JPH0230678B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般的には原子炉のバルブに関し、更
に詳しくは増殖炉ブランケツト燃料集合体の冷却
材系バルブに関するものである。このバルブはブ
ランケツト燃料集合体への冷却材の流れを増加せ
しめて、増殖炉の作動を通じて燃料親物質から生
成される核分裂性燃料の核分裂により生じる長期
温度増加に最少限に抑える為のものである。

バルブ類は原子炉において多くの用途に用いる
ことができる。近年バルブ類は重要な用途は、原
子炉冷却材系におけるものである。しかしなが
ら、原子炉の炉心を形成する多数の燃料集合体の
それぞれへの冷却材の流れを制御するために、現
在のところ自己作動型バルブは用いられていな
い。現在の技術においてはそれぞれの燃料集合体
に固定寸法のオリフイスを用いて、燃料集合体中
に含まれる燃料棒への冷却材の流れの入口を与え
ており、冷却材の流れの逆流を防止するためのチ
エツクバルブの使用が考えられている。

ある場合には、各燃料集合体への冷却材入口オ
リフイスの寸法を変えることが望まれる。例え
ば、増殖炉のブランケツト燃料集合体において
は、核分裂性燃料含有量の増加による燃料棒出力
増加に起因する長期に亘る温度上昇が認められ
る。これは、ブランケツト燃料集合体の燃料親物
質が核分裂性燃料へ転換されるという増殖炉の作
動によつてもたらされるものである。長期温度上
昇は、それぞれの燃料集合体によつて異なるもの
である。ブランケツト燃料集合体は、所定温度範
囲内で作動するように設計されている。この範囲
より高い温度では、材料寿命が短縮されることに
よつて燃料集合体が劣化されることになる。この
範囲より低い温度では、所定冷却材流に対する出
力が低下することによつて炉の性能が低下するこ
とになる。従つて、寸法が一定の冷却材入口オリ
フイスを備えた増殖炉ブランケツト燃料集合体に
おける問題は、許容しうる寿命末期温度において
は、寿命初期温度が低過ぎること、或いは許容し
うる寿命初期温度の場合には寿命末期温度が高過
ぎることである。一方、サイズが変えられるオリ
フイスバルブは、ブランケツト燃料集合体への冷
却材流を増加させることができ、長期温度上昇を
最少限に維持することができる。

寸法を変えられる燃料集合体冷却材入口オリフ
イスが望ましいもう一つの例は、長寿命用として
設計された核分裂性燃料集合体における場合であ
る。この場合、原子炉の長期間の作動の間に核分
裂性燃料が消費されるに伴つて、燃料棒出力、ひ
いては燃料棒温度が低下することになる。ここ
で、寸法を変えられるオリフイスバルブを用いれ
ば、冷却材流を減少させることができ、従つて温
度低下を最少限にすることができる。

燃料集合体の冷却材入口オリフイスの寸法を変
える方法としては、原子炉を停止して別の寸法の
オリフイスユニツトと交換する方法、或いは外部
から調節できるバルブを備えた燃料集合体冷却材
入口を取付ける方法がある。原子炉の炉心を構成
する各燃料集合体に対して機械的に又は電気的に
作動するバルブを設置することは、苛酷な環境を
考えると、重大な設計上及び作動上の問題を有す
ることになろう。また、自蔵式温度作動型バルブ
を取付けることは、装置の始動、出力過渡変動及
び装置停止に関連する短期の温度変動に追従する
ことになり、また時間遅延やフエイルセイフの問
題を有することになろう。

本発明の目的は、核放射線作動型バルブを提供
することである。

本発明の別な目的は、冷却材流を調節するため
の自蔵式原子炉冷却材系バルブを提供することで
ある。

本発明の更に別な目的は、増殖炉作動を通じて
燃料親物質から生成される核分裂性燃料の増加に
起因する長期温度上昇を最少限にするための、増
殖炉ブランケツト燃料集合体の冷却材流入口バル
ブを提供することである。

上記の及びその他の目的を達成するために、本
発明によれば、核放射線で誘導される膨脹特性が
いずれも既知の、引延ばされた第１の部材と第２
の部材からなる原子炉用バルブが提供される。こ
のバルブの第１の部材は、原子炉の燃料域からの
核放射線を受けるようにおかれている。バルブの
第２の部材の核放射線誘導膨脹がバルブの第１の
部分の核放射線誘導膨脹とは異なるように、バル
ブの第２の部材を配置し、バルブの第１と第２の
部材がバルブオリフイスを形成するように、バル
ブの第２の部材を配置するための装置が設けられ
ている。このバルブオリフイスは、バルブの第１
の部材と第２の部材との間に核放射線誘導膨脹の
差によつて、その寸法が変化する。

本発明の別な観点においては、増殖炉のブラン
ケツト燃料親物質集合体における長期温度上昇を
最小とするための方法が提供される。かような長
期温度上昇は、増殖炉による燃料親物質からの核
分裂性燃料の生成によつてもたらされる。この方
法は三つの工程から構成することができる。第１
の工程は、既知の核放射線膨脹特性を有する引延
ばされた第１のバルブ部材を、この部材が増殖炉
ブランケツト燃料集合体からの核放射線を受ける
ように配置する工程である。第２の工程は、既知
の核放射線膨脹特性を有する第２のバルブ部材
を、その核放射線誘導膨脹が第１のバルブ部材の
それとは異なるように配置する工程である。第３
の工程は、第１及び第２のバルブ部材がバルブオ
リフイスを形成するように、第２のバルブ部材を
配置する工程である。このバルブオリフイスは、
ブランケツト燃料集合体へ冷却材を流すものであ
る。またこのバルブオリフイスは、第１のバルブ
部材と第２のバルブ部材との間の核放射線誘導膨
脹の相違によつて、その寸法を増加させて、長期
温度上昇を最小にする。

多くの利益と利点とがこの発明から得られる。
このバルブの核放射線作動の特徴は、原子炉の炉
心で使用するのに好適な、簡単な、信頼性の高
い、自蔵式バルブを提供するものである。この発
明は、短期温度変動に応答することなく長期温度
変化を最小にすべき燃料集合体用の冷却材入口オ
リフイスとして使用することができる。この核放
射線作動バルブは、長寿命炉心核分裂性燃料集合
体を、核分裂性燃料が消費されるに伴つてあまり
温度が低下しないようにさせることができる。こ
の核放射線作動バルブはまた、燃料親物質が核分
裂性燃料に変換されるにつれて、増殖炉ブランケ
ツト燃料親物質集合体の、温度が急激に上昇しな
いようにさせることができ、従つて燃料集合体又
は隣接する原子炉容器内蔵部品の材料寿命を劣化
させることはない。

以下に添付図面を参照して本発明の好ましい実
施例を説明する。

本発明の核放射線作動バルブは、核放射線誘導
膨脹の原理に基づいて作動する。現在の技術にお
いては、核放射線誘導膨脹は、避けるべきもの、
燃料棒の一体性といつた原子炉作動にとつて問題
のある現象と考えられている。従つて、膨脹が最
小であるような材料を開発する試みがなされてき
た。これに対して本発明のバルブは、核放射線誘
導膨脹を、原子炉の特定の用途に有利に利用する
ものである。

第１図には、単純化した原子炉燃料集合体１０
が示されている。燃料域を構成し且つ共通の軸方
向をもつ複数の燃料棒１６が、支持体１８によつ
て保持されており、ダクト・チユーブ１２によつ
て囲まれている。ダクト・チユーブの下端は、冷
却材流入口２０を持つシールド・ブロツク１４に
取付けられている。ダクト・チユーブ１２の頂部
は、１個またはそれ以上の冷却材流出口２２をも
つている。

核放射線作動バルブはバルブ・チユーブ２４を
有し、このバルブ・チユーブ下端は、冷却材流入
口２０でシールド・ブロツク１４に取付けられて
いる。バルブ・チユーブ２４は、その下端近くに
１個またはそれ以上の側部スロツト２６を有して
いる。この側部スロツトを通して、冷却材が冷却
材流入口２０から燃料棒１６へ流れることができ
る。バルブ・チユーブ２４は、燃料棒１６の共通
な軸方向に対して一般的には長手方向に燃料集合
体１０内に配置されている。

このバルブはまた、燃料集合体１０内に配置さ
れる細長いバルブ・ロツド３０を有している。こ
のバルブ・ロツドは燃料棒１６からの核放射線を
受け、燃料棒共通軸方向に対して長手方向に配置
されており、バルブ・チユーブ２４内に同軸的に
配置されている。バルブ・ロツド３０の上端はバ
ルブ・チユーブ２４の上端に接続されており、溶
接適合性を良好にするために、接続部材２８を使
用してもよい。バルブ・ロツド３０の下端はピス
トン３２の形状を有している。このピストン３２
は、バルブ・チユーブ２４の下端と摺動自在に係
合する。このバルブが増殖炉ブランケツト燃料親
物質集合体の中で作動を開始するに先立ち、バル
ブ・ロツド３０の上端とバルブ・チユーブ２４の
上端とを接続する前に、バルブ・チユーブの側部
スロツト２６の少なくとも一部分がピストン３２
でカバーされるようにピストン３２を配置する。
増殖炉或いは増殖炉でない原子炉の核分裂性燃料
集合体においては、ピストンの最初の位置は、側
部スロツトル２６を一般にはカバーしないように
しておく。

バルブオリフイスはピストン３２と側部スロツ
ト２６との配置によつて規定され、燃料集合体１
０への冷却材流入口２０に配置される。バルブ・
ロツド３０とバルブ・チユーブ２４は共に既知の
且つ異なる核放射線膨脹特性を有しており、従つ
て、これら同軸配置は、バルブオリフイスの寸法
を変化させる異なる核放射線誘導膨脹をもたら
す。

増殖炉ブランケツト燃料親物質集合体の場合に
おいては、燃料棒は、長期燃料棒出力増加、従つ
て温度増加に伴つて、核分裂性燃料へ転換される
燃料親物質を有している。ここで、バルブ・チユ
ーブ２４の材料は、バルブ・ロツド３０の材料と
して選ばれたものよりも高い核放射線誘導膨脹特
性を有する材料が選ばれる。例えば、バルブ・チ
ユーブ２４は次のような公称重量％組成のもつ合
金から作ることができる：0.05炭素、1.75マンガ
ン、0.01イオウ、0.02リン、0.5珪素、17.0クロ
ム、13.0ニツケル、2.5モリブデン、0.02窒素及び
65.15鉄。また、バルブ・ロツド３０は次のよう
な公称重量％組成をもつ合金から作ることができ
る：85.0鉄、12.0クロム、0.5ニツケル、1.0モリ
ブデン、0.5タングステン、0.3バナジウム、0.3珪
素、0.2マンガン、及び0.2炭素。作動に当つて
は、核放射線がバルブ・チユーブ２４をその共通
軸方向に膨脹せしめ、バルブ・ロツド３０よりも
かなり長く延びさせる。バルブ・チユーブの下端
は燃料集合体１０に接している唯一のバルブ部分
であるから、現象的に表われる効果は、バルブ・
チユーブ２４の下端からピストン３２を上方へ移
動させることである。これによつて側部スロツト
２６はカバーされない部分が多くなるであろう。
これによつて、バルブオリフイスの寸法は増加
し、燃料棒の長期出力増加に伴い燃料棒への冷却
材流を増加し、温度上昇を妨げることになる。

バルブ・ロツド３０とバルブ・チユーブ２４の
炉内での示差膨脹は、主として核放射線に起因す
るものであつて、増殖炉ブランケツト燃料親物質
集合体における燃料棒の豊化によつて引き起こさ
れる原子炉の長期作動温度上昇や、増殖炉または
増殖炉でない原子炉の核分裂性燃料集合体におけ
る燃料棒の消費によつて引き起こされる温度低下
に起因するものではない。材料中の膨脹量はその
照射寿命（フルエンス）及び平均温度に依存する
ものである。冷却材流速増加（減少）は、炉心ブ
ランケツト燃料棒出力増加（減少）に一致するよ
うに調節することができる。燃料集合体における
冷却材温度上昇は、燃料棒出力と冷却材流速の直
接の関数であるから、時間−温度変動は、適切な
材料の選択と適切なバルブの寸法によつて調節す
ることができる。線形バルブ側部スロツト２６領
域に線形示差膨脹合金を用いることによつて、ま
た、非線形バルブ側部スロツト２６領域に非線形
示差膨脹合金を用いることによつて、寿命末期ま
での核分裂性燃料の蓄積（又は消費）に伴つて冷
却材流の増加（又は減少）を直線化することがで
きる。ここで“線形示差膨脹”とは放射線露出時
間に対して線形である膨脹を意味し“線形バルブ
側部スロツト領域”とは、その領域が軸方向距離
に対して直線的に変化するような形状（矩形の如
き形状）を有するバルブ側部スロツト２６を意味
する。約２×10²³中水子／cm²のフルエンスにおい
て得られる示差膨脹は、約１インチであり、この
長さは適切なバルブストロークの長さより充分に
長いものである。また、炉心ブランケツト集合体
においては、（生成したプルトニウム）−（核分裂
したプルトニウム）は出力増加に対して実質的に
直線関係にある。出力増加は、作動の全出力日数
に対して直線関係にある。これは、バルブが流速
の直線的増加をもたらすことが容易に出来るよう
な特定の用途においてバルブの最終的な設計を容
易にする。数理的研究においては、本発明の原理
に基づくバルブの理論的評価を行なつた。その結
果は、“バルブなし”の場合に較べて優れた温度
低下を達成できることを示した。

増殖炉または増殖炉でない原子炉の核分裂性燃
料集合体の場合においては、燃料棒は核分裂性燃
料のみを有し、これは長期に亘つては、燃料棒出
力が低下し従つて温度が低下する。ここでは、増
殖炉の場合にバルブ・チユーブとして選択した材
料がバルブ・ロツドの材料として使用され、ま
た、増殖炉の場合にバルブ・ロツドとして選択さ
れた材料がバルブ・チユーブとして用いられる。
作動に際しては、バルブ・チユーブ２４に対する
バルブ・ロツド３０の示差核放射線誘導膨脹がピ
ストン３２をバルブ・チユーブの下端へ下降さ
せ、側部スロツト２６がより一層カバーされるこ
とになる。これはバルブオリフイスの寸法を減少
させ、長期出力が低下するにつれて冷却材流を減
少させ、温度の低下を相殺する。

全ての応用においては、バルブのピストン３２
とバルブ・チユーブ２４の下端とが核放射線露出
によつて共に膨脹せずに、互いに摺動自在に係合
できるようにしておかなければならない。一つの
解決方法は、ピストン／バルブ・チユーブ係合領
域及び／またはバルブ・ロツドとバルブ・チユー
ブの上端係合部材２８を、膨脹感受性領域の外側
に配置することである。もう一つの解決方法は、
ピストン／バルブ・チユーブクリアランスを大き
く取り且つピストンに圧縮リングを装着すること
である。別な方法は、バルブ材料を適切に選択す
ることである。例えば、前述した増殖炉ブランケ
ツト燃料親物質集合体の場合においては、バル
ブ・チユーブ２４を、バルブ・ロツド３０（その
ピストン３２下端を含む）用として選択された合
金よりも大きい膨脹特性を有する合金から作製し
た。比較的急激に膨脹するバルブ・チユーブ２４
は、ストレスを緩和するために単に外方に膨脹す
る内径と外径を有しているため、比較的遅く膨脹
するピストン３２はロツクされることはない。別
なバルブの用途においては、必要に応じて、ピス
トン３２と側部スロツト２６領域を、バルブのロ
ツクを防ぐように選定された材料から作製するこ
とができる。これらの材料は、バルブ・ロツド３
０とバルブ・チユーブ２４のために選定された材
料とは異なつてもよく、バルブオリフイスの寸法
を変えるために示差膨脹をもたらすように選別さ
れる。

本発明の自蔵式、自己作動型バルブは、第１図
に示した構造に限定されるものではない。例え
ば、バルブ・ロツドをダクト・チユーブの頂部に
接続して、小さい開口を通して燃料集合体の底部
へ伸ばすこともできる。異なる核放射線誘導膨脹
を受けるように配設された慣用的なバルブオリフ
イス構造を作動させて、オリフイス寸法の変化が
長期原子炉作動に伴つて起るように（必要ならば
結合手段を介して）、バルブ・ロツドの底部を取
付けることができる。同じ膨脹特性を有するバル
ブ構成部品によつても、もしそれらが異なる核放
射線露出を受けるように配置されれば、示差膨脹
を達成することができる。また、本発明のバルブ
とは別にシールド・ブロツク１４内に固定オリフ
イスを使用することによつて、或いはピストン３
２が底部に達した時でも幾つかのバルブ側部スロ
ツト２６領域がカバーされない状態となるように
本発明のバルブにバルブ・シートを用いることに
よつて、燃料集合体１０への最小の冷却材流を確
実に得ることができる。更に、本発明のバルブ
を、１群の燃料集合体から構成される原子炉領域
への冷却材流を制御するために使用することがで
きる（これは、第１図の核燃料棒１６が別々の燃
料集合体と考えれば、第１図と同様になろう）。

以上の説明から判るように、本発明の原子炉バ
ルブの特徴は一般的には以下のように表現するこ
とができる：(1)原子炉の燃料域からの放射線を受
けるように配置された、核放射線膨脹特性が既知
の細長い第１の部材（例えばピストンを有するバ
ルブ・ロツド）；(2)核放射線膨脹特性が既知の第
２の部材（例えば側部スロツトを有するバルブ・
チユーブ）；及び(3)第２の部材を第１の部材の核
放射線誘導膨脹とは異なる核放射線誘導膨脹を受
けるように配置し（好ましくは、異なる膨脹特性
を持つバルブ・ロツドとバルブ・チユーブを用い
る同軸的なバルブ・ロツド及びバルブ・チユーブ
構造を有する）且つこれらの二つの部材の異なる
膨脹によつて寸法を変化するバルブオリフイスを
形成するように（好ましくは、ピストンが摺動自
在に側部スロツトと係合するようにバルブ・ロツ
ドの上端をバルブ・チユーブの上端に結合するこ
とによつて、またバルブ・チユーブの下端を燃料
集合体シールド・ブロツクに接続することによつ
て）これら二つの部材を配置するための手段。

要約すれば、原子炉に使用するための本発明に
よる核放射線作動バルブは、既知の核放射線誘導
膨脹特性をもつバルブ部材を用いて、原子炉の核
放射線によるバルブ部材の異なる膨脹に伴つて寸
法を変えるバルブオリフイスを形成することによ
つて作ることができる。以上の説明は本発明の好
ましい実施態様について述べたものであつて、本
発明はこの実施例に限定されるものではない。本
発明は、特許請求の範囲内で多数の修正及び変更
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の核放射線作動バルブの一実
施例を利用した原子炉燃料集合体の断面模式図で
ある。 １０……燃料集合体、１２……ダクト・チユー
ブ、１４……シールド・ブロツク、１６……燃料
棒、２０……冷却材流入口、２２……冷却材流出
口、２４……バルブ・チユーブ、２６……側部ス
ロツト、２８……結合部材、３０……バルブ・ロ
ツド、３２……ピストン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ オリフイスを形成するように配置された第１
   の部材と第２の部材とを備えた、燃料域をもつ原
   子炉内で使用するバルブであつて、前記第１およ
   び第２の部材はそれぞれ異なる核放射線膨脹特性
   を有する材料から構成されており、これによつて
   前記燃料域からの核放射線に曝されると前記第１
   と第２の部材の間に示差膨脹および相対運動をも
   たらして前記オリフイスの寸法を変化させるよう
   にしたことを特徴とした核放射線作動バルブ。