JPH067178B2 - 燃料制御自律安全型高速増殖炉 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、一般的には液体金属冷却材を用いた高速増
殖炉に関し、さらに詳しくは、燃料装荷ひいては炉出力
を自律的に制御することができるとともに運転中燃料交
換が可能な新規な自律安全型高速増殖炉に関するもので
ある。

〈従来の技術および問題点〉 従来の高速増殖炉においては、燃料交換を行なう場合に
炉を停止しなくてはならないため、稼働率を高めるには
交換のための炉停止期間をできるだけ短縮する努力をし
なければならないが、燃料交換のための燃料交換器や燃
料出入機といった装置の設置は不可欠である。

またその運転にあたっては炉外部からの人為的出力制御
を必要とし、さらには外部環境への放射性物質の放出を
防止するために、制御棒や原紙炉緊急停止系等の安全の
ための多大な設備を必要としている。

その結果、炉全体の構造は大型となり、一度設置すれば
その設置場所から移動させることなど全く不可能であ
る。

そこでこの発明は、運転中燃料交換が可能でしかも自律
的に出力制御でき、従って燃料交換や出力制御を行なう
ために従来から必要であった設備を大幅に削減できるの
で炉全体の構造がコンパクトで簡略化でき、その結果可
搬型としうるため僻地や洋上等いかなる場所にも設置可
能な自律安全型高速増殖炉を提供することを目的として
なされたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するためこの発明によれば、炉心タン
クを中心に、その上方に新燃料装荷タンクを積み重ね、
その下方に使用済燃料カートリッジタンクを着脱自在に
取付けたタンク積み重ね構造の高速増殖炉が提供され
る。炉心タンクは、液体金属冷却材の入口および出口を
有し、かつ複数の燃料支持管が垂直に貫通している。新
燃料装荷タンクは、炉心タンクの各燃料支持管と一直線
となるように整合する複数の燃料装荷孔が貫通してお
り、各燃料装荷孔内は不活性ガス雰囲気とするとともに
各燃料装荷孔の上端開口はシールプラグにより密封され
ている。使用済燃料カートリッジタンクは、炉心タンク
の各燃料支持管と一直線となるように整合する複数の有
底の使用済燃料収納孔が穿設されている。

炉心タンクの各燃料支持管の上端には、新燃料装荷タン
クの燃料装荷孔から燃料支持管内に燃料要素が自重落下
する速度を制御するために温度変化によりその開口度が
変化する上部形状記憶合金部材が配設されており、また
各燃料支持管の下端には、燃料支持管から使用済燃料カ
ートリッジタンクの使用済燃料収納孔内へ使用済燃料要
素が自重落下する速度を制御するために温度変化により
その開口度が変化する下部形状記憶合金部材が配設され
ている。

〈作用〉 上述のごとき構成のこの発明の高速増殖炉によれば、定
格運転温度においては、上部形状記憶合金部材は一定の
落下速度で燃料要素を新燃料装荷タンクの燃料装荷孔か
ら炉心タンクの燃料支持管内へ装荷し、一方下部形状記
憶合金部材は同じく一定落下速度で燃料要素を炉心タン
クの燃料支持管から使用済燃料カートリッジタンクの使
用済燃料収納孔へ排出する。その結果定格出力が維持さ
れる。

定格運転温度から上昇した時は、上部形状記憶合金部材
は開口度を縮小して燃料要素の燃料支持管への落下速度
を遅くし、一方下部形状記憶合金部材は開口度を拡大し
て燃料要素の使用済燃料収納孔への落下速度を速くし、
その結果、燃料支持管内の燃料要素の数が減少するた
め、炉心出力は低下し定格出力へ戻る。

定格運転温度から低下した時は、上部形状記憶合金部材
は開口度を拡大して燃料要素の落下速度を速くし、一方
下部形状記憶合金部材は開口度を縮小して燃料要素の落
下速度を遅くする結果、燃料支持管内の燃料要素数が増
加するため炉心出力は定格出力へ上昇する。

また、温度が過度に上昇する異常時においては、上部形
状記憶合金部材の開口度は大幅に縮小して燃料要素の燃
料支持管への装荷は阻止され、下部形状記憶合金部材の
開口度は大幅に拡大されて燃料支持管内の燃料要素はそ
の大部分が使用済燃料収納孔へ落下，排出される結果、
炉心は未臨界となり出力は零となる。

このようにこの発明による高速増殖炉は炉出力を自律的
に制御できることにより、かくして燃料制御自律安全型
高速増殖炉と称することができる。

〈実施例〉 以下に図面に示す実施例を参照してこの発明をさらに説
明する。第１図はこの発明の高速増殖炉の一実施例を示
す説明図であって、炉心タンク１０の上方に新燃料装荷
タンク２０を積み重ね、下方に使用済燃料カートリッジ
タンク３０が着脱自在に取付けられた全体として３つの
タンクの積み重ね構造となっている。

炉心タンク１０は液体金属冷却材例えば液体ナトリウム
の入口１１および出口１２を有し、内部は液体ナトリウ
ム冷却材１３で満たされており、さらに複数の燃料支持
管１４が垂直に貫通している。燃料支持管１４に装荷さ
れる燃料は、プルトニウムおよびウラン燃料を耐熱，耐
放射線性のステンレス合金等の円筒状または角柱状の被
覆管に封入した燃料要素１５の形態とされ、これらの燃
料要素の複数個が燃料支持管１４内に積み重ねられた燃
料配置で使用される。

新燃料装荷タンク２０には、複数の燃料装荷孔２１が垂
直に貫通し、各孔の上端開口はシールプラグ（図示せ
ず）により密封されている。新燃料装荷タンク２０が炉
心タンク１０の上に積み重ねられたとき、各燃料装荷孔
２１は燃料支持管１４の各々と一直線に整合するように
なっているが、各燃料装荷孔２１内はアルゴンガスのご
とき不活性ガス雰囲気とされているため、炉心タンク１
０内の液体ナトリウムが燃料装荷孔２１を介して空気と
接触しないようにされている。各燃料装荷孔２１内には
燃料装荷クレーン４０から新たな燃料要素１５が逐次装
荷され溜められている。

使用済燃料カートリッジタンク３０には、複数の有底の
使用済燃料収納孔３１が穿設されている。このタンク３
０は炉心タンク１０の下に着脱自在に取付けられるよう
になっており、着装されたときに各収納孔３１は炉心タ
ンクの燃料支持管１４の各々と一直線に整合する。

上述した燃料装荷孔２１、燃料支持管１４および使用済
燃料収納孔３１はいずれも、燃料要素１５が自重で落下
しうる直径を備えている。

炉心タンク１０の各燃料支持管１４の上端には上部形状
記憶合金部材Ａが配設されている。この部材Ａは炉心の
定格運転温度において約１週間で燃料要素１個を自重で
落下させて燃料装荷孔２１から燃料支持管１４内へ装荷
するように設定した開口度（燃料要素と部材Ａとのギャ
ップ）を有し、温度が上昇するにつれてこの開口度が縮
小して燃料要素１５の落下速度を送らせ、さらには落下
を阻止するようにされている。一方、各燃料支持管１４
の下端には下部形状記憶合金部材Ｂが配設されている。
この部材Ｂは定格運転温度において約１週間で燃料要素
１個を自重で落下させて燃料支持管１４から使用済燃料
収納孔３１内へ排出するように設定された開口度を有
し、定格温度より１０℃高くなると開口度を拡げて燃料
要素落下速度を速くし、さらに温度が上昇すると燃料要
素を直ちに落下させるようになっている。

上述した構成を有するこの発明の高速増殖炉の動作を次
に説明する。炉の始動に際しては、炉内温度が低いため
上部形状記憶合金部材Ａは全開となっており、新燃料装
荷タンク２０から炉心タンク１０の各燃料支持管１４内
へ燃料要素１５が落下するが、下部形状記憶合金部材Ｂ
は開口度が最小となっているため落下せず、各燃料支持
管１４内に燃料要素スタックが形成され、燃料の核分裂
反応は臨界となって徐々に温度が上昇し始める。温度上
昇に伴い、上部形状記憶合金部材Ａの開口度が次第に縮
小し、新燃料装荷タンク２０からの燃料要素装荷は所定
の設定速度となり、一方、下部形状記憶合金部材Ｂの開
口度は次第に拡大して燃料支持管１４から使用済燃料カ
ートリッジタンク３０へ燃料要素は所定の設定速度で落
下するようになり、炉心は定格出力となる（第２図参
照）。なお、ナトリウム冷却材１３は沸点が約900℃と
高く、500〜600℃の炉運転温度では大気圧であるため、
燃料要素１５は新燃料装荷タンク２０から炉心タンク１
０へ自重で落下できる。

出力が定格状態より高くなり始めると、下部形状記憶合
金部材Ｂの開口度が拡大し燃料要素の落下速度が次第に
速くなり、炉心出力が低下して出力は定格状態にもど
る。

また、何らかの原因で炉心出力が過度に上昇したり、ナ
トリウム冷却材１３流量が減少するような異常時におい
ては、ナトリウム温度は定格時より上昇し、上部形状記
憶合金部材Ａは開口度が最大限に縮小して燃料１５の装
荷を阻止する一方、下部形状記憶合金部材Ｂは開口度が
最大限に拡大して各燃料支持管１４内の燃料要素１５は
最上部１個（上部形状記憶合金部材Ａに挾持されてい
る）を残して全て落下する。その結果、炉心は直ちに未
臨界となり、出力は零となる（第３図参照）。この発明
の高速増殖炉においては、余剰反応はほとんど零である
ため、異常時に炉心タンク燃料支持管１４から数個の燃
料要素１５を落下させるだけで未臨界となる。

なお、使用済燃料カートリッジタンク３０の収納孔３１
が炉心から落下してくる燃料要素により一杯になった
ら、炉運転中でもこのカートリッジタンク３０を炉心タ
ンク１０から取り外して新たな空のカートリッジタンク
３０′（第１図）を炉心タンク１０に装着することがで
きる。取り外したカートリッジタンク３０は使用済燃料
再処理場へ運搬して再処理される。

〈発明の効果〉 この発明の高速増殖炉は上述したごとき構成を有してい
るため、次のような効果が得られる。

(1)燃料要素は自重落下により炉心に装荷され、ナトリ
ウム冷却材温度により燃料要素落下速度が調節されるた
め炉出力は自律的に制御されることになり、安全性が高
い。

(2)従来必要であった制御棒や原子炉緊急停止系、さら
には燃料交換装置が不要となり、設備が大幅に削減でき
る。

(3)運転中燃料交換のため稼働率が向上する。

(4)原子炉構成機器はタンクが主なため、構造が簡単で
製造・組立てが容易であり可搬型原子炉となる。そのた
め僻地や洋上などいかなる場所の設置も可能となる。

(5)運転中燃料交換を行なえること、および構造が簡単
で主要構成機器の信頼性が高いことから、メンテナンス
フリーで連続運転ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の高速増殖炉の一実施例を概念的に説
明する断面図、第２図は炉運転時の燃料要素の配置を示
す説明図、第３図は異常時における燃料要素の配置を示
す説明図である。 １０…炉心タンク、１１…冷却材入口、１２…冷却材出
口、１３…液体金属冷却材、１４…燃料支持管、１５…
燃料要素、２０…新燃料装荷タンク、２１…燃料装荷
孔、３０，３０′…使用済燃料カートリッジタンク、３
１…使用済燃料収納孔、Ａ…上部形状記憶合金部材、Ｂ
…下部形状記憶合金部材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体金属冷却材の入口および出口を有しか
   つ複数の燃料支持管が垂直に貫通している炉心タンクの
   上方に、該燃料支持管と一直線となるように整合する複
   数の燃料装荷孔が貫通している新燃料装荷タンクを積み
   重ね、該炉心タンクの下方に、該燃料支持管と一直線と
   なるように整合する複数の有底の使用済燃料収納孔が穿
   設されている使用済燃料カートリッジタンクを着脱自在
   に取付けてなり、該炉心タンクの各燃料支持管の上端に
   は、該新燃料装荷タンクの燃料装荷孔から該燃料支持管
   内に燃料要素が自重落下する速度を制御するために温度
   変化によりその開口度が変化する上部形状記憶合金部材
   を配設し、該各燃料支持管の下端には、該燃料支持管か
   ら該使用済燃料カートリッジタンクの使用済燃料収納孔
   内へ使用済燃料要素が自重落下する速度を制御するため
   に温度変化によりその開口度が変化する下部形状記憶合
   金部材を配設し、該新燃料装荷タンクの燃料装荷孔内は
   不活性ガス雰囲気とするとともに該燃料装荷孔の上端開
   口はシールプラグにより密封してなり、これによって、
   温度変化による上部および下部形状記憶合金部材の開口
   度の変化によって炉心タンクの燃料支持管内燃料要素の
   装荷および排出を調節することにより炉出力を自律的に
   制御できるようにするとともに、運転中燃料交換を可能
   にしたことを特徴とする燃料制御自律安全型高速増殖
   炉。