JP5759465B2 - 核燃料アセンブリ体、及び核燃料アセンブリ体を有する核燃料アセンブリ - Google Patents

Description

本発明は、核燃料アセンブリ体及び核燃料アセンブリ体を有する核燃料アセンブリに関する。

核***反応からエネルギーを産出する発電所は、***反応を起こしカロリー力（caloric power）放出する、燃料要素を用いている。

このパワーは、それを冷却する熱伝導流体を用いた熱交換により、燃料要素から取り出される。

燃料要素は束状に集められた燃料棒の形態であり、これらの束は本体内に収容され、かつユニット全体は燃料アセンブリを形成する。

異なるタイプのアセンブリは、原子炉の運転及び性能条件に依存して、存在する。

第四世代原子炉として知られる、新型原子炉の開発の一環として、高速中性子炉は、熱伝導ガスつまりＲＮＲ−Ｇ（ガス熱伝導炉）、又は、ナトリウムつまりＲＮＲ−Ｎａにより、冷却されていた。

ナトリウム冷却高速中性子炉心用の既知のアセンブリは、底部から上部へと、以下を備える。
− 炉心の低温ナトリウム供給マニホールドとして用いられるダイアグリッドのピラー内に、アセンブリを位置決めすると共に、保持するために用いられる、円形断面の円筒状脚部。すべての炉心のアセンブリは、ダイアグリッドの上に置かれているとともに、お互いに隣り合って位置決めされる。
− 以下に説明される脚部と上部中性子プロテクションとの間を延在する正六角形断面の円筒状チューブからなるモノリシック体。モノリシック体は、核***性及び／又は燃料親物質を封入する層状棒の束を含み、該層状棒は通常、規則的間隔に保たれている。
− 炉心の上部において中性子漏れを防ぐ一つ又は二つ以上の材料からなる正六角形断面の円筒状固体ブロックであって、このブロックの端部はまた、アセンブリ全体を把持するグリッパヘッドを形成している。また、チャネルが、このブロックを、基部から上部へと横切って、前記ヘッドを通して、アセンブリを冷却するナトリウム流を排出する。このユニットは、上部中性子プロテクション又はＰＮＳと呼ばれる。

各アセンブリは個々に取外すことができ、かつ原子炉の操作上の必要条件に応じて、特にアセンブリをリロードするための操作に関する必要条件に応じて、ダイアグリッドから取外す又はダイアグリッドに取り付けることができる。

ダイアグリッド上の位置において、アセンブリは、炉心内において、液体ナトリウムにより、横切られる。前記ナトリウムは、アパーチャを通して、各アセンブリの中に入る。この目的のために、液体ナトリウムがアセンブリ体を通過する際、燃料棒又は核***性アイソトープに転換可能な棒の束を冷却しながら、脚部の周囲に、脚部から、基部から上部へと流れ、上部中性子プロテクションを通して出るように、アパーチャは構成されている。

世界におけるナトリウム冷却高速中性子炉の現在の実施形態は、金属のモノリシック六角形チューブ、多くはオーステナイト鋼、フェライト鋼、又はマルテンサイトステンレス鋼で作られた、本体を有する燃料アセンブリを有している。

前記本体は、アセンブリの満足のゆく操作及び炉心の満足のゆく操作を保証する、二つの主な機能を達成する。
第一に、前記本体は脚部を上部中性子プロテクションに機械的に接続する。したがって、それは、上部中性子プロテクションにより把持される場合、アセンブリの完全性への責任を負っている。それはまた、前記ユニットに剛性を与えて、前記脚部がダイアグリッドに組み立てられる場合、保持されることを可能にしている。

第二に、チューブは、冷却流体の流れをガイドして、燃料の束及び／又は核***性アイソトープに転換可能な束を冷却するため必要である冷却流体の流れを、基部から上部へとガイドし、かつアセンブリの各断面において水力直径（hydraulic diameters）を制御する。実際、水力直径のメンテナンスは、運転の安定性を保証するための重要な条件である。

チューブの直径の変形は従って制限されなければならない。これは、圧力管を形成するように設計される。

前記本体はまた、第二の機能を実現し、その目的は、他の構成要素の機能を、よりロバストにすることであるとともに、アセンブリ及び炉心の運転安全性のレベルを全体的に上げることである。

前記本体は、前記炉心の重要な部分を形成するので、その材料は、中性子に関して高速の流れを得ることに対応すると共に中性子に関して炉心内に求められる容積出力密度（volume power density）に対応する材料であるように選択される。

また、それは、アセンブリを構成する燃料要素の保護用の機械的な閉じ込めを提供し、例えば、製造中、輸送中及び操作中、並びに原子炉運転中及び使用済み燃料アセンブリとして原子炉の外にあるサイクル中などの、アセンブリの寿命中の、ダメージに対するあらゆるリスクから、それらを保護している。

チューブの六角形断面は、製造される六角形のコンパクトなネットワークと、部品の、高い幾何学的に小型であることとを可能にし、このようにして、臨界質量が、高体積密度（high volume density）の核***性核種とともに得られる。

また、前記本体を構成する材料は選択され、それは、中性子反応に対して好ましくない材料の存在を最小化する。従って、満足のゆく機械的特性を有する材料は中性子反応選択されるとともに、これらの間で、これらは、中性子反応に対する最も少ない影響を有している。

ナトリウム冷却高速中性子炉アセンブリの本体の場合、選択される鋼は、オーステナイト、フェライト、又はフェライト／マルテンサイトのグレードのステンレス鋼である。

圧力管の機能に関して、鋼の厚さは、内部圧力に対して適切なものが選択される。

この結果、現在のアセンブリ体は、六角形断面を有するモノリシック管からなり、その材料は、中性子バランスに対して、少なくとも好ましくないものであり、かつその厚さは、内部圧力に耐えることができるものである。

第四世代の原子炉の場合において、性能の改善及び炉心の安全性の向上が、特に事故のシーケンス中、求められている。

特に、熱クリープに対する耐性、及び高く、高速のフルエンス（Ｅ＞０．１ＭｅＶ）の影響に対する耐性が増大されるアセンブリ体を製造することが求められている。

高速フルエンスの影響は、機械的特性を低下させるものであるととともに、例えば、照射クリープ及び膨張（radiation creep and swelling）などの、変形を生じさせるものである。

現在、用いられているステンレス鋼は、運転温度範囲３８０℃〜７００℃に適している。それは、温度範囲３８０℃〜７００℃は、温度範囲である。ＲＮＡ−Ｎａ炉（RNR-na reactors）の温度範囲である。この通常の運転温度の以外で、鋼の機械的特性は、約８５０℃〜９００℃で急減に低下し、それは、ＲＮＡ−ガス炉により達成できる温度であり、それは、その機械的機能を維持するための本体のキャパシティを大幅に低下させる。

鋼の融点は、約１４００℃であり、すなわち燃料の融点をはるかに下回っている。

これらの温度レベルに耐え得る耐火材料は存在する。しかしながら、それらは、中性子の観点から不適合である。

したがって、本発明の一つの目的は、核燃料アセンブリを提供することにあり、より具体的には、運転温度よりも高い温度で機械的条件を満足し得るとともに、炉心内における中性子反応に不利な物質の存在が最小である、アセンブリ体を提供することにある。

前記目的は、スロットを有する金属構造体により接続された端部要素、及びセラミック材料から作られた中心柱を備える複合アセンブリ体により達成され、中性子反応に対する悪影響は低減されるとともに前記材料はまた好ましい影響を有することができる。

すなわち、アセンブリ体は、二つの金属の端部スリーブと、核***高さ（fissile height）にわたって穴が空けられた外部金属構造体と、核***高さにわたって水力チャネル（hydraulic channel）を構成するセラミック材料から作られた内部構造体と、を備える。

複合体を製造することにより、各サブアセンブリの機能的な最適化を実現することが可能となる。

本発明の使用を通して、中性子バランスに悪影響を与える種の存在を低減することにより、及びより好ましい種を増加させることにより、好ましい影響を有して、又は少なくとも悪影響を少なくして、その原子組成を通して炉心の核***性体積（fissile volume）の中性子バランスを改善するため構成材料の選択を最適化することが可能となる。実際、機械的な役割のみを有するオープンワークフレーム（openwork frame）を製造することにより、中性子バランスに対して悪影響を有する材料の体積分率を、実質的に低減することが可能となる。

セラミックスリーブを有するこの構造体により、燃料要素束を冷却する流体の流れは密閉されるが、同時に、水力学的断面は、束の上部において制御される。また、この手法により製造された管状形状は、前記束の周囲に連続的な又はほぼ連続的な壁部を形成し、軸方向の流れが束内に含まれることを確実にしている。ほぼ連続的な壁部の場合、半径方向の漏れの特定の許容率は、アセンブリ間ゾーンの近くに見ることができる。

有利に、セラミックセグメント間の接合面の形状、及びフレームの対向する無孔断面の位置決めは、それらが、半径方向の漏れを調節可能とするものである。

次に、本発明の主題は主に、核燃料棒を収容することを目的とする核燃料アセンブリ体であり、縦方向軸の前記核燃料アセンブリ体は、前記燃料アセンブリ体の縦方向の端部を形成する金属材料から作られた第一管状スリーブ及び第二管状スリーブを備え、金属材料から作られたフレームは第一管状スリーブと第二管状スリーブとを接続し、前記フレームはオープンワークされ（openworked）、セラミック管状内部構造体は、フレーム内部で第一管状スリーブと第二管状スリーブとの間に位置決めされる。

例示的な実施形態において、前記内部構造体は、それに沿って通過することを目的とする冷却流体の任意の漏れを防ぐ。

別の例示的な実施形態において、内部構造体は、目盛りがつけられた漏れゾーン（calibrated leakage zones）を備える。

例えば、内部構造体は、縦方向に重ね合わされたセグメントを備え、内部構造体の両端に位置決めされた二つの前記セグメントは、第一スリーブ及び第二スリーブ内に、部分的に入り込む。

有利に、前記セグメントはお互いにはめ込まれる。

前記はめ込まれたセグメント縦方向端部は、一つの場合は溝を有し、かつそれ以外の場合は、マッチング形状のリブを有することができる。

前記フレームは、例えば、ウインドウを規定するストラットのアセンブリにより、形成される。

前記フレームは、軸方向ストラット及び横ストラット（crossways strut）を備えることができる。

有利に、横ストラットは、前記セグメント同士が接続されているゾーンをカバーする。

前記フレームは、溶接により及び／又は機械的なアセンブリにより、スリーブに取り付けられ、前記機械的なアセンブリは、例えば、蟻継ぎタイプのものである。

本発明に係る前記フレームは、円形又は楕円形のスロットを形成するドリル穴が開けられたチューブにより、形成することができる。

種々の内部構造体において、前記フレームのウインドウをブロックするように、フレームに取り付けられたプレートから形成することができる。

本発明に係る前記アセンブリ体は、有利に、アセンブリの上部に配置されることを目的とする端部セクションの端部と第二スリーブとの間の軸方向ギャップを補正するデバイスを備える。前記第二スリーブは、例えば、端部セクションと前記第二上部スリーブとの間に挿入される大きさ５ｍｍの凹凸の有するワッシャから形成される。

有利に、アセンブリ体は、正六角形の断面を有する。

内部構造体は、例えば、炭化ケイ素、繊維補強炭化ケイ素、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプで作られている。

ナトリウム冷却高速中性子炉用のアセンブリ体の場合、前記スリーブ及び前記フレームは、オーステナイト、フェライト、又はフェライト／マルテンサイトのステンレス鋼で作ることができる。

変形として、前記スリーブは、３１６Ｔｉスタンダードオーステナイト鋼（316 Ti standard austenitic steel）及びＥＭ１０の前記フレーム（８）から作ることができる。

ガス冷却高速中性子炉用のアセンブリ体の場合、前記スリーブ及びフレームは、耐火性金属から作ることができる。

本発明の他の主題は、脚部と、本発明に係るアセンブリ体と、前記アセンブリ体及び上部中性子プロテクション内に位置決めされた核燃料棒と、を備えるアセンブリであり、アセンブリ体は、脚部に取り付けられるとともに、それぞれ第一スリーブ及び第二スリーブの上部中性子プロテクションに、例えば溶接により、取り付けられている。

本発明は、以下の説明及び添付された図面を用いて、より理解される。

図１は、本発明に係るアセンブリ体の例示的な実施形態の斜視図である。 図２は、図１のアセンブリ体の分解図である。 図３は、アセンブリ体のフレームの斜視図である。 図４は、本発明に係るアセンブリ体の種々の要素間の接続のゾーンの詳細図である。 図５は、面Ａ−Ａにおける横断面図である。 図６は、面Ｂ−Ｂにおける横断面図である。 図７は、離隔位置における内部構造体の二つのセクション間の接続ゾーンの詳細図である。 図８は、本発明に係るアセンブリの斜視図である。

図１において、本発明に係るアセンブリ体２は、アセンブリ体２内に燃料棒を収容してアセンブリを形成することを目的とすることが分かる。

図８において、本発明に係る完全なアセンブリを見ることができ、燃料棒は図示されていない。

アセンブリ体は、それが炉心内にある場合、垂直方向に位置するように構成されている。

縦方向の軸Ｘを有する本発明に係るアセンブリ体２は、アセンブリ体２の下端を形成することを目的とする軸Ｘの第一スリーブ４と、アセンブリ体２の上端を形成することを目的とする軸Ｘの第二スリーブ６と、第一スリーブ４及び第二スリーブ６を接続する軸Ｘのフレーム８と、第一スリーブ４と第二スリーブ６との間であると共にフレーム８内部に位置決めされた内部構造体１０と、を有する。

前記アセンブリにおいて、第一スリーブ４は、原子炉のダイアグリッド内に収容されることを目的とするアセンブリ１１の脚部に機械的に接続されるとともに、第二スリーブ６は、上部中性子プロテクション１３に接続される。

前記アセンブリは、基部から上部への流体の循環により、例えば、ＲＮＲ−Ｇ炉の場合はガスにより、又はＲＮＲ−Ｎａ炉の場合はナトリウムにより、冷却される。

前記冷却流体は、脚部を通して入り、第一スリーブ４、内部構造体１０及び第二スリーブ６を横切って、上部中性子プロテクションを通してアセンブリから出る。

内部構造体１０の高さは、前記構造体が、核***高さ（fissile height）の全体、すなわち燃料棒を受けるゾーンにわたって延在するものである。フレーム８はまた、前記核***高さにわたって延在する。

代表的な実施形態において、有利に、本体２は、正六角形の断面を有し、高い体積密度の核***性核種が得られることを可能にしている。しかしながら、他の形状の横断面を有する本体は、本発明の要旨の範囲外ではなく、例えば、円形断面の一つである。

本発明によれば、フレームは前記本体の外に位置するとともに、前記本体を機械的に保持する外部フレームワークを形成する。

前記フレームは、第一スリーブ４を介したアセンブリの脚部と、第二セクション６を介した上部中性子プロテクションとの間の機械的な接続を提供する。

前記アセンブリが扱われた場合、けん引（traction）及び圧縮の下で、フレーム８は、曲げモーメントに耐えて、アセンブリの梁抵抗、アセンブリの高さにわたって管状セグメント１０のアライメントを維持するためのねじりモーメント、及び前記構造体の重みによる軸方向の力を確実にする。

図３はフレーム８を示し、フレーム８は縦ストラット１１と横ストラット１２とを備え、縦ストラット１１及び横ストラット１２は、ウインドウ１３を規定する。

代表的な実施形態において、フレーム８の六つの面はそれぞれ、四角形のウインドウを備える。

他のウインドウ形状は、例えば、フレームがさらされる機械的ストレスに応じて分散された、穴などが、考えられる。

フレームは、本体の非常に小さい体積を示す。それは、炉心の核***体積におけるその体積分率を最小化する。また、以下で述べるように、それは冷却流体がアセンブリゾーン間に入ることを可能にする。

有利に、フレーム８を構成するために、材料が用いられ、それは、可塑性及び熱クリープにおける延性が、０．２％よりも大である又は０．２％に等しいような、かつ強度ＫＩＣが２０ＭＰａ．ｍ^１／２よりも大である又は２０ＭＰａ．ｍ^１／２に等しいような、機械的特性を有する。

前記フレームの材料は、これらの機械的特性が、炉心及び運転温度条件の最大の影響に対する暴露を考慮して示されるように、選択される。前記フレームは、例えばステンレス鋼などの、金属材料から作られている。前記鋼は、炉心のフルエンスによって、膨張しない、又はわずかだけ膨張するように、選択され、例えば、フェライト／マルテンサイトグレード、すなわち、例えばＥＭ１０の、ステンレス鋼などである。

フレームに用いられる材料の原子組成は、好ましくは、通常の運転中及び事故の状況においても、及び、励起準位（excitation level）の観点からポストユースサイクル（post-use cycles）に対して、中性子バランスに有利なものである。

前記フレームは、例えば、ロッドを互いに溶接することにより、その後は管に成形される金属薄板にウインドウを作ることにより、又は、管にウインドウを直接作ることにより、作ることができる。

前記スリーブは、金属材料で作られているとともに、フレームの端部に溶接されている。スリーブ４，６はほぼ同一である。スリーブ４，６は、フレーム８の断面とほぼ同一の断面を有し、かつ冷却流体の流れのための内部通路を構成する。

スリーブ４，６はそれぞれ、核***ゾーンの下方及び上方に位置され、それらは、したがって、燃料棒の中性子流に大きくさらされていない。この結果、それらを構成する材料又は複数の材料は、単に中程度の放射条件に対する耐性を必要とする。実際、対象とするものに対する局所的フルエンスは、炉心の最大フルエンスの半分未満である。

スリーブは、金属材料、例えばステンレス鋼から作られている。同じ材料は、フレームに関して、選択することができる。しかしながら、前述のように、スリーブは、より少ない中性子流にさらされるので、そうなれば、これらの特性は、これらの条件に応じて調整することができる。

端部スリーブ４，６は、フレーム８の端部に取り付けられる。図１および図４において示される実施形態において、スリーブ及びフレームは蟻継ぎ接続により組み立てられるとともに、溶接ステップが、より一層ロバストに接合するために、なされる。この目的を達成するため、フレームの端部に配置されたウインドウ１３の横方向エッジは、閉じていない。なぜなら、横方向ストラットはなく、従って軸方向ストラットの端部１８は自由端であり、かつスリーブ４，６のリッジに作られた対応形状の凹部２２に適合するラッパ形状２０を有しているからである。次に、溶接がなされる。

任意の他のタイプのアセンブリが考えられることは明確に理解される。

フレームとスリーブとの間の溶接は、核***ゾーンの外に位置される。したがって、それらは、おそらく機械的耐性を低下させる中性子流に、あまりさらされない。

フレームとスリーブとが、溶接のみにより又は機械的アセンブリのみにより、固定されたアセンブリ体は、本発明の要旨の範囲外とならないことは明確に理解される。

図６において、蟻継ぎアセンブリの平面Ａ−Ａにおける断面図を見ることができる。

アセンブリ体の内部構造体は、チャネルを規定するセラミック材料から作られ、棒は位置決めされ、かつ冷却流体は基部から上部へと流れる。

図２に示される実施形態において、内部構造体１０は、六角形断面の管状セグメント１０．１からなり、フレーム内にＸ軸に沿って順に重ねて位置決めされた例えば４つの管状セグメントからなる。

このセグメント単位の構造体は、より具体的には、ナトリウム圧力が比較的高い、ＲＮＲ−Ｎａ原子炉に適合される。なぜなら、前記セグメントは、これらの圧力レベルに、より耐えることができるからである。

セグメント１０．１は、有利には、お互いにはめ込まれる。この目的のために、セグメントの軸方向端部は、有利には、このはめ込みを可能とするように構成されている。

図７において、このはめ込みの実施形態を見ることができる。

例えば、各セグメント１０．１は、六角形状の環状溝２６に取り付けられた縦方向端部２４と、溝２６の形状と適合する形状の環状リブ３０に取り付けられた縦方向端部２８と、を備える。

有利に、リブ３０は、セグメントのはめ込み及びセンタリングを容易にする、三角形の横断面を有する。また、この形状は、流体に対しバッフルを形成することにより、アセンブリの外に冷却流体が漏れるのを制限し、従ってセグメント間の流体の流れは妨げられる。

フラットな又は斜めの軸方向端部を備えるセグメント１０，１は本発明の要旨の範囲外とならないことは明確に理解される。

また、図６に見ることができるように、内部構造体１０の端部分は、スリーブ４，６内に入り込む。

冷却流体の任意の漏れを防ぐダクトを形成するセグメント１０．１のアセンブリを作ること、或いは、アセンブリゾーン間に向けて流れる流体の大部分の漏れを防ぐダクトを形成するセグメント１０．１のアセンブリを作ることが可能である。

アセンブリ間のスペースにおける特定の流れの存在は、通常運転において及び／事故の状況における、炉心の熱流動の全体的な冷却に対して有効である。

示された実施形態において、セグメント１０．１間の接続ゾーンは、フレーム８の横ストラット１２により、カバーされている。このカバーの効果は、以下で述べるように、冷却流体の漏れを制限することである。また横ストラット１２は、接続ゾーンに対して軸方向に互い違いとすることができる。

有利に、セグメントの隣接する壁面の内面は、フィレットにより、接続されている。その直径は、前記セグメントの内面と束の外側に配置された束の棒との間にほぼ一定の断面の流体チャネルを規定するように、束の棒の直径にほぼ等しい。

外部リッジはまた、図５及び図６に示されるように、曲率半径を有する。

セグメントの外面は、有利に、アセンブリ体の外面に対して、くぼみ、それは、それが運ばれると共に扱われながら、セラミックセグメントに対する影響のリスクを低減する。

セグメント１０．１は、冷却流体用のチャネルを規定する。

セグメント１０．１間の接続は、上記の示されるような全ての漏れを必ずしも防がない。

しかしながら、漏れの場合には、冷却流を制御するために、セグメント間の調整された漏れを得ることが求められる。

アセンブリ内部から外部への、これらの漏れは、流体がアセンブリ間を流れることを引き起こす。

流体冷却流を制御するため、漏れ流れは、アセンブリ入口での流れの計算に含まれる。

侵食性ジェット（erosive jets）状の漏れの出現は、上述したような形状を作ることによって、妨げられ、それは、層流の漏れを生じさせることを可能とし、セグメント間の接続ゾーンに対するダメージを防ぐことを可能としている。

また、セグメント間の流体流動の可能性のために、冷却流体がアセンブリ内に入り込むのを防ぐアセンブリの下部におけるプラグの場合において、流体は、二つのセグメント間のアセンブリ内に入り込むことができるとともに、分解方式（degraded fashion）で棒を冷却することができる。

また、前記構造体のために、漏れ防止の動的形成が得られる。実際、運転において、より具体的には、圧力をかけられた冷却流体が流れながら、セグメントは、冷却流体の圧力の作用の下で、膨張する傾向があるとともに、フレーム８に対して押し付けられ、上述のように、フレームは、ストラットがセグメント１０．１の接続ゾーンをカバーするものである。

ユニット全体は次に圧力シールガスケットを形成する。

モジュラー型アセンブリ体の、この製造は次に、各モジュールの材料の選択が最適化されるのを可能にする。

内部構造体のセグメント１０．１は、セラミック材料で作られ、それは、燃料の溶解温度に近い、非常に高い融解温度を有する。また、セラミック材料は比較的剛性があり、その結果、その膨張は冷却流体の圧力の作用の下で制限され、アセンブリ内の流量を、より良く制御可能としている。

セグメント１０．１は、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプから作ることができる。

マックス相の材料は、セラミック材料のいくつかの特性と金属のいくつかの特性とを併せ持っているナノ層状セラミックである。

炭化ケイ素は２０００℃というオーダの溶解温度を有し、それは、鋼の溶解温度よりも高い。また、炉心内の緩和作用を有し、炉心が暴走するのを制限することを可能としている。

有利に、セグメントは、繊維強化炭化ケイ素（炭化ケイ素繊維）から作られており、それは、冷却流体により加えられる内部圧力に対し、より一層耐える。

複数のセグメントから作られた内部構造体は、束の冷却流体を構築するのに必要な内部の高い圧力に耐えることができ、それは、ＲＮＲ−Ｎａ炉に対しては３〜５バールというオーダのものであると共に、ＲＮＲ−ガス炉に対しては１〜１．５バールというオーダのものである。

また、内部構造体のセラミック材料は、高温で十分な機械的耐性を保持して、冷却流体の内部高圧に耐える。

本発明に係る内部構造体は、高温フィールドにおける核***性束冷却流の閉じ込めを維持し、その温度は事故状況に至ることがあるものであり、その温度は運転温度から燃料の溶解温度の範囲である。

また、事故の状況において、内部構造体は、燃料要素と接触している第一構造体である。

セラミック材料の高い溶解温度のために、その完全性を維持することにより、特に、束の局所溶解の場合において半径方向への、燃料変位の可能性を制限することにより、それは事故に対する確かな緩和をもたらしている。

炭化ケイ素／炭化ケイ素繊維及びマックス相の炭化チタンケイ素の複合材料は、耐性及び剛性に関する適した機械的特性を有し、かつ最大約２０００℃まで機械的な燃料束の閉じ込めを可能にしている。

また、中性子の観点から、これらの材料は、通常運転における金属よりも、より好ましい中性子バランスに導く。

さらに、その中性的な「透過性」に加えて、炭化ケイ素／炭化ケイ素繊維は、偶発的過渡（accidental transients）において関与するドップラー係数を改善する効果を提供する。

偶発的な溶解状況における潜在的な炉心反応度の変化に関して、炭化ケイ素／炭化ケイ素繊維で作られたアセンブリ体の一部の交換は、溶鋼を排出することにより生じる反応度の変化を大幅に低減する。最新式のアセンブリにおいて、核***ゾーンにおける鋼の体積分率は、燃料要素のシース（sheaths）及びアセンブリ体のシースから成る。本発明により、炭化ケイ素／炭化ケイ素繊維を用いてアセンブリ体の一部を製造することは、鋼の体積分率を下げ、したがって排出効果を関連付ける。

本発明に係るアセンブリ体は、以下のように組み立てられる。

− セグメント１０．１がフレーム８内に挿入される。

− 端部スリーブ４，６が、クリップ留めシステムを用いて、フレーム８の縦方向の端部にはめ込まれる。
−ソケットで溶接を行う。

フレーム８のウインドウをブロックするプレートの形態で内部構造体を製造することを考えることができ、このような実施形態は、より具体的には、ＲＮＲガス炉に適している。ガスの圧力がより低いので、プレートは、より薄くできるからである。

例えばこれらのプレートは、フレームにおけるランナーに組み立てられる。

例えばプレートは、炭化ケイ素から作ることができると共に、フレーム及びスリーブは、バナジウムから作ることができる。

例示的な実施形態、より具体的には第四世代のナトリウム冷却高速中性子炉に適した実施形態について説明する。

寸法は、以下の条件に基づき計算された。
− ２１０．８ｍｍという、燃料アセンブリネットワークのピッチ、又は内部構造体のギャップ。
− 六角形断面を有するチューブの場合のアセンブリ体に対して内部にあるフラット間の距離は、１９７．３ｍｍという燃料束のサイズにより規定される。
− １０００ｍｍという、炉心の核***性高さ。
− ０．３４ＭＰａという、アセンブリ体内の内部ナトリウム高圧
− 炉心に入るときに３９５℃であるとともに、炉心を出るとき５５０℃というナトリウム温度。
− ３．３．１０^２７ｎ．ｍ^−２という、最大フルエンス（Ｅ＞１１１ｋｅＶ）。

フラット間の内側距離は、六角形の内面の二つの平行面を分ける距離であるとともに、フラット間の外側距離は、六角形の外面の二つの平行面を分ける距離である。

これらのサイズ条件及び運転条件に基づき、本発明に係るアセンブリ体の種々の要素の特性は、以下のものとすることができる。
− 第一スリーブ４及び第二スリーブ６は、３１６Ｔｉスタンダードオーステナイト鋼（316 Ti standard austenitic steel）から作られ、２０７．８ｍｍというフラット間の外側距離を有し、かつ１９７．３ｍｍという内側距離を有し、すなわち５．２５ｍｍの厚さを有する。
− フレーム８は、ＥＭ１０鋼で作られ、２０７．８ｍｍというフラット間の外側距離及び２０５．８ｍｍという内側距離を有し、すなわち１ｍｍの厚さを有する。前記フレームは穴が開けられている。ウインドウの寸法は、２３０ｍｍ×９９ｍｍである。
− 内部構造体は、繊維強化炭化ケイ素−炭化ケイ素複合セラミック材料から作られ、核***性高さにわたって延在する四つのセグメントから形成され、２０４．８ｍｍというフラット間の外側距離を有すると共に１９８．３ｍｍというフラット間の内側距離を有し、すなわち３．２５ｍｍの厚さを有する。

有利に、製造中、アセンブリ体の幾何学形状を制御するため、実用的な許容差に応じながら、アセンブリ体は、高さが２５０ｍｍのセグメントの形態で作ることができる。

上記寸法は、炉心の運転条件の下で材料の種々の特性を考慮して決定された。実際、フレーム８に用いられる金属並びに第一スリーブ４及び第二スリーブ６は、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維よりも、膨張する。

炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維の膨張係数は４．１０−^６であり、及びＥＭ１０鋼の膨張係数、及び燃料棒のシースは、１２．１０^−６と１４．１０^−６との間である。

燃料束と炭化ケイ素で作られた内部構造体との間の膨張の差に対応するため、セグメント１０．１のフラット間の距離は、１９８．３ｍｍ、すなわち第一スリーブ４と第二スリーブ６との間の距離よりも１ｍｍ大きい。セグメントは、スリーブにはめ込まれ、該スリーブは、セグメントの外側寸法に適した機械加工されたソケットボアを有し、アセンブリギャップを許容する。例えば、ボアの内側寸法は２０５．８ｍｍであると共に、セグメントの外側寸法は、２０４．８ｍｍである。

したがって、棒束とアセンブリ体との間のギャップは、１ｍｍずつ増大され、セグメントの内壁に対向して、運転温度での相互作用を防いでいる。

また、流れにさらされた場合、フレームの材料及びセグメントの材料は、異なる膨張を有し、求められたフルエンスで、ＥＭ１０は、その寿命の終わりでのみ膨張する。この結果、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維は、最初に照射された瞬間から、例えば、初めて０．３４．１０^２５ｎ／ｍ^２というオーダの高速フルエンスが達した瞬間から、膨張する。

炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維は非常に速く、その飽和体積膨張値に達し、該値は、４００℃と５５０℃との間の運転温度で１％〜１．５％というオーダのものである。

ＥＭ１０で作られたフレーム８との強い相互作用なしに、寿命の始まりで、炭化ケイ素のこの膨張に対応するため、セグメントの外面とフレーム８の内面との間にギャップが存在する。

２０５．８ｍｍというＥＭ１０フレームのフラット間の内側距離及び２０４．８ｍｍという炭化ケイ素セグメントのフラット間の外側距離の場合、例えば１ｍｍの初期ギャップが許容される。

また、軸方向ギャップは有利に、セグメントの端部が第二スリーブ内にはめ込まれる、ボア内において、許容される。

後者は、例えば、ユニットが組み立てられた場合、５ｍｍの軸方向ギャップとなるように深さを有している。

有利に、軸方向ギャップ補正デバイスは、セグメントの端部と第二スリーブとの間に構成され、アセンブリが原子炉に取り付けられる前に、特に、輸送及び取扱作業中、隣接位置においてセグメントを保持している。

例えば、補正デバイスは、大きさ５ｍｍの凹凸を有し、セグメント及び上側第二スリーブの軸方向スタック間に挿入される薄いワッシャの形態をとることができる。

運転の開始時に、セグメントが軸方向膨張にさらされた場合、ワッシャは押しつぶされる。

例えばセグメントの厚さは、３．５のオーダーであり、内部圧力の作用の下で、セグメントにおけるストレスレベルを最小とすることを可能にする。また、セグメントの内側リッジのエリアにおける接続フィレットは、５ｍｍを測定することができて、応力集中を防いでいるとともに、束のコーナーの棒の冷却チャネルの水力直径を調節している。

本発明に係るアセンブリ体は、上記の寸法を有するエレメントを有し、従って以下の寸法を有する。
− ２０７．８ｍｍという、フラット間の外側距離。
− １９７．３ｍｍ（炭化ケイ素TH（SiC TH）の上部において局所的に１９８．３ｍｍ）というフラット間の内側距離。
− ３ｍｍというネットワークピッチ（network pitch）におけるクリアランス。

この同じ炉心に適した最新式のＥＭ１０で作られた金属モノリシックアセンブリ体の寸法は、以下の通りである。
− ２０６．３ｍｍというフラット間の外側距離。
− １９７．３ｍｍというフラット間の内側距離。
− ネットワークピッチにおけるクリアランス（アセンブリ間のクリアランス）、４．５ｍｍ。

これらの寸法に基づき、最新式の鋼で作られたモノリシックアセンブリ体、及び本発明に係るアセンブリ体の炉心の核***性体積における材料の体積分率は計算され、下記の表に示される。

したがって、本発明により、金属の体積分率は大幅に低減されていることが分かる。最新のアセンブリ体の場合、８．１７％に代えて、０．４４％であるので、それは主に、改善された中性子特性、すなわち改善された中性子の「透過性」及び緩和効果を有する炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維材料の重要な体積分率の寄与に原因がある。

フレーム８の凹部におけるナトリウムの存在は、アセンブリ間の空間のナトリウムの体積分率を、１．８％ずつ、わずかに増大する。

アセンブリ体を構成する材料の体積分率のこの改良の効果の中性子評価は、金属モノリシックアセンブリ体と比較して、滞留時間に対する炉心に関して、示している。
− ０．３Ｓというナトリウム排出係数のゲイン。
− １０％というドップラー係数のゲイン。
− 再生ゲイン及びに対するＰｕインベストメントに対する僅かなゲイン。
− 燃料要素のシースに対する同程度のダメージ。
− 参照金属ＴＨに対する１４５ｄｐａと比較された、ｄｐａ−炭化ケイ素の炭化ケイ素に対する損傷率。

再生ゲイン、すなわちＧＲは、核***性原子の初期番号と核***性原子の最終番号との比であり、ＧＲが＞１の場合、増殖が生じ、より多くの核***性物質が、消費されるよりも、作られる。すなわち、例えば、核***性アイソトープに転換可能なＵ２３８からのＰｕ２３９の生成を伴うＲＮＲ原子炉の場合、プロセスの終了時、開始時よりも、多くのＰｕ２３９を有する。

原子ごとにｄｐａ又は置換は、高速中性子流にさらされた材料により受けた放射線障害を示し、それは、統計的に数え切れない値を示し、材料の原子は、（０．１ＭｅＶよりも大きいエネルギーの）高速中性子の影響の下で変位にさらされる。

また、金属の体積分率の実質的減少はまた、事故による溶融状態において効果を有している。なぜなら、溶融の場合に溶鋼が排出されるとき、この排出により生じる反応度の変化は大幅に低減されるからである。

本発明に係るアセンブリ体は、既存のアセンブリ体の規格を満足しつつ、従って通常運転又は事故運転中の、炉心の中性子操作パラメータを可能にし、それは１年あたり１０^−２よりも多くの頻度で起きる運転インシデント及び事故運転を緩和し、かつ大幅に改善することを可能とする。

それはまた、炉心構造体材料の非溶解性の全体的なレベルを高めることにより、かつ事故が生じている間、反応度影響を低減することにより、燃料の溶融につながることがある事故を軽減する要素に寄与する。

本発明に係るアセンブリ体は、例えばNbZrCなどの耐火性金属、又は例えばバナジウムなどの半耐火性金属から、スリーブ及びフレームを作ることにより、ガス冷却高速中性子炉に容易に適合させることができる。

フレーム及びスリーブを、フレームに適用される最も厳しい条件を満足する、同じ金属材料から作るために、しかしながら、コストの異なる材料が好ましくは選択されるという理由のため、その特性は、使用条件に調整される。なぜなら、スリーブの材料は、中性子流の抵抗に関して、より少ない特性を有するからである。

運転温度が３５０℃〜７００℃の範囲内であるＲＮＲ−Ｎａ原子炉において用いられることを目的とするアセンブリ体の場合において、フレーム及びスリーブなどの金属部品は、オーステナイト、フェライト、及びフェライト／マルテンサイトのステンレス鋼から作られ、かつセラミック内部構造体は、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプから作ることができる。

運転温度が３５０℃〜９００℃内であるＲＮＲ−ガス原子炉に用いられることを目的とするアセンブリ体の場合において、フレーム及びスリーブなどの金属部品は、耐火金属から作ることができるとともに、セラミック内部構造体は、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプから作られたものとすることができる。

運転温度が３００℃〜９００℃内であるＲＮＲ−ガス原子炉に用いられることを目的とするアセンブリ体の場合において、フレーム及びスリーブは、耐火金属から作ることができるとともに、セラミック内部構造体は、炭化ケイ素−炭化ケイ素繊維、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプから作られたものとすることができる。

内部セラミック構造体を除けば、本発明は、新しい材料を開発するための必要がないという利点を有するが、既存の材料を用いることができ、その特性は原子炉アセンブリにおいて以前に試験されている。

２ アセンブリ体
４ 第一スリーブ
６ 第二スリーブ
８ フレーム
１０ 内部構造体
１０．１ セグメント
２６ 溝
３０ リブ

Claims (21)

1. 核燃料棒を受けて核燃料アセンブリを形成するための核燃料アセンブリ体であって、縦方向の軸（Ｘ）に対する核燃料アセンブリ体が、金属材料から作られた第一管状セグメント（４）及び第二管状セグメント（６）と、
   金属材料から作られており、前記第一管状セグメント（４）と前記第二管状セグメント（６）とを接続しており、前記第一管状セグメント（４）と前記第二管状セグメント（６）との間に延在している外部金属構造体とされるフレーム（８）であって、前記外部金属構造体が、前記外部金属構造体の高さに亘って複数のウインドウを備えている、前記フレーム（８）と、
   前記フレーム（８）の内部において前記第一管状セグメント（４）と前記第二管状セグメント（６）との間に位置されたセラミック製の管状内部構造体（１０）と、
   を備える核燃料アセンブリ体。
2. 前記管状内部構造体（１０）が、縦方向に重ね合わされたセグメント（１０．１）を備えており、二つの前記セグメント（１０．１）が、前記第一管状セグメント（４）及び前記第二管状セグメント（６）に部分的に挿入されている前記管状内部構造体（１０）の両端に位置しており、これにより、前記管状内部構造体（１０）を通過する冷却流体の漏れを防ぐ請求項１に記載の核燃料アセンブリ体。
3. 前記管状内部構造体（１０）が、冷却流体の漏れ制限ゾーンを備える請求項１に記載の核燃料アセンブリ体。
4. セグメント（１０．１）が、お互いにはめ込まれている請求項１から３のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
5. はめ込まれた前記セグメント（１０．１）の縦方向の端部が、溝（２６）を備えているか、または形状マッチングのリブ（３０）を備える請求項４に記載の核燃料アセンブリ体。
6. 前記フレーム（８）の前記外部金属構造体が、前記ウインドウを規定するストラットのアセンブリにより形成されており、前記外部金属構造体の前記ウインドウが、前記ストラット同士の間に形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
7. 前記フレーム（８）の前記外部金属構造体の前記ストラットが、縦方向軸に沿って延在している軸方向ストラット、および前記縦方向軸に対して直角に延在している横ストラットを備える請求項６に記載の核燃料アセンブリ体。
8. 前記管状内部構造体（１０）が、縦方向に重ねあわされたセグメント（１０．１）を備え、二つのセグメント（１０．１）が、部分的に前記第一管状セグメント（４）及び前記第二管状セグメント（６）に挿入されている前記内部構造体（１０）の両端に位置され、かつ前記横ストラットが、前記第一管状セグメント及び第二管状セグメント（４，６）が前記フレームに接続されているゾーンに被さっている請求項７に記載の核燃料アセンブリ体。
9. 前記フレーム（８）が、前記第一管状セグメント及び第二管状セグメント（４，６）に、溶接により、取り付けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
10. 前記フレーム（８）が、第一管状セグメント及び第二管状セグメント（４，６）に、機械的組立法により、取り付けられている請求項１から９のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
11. 前記機械的組立法が、蟻継ぎ手方式である請求項１０に記載の核燃料アセンブリ体。
12. 前記フレーム（８）の前記外部金属構造体が、円形又は長方形の前記ウインドウを形成するドリル穴が開けられた金属チューブから形成されている請求項１から５のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
13. 前記管状内部構造体（１０）が、前記フレーム（８）の前記ウインドウを閉塞するように、前記フレーム（８）に取り付けられたプレートから形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
14. 前記管状内部構造体の前記端部セクションの端部と、前記アセンブリ上部に配置される第二管状セクションとの間の軸方向動きを補正するための補正のデバイスを備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
15. 前記補正のデバイスは、前記端部セグメントと上部側の第二管状セグメントとの間に挿入された大きさ５ｍｍの凹凸を有するワッシャである請求項１４に記載の核燃料アセンブリ体。
16. 正六角形の断面を有する請求項１から１５のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
17. 前記管状内部構造体（１０）が、炭化ケイ素、繊維補強炭化ケイ素、又はマックス相の炭化チタンケイ素のタイプで作られている請求項１から１６のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
18. 前記第一管状セグメント（４）および前記第二管状セグメント（６）ならびに前記フレーム（８）が、オーステナイト鋼、フェライト鋼、又はフェライト鋼およびマルテンサイト鋼から作られている、ナトリウム冷却高速中性子炉用である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
19. 前記第一管状セグメント及び第二管状セグメント（４，６）が、３１６Ｔｉスタンダードオーステナイト鋼及びＥＭ１０由来の前記フレーム（８）から作られている、ナトリウム冷却高速中性子炉用である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
20. 前記第一管状セグメント及び第二管状セグメント（４，６）ならびに前記フレーム（８）が、３００℃〜９００℃の耐火性を有している耐火金属から作られている、ガス冷却高速中性子炉用である、請求項１から１７のいずれか一項に記載の核燃料アセンブリ体。
21. 脚部と、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載のアセンブリ体と、
    前記アセンブリ体及び上部中性子プロテクション内に位置された核燃料棒と、
    を備え、前記アセンブリ体が、前記第一管状セグメント（４）及び第二管状セグメント（６）のエリアにおいてそれぞれ、脚部（１１）及び上部中性子プロテクション（１３）に取り付けられているアセンブリ。

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