JPS6347695A - 高転換バ−ナ型原子炉用燃料棒 - Google Patents

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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は高転換バーナ型原子炉用の燃料棒に係り、特に
、所定期間運転後に装荷位置を上下逆転させた場合にお
いても、燃料ペレットの移動覆が少ない高転換バーナ型
原子炉用燃料棒に関する。

（従来の技術） 近年、高速増殖炉の本格的な実用化の前段階として、種
々の原子炉において転換されたプルトニウム２３９等を
核燃料として再活用する目的で高転換バーナ型原子炉の
研究開発が進められている。

高転換バーナ型原子炉は、一般にその炉心内部が高転換
部とバーナ部とから構成され、高転換部は、燃料集合体
を密に配設することにより、減速材（水）対燃料の体積
比（以下、水対燃料比という）を小さくして親物質であ
るウラン２３８等を核燃料物質であるプルトニウム２３
９等に転換することを主たる機能とし、一方のバーナ部
は核燃料物質を専ら効率的に燃焼させて、熱エネルギを
発生する機能を有する。

この高転換バーナ型原子炉は、中性子や生成燃料の利用
率を向上させるために、所定期間原子炉を運転した後に
高転換部で転換された燃料をバーナ部に移動し、ここで
燃焼させる方式を採用している。この運転方式によれば
、燃料を高転換部からバーナ部に移動させると同時に水
対燃料比をそれぞれの核反応に適した状態に変化させる
必要がある。つまり、高転換部においては、親物質から
核燃料物質への転換比を上昇させるため、水対燃料比が
小さくなるよう燃料棒の配列をＶＡ密な構成とし、一方
バーナ部においては、水対燃料比が大きくなるように燃
料棒の配列を比較的粗な構成としている。

この燃料棒を多数集合させて燃料集合体を構成した例を
第３図に示す。

第３図において、燃料集合体１は多数の長尺燃料棒２と
短尺燃料棒３とを有し、これらの燃料棒２．３はスペー
サ４で結束され、垂直方向に保持される。スペーサ４は
軸方向に適宜間隔をおいて複数個設けられ、このスペー
サ４は燃料集合体１の中心部に配設された複数の制御棒
案内管５に支持される。制御棒案内管５はクラスタ型制
御棒（図示せず）の挿入、引抜を案内するものであり、
その上部および下部は、それぞれ上部タイブレート６お
よび下部タイブレート７を貫通するようにして固定され
ている。上部タイブレート６および下部タイブレート７
にはそれぞれハンドル８．９が一体的に取り付けられ、
燃料集合体１の取扱いは、ハンドル８，９を把持して行
なわれる。

第３図に示す構成の燃料集合体１は、長尺燃料棒２の上
部に短尺燃料棒が多数配設されているため、燃料集合体
１の上部領域は、下部領域と比較して燃料要素の配列が
稠密となり、水対燃料比は小さい。加えて、沸農水型原
子炉においては、いわゆるボイド発生があり、炉心上部
においては蒸気と減速材（水）との二相流となり、高速
中性子が減速される割合が少ないので、核分裂による燃
焼は少ない。すなわち、燃料集合体１の上部は転換部と
なり、例えば親物質ウラン２３８から核燃料物質プルト
ニウム２３９への転換が促進される。

一方、燃料集合体１の下部領域は、長尺燃料棒２のみの
構成であり、水対燃料比が大きく、またボイド発生が少
なく、高速中性子の熱中性子への減速も円滑に進行する
結果、核分裂による燃焼が進行する。すなわち、燃料集
合体１の下部はバーナ部となり、例えばプルトニウム２
３９、ウラン２３５の核分裂による燃焼が進行する。

このような状態で原子炉を所定期間運転すると、高転換
部においては親物質の転換が進行し、新たな核燃料物質
が蓄積される。一方、バーナ部においては、核燃料の燃
焼が進行し、消費される。この時点で燃料集合体１の上
下据付位置を逆転して再装荷する。すなわち、核燃料物
質が蓄積された燃料集合体１の上部が下部のバーナ部に
位置するように燃料集合体１を逆転して再装荷し、原子
炉運転を再開する。こうして、高転換部で転換して副生
じた核燃料物質は、バーナ部へ移動する。バーナ部は炉
心の下部に位置しボイド効果も少なく、水対燃料比が高
いため核燃料物質はバーナ部において効率的に燃焼され
る。

この方式によれば、高転換部において転換され蓄積され
た核燃料物質を再利用するには、燃料集合体１の上下の
据付方向を逆転するのみで引き続き利用に供することが
できる。すなわち、燃料集合体１を形成する燃料棒を解
体して核燃料物質を回収したり、回収物の濃縮、燃料棒
の再加工などの複雑な工程を省略することができる。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の燃料集合体を構成する燃料棒は、
被覆管内に装填した燃料ペレットの移動を拘束する手段
が十分ではなかったため、使用上不都合な点があった。

すなわち、従来の燃料棒は、燃焼時に燃料ペレットから
放出される核分裂生成ガスを蓄積させるだめの空間であ
るプレナム部を上部に備えている。

したがって、燃料棒を上下逆転して再装荷すると、燃料
ペレットが重力により下部のプレナム部方向に変位する
ため、炉心軸方向における燃料有効長の分布が逆転前と
比較して変化し、炉心出力設計に要する計算が複雑化し
、炉心性能の監視作業および調整作業が煩雑になる欠点
があった。

この対策として燃料棒の上下に対称的に同じ長さを有す
るプレナム部を設け、かつ燃料ペレットを常時、燃料棒
の軸方向中心に押圧するスプリングを装着して、燃料ペ
レットの移動を拘束する方式も採用されていた。しかし
、この燃料棒を逆転して再装荷した当初は所定の位置に
燃料ペレットを保持できるが、燃料ペレットの燃焼に伴
って、燃料ペレットが軸方向に熱膨張し、圧縮荷重をス
プリングに作用せしめたり、または逆転後の燃料ペレッ
ト重量と燃焼熱によってスプリングがクリープ変形し、
燃料ペレットが経時的に下方に変位し、燃料有効長の分
布が変化する欠点があり、抜本的な対策にはなり得てい
なかった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので
あり、燃料棒を逆転した場合でも、燃料ペレットの変位
量が少なく、炉心軸方向における燃料有効長の分布の変
化が少ない高転換バーナ型原子炉用燃料棒を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る高転換バーナ型原子炉用燃料棒は、燃料被
覆管内に燃料ペレットを装填し、端部にプレナム部を有
する高転換バーナ型原子炉用燃料棒において、プレナム
部の全長より短い長さを有し、燃料ペレットの軸方向へ
の移動を拘束するストッパをプレナム部に摺動自在に内
挿し、前記ストッパを常時燃料ペレット方向に押圧する
スプリングをプレナム部に装着して構成する。

（作用） 上記構成の燃料棒においては、プレナム部の全長より短
い長さを有するストッパがプレナム部に摺動自在に内挿
され、力）つストッパを燃料ペレット側に押圧するスプ
リングを内装しているので、燃料棒を逆転して再装荷し
た場合においても、燃料ペレットが炉心軸方向に変位す
ることが少ない。

また、内装したスプリングに経時的にクリープ変形が生
じスプリングが圧縮された場合においても、ストッパに
よって燃料ペレットの変位が所定限度で阻止される。す
なわち、プレナム部の全長とストッパの長さの差以上の
変位は生じないため、燃料有効長の軸方向分布の変化が
最小限に抑止され、原子炉の運転管理が容易になる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を添付図面に従って説明する。

第１図は本発明を長尺燃料棒に適用した例を示す部分断
面図であり、長尺燃料棒２は、円筒状の燃料被覆管１０
に核燃料である二酸化ウラン等を焼結した燃料ペレット
１１を装填し、燃料被覆管１０の上下両端には、それぞ
れ上部端栓１２、下部端栓１３が溶接され密封構造を有
している。燃料被覆管１０の上部および下部には、核分
裂時に燃料ペレット１１から放出される核分裂生成ガス
を蓄積するためのプレナム部１４ａ、１４ｂが設けられ
る。上部プレナム部１４ａには、ステンレス鋼またはジ
ルカロイ合金で形成した筒状のストッパ１５ａが摺動自
在に挿入され、さらに上記筒状のストッパ１５ａを常時
燃料ペレット１１方向に押圧するスプリング１６が装着
される。一方、下部プレナム部１４ｂにも、筒状のスト
ッパ１５ｂが組み込まれている。なお、スプリング１６
は、燃料ペレット１１を一方向に押圧すればよいので、
燃料棒の両端にプレナム部を設けた場合は、いずれか一
方のプレナム部にスプリング１６を装着すれば足りる。

第２図は本発明を短尺燃料棒に適用した例を示す部分断
面図である。短尺燃料棒３は、第１図に示す長尺燃料棒
２より短く、燃料有効長は長尺燃料棒２の半分程度であ
る。この短尺燃料棒３は、下端が流線形を有する下部端
栓１３で溶接密封された燃料被覆管１０内に燃料ペレッ
ト１１が装填されており、一方上端は上部端栓１２によ
り密封される。上部端栓１２は、短尺燃料棒３全体を、
第３図に示す上部タイブレート６に螺合するための結合
ねじ部１７を備えている。また、燃料棒上部に設けたプ
レナム部１４には、軸方向に摺動自在に筒状のストッパ
１５を挿入し、さらに筒状のストッパ１５を常時燃料ペ
レット方向に押圧するスプリング１６を装着する。

上記構成の長尺燃料棒２を、第３図に示すようにスペー
サ４に保持さぜ、また短尺燃料棒３上端の結合ねじ部１
７を上部タイブレート６に結合せしめ、中間部をスペー
サ４に保持せしめることにより、燃料集合体１が形成さ
れ、この燃料集合体１が原子炉炉心に装荷される。

第３図に示す燃料集合体１は、長短の燃料棒２゜３が稠
密に配列された上部の燃焼領域が高転換部となり、一方
長尺燃料棒２のみで粗に配列された下部の燃焼領域がバ
ーナ部となっている。この状態で所定期間原子炉を運転
した模に、燃料集合体１の上下を逆転させて再装荷した
場合、原子炉の運転に伴って燃料ペレット１１の軸方向
の熱膨張と、燃料ペレット１１の自重によってスプリン
グ１６は圧縮荷重を受け、クリープ変形する。したがっ
て、経時的に燃料ペレット１１は下方に変位する。しか
し、プレナム部１４に内装された筒状のストッパ１５に
よって、燃料ペレット１１の変位は所定位置で阻止され
る。すなわち、スプリング１６が圧潰されても、筒状の
ストッパ１５の長さにより下方に変位が及ぶことは防止
できる。

したがって、燃料集合体１の上下据付方向を逆転して再
装荷した場合でも、燃料ペレット１１の変位は最小限に
抑止され、燃料有効長の軸方向分布に大きな変位を生じ
ることがなく、原子炉の運転管理が複雑化することがな
い。

〔発明の効果〕

上記説明の通り、本発明に係る高転換バーナ型原子炉用
燃料棒においては、燃料ペレットの軸方向の変位を拘束
するストッパをプレナム部に設け、またストッパを常に
燃料ペレット方向に押圧するスプリングがプレナム部に
装着されているため、燃料棒を上下逆転して再装荷した
場合においても、燃料ペレットの軸方向の変位量が少な
い。

したがって、炉心全体の軸方向における燃料有効長の分
布の変化が少ないため、炉心出力設計が容易になり、炉
心性能監視作業も大幅に簡素化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を長尺燃料棒に適用した一実施例を示す
部分断面図、第２図は短尺燃料棒に適用した一実施例を
示す部分断面図、第３図は燃料棒を多数束ねて構成した
燃料集合体の一実施例を示す正面図である。 １・・・燃料集合体、２・・・長尺燃料棒、３・・・短
尺燃料棒、４・・・スペーサ、５・・・制御棒案内管、
６・・・上部タイブレート、７・・・下部タイブレート
、８゜９・・・ハンドル、１０・・・燃料被覆管、１１
・・・燃料ペレット、１２・・・上部端栓、１３・・・
下部端栓、１４゜１４ａ、１４ｂ−・・プレナム部、１
５．１５ａ、１５ｂ・・・ストッパ、１６・・・スプリ
ング、１７・・・結合ねじ部。 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃料被覆管内に燃料ペレットを装填し、端部にプレ
   ナム部を有する高転換バーナ型原子炉用燃料棒において
   、プレナム部の全長より短い長さを有し、燃料ペレット
   の軸方向への移動を拘束するストッパをプレナム部に摺
   動自在に内挿し、前記ストッパを常時燃料ペレット方向
   に押圧するスプリングをプレナム部に装着したことを特
   徴とする高転換バーナ型原子炉用燃料棒。 ２、プレナム部は、燃料被覆管の上端および下端に設け
   てなる特許請求の範囲第１項記載の高転換バーナ型原子
   炉用燃料棒。 ３、スプリングは、上端、下端のいずれか一方のプレナ
   ム部に装着してなる特許請求の範囲第２項記載の高転換
   バーナ型原子炉用燃料棒。 ４、ストッパは、ステンレス鋼またはジルカロイ合金で
   形成された特許請求の範囲第１項記載の高転換バーナ型
   原子炉用燃料棒。