JP3053555B2 - 高速炉用ダクトレス燃料集合体の保持構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉容器内で高
速炉用ダクトレス燃料集合体を機械的に保持する構造に
関するものである。更に詳しく述べると本発明は、頂部
にコイルバネを巻装したダクトレス燃料集合体を使用
し、該燃料集合体の下部ノズルを炉心支持板に設けた流
量調整モジュールに嵌入し、炉心上部構造の嵌合押圧部
が燃料集合体の上端に嵌合すると共にコイルバネを押し
下げることにより、燃料集合体に下向きの弾撥力を付与
して機械的に保持する構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高速増殖炉の燃料集合体は、多数
の燃料ピンを横断面六角形状のラッパ管の中に収容し、
該ラッパ管の頂部にはハンドリングヘッドと呼ばれる燃
料取扱用の部分を設け、下部にはエントランスノズルと
呼ばれる流量調整機構を設ける構成が一般的である。こ
のような燃料集合体は、原子炉容器内の下部に位置する
炉心支持板に差し込まれるように多数規則的に配列され
る。冷却材はエントランスノズルから導入され、ラッパ
管内を通って上昇する。つまりラッパ管は燃料集合体の
構造強度メンバーとしての機能の他に、冷却材の流路
（即ち、ダクト）の機能も果たしている。ここで、燃料
集合体の浮き上がりを防止するため、通常、炉心支持板
の高圧プレナムから冷却材を燃料集合体の内部に流入さ
せ、燃料集合体頂部の圧力と低圧プレナムとの差圧を利
用して燃料集合体への上向きの力を削減し、上下方向の
力をバランスさせる方式（ハイドロリックホールドダウ
ン方式）が採られている。

【０００３】近年、燃料リサイクルにおいて、使用済燃
料の処理時の廃棄物物量の低減が一層求められており、
このような時代の流れを受けて、高速炉の燃料集合体に
おいても燃料集合体をダクトレス化する検討が押し進め
られている。ダクトレス燃料集合体としては、多数の燃
料ピンを取り囲んでいるラッパ管（ダクト）が無いだけ
ではなく、下部のエントランスノズルも取り去った燃料
集合体もある。このようなダクトレス燃料集合体につい
ては、例えば「高速炉用ラッパ管削除型燃料集合体の成
立性に関する予備評価」（動燃技報No.65,1988.3）等に
おいて検討されている。これによれば、従来の高速炉用
燃料集合体における構造部材の重量比率は６０〜７０％
に達するが、ダクトレス燃料集合体が成立すれば、炉心
の核特性の大幅な改善による運転サイクル長さの伸長や
原子炉倍増時間の短縮も伴って、燃料サイクルシステム
全般にわたり経済性の向上に多大な効果が期待できると
されている。そして同時に廃棄物物量の大幅な削減が可
能であるとされている。

【０００４】ところがダクトレス燃料集合体にはラッパ
管が無いために、燃料集合体頂部の圧力と低圧プレナム
との差圧を利用したハイドロリックホールドダウン力が
期待できず、冷却材の流動圧力によって燃料集合体が浮
き上がってしまい、炉心を正常に保持することが出来な
くなる可能性がある。

【０００５】炉心燃料集の浮き上がりを防止するため工
夫としては、上記のようなハイドロリックホールドダウ
ン方式の他に、E.Fermi 炉に用いられたようなメカニカ
ルホールドダウン方式がある。これはエントランスノズ
ル部の外周にコイルバネを巻装し、炉上部から燃料集合
体の頭部を機械的に押さえつける方式である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし従来のメカニカ
ルホールドダウン方式では、冷却材の流動圧力とコイル
バネの弾撥力の合力を、炉心上部機構の反力で支えなけ
ればならず、燃料集合体及び炉心上部機構に加わる荷重
は極めて大きくなる。特に炉心上部機構は高温状態で厳
しい熱的制約を受け、それに加えてメカニカルホールド
ダウン用の荷重に耐える必要が生じるため、設計上の制
約は極めて大きくなる。

【０００７】更に高速増殖炉では、運転時と待機時とで
冷却材の温度変化が大きく、燃料集合体は大きな熱膨張
の変動を受ける。コイルバネは、燃料集合体側と炉心上
部機構側の熱膨張差を吸収して燃料集合体を支持するの
であるから、従来構造のように燃料集合体の下部にコイ
ルバネを付けると、コイルバネによって炉心の中心位置
が上下方向に移動することになる。このようなことは好
ましくない。燃料集合体は上下動の無い定位置で保持さ
れるべきであるが、従来のメカニカルホールドダウン方
式ではこれができない。

【０００８】本発明の目的は、燃料集合体内を流れる冷
却材の流動圧力に打ち勝って、燃料集合体を炉心支持板
上で定位置で保持でき、且つ燃料集合体を押さえつける
炉心上部機構に過大な荷重が加わらないこと、また原子
炉容器側から燃料集合体までの熱変位などとルーフスラ
ブ側から炉心上部機構までの熱変位などとの変位差が大
きい状態でも、燃料集合体を炉心支持板上に確実に保持
できること、このような条件を満足しうる高速炉用ダク
トレス燃料集合体の保持構造を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、原子炉容器内
の下部に位置する炉心支持板と上部に位置する炉心上部
機構との間で多数本の高速炉用ダクトレス燃料集合体を
機械的に保持する構造である。ここで高速炉用ダクトレ
ス燃料集合体は、流量調整機能を有するエントランスノ
ズルが無く、多数本の燃料ピンを束ねて頂部ヘッドと下
部ノズルとで保持するようになっている。頂部ヘッド
は、ハンドリングヘッドとバネガイドを兼ねる頂部ヘッ
ド本体と、その外周で軸方向に摺動自在のバネ押さえ
と、下端が前記頂部ヘッド本体の外周面に形成した段差
部上で保持され上端が前記バネ押さえに当接するように
頂部ヘッド本体の外周に巻装されるコイルバネと、前記
バネ押えさから下向きに垂設されてコイルバネを覆うバ
ネカバーを具備している。

【００１０】他方、炉心支持板には燃料集合体の下部ノ
ズルを受け入れる流量調整モジュールを設置し、炉心上
部機構の下端には燃料集合体の頂部ヘッド上端に嵌合し
前記バネ押さえに当接する筒状の嵌合押圧部を固定して
おく。そして燃料集合体の下部ノズルを流量調整モジュ
ールに嵌入し、前記嵌合押圧部が燃料集合体の頂部ヘッ
ド上端に嵌合すると共に前記コイルバネを押し下げるこ
とにより燃料集合体に下向きの弾撥力を付与して機械的
に保持するように構成されている。

【００１１】

【発明の実施の態様】燃料集合体がダクトレス構造であ
ることから、炉心支持板から燃料集合体内に流入した冷
却材のうち、大部分は燃料集合体の内部に沿って上昇す
るが、一部は燃料集合体の外側に流れ出ることになる。
この無駄な流れが存在するためにハイドロリックホール
ドダウン力は期待できず、冷却材の流動圧力によって燃
料集合体には上向きの力が加わり、そのままでは燃料集
合体が浮き上がってしまう。そこで、炉心上部機構を利
用し、燃料集合体の頂部ヘッドに組み込んだコイルバネ
を介して、機械的に燃料集合体に下向きの力を付与し
て、炉心支持板上で保持するのである。

【００１２】炉心上部機構に設けた筒状の嵌合押圧部
に、燃料集合体の頂部ヘッドの上端が嵌合することによ
って、該燃料集合体は水平方向の位置が規制される。ま
たコイルバネを燃料集合体の頂部側に設け、コイルバネ
を介して押し下げるように構成したことにより、炉心上
部機構には冷却材の流動圧力による浮き上がり力に対抗
する反力を支えることができればよいため、炉心上部機
構に加わる荷重条件は大幅に緩和される。それと同時
に、燃料集合体は常に流量調整モジュールに直接押し付
けられているので、炉心の中心位置が上下方向に移動す
ることはない。更にコイルバネの大きな許容変位によっ
て熱変位の吸収を図ることができ、全体としてダクトレ
ス燃料集合体を安定な状態で確実に炉心支持板上で保持
することが可能となる。

【００１３】

【実施例】図１は本発明に係る高速炉用ダクトレス燃料
集合体の保持構造を採用した高速増殖炉の一例を示す全
体説明図であり、図２はダクトレス燃料集合体の詳細説
明図である。また図３は頂部ヘッドの要部を示し、図４
は流量調整モジュールを示している。

【００１４】図１に示すように、この高速増殖炉は、原
子炉容器１０内の下部に炉心支持板１２が設置され、そ
の上に多数のダクトレス燃料集合体１４が規則正しく配
列され、上部に位置する炉心上部機構１６によって機械
的に保持される構造である。図１においては、説明を分
かり易くするために、ダクトレス燃料集合体１４は１本
のみ示しているが、実際には多数本が近接配列され、同
様に保持されて炉心を構成する。炉心上部機構１６は、
原子炉容器１０の上部開口を塞ぐルーフスラブ１８から
吊り下げられている。また原子炉容器１０の上側面を貫
通して原子炉容器１０内の下部に至るように冷却材流入
配管２０が設けられ、原子炉容器１０内の上部から原子
炉容器１０の上側部を貫通して原子炉容器１０の外部に
至るように冷却材流出配管２２が設けられる。低温の冷
却材ナトリウムは、矢印に示すように冷却材流入配管２
０を通って原子炉容器１０内の底部に達し、炉心支持板
１２から燃料集合体１４の部分（炉心）を通る過程で加
熱されて上昇し、高温となって冷却材流出配管２２から
流出する。

【００１５】ダクトレス燃料集合体１４は、従来の燃料
集合体におけるラッパ管及び流量調整機能を有するエン
トランスノズルが無い構造である。図２に示すように、
多数の燃料ピン３０を六角形状に配列し、必要な数だけ
上下方向で適宜の間隔をおいてグリットスペーサ３６を
設置して燃料ピン３０相互の間隔を維持し保持する。六
角形の頂点の部分にタイロッド３７と称する燃料ピンと
ほぼ同様の形状の棒状の部材を設け、それを強度部材と
し、その上下両端を頂部ヘッド３２と下部ノズル３４に
固定して燃料集合体を構成する。前記グリットスペーサ
３６は、燃料ピン同士の間隔保持のみならずタイロッド
３７と結合して構造強度を高める機能も果たす。なお燃
料集合体の外周部には、中間パッド３８などのパッドが
設けられ、燃料集合体同士の間隔の規制を行う。

【００１６】頂部ヘッド３２は、図３に示されているよ
うに、燃料集合体を取り扱うためのハンドリングヘッド
とバネガイドを兼ねる頂部ヘッド本体４０と、その外周
で軸方向に摺動自在のバネ押さえ４２と、該バネ押さえ
４２の下方に位置するコイルバネ４４と、バネ押さえ４
２から下向きに垂設されてコイルバネ４４を覆うバネカ
バー４６を具備している。頂部ヘッド本体４０は、外周
面に段差部４０ａを有し、その段差部４０ａ上にコイル
バネ４４の下端が当接して保持される。即ちコイルバネ
４４は、頂部ヘッド本体４０の段差部４０ａとバネ押さ
え４２との間で伸縮可能に保持されることになる。バネ
押さえ４２の上部にはストッパ４８が位置する。該スト
ッパ４８は、頂部ヘッド本体４０の上端のネジ部にねじ
込まれ、その後溶接で固定される。なおハンドリング部
を符号４１で表す。

【００１７】燃料集合体の頂部ヘッド３２において、バ
ネ押さえ４２とバネカバー４６は一体構造であり、バネ
押さえ４２の上下動に伴ってバネカバー４６もコイルバ
ネ４４を覆ったまま上下する。従ってコイルバネ４４が
圧縮力を受けて変形した時には、バネカバー４６も下方
向に移動することになる。バネカバー４６の長さは、コ
イルバネ４４が最も伸びている状態、即ちストッパ４８
でバネ押さえ４２が支えられている状態の時にコイルバ
ネ４４の全体を覆い得るような長さとする。

【００１８】炉心支持板１２には、図４に示すような流
量調整モジュール５０を設置する。図４のＡは平面図、
Ｂはそのｘ−ｘ断面図である。この流量調整モジュール
５０は、下部遮蔽及び流量調整機構を兼ね、燃料集合体
１４の下部ノズル３４を受け入れるものである。流量調
整モジュール５０は、炉心支持板１２上に固定した流量
調整モジュール支持構造物５２に嵌め込まれるようにし
て保持される構造であり、頂部内周にハンドリング部５
４を設けて取り外し可能となっている。但し、燃料集合
体１４を引き抜く際に流量調整モジュール５０が一緒に
引き抜かれるのを防止するために、流量調整モジュール
５０と流量調整モジュール支持構造物５２との間にはキ
ー構造５６が組み込まれている。即ち流量調整モジュー
ル支持構造物５２の上部内周面に形成したキー溝５８
と、流量調整モジュール５０の側面外向きに弾性的に突
出するような突起５９との組合せである。このようなキ
ー構造５６、言い換えれば突起５９は、例えば６箇所均
等に配置されている。

【００１９】流量調整モジュール５０には必要に応じて
下部遮蔽体を組み込む。これは従来の燃料集合体のエン
トランスノズルに組み込まれていたものと同様であり、
炉心支持板等の重要な構造物が中性子照射によって劣化
するのを防ぐためである。この遮蔽体は、例えばステン
レス鋼によって構成する。

【００２０】図５に頂部ヘッドでの機械的保持状態を示
す。炉心上部機構１６の下端には、燃料集合体の頂部ヘ
ッド３２の上端に嵌合し、且つバネ押さえ４２の上面に
当接する筒状の嵌合押圧部６０を配設する。

【００２１】従ってダクトレス燃料集合体１４の一体一
体に対応して、前記のような流量調整モジュール４０及
び嵌合押圧部６０が、それぞれ炉心支持板１２上と炉心
上部機構１６の下端に配列されていることになる。

【００２２】燃料集合体１４の下部ノズル３４を流量調
整モジュール５０に嵌入し、嵌合押圧部６０を燃料集合
体１４の頂部ヘッド３２の上端に嵌合すると共に、バネ
押さえ４２を介してコイルバネ４４を押し下げる（図５
で矢印Ｆで示す）ことによって、燃料集合体１４に下向
きの弾撥力を付与し、機械的に燃料集合体を炉心支持板
上の定位置に保持するのである。

【００２３】本発明においては、大きな熱変位を吸収で
き、且つ十分な押し付け荷重を付加できることが重要で
ある。そのためには、上記のように大きな変位がとれる
コイルバネを使用する必要があり、皿バネや板バネなど
は大きな変位の吸収が難しいため適当ではない。

【００２４】なお本発明における保持構造は、上下方向
の振動に対して燃料集合体を適正に保持する能力が非常
に大きく、その点では地震荷重に対して燃料集合体をよ
り一層正常に保持し続けることができるという点でも極
めて有利な構造である。

【００２５】燃料集合体がダクトレス構造であるため、
燃料集合体の側方に流れ出た冷却材ナトリウムは燃料集
合体同士の間を通って上昇するが、その冷却材ナトリウ
ムは炉心上部機構の嵌合押圧部に隣接するように設けた
別の穴から抜け出るようにすればよい。このような無駄
流れを考慮しつつ、燃料集合体に冷却材が必要なだけ流
れるように設計することは可能である。

【００２６】

【発明の効果】本発明は上記のように炉心支持板の流量
調整モジュールと炉心上部機構の嵌合押圧部とによりコ
イルバネを利用して燃料集合体を機械的に保持し、その
際にコイルバネが燃料集合体の頂部に設けられている構
成であるので、燃料集合体を押さえつける炉心上部機構
に過大な荷重が加わることなく、燃料集合体内を流れる
冷却材の圧力に打ち勝って、燃料集合体を炉心支持板上
で保持できる。また本発明では原子炉容器側から燃料集
合体までの熱変位などとルーフスラブ側から炉心上部機
構までの熱変位などとの変位差が大きい状態でも、その
大きな熱変位差を吸収し、燃料集合体を炉心支持板上で
定位置で確実に保持し続けることができる。これらによ
ってダクトレス燃料集合体の保持の問題が解決し、それ
を用いた高速炉の実現に向けて一つの大きな障害を克服
できたことになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を用いた高速増殖炉の一例を示す説明
図。

【図２】高速炉用ダクトレス燃料集合体の一例を示す説
明図。

【図３】その頂部ヘッドの詳細構造図。

【図４】流量調整モジュールの一例を示す説明図。

【図５】嵌合押圧部による押圧状態を示す説明図。

【符号の説明】

１０ 原子炉容器 １２ 炉心支持板 １４ ダクトレス燃料集合体 １６ 炉心上部機構 ３０ 燃料ピン ３２ 頂部ヘッド ３４ 下部ノズル ４０ 頂部ヘッド本体 ４２ バネ押さえ ４４ コイルバネ ４６ バネカバー ５０ 流量調整モジュール ６０ 嵌合押圧部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−92395（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−280977（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G21C 3/33 G21C 5/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子炉容器内の下部に位置する炉心支持
   板と上部に位置する炉心上部機構との間で多数本の高速
   炉用ダクトレス燃料集合体を機械的に保持する構造であ
   って、 前記高速炉用ダクトレス燃料集合体は、流量調整機能を
   有するエントランスノズルが無く、多数本の燃料ピンを
   束ねて頂部ヘッドと下部ノズルとで保持する構造であ
   り、前記頂部ヘッドは、ハンドリングヘッドとバネガイ
   ドを兼ねる頂部ヘッド本体と、その外周で軸方向に摺動
   自在のバネ押さえと、下端が前記頂部ヘッド本体の外周
   面に形成した段差部上で保持され上端が前記バネ押さえ
   に当接するように頂部ヘッド本体の外周に巻装されるコ
   イルバネと、前記バネ押さえから下向きに垂設されてコ
   イルバネを覆うバネカバーを具備し、 他方、炉心支持板には燃料集合体の下部ノズルを受け入
   れる流量調整モジュールを設置し、炉心上部機構の下端
   には燃料集合体の頂部ヘッド上端に嵌合して前記バネ押
   さえに当接する筒状の嵌合押圧部を固定し、 燃料集合体の下部ノズルを流量調整モジュールに嵌入
   し、前記嵌合押圧部が燃料集合体の頂部ヘッド上端に嵌
   合すると共に前記コイルバネを押し下げることにより燃
   料集合体に下向きの弾撥力を付与して機械的に保持する
   ことを特徴とする高速炉用ダクトレス燃料集合体の保持
   構造。