に支持された燃料棒
   群と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒
   と外筒の間に充填された液体と、燃料棒のまわりにあつ
   て燃料棒の変位を抑制する拘束枠からなる原子炉の炉心
   において、拘束枠によつて許される燃料棒の変形範囲の
   外側に燃料棒と外筒間の液体の燃料棒軸方向の流れを妨
   げる一つまたは複数の装置を設けたことを特徴とする原
   子炉の炉心。 ５、流れを妨げる装置は、外筒に取付けられ、燃料棒と
   外筒の間に位置し燃料棒の軸方向に垂直な面を持つ板状
   構造物であることを特徴とする特許請求範囲第４項の原
   子炉の炉心。 ６、燃料棒支持装置と該支持装置に支持された燃料棒群
   と燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒と外
   筒の間に充填された液体からなる原子炉の炉心において
   、燃料棒群と外筒の燃料棒群周方向の流れを妨げる一つ
   または複数の装置を、燃料棒の許容変形範囲の外側に設
   けたことを特徴とする原子炉の炉心。 ７、流れを妨げる装置は、外筒に取付けられ、燃料棒の
   軸方向と平行な面を持つ板状構造物であることを特徴と
   する特許請求範囲第７項の原子炉の炉心。 ８、燃料棒支持装置と該支持装置に支持された燃料棒群
   と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒と
   外筒の間に充填された液体と、燃料棒のまわりにあつて
   燃料棒の変位を抑制する拘束枠からなる原子炉の炉心に
   おいて、拘束枠によつて許される燃料棒の変形範囲の外
   側に燃料棒と外筒の間の液体の燃料棒周方向の流れを妨
   げる装置を設けたことを特徴とする原子炉炉心。 ９、流れを妨げる装置は外筒に取付けられ、燃料棒の軸
   方向と平行な面を持つ板状構造物であることを特徴とす
   る特許請求範囲第８項の原子炉の炉心。 １０、燃料棒支持装置と該支持装置に支持された燃料棒
   群と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒
   と外筒の間に充填された液体からなる原子炉の炉心にお
   いて、燃料棒の許容変形範囲の外側である範囲に、外筒
   の内側に複数の突起物を設けたことを特徴とする原子炉
   炉心。 １１、燃料棒支持装置と該支持装置に支持された燃料棒
   群と、燃料棒群を取囲んだ外筒と、燃料棒間及び燃料棒
   と外筒の間に充填された液体と燃料棒群のまわりにあつ
   て燃料棒の変位を抑制する拘束枠からなる原子炉の炉心
   において、拘束枠によつて許される燃料棒の変形範囲の
   外側である範囲に、外筒の内側に複数の突起物を設けた
   ことを特徴とする原子炉炉心。