(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、垂直に配置されるラッパ管の下端に冷却材を導入するエントランスノズルを設けるとともに、前記ラッパ管の上端に操作用のハンドリングヘッドを設け、かつ前記ラッパ管内に複数本の燃料ピンを径方向に支持するグリッドを設けたものにおいて、
前記燃料ピンの主たる発熱長に対応する周辺燃料ピンと前記ラッパ管との間の周辺流路部に、前記冷却材流れを抑止するブロックである周辺流れ抑止体を設置し、
前記ブロックは、前記周辺流路部の流路面積を、前記周辺燃料ピンから中心側の流路面積と略同等となるように閉塞する断面を持ち、前記グリッドの軸方向に沿って前記グリッド間に複数体積み重ねられ、この積み重ねられたブロック群により前記グリッドの軸方向相対位置が保持されていることを特徴とする核燃料集合体。
【請求項２】
前記ブロックは、前記ラッパ管の内周面に対向配置されるリング状をなし、前記ブロックの周壁部に当該ブロック内周側の冷却材流路と当該ブロック外周側の前記周辺流路部とを連通させる冷却材流通孔が形成されている請求項１記載の核燃料集合体。
【請求項３】
前記周辺燃料ピンの発熱長以外の部位に、当該各燃料ピンの外周側を覆い、かつ前記グリッド間の相対位置を保持するスリーブが設置され、
前記ハンドリングヘッドの下部に、前記スリーブを押し下げるスプリングが設けられ、このスプリングの押し下げ力により前記スリーブを介して前記グリッドおよび前記周辺流れ抑止体が上方から弾性力をもって押圧保持されている請求項１記載の核燃料集合体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体金属等の冷却材を用いた小型原子炉の核燃料集合体に係り、特にバンドルにグリッドを複数段構成した核燃料集合体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の原子炉では、核燃料集合体が支持部材に装着された状態で炉心内に支持されている。液体金属等の冷却材を用いる原子炉では、炉心内に支持された核燃料集合体内の複数本の燃料ピンに冷却材を循環させるようになっている。この場合、例えば小型原子炉の場合には、燃料ピンをラッパ管に収容し、駆動源を不要として冷却材循環が可能な構成となっている。ラッパ管は、下端に冷却材を導入するエントランスノズルを有するとともに、上端に操作用のハンドリングヘッドを有する構成となっている。ラッパ管内には、燃料ピンを径方向に支持するグリッドと、ラッパ管内に挿入され各グリッドをラッパ管の軸方向に固定保持するライナー管とが備えられ、各燃料ピンの径方向間隔保持はグリッドにより行われるようになっている。グリッドの軸方向間隔はタイロッドもしくはライナー管等により保持されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図８〜図１１を参照して核燃料集合体１００の従来例について説明する。図８および図９において、複数の燃料ピン１０１はグリッド１０２によりピン間隔を保持され、ラッパ管１０３内に収納される。燃料ピン１０１はその下部を下部ピン支持板１０５、上部を上部支持板１０６に固定されている。液体金属等の冷却材はエントランスノズル１０４の冷却材流入口１０８から流入し、ハンドリングヘッド１０７の冷却材流出口１０９から流出する。
【０００４】
このように構成された核燃料集合体１００においては、低圧損のグリッド１０２としてリング型のものが用いられていた。また、図１０に示すように、ラッパ管１０３の内面側、すなわち燃料バンドルの外側に、薄肉六角管であるライナー管１１０を設置して、グリッド１０２をライナー管１１０と交互に積み重ねることで、グリッド１０２の軸方向間隔を保っていた。
【０００５】
また、燃料バンドルの周囲の流路面積が大きいため、中心部燃料の被覆管温度が相対的に高くなるので、それを被覆管温度制限以下にする必要があり、そのため熱効率の低下が見られた。この現象を押さえるために、図１１に示すように、ライナー管１１０にその周壁を折り加工して形成される周辺流れ防止突起１１２を設けることが知られている。
【特許文献１】特開平６−１７４８８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、従来の燃料集合体ではライナー管にその周壁を折り加工して形成される周辺流れ防止突起を設ける等の提案がされているが、必ずしも十分に周辺流れを抑えることが困難であった。
【０００７】
燃料集合体内の周辺流れを可能な限り抑えるためには、ラッパ管と周辺ピンの間に生じる流路面積を、周辺燃料ピンから中心側の燃料ピンで囲まれる流路面積と同程度になるように閉塞する必要がある。具体的には、周辺燃料ピンの内側に三角配列されている燃料ピンで囲まれる流路面積と同等程度になるように、ラッパ管と周辺燃料ピンとの間に形成される流路面積を確保することが必要である。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、周辺燃料ピンとラッパ管との間における周辺流路部での冷却材の不要な流れを抑止し、内側配置の燃料ピン側に効率よく冷却材を流すことができるようにし、熱効率が高く、寿命中の性能が安定した燃料集合体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、液体金属を冷却材とする原子炉の炉心に装荷される核燃料集合体であって、垂直に配置されるラッパ管の下端に冷却材を導入するエントランスノズルを設けるとともに、前記ラッパ管の上端に操作用のハンドリングヘッドを設け、かつ前記ラッパ管内に複数本の燃料ピンを径方向に支持するグリッドを設けたものにおいて、前記燃料ピンの主たる発熱長に対応する周辺燃料ピンと前記ラッパ管との間の周辺流路部に、前記冷却材流れを抑止するブロックである周辺流れ抑止体を設置し、前記ブロックは、前記周辺流路部の流路面積を、前記周辺燃料ピンから中心側の流路面積と略同等となるように閉塞する断面を持ち、前記グリッドの軸方向に沿って前記グリッド間に複数体積み重ねられ、この積み重ねられたブロック群により前記グリッドの軸方向相対位置が保持されていることを特徴とする核燃料集合体を提供する。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記ブロックは、前記ラッパ管の内周面に対向配置されるリング状をなし、前記ブロックの周壁部に当該ブロック内周側の冷却材流路と当該ブロック外周側の前記周辺流路部とを連通させる冷却材流通孔が形成されている核燃料集合体を提供する。
【００１３】
請求項３に係る発明では、前記周辺燃料ピンの発熱長以外の部位に、当該各燃料ピンの外周側を覆い、かつ前記グリッド間の相対位置を保持するスリーブが設置され、前記ハンドリングヘッドの下部に、前記スリーブを押し下げるスプリングが設けられ、このスプリングの押し下げ力により前記スリーブを介して前記グリッドおよび前記周辺流れ抑止体が上方から弾性力をもって押圧保持されている核燃料集合体を提供する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料ピンの主たる発熱長に対応する周辺燃料ピンとラッパ管との間に周辺流れ抑止体を設置したことにより、燃料集合体内の外周部位に冷却材の不要な流れを抑止して内側配置の燃料ピン側に効率よく冷却材を流すことができる。したがって、熱効率が高くかつ、寿命中の性能が安定した燃料集合体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る燃料集合体の一実施形態について図１〜図７を参照して説明する。
【００１７】
まず、図１により全体の概略構成を説明する。図１は燃料集合体１０の全体構成を示す断面図である。核燃料集合体１０は、垂直に配置されるラッパ管３の下端に冷却材を導入するエントランスノズル４を設けるとともに、ラッパ管３の上端に操作用のハンドリングヘッド７を設け、ラッパ管３内に複数本の燃料ピン１を収納した構成とされている。
【００１８】
各燃料ピン１はグリッド２により径方向のピン間隔を保持されており、これらの燃料ピン１は下端部を下部ピン支持板５により、また上端部を上部ピン支持板６により、それぞれ固定支持されている。液体金属等の冷却材は、エントランスノズル４の冷却材流入口８から流入し、ハンドリングヘッド７の冷却材流出口９から流出する。
【００１９】
このような構成において、燃料ピン１の主たる発熱長に対応する周辺燃料ピン１ａとラッパ管３との間の周辺流路部１１での冷却材流れを抑止する周辺流れ抑止体１２が設けられている。ここで、主たる発熱長とは、燃料ピン１の軸方向長さ範囲において、放射性燃料物質が収納された範囲をいう。図１の例では、下部ピン支持板５からラッパ管３の略中央高さ位置に設けられたグリッド２ａまでの範囲が主たる発熱長の範囲である。中間高さ位置のグリッド２ａから上部ピン支持板５までの範囲では燃料ピン１にガスプレナムが形成されており、この範囲は発熱長以外の範囲となる。
【００２０】
周辺流れ抑止体１２は、周辺流路部１１に設置された複数のブロック１３として構成されている（図１においては、各ブロック１３が右半分のみ示されている）。これらのブロック１３は、周辺流路部１１の流路面積を、周辺燃料ピン１ａから中心側の流路面積と略同等となるように閉塞する断面を持つ構成とされている。そして、これらのブロック１３は上下方向に積み重ねられ、上下厚さの設定および積み重ね段数の設定により、各段のグリッド２の軸方向相対位置を保持する構成となっている。
【００２１】
所定数の周辺燃料ピン１ａの発熱長以外の部位には、燃料ピン１を覆い、かつグリッド２間の相対位置を保持するスリーブ１４が配置されている。また、ハンドリングヘッド７の下部には、最上端配置のスリーブ１４ａを押し下げるスプリング１５が設けられ、このスプリング１５によりスリーブ１４、グリッ２ドおよびブロック１３が上方から弾性力をもって押圧保持される構成となっている。
【００２２】
次に、図２〜図４により、ブロック１３の構成を詳細に説明する。図２は一つのブロック１３の全体構成を示す側面図であり、図３は図２の平面図である。図４は図３のＡ部を拡大して示す部分断面図である。
【００２３】
図２に示すように、ブロック１３は所定の上下厚さを有し、図３に示すように、平面形状は正六角形となっている。この平面形状は、図３に仮想線で示したラッパ管３の内周面に対応する。なお、ブロック１３は、上記の形状を得るために、例えばワイヤー法放電加工等により加工されている。
【００２４】
ブロック１３の内周面側には、図３に示すように、内側に保持する燃料ピン１の外周面に対応して円弧状の凸部１６が形成されている。なお、図３の例では多数の燃料ピン１を設置する場合の構成として、ブロック１３の一辺に周辺燃料保持用の１１個の凸部１６を有する構成が示されている。後述する図５の例では、簡略的にブロック１３の凸部１６が省略され、ブロック１３の一辺に４本の燃料ピン１が配置された構成が示されている。
【００２５】
図２および図４に示すように、ブロックの外側面における隅角部両脇部位には、上下方向に沿う溝孔からなる位置決めピン挿入用の係止孔がそれぞれ形成され、これらの係止孔に係止ピンを挿入することにより、上下に積み重ねられるブロックを係止し、径方向の位置決めを行えるようになっている。
【００２６】
また、図２および図４に示すように、ブロック１３の周壁には、ブロック１３の内周側の冷却材流路１９とブロック１３の外周側の周辺流路部１１とを連通させる冷却材流通孔２０が形成されている。これにより、ブロック１３の内周側と外周側とは冷却材流通孔２０を介して連通し、この冷却材流通孔２０を介して冷却材が自由に流動することにより、内外周の冷却材圧力は均一化される構成となっている。
【００２７】
次に、図１、図５および図６により、スリーブ１４の構成を説明する。図５は図１のＢ−Ｂ線断面図（横断面図）であり、図６は図５のＣ−Ｃ線断面図（縦断面図）である。図５に示すように、スリーブ１４は燃料ピン１より径が大きく、ラッパ管３の各隅角部内周側に配置され、例えば６本の周辺燃料ピン１ａを発熱長以外の部位でそれぞれ被嵌する状態でラッパ管３の内面隅角部に接する配置で組み込まれている。各スリーブ１４には図１に示すように、グリッド２間の相対位置を保持するための所定の軸方向長さ（上下長さ）が設定され、各スリーブ１４の上下端をグリッド２に当接することにより、上下に配置されているグリッド２間の相対位置を保持することができる。なお、スリーブ１４については、図５において６本をコーナに配置しているが、３本以上で十分保持可能である。
【００２８】
図７には、最上端配置のスリーブ１４を押し下げるスプリング１５の構成が拡大して示されている。この図７に示すように、ハンドリングヘッド７の下端位置に上部ばね押さえ２１が設けられ、この上部ばね押さえ２１の中央下面から垂直に押え棒２２が下向きに突出している。この押え棒２２は、最上端に配置されたスリーブ１４の上端部に挿入されている。この押さえ棒２２の周囲に、押し下げ力を発生させるための上述のスプリング１５、例えば圧縮コイルばねが設けられている。一方、最上端に配置されたスリーブ１４の上端には、ばね受け部材２３が設けられスプリング１５の押し下げ力を受けるようになっている。
【００２９】
このように、ハンドリングヘッド７に押さえ棒２２を設置し、スプリング１５とバネ受け部材２３を介してスリーブ１４を下向きに押し下げる構成とすることにより、周辺流れ防止用のブロック１３、スリーブ１４およびグリッド２が下方に押圧保持されるようになっている。すなわち、発熱長以外の範囲における、グリッド２間の相対位置を保持する手段として、燃料ピン１よりも径が大きいスリーブ１４が燃料ピン１に被嵌設置されている。したがって、スリーブ１４とスプリング１５を介して、燃料ピン１の軸方向膨張を妨げることなく、グリッド２等を弾性力をもって押圧保持することができ、これによりスリーブ１４、グリッド２およびブロック１３が上方から弾性力をもって押圧保持される。
【００３０】
以上のように、周辺流れ抑止体１２は、ラッパ管３に面する係止ピン１８とラッパ管３の間隙の周辺流部１１に設置され、その流路面積を、中心部の三角配列の燃料ピン１で囲まれる流路面積と略同等になるように閉塞できる断面を持つブロック１３として構成されている。また、ブロック１３を積み重ねて、グリッド２の軸方向相対位置を保持する構成となっている。また、燃料ピン１を等間隔に保持するグリッド２の軸方向位置を等間隔に保持できるように、炉心発熱部では周辺流れ防止用ブロック１３をグリッド２間に複数個積み上げることにより、所定位置に保つ構成としている。また、ブロック１３の燃料ピン１に接する部分は、周辺流れを抑制するためにラッパ管３に面する燃料ピン１に沿って流路を閉塞するように、ピン形状に沿うな形状に加工されている。また、ブロック１３には、ラッパ管３とブロック１３との間のギャップと、ブロック１３の内側とを連通させる冷却材流路孔２０が穿設され、ブロック１３の内側とラッパ管３とのギャップとの圧力差をなくし、変形を防いでいる。
【００３１】
さらに、発熱長以外では、グリッド２間の相対位置を保持する手段として、燃料ピン１より径が大きいスリーブ１４を燃料ピン１に被嵌設置し、これによりグリッド２を支える構成となっている。さらに、グリッド２、スリーブ１４およびブロック１３は、ハンドリングヘッド７から支持されたスプリング１３を介して上部から押さえることで保持される構成となっている。
【００３２】
以上のように、本実施形態によれば、燃料集合体内の外周部位に冷却材の不要な流れを防止して内側配置の燃料ピン側に効率よく冷却材を流すことができる。また、周辺流れ防止用ブロック等からなるによりグリッドを軸方向に適切な位置に固定し、また周辺流れを押さえ集合体内の温度分布を平坦化し、燃料被覆管の温度を抑えることで、燃料寿命を一層延長することができる。
【００３３】
さらに、グリッドおよび周辺流れ防止用ブロックとスリーブとにより、ハンドリングヘッドから燃料ピンの軸方向膨張を妨げることなく押さえる構成とすることで、燃料ピンに押さえるための荷重が負荷されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る燃料集合体の一実施形態を示す全体概略断面図。
【図２】図１に示した燃料集合体のブロックを示す拡大図。
【図３】図２の平面図。
【図４】図３のＡ部拡大図。
【図５】図１のＢ−Ｂ線拡大断面図。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図。
【図７】図１のＤ部拡大図。
【図８】従来例の燃料集合体を示す概略図。
【図９】図８のＥ−Ｅ線断面図。
【図１０】従来例における燃料集合体の横断面図。
【図１１】他の従来例における燃料集合体の横断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料ピン
２  グリッド
３  ラッパ管
４  エントランスノズル
５  下部ピン支持板
６  上部ピン支持板
７  ハンドリングヘッド
８  冷却材流入口
９  冷却材出口
１０  核燃料集合体
１１  周辺流路部
１２  周辺流れ抑止体
１３  ブロック
１４  スリーブ
１４ａ  最上端位置のスリーブ
１５  スプリング
１６  凸部
１７  係止溝
１８  係止ピン
１９  冷却材流路
２０  冷却材流路孔
２１  上部ばね抑え
２２  押え棒
２３  ばね受け材
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
0004630811.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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