JPS6367591A - 高速増殖炉の燃料集合体 - 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） 本発明は高速増殖炉等の炉心に装荷される燃料集合体の
構造に係り、特に高温運転時においても熱膨張の影響が
少ない高速増殖炉の燃料集合体に関する。

（従来の技術） 一般に高速増殖炉では、燃料として例えばウラン２３５
などの核分裂性物質を濃縮した炉心燃料と、高速中性子
の照射を受けて核分裂性物質となる親物質から成るブラ
ンケット燃料とを収容した燃料集合体が炉心に装荷され
ている。

従来の燃料集合体の構造は第４図に示す通りである。

燃料集合体１は、炉心燃料およびブランケット燃料を充
填した棒状の燃料要素２を多数まとめて、多角筒状のラ
ッパ管３内に収容して形成する。ラッパ管３の上部には
、燃料集合体１を炉心へ着脱する際、または移送する際
の把持部となるハンドリングヘッド４が設けられ、一方
下部には、燃料集合体１を固定支持するためのエントラ
ンスノズル５が設けられる。燃料集合体１は、炉容窩の
上方より炉心に装荷され、下端に設けたエントランスノ
ズル５を上部支持板６および下部支持板７に挿通するこ
とにより炉心構造物に支持固定される。

上記エントランスノズル５の側壁には、冷却材流入口８
が穿設されており、ナトリウム等の冷却材はこの冷却材
流入口８を通り燃料集合体１のラッパ管３内に流入し、
燃料要素２間を上界する間に熱交換を行ない、ｔＳ温に
なった冷却材はハンドリングヘッド４より流出する。

なお、燃料要素２は、軸方向の中央部に濃縮したウラン
２３５などの炉心燃料を充填した領域Ｓを有し、その領
域Ｓの上下に親物質となる天然ウランなどから成るブラ
ンケット燃料を充填して領域Ｒ，Ｔが設けられ、この領
域Ｒ，Ｔにおいて天然ウランの主体となるウラン２３８
が高速中性子によってプルトニウム２３９に転換される
。

また、各燃料要素２には第５図に示すように、スペーサ
ワイヤ９が介装されており、燃料要素２がラッパ管３内
に多数収容された状態において、隣接する燃料要素２間
に所定の間隙が保持される。

冷却材はこの燃料要素２間の間隙を上昇しながら熱交換
を行なう。このときの冷却材の半径方向における温度分
布は、第６図に示すように、炉心燃料充填領域Ｓの軸方
向中心面においては、温度分布曲線αに示すように燃料
集合体１の中央部分で約５００℃となり、ラッパ管３の
管壁近傍においては、約４００℃となっている。一方、
炉心上端部における冷却材の温度分布は温度分布曲線β
に示すように燃料集合体１の中央部においては約５８０
℃であり、ラッパ管３の管壁近傍においては約５００℃
となっている。燃料集合体１の軸方向のいずれの位置に
おいても、燃料集合体１の中央部分の燃料要素２に囲ま
れた流路空間を流れる冷却材温度は高く、一方、ラッパ
管３の管壁近傍で低い。

したがって、従来の燃料集合体１においては、この温度
外に起因してラッパ管３と燃料要素２束の間に半径方向
の熱膨張差を生じ、相互に影響を及ぼす欠点があった。

また燃料要素２などの核燃料またはスペーサワイヤ９、
ラッパ管３などの金属材料に強度の中性子線が照射され
ると、クリブトンヤキセノンなどの核分裂生成物や核反
応生成物によりその見掛の体積が増加する、いわゆるス
エリング現象が起こる。なお、このスエリング現象は原
子炉の運転温度が高くなる程、また燃焼度が高くなると
増大する傾向がある。

したがって、単なる熱膨張による変位差にこのスエリン
グによる変位差が加算され、ラッパ管３、　と燃料要素
２との相互作用が大きくなる。具体的には第７図に示す
ようにラッパ＠３の内面間距離り、よりも、燃料要素２
の配列幅り、が大きくなり、燃料要素２とラッパ管３が
接触して相互作用を及ぼし、燃料要素が損傷するおそれ
があった。

この問題点を解決するために、従来は約４００℃前後の
運転温度においては、スエリングを生起することが少な
いオーステナイト系ステンレス鋼をラッパ管および燃料
棒の材料として採用し、比較的、低温域における熱膨張
の影響を低減していた。しかし、近年、燃料効率に優れ
た高燃焼度方式が採用されるに伴って、高温域において
スエリングを生起することが少ない、フェライト系ステ
ンレス鋼に構成材料を転換することが進められている。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、フェライト系ステンレス鋼は、第２図に示すよ
うにスエリングの最大値を呈する温度域が、オーステナ
イト系ステンレス鋼の場合と比較して低温側にある。ま
た、炉心燃料充填領域Ｓの軸方向中心面における冷却材
の温度分布は第６図の温度分布曲線αで示すようになり
、ラッパ管の管壁の温度がフェライト系ステンレス鋼の
最大スエリングをもたらず温度と近似する。

また、ラッパ管３の内部には加圧された冷却材が流通す
るため、内側から外側へ常にラッパ管３を押し広げる圧
力が作用する。

したがって、ラッパ管３および燃料被覆管等をフェライ
ト系ステンレス鋼で形成した場合は、上記の最大スエリ
ングの発生と、内圧力の作用に加えて強度の中性子照射
と高温によるクリープ変形が発生し、第８図の破線で示
１ようにラッパ管３が外方にせり出し、膨張部１０を形
成する。この膨張部１０の変位ａは、４００℃前後の温
度帯域においては、オーステナイト系ステンレス鋼の場
合と比較して大きい。

したがって、炉心内において隣接する燃料集合体１のラ
ッパ管３の膨張部１０が相互に接触して固着状態になり
、燃料交換作業に支障をきたすおそれがあった。具体的
にラッパ管相互の残留ギヤツブ聞を炉心軸方向の各位置
について調査した結果が第３図である。第３図において
実線で示すように、炉心の上半部および下端付近におい
ては数−のギャップが残留しているので、ラッパ管が相
互に接触して機械的衝撃を作用せしめることはないが、
炉心燃料の充填領域の下部においてギャップがゼロない
しマイナスになっており、この部分のラッパ管が機械的
相互作用を及ぼしていることが判明する。

このような熱膨張の影響を緩和する対策は、今後増殖炉
の運転温度を従来の温度より大きく設定する場合におい
て必須となる事項である。

本発明は上記の問題点を解消するために発案されたもの
であり、燃料要素群を収容するラッパ管のバルジングに
よる膨張を抑制し、隣接するラッパ管の間にギャップを
保持することができるようにして、ａ温運転時における
熱影響が少なく、健全性に優れた燃料集合体を提供する
ことを目的どする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る高速増殖炉の燃料集合体は、炉心燃料およ
びブランケット燃料を充填した燃料要素と、燃料要素を
多数収容する筒状のラッパ管とから成る高速増殖炉の燃
料集合体において、前記炉心燃料を充填した領域の軸方
向中心部から領域の下端までの範囲に位置するラッパ管
の外周にさらに外側ラッパ管を配設して二重筒構造を形
成し、前記内側のラッパ管はフェライト系ステンレス鋼
で形成し、一方外側ラッパ管はオーステナイト系ステン
レス鋼で形成して構成する。

（作用） 上記構成の燃料集合体においては、発熱ａが高く、熱膨
張が大きい炉心燃料充填領域の下部に位置するラッパ管
の外周に外側ラッパ管を巻回して配設したことにより、
内側のラッパ管が外周方向へ熱膨張することが効果的に
抑止される。

ここで、オーステナイト系ステンレス鋼で形成された外
側ラッパ管のスエリング相対値は約５００℃以下の温Ｊ
ｆ範囲においては、フェライト系ステンレス鋼で形成さ
れた内側のラッパ管よりも小さく、また中性子照射およ
び高温によるクリープ変形も少ない。

したがって、前記温度範囲において運転温度を上昇する
と内側のラッパ管が先に膨張しようとするが、外側ラッ
パ管によって拘束される。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明する
。

第１図は本発明に係る高速増殖炉の燃料集合体の一実施
例を示す縦断面図であり、第４図において説明した従来
例と同一部品、要素には同一の符号を付けて、説明は省
略する。

本発明に係る燃料集合体１は、炉心燃料充填領域Ｓの軸
方向中心部から、炉心燃料充填領域Ｓの下端までの範囲
に位置するラッパ管３の外周に巻回するように外側ラッ
パ管１１を配設して二重筒構造とし、内側のラッパ管３
はフェライト系ステンレス鋼で形成し、一方外側ラッパ
管１１はオーステナイト系ステンレス鋼で形成している
。

上記構成の燃料集合体によれば、第２図に示す材料のス
エリング特性からも理解される通り、５００℃以下のｉ
ｉ範囲においては、オーステナイト系ステンレス鋼で形
成された外側ラッパ管１１のスエリング相対値は、フェ
ライト系ステンレス鋼で形成された内側のラッパ管３の
値より小さく、また金属特性として中性子照射およびｎ
瀉によるクリープ変形も少ない。したがって、前記温度
範囲において運転温度を上昇すると、内側のラッパ管３
が先に膨張を（７ｉ１始するが、この膨張による変位は
外側ラッパ管１１によって拘束される。なお、５００℃
以上の温度範囲においては、フエライト系ステンレス鋼
で形成された内側のラッパ管３によって膨張変位が拘束
される。

また、外側ラッパ管１１の強度が内側のラッパ管３より
大であるため、単に内側ラッパ管１１の肉厚を増大した
場合より効果的にラッパ管のバルジングを防止すること
ができる。

なお、本実施例と従来例との具体的な効果の比較を第３
図について説明する。横軸は炉心軸方向の位置であり、
その位置における燃料集合体相互の残留ギャップｍを縦
軸に表わしている。すなわち実線で示した従来例では、
炉心中央より下部の位置において隣接する燃料集合体の
ギャップがゼロないしマイナスとなっており、互いに固
着した状態にあると推定され、燃料集合体の操作に支障
をきたしている。

一方、本実施例による構造とすると、ラッパ管のバルジ
ングが効果的に抑制され、燃料集合体相互の残留ギャッ
プ量が破線で示すように炉心の上端から下端に至る全域
において確保される。なお、残留ギャップωは、外側ラ
ッパ管の肉厚を控除している。

したがって、本実施例の燃料集合体によれば、ラッパ管
の熱膨張を効果的に抑制することが可能となり、高速増
殖炉における高燃焼度化の実現に大きく寄与することが
できる。

〔発明の効果〕 以上説明の通り、本発明の燃料集合体においては、発熱
量が高く熱膨張鼾の大きい炉心燃料充填領域の下部に位
置するラッパ管の外周に外側ラッパ管を配設し、かつフ
ェライト系ステンレス鋼で形成した内側のラッパ管が著
しく膨張する温度範囲においては、膨張量が少ないオー
ステナイト系ステンレス鋼で外側ラッパ管を形成してい
るので、内側のラッパ管が外周方向に熱膨張しようとし
ても、外側ラッパ管によって効果的に熱膨張が抑止され
る。したがって、燃料集合体相互に常にギャップが保持
され燃料集合体の操作に支障をきたすこともなく、燃料
自体の鍵全性の維持にも優れた効果を発揮する。また、
熱影費を低減する対策として核燃料の高燃焼度化に大き
く賀することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高速増殖炉の燃料集合体の一実施例を
示す縦断面図、ｍ２図は材料のスエリング特性を示すグ
ラフ、第３図は隣接する燃料集合体器の残留ギヤツブ吊
を示すグラフ、第４図は従来の燃料集合体の構造を示す
縦断面図、第５図は従来の燃料集合体の横断面図、第６
図は第５図に示す燃料集合体のＡ−８方向における冷却
材の温度分布を承りグラフ、第７図はラッパ管と燃料要
素との位置関係を示す平断面図、第８図は燃料集合体に
おけるバルジングを示す平断面図である。 １・・・燃料集合体、２・・・燃料要素、３・・・ラッ
パ管、４・・・ハンドリングヘッド、５・・・エントラ
ンスノズル、６・・・上部支持板、７・・・下部支持板
、８・・・冷却材流入口、９・・・スペーサワイヤ、１
０・・・膨張部、１１・・・外側ラッパ管、Ｓ・・・炉
心燃料充填領域、Ｒ，Ｔ・・・ブランケット燃料充填領
域、α・・・炉心燃料充填領域の軸方向中心面における
冷却材の温度分布曲線、β・・・炉心上端部における冷
却材の温度分布曲線、Ｌｗ・・・ラッパ管の内面同距離
、Ｌｐ・・・燃料要素の配列幅、×１・・・オーステナ
イト系ステンレス鋼のスエリング特性曲線、×２・・・
フェライト系ステンレス鋼のスエリング特性曲ＩＩａ代
理人弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　　　　三　　俣　　弘　　文ｌ 第　ｌ　図 某２關 茅　３　關 芋４　已 第５　囚 哨　６　督

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 炉心燃料およびブランケット燃料を充填した燃料要素と
   、燃料要素を多数収容する筒状のラッパ管とから成る高
   速増殖炉の燃料集合体において、前記炉心燃料を充填し
   た領域の軸方向中心部から領域の下端までの範囲に位置
   するラッパ管の外周にさらに外側ラッパ管を配設して二
   重筒構造を形成し、前記内側のラッパ管はフェライト系
   ステンレス鋼で形成し、一方外側ラッパ管はオーステナ
   イト系ステンレス鋼で形成したことを特徴とする高速増
   殖炉の燃料集合体。