JPH0666973A - 金属燃料要素 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】燃料または冷却材の温度変化に対して応答性に
優れ、かつ信頼性が高い。 【構成】被覆管20の上下両端は端板21，22で閉塞され、
被覆管20内には複数の円柱状燃料スラグ23が収容されて
いる。燃料スラグ23，23間にはベローズ付きカプセルが
介在されている。ベローズ付きカプセルはこのベローズ
24内に燃料ペレット27と封入液体金属28および蒸気空間
29を有するものからなっている。また、被覆管20内には
液体金属ボンド材25が充填され、液体金属ボンド材25の
上方はガスプレナム26となっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はたとえば高速増殖炉に使
用される金属燃料要素に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４により従来の金属燃料要素の構造を
説明する。図４（ａ），（ｂ）中、符号１はステンレス
鋼製被覆管で、この被覆管１内に金属ウランおよびプル
トニウムで成形した燃料スラグ２が充填され、燃料スラ
グ２と被覆管１との間および燃料スラグ２の上面を覆う
ようにして液体ナトリウムのボンド材３が封入されてい
る。

【０００３】燃料スラグ２の上方にはガスプレナム４が
設けられており、被覆管１の外周面にワイヤスペーサ５
が巻回され、被覆管１の上端は上部端栓６で、下端は下
部端栓７で封止されている。

【０００４】ボンド材３は被覆管１と燃料スラグ２との
間の熱伝達を良好にするためのもので、ガスプレナム４
は燃焼により発生した核分裂ガスを収容するもので、ワ
イヤスペーサ５は冷却材混合と燃料要素間の間隔を一定
に保つためのものである。

【０００５】金属燃料要素を使用した炉心は、一般に酸
化物燃料要素を使用した炉心に比較して、流量の低下あ
るいは原子炉出力の増大等に起因する事故時に固有の反
応度効果により事故影響を緩和する能力が高いことが、
文献等により開示されている。

【０００６】特に事故時にスクラムに失敗するいわゆる
ＡＴＷＳ（スクラムしない過渡変動）時においても、冷
却材の沸騰あるいは燃料の溶融を伴うことなく炉心を安
定な状態に移行させるポテンシャルが大きいといわれて
いる。

【０００７】図５から図８にそのような評価の例として
過出力型（ＵＴＯＰ）事故、および流量低下型（ＵＬＯ
Ｆ）事故時の出力変化と反応度の変化を示す。

【０００８】図５はＵＴＯＰ時の応答（基準ケース）と
出力および流量の変化を示しており、線番１はプラント
全流量、２は炉出力であり、たて軸は規格化流量と規格
化出力（−）を、よこ軸は時間（秒）である。

【０００９】図６はＵＴＯＰ時の応答（基準ケース）と
反応度バランスの変化を示しており、線番１は正味合計
値、２はドップラー反応度、３は冷却材密度反応度、４
は燃料スラグと被覆管軸方向膨張、５はラッパー管軸方
向膨張、６は炉心下部支持板径方向膨張、７は炉心フラ
ワリング反応度、８は制御棒−炉心相対変位反応度、９
は外部挿入反応度をそれぞれ示している。なお、たて軸
は反応度（¢）を、よこ軸は時間（秒）である。

【００１０】図７はＵＬＯＦ短時間の応答（基準ケー
ス）と出力、流量、出力／流量比の変化を示すもので、
線番１はプラント全流量、２は炉出力、３は出力−流量
比であり、たて軸は線番３に対しては出力−流量比
（−）を、線番１，２に対しては規格化流量と規格化出
力（−）を、よこ軸は時間（秒）である。

【００１１】図８はＵＬＯＦ短時間の応答（基準ケー
ス）と反応度バランスの変化を示しており、線番１は正
味合計値、２はドップラー反応度、３は冷却材密度反応
度、４は燃料スラグと被覆管軸方向膨張、５はラッパー
管軸方向膨張、６は炉心下部支持板径方向膨張、７は炉
心フラワリング反応度、８は制御棒−炉心相対変位反応
度、９は外部挿入反応度（＝ 0.0¢）、ａは炉心入口圧
力反応度をそれぞれ示している。なお、たて軸は反応度
（¢）を、よこ軸は時間（秒）である。

【００１２】各図から種々の反応度効果の競合により事
故時においても原子炉出力が微増に留まるか、あるいは
低下していることがわかる。

【００１３】このような反応度効果をもたらす要因とし
て、効果はそれほど大きくはないが、燃料スラグと被覆
管の軸方向膨張がある。この効果は冷却材あるいは燃料
スラグの温度上昇に伴う熱膨張によって炉心が実効的に
軸方向に拡大して反応度の低下をもたらす。

【００１４】しかし、冷却材温度上昇時には被覆管の膨
張量の方が一般に大きいため、燃料スラグと被覆管とが
接触している場合とそうでない場合とで反応度効果に違
いがでたり、また図７および図８に示すような出力の低
下時には燃料スラグの温度が低下して逆に収縮して反応
度増大の要因になる場合もあり、その効果は不確かさが
大きい。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】図９は高速増殖炉にお
ける反応度効果の要因を説明する原理図である。図９に
おいて符号８は炉容器で、この炉容器８内には炉心支持
構造物９で支持された炉心10が配設されており、炉心10
の上方に設けられた隔壁11および炉心支持構造物９を境
界にして上方からホットプレナム12、中間プレナム13、
コールドプレナム14が形成される。炉心は燃料スラグ15
を有する燃料集合体16および制御棒吸収体17を有する制
御棒18で構成される。制御棒18は制御棒駆動軸19により
炉心10内に挿入、引き抜きが行われる。

【００１６】ここで、制御棒駆動軸19の軸方向熱膨張を
ａ、制御棒吸収体17の軸方向熱膨張をｂ、燃料スラグ15
の軸方向熱膨張をｃ、燃料要素下部領域の軸方向熱膨張
をｄ、炉心支持構造物９の熱膨張の軸方向成分をｅ、炉
容器（ホットプレナム部）８の軸方向熱膨張をｆとする
と、正味の制御棒−炉心相対変位量＝ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ−
ｅ−ｆとなる。

【００１７】温度の上昇など、異常時あるいは事故時に
おける原子炉の固有の応答を利用することにより、出力
および温度の上昇を制限するいわゆる固有安全炉心にお
いては、反応度低下をもたらす要因として、前記の燃料
スラグと被覆管の軸方向膨張ｃ，ｄのほか、炉心支持板
の膨張ｅ、制御棒と炉心との相対変位ａ，ｂ、炉容器自
身の膨張ｆなどが考えられる。

【００１８】それらの反応度効果は、そのポテンシャル
については認められつつあるが、異常時あるいは事故時
にどの程度その効果を期待できるかの定量的なデータが
少なく、またその程度は個々のプラントにより異なる。
また、拘束条件が複雑に関連しているため、効果の定量
的な信頼性に乏しい課題がある。

【００１９】本発明は上記課題を解決するためになされ
たもので、燃料または冷却材の温度変化に対して応答性
に優れ、かつ反応度を早期かつ確実に低下でき、信頼性
の高い金属燃料要素を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は被覆管内に金属
ウランおよびプルトニウムで成形した燃料スラグおよび
この燃料スラグの周囲に液体金属ボンド材が封入され、
かつガスプレナムを有する金属燃料要素において、前記
燃料スラグと燃料スラグとの間または燃料スラグ内に液
体金属を封入しかつ蒸気空間を有するベローズを設けて
なることを特徴とする。

【００２１】

【作用】原子炉の異常または事故時における温度上昇時
にベローズ内の封入液体金属が熱膨張し、蒸気空間の体
積以上に膨張するとベローズは伸長する。その結果、燃
料スラグを押し上げ、燃料スラグと被覆管との拘束を破
る。そして、燃料スラグ自身の膨張と、ベローズの膨張
が炉心の軸方向の膨張となり、反応度を低下させる。ま
た、温度低下時にはベローズ内の封入液体金属は収縮し
てもベローズ自身は収縮しないため、収縮による反応度
の上昇を回避することができる。

【００２２】

【実施例】図１を参照しながら本発明に係る金属燃料要
素の第１の実施例を説明する。図１中符号20は例えばス
テンレス鋼製被覆管で、被覆管20の上下両端は端板21，
22で閉塞されている。被覆管20内には金属ウランおよび
プルトニウムで成形した複数の円柱状燃料スラグ23，23
が充填され、これらの燃料スラグ23，23間にはベローズ
24が介在されている。

【００２３】燃料スラグ23およびベローズ24の外側を包
囲して液体金属ボンド材25が収容され、液体金属ボンド
材25の上方にガスプレナム26が設けられている。ベロー
ズ24内には燃料ペレット27および封入液体金属28として
たとえば液体ナトリウムが封入されてベローズ付きカプ
セルを構成している。

【００２４】ベローズ24は原子炉の起動時または通常運
転時の温度変化によって伸縮し、運転制御上問題が生じ
ないように蒸気空間29を有しており、この蒸気空間29に
よって温度上昇による膨張を吸収させる。

【００２５】事故時において冷却材の温度が通常運転時
条件を上回る場合にはベローズ24内の蒸気空間29は埋め
尽くされ、それ以降は温度上昇の度合いによってベロー
ズ24が伸長し、結果的に炉心も軸方向に膨張して反応度
を低下させることができる。

【００２６】一方、燃料スラグ23の温度が先に上昇する
過出力型の事故の場合にはベローズ24内に封入された燃
料ペレット27の発熱により封入液体金属28の温度が上昇
し、その結果、ベローズ24が軸方向に伸長して反応度を
低下させる。

【００２７】図２は上記実施例における封入液体金属28
とベローズ24の組み合わせたベローズ付きカプセルの膨
張による熱伸長の作動原理を示したものである。すなわ
ち、温度上昇した液体金属ボンド材25は感温部30の温度
を上昇させ、その結果封入液体金属28が膨張し、ベロー
ズ24を伸長させ、結果的に吸収体31を下方に移動させる
効果をもたらす。本実施例はこの原理を金属燃料要素の
軸伸長に適用したものである。

【００２８】次に図３により本発明に係る金属燃料要素
の第２の実施例を説明する。図３において、被覆管20の
上下両端は端板21，22で閉塞され、被覆管20内には複数
の円筒状燃料スラグ32が環状分離用つば33を介して順次
積層されている。それぞれの燃料スラグ32と環状分離用
つば33の中空部を貫通して長尺ベローズ34が配設されて
いる。長尺ベローズ34内には蒸気空間29が設けられ、蒸
気空間29の下方には封入液体金属28が充填され、ベロー
ズ付きカプセルを構成している。

【００２９】燃料スラグ32は軸方向長さが上から下方へ
徐々に大きくなるように形成されており、また、被覆管
20内には液体金属ボンド材25が収容され、液体金属ボン
ド材25の上方にガスプレナム26が設けられている。

【００３０】このように第２の実施例では中空の円筒状
燃料スラグ32内にベローズ付きカプセルとして封入液体
金属28および蒸気空間29を設けた長尺ベローズ34を燃料
スラグ32の軸方向全域に入れ、各々の燃料スラグ32は環
状分離用つば33によって軸方向に幾つかにわたり分離で
きる。

【００３１】しかして、第２の実施例によれば長尺ベロ
ーズ34が長い分だけ温度上昇による軸伸長量が大きく、
反応度低下に対する応答を速やかにできる。また、分離
用つば33は長尺ベローズ34の伸長時に燃料スラグ32を分
離させるため、炉心が軸方向に膨張して反応度の低下を
もたらす。

【００３２】冷却材の温度上昇に対しては液体金属ボン
ド材25、燃料スラグ32により、また燃料スラグ32自身の
温度上昇に対しては燃料スラグ32からの熱輻射等により
封入液体金属28が膨張するため、第１の実施例と同様の
作用効果が得られる。

【００３３】なお、本発明の実施態様を列記すると以下
のとおりである。 (1) 被覆管に燃料スラグからの発熱を冷却材に良好に伝
えるため、ボンド材として液体金属を封入した金属燃料
要素において、スラグ軸方向中心部に下記(2) 記載のベ
ローズ付きカプセルを設けること。 (2) ベローズ内に液体金属を封入し、かつ液体金属の上
部に蒸気空間を有してベローズ付きカプセルを構成する
こと。

【００３４】(3) 前記(2) 記載のベローズ内に金属燃料
ペレットを封入すること。 (4) 燃料スラグを中空を有する円筒形に形成し、その中
空内に前記(2) 記載のベローズ付きカプセルを設けるこ
と。 (5) ベローズに熱膨張時に燃料スラグを分離するための
“つば”を設けること。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、燃料または冷却材の温
度変化に対して応答性が優れているので、事故時に炉心
が膨張することにより、反応度を早期にかつ確実に低下
させ信頼性の高い金属燃料要素を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る金属燃料要素の第１の実施例を示
す縦断面図。

【図２】図１における金属燃料要素の作動原理を示す模
式図。

【図３】本発明に係る金属燃料要素の第２の実施例を示
す縦断面図。

【図４】（ａ）は従来の金属燃料要素を示す縦断面図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視方向断面図。

【図５】金属燃料要素炉心の過出力型事故時の応答と出
力、流量の変化を示す特性図。

【図６】図５における反応度バランスの変化を示す特性
図。

【図７】金属燃料要素炉心の流量低下型事故時の応答と
出力、流量のおよび出力／流量比変化を示す特性図。

【図８】図７における反応度バランスの変化を示す特性
図。

【図９】反応度効果の要因を説明するための原理図。

【符号の説明】

１…被覆管、２…燃料スラグ（従来例）、３…ボンド
材、４…ガスプレナム、５…ワイヤスペーサ、６…上部
端栓、７…下部端栓、８…炉容器、９…炉心支持構造
物、10…炉心、11…隔壁、12…ホットプレナム、13…中
間プレナム、14…コールドプレナム、15…燃料スラグ、
16…燃料集合体、17…制御棒吸収体、18…制御棒、19…
制御棒駆動軸、20…被覆管、21，22…端板、23…円柱状
燃料スラグ、24…ベローズ、25…液体金属ボンド材、26
…ガスプレナム、27…燃料ペレット、28…封入液体金
属、29…蒸気空間、30…感温部、31…吸収体、32…円筒
状燃料スラグ、33…環状分離用つば、34…長尺ベロー
ズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被覆管内に金属ウランおよびプルトニウ
   ムで成形した燃料スラグおよびこの燃料スラグの周囲に
   液体金属ボンド材が封入され、かつガスプレナムを有す
   る金属燃料要素において、前記燃料スラグと燃料スラグ
   との間または燃料スラグ内に液体金属を封入しかつ蒸気
   空間を有するベローズを設けてなることを特徴とする金
   属燃料要素。