JPH0631743B2 - 粒子床型燃料要素 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、核燃料要素に関し、特に、粒子床型燃料要素
に関する。

従来の技術 １９６０年代の初期に初めて考案された粒子床型反応器
（ＰＢＲ）は、ロケットの燃料に関連して開発されたソ
リッド・コア型反応器の改良として考えられたものであ
った。その当時提案されたＰＢＲは、外側フリットと称
される多孔質の管によって外周を保持された核燃料粒子
の環状床から成るものであった。「回転床」と称される
型のものいおいては、粒子床は、粒子床と外側フリット
を回転させることにより遠心力によって外側フリットに
圧接されて保持されるようになされていた。「固定床」
と称される型のものいおいては、粒子床は、内側フリッ
トと外側フリットの間に保持されるようになされてい
た。いずれの型式においても、冷却用ガスは、多孔質の
外側フリットの壁を透過して導入され、粒子床内を半径
方向内方へ通されてその間に加熱され、床内の中央空洞
を通して軸方向に排出される。更に別の型式の粒子床型
反応器として、各々、外側フリットと、内側フリット
と、それらの間の環状室内に充填された燃料粒子床と、
その組立体を結合された状態に保持するための端部結合
具とから成る複数の個別の燃料要素の配列体を備えたも
のがある。この型式の燃料要素は、通常、４対１以上の
長さ対直径比を有する（上述した「回転床」型及び「固
定床」型の燃料要素は、一般に、約１対１の長さ対直径
比を有していた）。しかしながら、作動中そのような核
燃料要素は、燃料粒子の燃焼による成長、及び、粒子
床、内側及び外側フリットの熱膨張及び熱収縮の差に随
伴した問題を生じる。各構成部材の温度の変動により構
成部材にの熱膨張及び熱収縮に差が生じ、その結果とし
て、燃料粒子床が過度に圧縮されたり、あるいは逆に圧
縮荷重が減少して粒子の充填度が弛むことになる。過度
の圧縮荷重は、燃料粒子を破枠させたり、燃料粒子を保
持している内外フリットを歪めたりする。粒子床が弛む
と、冷却用ガスが、粒子床内の一部領域を他の領域より
自由に貫流することになり、その結果、粒子床内にコー
ルドスポットとホットスポットを生じることになる。従
って、温度の規定範囲内での変動及びその結果として生
じる熱膨張差を吸収することができる粒子床型反応器の
燃料要素を提供することが望まれている。

この問題の解決策の１つとして、燃料粒子床の両端に波
形ばねを配置する方法が知られている。

熱膨張及び収縮の差による問題点の解決に向けられた先
行特許としては、下記のものがある。

米国特許第３，６７９，５４５号は、密封外装管内に核
燃料材又は中性子吸収材を収容し、それを弾性的に支持
する波形筒状スペーサ部材を用いた原子炉用コア燃料要
素を開示している。この波形スペーサは、外装管内のプ
レナムチャンバー内に配置され、そのプレナム帯域の周
りの管壁部分を外部流体圧により圧潰されないように半
径方向に補強する。

米国特許第３，９８９，５９０号は、原子炉のための内
部圧を与えられた密封外装燃料要素を開示している。こ
の燃料要素は、そのプレナム内に密封された圧潰自在の
カプセルを有しており、そのカプセルは、プレナム内の
圧力の増大するとそれに伴って一定の制御された態様で
座屈するようにして圧潰し、それによって燃料要素内の
圧力を実質的に一定に維持する働きをする。

米国特許第３，６４７，６２３号は、原子炉のための、
金属製の外装部材で包被された燃料要素を開示してい
る。この燃料要素の内部には、ベローズ状部材が支持さ
れ、燃料要素の外部環境と連通するようになされてお
り、燃料の燃焼中燃料要素の内部圧を外部環境の圧力と
実質的に等しい圧力に維持するようになされている。

米国特許第３，６７７，８９４号は、加圧水型原子炉の
ための燃料要素を開示している。この燃料要素は、密封
外装用ケースと、その中に収容された核燃料と、燃料要
素を自立させるように内部圧力を創生するための手段と
から成り、外装用ケースの金属壁の厚さは、原子炉の使
用条件に適合するように薄くしてある。

その他、米国特許第３，００９，８６９号、３，７７
２，０６７号、３，２９１，６９８号、３，６７１，３
９３号、４，６９９，７５７号及び４，１１１，７４８
号は、従来技術を代表するいろいろなスペーサ部材を開
示している。

発明が解決しようとする課題 これらの特許は、いずれも、燃料の燃焼によって生じる
核分裂ガスを捕捉し保持するとともに、燃料セグメント
の長手方向のある程度の熱膨張を可能にするプレナムチ
ャンバーを有する密封燃料要素に向けられている。しか
し、これは、本発明が対象とする問題、即ち、多孔質
の、従って密封されていない燃料要素及びその燃料粒子
の熱膨張・収縮差の問題とは基本的に異なる。多孔質の
内外フリットの間の環状空間内に燃料粒子を保持した燃
料要素においては、冷却用ガスは、大型の燃料セグメン
トを通してではなく、燃料粒子の間を通して粒子と直接
接触して流れる。この問題に対する、上述した唯一の解
決策では、燃料要素の長さ対幅の比に制限があるので不
十分である。従って、熱膨張又は熱収縮が生じても燃料
粒子に損傷を与えたり、粒子の充填度（詰まり度合）を
弛めたりすることがなく、燃料粒子がほとんど変位され
る（ずらされる）ことがなく、多量の中性子吸収材を添
加する必要がなく、冷却用ガスの適正な分配を阻害する
ことがない、上記問題の解決法が望まれる。

課題を解決するための手段 本発明は、上記問題を直載的に解決するものであり、粒
子床内に巧みに配置された複数の粒子床圧縮具を有する
粒子床型燃料要素を提供する。粒子を保持するための多
孔質の内外フリットは、一端において端部キャップによ
って結合し、他端においては内外フリットの間に介設し
た肩部材により両者の半径方向の位置を規定する。肩部
材は、内外フリットの軸方向の移動は拘束しない。燃料
粒子に対する詰め込み（圧縮）力を維持するために内外
フリットの一端又は両端にばねとワッシャから成る第１
圧縮具を配設する。更に、内外フリットの両端の間で燃
料粒子床内に１つ又はそれ以上の第２圧縮具を組み入れ
る。第２圧縮具は、外側フリットに近接させて配置し、
内外フリットの間の粒子床の厚み（半径方向の幅）の約
２分の１しかを占めないように寸法づけする。

実施例 第１図を参照して説明すると、本発明の粒子床型燃料要
素１０は、基本的には、内側フリット１２と、外側フリ
ット１４と、燃料粒子床（以下、単に「粒子床」とも称
する）１６と、第１圧縮具１８と、第２圧縮具２０とか
ら成る。

内外フリット１２及び外側フリット１４は、原子炉の条
件に適する周知の任意の材料で形成することができる。
フリット１２、１４は、それらを通し、かつ、燃料粒子
床を横切って冷却用ガスが流れることができるように多
孔質とする。フリット１２と１４とは、一端においてキ
ャップ２２によって結合する。キャップ２２は、フリッ
ト１２と１４の半径方向並びに軸方向の位置を規定す
る。フリット１２と１４とは、他端においては肩部材２
４によって半径方向の位置を規定されるが、肩部材２４
はフリット１２、１４の軸方向の変位を拘束しない。内
側フリット１２と外側フリット１４の間には、燃料粒子
床１６を保持する環状室２６が画定される。

燃料粒子床１６は、内外フリット１２、１４の多孔質の
壁を透過し、環状質２６を通して通流せしめられる冷却
用ガスに熱伝達するのに適した粒度とされた燃料粒子
（以下、単に「粒子」とも称する）から成る。平常の作
動中は、冷却用ガスは、外側フリット１４を透過し、粒
子床１６を貫流して内側スリット１２の内孔２８内へ通
され、内孔２８を軸方向に通ってその一端から排出され
る。端部キャップ２２は、内孔２８の他端からの冷却用
ガスの流出を防止する。この燃料粒子は、上述した密封
型燃料要素に用いられる燃料セグメントに比べて比較的
小さく、圧縮具によって適正に圧縮された（詰め込まれ
た）状態に維持される。

第１圧縮具１８は、環状質２６の一端又は両端において
燃料要素１０内に配置することができる。好ましい実施
例においては、圧縮具１８は両端に設ける。その方が、
燃料要素１０の長さ対幅の比を大きくすることが可能と
されるからである。第１圧縮具１８は、燃料要素１０の
端部に配置されるばね３０とワッシャ３２とで構成す
る。ばね３０は、図示の実施例では波形ばねとして示さ
れているが、他の適当な型式のものであってよい。第１
圧縮具１８を燃料要素の両端に配設した場合、一方の圧
縮具１８のばね３０は、燃料要素の一端において端部キ
ャップ２２に圧接し、他方の第１圧縮具１８のばね３０
は、他端において肩部材２４に圧接する。各第１圧縮具
１８のワッシャ３２は、内側フリット１２と外側フリッ
ト１４の間で摺動自在に配置されており、対応するばね
３０に圧接する。かくして、粒子床１６に対して圧縮力
が維持されるが、その圧縮力は、粒子床１６の熱による
膨張収縮を弾性的に許すので、燃料粒子内に過度の応力
又は弛みを与えることがない。粒子床型反応器（又は原
子炉）において、燃料要素の粒子床の長さ対有効直径の
比を大きくすることが必要とされることが多い。しかし
ながら、この比を大きくした場合、粒子床の軸方向でみ
て中央部分に、第１圧縮具だけで吸収し得ない熱膨張に
よる過度の摩擦力が生じ、その結果燃料粒子の摩擦によ
り詰まりと、過度の圧縮荷重を生じる。

本発明に従って環状室２６の燃料粒子床１６内に配置し
た第２圧縮具２０は、そのような燃料粒子床１６の中央
部分の局部的な膨張を吸収することができる。第２圧縮
具２０は、図示を簡略にするために図では１つだけしか
示されていないが、必要に応じて複数個の第２圧縮具２
０を用いることができる。第３図を参照して説明する
と、第２圧縮具２０は、好ましい実施例では、互いに小
径端を重ね合わせた２つのスロット付皿ばね又は皿形ワ
ッシャ３４によって構成する。２つの皿ばね３４をそれ
らの小径端を重ね合わせるようにして組合せると、内外
フリット１２、１４に対して外方に開いたＶ字形を呈す
る。皿ばね３４の外径は、所望の軸方向の変位が可能と
されるような僅かなクリアランスを残して外側フリット
１４の内径にほぼ合致するように寸法づけされる。ばね
３４には、冷却用ガスを透過させをれによって冷却され
るようにスロット３６を穿設する。冷却用ガスは、スロ
ット３６を通ってばね３４の内側へ流ればねの開放した
両端から粒子床１６内へ流入する。これらのスロット３
６は、又、ばね３４の弾性圧縮率を増大させる働きをす
る。ただし、スロット３６は、ばね３４の完全な（扁平
状態になるまでの）圧縮を防止するように大きさを制限
しなければならず、又、燃料粒子が通り抜けてばね３４
と３４の間のＶ字形空隙内へ流入するのを防止するため
に燃料粒子より小さくしなければならない。ばね３４
は、完全に圧縮されると、扁平状態になり、粒子床１６
内でばね素材の厚みに相当するだけの容積しか占めない
ことになる。第３図の実施例の第２圧縮具のＶ字の開放
端（外周）は、外側フリット１４の内壁に近接してお
り、Ｖ字の半径方向の長さは、皿ばね３４の膨張時にお
いて燃料粒子床１６の半径方向の厚みの約２分の１しか
占めないように寸法づけされる。この第２圧縮具２０
は、主として燃料粒子床１６の半径方向でみて外側の領
域を占めるので、第２圧縮具の温度は、比較的低い温度
に維持されるから、通常のばね材料で形成することがで
きる。第２圧縮具２０は、その軸方向の高さを同一とす
れば、そのＶ字を内側フリット１２に近接して配置した
場合よりも、外側フリット１４に近接して配置した場合
の方が、とこ１６のより大きい容積変動に対処すること
ができる。又、第２圧縮具２０を粒子床１６の半径方向
でみて内側の領域に位置させないことにより、外側フリ
ット１４よりもより高温になる内側フリット１２が第２
圧縮具によって拘束される度合が小さく、より自由に変
位することができる。

第４図は、第２圧縮具の変型実施例を示す。この実施例
の第２圧縮具１２０は、多層波形ばね３８と、ばね囲包
体４０と、ばね囲包体３８の周りに摺動自在に装着され
た平坦なワッシャ４２とから成る。ばね囲包体４０は、
第４図の断面でみてほぼＬ字形であり、環状の平坦なベ
ース部分と、内側フリット１２の外周面に摺動自在に係
合する円筒形の垂直部分を有する。垂直部分には、図に
示されるように冷却用ガスを通すための多数のスロット
が穿設されており、垂直部分の上端は、ワッシャ４２が
囲包体４０から抜出るのを防止するために半径方向が囲
包に湾曲された上方リップ４３を有する。波形ばね３８
の形状と、ばね囲包体４０に穿設されたスロットにより
冷却用ガスをこの第２圧縮具１２０を通して通流させた
後、燃料粒子床へ通すことができる。これによって第２
圧縮具も冷却される。この波形ばね３８の形状は、又、
平坦なワッシャ４２に対して多点支持を与え、均一な荷
重を与えるので、ワッシャ４２の傾きを防止し、従って
ワッシャがばね囲包体４０にへたりつくのを防止する。
従って、この形態の圧縮具１２０は、粒子床１６の容積
のより大きい変動に対処することができる。

第５図は、第２圧縮具の更に別の変形実施例を示す。こ
の実施例の第２圧縮具２２０は、第４図の実施例と同様
のばね囲包体４０と平坦なワッシャ４２を用いるが、波
形ばね３８の代わりに、ばねとして機能する金属製の中
空ドーナツ状円環体４４をばね囲包体４０とワッシャ４
２の間に介設する。中空ドーナツ状円環体４４は、薄肉
の壁で形成されており、内部圧力が与えられている。こ
の構成の第２圧縮具は、通常のばねを使用した場合その
ばね材のクリープ現象によりばねの復元力が失われ易い
条件下で使用するのに適している。

使用において、第１圧縮具１８及び第２圧縮具２０は、
燃料粒子床１６に過度の圧力又は弛みを与えることな
く、燃料粒子床１６及び内外フリット１２、１４の熱膨
張又は熱収縮を許容する。好ましい実施例においては、
圧縮具１８、２０の素材としてステンレス鋼、ニッケ
ル、又はベリリウム銅の高強度合金等の強力ばね材を用
いることによって最適な性能が得られる。

以上、本発明を実施例に関連して説明したが、本発明
は、ここに例示した実施例の構造及び形態に限定される
ものではなく、本発明の精神及び範囲から逸脱すること
なく、いろいろな実施形態が可能であり、いろいろな変
更及び改変を加えることができることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を組入れた燃料要素の断面図であり、
圧縮具が膨張した状態にあるところを示す。 第２図は、第１図と同様の図であるが、圧縮具が圧縮さ
れた状態にあるところを示す。 第３図は、第２圧縮具の拡大断面図、第４図及び第５図
は、それぞれ異なる実施例による第２圧縮具の拡大断面
図である。 １０：粒子床型燃料要素 １２：内側フリット １４：外側フリット １６：燃料粒子床 １８：第１圧縮具 ２０、１２０、２２０：第２圧縮具 ２２：端部キャップ ２４：肩部材 ２６：環状室 ３０：皿ばね ３２：ワッシャ ３４：スロット付皿ばね ３６：スロット ３８：波形ばね ４０：ばね囲包体 ４２：ワッシャ ４４：金属製ドーナツ状円環体

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】粒子床型燃料要素であって、 内側フリットと、 該内側フリットに取付けられ、内側フリットとの間に環
   状室を形成する外側フリットと、 該環状室内に充填された燃料粒子床と、 前記環状室の両端にそれぞれ設けられた第１圧縮具と、 前記環状室内で前記燃料粒子床内に配置された第２圧縮
   具と、 から成る粒子床型燃料要素。
2. 【請求項２】前記第１圧縮具は、ばねと、前記環状室内
   に摺動自在に装着されたワッシャから成ることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の粒子床型燃料要素。
3. 【請求項３】前記第２圧縮具は、互いに隣接して配置さ
   れた２つのスロット付皿ばねから成ることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の粒子床型燃料要素。
4. 【請求項４】前記第２圧縮具は、 前記環状室内に配置されたスロット付ばね囲包体と、 該ばね囲包体に装着された波形ばねと、 該波形ばねに隣接して前記ばね囲包体に摺動自在に装着
   されたワッシャと、 から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   粒子床型燃料要素。
5. 【請求項５】前記第２圧縮具は、 前記環状室内に配置されたばね囲包体と、 該ばね囲包体に装着された与圧された金属製円環体と、 該円環体に隣接して前記ばね囲包体に摺動自在に装着さ
   れたワッシャと、 から成ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   粒子床型燃料要素。
6. 【請求項６】前記内側フリットと外側フリットとは、一
   端においては端部キャップによって互いに連結されてお
   り、他端においては肩部材によって半径方向に案内され
   るようになされていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の粒子床型燃料要素。