JPH0540196A - 原子炉内燃料交換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高速増殖炉の原子炉容器直径を小型化できるよ
うに、アンダー・ザ・プラグ方式の炉内燃料交換方法を
改良する。 【構成】炉心上部機構（ＵＣＳ）を、縦方向に複数の構
造体３１Ａ〜３１Ｇに分割し、これら複数のＵＣＳ分割
構造体が一体的に回転できるように回転機能を付加して
回転ＵＣＳプラグ３３とし、この回転ＵＣＳプラグを原
子炉容器頂部に載置した固定プラグに回転自在に搭載す
る。炉内燃料交換時には、ＵＣＳ分割構造体の少なくと
も１つを回転ＵＣＳプラグ３３から引抜き、引抜いた部
分に旋回可能なオフセットアームを備えた燃料交換機を
挿入・設置し、回転ＵＣＳプラグの回転運動と燃料交換
機オフセットアームの旋回運動とによって、炉心内の任
意の位置の燃料を交換できる。かくして、燃料交換時に
ＵＣＳを炉心直上から原子炉容器半径方向に距離をもた
せて退避させる必要がなくなるから、原子炉容器直径の
小型化が実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、高速増殖炉の原子炉
容器頂部を密閉する蓋（プラグ）全体を開けることなく
蓋の下で原子炉内の燃料を交換する方式の燃料交換方法
の改良に関し、さらに詳しくは、原子炉容器直径の小型
化が可能な原子炉内燃料の交換方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高速増殖炉の出力運転時の原子炉容器内
の構成例を図９および図１０に示す。原子炉容器１内部
に収容した冷却材の液体ナトリウム２中には、核熱反応
をおこす燃料棒や制御棒、反射体等から構成される炉心
３が置かれており、炉心３の直上には円筒形の炉心上部
機構（以下ＵＣＳと略記する）４が上方から垂下してい
る。原子炉容器１頂部は蓋で密閉されており、蓋は固定
プラグ５と、固定プラグに対して偏心的に載置した回転
自在な回転プラグ６とからなり、ＵＣＳ４は回転プラグ
６に偏心的に載置されている。また固定プラグ５の一部
には炉内中継機構孔プラグ７が、回転プラグ６の一部に
は燃料交換機孔プラグ８がそれぞれ設けられている。Ｕ
ＣＳ４はその内部に多数の制御棒駆動機構や炉心上部計
測器が納められており、制御棒駆動機構により制御棒の
炉心３内での位置を調整して炉出力を制御することがで
きる。上記のごとき構成によって、原子炉容器１に接続
した配管（図示せず）によりナトリウム２を循環し、核
反応熱を取り出すことができる。

【０００３】高速増殖炉においても炉心の燃料等を定期
的に交換する必要があるが、冷却材の液体ナトリウムは
化学的に非常に活性であり、空気に触れると燃え出すと
いう性質を有している。そのため、炉内の燃料交換作業
は原子炉容器頂部の蓋全体を開けることなく、外気と遮
断しつつ必要最小限の開口を作って蓋の下で行う必要が
あり、蓋の下で燃料交換作業が行われることからこれを
アンダー・ザ・プラグ方式と呼んでいる。

【０００４】この方式による炉内燃料交換作業を図９お
よび図１０に対応する図１１および図１２を参照して説
明する。燃料交換作業に際しては先ず、図９の炉内中継
機構孔プラグ７および燃料交換機孔プラグ８をそれぞれ
外気との接触を避けつつ取外し、孔に炉内中継機構９お
よび燃料交換機１０をそれぞれ挿入・設置する。炉内中
継機構９は、円筒の下端に回転円盤１１を備えた構造を
有し、回転円盤１１には新・旧燃料を受入れるための燃
料移送ポット１２を掛ける孔が２個開いている。この回
転円盤１１により燃料交換機１０と燃料出入機（図示せ
ず）との間で燃料１３の中継移送を行えるようになって
いる。燃料交換機１０は、本体からオフセット量Ｌを与
えるオフセットアーム１４を備え、このオフセットアー
ム１４は旋回（θ）できるようになっていてその先端に
は燃料を把持・離脱するためのグリッパ１５が設けられ
ている。また燃料交換機１０本体は、炉心３や炉内中継
機構９から燃料１３を抜出し・挿入できるように上下動
可能であり、燃料交換機１０の炉内挿入・引抜き時には
オフセットアーム１４を折り畳めるようになっている。

【０００５】次いで、燃料交換機１０を炉心３上方に位
置させるために、燃料交換機を載置した回転プラグ６を
回転（θ′）させる。これによって必然的にＵＣＳ４は
炉心上方から退避させられ、一方、燃料交換機１０本体
には回転プラグ６の回転中心に対して半径Ｒの回転角が
与えられる。かくして、燃料交換機１０のグリッパ１５
からみれば、Ｌ，Ｒ，θおよびθ′で定まる炉内のアク
セス領域内において、θとθ′の組み合わせにより、炉
心３の任意の位置（番地）の燃料にアクセスすることが
可能になる。

【０００６】燃料交換作業時の上述した各機器の動作を
順を追って述べると以下のようになる。 1) 交換対象の燃料の真上に燃料交換機グリッパ１５が
位置するように、回転プラグ６を回転させるとともに、
燃料交換機オフセットアーム１４を旋回する。（回転プ
ラグ６の回転によりＵＣＳ４は炉心３上方から退避させ
られる。）◎ 2) 燃料交換機１０本体を下降し、燃料交換機グリッパ
１５先端の爪で使用済燃料を把持する。 3) 燃料交換機１０本体を上昇し、把持した使用済燃料
を炉心３から引抜く。 4) 回転プラグ６と燃料交換機オフセットアーム１４を
回し、炉内中継機構９の回転円盤１１の片方の孔の燃料
移送ポット１２上まで使用済燃料１３を移送して燃料交
換機１０本体を下降し、使用済燃料１３を離したのち、
燃料交換機１０本体を上昇してその位置で待機する。 5) この時、炉内中継機構９の円筒内部には、燃料出入
機（図示せず）のグリッパが新燃料を入れた燃料移送ポ
ット１２を掴んで待機している。 6) 炉内中継機構９の回転円盤１１の空になっている孔
が燃料出入機グリッパの真下にくるように回転円盤１１
を回し、新燃料を入れた燃料移送ポット１２を回転円盤
１１の空の孔に挿入する。燃料出入機のグリッパを少し
上昇させる。 7) 炉内中継機構９の新燃料が入っている方の燃料移送
ポット１２が燃料交換機グリッパ１５の真下にくるよう
に回転円盤１１を回す。 8) 燃料交換機グリッパ１５で新燃料を把持し、上記の
逆の手順で炉心３の所定番地に装荷する。 9) 前記の使用済燃料が燃料出入機グリッパの真下にく
るように回転円盤１１を回し、燃料出入機グリッパで使
用済燃料を入れた燃料移送ポット１２を吊り上げて、原
子炉容器１外に移送する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、今後の高速
増殖炉を合理化するためには、炉心の大きさに比較して
原子炉容器をいかに小型化するかということが非常に重
要になってきている。原子炉容器の直径に注目した場
合、主要な決定因子は２つある。１つは、炉心の大きさ
や炉内構造物の寸法の合計によって決定される性格の寸
法（便宜上“炉内側決定寸法”という）であり、もう１
つは、炉心燃料領域と略同一の寸法を有するＵＣＳを炉
心上方から退避させなければならないという、アンダー
・ザ・プラグ方式による燃料交換システム上の制約から
決定される寸法（便宜上“プラグ側決定寸法”という）
である。

【０００８】“プラグ側決定寸法”を簡略化して説明す
ると、炉心燃料領域の直径をｄとし、ＵＣＳ直径を同じ
くｄとすると（図１１参照）、軸対称円筒構造の原子炉
容器直径は、当然炉心中心を原子炉容器中心に置くか
ら、２ｄ〜３ｄ以上の寸法が必要になってしまう。実際
には、上記の原理的寸法の制約以外に、回転プラグのベ
アリングの幅、各構造物の板厚、ボルトの締め代、断熱
厚み等も加算して“プラグ側決定寸法”が決定される。

【０００９】また上記の“炉内側決定寸法”は、発電を
目的としたループ型高速増殖炉を設計する場合には、
“プラグ側決定寸法”以下に設計することができるた
め、結局“プラグ側決定寸法”が原子炉容器直径の決定
因子になっているのが現状である。因みに、本願の出願
人である動力炉・核燃料開発事業団で設計を進めている
ＵＣＳ直径が３３６０ｍｍのループ型高速増殖炉の場
合、“炉内側決定寸法”は約８．４ｍであるのに対し
て、“プラグ側決定寸法”は、アンダー・ザ・プラグ方
式燃料交換システムの種々のバリエーションについて算
定すると９．２ｍ〜１２．６ｍとなってしまう。

【００１０】そこでこの発明は、“プラグ側決定寸法”
を原子炉容器直径決定因子から排除することができ、も
って原子炉容器直径の小型化が図れるような新規な原子
炉内燃料交換方法を提供することを目的としてなされた
ものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、ＵＣＳを
縦方向に複数の構造体に分割し、炉内燃料交換時にはこ
れらの分割ＵＣＳ構造体の少なくとも１つを引抜き、引
抜いた部分にオフセットアームを備えた燃料交換機を挿
入して燃料交換作業を行うことによって、燃料交換時に
ＵＣＳ全体を炉心直上から退避させる必要がなくなるこ
とに着目して、この発明を完成させたものである。

【００１２】すなわち、この発明の原子炉内燃料交換方
法は、多数の制御棒駆動機構を内蔵するＵＣＳを、炉心
内制御棒配置に応じて縦方向に複数の構造体に分割し、
これら複数のＵＣＳ分割構造体が一体的に回転できるよ
うに回転機能を付加して回転ＵＣＳプラグとし、この回
転ＵＣＳプラグを原子炉容器頂部に載置した固定プラグ
に回転自在に搭載し、炉内燃料交換時においては、前記
ＵＣＳ分割構造体の少なくとも１つを回転ＵＣＳプラグ
から引抜き、引抜いた部分に旋回可能なオフセットアー
ムを備えた燃料交換機を挿入・設置し、回転ＵＣＳプラ
グの回転運動と燃料交換機のオフセットアームの旋回運
動とによって、炉心内の任意の位置の燃料の交換作業を
行うことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】上述したごときこの発明の方法によれば、燃料
交換時にＵＣＳを炉心直上から原子炉容器半径方向に距
離をもたせて退避させる必要がなく、ＵＣＳを炉心直上
に設置したままの状態で炉内燃料交換を行うことが可能
となる。その結果、前述した“プラグ側決定寸法”を原
子炉容器直径の決定因子から排除でき、実質的に“炉内
側決定寸法”のみによって原子炉容器直径を設計できる
ため、原子炉容器直径の小型化を図ることができる。

【００１４】

【実施例】以下に図面に示す実施例を参照してこの発明
を詳述する。図１は具体的な炉心マトリックスを示し、
いずれも断面六角形の燃料棒、遮蔽体および制御棒が所
定の位置に配列されている。図中、太線で描いた六角形
が制御棒（主炉停止系制御棒および後備炉停止系制御
棒）２０の位置を表わしており、炉心マトリックス上に
重ねて示した円はＵＣＳ３０の直径を表わしている。

【００１５】図２および図３は、図１の炉心マトリック
スの制御棒２０の配置を考慮して、ＵＣＳ３０を３１Ａ
〜３１Ｇの７本の円筒構造体に分割した状態を示してい
る。すなわち分割構造体３１ＡはＵＣＳ３０の中心部に
位置し、７本の制御棒駆動機構を包含するように分割さ
れている。また、分割構造体３１Ｂ〜３１Ｇは分割構造
体３１Ａの周囲に位置し、それぞれ３本の制御棒駆動機
構を包含するように分割されている。これら複数の円筒
分割構造体３１Ａ〜３１Ｇは、図３に示すように、その
上部でプラグ３２に載置されて一体構造とされ回転ＵＣ
Ｓプラグ３３を形成する。プラグ３２部分の厚さは、原
子炉容器頂部に配設される固定プラグと同じ厚さとして
ある。

【００１６】炉内燃料交換時においては、分割構造体３
１Ａ、３１Ｆおよび３１Ｇを専用の取扱機を用いて引抜
き、分割構造体３１Ａと３１Ｇを引抜いた部分には回転
ＵＣＳプラグ３３のプラグ３２部分の厚さに相当する盲
プラグを挿入する。一方、分割構造体３１Ｆを引抜いた
部分には、オフセットアームを折り畳んだ状態の燃料交
換機４０を搭載した専用のプラグを挿入し、燃料交換機
４０挿入後にオフセットアーム４１を伸長させると、燃
料交換機グリッパ４２が燃料交換機４０本体に対してオ
フセット量をもった位置にセットされる。オフセットア
ーム４１は燃料交換機４０に対して旋回可能に設けられ
ており、グリッパ４２は一点鎖線の軌跡を描いて炉内燃
料中継位置４３と炉心中心４４に到達できるようになっ
ている。分割構造体３１Ａと３１Ｇを引抜くのは、これ
らがあると燃料交換機オフセットアーム４１の旋回運動
が妨げられるからである。

【００１７】図４は、図３の回転ＵＣＳプラグ３３を原
子炉容器５０頂部の固定プラグ５１にベアリング等の回
転機構を介して回転自在に搭載した状態を示している。
炉内燃料交換時においては、図示したように複数の分割
構造体３１のうちの必要な本数を回転ＵＣＳプラグ３３
から引抜き、引抜き部分の１つに折り畳み可能なオフセ
ットアーム４１を備えた燃料交換機４０を搭載したプラ
グを挿入し、他の引抜き部分は盲プラグ（図示せず）で
塞ぐ。次いで、プラグ下方で燃料交換機のオフセットア
ーム４１を伸ばすとグリッパ４２は燃料交換機４０本体
に対してオフセット量をもって旋回可能とされる。図中
番号３５は分割構造体毎に分けられた制御棒駆動機構を
示す。

【００１８】このようにして燃料交換機グリッパ４２は
オフセットアーム４１の旋回運動（矢印Ｘ）により、炉
心５２中心と炉内中継機構５３下方の回転円盤５４が設
置されている燃料中継位置との間を任意にアクセスする
ことができる。このオフセットアーム４１の旋回運動
に、固定プラグ５１に回転自在に載置されている回転Ｕ
ＣＳプラグ３３の回転運動（矢印Ｙ）が加わることによ
って、炉心中心から燃料中継位置までの距離を半径とす
る円内の全ての番地にアクセスすることが可能となる。
アクセスした燃料５５を燃料交換機グリッパ４２で把持
して燃料中継位置へ移送し、炉内中継機構５３を経て燃
料を抜出し・挿入を行う動作は従来のアンダー・ザ・プ
ラグ方式の燃料交換システムと同様に行えばよい。

【００１９】図示の例においては、回転ＵＣＳプラグ３
３はその回転軸が原子炉容器５０の中心軸と一致するよ
うに配置してあるが、必要に応じて原子炉容器５０の中
心軸から多少偏心させて配置することもできる。

【００２０】なお、燃料交換機オフセットアーム４１の
オフセット量が大きくなったり、炉心に対して燃料の引
抜き力や挿入力が大きくなって、大きな剛性が要求され
る場合には、オフセットアーム４１を折り畳まない設計
の燃料交換機４０を使用することになる。この場合に
は、図２に示したように、分割構造体３１Ｆおよび３１
Ｇの２つを長円形プラグ３６（鎖線部分）に載置する。
炉内燃料交換時においては、分割構造体３１Ｆと３１Ｇ
を長円形プラグ３６とともに引抜き、その引抜き部分
に、長円形プラグ３６と同じ形状のプラグに折り畳み形
式でないオフセットアーム構造の燃料交換機４０を載置
したものを挿入すればよい。

【００２１】ＵＣＳ３０の分割様式は図２に示したもの
に限らず、種々の様式が考えられる。図５および図６に
示した例では、図２の円筒分割構造体３１Ａ、３１Ｆお
よび３１Ｇに相当する分割構造体は同様に円筒構造体５
１Ａ，５１Ｆおよび５１Ｇとして分割して引抜き可能と
し、その他のＵＣＳ５０の部分は１つの分割構造体５１
Ｈとしてある。炉内燃料交換時には、図２の場合と同様
に、円筒分割構造体５１Ａ，５１Ｆおよび５１Ｇを回転
ＵＣＳ構造体５３から引抜けばよい。

【００２２】図７および図８に示した例では、ＵＣＳ６
０を、扇形の非対称形状の分割構造体６１Ａと、その他
のＵＣＳ部分の構造体６１Ｂとに分割し、扇形分割構造
体６１Ａを引抜き可能としてある。炉内燃料交換時に
は、扇形分割構造体６１Ａを回転ＵＣＳ構造体６３から
引抜き、その引抜き部分に、扇形と同じ形状のプラグに
燃料交換機４０を載置したものを挿入すればよい。

【００２３】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明において
は、炉内燃料交換時に炉心直上からＵＣＳを退避させる
必要がないから、原子炉容器直径を従来のようにＵＣＳ
直径の２〜３倍以上といった寸法にしなくてもよく、原
子炉容器の小型化ができ、プラント建設費を大幅に削減
することが可能となる。

【００２４】因みに、前述したようなＵＣＳ直径が３３
６０ｍｍのループ型原子炉にこの発明を適用した場合、
“プラグ側決定寸法”は炉内燃料中継位置の寸法をとっ
ても約６．２ｍとなり、“炉内側決定寸法”の８．４ｍ
に対して十分に小さい値となるため、原子炉容器直径の
決定因子から“プラグ側決定寸法”を排除することがで
き、“炉内側決定寸法”のみによって原子炉容器直径を
決定できることになる。

【００２５】またこの発明においては、ＵＣＳと略等し
い小口径の回転ＵＣＳプラグを固定プラグに回転自在に
搭載するため、従来のアンダー・ザ・プラグ方式による
燃料交換システムで必要であった大口径の回転プラグが
不要となる。これによってもプラント建設費を低減する
ことができる。

【００２６】なお、炉内燃料交換時にＵＣＳ全体を引抜
き、この引抜き部分に、燃料交換機を載置したプラグを
挿入することも考えられる。しかしながらこの場合に
は、大口径のＵＣＳ取扱キャスクが必要になる。このた
め、ＵＣＳ全体を引抜く際にはキャスクのガス置換のた
めの不活性ガスが大量に必要になる。これに対してこの
発明によれば、ＵＣＳの分割体を取扱えばよいため、取
扱キャスクや燃料交換機ケーシングが小型化でき、さら
には不活性ガス消費量も低減できるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】炉心マトリックスとＵＣＳ直径の一例を示す説
明図。

【図２】ＵＣＳ分割様式の一例と、燃料交換機配置を示
す説明図。

【図３】図２のＵＣＳ分割様式による回転ＵＣＳプラグ
の斜視図。

【図４】図３の回転ＵＣＳプラグを原子炉容器に搭載し
て、この発明の燃料交換方法を実施している状態を示す
一部切欠斜視図。

【図５】ＵＣＳ分割様式の別な例と、燃料交換機配置を
示す説明図。

【図６】図５のＵＣＳ分割様式による回転ＵＣＳプラグ
の斜視図。

【図７】ＵＣＳ分割様式のさらに別な例と、燃料交換機
配置を示す説明図。

【図８】図７のＵＣＳ分割様式による回転ＵＣＳプラグ
の斜視図。

【図９】従来の高速増殖炉の出力運転時の原子炉内にお
けるＵＣＳの位置関係を示す説明図。

【図１０】図９のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【図１１】従来の高速増殖炉の炉内燃料交換時の原子炉
内におけるＵＣＳ等の位置関係を示す説明図。

【図１２】図１１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 ２０…制御棒、 ３０，５０，６０…炉心上部機構（Ｕ
ＣＳ）、３１，５１，６１…ＵＣＳ分割構造体、３３，
５３，６３…回転ＵＣＳプラグ、 ４０…燃料交換機、
４１…オフセットアーム、 ５０…原子炉容器、 ５１
…固定プラグ、５２…炉心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の制御棒駆動機構を内蔵する炉心上部
   機構を、炉心内制御棒配置に応じて縦方向に複数の構造
   体に分割し、これら複数の炉心上部機構分割構造体が一
   体的に回転できるように回転機能を付加して回転炉心上
   部機構プラグとし、この回転炉心上部機構プラグを原子
   炉容器頂部に載置した固定プラグに回転自在に搭載し、
   炉内燃料交換時においては、前記炉心上部機構分割構造
   体の少なくとも１つを回転炉心上部機構プラグから引抜
   き、引抜いた部分に旋回可能なオフセットアームを備え
   た燃料交換機を挿入・設置し、回転炉心上部機構プラグ
   の回転運動と燃料交換機のオフセットアームの旋回運動
   とによって、炉心内の任意の位置の燃料の交換作業を行
   うことを特徴とする原子炉内燃料交換方法。