JPS6247586A - 新型炉停止機構付燃料集合体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、一般的には原子炉に係わシ、特に事故時、自
動的に原子炉を停止させる機構全内包した燃料集合体に
関するものである。

〔発明の背景〕

第５図は公知の構造の液体金属冷却型高速増殖心１には
複数本の燃料集合体２が収容されている。

炉心１で発生する熱は制御棒３によって調整され、制御
棒３は炉心上部機構４内に位置する制御棒駆動機構によ
って炉心１内を上下動する。炉心１は、炉容器５に収容
され、原子炉全体は安全容器６に収容される。Ｐは燃料
として部分濃縮フラン（ｕ２３６　）あるいはプルトニ
ウムＣＰ、２８９　）を用い、−次冷却材（液体金属ナ
トリワム）７は典型的には大気圧のす）　ＩＪワムが用
いられる。また、炉は主循環ポンプを介して循環される
一次冷却材７によって冷却される。−次冷却材７は燃料
集合体２の下部よシ流入し、炉心１に至る。炉心１では
、核分裂反応によって発生した熱が一次冷却材７に伝え
られる。炉心１を通って上方に至った一次冷却材７は、
次に主中間熱交換器に流入し、主中間熱交換器内で二次
冷却材（液体金夙ナトリウム）との熱交換を行なう。

以上の構成において、従来の原子炉停止システムは、検
出器によシ事故を検出し、ロジック回路によって原子炉
停止信号を発生させ、制御棒をスクラム作動させるとい
う一連の流れによって原子炉を停止させるものである。

上記で述べた停止システムとして現状では、完全に独立
した２系統の原子炉停止系（主炉停止系／後備炉停止系
）を設ける方向にあわ、かつ両系統は、スクラム信号、
電気回路、リレーロジック、遮断器の構成、ｉ！＋ｌＪ
　御棒の構造などに可能な限シ多重性と多様性金偏える
よう配慮され、相当高いレベルの信頼性が達成されると
評価される。

しかし、現状のシステムにおいても下記に述べるような
不安要因のため、不作動となる確率は零とはならない。

（１）計測器からリレー、遮断器に至るまでの電気系設
備の共通原因故障の恐れ。

（２）制御棒、駆動機構等の機械設備の共通原因故障の
恐れ。

（３）高速炉特有の変形した炉心への制御棒の挿入性並
びに地震時の制御棒挿入性に関する不安。

これらの不安要因による不作動となる確立をさらに激減
するためには、次のような概念にもとづく制御システム
である必要がある。

上記の（１）に対しては、電気系のシステム構成に徹底
した多様化をはかるとともに設計、製作、検査、保守に
至るまでの共通原因故障の要因を排除してゆくことも一
つの方策ではあるが、根本的な解決策の一つは、電気系
設備の故障が介在する余地がない、スクラムが必要な異
常状態を直接的にとらえて作動する炉停止機構（自発ス
クラム機構）の採用である。

上記の（２）に対しては、機械設備の多様化を追求する
とともに、駆動部分を極力少々＜シた単純な構造の採用
が効果的である。

上記の（３）に対しては、相対変位奮起こした炉心に対
しても確実に挿入できるという面を重視するならば、柔
構造の制御棒構造が有利である。

以上の観点から本発明に最も近いと思われる先行技術の
一例として（特開昭５６−１３７２７１　）を図６に示
す。

図６において１は炉心であり、この炉心１は、下部案内
管２３および炉心燃料ラッパ管２４から構成され、前記
両管２３．２４下端部は、上下２枚の炉心支持板２５で
構成される高圧プレナム２６にそれぞれ挿入されている
。炉心燃料ラッパ管２４内には炉心燃料１８が配設され
、また下部案内管２３内には、上下動可能に制御棒３が
挿入され、制御棒３には中性子吸収体９が内蔵されてい
る。また制御棒３の上端部には、第６図に示すように温
度範囲が６００〜８００℃のキューＩＪ一点を有する磁
性体３１が設けられ、この磁性体３１は前記キューリー
点において磁力が減少するようになっている。前記下部
案内管２３の直上位置には、図示しない炉心上部機構に
支持された案内管２８が配置され、その内部には延長管
２９が配設されている。そして、延長管２９の下端部に
は、前記磁性体３１を吸着して磁性体３１とともにチャ
ック機構３０を構成する電磁石２７が固着され、そのケ
ーブル３２は延長管２９内を通して上方に引出されてい
る。

通常運転時には、制御棒３は炉心１から引き抜かれた状
態となっている。この状態で、何らかの異常により炉心
燃料１８の温度が上昇した場合には、高圧プレナム２６
から第６図に矢印で示すように炉心１に入った冷却材は
、制御棒３の周囲に位置する炉心燃料１８で加熱され、
炉心燃料ラッパ管２４の出口においては通常の出口温度
よりも高い温度の冷却材が噴出され、この高温の冷却材
は、制御棒３の上部にある磁性体３１の温度を上昇させ
ることになる。

ここで、通常の高速増殖炉の設計冷却材出口温度は、平
均チャンネルで約５３０℃であるが、異常時には６００
〜８００℃と上昇する。その時、磁性体３１は、異常時
の高温冷却材によシその磁力が減少し、制御棒３の重ｉ
ｔを保持できなくなる。

このため、制御棒３は自発的に自重で落下し、原子炉炉
心１内に挿入されて原子炉は停止する。

以上説明したように第６図の先行技術においては、制御
棒の接続、切離しを電磁石で行なうので、繊］告づ；砥
めてＩ頂凰とｈｈ側他作コスト１′田？抑チ入ことがで
きる。

しかし、この構造において、制御棒を保持するためには
電磁石の径はある程度の大きさが要求される。いま、制
御棒の重量は概略計算で６０〜７　Ｑ　ｋｇｆ　　とし
た場合、電磁石の径は約８０φ程度となる。このときの
応答性評価の条件として、例えば、誤操作・誤信号によ
る制御棒の連続引抜きを想定し、約３≠／　ｓ　ｅ　ｃ
のランプ状の反応度挿入について評価した結果を第７図
に示す。第７図から明らかなように、平均チャンネルの
冷却材の温度上昇に対して電磁石の中心温度は全く追従
しないことがわかる。

このことから、この構造では万一事故発生により、炉内
の温度が異常に上昇した場合、電磁石の応答性が極めて
悪く、したがって重大事故に至る前に自動的に制御棒を
炉心に挿入することができないという致命的な欠陥があ
る。

そこで、この致命的な欠陥を打破するためには構造を根
本的に検討する必要がある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、原子炉事故発生によって炉内の温度が
異常に上昇した場合、万一通常のスクラム機構が何らか
の原因で損なわれた場合でもそれを直接的に感知し、自
発的に、かつ緊急に原子炉を停止させるような従来とは
異なった画期的な原理を用い、しかも迅速な応答が可能
である構造を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、従来の原子炉の信頼性をさらに高いものとす
るため、通常運転時は中性子吸収体を例えば発熱域上部
に永久磁石の吸引力により固定させておき、原子炉事故
発生によシ炉内温度が異常に上昇した場合、その吸引力
の低下によって中性子吸収体を炉心に挿入させることに
よシ、自動的に炉を停止させる機能をもった制御要素ピ
ンを、燃料の異常温度をすばやく検知できるように燃料
集合体内に内包することによシ、上記目的を達成するも
のである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図、第２図、第３図、第
４図によシ説明する。第１図は燃料集合体２を示し、冷
却材（液体金属ナトリウム）はエントランスノズル１３
よシ流入し、ラッパ　Ｗ１２ｔ−上昇し、通常はステン
レス等で下部中性子連へいの役割を果たしているブロッ
ク１４のまわりを通って燃料ピン１５の並ぶ燃料部１６
に入る。

燃料部１６で高温の熱を受けた冷却材は燃料集合体２の
上端から流出する。燃料集合体２の上端から流出した冷
却材の温度は、燃料集合体２の上方に載置されている上
部案内管整流筒３５内の熱電対フェル温度計３３によっ
て、常時検出されている。

第２図は、本発明である事故時、炉心の温度が異常に上
昇した場合、自動的に炉を停止できる機構を備えた制御
要素ピン１７を、炉心の温度が異常に上昇した場合、す
ばやく検知できるように燃料集合体内に内包したことを
示す第１図のＢ　−Ｂ断面図である。

第３図は第１図に示す燃料集合体２内に内包されている
燃料ピン１５と制御要素ピン１７の縦断面図である。こ
こで燃料ピン１５の構造は中心部にＵ　Ｏｚ　　とＰ　
ｕ　０２の混合でできた燃料１８、その上下にブランケ
ット１９、上部ブランケット１９上に中性子吸収材を充
てんした中性子連へい体２１、さらに上下に核分裂生成
ガスを貯めるためのガスプレナム２０がある。また上下
方向の位置ずれを防止するため、上部のスプリング１０
により上記の構成物を押え付けである。燃料果合体２に
内包されている燃料ピン１５よりも径の太い制御要素ピ
ン１７の構造は、通常は炉心上部、詳しくは燃料部上端
位置に、永久磁石８の保磁力によって例えばＢ４Ｃ等か
らなる中性子吸収体９が吸着されてお如、前記中性子吸
収体９下方にはスクラム落下時前記中性子吸収体９の落
下空間が発熱域と実質的に同レベルに配置されるように
ストッパー３６が設けられている。永久磁石８の構造は
第４図に示すように中心に永久磁石８、その周囲はＳＳ
材でできたヨーク３７によって覆われ、また前記永久磁
石８と前記ヨーク３７との間にはある程度のギャップを
設ける必要があり、ＳＵＳあるいは真ちゅうでできた排
磁性のリング３８が圧入されている。

中性子吸収体９は、燃料要素が集合体内の温度分布と中
性子束分布によって燃料集合体２が変形している状況下
でもスムーズに吸収体が炉心内に挿入されるようにする
ため多関節型としている。

このような制御要素ピン１７が燃料集合体２内の適宜箇
所に配置される。また、永久磁石８による中性子吸収体
９の保持確認は炉心上部機構整流筒３５内の熱電対ウェ
ル３３に取υ付けたコイル３４によって確認される。

万一事故が発生し、炉心の出力が異常に増大すると、中
性子吸収体９を保持していた磁石８は第８図に示すよう
にある温度になれば急激に磁力が低下し、前記中性子吸
収体９の保持能力を失い、前記中性子吸収体９は重力に
より前記ストッパー３６に到達するまでスクラム動作し
制御反応度が炉心に確実に加えられ事故は抑止される。

次に本実施例の成立性の評価を以下に述べる。

１、保持能力 以下、本実施例に用いる永久磁石として候補材料として
鋳造磁石アルニコ５．アルニコ８が考えられるが、いま
５００℃の温度でアルニコ５を用いた場合について述べ
る。

本実施例の場合、制御要素ビ／１７を燃料集合体２内に
内包する構造であるがゆえに前記制御要素ピン１７の径
はある程度制約される。いま制御要素ピン１７の径をφ
２４　Ｃｍｍ１と仮定した場合、中性子吸収体９はφ２
０　〔ｍｍ〕に制約される。燃料１８のある発熱域が１
．ｏｏｏ　Ｉ：ｍｍ〕とすれば当然のごとく中性子吸収
体９も１０００１：ｍｍ）のストロークが要求される。

この場合の重量を計算してみると約１ｋｇ程度となる。

このとき第３図、第４図に示す永久磁石も制約される。

いま、第４図に示す本実施例で用いた永久磁石８の寸法
が例えばヨーク３７の外径φ２０　（ｍｍ〕、高さ１５
　Ｃｍｍ）、永久磁石８の外径φｌ　３　（ｍｍ）　、
高さ１２［：ｍｍ〕とした場合、磁石の吸引力Ｆは Ｓ：磁石の断面積［ｍ〕＝１．３２７Ｘ１０″〔ｍｌ〕
Φｊ：吸着時の磁束〔Ｗｂ〕 で表わされる。

第４図の磁石での動作点のパーミアンス係数Ｂ／Ｈは計
算によシ２０となシこのときの磁束密度は第９図より５
００℃のＢＨ凹曲線用いると約＆４０ＭＧａｕｓｓ〕＝
８，４００Ｘ１０″［：Ｗｂ／ｍ２］となる。

吸着時の磁石＋ｊは磁石から発生する磁石の６０％が吸
引力に寄与すると考えて ！ｊ＝８４００Ｘ１０−’　Ｘｌ、３２７Ｘ１０”Ｘｏ
、６＝６．６８８Ｘ１０−５［ＷｂｌこのときＦＪＦｌ
、３７　［ｋｇｆ〕 ヨーク部の面積を合わせれば２倍となるから全体で約２
．７４１：ｋｇｆ）の吸引力が発生することになる。従
って中性子吸収体がＩＣｋｇｆ：Ｅ程度の重量であれば
φ２０　（ｍｍ：）以下の断面積で構成可能となる。

２　切離し特性 第８図にアルニコ５の飽和磁束密度〜温度曲線を示す。

第８図よシアルニコ５は６００℃までは磁力は安定して
おり、６００℃以上になると磁力は急激に減少すること
がわかる。このことからアルニコ５を用いた永久磁石に
よる作動設定点における制御棒の切離し特性は良いこと
がわかる。

３、長期安定性 海外研究例の文献によれば、アルニコ５を用いて５３８
［：ｌの高温Ｎａ中下において１ス０００ｈｒ保持した
という報告もされてお郵、この点に関しても問題はない
と考えられる。

４、応答性 応答性評価の条件として、例えば誤操作・誤信号による
制御棒の連続引抜きを想定し、約２４／ｓｅｅのランプ
状の反応度挿入について評価した結果を第１０図に示す
。第１０図から明らかなように平均チャンネルの冷却材
の温度上昇に対して電磁石の中心温度は十分追従してい
ることがわかる。

以上の点から本実施例においては、保持能力、切離し特
性、長期安定性、応答性の点で十分にその有効性が認め
られ、成立可能な発明であることがわかる。

第１１図に示す。本実施例は磁石８にスプリング１０に
よシ常時吸収体９を炉心挿入する加速力が加わっている
構造である。正常の出力運転時には、この磁石８はスプ
リング１０を圧縮状態に保ち中性子吸収体９を炉心上方
に固定支持する。

万一事故が発生し、炉心の出力が異常に増大すると、中
性子吸収体９を保持していた磁石８がその保持力を失い
吸収体９に作用している加速力が解放されてスクラム動
作し、制御反応度が炉心に確実に加えられ事故は抑止さ
れる。スプリング１０は初期加速源として機能するもの
で、例えスプリング１０が無くとも吸収体９の自重によ
シ吸収体９は制御要素ピン１７内を落下するが、スプリ
ング１０があればスクラム動作はよシ確実性を増すこと
に逐る。

第１２図に示す。本実施例ではヨーク部３７の中にＵ　
Ｏｘ　、　Ｐ　ｕ　０２　等の核分裂性分質を混入させ
ることによシ、炉内の異常時、燃料の異常な発熱と同等
の発熱が磁石８の周囲でおこることによシ応答性をさら
に向上させた構造である。また、前記核分裂物質を前記
ヨーク部３７の周囲にシールすることによっても上記効
果を達成できる。

第１３図に示す。本実施例では第２図における燃料集合
体２内に内包した制御要素ピン１７と同等の制御反応度
を前記制御要素ピン１７よシも多少径の細い数本の制御
要素ピン１７に分け、前記燃料集合体２の適宜箇所に載
置した構造である。

第１４図に示す。本実施例では、燃料集合体２内の温度
分布と中性子束分布によって変形している状況下でもス
ムーズに中性子吸収体９を挿入できるようにするため、
被覆管と中性子吸収体９とのギャップを広くした構造で
ある。この構造では前記中性子吸収体９の径が細くなる
ため容積は多少、少なくなるが、例えば中性子吸収材を
Ｂ、Ｃとした場合、中性子吸収能力を持つＢＩＧ　と中
性子吸収能力を持たないＢｌｌの混合の比率を調整すれ
ばよく問題はない。また、本実施例の場合、ギャップを
広くしであるので前記中性子吸収体９は関節型としなく
ともよい。

〔発明の効果〕

本発明によれば、万が一通常のスクラム機構が何らかの
原因で損なわれた場合でも、それを直接的に感知し、自
発的に、かつ、緊急に原子炉を停止させるような、従来
とは異なった画期的な原理を用い、しかも迅速な応答が
可能である構造なので、設計上想定されていなかった要
因 （１）計測器からリレー、遮断器に至るまでの電気系設
備の共通原因故障の恐れ。

（２）制御棒駆動機構等の機械設備の共通原因故障の恐
れ。

（３）高速炉特有の変形した炉心への制御棒の挿入性並
びに地震時の制御棒挿入性に関する不安。

上記のためにスクラム失敗し制御棒が炉心に挿入されず
炉が暴走してしまうような事態が発生する前に確実に、
しかも緊急に炉を停止できる効果がある。

本発明によれば、電気系設備の故障が介在する余地がな
い構造であるため、上記の不安要因を設計上想定しなく
てもよい。

本発明によれば、駆動部分を極力少なくした単純な構造
であるので、上記の不安要因を設計上想定しなくてもよ
い。

本発明によれば、原子炉停止機能を備えた制御要素ピン
を、燃料集合体内に内包することによ）、直接的、しか
も上記の原理を図６の従来例に示すような制御棒集合体
に設けるよυも極めて応答が速く、実現性がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の実施例を示す図、第５図は従
来構造の縦断面図、第６図は本発明に最も近い公知例を
示す図、第７図は公知例の応答性評価を示す図、第８図
は実施例使用の永久磁石のＢ−Ｈ特性曲線図、第９図は
実施例使用の永久磁石の温度−飽和磁束密度曲線図、第
１０図は実施例の応答性評価を示す図、第１１図〜第１
４図は本発明の他の実施例を示す図である。 １・・・炉心、２・・・燃料集合体、３・・・制御棒、
８・・・永久磁石、９・・・中性子吸収体、１５・・・
燃料ピン、１７・・・制御要素ピン、１８・・・燃料、
２２・・・アーマチュア、３３・・・熱電対ウェル、３
４・・・コイル、３６・・・ストッパー、３７・・・ヨ
ーク、３８・・・リング。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃料集合体中に制御要素ピンを備えるものにおいて
   、前記制御要素ピンは被覆管と前記被覆管中に装置され
   たキューリー点を少なくとも通常運転時の冷却材温度以
   上の点に設定した永久磁石と、前記永久磁石に吸着され
   た中性子吸収体と、前記中性子吸収体の下方に設けられ
   ており、中性子吸収体の落下空間が発熱域と実質的に同
   レベルに配置され制御要素ピンを内包したことを特徴と
   した新型炉停止機構付燃料集合体。