JPH0694890A - 照射試験用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 照射試験用装置に組み込まれる試料収納容器
において、試験したい特性の未知な新燃料要素などの照
射試験を安全に実施できる装置を提供する。 【構成】 試料収納容器を構成する断熱ガス部の上部お
よび下部密封部の開封温度を調整し易いような構成に改
善した。 【効果】 試料収納容器の下部側には、ベロ−ズが不要
となり、流量調節範囲が広がる一方、上部側は、自律的
に過熱状態を検知するので試験燃料要素の適用範囲が広
がり、安全性は向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は、原子炉において、照射
試験を行うための照射装置に組み込まれる試料収納容器
の改良に関する。

【０００１】

【従来の技術】高速増殖炉（ＦＢＲ）の照射試験装置
は、炉心燃料集合体と差し替えて炉心に装荷するため、
その外形形状は炉心燃料集合体とほぼ同じである。すな
わち、ラッパ管、ハンドリングヘッド、エントランスノ
ズルなどで構成された容器の中に所定の試験燃料要素を
数本ずつ束ねて複数個の試料収納容器を組込み、集合体
としている。試料収納容器は、試験項目によって照射途
中でこれから試験燃料要素を取り出して検査し、各試験
燃料要素を再び集合体に組立てて炉心に再装荷し、照射
試験を継続できることが望ましい。また、各試料収納容
器は、独立して照射温度や冷却材の流量を変えて１つの
集合体で試験条件の異なる試験を同時に行えることが望
ましい。

【０００２】試験燃料要素は核反応によって発熱し、試
料収納容器内を流れる冷却材（この場合は液体ナトリウ
ム）が加熱されて、下部の入口側で約３７０℃の冷却材
が、上部の出口側では５００℃以上の高温に達する。一
方、試料収納容器の外側にも下部からの冷却材が流れて
いるため、試験燃料要素で加熱された冷却材は隣り合う
各試料収納容器に伝熱するので試験条件の異なる試験が
同時に行えない。

【０００３】このため、従来技術では、試料収納容器の
外壁を二重の円管にしてその間隙に不活性ガスを密封
し、各試料収納容器の径方向の熱移動を少なくするガス
断熱構造が採用されている。その場合、二重管は、試験
燃料要素があるので炉に装荷する前後の核反応による発
熱時では、外管に比べて内管は温度が高くなり両者には
熱膨張による伸びの差を生じるので、これを吸収し、か
つ間隙ガスを密封するため、内管と外管をベロ−ズを介
して気密に接合している。

【０００４】これらの従来技術については、榎戸裕二
他；日本原子力学会誌、Ｎｏ．７（３１）２、１９８９
年に記載されている。すなわち、図５は、照射試験用装
置の縦断面図である。図６は、図５のＡ−Ａ断面図、図
７は、図５のＢ−Ｂ断面図である。図５〜図７におい
て、ラッパ管２５、エントランスノズル２４およびハン
ドリングヘッド２６からなる集合体内に中心棒３５を固
定し、これに固定された板バネ２８によって、試料収納
容器４を保持している。冷却材は、図中の矢印で示すよ
うにエントランスノズル２４の孔３１から流入し、試料
収納容器の外側流路３２と内側流路３４とに分流し、ハ
ドリングヘッド２６から流出する。

【０００５】また、図８は、従来例の試料収納容器の縦
断面図である。図８において、試料収納容器４は、内管
２、外管３、上部継手６、キャップ１０などから構成さ
れ、間隙ガス５を充填して、下部には、内、外管の伸び
を吸収するためベロ−ズ３６を介して溶接７、８で密封
されている。したがって、間隙ガス５は、試料収納容器
４の使用期間中はこの間隙中から放出されることはな
い。

【０００６】このような構成になる従来技術では、ベロ
−ズ３６を介在させていることから二重管のギャップ幅
を小さく抑えて、試料収納部の内管の直径を大きくしよ
うとすると、ベロ−ズ３６の伸縮機能から外径は、外管
よりもさらに大きくはみ出した形状となって、図７に示
すように、集合体内に６本の試料収納容器４を配置でき
なくなる。また、ベロ−ズ３６の外径を外管３に揃える
と、内管２の内径が小さくなり、照射温度を調節するた
めのオリフィスの取付けや冷却材流路が狭くなり、設計
通りの流量調節ができなくなる。

【０００７】さらに、実際の伸縮量よりもベロ−ズ３６
は十分に長い取付け寸法を必要とすることから試料収納
容器４の全長はそれだけ長くなる。また、ベロ−ズ３６
は、一般的に薄肉製で内圧のかかる条件下での使用には
強度的制限が大きかった。

【０００８】また、従来技術の試料収納容器では、試験
燃料要素のうち、照射実績のある燃料の試験の場合は、
予め予測計算に基づいて試験目的に適合した照射条件等
を精度よく設定することは可能である。しかし、燃料の
組成や製造方法等の異なる照射実績の少ない新型燃料要
素では、照射中の燃料挙動に未知の部分が多い。例え
ば、6本の試料収納容器のうち1本だけが、照射中に予測
設定温度以上に温度が上昇したとすると、冷却材の出口
温度もそれに伴って上昇し、速やかに温度を低下させて
試験を実施しなければならない。ところが、従来の、ガ
ス密封型の二重管の試料収納容器４では、その外側を流
れている冷却材への伝熱が阻害されているので、迅速な
対応ができないという問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術の試料収納容器は、内管、外管の伸びの吸収部材とし
てベロ−ズを使用していることから、試料収納容器の形
状、寸法の制限、流量調整用の構造やオリフィス取付け
スペ−スの制約が大きいこと、また照射実績の少ない新
型燃料要素の場合、出口冷却材温度の急激な上昇に対し
て、迅速な対応を図ることが困難であった。

【００１０】本発明は、このような状況に鑑みてなされ
たもので、その目的は、照射試験用装置に組み込まれた
試料収納容器の断熱ガス密封部の上部側および下部側に
改良を加えて、試験燃料要素の付近を流れる冷却材温度
を調節できるようにした。このようにすることにより、
照射挙動の未知な新型燃料要素等を安全に試験ができる
照射試験用装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の照射試験用装置の構成は、複数本の試験燃料
要素を収納した内管とその外周部の間隙に断熱ガスを密
封できる外管とで二重管を形成し、上部密封部および下
部密封部とを備えてなる試料収納容器を、複数個束ねて
収納することができる照射試験用装置において、前記試
料収納容器の下部密封部は、運転前の炉内温度で開封す
るような第１易融合金で密封し、また上部密封部は、炉
内温度の過大化に応じて開封するような第２易融合金で
密封するようにしたことである。

【００１２】

【作用】本発明の照射試験用装置に取り付ける試料収納
容器では、下部側は、運転前の炉内冷却材温度で開封可
能な第１の易融合金で気密に接合されている。したがっ
て、従来のようにベロ−ズ使用における前記の設計およ
び構造の問題は解決できる。すなわち、運転前に炉内に
本装置を装荷すると、運転時に比して炉内温度は低く、
試験燃料要素の発熱も僅かなので、この第１の易融合金
の封止部を含む本体はナトリウム中に浸漬されたまま
で、ガス層の密封状態は保持される。運転にあたり、炉
内温度の上昇が始まると、第１の易融合金は溶融し、気
密接合部は開封し、間隙ガス部の封入ガス圧とバランス
する位置まで下部からナトリウムが間隙に浸入する。そ
の結果、試験燃料要素の発熱部である炉心上部の温度上
昇域にはガス層を形成するようにする。また、内、外管
の接合部も第１の易融合金の溶融によって自由になるの
で、外管に対する内管の上下方向への伸縮が自由にでき
るようになる。

【００１３】一方、二重管の上部側には、第２の易融合
金の封止部を設ける。すなはち、前記の第１の易融合金
の開封によって、二重管の間隙内には、下部側から低温
のナトリウムが流入し、間隙をナトリウムで満たすこと
により試料収納容器の外側を流れているナトリウムにも
伝熱するために、除熱能力を大幅に向上することができ
る。したがって、上昇し過ぎた炉心部の燃料温度を速や
かに低下させることによって、出口冷却材ナトリウムを
十分に安全な温度域までもどすことができる。

【００１４】以上のことから、試料収納容器のベロ−ズ
の機能であるガス層の気密保持と内外の相対的な伸びの
差の吸収も、これによって解決される。また出口温度の
上がり過ぎに対しても除熱能力を高めることによって照
射装置全体の安全性を向上させることができる。

【００１５】なお、照射試験が終了して本装置を原子炉
から取り出す際には、二重管間隙に浸入しているナトリ
ウムは炉心から取り出す際に、上部側および下部側とも
開口しているので、自然にドレンされて炉外にはナトリ
ウムが持ち出されることはない。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の１実施例を図１〜図４を用い
て説明する。図１は、本発明の試料収納容器の炉内装荷
前状態の縦断面図、図２は、図１のＡ部の部分拡大縦断
面図、図３は、図１の試料収納容器の炉内使用状態時の
縦断面図、図４は、図１の試料収納容器の炉内が高温状
態時の縦断面図である。

【００１７】図１〜図４において、１は、試験燃料要
素、２は、内管、３は、外管、４は、試料収納容器、５
は、間隙ガス。６は、上部継手、７、８は、気密溶接個
所、１３は、第１易融合金、１４、１５は、封止部材、
１６、１７は、溶接個所、１８は、第２易融合金、１９
は、ナトリウム、２０は、ナトリウム液面、２１は、下
部密封口、２２は、上部密封口、２３は、間隙ナトリウ
ムである。

【００１８】つぎに、本発明の試料収納容器の構成と動
作について説明する。試料収納容器４は内管２、外管３
の上部を上部継手６に気密溶接７、８され、下部は、内
管２が延長されナトリウム流入口９を形成している。上
部にはキャップ１０がねじで取付けられ、内管２の中に
束ねて試験燃料要素１が複数本収納されている。原子炉
内で核反応によって燃料要素が発熱すると下部から取り
入れたナトリウムは加熱されてキャップ１０の出口から
流出する。

【００１９】一方、図５に示すように、試料収納容器４
の外側にもナトリウムが流れているので、熱の移動は径
方向にも起こるため、各試料収納容器４毎に照射温度を
それぞれ独立に変えた試験条件を設定するとゆう目的
は、達成できなくなる。このため、内管２と外管３のギ
ャップ部に不活性ガス（アルゴンとヘリウムの混合ガ
ス）を充填して、この径方向の熱の相互干渉を少なくす
る方法がとられている。

【００２０】すなわち、充填したガスを密封するため、
内管２と外管３に、図２に示すように、試料収納容器４
の下部側には封止部材１４、１５を溶接固定し、第１易
融合金１３で気密に接合する。第１易融合金としては、
例えば、ステンレス用はんだ材であるＰｂ−１．４５Ａ
ｇ−１．０Ｓｎ（融点約３００℃）が好適である。

【００２１】また、上部継手６には、間隙ガス層５から
内側の冷却材流路上部に連通する孔があり、その入口を
第２易融合金１８で気密封止されている。この第２易融
合金１８は、試料収納容器４からのナトリウム出口温度
の上限を規定するもので、溶融点は入口側の第１易融合
金１３よりも高く、かつ冷却材ナトリウムの沸点８８０
℃よりも低い温度範囲内において、試験燃料要素１の試
験目的に応じて上限温度を設定する必要があるので、各
試料収納容器毎に溶融温度の異なる封止材料が選択され
る。この第２易融合金として、例えば溶融温度約６５０
℃に対しては、Ａｇ−２１〜２３Ｃｕ−１５〜１９Ｚｎ
−４．５Ｓｎ，約７００℃に対しては、Ａｇ−２５〜２
７Ｃｕ−１９〜２３Ｚｎ−１７〜１９Ｃｄ等選択され
る。これらは、いずれもろう接材として通常用いられて
いるものである。

【００２２】このような構成において、前記下部側の封
止部材１４、１５は炉内使用時の熱膨張による伸びを考
慮して、内管側に取付けられる部材を接合面の下側にす
る。また、はんだ付けを好い条件で行うために接合面
は、薄肉にして熱容量を小さくする必要がある。

【００２３】また、二重管構成の組立手順は、まず、内
管２を気密溶接８しておき、つぎに上部継手６を第２易
融合金で封止してから下部のはんだ付けを行った後、外
管３の上部継手部のはめ合い部から間隙ガス５を導入
し、気密溶接７を行う。この場合、気密溶接７の入熱の
影響を少なくするため、第２易融合金の、封止位置は溶
接個所に近づけないようにする。各溶接部および気密封
止部のリ−ク検査は、ヘリウムリ−ク検査法により実施
する。

【００２４】このように構成された試料収納容器４は、
図５に示す通り照射試験用装置として組み立てられ、原
子炉の定期点検期間または燃料交換期間等の原子炉停止
時期に炉心燃料集合体と同一手順で装荷される。通常運
転時の炉内ナトリウムの入口温度は３７０℃程度、出口
温度は５００〜６００℃に達するが、停止時期に限りナ
トリウム温度は２００〜２５０℃に下げて作業が行われ
る。

【００２５】ついで、図３に基づき試料収納容器４の炉
内における使用状態を説明する。いま、本発明の試料収
納容器４を含む照射試験用装置を炉心に装荷すると、炉
の停止期間中にはなんら変化はないが、運転が開始され
るとナトリウム温度が上昇し３７０℃に達する途中で下
部側の第１易融合金は溶融し、上部側の第２易融合金１
８は封止状態のままで二重管の下部側の封止が開放され
る。この時、封入ガス圧とナトリウムの圧力バランスに
より間隙５にナトリウム１９が浸入し、ガス層を押し上
げる。このナトリウム浸入レベル２０が試験燃料要素の
燃料部まで達する場合は、予め封入ガス圧を上げておく
か、封止部をさらに下方へ下げて間隙体積を大きくする
こと等によりナトリウムレベルを任意に調節できる。

【００２６】つぎに図４に基づいて試料収納容器４の炉
内使用状態において、出口側冷却材温度が高温になり過
ぎた場合の動作について説明する。照射中になんらかの
原因によって燃料温度が高くなり冷却材の出口温度が設
定値を超えて上昇して第２易融合金１８の融点に近づく
と、断熱ガス層に連通する封止孔（密封口）が開放され
て、間隙ガス５の放出とともに下部側からナトリウム２
３が上昇して完全に間隙５を満たすことになる。この結
果、試料収納容器４の外側を流れている低温の冷却材に
も伝熱することができるため、除熱能力が向上するので
上昇し過ぎた燃料温度および出口冷却材温度を速やかに
低下させ、安全に試験を行うことができる。試験が終了
して本発明の装置が炉内から引き上げられる途中で上記
の間隙ナトリウム２３は、下部側の開放口から自然にド
レンされ、炉外にナトリウムが固着した状態で持ち出さ
れることはなく、取り出し後のナトリウム洗浄作業に影
響を与えることはない。

【００２７】前記構成部材は、ステンレス系のＳＵＳ３
１６またはＳＵＳ３０４が使用されるので第１、第２易
融合金もこれに適合するはんだ材およびろう材を選定し
たがこれに限定するものではない。他の易融合金を用い
て接合強度や溶融温度を選択する場合には、接合および
封止部位に中間金属を介在させる（メッキもしくは溶
射）ことにより解決することもできる。

【００２８】また、前記間隙部にナトリウムを満たすの
みでは、なお出口温度の低下が不十分な場合に対して、
上部側封止孔よりも開口面積の大きい第３の開口部を試
料収納容器上部側の容器外側に向けて設けておく。これ
が、温度の上昇によって開口することにより、スタグナ
ントな間隙ナトリウム２３を積極的に流通させることに
よりさらに除熱能力を向上させることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明の試料収納容器
は、下部側を運転前の炉内温度で開封する比較的低融点
の第１易融合金で、上部側は出口温度が設定値以上に上
昇し過ぎた場合に開封する第２易融合金で間隙ガスを封
止しているので、下部側にはベロ−ズを必要とせず、ベ
ロ−ズによる構造設計上の諸問題を解消でき、製造工程
の簡素化およびコスト低減化ができる。また、ガス間隙
幅を任意に変えても燃料要素下部側の流路断面積を内管
と同一に確保できるので、炉心下部側の長い燃料要素も
収納できる。なお、オリフィス設計においても流路断面
積、長手寸法を大きくとれるので流量調節範囲が広くな
る効果がある。

【００３０】また、上部側には温度の上昇に対して、断
熱ガス層にナトリウムを満たすような自律的な安全系が
作動するようになっている（炉外からの計測線等による
信号によるものではなく）。したがって、従来技術より
も照射デ−タの少ない新型燃料要素も容易に試験するこ
とができ、試験対象とする燃料要素の適用範囲を拡大す
るとともに安全に試験が行なえる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の試料収納容器の炉内装荷前状態の縦断
面図である。

【図２】図１のＡ部の部分拡大縦断面図である。

【図３】図１の試料収納容器の炉内使用状態時の縦断面
図である。

【図４】図１の試料収納容器の炉内が高温状態時の縦断
面図である。

【図５】従来例の試料収納容器を収めた照射試験用装置
の縦断面図である。

【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。

【図７】図５のＢ−Ｂ断面図である。

【図８】従来例の試料収納容器の縦断面図である。

【符号の説明】

１ 試験燃料要素 ２ 内管 ３ 外管 ４ 試料収納容器 ５ 間隙ガス １３ 第１易融合金 １８ 第２易融合金 １９ ナトリウム ２０ ナトリウム液面 ２１ 下部密封口 ２２ 上部密封口 ２４ エントランスノズル ２５ ラッパ管 ２６ ハンドリングヘッド ３６ ベロ−ズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数本の試験燃料要素を収納した内管と
   その外周部の間隙に断熱ガスを密封できる外管とで二重
   管を形成し、上部密封部および下部密封部とを備えてな
   る試料収納容器を、複数個束ねて収納することができる
   照射試験用装置において、前記試料収納容器の下部密封
   部は、運転前の炉内温度で開封するような第１易融合金
   で密封し、また上部密封部は、炉内温度の過大化に応じ
   て開封するような第２易融合金で密封したことを特徴と
   する照射試験用装置。