JPS6345552B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、冷却材中の放射性核種を炉心部に捕
獲滞留させておくことができるようにした核燃料
要素に関する。

〔発明の技術的背景〕

高速増殖炉においては、冷却材として、一般に
液体ナトリウムで代表されるアルカリ液体金属が
用いられている。そして、このような液体金属冷
却材は、原子炉容器内の炉心で加熱された後、容
器外に設けられた中間交換器系へと導びかれ、再
び原子炉容器内へと戻され、循環する。

ところで、高速増殖炉の場合、核燃料要素の被
覆管や炉心構造物は、通常、ステンレス鋼で構成
されるが、これ等の構成材料が中性子の照射をう
けると、上記構成材料に含まれている鉄、コバル
ト等が核反応を起し、マンガン−54、コバルト−
60、コバルト−58等の放射性核種が多量に生成さ
れる。一方、冷却材として前述の如くアルカリ液
体金属が用いられているので、上記構成材料であ
るステンレス鋼も腐食されることには変りない。
したがつて、上記の放射性核種を含んだいわゆる
放射性腐食生成物が冷却材へ混入することにな
る。

冷却材へ混入した放射性腐食生成物は冷却材の
流れにしたがつて、中間熱交換器系へと運ばれ、
この中間熱交換器系の壁面等に沈着する。このよ
うに、中間熱交換器系の壁面等に沈着した放射性
腐食生成物の放射能はポンプ、熱交換器、バル
ブ、流量計等の機器やこれ等の機器に接続された
配管の保守、補修等の作業に障害を与える。特
に、マンガン−54、コバルト−60、コバルト−58
等は生成量も多く、半減期も長いためにその影響
が大きい。たとえば、大型炉の場合には、運転開
始後３年程度経過すると、中間熱交換器系の機器
や配管まわりに沈着した放射性核種による放射能
レベルが10レントゲン／時間程度になるものと予
想される。このような状態下では、保守、補修等
の作業はほとんど不可能である。

そこで、このような不具合を解消するために、
最近では、ニツケルが高温の液体金属ナトリウム
中で放射性核種を効率よく捕獲する性質を有して
いることを利用した放射性腐食生成物捕獲装置を
原子炉容器内に設置することが考えられている。
すなわち、第１図ａに示すように、この放射性腐
食生成物捕獲装置１は、上面および下面にそれぞ
れ複数の孔２，３を設けた六角形断面の竪型筒体
４の内部に、薄いニツケル板５を多重同心状、又
はうず巻状にしてなる捕獲体６を配設したものと
なつている。そして、上記放射性腐食生成物捕獲
装置１を第１図ｂに示すように、多数の核燃料要
素７を収容した核燃料集合体８の各冷却材出口９
近傍に設置し、上記核燃料集合体８内を通流した
冷却材Ｐを竪型筒体４の下面に設けられた孔３か
ら上記放射性腐食生成物捕獲装置１内に流入さ
せ、また上面に設けられた孔２から流出させるこ
とによつて、上記冷却材Ｐを前記ニツケル板５で
形成された捕獲体６に直接接触させ、これによつ
て、放射性腐食生成物の核種を捕獲するようにし
ている。また、別の手段として、特開昭56−
73385号公報に示されているように、構造物の表
面で液体金属ナトリウムに接触する面全体にニツ
ケル層を設け、このニツケル層によつて放射性核
種の溶出そのものを防止しようとする提案もなさ
れている。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、前者の装置にあつて、効率よく
放射性腐食生成物の核種を捕獲するには、捕獲体
６であるニツケル板５と冷却材Ｐとの接触面積を
ある程度以上大きくする必要がある。そのために
は、上記ニツケル板５を収容する竪型筒体４の軸
方向長さを増大させるとともに上記ニツケル板５
相互間の間隔を狭くする必要があり、装置全体が
大型化する懸念がある。したがつて、上記装置を
設置するためには炉心部を大型化しなければなら
ず、それに伴い、炉心上部機構や原子炉容器も大
型化しなければならないので、原子炉プリントの
建設費が増大する問題がある。

また、炉心の異常な温度上昇を防止するため
に、常に冷却材Ｐを一定速度で流す必要がある
が、前記のように、ニツケル板５相互の間隔を狭
くすることは、冷却材Ｐの通路の一部が閉塞され
て冷却材Ｐの円滑な通流に支障を与える可能性が
極めて高く、原子炉プリントの信頼性を低下さす
懸念がある。また、冷却材との接触面全体をニツ
ケル層で覆う後者の手段にあつては、放射層核種
の溶出を確実に防止できる反面、ニツケル層の形
成に膨大な費用が伴うのでプラント建設費が増大
化する問題がある。また、ニツケルは熱伝導性が
あまり良くないので、熱交換部、すなわち核燃料
要素の壁面部や中間熱交換器での熱交換効率が低
下する問題があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、このような事情に鑑みてなされたも
ので、その目的とするところは、核燃料要素自身
に、この核燃料要素の大型化や熱交換特性の低下
を招くことなしに、放射性核種捕獲作用を行なわ
せることができ、もつて核燃料集合体および炉容
器の小型化および原子炉プラントの建設費の減少
化に寄与でき、さらに原子炉の信頼性の向上化に
寄与できる核燃料要素を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の核燃料要素は、被覆管内に核燃料を封
入するとともに上記被覆管内にガスプレナムを形
成してなる核燃料要素本体の外周面で上記核燃料
要素本体内に形成されたガスプレナムが位置する
部分に上記部分の一部又は全部を覆うように放射
性核種補獲用の金属層を設けてなることを特徴と
している。

〔発明の効果〕

上述の構成であると、冷却材に混入した放射性
腐食生成物の核種は冷却材が核燃料要素本体に沿
つて流れる過程で上記核燃料要素本体のガスプレ
ナム部分に設けられた金属層の表面で捕獲される
ことになる。

この場合、燃料集合体に収容される核燃料要素
は数十本〜百数十本と言つた具合に多数であり、
これ等各核燃料要素に放射性核種捕獲用の金属層
を被覆設置しているので、上記金属層の総表面積
を大きくでき、さらに核燃料要素本体は一般に数
mm間隔に設けられるものであるので、前記冷却材
と上記金属層との接触確率を大きくすることがで
き、上記冷却材に混入している放射性腐食生成物
の核種を確実に捕獲することができる。したがつ
て、放射性腐食生成物が中間熱交換器系まで流れ
るのを防止できるので、この系の保守、補修等の
作業の容易化に寄与できる。

また、上記ガスプレナムには、核燃料が収容さ
れていないので、この部分での発熱はない。した
がつて、上記ガスプレナム部分の被覆管の外周面
を上記金属層で被覆しても、核反応によつて生じ
る熱が被覆管を介して冷却材へ伝達される熱伝達
路の伝達効率が低下するようなことはない。ま
た、上記金属層の肉厚を薄く形成しても放射性核
種を捕獲する能力はほとんど変化しない。

したがつて、上記の薄い金属層をガスプレナム
部分の外周面に被覆することによつて、核燃料要
素としての外形寸法を従来のものとほとんど同じ
に保ち、また冷却材の流路も十分確保し、しかも
熱交換特性を低下させない状態で良好な放射性核
種捕獲機能を発輝させることができる。このよう
に、放射性核種捕獲機能を持たせたことによつて
核燃料要素が特別に大型化したり、熱交換特性が
低下したりすることもないので、炉心部や炉容器
の大型化や炉心部での熱交換特性に影響を与える
こともない。したがつて、原子炉プラントの高価
格化防止と信頼性向上化に寄与できる。

〔発明の実施例〕

第２図ａは本発明の一実施例に係る核燃料要素
を示す縦断面図であり、この核燃料要素１１は核
燃料要素本体１２と、この核燃料要素本体１２の
外周面で、かつ上記核燃料要素本体１２に接触す
る冷却材Ｐの流れ方向を基準にした最下流部の一
部を覆う円筒状のキヤツプ１３とで構成されてい
る。

核燃料要素本体１２は、薄肉のステンレス鋼等
で形成された被覆管１４と、この被覆管１４の
上、下部開口を閉塞する上部端栓１５および下部
端栓１６と、被覆管１４内に収容された燃料１７
および上記燃料１７の両端に収容されたブランケ
ツト燃料１８と、上記ブランケツト燃料１８と前
記上部端栓１５との間に板体１９を介して挿着さ
れたスプリング２０にて形成されたガスプレナム
２１とで構成されている。

しかして、前記キヤツプ１３は、放射性核種捕
獲機能を有したニツケルで形成されており、第２
図ｂに示すように内径が前記核燃料要素本体１２
の外径とほぼ等しい薄肉（0.2mm）の大径部２３
と、断面形状が前記上部端栓１５の断面形状の一
部にほぼ等しい小径部とで構成されている。な
お、上記大径部２３の長さは、このキヤツプ１３
が上記核燃料要素本体１２に装着された状態で上
記大径部２３の下端が前記ガスプレナム２１の下
端位置に一致するように設定されている。そし
て、上記のように構成された核燃料要素１１は、
キヤツプ１３側が核燃料要素本体１２に接触しな
がら流れる冷却材Ｐの流れ方向を基準にして最下
流側に位置するように集合されて核燃料集合体と
して炉心に装荷される。

このような構成であると、原子炉運転時には、
冷却材Ｐが第２図ａの矢印で示すように核燃料要
素１１に接触しながら流れるのであるが、この冷
却材Ｐがキヤツプ１３の大径部２３の表面に接触
する過程で、上記冷却材Ｐに混入した放射性腐食
生成物の核種が上記キヤツプ１３を形成するニツ
ケルにて捕獲される。

一般に、高速増殖炉で使用される核燃料要素に
おいては、高燃焼度を得るためにガスプレナムの
長さが上記核燃料要素の全長の40％程度を占め、
非常に長い。したがつて、本実施例のように前記
キヤツプ１３の大径部２３の下端位置をガスプレ
ナム２１の下端位置にほぼ一致させておけば、上
記大径部２３の表面積を増大させることができ、
冷却材Ｐと上記大径部２３との接触面積の増大化
を図れるので、より効果的に放射性腐食生成物の
核種を捕獲させることができる。また、ガスプレ
ナム２１では発熱が生じないので、キヤツプ１３
の存在によつて核燃料要素１１から冷却材への熱
伝達路の伝達特性が阻害される虞れもない。この
ような構成の核燃料要素１１を使用することによ
つて、中間熱交換器系へ運ばれる放射性腐食生成
物の核種の87％以上を前記キヤツプ１３で捕獲す
ることができた。この値は、第１図ａに示す放射
性腐食生成物捕獲装置１を設置した場合の値と同
等以上である。

また、この実施例のようにキヤツプ１３の大径
部２３の肉厚を0.2mmと非常に薄く設定しておけ
ば、この大径部２３の存在によつて冷却材Ｐの円
滑な通流が支承を受けることはない。したがつ
て、前記の放射性腐食生成物捕獲装置を設置した
場合に生じる冷却材通路の一部閉塞の懸念がない
ので、原子炉プラントの信頼性向上を図れる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではない。実施例では、キヤツプ１３の大径部
２３でガスプレナム２１の全部を覆つたが一部で
覆うだけでもよい。又、核燃料要素本体の外周面
を覆う金属層は特に実施例のようにキヤツプ状に
形成する必要はない。また、キヤツプを形成する
材料としてニツケルを用いたが、ニツケル合金、
表面にニツケルメツキが施されたステンレス鋼、
表面にニツケルメツキが施されたニツケル合金又
はそれ等を組合せたものであつてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図ａは従来の放射性腐食生成物捕獲装置を
一部切欠して示す斜視図、同図ｂは炉心の要部を
示す概略構成図、第２図ａは本発明の一実施例に
係る核燃料要素の要部を示す縦断面図、第２図ｂ
は同実施例の要部を取り出して示す斜視図であ
る。 １１……核燃料要素、１２……核燃料要素本
体、１３……キヤツプ、１４……被覆管、１７…
…燃料、１８……ブランケツト燃料、２０……ス
プリング、２１……ガムプレナム、２３……大径
部、Ｐ……冷却材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被覆管内に核燃料を封入するとともに上記被
   覆管内にガスプレナムを形成してなる核燃料要素
   本体と、この核燃料要素本体の外周面で上記核燃
   料要素本体内に形成されたガスプレナムが位置す
   る部分に上記部分の一部又は全部を覆うように設
   けられた放射性核種捕獲用の金属層とを具備して
   なることを特徴とする核燃料要素。 ２ 前記金属層は、ニツケル、ニツケル合金、表
   面にニツケルメツキが施されたステンレス鋼、表
   面にニツケルメツキが施されたニツケル合金の少
   くとも一種で形成されてなることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の核燃料要素。