(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する外周面を密着させた状態にして高速炉内に多数設置されている高速炉用燃料集合体構造であって、
中空断面を有する筒状の外套管と、該外套管の内部に収納されている多数の燃料棒とを備え、
前記外套管の中空断面形状が、隣接する外套管外周面と軸方向へ連続して部分的に密着しない間隙形成部を備え、
前記外套管の中空断面形状が正十二角形であることを特徴とする高速炉用燃料集合体構造。
【請求項２】
前記燃料棒が円形断面を有し、前記外套管の内部に正三角形格子配列として多数収納されていることを特徴とする請求項１に記載の高速炉用燃料集合体構造。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高速炉用燃料集合体構造を有する高速炉用燃料集合体が、少なくともブランケット燃料に周囲を囲まれた炉心中央部に配置されていることを特徴とする高速炉内の燃料集合体配置構造。
【請求項４】
前記炉心中央部に中空断面形状を正十二角形とした前記外套管を配置し、その外周部に中空断面形状を正六角形とした前記外套管を配置することを特徴とする請求項３に記載の高速炉内の燃料集合体配置構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速中性子を利用する高速増殖炉等の原子炉で使用される高速炉用燃料集合体構造及び高速炉内の燃料集合体配置構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速中性子を利用する原子炉には、例えば高速増殖炉や増殖を目的としない高速中性子炉等があり、以下ではこれらを総称して「高速炉」と呼ぶ。
図４〜図６は、高速炉において使用される一般的な高速炉用燃料集合体（以下、「燃料集合体」と呼ぶ）１の構造を示している。なお、高速炉で使用される燃料集合体１は、軽水炉で使用される正方形断面とは異なる正六角形断面を有している。
【０００３】
燃料棒１０は、ペレットと呼ばれる燃料要素を縦に連ねた円形断面形状の棒状構造物である。この燃料棒１０は、高速中性子の利用効率を高めるため、図５に示すように、緻密な正三角形格子配列にして正六角筒状の外套管１１（「ラッパ管」とも呼ばれている）内に収容されている。すなわち、燃料集合体１は、隣接する燃料棒１０の中心が正三角形１２を形成する格子配列とした燃料棒１０の集合体であり、燃料棒１０の集合体は、その周囲を取り囲むように密着して配置された外套管１１を備えている。この外套管１１は、正六角形の断面を有する筒体である。
【０００４】
また、燃料要素から熱を取り出す冷却材には、高速中性子を減速させにくい液体金属として、液体ナトリウムが一般的に用いられている。この冷却材は、燃料集合体１を構成する外套管１１の内部を下方から上方へと通過する過程で、燃料要素から発生する熱を取り出している。なお、図中の符号１３は、冷却材が外套管１１の内部に流入するエントランスノズルである。
このような高速炉では、万一の炉心損傷時において、溶融した燃料が一部に集中すると即発臨界を超過して核的暴走に至る「再臨界」と呼ばれる現象に至る可能性がある。そこで、この再臨界を回避するためには、炉心損傷時の溶融燃料を早期に炉外排出して分散させ、未臨界状態を恒久的に作り出す対策が必要となる。
【０００５】
万一の炉心損傷を想定した場合の再臨界を排除するため、下記の特許文献１には、燃料集合体内に上部開放型の制御棒案内管を設置し、溶融燃料排出ダクトとして機能させることが記載されている。
また、下記の特許文献２には、燃料棒から軸ブランケット燃料部の削除等を行い、溶融燃料排出ダクトとして機能させることが記載されている。
また、下記の特許文献３には、燃料集合体内に感熱式開放機構を設置し、溶融燃料排出ダクトとして機能させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−８５６５０号公報
【特許文献２】特開２００２−５５１８７号公報
【特許文献３】特許第２８３９２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、高速炉においては、万一の炉心損傷時に再臨界と呼ばれる核暴走現象に至る可能性があるので、この再臨界を回避するためには、炉心損傷時の溶融燃料を早期に炉外排出して分散させ、未臨界状態を恒久的に作り出す対策が必要となる。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、炉心損傷時における溶融燃料排出・分散能力を有し、再臨界に至ることを回避可能な高速炉用燃料集合体構造及び高速炉内の燃料集合体配置構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１に係る高速炉用燃料集合体構造は、隣接する外周面を密着させた状態にして高速炉内に多数設置されている高速炉用燃料集合体構造であって、中空断面を有する筒状の外套管と、該外套管の内部に収納される多数の燃料棒とを備え、前記外套管の中空断面形状が、隣接する外套管外周面と軸方向へ連続して部分的に密着しない間隙形成部を備えていることを特徴とするものである。
【０００９】
このような本発明の高速炉用燃料集合体構造によれば、中空断面を有する筒状の外套管と、該外套管の内部に収納される多数の燃料棒とを備え、外套管の中空断面形状が、隣接する外套管外周面と軸方向へ連続して部分的に密着しない間隙形成部を備えているので、隣接する外套管の間隙形成部により、外套管外周面に沿って軸方向へ連続する溶融燃料排出ダクトが形成される。
【００１０】
上記の発明においては、前記燃料棒が円形断面を有し、前記外套管の内部に正三角形格子配列として多数収納されていることが好ましく、これにより、高速中性子の利用効率を高めることが可能になる。
【００１１】
上記の発明において、前記外套管の中空断面形状を正十二角形とすることが好ましく、これにより、従来一般的に採用されている正六角形断面の延長線上にあるため変更が容易であり、さらに、組み付けの方向性に従来以上の制限がないという利点もある。
【００１２】
本発明に係る高速炉内の燃料集合体配置構造は、請求項１から３のいずれか１項に記載の高速炉用燃料集合体構造を有する高速炉用燃料集合体が、少なくともブランケット燃料に周囲を囲まれた炉心中央部に配置されていることを特徴とするものである。
【００１３】
このような高速炉内の燃料集合体配置構造によれば、請求項１から３のいずれか１項に記載の高速炉用燃料集合体構造を有する高速炉用燃料集合体が、少なくともブランケット燃料に周囲を囲まれた炉心中央部に配置されているので、少なくとも炉心中央部に溶融燃料排出ダクトを形成することができる。そして、溶融燃料排出ダクトが不要のブランケット燃料設置領域においては、従来構造の高速炉用燃料集合体を配置し、高速炉内に収納設置される燃料棒の総数低減を最小限に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の高速炉用燃料集合体構造及び高速炉内の燃料集合体配置構造によれば、万一の炉心損傷時には、高温となった溶融燃料が外套管を溶融し、炉心部に形成した溶融燃料排出ダクトを通って早期に炉外へ排出・分散するので、未臨界状態を恒久的に作り出す炉心損傷時の溶融燃料排出・分散能力を有し、再臨界に至ることを回避できる。すなわち、万一炉心が損傷時した場合でも、再臨界と呼ばれる核暴走現象に至ることを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る高速炉用燃料集合体構造の一実施形態を示す図で、（ａ）は隣接する複数の燃料集合体配置例を示す断面図、（ｂ）は高速炉用燃料集合体構造の一例を示す拡大断面図である。
【図２】高速炉内における高速炉用燃料集合体の炉内配置例を示す断面図である。
【図３】図１に示した高速炉用燃料集合体構造及び燃料集合体配置例に関する変形例を示す断面図である。
【図４】従来の一般的な高速炉用燃料集合体構造を示す斜視図である。
【図５】（ａ）は図４のＡ−Ａ断面図、（ｂ）は隣接する燃料要素の正三角形格子配列を示す説明図である。
【図６】従来例として、高速炉内における高速炉用燃料集合体の炉内配置例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る高速炉用燃料集合体構造及び高速炉内の燃料集合体配置構造の一実施形態を図面に基づいて説明する。
本実施形態の高速炉用燃料集合体構造は、高速中性子を利用する「高速炉」と呼ばれる原子炉に使用される燃料であり、図４に示した従来構造の燃料集合体１と比較して、外套管１１の断面形状以外は基本的に同じである。
【００１７】
図１に示す高速炉用燃料集合体（以下、「燃料集合体」と呼ぶ）１Ａは、隣接する外周面を密着させた状態にして、高速炉の炉内に多数設置される。図１に示された５本の燃料集合体１Ａは、炉内に多数設置される燃料集合体の一部であり、各燃料集合体１Ａは、筒体の軸が上下方向となるように配置され、隣接する筒体側壁面（外周面）どうしが密着している。
図示の燃料集合体１Ａは、中空断面を有する筒状の外套管１１Ａと、外套管１１Ａの内部に正三角形格子配列として収納される円形断面を有する多数の燃料棒１０とを備えている。本実施形態の外套管１１Ａは、その中空断面形状を正十二角形とすることにより、隣接する外套管１１Ａの外周面と断面形状における一部で密着しない間隙形成部２０を備えている。なお、図示の燃料棒１０については、正三角形格子配列として外套管１１Ａの内部に多数収納される円形断面としたが、これに限定されることはない。
【００１８】
この間隙形成部２０は、外套管１１Ａの断面形状において軸方向へ連続して設けられ、隣接する外套管１１Ａの外周面と密着しない部分である。このように、隣接する外套管１１Ａの外周面と軸方向に連続して密着しない部分の間隙形成部２０が設けられたことにより、燃料集合体１Ａが多数配置された炉内には、外套管１１Ａの外周面に沿って軸方向へ連続（連通）する溶融燃料排出ダクト３０が形成されている。すなわち、本実施形態の高速炉用燃料集合体構造は、隣接する燃料集合体１Ａ間に生じるギャップを形成し、このギャップを溶融燃料排出ダクト３０として機能させるものである。
【００１９】
本実施形態に示した燃料集合体１Ａの場合、外套管１１Ａが正十二角形断面を有しているので、正十二角形を構成する１２本の辺は、６辺が交互に隣接する外套管１１Ａと密着する密着部２１となり、残った他の６辺が隣接する外套管１１Ａと密着しない間隙形成部２０となる。この結果、図１（ａ）に示すように、隣接する３本の外套管１１Ａにより、正三角形断面の溶融燃料排出ダクト３０が１本形成される。また、燃料集合体１Ａの周囲には、１本あたり６本の溶融燃料排出ダクト３０が形成されている。
【００２０】
外套管１１Ａの内部には、正六角形断面の外套管１１と同様に、多数の燃料棒１０が正三角形格子配列として収納される。
このように、外套管１１Ａを正十二角形断面とした高速炉用燃料集合体構造を採用すれば、外套管１１Ａの中空断面形状が隣接する外套管外周面と軸方向へ連続して部分的に密着しない間隙形成部２０を備えているので、隣接する外套管１１Ａの間隙形成部２０と協働することにより、外套管１１Ａの外周面に沿って軸方向へ連続する溶融燃料排出ダクト３０が形成される。
【００２１】
すなわち、万一の炉心損傷時において、高温となった溶融燃料は、外套管１１Ａを溶融して燃料集合体１Ａの外部へと流出するので、上述した溶融燃料排出ダクト３０は、溶融燃料を炉外へ速やかに排出させるための溶融燃料排出・分散能力を有する溶融燃料排出通路として機能する。この場合、溶融燃料を炉外へ排出して分散させる主な駆動力は、炉心燃料の核分裂によって生成されるガス圧力、すなわち、燃料要素内に保持されている核分裂生成ガスの圧力である。
この結果、万一炉心が損傷した場合でも、未臨界状態を恒久的に作り出す炉心損傷時の溶融燃料は、溶融燃料排出ダクト３０を通って早期に炉外へ排出・分散されるので、溶融燃料の集中に起因する再臨界と呼ばれる核暴走現象に至ることを回避できる。
【００２２】
ところで、正十二角形断面の外套管１１Ａは、例えば図１（ｂ）に破線で示すように、正六角形断面の角部をカットした形状となる。このため、正十二角形断面の外套管１１Ａでは、正三角形格子配列にして収納される燃料棒１０の収まりが角部カット部分の周辺において低下し、この結果、収納可能な燃料棒１０の総本数は多少減少する。
【００２３】
そこで、例えば図２に示す高速炉用燃料集合体の炉内配置例では、外套管１１Ａを正十二角形断面形状にして溶融燃料排出ダクト３０の形成が可能な燃料集合体１Ａを炉心中央部に配置し、その外周部にブランケット燃料として配置される燃料集合体１には、従来と同様に、正六角形断面形状の外套管１１を用いた高速炉用燃料集合体構造のものを配置する。すなわち、高速炉内には、上述した実施形態の高速炉用燃料集合体構造を有する多数の燃料集合体１Ａが炉心中央部に配置され、かつ、燃料集合体１Ａの周囲に配設されるブランケット燃料として、中空断面を正六角形とした外套管１１の内部に円形断面の燃料棒１０を正三角形格子配列にして多数収納した燃料集合体１が配置される。換言すれば、燃料集合体１Ａは、少なくともブランケット燃料の燃料集合体１に周囲を囲まれた炉心中央部に配置されていればよい。
【００２４】
このように、炉心中央部に設置する燃料集合体１Ａと、ブランケット燃料として炉心の周囲に配置する燃料集合体１とを併用した高速炉内の燃料集合体配置構造によれば、高温の溶融燃料が外套管１１Ａを溶融して燃料集合体１Ａの外部へ流出する炉心中央部に溶融燃料排出ダクト３０を形成して溶融燃料排出・分散能力をもたせ、さらに、外套管１１を溶融するような高温にならないため溶融燃料排出ダクト３０が不要となるブランケット燃料設置領域には、従来構造の燃料集合体１を配置し、高速炉内に収納設置される燃料棒１０の総数低減を最小限に抑えている。
【００２５】
上述した実施形態では、外套管１１Ａの中空断面形状を正十二角形としたが、これに限定されることはなく、例えば図３に示す変形例のように、燃料集合体１Ｂの外套管１１Ｂを円形断面とし、円弧状の間隙形成部２０′により溶融燃料排出ダクト３０′を形成するようにしてもよい。
すなわち、本実施形態において、外套管１１Ａ，１１Ｂの断面形状については、隣接する間隙形成部２０，２０′により溶融燃料排出ダクト３０，３０′を形成できればよく、従って、正十二角筒状や円形の他にも、正八角形や正十六角形など、溶融燃料排出ダクトを形成可能な種々の多角筒状が採用可能である。
【００２６】
しかし、外套管１１の中空断面形状を正十二角形とした外套管１１Ａは、燃料棒１０を正三角格子状にして配列する上で最も効率のよい正六角形断面の延長線上にあるため、従来構造からの変更が容易である。すなわち、正十二角筒状の外套管１１Ａは、既存の外套管１１である正六角筒状の延長として考えやすく、従って、特にブランケット燃料を正六角形のままとした場合は、正十二角形との組合せが容易である。
また、円形断面の外套管１１Ｂは、多角形断面形状の筒体と比較して製造が容易になるという利点を有している。
【００２７】
上述したように、本実施形態の高速炉用燃料集合体構造によれば、万一の炉心損傷時に溶融燃料が炉心部に形成した溶融燃料排出ダクト３０を通って早期に炉外へ排出・分散するので、再臨界と呼ばれる核暴走現象に至ることを回避できる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１，１Ａ，１Ｂ    高速炉用燃料集合体（燃料集合体）
１０    燃料棒
１１，１１Ａ，１１Ｂ    外套管
２０，２０′    間隙形成部
２１    密着部
３０，３０′    溶融燃料排出ダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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