JPH04315990A - ガス冷却式核燃料要素 - Google Patents

ガス冷却式核燃料要素

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JPH04315990A
JPH04315990A JP4025825A JP2582592A JPH04315990A JP H04315990 A JPH04315990 A JP H04315990A JP 4025825 A JP4025825 A JP 4025825A JP 2582592 A JP2582592 A JP 2582592A JP H04315990 A JPH04315990 A JP H04315990A
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disk
fuel
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gas
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    • G21C3/30—Assemblies of a number of fuel elements in the form of a rigid unit
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、原子炉分野に関するも
のであり、特にはガス冷却式原子炉において使用される
ガス冷却式核燃料要素に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】高温ガス発生のためのガス冷却式原子炉
において、これまで使用された燃料形態としては、ピン
型燃料要素、六角形黒鉛ブロックにおけるシリンダ状粒
子圧縮体（柱形、プリズム型）、球状粒子圧縮体（ペブ
ル）並びに押出六角形黒鉛／燃料ロッド（ＮＥＲＶＡ）
を挙げることができる。柱形或いはペブル燃料形態を使
用する原子炉は、被覆燃料粒子を互いに結合するマトリ
ックス材料としてまた原子炉減速材として炭素を利用す
る。減速材としての炭素の使用は、中性子減速のために
必要とされる炭素が大量となるが故に、使用可能な燃料
粒子含有量がそれだけ制限されまた非常に大きな原子炉
炉心が必要となる結果をもたらした。出願人の知るガス
冷却式原子炉用の燃料要素に向けられた特許としては、
次のものがある。
【０００３】米国特許第４，５６９，８２０号は、黒鉛
から機械加工されそして被覆粒子形態の核燃料を収納す
る燃料室を有する積重ね可能な燃料要素を開示する。冷
却材穴が、冷却材が燃料と直接接触しないように燃料室
とは別個に黒鉛ブロックを通して機械加工される。
【０００４】米国特許第４，７５９，９１１号は、変化
する量の核燃料を堆積せしめた、互いに入れ子式に寸法
順に組み重ねられる複数の剛性の多孔質シリンダから形
成されたガス冷却式核燃料要素を開示する。
【０００５】米国特許第３，５６０，３３９号は、細長
いチューブ状クラッディングを有する原子炉燃料要素を
開示し、クラッディングは燃料粒子とクラッディングの
内径より小さな直径を有する複数のディスクを収蔵して
いる。
【０００６】米国特許第４，７０４，２４８号は、複数
の別個の冷却材通路と細長い燃料孔とを有する耐火材料
製の細長いブロックから形成された核燃料要素を開示す
る。端部封栓が冷却材通路を経由しての適正な冷却材流
れを保証している。
【０００７】米国特許第３，８７３，４２０号は、燃料
収納用穿孔と端から端まで伸延する内部に侵入する冷却
材導通孔とを有する柱状ブロックからなる燃料要素集合
体を開示する。燃料は燃料収納用穿孔と整列する環状圧
縮体の積重ね体から構成されそして燃料を貫く中央冷却
材導通路を定義する。ブロックは環状圧縮体に対する支
持を提供する。
【０００８】米国特許第第３，８９１，５０２、第３，
９８８，３９７号及び第４，０１７，５６７号は、黒鉛
マトリックスから形成されたブロック燃料要素を開示し
ている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記特許は、様々の燃
料要素を開示するけれども、開示された固体ブロックは
すべて、別々の冷却材通路と燃料収納通路とを備えるも
のとされ、それにより燃料により発生する熱はブロック
を介して奪い取られそして冷却材は燃料自体とは直接接
触しない。これは、結果として、燃料要素、炉心及び原
子炉寸法の増大をもたらす。
【００１０】現在使用されている燃料要素より寸法にお
いて小さくしかも同量の動力を発生することのできるガ
ス冷却式燃料要素に対する必要性が存在している。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題に直
接的な態様で対処する。本発明は、冷却材の燃料含有物
質との直接的接触に対応しうるガス冷却式核燃料要素を
提供する。複数の燃料含有ディスクが一緒に積重ねられ
そして上方及び下方端部取付具により筒状チューブ内部
に支持される。筒状チューブは、ディスク積重ね体の外
周に冷却材流路を提供し、構造上の剛性を提供しそして
冷却材と燃料圧縮体を使用される減速材から隔離する。 ディスク圧縮体は半径方向或いは軸線方向冷却材流れを
与えるように作製することができる。
【００１２】かくして、本発明は、（ａ）少なくとも一
方開放端を有する筒状チューブと、（ｂ）複数の核燃料
ディスクにして、前記筒状チューブ内部に該核燃料ディ
スクと筒状チューブとの間に環状スペースを形成するよ
うに積重ねられる核燃料ディスクと、（ｃ）前記核燃料
ディスクを貫いて形成される軸線方向導通路及び該核燃
料ディスクの各々の表面に軸線方向導通路と該燃料ディ
スクの外縁との間を半径方向に伸びて形成される溝と、
（ｄ）前記筒状チューブ内部に前記核燃料ディスクを支
持する、該筒状チューブにおける上方及び下方端部取付
具にして、上方或いは下方端部取付具が燃料ディスクに
おける軸線方向導通路と同軸整合する中央穿孔を有する
上方及び下方端部取付具とを備えるガス冷却式核燃料要
素を提供する。
【００１３】
【作用】複数の核燃料ディスクが一緒に積重ねられそし
て上方及び下方端部取付具により筒状チューブ内部に支
持される。筒状チューブは、ディスク積重ね体の外周に
冷却材流路としての環状スペースを提供し、構造上の剛
性を提供しそして冷却材と燃料圧縮体を使用される減速
材から隔離する。積重ね核燃料ディスクを貫いて軸線方
向導通路が形成される。冷却材は、環状スペースから核
燃料ディスクの軸線方向導通路と外縁との間を半径方向
に伸びる溝を通して軸線方向導通路に流入しそしてそこ
から上方或いは下方に流出する。冷却材を複数の軸線方
向導通路を通して流すことも可能である。核燃料ディス
クを形成しそして必要とされる剛性を得るのに過剰のマ
トリックス材料がほとんど必要とされないから、被覆燃
料粒子の高容積の充填が得られる。これは燃料要素寸法
を減じ、従って全体的な炉心寸法を減じる。燃料要素中
に減速材を組み込む従来技術とは対照的に、燃料の減速
材からの分離はまた、原子炉冷却材から減速材をも分離
する。これは、炭素や黒鉛に比較して一層容積効率の良
い、比較的低温の、水素質減速材の使用を可能とし、従
って原子炉容積の減縮化をもたらす。
【００１４】
【実施例】図面を参照すると、図１において、本発明の
ガス冷却式核燃料要素が全体を番号１０により示されて
いる。ガス冷却式核燃料要素１０は一般に、複数の核燃
料含有ディスク（以下、核燃料ディスクと云う）１２、
筒状チューブ１４並びに上方及び下方端部取付具１６か
ら構成される。
【００１５】各核燃料ディスク１２は好ましくは、核燃
料粒子を例示されるようなディスク形状に結合するのに
炭素のようなマトリックス材料を使用する。製作プロセ
ス中に、流れ導通路（チャネル）が核燃料ディスクを通
しての所望の冷却材流れ通路設計に従って組み込まれる
。図１及び３に示される好ましい具体例においては、単
一の軸線方向導通路１８が各核燃料ディスク１２の実質
上中央を貫いて設けられる。各核燃料ディスク１２には
また、核燃料ディスク１２の外側縁から中央導通路１８
まで伸びる多数の小さな放射状溝或いはチャネル２０が
設けられる。溝２０は、各核燃料ディスクの上下いずれ
かの面或いはその両面に形成されうる。核燃料ディスク
が図１に示すように積重ねられるとき、溝２０は、軸線
方向導通路１８まで核燃料ディスクを半径方向に横切る
冷却材流れのための通路を提供する。
【００１６】核燃料ディスク積重ね体は、筒状チューブ
１４内に配置されそして両者間に環状スペース２１を形
成するように上方及び下方端部取付具１６Ａ、１６Ｂに
より然るべく保持される。筒状チューブ１４は好ましく
はその上端において閉鎖されそしてその下端において開
放される。バネ２２が、上方端部取付具１６Ａと筒状チ
ューブ１４の上端との間に介設される。これは、原子炉
運転中核燃料ディスク１２の軸線方向膨張を可能ならし
める。上方端部取付具１６Ａにはまた、上方核燃料ディ
スク１２の横方向支持を与えそしてその側方への変位を
防止するため、一番上の核燃料ディスク１２を受容する
ための凹んだ中央領域が形成されうる。下方端部取付具
１６Ｂは核燃料ディスク１２と実質上同じ外径を有する
。下方端部取付具１６Ｂには、中央穿孔２４が貫通状態
で設けられる。
【００１７】核燃料ディスク１２のまた別の具体例が図
４及び５に例示され、ここでは冷却材の流通のための複
数の軸線方向穿孔２６が設けられる。これは、冷却材流
れと接触する核燃料ディスク１２の表面積を増大するか
ら、溝２０の必要性を排除しそして核燃料ディスクを通
しての軸線方向冷却材流れのみの使用を可能ならしめる
。
【００１８】図５に見られるように、核燃料ディスク１
２のいずれの具体例にも、核燃料ディスク１２を互いに
適正位置に保持せしめるための構造的特徴を設けること
ができる。各核燃料ディスク１２の底面には、ノッチ２
８を形成することができる。寸法においてノッチ２８に
対応するタブ３０が、各核燃料ディスク１２の上面に形
成される。核燃料ディスク１２の積重ね中、タブ３０が
隣の核燃料ディスクのノッチ２８内に受容される。これ
は核燃料ディスク１２の相対的な廻動を防止しそして軸
線方向穿孔２６の適正な整合を維持する。各具体例に対
して使用できるまた別の特徴は、各核燃料ディスクをそ
の上面を凹状づけそしてその下面を凹状上面と同程度ま
で凸状づけるよう付形することである。これは図５にお
いて寸法Ｄにより示される。凹状表面と凸状表面との合
致は、核燃料ディスク１２の積重ねに際して、横方向支
持を提供しそして核燃料ディスク１２が互いに摺動する
のを防止する。
【００１９】図２に例示したようなガス冷却式原子炉３
２においては、多数のガス冷却式核燃料要素１０が使用
される。原子炉３２は、炉容器３４、制御ドラム３６、
減速体３８、流れ邪魔板４０、ガス冷却式核燃料要素１
０、制御棒４２並びに冷却管４４から形成される。例示
の容易化のために、少数の冷却管４４のみが示されるが
、実際にはもっと多数の冷却管４４が使用されることを
理解すべきである。
【００２０】運転において、冷却材は、炉容器３４を通
して燃料要素１０に差し向けられて燃料要素から熱を除
去する。図１に矢印で示すように、冷却材は、核燃料デ
ィスク１２の積重ね体と筒状チューブ１４の内壁との間
の環状スペース２１に流入しそして溝２０を通して核燃
料ディスク１２間を半径方向に軸線方向導通路１８へと
流入し、そして後軸線方向導通路１８及び下方端部取付
具１６Ｂにおける中央穿孔２４を通して下方に流れる。 その後、冷却材は、熱を有用な動力エネルギーに変換す
る動力変換設備に差し向けられる。
【００２１】図６は、ガス冷却式核燃料要素１０のまた
別の具体例を示し、ここでは筒状チューブ１４は両端に
おいて開放している。核燃料ディスク１２の積重ね体は
上述した溝２０の使用により半径方向流れを生み出すよ
うに設計され、それにより冷却材は核燃料ディスク間を
半径方向に流れそして後軸線方向導通路１８を通して軸
線方向に流出する。しかし、この具体例においては、冷
却材は核燃料要素に一端において流入しそして反対端に
おいて核燃料要素から流出する。これは次の態様で達成
される。上方端部取付具１１６Ａは、無孔質でありそし
て核燃料ディスク積重ね体の軸線方向導通路１８と同軸
に整合している軸線方向穿孔４６を装備する。下方端部
取付具１１６Ｂには原子炉運転中燃料核燃料ディスク１
２の軸線方向膨張を許容する手段４８が設けられている
。手段４８はバネ或いはベローから形成されうる。矢印
により示されるように、冷却材は、筒状チューブ１４の
下端における開口５０を通して軸線方向の環状スペース
（チャネル）２１に流入する。冷却材はその後、溝２０
を通して核燃料ディスク１２を半径方向に横切って軸線
方向導通路１８内へとそして後軸線方向穿孔４６を通し
て燃料要素から外へ流出せしめられる。
【００２２】
【発明の効果】本発明のガス冷却式核燃料要素により次
の利益が提供される。核燃料ディスクを形成しそして必
要とされる剛性を得るのに過剰のマトリックス材料がほ
とんど必要とされないから、被覆燃料粒子の高容積の充
填が得られる。これは燃料要素寸法を減じ、従って全体
的な炉心寸法を減じる。燃料要素中に減速材を組み込む
従来技術とは対照的に、燃料の減速材からの分離はまた
、原子炉冷却材から減速材をも分離する。これは、炭素
や黒鉛に比較して一層容積効率の良い、比較的低温の、
水素質減速材の使用を可能とし、従って原子炉容積の減
縮化をもたらす。減速材と冷却材とを分離することのま
た別の利益は、通常の冷却材流れが失われた場合に、原
子炉を冷却するのに独立した残留熱除去機構を提供しう
ることである。核燃料ディスクの形状が簡単であること
は、機械的及び熱的応力への耐性を増強するよう丸みづ
けられたコーナーを備えて、黒鉛化炭素のような耐熱性
高融点材料で核燃料ディスクを作製することを可能なら
しめ、通常なら高い応力を誘起するような条件に対する
燃料形態の耐性を増大する。これは更に、筒状チューブ
により与えられる追加的な構造支持体により増強される
。核燃料ディスクの簡単な形態は作製中燃料粒子にかか
る応力が非常に低く維持されうるから、核燃料ディスク
内部の被覆燃料粒子への損傷の危険性を最小限として一
般的な製作技術の使用を可能とする。
【００２３】以上本発明の様々の具体例を説明したが、
本発明の範囲内で多くの変更をなしうることを銘記され
たい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料要素の側部断面図である。
【図２】原子炉容器内での本発明燃料要素の配置取りを
例示する平面図である。
【図３】本発明の核燃料ディスク積重ね体からの単一の
核燃料ディスクを示す斜視図である。
【図４】単一核燃料ディスクの別の具体例を示す斜視図
である。
【図５】本発明の核燃料ディスクの止着−保持手段を例
示する側面図である。
【図６】本発明の燃料要素の別の具体例の側部断面図で
ある。
【符号の説明】
１０　　ガス冷却式核燃料要素 １２　　核燃料ディスク １４　　筒状チューブ １６Ａ、１６Ｂ　　上方及び下方端部取付具１８　　軸
線方向導通路 ２０　　放射状溝 ２１　　環状スペース ２２　　バネ ２４　　中央穿孔 ２６　　軸線方向穿孔 ２８　　ノッチ ３０　　タブ ３２　　ガス冷却式原子炉 ３４　　炉容器 ３６　　制御ドラム ３８　　減速体 ４０　　流れ邪魔板 ４２　　制御棒 ４４　　冷却管 ４６　　軸線方向穿孔 ４８　　バネ或いはベロー ５０　　開口

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　（ａ）一方開放端を有する筒状チュー
    ブと、（ｂ）複数の核燃料ディスクにして、前記筒状チ
    ューブ内部に該核燃料ディスクと筒状チューブとの間に
    環状スペースを形成するように積重ねられる核燃料ディ
    スクと、（ｃ）前記核燃料ディスクを貫いて形成される
    軸線方向導通路と、（ｄ）前記筒状チューブ内部に前記
    核燃料ディスクを支持するための該筒状チューブにおけ
    る上方及び下方端部取付具とを備えるガス冷却式核燃料
    要素。
  2. 【請求項２】　　下方端部取付具に燃料ディスクにおけ
    る軸線方向導通路と同軸整合する中央穿孔が設けられる
    請求項１のガス冷却式核燃料要素。
  3. 【請求項３】　　核燃料ディスクの各々の表面に軸線方
    向導通路と該燃料ディスクの外縁との間に半径方向に伸
    びる溝が形成される請求項１のガス冷却式核燃料要素。
  4. 【請求項４】　　（ａ）一方開放端を有する筒状チュー
    ブと、（ｂ）複数の核燃料ディスクにして、前記筒状チ
    ューブ内部に該核燃料ディスクと筒状チューブとの間に
    環状スペースを形成するように積重ねられる核燃料ディ
    スクと、（ｃ）前記核燃料ディスクを貫いて形成される
    軸線方向導通路及び該核燃料ディスクの各々の表面に軸
    線方向導通路と該燃料ディスクの外縁との間を半径方向
    に伸びて形成される溝と、（ｄ）前記筒状チューブ内部
    に前記核燃料ディスクを支持するための該筒状チューブ
    における上方及び下方端部取付具にして、該下方端部取
    付具が燃料ディスクにおける軸線方向導通路と同軸整合
    する中央穿孔を有する上方及び下方端部取付具とを備え
    るガス冷却式核燃料要素。
  5. 【請求項５】　　（ａ）両端を開放した筒状チューブと
    、（ｂ）複数の核燃料ディスクにして、前記筒状チュー
    ブ内部に該核燃料ディスクと筒状チューブとの間に環状
    スペースを形成するように積重ねられる核燃料ディスク
    と、（ｃ）前記核燃料ディスクを貫いて形成される軸線
    方向導通路と、（ｄ）前記筒状チューブ内部に前記核燃
    料ディスクを支持するための該筒状チューブにおける上
    方及び下方端部取付具とを備えるガス冷却式核燃料要素
    。
  6. 【請求項６】　　上方端部取付具に核燃料ディスク積重
    ね体における軸線方向導通路と同軸整合する軸線方向穿
    孔が設けられる請求項５のガス冷却式核燃料要素。
  7. 【請求項７】　　核燃料ディスクの各々の表面に軸線方
    向導通路と該燃料ディスクの外縁との間に半径方向に伸
    びる溝が形成される請求項５のガス冷却式核燃料要素。
  8. 【請求項８】　　核燃料ディスクの各々が凸状上面と凹
    状下面とを具備する請求項１、４或いは５のガス冷却式
    核燃料要素。
JP4025825A 1991-01-22 1992-01-17 ガス冷却式核燃料要素 Expired - Fee Related JP2584701B2 (ja)

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