JPH0421835B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔発明の利用分野〕 本発明は、高速増殖炉の炉心構造に関するもの
である。 〔従来技術〕 第１図は電気出力100万kwの高速増殖炉の炉心
の横断面を示し、第２図は当該炉心の縦断面を示
している。 炉心は、出力分布の平坦化をはかるため、プル
トニウムの冨化度の異なる内側炉心領域１と外側
炉心領域２の２領域から構成され、半径方向ブラ
ンケツト領域３、軸方向ブランケツト領域４によ
り囲包されている。半径方向ブランケツト領域３
の周囲は、中性子遮蔽体領域５で囲まれている。
また、内側炉心領域１、外側炉心領域２の各領域
内には、高速増殖炉の出力を制御するための制御
棒集合体６が存在する。以上述べた領域および要
素は燃料、制御棒、あるいは中性子遮蔽材がラツ
パ管７と呼ばれるチヤンネルボツクス内に収納さ
れた燃料集合体、制御棒集合体あるいは中性子遮
蔽体等の炉心構成要素から形成されている。 第３図は、炉心燃料集合体６Ａの概念図であ
る。ラツパ管７内には217本の燃料要素がその周
囲に巻付けられたワイヤスペーサを介して保持さ
れている。１本の燃料要素は、被覆管内に、炉心
燃料ペレツト１０、上部ブランケツト燃料ペレツ
ト１１、下部ブランケツト燃料ペレツト１２が詰
められている。さらに、ガスプレナム２０が下部
プランケツト燃料ペレツト充域域の下方もしくは
上部ブランケツト燃料ペレツト充填域の上方にそ
の大部分を占めるように被覆管内に設けられてい
る。上部ブランケツト燃料ペレツトおよび下部ブ
ランケツト燃料ペレツトの充填域が、軸方向ブラ
ンケツト領域４を形成する。燃料要素よりの上方
ならびに下方でラツパ管７内に上部中性子遮蔽体
１３ならびに下部中性子遮蔽体１４が設けられ
る。ラツパ管７は、原子炉容器に固定される炉心
支持板１８により支えられている。ラツパ管７の
下部に設けられるエントランスノズル１７は、ラ
ツパ管７内への冷却材（ナトリウム）の通路であ
る。また、ラツパ管７の上部には、燃料交換のた
めのハンドリングヘツド１６が設置される。ラツ
パ管７の表面には、軸方向に通常２ケ所スペーサ
パツド１５が設置される。 次に炉心拘束機構について、炉心構成要素の湾
曲原因とともに詳しく説明する。第４図は、制御
棒集合体６に隣接する炉心燃料集合体６Ａのラツ
パ管７の軸方向温度分布を示すものである。制御
棒集合体６に面する炉心燃料集合体６Ａのラツパ
管壁の温度は、反対側のそれより低くなつてい
る。T_Bはラツパ管壁のＢ点での温度、T_Eはラツ
パ管壁のＥ点での温度である。この温度差は、制
御棒集合体６の出力が炉心燃料集合体６Ａのそれ
よりも大幅に低いために生じるものである。ま
た、第５図は、半径方向ブランケツト領域３内に
配置されるブランケツト燃料集合体６Ｂに隣接す
る炉心燃料集合体６Ａのラツパ管温度を示すもの
である。第４図の場合と同様、出力の低いブラン
ケツト燃料集合体６Ｂ側での炉心燃料集合体のラ
ツパ管壁温度がその反対側のラツパ管壁温度より
低くなつている。第４図、第５図に示されるよう
な対面するラツパ管壁の温度差により、ラツパ管
壁の６つ面における軸方向の熱膨張量が異なり、
その結果、炉心燃料集合体６Ａをはじめとする炉
心構成要素は熱湾曲する。 第６図は、制御棒集合体６に隣接する炉心燃料
集合体６Ａのラツパ管７の軸方向の高速中性子束
分布を示す。制御棒集合体６に面する炉心燃料集
合体６Ａのラツパ管壁の高速中性子束は、その反
対側のラツパ管壁の高速中性子束よりも小さくな
つている。N_Bはラツパ管の管壁Ｂ点での高速中
性子束、N_Eはラツパ管の管壁Ｅ点での高速中性
子束を示している。第７図は、ブランケツト燃料
集合体６Ｂに隣接する炉心燃料集合体６Ａのラツ
パ管の軸方向高速中性子束分布を示す。ブランケ
ツト燃料集合体６Ｂに面する炉心燃料集合体６Ａ
のラツパ管壁の高速中性子束は反対側のラツパ管
壁の高速中性子束より小さくなつている。第６
図、第７図に示されるような対面するラツパ管壁
の６面の高速中性子照射量の差によるスウエリン
グ膨張差により、炉心構成要素は湾曲する。ま
た、スウエリングは約580℃で最大値となるため、
第４図、第５図に示すような温度差は、スウエリ
ング膨張差を一層大きくする。 上述のように、炉心構成要素が湾曲すると、ラ
ツパ管７同志の接触以外に、炉心の反応度変化、
制御棒集合体６のラツパ管（以下これを制御棒案
内管と呼ぶ。）の頂部変化による制御棒挿入不能、
燃料集合体ラツパ管頂部変位による燃料交換時の
集合体頂部位置決め不能等の問題が生じる。この
ような問題を回避するために、高速増殖炉では炉
心高速機構が設置される。この炉心拘束機構を、
第８図を用いて説明する。各々の炉心構成要素の
ラツパ管７にはスペーサーパツド１５が設置さ
れ、これらの炉心構成要素から構成される炉心は
炉心槽３０内に格納されている。炉心槽３０の内
面には台座２１が取り付けられ、台座２１にはス
ペーサーパツド１５と同じ軸方向位置に拘束枠２
２が設置されている。スペーサーパツド１５によ
り、湾曲による炉心構成要素ラツパ管同志の接
触、ラツパ管の炉心径方向変位の抑制等を行い、
また拘束枠２２により炉心形状の保持を行う。拘
束枠２２に対向するスパーサパツド１５は、中性
子遮蔽体領域５に配置される中性子遮蔽体６Ｃに
設けられている。 第９図には電気出力100万kwの高速増殖炉炉心
に炉心拘束機構を設置した場合の炉心対角線方向
に並ぶ炉心構成要素の中心軸の湾曲形状を示し
た。上述したように制御棒集合体６に隣接する炉
心構成要素、ブランケツト燃料集合体６Ｂに隣接
する炉心構成要素の湾曲変位が大きくなつている
ことがわかる。また、炉心構成要素間の接触はス
ペーサーパツド１５位置のみで発生していること
がわかる。 従来の炉心拘束機構では、一般にスペーサパツ
ド１５を炉心構成要素の軸方向頂部および炉心上
部から上軸ブランケツト部の領域の２カ所（ノー
ド番号１４および１９の位置）に設けていた。炉
心構成要素頂部（ノード番号１９の位置）のスペ
ーサパツド１５により、炉心構成要素頂部の変位
を抑制し、制御棒挿入性を確保し、燃料交換時の
炉心要素頂部の位置決め性能を確保する。また、
炉心上部から上部ブランケツト燃料ペレツトの充
填領域に設けられたスペーサパツド１５（ノード
番号１４の位置）は、次のような機能を持つ。頂
部のスペーサパツド１５により、頂部変位を抑制
された炉心構成要素は、頂部のスペーサパツド１
５より下部で、頂部の変位とは反対の方向に変位
する。 ところで、上述の炉心拘束機構は、小型、ある
いは中型の拘束増殖炉に適用されてきたもので、
今後建設される大型高速増殖炉にそのまま適用で
きることはかぎらない。特に最近、大型高速増殖
炉の約1000本に及び炉心構成要素の耐震性に対す
る要請が高まり、炉心拘束機構が炉心ならびに炉
心構成要素の振動挙動に大きく影響することがわ
かつてきており、耐震性の観点から従来技術の大
型高速増殖炉への適用性は保障されていない。地
震時において、炉心構成要素の健全性上問題とさ
れるのは、ラツパ管７の圧縮、曲げによる破損、
エントランスノズル１７の付根部の曲げによる破
損である。従来は、ラツパ管７の肉厚およびエン
トランスノズル１７付根部肉厚等を増し、その剛
性を増すことにより、地震に対処してきた。しか
し、この方法では、原子炉の核特性上、増殖率を
悪くする等の欠点がある。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、上記従来技術を鑑み、高速増
殖炉の増殖性能を損うことなく耐震性の高い高速
増殖炉の炉心構造を提供することにある。 〔発明の概要〕 本発明は、構成用件として、複数の燃料集合
体、複数の制御棒集合体、および複数の中性子遮
蔽体の各要素を炉心支持部材上に配置して構成さ
れる高速増殖炉の炉心構造において、前記各要素
の外套体表面に設けられたスペーサパツドと炉心
を取囲む炉心槽に配置された炉心拘束枠とが、前
記高速増殖炉の炉心の応答振動数が前記炉心支持
部材の卓越周波数より小さくなる条件に前記スペ
ーサパツドの軸方向位置と、前記スペーサパツド
間の〓間と、前記拘束枠と前記拘束枠に隣接する
前記スペーサパツド間の〓間とが調整されて前記
炉心槽内に装備されていることを特徴とする用件
を備え、高速増殖炉の炉心の応答振動数を炉心支
持部材の卓越周波数より小さい周波数方向に外さ
れる作用を得、その炉心の耐震性を、高速増殖炉
の増殖性を損なう各炉心構成要素の構造強度の増
強手法に全面的にた頼ることなく、高めることが
出来るものである。 そこで、大部分のガスプレナムを下部に設けた
電気出力100万kwの高速増殖炉の炉心構造を例に
とつて検討した結果以下に説明する。なお、以下
ではスペーサパツド１５を単にパツドと呼ぶ。ま
た、軸方向におけるパツド設置位置としては、炉
心構成要素頂部、上部ブランケツト部の中央およ
び下部ブランケツト部の中央の３カ所を想定し
た。これらの３カ所の軸方向設置位置を、各々、
上部位置、中間位置および下部位置と呼び、ま
た、これらの位置に設置されたパツドを各々、上
部パツド、中間パツドおよび下部パツドと呼ぶ。 第１表は、炉心拘束機構設計に対して要求され
る評価項目の制限条件であり、高速増殖炉の通常
運転時と地震時の２種類の制限条件を示した。通
常運転時において、出力上昇時の湾曲反応度投入
10⊂｜以下という制限条件は、例に取つた炉心が
100％の出力上昇時にドツプラーフイードバツク
および熱膨張により約−2.5×10^-3Δk／ｋの負の
反応度が投入されるので、出力係数が約−１×
10^-5〜−２×10^-5Δk／ｋ／％出力程度となるた
めに設定されたものである。また、１サイクル燃
焼後の反応度投入−10⊂｜以上の制限条件は、１サ
イクル（〜290日）の運転による燃焼反応度が約
２〜３×10^-2Δk／ｋであり、約１週間の燃焼日
数誤差が許されることを想定して設定したもので
ある。ラツパ管応力、エントランスノズル付根応
力の制限値は、燃料集合体の構造設計指針に定義
される「通常運転時」に相当する応力評価を行う
場合の許容応力である。 地震時の制限条件において、再使用可能条件と
は設計用最強地震（S1地震）に対する成立条件

〔発明の実施例〕

本発明の好適な実施例である高速増殖炉の炉心
構造を第２７図および第２８図に従つて説明す
る。原子炉容器の応答振動数は大よそ12Hz前後で
あるので、炉心支持板部の卓越振動数は約12Hz前
後となる。約1000本の炉心構成要素からなる第１
図で示した下部ガスプレナム方式の炉心につい
て、スペーサーパツド１５ａを炉心構成要素頂部
に近い上部遮蔽体１３の位置にスペーサーパツド
１５ｂを下部プランケツト１２の位置に設置し、
また拘束枠２２ａを炉心槽３０の内側のスペーサ
ーパツド１５ａと等しい軸方向位置に、また拘束
枠２２ｂを炉心槽３０の内側のスペーサーパツド
１５ｂと等しい軸方向位置に設置する。各炉必要
素のスペーサーパツド１５ａ相互間のギヤツプを
1.0mm、スペーサーパツド１５ａと拘束枠２２ａ
間の距離を10.0mm、スペーサーパツド１５ｂのギ
ヤツプを0.4mm、スペーサーパツド１５ｂと拘束
枠２２ｂ間の距離を1.0mmとする。上記のような
炉心拘束方式によれば、炉心の応答振動数は約３
Hzとなり、炉心支持板部の卓越振動数12Hzから大
きくはずれることになり、応答加速度は12Hzの場
合の約15分の１となる。したがつて、本実施例に
よれば、通常運転時ならびに地震時において安全
性の高い原子炉を得ることができる。また、スペ
ーサーパツド１５ａと拘束枠２２ａとの距離を１
mmと減らしても、炉心の応答振動数は約５Hzとな
り、応答加速度は約４分の１であるので、なお高
い安全性を得ることができる。さらに、スペーサ
ーパツド１５ｂ間のギヤツプは、炉心燃料集合体
がその寿命末期において互いに接触し合わない程
度（約0.2mm）までは減らしてもよい。またスペ
ーサーパツド１５ｂは下部ブランケツト１２の領
域ならばどこでもよい。 他の実施例としては、下部ブランケツト１２の
軸方向位置に設置したスペーサーパツド１５ｂお
よび拘束枠２２ｂを上部プランケツト１１の軸方
向位置に移し、スペーサーパツド１５ａ間のギヤ
ツプを1.3mm以上、スペーサーパツド１５ａと拘
束枠２２ａ間の距離を１mm以上、上部ブランケツ
ト１１の軸方向位置に設置したスペーサーパツド
１５ｂ間ギヤツプ0.4mm以上、スペーサーパツド
１５ｂと拘束枠２２ｂ間の距離を１mmとする。上
記方法で炉心を拘束しても、第２７図で示した拘
束方式と同様の効果を得ることができる。 次に上部ガスプレナム方式の場合の実施例を第
２９図および第３０図に示す。下部ガスプレナム
方式の場合と同様、スペーサーパツド１５ａを上
部中性子遮蔽体１３に取り付ける。さらに、スペ
ーサーパツド１５ｂを上部ブランケツト１１の中
央部に取り付ける。また、スペーサーパツド１５
ａ，１５ｂと等しい軸方向位置に拘束枠２２ａ，
２２ｂを第２９図に示すように取り付ける。拘束
枠２２ａとスペーサーパツド１５ａとのギヤツプ
を10mm拘束枠２２ｂとスペーサーパツド１５ｂと
のギヤツプを１mm、スペーサーパツド間ギヤツプ
1.4mm、スペーサーパツド１５ｂ間ギヤツプ0.6mm
とすると、第２７図に示した実施例と同様の効果
が得られる。なお、スペーサーパツド１５ｂの位
置は上部ブランケツト１１の領域ならどこでもよ
い。 〔発明の効果〕 本発明によれば下記の効果がある。 炉心の応答振動数を炉心支持板部の卓越振動数
より大幅に小さくすることにより、炉心の応答加
速度を小さくできるので、炉心の耐震性を向上さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は電気出力100万kwの高速増殖炉炉心の
水平断面図、第２図は第１図に示す炉心の垂直断
面図、第３図は炉心燃料集合体の垂直断面図、第
４図、第５図はラツパ管の軸方向温度分布を示す
特性図、第６図、第７図はラツパ管の高速中性子
束分布を示す特性図、第８図は炉心拘束機構の垂
直断面図、第９図は炉心構成要素中心軸の湾曲形
状態を示す説明図、第１０図は出力上昇時の炉心
湾曲反応度を示す特性図、第１１図は通常時のラ
ツパ管に発生する最大曲げ応力を示す特性図、第
１２図は燃料交換時燃料集合体頂部最大変位量を
示す特性図、第１３図は取出し燃料集合体最大永
久変形量を示す特性図、第１４図は通常時の制御
棒案内管最大変量を示す特性図、第１５図は炉心
支持板部床応答曲線図、第１６図は地震時におけ
る炉心の応答振動数を示す特性図、第１７図、第
１８図は地震時の圧縮反応度を示す特性図、第１
９図は、第２０図は地震時制御棒案内管頂部最大
変位量を示す特性図、第２１図、第２２図は地震
時燃料集合体ラツパ管最大曲げ応力を示す特性
図、第２３図、第２４図は地震時燃料集合体エン
トランスノズル付根部最大曲げ応力を示す特性
図、第２５図、第２６図は炉心拘束機構の選択可
能範囲を示す特性図、第２７図は本発明の好適な
実施例の縦断面図、第２８図は第２７図に示す燃
料集合体の縦断面図、第２９図は本発明の他の実
施例の縦断面図、第３０図は第２９図に示す燃料
集合体の縦断面図である。 ７……ラツパ管、８……燃料要素、１５……ス
ペーサーパツド、１１……上部ブランケツト、１
２……下部ブランケツト、２０……ガスプレナ
ム、２２……拘束枠。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の燃料集合体、複数の制御棒集合体、お
   よび複数の中性子遮蔽体の各要素を炉心支持部材
   上に配置して構成される高速増殖炉の炉心構造に
   おいて、前記各要素の外套体表面に設けられたス
   ペーサパツドと炉心を取囲む炉心槽に配置された
   炉心拘束枠とが、前記高速増殖炉の炉心の応答振
   動数が前記炉心支持部材の卓越周波数より小さく
   なる条件に前記スペーサパツドの軸方向位置と、
   前記スペーサパツド間の〓間と、前記拘束枠と前
   記拘束枠に隣接する前記スペーサパツド間の〓間
   とが調整されて前記炉心槽内に装備されているこ
   とを特徴とする高速増殖炉の炉心構造。