JPH03235090A - 高速増殖炉用制御棒 - 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、液体金属冷却型の高速増殖炉に用いられる制
御棒に係り、特に長寿命化および短尺化を図ることがで
きる高速増殖炉用制御棒に関するものである。

（従来の技術） 第６図および第７図は、液体金属冷却型高速増殖炉に用
いられる従来の制御棒をそれぞれ示すもので、いずれの
制御棒も、８４Ｃペレット１が冷却材の液体金属と直接
接することのない構造となっている。

すなわち、第６図に示す従来の高速増殖炉用制御棒は、
被覆管２をその上下端部に上部端栓３および下部端栓４
を溶接して密封構造とし、その内部に、Ｂ、Ｃペレット
１を収容するとともに、Ｈｅガス５を充填した構造にな
っている。

また、第７図に示す従来の高速増殖炉用制御棒は、上下
端部に上部端栓３および下部端栓４が溶接された被覆管
２内を、中間端栓６により上部室と下部室とに区分する
とともに、これら両室をキャピラリチューブ７により連
通し、その内部にＨｅガス５を充填するとともに、下部
室内に８４Ｃペレット１を収容し、かつ上部室の周壁に
、高温ハンダ８でシールされる孔９を設けた構造になっ
ている。

この高速増殖炉用制御棒は、原子炉への装荷により所定
の温度まで上昇すると、高温ハンダ８が溶けて、孔９か
ら上部室内に一次冷却材である液体金属が流入すること
になるが、液体金属がキャピラリチューブ７より上昇し
ないように設計しであるため、８４Ｃペレット１と液体
金属とが直接接触することはない。

ところで、前記従来の各高速増殖炉用制御棒において、
その使用寿命を決めている主因として、８４Ｃペレット
１の中性子照射による体積膨張（スエリング）が挙げら
れる。

すなわち、８４Ｃペレット１がスエリングによって径方
向に太るとやがては被覆管２に触れ、さらにスエリング
すると、被覆管２が８４Ｃペレット１により押し拡げら
れて破損することになる。

したがって、Ｂ４Ｃベレット１と被覆管２との間隙を充
分広くし、被覆管２とＢ４Ｃペレットｌとの干渉開始時
期を遅らせることで、制御棒の寿命を延長させることが
可能となるが、Ｂ４Ｃペレット１と被覆管２との間隙が
広くなると、その部分の熱伝導率が低下し、Ｂ４Ｃベレ
ット１の温度が高くなる。

ところが、Ｂ４Ｃベレット１の温度は、その融点である
２４５０℃を充分下遡るように設定する必要があるため
、その点からＢ４Ｃベレット１と被覆管２との間隙寸法
は決まり、寿命（被覆管２とＢ４Ｃペレット１との干渉
の開始までの時間）が決まっている。

（発明が解決しようとする課題） 前記従来の高速増殖炉用制御棒においては、前述のよう
に、８４Ｃペレット１の温度制限から決まる８４Ｃペレ
ット１と、被覆管２との間隙寸法で寿命が決まっている
が、その間隙寸法は、Ｈｅガスを充填することを前提と
している。

ところが、被覆管２内に、Ｈｅガスよりも熱伝導率の高
い物質を充填すれば、８４Ｃペレット１と被覆管２との
間隙寸法を大きくとることができる。このような知見に
基づき、一部では、Ｈｅガスに比べ極めて熱伝導率の高
い一次冷却材と同一の液体金属を封入し、８４Ｃペレッ
ト１と被覆管２との間隙寸法を大きくとることができる
ようにした液体金属封入型の制御棒が提案されている。

ところが、液体金属封入型の制御棒は、液体金属の封入
に新たな設備を要し、また使用後の制御棒を保管、処分
する際には、封入されている液体金属を排出する必要が
あり、その作業が容易でないとともに、作業のための新
たな設備が必要となるという間遅がある。

本発明は、このような点を考慮してなされたもので、液
体金属の封入および排出のための特別な設備を要せず、
しかも長寿命化および短尺化を図ることができる高速増
殖炉用制御棒を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は、前記目的を達成する手段として、被覆管の上
下端部を、上部端栓および下部端栓で密封し、その内部
にＢ４Ｃベレットを配置した液体金属冷却型の高速増殖
炉用制御棒において、前記被覆管内を、ほぼ真空状態に
するとともに、被覆管内の下部端栓側の端部に、上面で
８４Ｃペレットを支持し、液体金属およびＨｅガスの通
過を許容するプラグを設置し、かつ前記下部端栓に、高
温ハンダでシールされる孔を設けるようにしたことを特
徴とする。

（作　用） 本発明に係る高速増殖炉用制御棒においては、原子炉へ
の装荷後、所定温度まで上昇すると、高温ハンダが溶け
て被覆管内に一次冷却材である液体金属が流入し、被覆
管内が液体金属で満たされる。すなわち、従来の液体金
属封入型制御棒と同一構成となる。

原子炉運転が進むと８４Ｃペレットの燃焼に伴Ｌ１Ｈｅ
ガスが発生し、このＨｅガスは、被覆管の上部から貯留
され、その分の液体金属が、下部端栓の孔から外部に排
出される。そして、やがて、被覆管内が完全にＨｅガス
で満たされる。

ところで、Ｈｅガスは、液体金属に比べて熱伝導率が悪
いが、この段階では、スエリングにより８４Ｃペレット
が太くなって被覆管との間隙が狭くなっているので、Ｂ
４Ｃベレットの温度は、その融点よりも充分低い温度に
抑えられる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を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用制御棒の一例を示
すもので、図中、符号１はＢ４Ｃペレットであり、この
８４Ｃペレット１は、上下端部が上部端栓３および下部
端栓４で密封された被覆管２内に収容されている。

すなわち、被覆管２内の下部端栓４側の端部には、第１
図に示すように、８４Ｃペレット１の落下を防止するた
めのプラグ１０が設置されており、８４Ｃペレット１は
、このプラグ１０上に設置されている。

このプラグ１０は、第２図（ａ）〜（ｄ）に示すように
、−次冷却材である液体金属としてのナトリウム１１お
よびＨｅガス５が自由に通過できるよう、例えば多孔質
の焼結金属で形成されており、このプラグ１０直下の下
部端栓４の中央部には、第１図に示すように孔１２が設
けられ、この孔１２は、高温ハンダ１３でシールされる
ようになっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

第２図ａは、製造時の制御棒の状態を示し、８４Ｃペレ
ット１の周りは、ほぼ真空の状態で高温ハンダ１３によ
り気密維持がなされている。

この制御棒を原子炉に装荷して所定の温度まで上昇する
と、第２図すに示すように、高温ハンダ１３が溶けて被
覆管２内がナトリウム１１で満たされる。すなわち、従
来の液体金属封入型制御棒と同一構成となる。

原子炉運転初期においては、Ｂ４Ｃベレット１の燃焼に
伴いＨｅガス５が発生し、このＨｅガス５は、第２図Ｃ
に示すように、被覆管２の上部に貯留され、ナトリウム
１１は、孔１２を介して外部に排出される。

原子炉運転中期以後は、第２図ｄに示すように、８４Ｃ
ペレット１から取出されるＨｅガス５で被覆管２内が満
たされ、プラグ１０を通り孔１２から外部に放出される
。このため、被覆管２内のナトリウム１１は完全に外部
に排出される。

ところで、被覆管２内がＨｅガス５で満たされると、Ｈ
ｅガス５はナトリウム１１に比較して熱伝導率が悪いで
、Ｂ４Ｃペレット１と被覆管２との間隙が問題となるが
、この状態では、Ｂ４Ｃペレット１は、スエリングによ
り膨張して太くなっていて、被覆管２との間隙が運転初
期よりも狭くなっているので、８４　Ｃベレット１の冷
却に問題となることはない。

このように、従来の液体金属封入型制御棒と同様、長寿
命化および短尺化を図ることができ、しかも液体金属の
封入および排出が自動的になされるので、封入、排出を
行なうための特別な設備を要しない。

ところで、第１図に示すように、被覆管内空間高さをＬ
　　　ＢＣベレット高さをＬｌ、８４ＣＯゝ　　４ ベレット径をＤ　１被覆管内径をＤ　とすると、ｃ 以下の関係式が成立する必要がある。

・・・・・・・・・・・・（１） 但し、 α：　Ｂ４Ｃペレットの径方向スエリング率β：Ｂ４Ｃ
ベレットのＨｅ放出率 ｆ　：　Ｂ４Ｃペレット軸方向ピーキング係数＊ Ｄｐ：Ｈｅガス封入ギャップでの８４Ｃペレット熱的設
計限界となる８４Ｃペレット径 次に、前記（１）式の導出について説明する。

まず、Ｎａボンド層のＮａが抜けるピーク燃焼度（（Ｂ
−Ｕ）　　）について説明する。

第３図は、温度Ｔ　　圧力Ｐ。の状態でＨｅを０　ゝ 封入したものが、温度Ｔ　　圧力Ｐ１の原子炉内ｌ　ゝ で開封されてＮａが流入した場合を示す。ここで、Ｈの
体積をＶ、Ｎａの体積をｖ２とすると、ｅ　　　　　　
　　　　１ このときの状態方程式は次の通りである。

但し、ｎ　：　８４　Ｃから放出されるＨｅのモル数Ｒ
：ガス定数 ＮＡ：アボガドロ定数 （、ｘ　１０２’） 但し、Ｖ　　−（Ｌ　　−１）Ａ１ ■０ β：　Ｂ４ＣからのＨｅの放出率 （３） 式より Ｖ２　”Ｉ　Ａｔ　　ＬＩ　Ａ２ （２）式、 （４）式より その後、Ｂ４ Ｃの燃焼に伴って放出するＨｅに よりＮａは押し下げられるが、 Ｎａが全部抜ける までの放出Ｈｅ量は次式で与えられる。

ここで、近似的に次のように置き変える。

・・・・・・（１１） となる。

但し、Ｂｐ ：ピーク反漬ア事 一方、 （２）式より、 ｆ：ピーキング係数 （５）志 （６）式、 （７）式より （１２）式を（１１）式に代入すると、となり、 Ｔ　ｔ　　Ｔ　。

β とおくと、 但し、 Ｃ ｐｅｔ （１４）式に対し、次の条件を設定する。

■　初期封入条件 Ｐ　　−０，０１ｋｇ／ｃｄ、Ｔｏ−３００χ■原子炉
条件 Ｐ　　＝１．５ｋｇ／ｃシ　、Ｔ１−７７３″Ｋ■物性
値 ＮＡ−６０２２（ＸＩＯ”） Ｒ＝８．３　（Ｊ　−ｍｏｌ　−１・″に一１〕−８４
，６（眩・艶・ｍｏｌ　−’・χ−１〕これにより、ピ
ーク燃焼度（Ｂ、Ｕ）　　はＶｐｅｔ　：　８４　Ｃの
体積 Ｖｃｌｄ　：被覆管内容積 次に、８４Ｃペレットのスエリングにより被覆管とのギ
ャップが減少し、Ｈｅガスギャップにおける熱的限界ギ
ャップとなるピーク燃焼度（（Ｂ。

Ｕ）　　）について説明する。

第４図に示すように、Ｈｅガスギャップでの但し、α：
スエリング率係数 （Ｂ、Ｕ）　　　：ビーク燃焼度Ｃ１０２’ｃａｐ　／
ｃｃ）一〇。

１３５７６−　（ａ　−ｂ−１）　（ｘ　１０”ｃａｐ
　／ｃｃ）β ・・・（１４’　） ν 次に、 Ｈｅガスキャップ熱的限界前までＮａを保持できる寸法
パラメータについて説明する。

（１４）式および（１６）式より 但し、ＴＩ ：被覆管内面温度〔℃〕 （１７）式を先の条件■、■、■で整理すると、以上の
ことから前記（１）式が導出される。

次に、Ｈｅガスギャップ熱的限界ギャップとなるベレッ
ト径につき、第５図を参照して説明する。

ＢＣペレット中心温度をＴｍ〔℃〕、Ｂ４Ｃペレット表
面温度をＴｓ（”Ｃ）とすると、ｑ：出力密度（Ｋｃａ
ｌ　／ｈｒ−ｃｃ）ｋ　：ベレットの熱伝導度〔ＫＣａ
１／ｈｒｃ１１・℃〕Ｋｇ：ギャップの熱伝導度（Ｋｃ
ａｌ　／ｈｒ’Ｃ）（ギャップ；ＮａまたはＨｅ） （１９）式および（２０）式より （２０） 式は、 とすると、 となる。

ここで、Ｔｍ中２４００℃、Ｔｉ−５００℃　　（Ｔｍ
−Ｔｉ）”１９００℃Ｋｇ　（Ｈｅ）　−〇、　１４３
Ｘ１０−”　（Ｋｃａｌ　／ｈｒ・ｃｍ・’ｃ）Ｋ　　
−０，０３６（Ｋｃａｌ　／ｈｒ−ｃ＋ａ・’ｃ）の時
）とすると、 Ｏ ≧１．５４ １ トナル。スナわチ、寿命２００　ｘ　１０２’ｃａｐ　
／ｃｃ（ピーク燃焼度）を目標にした場合、Ｄ　−１８
ｌ■に対してＤ＝１７ｍｍにしておけば、Ｄ　　（Ｂ、
Ｕ）−Ｄ　　　（１＋α（Ｂ、Ｕ））ｐ α−０，０００３ Ｄ　　（Ｂ、　Ｕ）　−１７（１＋０．０００３　ｘ　
２００）’Ｆ１８　（關〕 となり、寿命末期に被覆管に接することになる。

一方、出力密度を１００　Ｋｃａｌ　／ｈｒ−ｃｃ　（
ピーク） 本 とすると、ガス層での限界直径はＤ−１７，１■ｌであ
る。したがって、Ｄ　−１７■■では限界直径よりも小
さいため、液体金属をボンドしてペレットの温度を下げ
ておく必要がある。

運転開始後、Ｈｅ放出により液体金属が押し出されるが
、それはＢ４Ｃベレットの径が１７．１１１■となった
時点である。そのときの燃焼度は、 なお、前記実施例では、プラグ１０が多孔質の焼結金属
で形成されている場合について説明したが、８４Ｃペレ
ット１を支持でき、しかも液体金属およびＨｅガスを通
すものであれば、他の構造のものでもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、被覆管内への液体金属の
充填および排出が自動的になされるようにしているので
、製造時に液体金属を被覆管内に充填する設備が不要と
なり、制御棒組立工場、保管場所および輸送容器に特別
対策が不要となる。

また、原子炉での使用後の洗浄も不要となり、保管が容
易である。しかも、液体金属封入型制御棒と同一の機能
が得られ、長寿命化および短尺化が可能となる。

である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る高速増殖炉用制御棒を
示す断面図、第２図（ａ）〜（ｄ）はその作用を時間の
経過に従って順次示す説明図、第３図はＮａボンド層の
Ｎａが抜けるピーク燃焼度の説明図、第４図および第５
図はＨｅボンド限界ギャップとなるベレット径の説明図
、第６図および第７図は従来の高速増殖炉用制御棒をそ
れぞれ示す断面図である。 １・・・Ｂ４Ｃペレット、２・・・被覆管、３・・・上
部端栓、４・・・下部端栓、５・・・Ｈｅガス、１０・
・・プラグ、１１・・・ナトリウム、１２・・・孔、１
３・・・高温ハンダ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被覆管の上下端部を、上部端栓および下部端栓で密封し
   、その内部にＢ＿４Ｃペレットを配置した液体金属冷却
   型の高速増殖炉用制御棒において、前記被覆管内を、ほ
   ぼ真空状態にするとともに、被覆管内の下部端栓側の端
   部に、上面でＢ＿４Ｃペレットを支持し液体金属および
   Ｈｅガスの通過を許容するプラグを設置し、かつ前記下
   部端栓に、高温ハンダでシールされる孔を設けたことを
   特徴とする高速増殖炉用制御棒。