JPH0990073A - 液体金属冷却高速炉 - Google Patents

液体金属冷却高速炉

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JPH0990073A
JPH0990073A JP7240077A JP24007795A JPH0990073A JP H0990073 A JPH0990073 A JP H0990073A JP 7240077 A JP7240077 A JP 7240077A JP 24007795 A JP24007795 A JP 24007795A JP H0990073 A JPH0990073 A JP H0990073A
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pot
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  • Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料取扱構造の簡素化及び燃料交換に要する
時間の短縮化を図りつつ、しかも原子炉の大出力化を可
能にする。 【解決手段】 原子炉容器2内に複数の炉内中性子遮蔽
体3を設けると共に、一体型燃料集合体をポット6に挿
入した状態で各炉内中性子遮蔽体3内に装荷して複数の
炉心を形成し、各炉内中性子遮蔽体3に冷却材供給配管
29を接続して各炉心内をそれぞれ冷却する一方、燃料
交換を行う場合には、一体型燃料集合体をポット6内の
冷却材8に浸したままの状態でポット6ごと原子炉容器
2より取り出すように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、液体金属冷却高速
炉に関する。さらに詳述すると、炉出力の増大を図るこ
とができ、しかも迅速な燃料交換が可能な液体金属冷却
炉に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の高速炉として、多数の棒状燃料集
合体をそれぞれ装荷するタイプのものがある。しかしな
がら、この高速炉では、崩壊熱の除去に長時間を要する
等の理由から燃料交換を迅速に行うことができず、ま
た、燃料交換を行うための燃料取扱機構、即ち回転プラ
グ、燃料交換機及び燃料出入機等の大型化を招いてい
た。一方、使用済み燃料を交換する場合、先ず原子炉容
器内にポットを挿入し、このポットに交換する棒状燃料
集合体を移し替えて冷却材に浸した状態でポットごと棒
状燃料集合体を原子炉容器から引き抜くタイプの高速炉
もあったが、交換する燃料集合体は多数であるため、燃
料交換作業に手間がかかることには変わりはなかった。
このため、改良型の液体金属冷却高速炉として、即ち、
燃料取扱機構の簡素化と燃料交換作業の迅速化とを高水
準で達成する液体金属冷却高速炉として、特公平7−1
3662号公報に開示された小型液体金属冷却高速炉が
知られている。この小型液体金属冷却高速炉は、一体型
燃料集合体をポット内に挿入し、このポットごと一体型
燃料集合体を単一の炉心に装荷している。そして、使用
済みの燃料を交換する場合、一体型燃料集合体をポット
内の冷却材に浸したままの状態でこのポットごと原子炉
容器から引き抜き、冷却機能付きのナトリウムキャスク
に収容する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしなから、上記従
来の小型液体金属冷却高速炉では、一体型燃料集合体を
ポットごと炉心から引き抜いて燃料交換を行うので、一
体型燃料集合体及びポットを大型化することができず、
適用できる原子炉が、発電を行う場合の出力で数万kW
e程度の小型のものに限定されてしまうという問題があ
った。このため、燃料取扱機構の簡素化と燃料交換作業
の迅速化を図りつつ、しかも原子炉の出力規模を大きく
することが困難であった。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明は、先ず第1に、
発生した高速中性子を有効に利用して炉出力の増大を図
ることができる液体金属冷却高速炉を提供することを目
的とする。また、第2に、燃料取扱構造の簡素化及び燃
料交換に要する時間の短縮化を図りつつ、しかも原子炉
の大出力化が可能な液体金属冷却高速炉を提供すること
を目的とする。
【0005】上記目的を達成するために請求項1記載の
発明は、原子炉容器内に複数の炉心を備えて液体金属冷
却高速炉を構成する。したがって、この液体金属冷却高
速炉では、中性子経済が向上し、各燃料を別々の原子炉
に装荷した場合の合計出力に比べ、炉全体の出力が向上
すると共に増殖比が改善される。
【0006】また、請求項2記載の発明は、一体型燃料
集合体を遮蔽プラグの開口部より出し入れする方式の液
体金属冷却高速炉において、原子炉容器内に複数のポッ
ト収容体を設けると共に、一体型燃料集合体をポットに
挿入した状態で各ポット収容体内に装荷して複数の炉心
を形成し、各ポット収容体に冷却系配管を接続して各炉
心内をそれぞれ冷却する一方、燃料交換を行う場合に
は、一体型燃料集合体をポット内の冷却材に浸したまま
の状態でポットごと原子炉容器より取り出す構成にした
ものである。
【0007】したがって、冷却材は、冷却系配管が接続
された各ポット収容体内に供給される。各ポット収容体
内にはポットに挿入された状態で一体型燃料集合体が装
荷されており、冷却材は各ポット毎に一体型燃料集合体
を冷却しながら循環する。そして、燃料交換時には、ポ
ットをポット収容体から持ち上げることによって、一体
型燃料集合体をポットごと炉外へ取り出す。このとき、
ポット内には冷却材が溜まっているため、使用済み燃料
は冷却材に浸されたままの状態で取り出される。燃料交
換は、各ポット毎に行われる。また、ポットの設置数の
増加に応じて装荷する燃料の量が増え、高速炉の出力が
大きくなる。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【0009】図1及び図2は、本発明に係る液体金属冷
却高速炉の実施の一形態を示している。この液体金属冷
却高速炉1は、原子炉容器2を塞ぐ遮蔽プラグ34の開
口部3aより一体型燃料集合体を出し入れする方式のも
のである。なお、図1では、ループ型原子炉に適用した
場合を示している。
【0010】液体金属冷却高速炉1は、原子炉容器2内
にポット収容体としての炉内中性子遮蔽体3を設けてい
る。炉内中性子遮蔽体3は、炉心支持構造4上の複数箇
所、例えば7箇所に設けられている。各炉内中性子遮蔽
体3内には、図3に示すように、後述する一体型燃料集
合体5がポット6に挿入された状態で装荷され、これに
より、例えば7個の炉心が形成される。なお、図中符号
35は原子炉容器2内を上下に画する隔壁である。各炉
内中性子遮蔽体3は、隔壁35の下側に設置されてい
る。
【0011】ポット6は、図4に示すように、少なくと
も2重壁に構成された有底筒状体で、炉心槽7を形成す
る内壁と外壁との間に、冷却材(例えば液体ナトリウ
ム)8を底部に導くための下降流路9を形成している。
また、外壁の上端近傍位置には、下降流路9に臨んで開
口する冷却材流入孔21が、例えば2箇所に設けられて
いる。このポット6は、例えばオーステナイト系ステン
レス鋼等で作られている。
【0012】炉心槽7を構成する内壁の更に内側には、
必要に応じて冷却材8の流量を配分するための隔壁10
が設けられている。この流量配分用隔壁10は、炉心槽
7内を内側領域7aと外側領域7bとに仕切り、冷却材
8の流れを各領域7a,7bに分けるものである。ま
た、図5に示すように、炉心槽7を構成するポット6の
内壁の下部は内側に折り返されており、これにより折り
返し部分11が形成されている。この折り返し部分11
には、冷却材8を外側領域7bに導入するための流入孔
14が適宜数設けられている。また、この折り返し部分
11には、燃料ピン支持板12が載置されている。
【0013】一体型燃料集合体5を構成する多数の燃料
ピン13は、燃料ピン支持板12に対して、締め付けナ
ット等の締め付け手段により或いはフランジによる係合
手段やその他の固定手段により固定されている。燃料ピ
ン支持板12は、炉心槽7の内側に形成されている段付
き部15に嵌合されている。燃料ピン支持板12は、こ
の段付き部15によって上下方向には拘束されるが、径
方向には隙間を設けて熱膨張し得るように支持されてい
る。また、燃料ピン支持板12には、各燃料ピン13の
間に冷却材8を流入させるための孔16が設けられてい
る。
【0014】隔壁10は、軸方向に分割されたある程度
の長さを有する複数の円筒から構成されている。燃料ピ
ン支持板12とグリッド17との間、並びにグリッド1
7とその上部のグリッド17との間に隔壁10を継ぎ足
すことで、炉心槽7内を全域において内側領域7aと外
側領域7bとに仕切ることができる。
【0015】グリッド17は、炉心槽7に形成された余
裕ある大きめの段付け部18によって半径方向及び軸方
向の熱膨張を許容し得るように支持されている。このグ
リッド17にも、燃料ピン支持板12と同様に、冷却材
8を通過させるための孔16が多数設けられている。ま
た、グリッド17には隔壁10を支持するための環状溝
19がその下面或いは上面若しくは双方に設けられ、隔
壁10が冷却材8によって移動しないように支持されて
いる。なお、グリッド17と隔壁10との継ぎ目部分で
内側領域7aから外側領域7bへの冷却材8の漏れが起
こり得るが、本発明では、それはさほど重要な問題とは
ならない。また、図中符号23は、整流コーンである。
この整流コーン23は、冷却材8の流れの反転を容易に
するために設けられている。
【0016】ポット6の上端の開口は、排出口22とな
っている。各領域7a,7bを流れながらポット6内を
冷却した冷却材8は、この排出口22から原子炉容器2
内に流出する。また、ポット6の上端には、燃料交換の
ためのハンドリング・ヘッド20が設けられている。こ
のハンドリング・ヘッド20は、燃料交換の際にグリッ
パの爪を内側から引っかけるための係合部、例えばフラ
ンジである。
【0017】一体型燃料集合体5は、多数の燃料ピン1
3より構成される。例えば、約5000本の燃料ピン1
3で構成された一体型燃料集合体5は、約5万kW程度
の発電出力に相当する。燃料ピン13は、特に詳細に図
示していないが、通常は、被覆管内に燃料等を収容して
端栓や中間栓等で密封し、これにより、燃料24、軸ブ
ランケット25、ガスプレナム26、遮蔽体27,2
7、等の領域をピン(被覆管)内に設けることが一般的
である。また、各燃料ピン13のうち、一体型燃料集合
体5の周縁部分に位置するものは、例えばウラン238
等のブランケット物質が挿入されたブランケット燃料と
なっている。
【0018】これらの燃料ピン13は、通常必要な段数
のグリッド17,…,17によって相互に拘束され、且
つ炉心槽7に固定される。一体型燃料集合体5の中央部
には、ポイズンロッドを挿入するためのポイズンロッド
領域28が形成されている。また、図示はしていない
が、一体型燃料集合体5の中央部近傍の数カ所には、制
御棒挿入領域が形成されている。この他に必要に応じて
一体型燃料集合体5の内部に制御領域を設けることが可
能である。
【0019】各炉内中性子遮蔽体3は、棒状に成形され
た中性子遮蔽部材の集合体であり、全体として円筒形状
を成している。各炉内中性子遮蔽体3の内周面には、図
3に示すように、ポット6の冷却材流入孔21に対向し
て環状溝3aが形成されている。また、炉内中性子遮蔽
体3には、この環状溝3aに臨んで開口するポート3b
が設けられている。このポート3bには、冷却系配管、
具体的には冷却材供給管29が接続されている。冷却材
供給管29は、入口配管30及び1次主循環ポンプを介
して図示しない中間熱交換器に接続されており、この中
間熱交換器を通過して冷却された冷却材8をポット6内
に導いている。
【0020】各炉内中性子遮蔽体3と各ポット6との間
には、上下一対のシール部材31,32が設けられてい
る。各シール部材31,32は、図6に詳しく示すよう
に、例えば蛇腹形状を成しており、炉内中性子遮蔽体3
の内周面の環状溝3aを挟んだ上下両方の位置に全周に
わたって設けられている。即ち、各シール部材31,3
2の基端はポット6の内周面に固着される一方、他端は
ポット6の外周面に弾性力をもって当たり密着してい
る。したがって、ポート3bから環状溝3a内の空間に
流入した冷却材8は、各シール部材31,32でシール
された空間を通ってポット6内に流入する。環状溝3a
及び各シール部材31,32は炉内中性子遮蔽体3の内
周面の全周にわたって設けられているので、炉内中性子
遮蔽体3内に挿入されたポット6の向きが周方向のいず
れに在っても、換言すると冷却材流入孔21が周方向の
いずれに向いていても、冷却材供給管29から供給され
る冷却材8が冷却材流入孔21を通じてポット6内に導
かれる。
【0021】そして、ポット6内に導かれた冷却材8
は、下降流路7を通って底部に向かって流れた後、整流
コーン23に沿って反転し、炉心槽7の内側領域7aと
外側領域7bを流れて一体型燃料集合体5の間を通過す
る。これにより、各燃料ピン13が冷却される。各燃料
ピン13を冷却した冷却材8は、排出口22から炉心上
部機構33の周囲に流出し、図7に示すように、出口配
管36から吸い上げられて中間熱交換器へと導かれる。
7箇所の炉心について同様に冷却材8が循環し、各炉心
の冷却が行われる。
【0022】なお、各シール部材31,32は、使用済
み燃料を交換するためにポット6が炉内中性子遮蔽体3
から引き抜かれた場合、弾性変形しながらポット6より
外れてその引き抜きを許容する。一方、ポット6が炉内
中性子遮蔽体3内に挿入されて燃料が装荷された場合、
各シール部材31,32は、ポット6の外周面に密着し
て環状溝3aと冷却材流入孔21とを一連の通路として
接続する。
【0023】原子炉容器2内の7個の炉内中性子遮蔽体
3は、図2に示すように、中央に配置された一の炉内中
性子遮蔽体3を囲むようにして他の炉内中性子遮蔽体3
を配置しているので、各々を接近させて配置することが
できて原子炉容器2内の空間の有効利用が図られてい
る。
【0024】表1に、単一の炉心を備える場合と、この
炉心を7個集めて設置した場合における電気出力等の試
算結果を示す。この表からも明かなように、本発明の高
速炉では燃料の装荷量が7倍になっているのに過ぎない
が、電気出力としては10倍のものを得ることができ
る。また、増殖比及び燃焼度も増加する。この場合、炉
心寿命は、いずれも5年としている。
【0025】
【表1】 以上のように構成された液体金属冷却高速炉1では、次
のようにして使用済み燃料を取り出す。
【0026】先ず、図8に示すように、一体型燃料集合
体5(炉心)内のポイズンロッド領域28にポイズンロ
ッド37を挿入し、臨界に対する安全性を確保する。次
に、図9に示すように、炉心上部機構33を引き抜く。
その後、図10に示すように、ポット6に専用のグリッ
パ38を取り付けてポット6を引き抜く。ポット6内に
は冷却材8が溜まっており、一体型燃料集合体5は冷却
材8に浸されたままの状態でポット6ごと引き抜かれ
る。この場合、ポット6内の冷却材8は冷却材流入孔2
1の下端位置まで溜まっており、各燃料ピン13は頂部
まで冷却材8に浸されて各燃料ピン13の健全性が保証
される。そして、引き抜かれたポット6は、図11に示
すように、炉上部に待機している冷却機能付きナトリウ
ムキャスク39に収容されて搬出される。
【0027】なお、炉心上部機構33及びポット6は、
図示しないクレーン装置によって引き抜かれる。このク
レーン装置は、原子炉のメンテナンス用のものであり、
原子炉には必ず設置されている汎用機である。本発明の
高速炉1では、このクレーン装置を使用して燃料交換を
行うので、従来の高速炉で必要であった専用機である燃
料取扱構造を不要にできる。したがって、付属設備の合
理化が図れると共に、原子炉建屋も小型化でき、炉の建
築コストを低減できる。
【0028】本発明の液体金属冷却高速炉1は、原子炉
停止から2週間の崩壊熱減衰待ち時間を経過した後に燃
料交換を行うことを想定している。2週間の崩壊熱減衰
待ち時間を経過した時の冷却材8の温度が200℃であ
ったとすると、原子炉内から取り出されて1時間経過し
た後のポット6内の冷却材8の温度は370℃程度、燃
料ピン13の局所最高温度は450℃程度になる。実際
には、原子炉容器2から取り出されたポット6内の一体
型燃料集合体5は、直ちにナトリウムキャスクに39収
容されるため、燃料ピン13はより低い温度に保持され
る。
【0029】表2は、本発明に係る液体金属冷却高速炉
1と、従来の液体金属冷却炉(棒状燃料集合体をナトリ
ウムポットに挿入した状態で引き抜くタイプ、及び一体
型燃料集合体を直接装荷するタイプ)との崩壊熱減衰待
ち時間及び燃料交換時間を比較したものである。本発明
に係る液体金属冷却高速炉1では、崩壊熱減衰待ち時間
と燃料交換時間のいずれも著しく短縮される。なお、表
2において、評価符号○は優れている、×は劣ってい
る、を意味する。
【0030】
【表2】 なお、燃料を装荷する場合には、上述の手順を逆に行っ
て一体型燃料集合体5をポット6ごと炉内中性子遮蔽体
3内に挿入する。
【0031】次に、本発明に係る液体金属冷却高速炉
を、プール型(タンク型)高速炉に適用する場合の実施
の形態について説明する。図12及び図13に示すよう
に、液体金属冷却高速炉40の原子炉容器2内には、例
えば7箇所にポット収容体としての炉内中性子遮蔽体3
を設けている。各炉内中性子遮蔽体3内に挿入されるポ
ット6内の一体型燃料集合体(図示せず)を冷却する冷
却材8は、1次主循環ポンプ41から冷却材供給管29
を経て炉内中性子遮蔽体3のポート内に圧送され、炉内
中性子遮蔽体3とポット6との間をシールする上下一対
のシール部材の間を通ってポット6内に流入する。そし
て、ポット6内に流入した冷却材8は、一体型燃料集合
体を冷却した後ポット6から隔壁35の上の高圧プレナ
ム42内に流出し、中間熱交換器43を経て1次主循環
ポンプ41に吸い込まれ、炉心を冷却すべく循環され
る。このプール型高速炉においても、上述のループ型高
速炉と同様にポット6ごと使用済み燃料を交換する。ま
た、プール型高速炉においても、上述のループ型高速炉
と同様に、原子炉容器内に隣接して設けられた各炉心が
互いに影響を及ぼし合って中性子経済を向上させ、電気
出力を大きくできる。
【0032】なお、本発明に係る液体金属冷却高速炉
1,40では、原子炉容器2を小型化できる。表3は、
本発明に係る液体金属冷却高速炉と従来の高速炉につい
て、電気出力60万kWのものについて試算した結果を
比較している。従来の高速炉では、使用済み燃料の徐熱
の観点から、燃料交換の際に炉心から引き抜いた使用済
み燃料集合体の頂部が原子炉容器2内の冷却材自由液面
上に露出するのを防止するため、原子炉容器2の高さが
大きくなる欠点があった。これに対して一体型燃料集合
体5を用いる本発明では、ポット6内に冷却材8が確保
されるため、原子炉容器2の高さの大幅削減が可能であ
る。この場合、原子炉容器2の直径を従来のものに対し
て大型化することなく、原子炉容器2の高さの低減を可
能にしている。
【0033】
【表3】 尚、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるが
これに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しな
い範囲において種々変形実施可能である。
【0034】例えば、本実施例では、原子炉容器2内の
7箇所にポット6を設置して7個の炉心を構成した場合
について説明したが、ポット6を設置して構成する炉心
の数は7個に限るものではなく、必要とする炉出力等に
応じて適宜数の炉心を備えても良いことは勿論である。
この場合、原理的には一体型燃料集合体5の数に応じて
任意の出力が得られる。ただし、原子炉出力の上限は、
本発明にて論じている炉心の形態及び取扱方式の観点か
らの制約の他に、原子炉構造の強度及び製作・施行上の
制約などにも依存する。本発明は前者の制約を緩和する
ためのものであり、従来型炉と同様に後者の制約は受け
るため、現状技術での炉出力の上限はほぼ120万kW
e程度と考えられる。
【0035】また、本実施例では、一体型燃料集合体5
をポット6内に設置して炉心に装荷するタイプの高速炉
1,40について説明したが、ポット6を用いることな
く一体型燃料集合体5を直接炉心に装荷するタイプの高
速炉に適用しても良いことは勿論である。
【0036】また、本実施例では、燃料ピン13をまと
めて構成した一体型燃料集合体5を炉心に装荷するタイ
プの高速炉1,40について説明したが、装荷燃料は必
ずしも一体型燃料集合体5である必要はなく、多数の棒
状燃料集合体を炉心に個別に装荷するタイプの高速炉に
適用しても良いことは勿論である。
【0037】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1記載の液
体金属冷却高速炉は、原子炉容器内に複数の炉心を備え
ているので、中性子経済が向上し、炉出力を向上させる
ことができると共に、増殖比を改善することができる。
【0038】また、請求項2記載の液体金属冷却高速炉
は、原子炉容器内に複数のポット収容体を設けると共
に、一体型燃料集合体をポットに挿入した状態で前記各
ポット収容体内に装荷して複数の炉心を形成し、前記各
ポット収容体に冷却系配管を接続して前記各炉心内をそ
れぞれ冷却するので、設置するポット数を増加させるこ
とで燃料の装荷量を増やすことができる。このため、原
子炉の大出力化を容易に図ることができる。
【0039】また、燃料交換を行う場合には、前記一体
型燃料集合体を前記ポット内の冷却材に浸したままの状
態で前記ポットごと前記原子炉容器より取り出すので、
原子炉停止後、ある程度崩壊熱を除去した段階で燃料交
換を開始することができる。このため、燃料交換作業を
早期に開始できて崩壊熱減衰待ち時間を大幅に短縮で
き、原子力発電プラントの稼動率を向上させることがで
きる。また、燃料交換作業が簡単なものになるので、交
換作業自体に要する時間も短縮でき、原子力発電プラン
トの稼動率をさらに向上させることができる。
【0040】さらに、一体型燃料集合体を使用すること
で、炉に設置されているクレーン装置を使用して燃料交
換を行うことが可能になる。このため、従来の高速炉で
必要であった燃料交換機が不要になり、高速炉の建設費
を抑制することができ、発電コストの低減を図ることが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る液体金属冷却高速炉の実施の一形
態を示し、ループ型の原子炉に適用した場合の構成を概
略的に示す断面図である。
【図2】図1の液体金属冷却高速炉の炉心のレイアウト
を平面的に示す配置図である。
【図3】図1の液体金属冷却高速炉の要部を示す断面図
である。
【図4】図1の液体金属冷却高速炉のポットを詳細に示
す断面図である。
【図5】図4のポットの一部を拡大した断面図である。
【図6】図1の液体金属冷却高速炉の炉内中性子遮蔽体
とポットとの間のシール構造を示す概略構成図である。
【図7】図2の矢線VII−VIIに沿う液体金属冷却
高速炉の断面図である。
【図8】図1の液体金属冷却高速炉の燃料交換の手順を
示す図である。
【図9】図8に続く燃料交換の手順を示す図である。
【図10】図9に続く燃料交換の手順を示す図である。
【図11】図10に続く燃料交換の手順を示す図であ
る。
【図12】本発明に係る液体金属冷却高速炉の他の実施
の形態を示し、プール型の原子炉に適用した場合の構成
を概略的に示す断面図である。
【図13】図12の液体金属冷却高速炉の炉心のレイア
ウトを平面的に示す配置図である。
【符号の説明】
1,40 液体金属冷却高速炉 2 原子炉容器 3 炉内中性子遮蔽体(ポット収容体) 5 一体型燃料集合体 6 ポット 8 冷却材 29 冷却材供給管(冷却系配管) 34 遮蔽プラグ 34a 開口部

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 原子炉容器内に複数の炉心を備えること
    を特徴とする液体金属冷却高速炉。
  2. 【請求項2】 一体型燃料集合体を遮蔽プラグの開口部
    より出し入れする方式の液体金属冷却高速炉において、
    原子炉容器内に複数のポット収容体を設けると共に、前
    記一体型燃料集合体をポットに挿入した状態で前記各ポ
    ット収容体内に装荷して複数の炉心を形成し、前記各ポ
    ット収容体に冷却系配管を接続して前記各炉心内をそれ
    ぞれ冷却する一方、燃料交換を行う場合には、前記一体
    型燃料集合体を前記ポット内の冷却材に浸したままの状
    態で前記ポットごと前記原子炉容器より取り出すことを
    特徴とする液体金属冷却高速炉。
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