JPS6116035B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は原子炉、特に液体冷却増殖炉用の燃料
集合体および炉心に関するものである。

増殖炉用の燃料集合体および炉心は主として２
つの型式がある。第１の均質型のものは、増殖燃
料領域即ち燃料親物質領域により径方向および軸
方向に囲まれた複数の核分裂燃料集合体を備えて
いる。核分裂燃料が装荷されたこのような炉心の
内部には、受容できる径方向出力曲線を得るため
に数個の燃料濃縮領域を組入れねばならない。こ
の構成の型式に於ては、原子炉炉心領域全体に亘
つて適当な熱的および流体的平衡を保つために
種々の領域を流れる流れを制御するためにオリフ
イス等の多数の複雑な構造が必要であつた。

第２の型式、即ち非均質型炉心は、所定の市松
模様状に交互配列された核燃料親物質集合体およ
び核分裂燃料集合体を備えている。中性子解析に
より、このような非均質型の炉心構成では増殖利
得が改善され、倍加時間が短縮されることが判つ
た。しかしながら、この配列にも幾つか欠点があ
り、そのうち重大なものは炉心寿命期間中の燃料
親物質集合体および核分裂物質集合体のヒートレ
イトが異なるという欠点がある。このヒートレイ
トの差のため大きな温度差が生じ、厳格な機械的
炉心拘束手段を必要となる。又、この配列領域間
で核分裂燃料の濃縮度を異ならしめる必要もあ
る。

第３の型式の炉心構成も他の型の原子炉用に提
案されており、これは同じ燃料集合体内に核分裂
燃料要素と燃料親物質とを含んだものである。こ
の構成は燃料集合体内で変化させた核分裂燃料濃
縮度に特に依存している。濃縮度の異なる燃料要
素は、製造原価、品質管理および燃料の寿命中の
燃料管理の点で高価である。又、燃料寿命期間に
亘つて比較的一様な出力分布および炉心反応度を
維持するのが困難であると共に、先に述べた複雑
な制御手段が必要である。

従つて本発明の主目的は、比較的高い増殖比お
よび短かい倍加時間を維持しつつ上述の欠点を無
くした液体冷却増殖炉用の燃料集合体および炉心
を得ることである。

この目的のために、本発明は、薄い壁の垂直に
配置された金属製多角形導管と、この導管と略々
同じ横断面形の束として上記導管内に近接して配
置された複数の平行な同延の長い燃料要素とを備
え、この燃料要素が複数の増殖要素および複数の
駆動要素を含む液体冷却増殖炉用の複合燃料集合
体に於て、上記増殖要素の横断面が上記駆動要素
の横断面よりも大きく、各上記増殖要素が上記駆
動要素の幾つかにより囲まれており、全ての上記
駆動要素が略々同じ濃縮度の核分裂燃料を有して
いることを特徴とする複合燃料集合体に在る。

本発明は、上述の欠点を無くし、炉心全体に亘
つて同じ核分裂燃料濃縮度を用い得る核燃料要素
および炉心を提供する。本発明は、燃料集合体を
形成するように束として配置された燃料親物質を
増殖要素および核分裂物質を含む駆動要素の両者
を有する複数の垂直で平行な同延の長い燃料要素
を備えた燃料集合体を含むものである。燃料要素
は液体冷却材に流れる薄い壁の金属製導管内に配
置するのが望ましい。燃料要素は望ましくは円筒
形であつて、各増殖要素は駆動要素よりも直径が
大きい。各増殖要素は又複数の駆動要素により横
方向に囲まれている。

集合体の構成を有する炉心は、核分裂燃料要素
の全部に対して一種だけの核分裂燃料濃縮度を有
し、それでもなお比較的一様な径方向出力分布を
得ることができるが、これは種々の集合体内の増
殖要素の寸法および数を変えて集合体の実効濃縮
度を変化させることにより行なう。

本発明の燃料集合体および炉心は、各集合体お
よび炉心についての温度分布を従来のものよりも
一様にできるという効果がある。またオリフイス
等の熱的および流体的制御機構の数を減すことが
でき、熱による曲がり等により燃料要素に加えら
れる応力を減少させることができるので、他の炉
心構造部材に対する設計要求の厳しさも軽減でき
る。

次に添附図面に示す本発明の実施例に沿つて本
発明を説明する。

第１図に於て、本発明を有効に適用できる型の
液体増殖炉の一例が部分的に示されている。原子
炉は回転プラグおよび種々の貫通装置（図示して
ない）を有する封鎖ヘツドを有する圧力容器１０
を備えている。貫通装置は制御棒要素１７および
燃料交換装置等の機器が通過できるようにする。
圧力容器１０内には、後に説明する如く所定の量
および配置の燃料親物質および核分裂燃料を有す
る複数の垂直な同延の燃料集合体２０を含む炉心
１８が設けてある。燃料集合体は下部内部構造２
２により支持され、かつ普通正円筒形形状に近く
なるよう配置されている。ナトリウムあるいはカ
リウムを含むもの等の液体原子炉冷却材は、入口
ノズル２４を通つて圧力容器に入り炉心を通つて
上昇し、出口ノズル２６から通常発電用の熱交換
器あるいは他の機器に排出される。

第２図および第３図には本発明の複合燃料集合
体２０の一実施例の詳細が示されている。複合燃
料集合体は複数の駆動燃料要素２８と複数の増殖
燃料要素３０とを備えている。駆動要素２８は当
初は周知の如く濃縮された核分裂燃料を含んでい
る。増殖要素３０は当初はこれも周知の如く主と
して燃料親物質を含んでいる。燃料サイクル、核
分裂燃料濃縮度、および混合酸化物燃料を含む核
燃料の全体としての利用態様は、与えられた原子
炉内で複合燃料要素を最も効果的に使用できるよ
うに変化させることができる。しかしながら後に
説明するように、与えられた炉心全体について核
分裂駆動燃料の濃縮度は一種だけで良い。

駆動要素２８および増殖要素３０は、長い同延
の部材であり、横断面形は種々の形にできるか円
形であるのが望ましい。各要素は、普通円筒形ペ
レツト３２（第３図）に成型され、密封された
略々管状の金属製被覆３４内に囲まれた核燃料を
備えている。燃料要素２８および３０は、望まし
い例に於ては両端の開いた壁の薄い金属製導管３
６内に囲まれ、導管３６には原子炉冷却材が燃料
要素の外表面に直接接触して流れる。各要素２８
および３０は、上部で燃料要素延長部４２に固着
されたハンガーピン４０の下部を受入れる案内レ
ール３８により規則的な幾何学的配列となるよう
導管３６内に固着されている。この例の原子炉は
導管付燃料集合体を用いるものであるが、他の型
式の燃料集合体でも複合集合体による利点が同様
に得られる。

第２図に最も良く示されている如く、増殖要素
３０は、駆動要素２８よりも横断面が大きく、燃
料要素ロツド束内で対称的に方向付けられてお
り、また各々駆動要素のうちの複数本４４により
横方向に囲まれている。駆動要素のうちの選択さ
れた複数本４４は破線で示されている。このよう
に、複合燃料集合体２０は、単に駆動要素および
増殖要素の相対的量および幾何学的関係を変化さ
せるだけで所定の燃料集合体の実効燃料濃縮度を
変更させることができる。従つて或る燃料集合体
また炉心全体内の全ての駆動要素に同じ一種類の
燃料濃縮度を用いることができる。駆動要素の数
を変化させるとそれに応じて燃料集合体の実効濃
縮度が変化する。炉心には、実際には一定の核分
裂燃料濃縮度を保ちながら、実効濃縮度の異なる
複数の径方向領域４６、例えば４６ａ乃至４６ｅ
（第４図）を設けることができる。この結果得ら
れる製造原価、品質保証および信頼性に於ける利
点は顕著である。

各駆動燃料要素２８には更に、横方向に近接し
た部材から駆動燃料要素を離間させる装置が設け
てある。この近接した部材とは、他の駆動要素２
８、増殖要素３０および燃料要素束周辺に於ける
導管３６の内面等である。この装置は、ワイヤス
ペイサー４８（第２図および第３図）あるいは開
放格子組立体のグリツド構造等である。ワイヤー
は全て同じピツチで巻くのが望ましい。ワイヤス
ペイサーは集合体内の流体を混合させるという利
点があり、また他の集合体構造には突出したベー
ン等の他の手段を用い得る。

炉心設計の当業者には、本発明の複合燃料集合
体２０により、個々の集合体および炉心全体の両
者に於て径方向出力分布および熱勾配が特殊な手
段によりレベリングされることが明らかであろ
う。燃料集合体内の駆動要素および増殖要素の相
対的量および方向を変更することもできるが、中
心に増殖要素を配置するのが望ましい。略々同じ
寸法の燃料要素を有する従来の燃料集合体に於て
は、出力密度は集合体の軸心上でピークとなり、
中性子束が小さく冷却材流れの多い周辺ロツドに
向つて減少する。これは燃料濃縮度を変化させ、
複数のオリフイス等の複雑な流れ制御装置を用い
る等の設計により対処できる。これに対して本発
明の複合燃料集合体の大型増殖要素３０、特に導
管中心軸に沿つて配置された増殖要素によれば、
各増殖要素周りに普通よりも大きな冷却材流路が
形成されて附加的な局所的冷却材流れを得ること
ができる。このため束中心から周辺に至る熱勾配
が減少する。大量の冷却材流れは、炉心の燃焼に
伴ない出力供給が駆動要素から増殖要素に移動し
たときでさえも維持され、この移動により径方向
熱勾配が更に小さくなるようになる。

第２図および第３図からは又、各々ワイヤスペ
イサー４８を有する駆動要素２８のうち特定の複
数個４４により各々囲まれた増殖要素３０が駆動
要素のワイヤスペイサー４８により離間されかつ
横方向に支持されていることが判かる。図示の望
ましい六角形で三角ピツチの配置に於ては、各増
殖要素はその長さに沿つて12箇所の周辺位置で支
持されているが、第２図のピツチ面に於ては６箇
所の周辺位置で支持されている。ピンチ面とは、
燃料集合体の垂直軸に沿つて周期的間隔で現わ
れ、ワイヤスペイサー４８のうちの特定の複数の
ものが集合体導管に接触する水平面である。燃料
要素束および導管を横切る方向の熱勾配が減少
し、熱応力が減少する他に、増殖要素３０にワイ
ヤスペイサーが巻かれてないために燃料要素束に
より導管壁に加えられる応力が更に減少すると考
えられている。増殖要素のワイヤスペイサーが無
くなることによりピンチ面での燃料要素束の剛性
が減少する。集合体の寿命中の放射線および熱サ
イクルの影響により、燃料要素が曲がろうとして
導管に応力を掛けて曲げようとすることが認めら
れている。燃料要素束の剛性を高めることは導管
を曲げようとする燃料要素束の作用を増大させる
と考えられており、従つて増殖要素にワイヤスペ
イサーが無いために剛性が減少したため、燃料要
素束が導管を曲げようとする作用が減少すると考
えられる。従つて予備的研究により、熱勾配が減
少し、また曲げ作用力が減少すると考えられるの
で、導管管壁の厚さを従来の燃料集合体に対して
10％乃至20％減少できることが判つた。更に、増
殖要素の横断面積が大きいため燃料要素束の剛性
が増大する。従つて複合燃料集合体を用いる設計
者は、所定の炉心および原子炉の要求仕様の範囲
内で燃料集合体の寸法、間隔および冷却材流れを
変更して、所望通りの中性子的および機械的動作
が得られるようにできる。燃料要素束の剛性を高
める比較的大直径の増殖要素は、必要ならば増殖
要素からワイヤスペイサーを取除いたために減少
した剛性に対処するために用いることができる。

第２図および第３図に示す13本の増殖要素およ
び126本の駆動要素を有する複合燃料集合体の幾
何学的変数の一例は、表に示す通りである。

表 六角導管管壁厚さ ３mm 外辺間距離 116mm 増殖要素外径 16.2mm 駆動要素外径 ６mm ワイヤスペイサー直径 1.9mm 第４図は５つの別個の径方向領域を含む複合炉
心の一例を示すが、増殖要素３０の数が各領域毎
に異なるので、全ての駆動要素２８の濃縮度が実
質的に同一であつても燃料要素実効濃縮度は変化
したものとなつている。図には、径方向領域番
号、上部および下部軸方向ブランケツトを含む燃
料親物質対核分裂燃料原子比、５つの領域の各集
合体の実効濃縮度、および各領域の集合体一本当
りの燃料親物質棒の数が示されている。この図か
ら、炉心中心からの半径が増すに連れて集合体一
本当りの燃料親物質棒の数が次第に減少し、燃料
親物質対核分裂燃料原子比が減少し、実効濃縮度
が増大することが明らかである。直線的に挿入可
能な制御棒を受入れるための19箇召所の制御集合
体位置も又この図に示されている。

第５図は第４図の複合炉心の計算による出力密
度を示す。図示の如く、複合燃料集合体２０を用
いることにより出力密度の実質的レベリング（一
様化）が達成できる。図示のものよりも大きなレ
ベリング効果を、特に炉心周辺で最適化設計する
ことにより得ることができる。又、例えば流れオ
リフイスを外側領域だけに用いることによりレベ
リング効果を大きくすることもできる。第５図は
また、図示の複合燃料集合体炉心に於て平衡サイ
クルの開始時（曲線BEC）と平衡サイクルの終
了時（曲線EEC）との間で生ずる比較的小さな
出力変動をも示している。出力分布曲線は常に曲
線BECと曲線EECとの間に在る。複雑な冷却材
流れ制御装置を用いない場合には、この出力変動
は燃料集合体出口の冷却材温度に直接関係する。
当業者には、この変動の大きさが非均質型あるい
は均質型炉心のいずれよりも相当に小さいことが
明らであろう。従つて複合集合体炉心は、オリフ
イス等の流れ制御装置を最小限にし、近接する導
管間および炉心拘束装置に掛かる熱による荷重を
最小限にし得る。同様に、炉心寿命中のいずれか
単一の集合体に於ける混合平均出口温度変化が相
当に減少し、近接の集合体の導管間の熱サイクル
が軽減する。例示した複合炉心に於ては、領域１
の集合体は、集合体当り平衡サイクル開始時に
4.396MWを発生し、平衡サイクル終了時には
4.610MWまで増大する。しかしながら、熱的に
は、毎時86000Kgのナトリウムが集合体を流れる
場合、混合平均出口温度の上昇は7.1℃だけであ
る。同様に、領域４の集合体の発熱量は
4.170MWから減少する。これは、集合体ナトリ
ウム流量が86000Kg/hの場合約6.8℃の混合平均出
口温度の低下に対応する。従つて本発明の複合燃
料集合体および原子炉炉心により、中性子効率、
熱応力、および構造上の要求に関連するものを含
む多数の利点が得られる。本発明を特定の例に関
連して説明したが、多くの変形が可能であり、こ
こに説明した例以外にも本発明を適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な原子炉容器および内部機器の
断面図、第２図は本発明の複合燃料集合体の一実
施例の部分断面図、第３図は第２図の線―に
沿つた断面図、第４図は本発明の複合炉心の一例
を示す図、第５図は複合炉心に於ける平衡サイク
ルの開始時および秋了時の炉心中心線からcmで表
わした距離（Ｘ軸）に対するMW/で表わした
炉心出力密度（Ｙ軸）を示すグラフである。 １８…炉心、２０…燃料集合体、２８…駆動要
素、３０…増殖要素。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 円筒形状に近付くように所定の横方向配列に
   配置された、各々薄い壁の垂直金属製多角形導管
   を有する垂直の同延の複数の燃料集合体と、上記
   導管内に上記導管と略々同じ断面形の束として密
   に配置された平行で同延の長い燃料要素とを備
   え、上記燃料要素が燃料親物質を含んだ複数の増
   殖要素と、所定濃度の燃料を含む複数の駆動燃料
   要素とを有し、上記増殖要素の断面積が上記駆動
   燃料要素よりも大きく、各上記増殖要素が上記駆
   動燃料要素により完全に囲まれており、上記駆動
   燃料要素が隣接の上記駆動燃料要素および上記増
   殖要素から上記駆動燃料要素を隔てるようにワイ
   ヤーラツプを有し、上記導管および上記増殖要素
   が、上記燃料集合体内に炉内の親物質密度が上記
   炉心の中央領域から周辺領域に向かつて所定の割
   合で漸減するような割合で配置されてなる液体金
   属冷却増殖炉用の炉心。