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JP3778438B2 - Fuel assembly for fast breeder reactor - Google Patents
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    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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  • Structure Of Emergency Protection For Nuclear Reactors (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速増殖炉の炉心に装荷される高速増殖炉用燃料集合体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、高速増殖炉の炉心に装荷される高速増殖炉用燃料集合体20では、図7に示すように、燃料ペレット22を封入した数百本の燃料棒23を三角格子状に束ねて配置したものが、六角形状のステンレス鋼の外筒であるラッパー管24で覆われている。
【0003】
ステンレスは中性子を吸収する物質である。したがって、中性子利用率を高め、炉心の性能を向上させるために、図8に示すように、ラッパー管24を削除した高速増殖炉用燃料集合体26の概念も考えられている。
【0004】
このようなラッパー管24を削除した高速増殖炉用燃料集合体26では、三角格子状に束ねられた燃料棒23が、グリッドスペーサ27で保持されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなラッパー管を削除した高速増殖炉用燃料集合体26では、以下のような問題がある。
【0006】
すなわち、図8に示すようなラッパー管を削除した高速増殖炉用燃料集合体26が高速増殖炉の炉心に装荷された場合には、隣接する高速増殖炉用燃料集合体26との間の障壁が無くなる。
【0007】
このため、仮に万が一、燃料ペレット22が溶融するような事象が発生した場合、隣接する高速増殖炉用燃料集合体26同士で、燃料ペレット22が溶融した領域が連結し、広い溶融燃料領域を形成し、核燃料物質が再臨界に至る可能性が懸念されている。
【0008】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、仮に万が一、燃料ペレットが溶融するような事象が発生した場合であっても、燃料ペレットが溶融した領域が連結することを阻止し、もって、溶融した核燃料物質による再臨界が生じない高速増殖炉用燃料集合体を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じる。
【0010】
すなわち、請求項1の発明は、天然ウランおよび劣化ウランのうちの少なくとも何れかを含むブランケット燃料が装填された長尺状の複数の第1の燃料棒と、少なくともプルトニウムを含む核燃料物質が装填された長尺状の複数の第2の燃料棒とを三角格子状に束ねて配置することにより構成した高速増殖炉用燃料集合体において、少なくとも最外周層には全て第1の燃料棒を配置し、第1の燃料棒の外径を、第2の燃料棒の外径と同径か、もしくはそれよりも太径とし、第1の燃料棒には、片方の端部側に更に中性子吸収材を装填し、各燃料棒の長尺方向がほぼ鉛直方向となり、かつ中性子吸収材が装填された端部側が下部側になるように炉心に装荷する。そして、複数の第2の燃料棒のそれぞれは、核燃料物質が装填された燃料領域の両側に、ブランケット燃料が装填されたブランケット領域を、両ブランケット領域の端部側に、核燃料物質の核分裂により発生するFPガスを蓄積するプレナム領域を備えた第3の燃料棒と、第3の燃料棒のブランケット領域をプレナム領域とし、片方の端部側に更に中性子吸収材を装填した第4の燃料棒とのうちのいずれか一方に属し、各燃料棒の長尺方向がほぼ鉛直方向となり、かつ第4の燃料棒の中性子吸収材が装填された端部側が下部側になるように炉心に装荷する。
【0011】
請求項2の発明は、請求項1に記載の高速増殖炉用燃料集合体において、第3の燃料棒の燃料領域に装填された核燃料物質が溶融した場合には、この溶融した核燃料物質が、その両側に備えられたブランケット領域によって、該燃料領域内に保持されるようにし、第4の燃料棒の燃料領域に装填された核燃料物質が溶融した場合には、この溶融した核燃料物質が、炉心装荷時に燃料領域の下部側にあるプレナム領域を落下して下部側へ達するようにする。
【0012】
請求項3の発明では、請求項1又は請求項2に記載の高速増殖炉用燃料集合体において、第3の燃料棒のプレナム領域と、第4の燃料棒のプレナム領域との体積をほぼ同じとする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【0018】
なお、以下の各実施の形態の説明に用いる図中の符号は、図7および図8と同一部分については同一符号を付して示すことにする。
【0019】
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態を図1から図4を用いて説明する。
【0020】
図1は、第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の燃料棒配置例を示す1/2斜視断面図である。
【0021】
また、図2は、第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図である。
【0022】
すなわち、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体1は、図8に示すように、三角格子状に束ねられた燃料棒23が、グリッドスペーサ27で保持された、断面正六角形状構成としている。
【0023】
そして、図1に示すように、正六角形状の断面の各頂点位置に相当する場所には燃料棒23の代わりに、グリッドスペーサ27に溶接等によって固定されたタイロッド2を配置している。
【0024】
燃料棒23は、ブランケット燃料棒3と、タイプ1炉心燃料棒4(#1)と、タイプ2炉心燃料棒4(#2)との3種類の燃料棒からなる。これら燃料棒はいずれも、図2に示すように、その上端部を上部端栓TSで、またその下端部を下部端栓BSでそれぞれ栓している。また、各燃料棒の外径は、タイプ1炉心燃料棒4(#1)とタイプ2炉心燃料棒4(#2)については同径であるが、ブランケット燃料棒3については、タイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)と同径か、もしくはそれよりも太径としている。
【0025】
ブランケット燃料棒3とは、天然ウランからなるブランケット燃料を装填した燃料棒であって、図2(a)にその一例を示すような軸方向の構成をしている。
【0026】
すなわち、ブランケット燃料棒3は、その軸方向の中央部に、ブランケット燃料からなる燃料ペレット22が装填された領域であるブランケット燃料領域Nを備えている。このブランケット燃料領域Nの下端部は、かしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって位置決めするとともに、このかしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって燃料ペレット22が落下しないようにしている一方、万が一、燃料ペレット22が溶融した場合には、燃料ペレット22がブランケット燃料領域Nから下部プレナム領域LPおよび中性子吸収材領域A側へと落下しやすくなるようにしている。
【0027】
ブランケット燃料領域Nの上下側にはそれぞれ、ブランケット燃料の核分裂によって発生するXeやKrなどのFPガスを吸収し、ブランケット燃料棒3の内圧上昇を緩和するプレナム領域である上部プレナム領域UPと、下部プレナム領域LPとを備えている。
【0028】
上部プレナム領域UPには、ブランケット燃料領域Nに装填された燃料ペレット22を上部側から下部側へと押さえつけるプレナムスプリングSPを配置している。更に、下部プレナム領域LPの下部には、炭化硼素(B4C)など中性子を良く吸収する物質である中性子吸収材が装填された領域である中性子吸収材領域Aを配置している。なお、ブランケット燃料領域Nに装荷するブランケット燃料には、天然ウランのみならず、劣化ウランからなる燃料ペレット22を装填しても良い。
【0029】
タイプ1炉心燃料棒4(#1)とは、少なくともプルトニウムを含む核燃料物質を装填した燃料棒であって、図2(b)にその一例を示すような軸方向の構成をしている。
【0030】
すなわち、タイプ1炉心燃料棒4(#1)は、その軸方向の中央部に、少なくともプルトニウムを含む核燃料物質からなる燃料ペレット22が装填された領域である炉心燃料領域Fを備えている。この核燃料物質には、例えば核分裂性のウランおよびプルトニウムが約20重量%程度含まれた混合酸化物を用いる。この炉心燃料領域Fの下端部もまた、かしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって位置決めするとともに、このかしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって燃料ペレット22が落下しないようにしている。
【0031】
炉心燃料領域Fの上下側には、それぞれ前述したようなブランケット燃料領域Nを配置している。このように炉心燃料領域Fの上部側に配置されたブランケット燃料領域Nの上端部高さは、図2(a)に示すようにブランケット燃料棒3のブランケット燃料領域Nの上端部高さと等しくしている。また、炉心燃料領域Fの下部側に配置されたブランケット燃料領域Nの下端部高さは、図2(a)に示すようにブランケット燃料棒3のブランケット燃料領域Nの下端部高さと等しくしている。
【0032】
更に、両ブランケット燃料領域Nの上部側および下部側には、炉心燃料領域Fに装填された核燃料、および両ブランケット燃料領域Nに装填されたブランケット燃料の核分裂によって発生するXeやKrなどのFPガスを吸収し、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の内圧上昇を緩和するプレナム領域である上部プレナム領域UPおよび下部プレナム領域LPを備えている。
【0033】
またブランケット燃料棒3の場合と同様に、上部プレナム領域UPには、燃料ペレット22を上部側から下部側へと押さえつけるプレナムスプリングSPを配置している。
【0034】
タイプ1炉心燃料棒4(#1)には、ブランケット燃料棒3よりも、多くの核分裂性物質が含まれており、多くのFPガスが発生することから、その下部プレナム領域LPの体積を、ブランケット燃料棒3の下部プレナム領域LPの体積よりも大きくしている。
【0035】
タイプ2炉心燃料棒4(#2)は、図2(c)にその軸方向の構成例を示すように、タイプ1炉心燃料棒4(#1)から両ブランケット燃料領域Nを省略した構成としている。そして、炉心燃料領域Fの下端部をかしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって位置決めするとともに、このかしめDまたは中央に貫通孔を有する中間端栓によって燃料ペレット22が落下しないようにしている。
【0036】
そして、万が一、燃料ペレット22が溶融した場合には、燃料ペレット22が炉心燃料領域Fから下部プレナム領域LP側へと落下しやすくなるようにしている。
【0037】
本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体1では、少なくとも最外周層には全てブランケット燃料棒3を配置する。更に、最外周層の燃料棒配置位置の数よりもブランケット燃料棒3の本数が多く、最外周層に配置されきれなかったブランケット燃料棒3については、最外周側から優先的に配置するようにする。図1に示す図は、最外周側2層に、ブランケット燃料棒3を配置した例である。
【0038】
ブランケット燃料棒3を配置しない場所には、タイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)のうちの何れかのタイプの炉心燃料棒4を配置するが、集合体の中心側にタイプ2炉心燃料棒4(#2)を配置する。
【0039】
次に、以上のように構成した本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の作用について説明する。
【0040】
図3は、上述したような本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体を装荷して構成される炉心の一例を示す断面図である。
【0041】
すなわち、炉心6は、断面が正六角形状をしている複数の高速増殖炉用燃料集合体1を、稠密に二次元的に装荷して構成される。
【0042】
本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体1は、少なくとも最外周層は全てブランケット燃料棒3が配置されているので、このような高速増殖炉用燃料集合体1が稠密に装荷されてなる炉心6では、図3に示すように、隣接する高速増殖炉用燃料集合体1同士でブランケット燃料棒3が配置された領域が結合された広いブランケット燃料領域7が形成される。
【0043】
このようにブランケット燃料領域7が形成されたことによって、各高速増殖炉用燃料集合体1においてタイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)が配置された領域である炉心燃料領域8は、結合することはない。すなわち、隣接する高速増殖炉用燃料集合体1同士であっても、おのおのの炉心燃料領域8は、空間的に隔離されて配置される。
【0044】
このように構成された炉心6において、仮に万が一、燃料ペレット22が溶融するような事象が発生した場合について説明する。
【0045】
炉心6において生じている核分裂は、そのほとんどが核分裂性物質が多く含まれているタイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)の炉心燃料領域8において生じている。一方、核分裂性物質がほとんど含まれていないブランケット燃料棒3からなるブランケット燃料領域7では核分裂の発生が少ない。
【0046】
したがって、タイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)の温度は、ブランケット燃料棒3の温度よりも高くなる。すなわち、燃料ペレット22が溶融する事象が発生した場合には、先ずタイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)の炉心燃料領域Fに装填されている燃料ペレット22の溶融が生じる。
【0047】
炉心燃料領域Fに装填されている燃料ペレット22が溶融すると、タイプ2炉心燃料棒4(#2)の場合には、図4に示すように、溶融した燃料ペレット22が下部プレナム領域LP側へ落下する。一方、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の場合には、炉心燃料領域Fの下部にブランケット燃料領域Nが設けられている。ブランケット燃料領域Nでは核分裂が少なく、温度も低いので溶融する可能性は低い。したがって、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の場合、炉心燃料領域Fに装荷された燃料ペレット22が溶融した場合、この溶融した燃料ペレット22は、そのまま炉心燃料領域Fあるいは下部ブランケット燃料領域Nの領域内に保持される可能性が高い。
【0048】
このように、燃料ペレット22の溶融が生じた場合には、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の場合、溶融した燃料ペレット22が炉心燃料領域Fあるいは下部ブランケット燃料領域Nの領域内に保持される一方、タイプ2炉心燃料棒4(#2)の場合、溶融した燃料ペレット22が下部プレナム領域LP側に落下する。これによって、炉心6内で、核分裂性物質が軸方向に分散され、炉心6の実効増倍率の低下が図られる。
【0049】
更に、タイプ2炉心燃料棒4(#2)において、溶融した燃料ペレット22が下部プレナム領域LP側に落下すると、ブランケット燃料棒3の下部側に設けられた中性子吸収材領域Aに装填された中性子吸収材によって、下部プレナム領域LPに落下した燃料ペレット22から放出される中性子が効率よく吸収されるようになるために、炉心6の実効増倍率の更なる低下が図られる。
【0050】
一方、炉心6の径方向に関しては、各高速増殖炉用燃料集合体1においてタイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)が配置された領域である炉心燃料領域8は、図3に示すように、ブランケット燃料領域7によって空間的に隔離されている。ブランケット燃料領域7に装填されているブランケット燃料では、核分裂が少なく、温度が低いために燃料ペレット22が溶融する可能性は低い。
【0051】
したがって、仮に万が一、炉心燃料領域8の核分裂性物質が多く含まれた燃料ペレット22が溶融した場合であっても、ブランケット燃料領域7がバウンダリとなることによって、隣接する高速増殖炉用燃料集合体1の炉心燃料領域8と結合することはない。すなわち、隣接する高速増殖炉用燃料集合体1同士で、燃料ペレット22が溶融した領域が連結し、広い溶融燃料領域を形成するようなことはない。この効果は、ブランケット燃料棒3の外径を、タイプ1炉心燃料棒4(#1)およびタイプ2炉心燃料棒4(#2)の外径よりも太径とすることによって更に高められる。
【0052】
上述したように、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体においては、上記のような作用により、仮に万が一、燃料ペレット22が溶融するような事象が発生した場合であっても、先ずタイプ2炉心燃料棒4(#2)の炉心燃料領域Fにおける溶融ペレットが下部プレナム領域LP側に落下することにより、核分裂性物質が軸方向で分散され、炉心6の実効増倍率を低下させることができる。
【0053】
更に、下部プレナム領域LPに落下した燃料ペレット22から放出される中性子が効率よく中性子吸収材領域Aに装填された中性子吸収材によって吸収されることによって、炉心6の実効増倍率を更に低下させることができる。
【0054】
また、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体1では、少なくとも最外周にはブランケット燃料棒3が配置されているので、このような高速増殖炉用燃料集合体1が稠密装荷されてなる炉心6では、隣接する高速増殖炉用燃料集合体1同士でブランケット燃料棒3が配置された領域が結合された広いブランケット燃料領域7を形成することができる。このブランケット燃料領域7がバウンダリとなることによって、炉心燃料領域8を高速増殖炉用燃料集合体1毎に隔離することができるので、仮に万が一、炉心燃料領域8の燃料ペレット22が溶融した場合であっても、隣接する炉心燃料領域8で溶融した燃料ペレット22と物理的に結合するようなことはない。
【0055】
したがって、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体1は、仮に万が一、燃料ペレット22が溶融するような事象が発生した場合であっても、燃料ペレット22が溶融した領域が連結することを阻止し、溶融した核燃料物質による再臨界を阻止することが可能となる。
【0056】
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態を図5および図6を用いて説明する。
【0057】
図5は、第2の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図であり、図2と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【0058】
すなわち、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体は、図5に示すように、タイプ2炉心燃料棒4(#2)の下部プレナム領域LPの下部側の一部を、中性子吸収材領域Aとした点のみが第1の実施の形態と異なる。この中性子吸収材領域Aの長さは、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の炉心燃料領域Fの上下側にそれぞれ備えられているブランケット燃料領域Nの長さ未満とする。
【0059】
そもそも図2に示すような第1の実施の形態の場合、タイプ2炉心燃料棒4(#2)はブランケット燃料領域Nを備えていない分、タイプ1炉心燃料棒4(#1)よりもプレナム体積には余裕がある。この余裕分を、中性子吸収材領域Aに振り分けたのが本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体のタイプ2炉心燃料棒4(#2)である。
【0060】
すなわち、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の炉心燃料領域Fの上下側にそれぞれ備えられている両ブランケット燃料領域Nの長さの合計を、中性子吸収材領域Aの長さとした場合には、タイプ1炉心燃料棒4(#1)とタイプ2炉心燃料棒4(#2)とのプレナム体積は等しくなる。したがって、中性子吸収材領域Aの長さは、FPガスによる内圧上昇分を吸収する能力を、タイプ1炉心燃料棒4(#1)よりも低下させないとの観点から、タイプ1炉心燃料棒4(#1)の炉心燃料領域Fの上下側にそれぞれ備えられているブランケット燃料領域Nの合計長さ以下とする。
【0061】
以上のように構成した本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体では、タイプ2炉心燃料棒4(#2)の下部に中性子吸収材領域Aが設けられているために、仮に万が一、燃料ペレット22が溶融する事象が発生すると、図6に示すように、溶融した燃料ペレット22が中性子吸収材領域A側へと落下する。
【0062】
これによって、炉心6内で、核分裂性物質が軸方向に分散されることに加えて、落下した燃料ペレット22から放出される中性子が、ブランケット燃料棒3の中性子吸収材領域Aに装填された中性子吸収材のみならず、タイプ2炉心燃料棒4(#2)の中性子吸収材領域Aに装填された中性子吸収材によっても吸収されるという新たな効果が奏される。
【0063】
したがって、本実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体が装荷されてなる炉心は、上記のような作用により、第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体が装荷されてなる炉心よりも、燃料ペレット22の溶融時における実効増倍率の更なる低下を図ることができるために、より未臨界度を高め、安全性を高めることが可能となる。
【0064】
以上、本発明の好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら説明したが、本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲の発明された技術的思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、仮に万が一、燃料ペレットが溶融するような事象が発生した場合であっても、燃料ペレットが溶融した領域が連結することを阻止することができる。
【0066】
以上により、仮に万が一、燃料ペレットが溶融するような事象が発生した場合であっても、溶融した核燃料物質による再臨界が生じない高速増殖炉用燃料集合体を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の燃料棒配置例を示す1/2斜視断面図
【図2】第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図
【図3】第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体を装荷して構成される炉心の一例を示す断面図
【図4】第1の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図(溶融ペレット落下時)
【図5】第2の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図
【図6】第2の実施の形態に係る高速増殖炉用燃料集合体の各燃料棒の長尺方向における構成例を示す概念図(溶融ペレット落下時)
【図7】六角形状のラッパー管で覆われた高速増殖炉用燃料集合体の斜視図
【図8】ラッパー管を削除した高速増殖炉用燃料集合体の斜視図
【符号の説明】
A…中性子吸収材領域
D…かしめ
F…炉心燃料領域
N…ブランケット燃料領域
TS…上部端栓
BS…下部端栓
UP…上部プレナム領域
LP…下部プレナム領域
SP…プレナムスプリング
1,20,26…高速増殖炉用燃料集合体
3…ブランケット燃料棒
4…炉心燃料棒
4(#1)…タイプ1炉心燃料棒
4(#2)…タイプ2炉心燃料棒
6…炉心
7…ブランケット燃料領域
8…炉心燃料領域
22…燃料ペレット
23…燃料棒
24…ラッパー管
27…グリッドスペーサ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel assembly for a fast breeder reactor loaded in a core of a fast breeder reactor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a fast breeder reactor fuel assembly 20 loaded in the core of a fast breeder reactor, as shown in FIG. 7, several hundred fuel rods 23 enclosing fuel pellets 22 are arranged in a triangular lattice pattern. Things are covered with a wrapper tube 24 which is a hexagonal stainless steel outer cylinder.
[0003]
Stainless steel is a substance that absorbs neutrons. Therefore, in order to increase the neutron utilization rate and improve the performance of the core, a concept of a fast breeder reactor fuel assembly 26 in which the wrapper tube 24 is omitted as shown in FIG. 8 is also considered.
[0004]
In the fast breeder reactor fuel assembly 26 in which the wrapper tube 24 is omitted, the fuel rods 23 bundled in a triangular lattice shape are held by a grid spacer 27.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, the fast breeder reactor fuel assembly 26 from which such a wrapper tube is omitted has the following problems.
[0006]
That is, when the fast breeder reactor fuel assembly 26 from which the wrapper tube shown in FIG. 8 is removed is loaded on the core of the fast breeder reactor, the barrier between the adjacent fast breeder reactor fuel assemblies 26 is used. Disappears.
[0007]
For this reason, in the unlikely event that the fuel pellets 22 melt, an area where the fuel pellets 22 are melted is connected between the adjacent fast breeder reactor fuel assemblies 26 to form a wide melted fuel area. However, there is a concern that the nuclear fuel material may reach recriticality.
[0008]
The present invention has been made in view of such circumstances, and even if an event that causes the fuel pellets to melt occurs, the region where the fuel pellets melted is prevented from being connected, Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel assembly for a fast breeder reactor in which recriticality due to molten nuclear fuel material does not occur.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention takes the following measures.
[0010]
That is, the invention of claim 1 is loaded with a plurality of long first fuel rods loaded with a blanket fuel containing at least one of natural uranium and degraded uranium, and a nuclear fuel material containing at least plutonium. In the fuel assembly for a fast breeder reactor constructed by bundling and arranging a plurality of long second fuel rods in a triangular lattice pattern, the first fuel rods are all disposed at least in the outermost peripheral layer. The outer diameter of the first fuel rod is the same as or larger than the outer diameter of the second fuel rod, and the first fuel rod further includes a neutron absorber on one end side. The fuel core is loaded so that the longitudinal direction of each fuel rod is substantially vertical, and the end side loaded with the neutron absorber is on the lower side. Each of the plurality of second fuel rods generates a blanket region loaded with a blanket fuel on both sides of a fuel region loaded with nuclear fuel material, and is generated by fission of the nuclear fuel material on the end side of both blanket regions. A third fuel rod having a plenum region for accumulating FP gas, a fourth fuel rod having a blanket region of the third fuel rod as a plenum region, and further loaded with a neutron absorber on one end side; The fuel core is loaded so that the longitudinal direction of each fuel rod is substantially vertical and the end side of the fourth fuel rod loaded with the neutron absorber is on the lower side.
[0011]
The invention of claim 2 is the fast breeder reactor fuel assembly according to claim 1, wherein when the nuclear fuel material loaded in the fuel region of the third fuel rod is melted, the melted nuclear fuel material is: When the nuclear fuel material loaded in the fuel region of the fourth fuel rod is melted by the blanket regions provided on both sides thereof, the molten nuclear fuel material is retained in the core. At the time of loading, the plenum region on the lower side of the fuel region is dropped to reach the lower side.
[0012]
In the invention of claim 3, in the fuel assembly for a fast breeder reactor according to claim 1 or claim 2, the plenum region of the third fuel rod and the plenum region of the fourth fuel rod have substantially the same volume. And
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
In addition, the code | symbol in the figure used for description of each following embodiment attaches | subjects and shows the same code | symbol about the same part as FIG.7 and FIG.8.
[0019]
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0020]
FIG. 1 is a 1/2 perspective cross-sectional view showing an example of fuel rod arrangement in a fuel assembly for a fast breeder reactor according to the first embodiment.
[0021]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration example in the longitudinal direction of each fuel rod of the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the first embodiment.
[0022]
That is, the fast breeder reactor fuel assembly 1 according to the present embodiment has a regular hexagonal cross section structure in which the fuel rods 23 bundled in a triangular lattice shape are held by the grid spacers 27 as shown in FIG. It is said.
[0023]
As shown in FIG. 1, tie rods 2 fixed to the grid spacers 27 by welding or the like are disposed instead of the fuel rods 23 at locations corresponding to the respective vertex positions of the regular hexagonal cross section.
[0024]
The fuel rod 23 is composed of three types of fuel rods: a blanket fuel rod 3, a type 1 core fuel rod 4 (# 1), and a type 2 core fuel rod 4 (# 2). As shown in FIG. 2, each of these fuel rods is plugged with an upper end plug TS at its upper end and a lower end plug BS at its lower end. The outer diameter of each fuel rod is the same for the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2), but for the blanket fuel rod 3, the type 1 core fuel is the same. The diameter is the same as that of the rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2), or larger than that.
[0025]
The blanket fuel rod 3 is a fuel rod loaded with a blanket fuel made of natural uranium, and has an axial configuration as shown in FIG. 2 (a).
[0026]
That is, the blanket fuel rod 3 includes a blanket fuel region N, which is a region in which fuel pellets 22 made of blanket fuel are loaded, at the center in the axial direction. The lower end portion of the blanket fuel region N is positioned by caulking D or an intermediate end plug having a through hole in the center, and the fuel pellet 22 is prevented from dropping by the caulking D or the intermediate end plug having a through hole in the center. On the other hand, if the fuel pellets 22 are melted, the fuel pellets 22 easily fall from the blanket fuel region N to the lower plenum region LP and the neutron absorber region A side.
[0027]
The upper and lower sides of the blanket fuel region N respectively absorb an FP gas such as Xe or Kr generated by nuclear fission of the blanket fuel, and an upper plenum region UP that is a plenum region that alleviates an increase in the internal pressure of the blanket fuel rod 3, And a plenum region LP.
[0028]
In the upper plenum region UP, a plenum spring SP that presses the fuel pellets 22 loaded in the blanket fuel region N from the upper side to the lower side is disposed. Furthermore, a neutron absorber region A, which is a region loaded with a neutron absorber, which is a substance that absorbs neutrons such as boron carbide (B4C), is disposed below the lower plenum region LP. The blanket fuel loaded in the blanket fuel region N may be loaded with not only natural uranium but also fuel pellets 22 made of deteriorated uranium.
[0029]
The type 1 core fuel rod 4 (# 1) is a fuel rod loaded with a nuclear fuel material containing at least plutonium, and has an axial configuration as shown in FIG. 2B.
[0030]
That is, the type 1 core fuel rod 4 (# 1) is provided with a core fuel region F, which is a region in which a fuel pellet 22 made of nuclear fuel material containing at least plutonium is loaded at the center in the axial direction. As the nuclear fuel material, for example, a mixed oxide containing about 20% by weight of fissile uranium and plutonium is used. The lower end portion of the core fuel region F is also positioned by caulking D or an intermediate end plug having a through hole in the center, and the fuel pellet 22 is prevented from falling by the caulking D or the intermediate end plug having a through hole in the center. ing.
[0031]
On the upper and lower sides of the core fuel region F, the blanket fuel regions N as described above are arranged. Thus, the height of the upper end of the blanket fuel region N disposed on the upper side of the core fuel region F is equal to the height of the upper end of the blanket fuel region N of the blanket fuel rod 3 as shown in FIG. ing. Further, the height of the lower end portion of the blanket fuel region N disposed on the lower side of the core fuel region F is made equal to the height of the lower end portion of the blanket fuel region N of the blanket fuel rod 3 as shown in FIG. Yes.
[0032]
Further, on the upper and lower sides of both blanket fuel regions N, nuclear fuel loaded in the core fuel region F, and FP gases such as Xe and Kr generated by nuclear fission of the blanket fuel loaded in both blanket fuel regions N And an upper plenum region UP and a lower plenum region LP, which are plenum regions that relieve the increase in internal pressure of the type 1 core fuel rod 4 (# 1).
[0033]
Similarly to the case of the blanket fuel rod 3, a plenum spring SP that presses the fuel pellet 22 from the upper side to the lower side is disposed in the upper plenum region UP.
[0034]
Since the type 1 core fuel rod 4 (# 1) contains more fissile material than the blanket fuel rod 3 and generates more FP gas, the volume of the lower plenum region LP is The volume of the lower plenum region LP of the blanket fuel rod 3 is larger.
[0035]
The type 2 core fuel rod 4 (# 2) has a configuration in which both blanket fuel regions N are omitted from the type 1 core fuel rod 4 (# 1) as shown in the axial configuration example in FIG. Yes. Then, the lower end portion of the core fuel region F is positioned by caulking D or an intermediate end plug having a through hole in the center, and the fuel pellet 22 is prevented from dropping by the caulking D or the intermediate end plug having a through hole in the center. Yes.
[0036]
In the unlikely event that the fuel pellet 22 is melted, the fuel pellet 22 is likely to fall from the core fuel region F toward the lower plenum region LP.
[0037]
In the fast breeder reactor fuel assembly 1 according to the present embodiment, at least the blanket fuel rods 3 are arranged in the outermost peripheral layer. Further, the number of blanket fuel rods 3 is larger than the number of fuel rod arrangement positions in the outermost circumferential layer, and the blanket fuel rods 3 that cannot be arranged in the outermost circumferential layer are arranged preferentially from the outermost circumferential side. To do. The figure shown in FIG. 1 is an example in which blanket fuel rods 3 are arranged in the two outermost layers.
[0038]
In the place where the blanket fuel rod 3 is not disposed, any type of the core fuel rod 4 of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2) is disposed. A type 2 core fuel rod 4 (# 2) is arranged on the center side of the body.
[0039]
Next, the operation of the fast breeder reactor fuel assembly according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0040]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a core configured by loading the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the present embodiment as described above.
[0041]
That is, the core 6 is configured by densely loading a plurality of fast breeder reactor fuel assemblies 1 having a regular hexagonal cross section in a two-dimensional manner.
[0042]
In the fast breeder reactor fuel assembly 1 according to the present embodiment, since the blanket fuel rods 3 are disposed at least in the outermost peripheral layer, the fast breeder reactor fuel assembly 1 is densely loaded. In the resulting core 6, as shown in FIG. 3, a wide blanket fuel region 7 is formed in which the regions where the blanket fuel rods 3 are arranged are connected to each other between the fast breeder reactor fuel assemblies 1.
[0043]
By forming the blanket fuel region 7 as described above, the region where the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2) are arranged in each fast breeder reactor fuel assembly 1. The core fuel region 8 is not coupled. That is, even between the adjacent fast breeder reactor fuel assemblies 1, each core fuel region 8 is arranged spatially separated.
[0044]
In the core 6 configured in this way, a case will be described in which an event occurs in which the fuel pellet 22 is melted.
[0045]
Fission occurring in the core 6 occurs mostly in the core fuel region 8 of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2), which contains a large amount of fissile material. Yes. On the other hand, in the blanket fuel region 7 composed of the blanket fuel rod 3 containing almost no fissile material, the occurrence of fission is small.
[0046]
Therefore, the temperature of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2) is higher than the temperature of the blanket fuel rod 3. That is, when an event that the fuel pellet 22 melts occurs, first, the fuel pellets loaded in the core fuel region F of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2). 22 melting occurs.
[0047]
When the fuel pellets 22 loaded in the core fuel region F are melted, in the case of the type 2 core fuel rod 4 (# 2), the melted fuel pellets 22 are moved to the lower plenum region LP side as shown in FIG. Fall. On the other hand, in the case of the type 1 core fuel rod 4 (# 1), a blanket fuel region N is provided below the core fuel region F. In the blanket fuel region N, there is little fission and the temperature is low, so the possibility of melting is low. Therefore, in the case of the type 1 core fuel rod 4 (# 1), when the fuel pellet 22 loaded in the core fuel region F is melted, the melted fuel pellet 22 is used as it is in the core fuel region F or the lower blanket fuel region N. Is likely to be held in the area.
[0048]
As described above, when the fuel pellet 22 is melted, in the case of the type 1 core fuel rod 4 (# 1), the melted fuel pellet 22 is held in the core fuel region F or the lower blanket fuel region N. On the other hand, in the case of the type 2 core fuel rod 4 (# 2), the molten fuel pellet 22 falls to the lower plenum region LP side. As a result, the fissile material is dispersed in the axial direction in the core 6 and the effective multiplication factor of the core 6 is reduced.
[0049]
Furthermore, in the type 2 core fuel rod 4 (# 2), when the molten fuel pellet 22 falls to the lower plenum region LP side, the neutrons loaded in the neutron absorber region A provided on the lower side of the blanket fuel rod 3 Since the neutrons emitted from the fuel pellets 22 falling into the lower plenum region LP are efficiently absorbed by the absorber, the effective multiplication factor of the core 6 is further reduced.
[0050]
On the other hand, with respect to the radial direction of the core 6, the core fuel, which is an area where the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2) are arranged in each fast breeder reactor fuel assembly 1. Region 8 is spatially separated by blanket fuel region 7, as shown in FIG. In the blanket fuel loaded in the blanket fuel region 7, there is little fission and the temperature is low, so the possibility that the fuel pellets 22 melt is low.
[0051]
Therefore, even if the fuel pellet 22 containing a large amount of fissile material in the core fuel region 8 is melted, the blanket fuel region 7 becomes a boundary, so that adjacent fuel assemblies for the fast breeder reactor It is not combined with one core fuel region 8. In other words, the adjacent fuel assemblies for fast breeder reactors 1 are not connected to each other in a region where the fuel pellets 22 are melted to form a wide molten fuel region. This effect is further enhanced by making the outer diameter of the blanket fuel rod 3 larger than the outer diameter of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2).
[0052]
As described above, in the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the present embodiment, even if an event that the fuel pellet 22 is melted occurs due to the above-described action, When the molten pellet in the core fuel region F of the type 2 core fuel rod 4 (# 2) falls to the lower plenum region LP side, the fissile material is dispersed in the axial direction, and the effective multiplication factor of the core 6 is reduced. Can do.
[0053]
Furthermore, the neutrons emitted from the fuel pellets 22 that have fallen into the lower plenum region LP are efficiently absorbed by the neutron absorbers loaded in the neutron absorber region A, thereby further reducing the effective multiplication factor of the core 6. Can do.
[0054]
Further, in the fast breeder reactor fuel assembly 1 according to the present embodiment, since the blanket fuel rod 3 is disposed at least on the outermost periphery, such a fast breeder reactor fuel assembly 1 is densely loaded. In the core 6 to be formed, a wide blanket fuel region 7 can be formed in which the regions where the blanket fuel rods 3 are arranged are joined between the adjacent fast breeder reactor fuel assemblies 1. Since the blanket fuel region 7 becomes the boundary, the core fuel region 8 can be isolated for each fast breeder reactor fuel assembly 1. If the fuel pellets 22 in the core fuel region 8 are melted, Even if it exists, it does not physically combine with the fuel pellet 22 melted in the adjacent core fuel region 8.
[0055]
Therefore, in the fast breeder reactor fuel assembly 1 according to the present embodiment, even if an event occurs in which the fuel pellet 22 is melted, the region where the fuel pellet 22 is melted is connected. It is possible to prevent recriticality caused by molten nuclear fuel material.
[0056]
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0057]
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration example in the longitudinal direction of each fuel rod of the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the second embodiment. The same parts as those in FIG. The description is omitted, and only different parts are described here.
[0058]
That is, as shown in FIG. 5, the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the present embodiment uses a part of the lower side of the lower plenum region LP of the type 2 core fuel rod 4 (# 2) as a neutron absorber. Only the area A is different from the first embodiment. The length of the neutron absorber region A is less than the length of the blanket fuel region N provided on the upper and lower sides of the core fuel region F of the type 1 core fuel rod 4 (# 1).
[0059]
In the case of the first embodiment as shown in FIG. 2, the type 2 core fuel rod 4 (# 2) is not provided with the blanket fuel region N, so that the plenum is higher than the type 1 core fuel rod 4 (# 1). There is room in volume. This margin is allocated to the neutron absorber region A in the type 2 core fuel rod 4 (# 2) of the fast breeder reactor fuel assembly according to the present embodiment.
[0060]
That is, when the total length of both blanket fuel regions N provided on the upper and lower sides of the core fuel region F of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) is the length of the neutron absorber region A, The plenum volumes of the type 1 core fuel rod 4 (# 1) and the type 2 core fuel rod 4 (# 2) are equal. Therefore, the length of the neutron absorber region A is the type 1 core fuel rod 4 (from the viewpoint of not reducing the ability to absorb the increase in the internal pressure due to the FP gas as compared with the type 1 core fuel rod 4 (# 1). The total length of the blanket fuel regions N respectively provided on the upper and lower sides of the core fuel region F of # 1) is not more than the total length.
[0061]
In the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the present embodiment configured as described above, the neutron absorber region A is provided at the lower part of the type 2 core fuel rod 4 (# 2). When the event that the fuel pellet 22 melts occurs, as shown in FIG. 6, the melted fuel pellet 22 falls to the neutron absorber region A side.
[0062]
As a result, in addition to the fissile material being axially dispersed in the core 6, neutrons emitted from the dropped fuel pellets 22 are loaded into the neutron absorber region A of the blanket fuel rod 3. There is a new effect that not only the absorber but also the neutron absorber loaded in the neutron absorber region A of the type 2 core fuel rod 4 (# 2) is absorbed.
[0063]
Therefore, the core in which the fuel assembly for the fast breeder reactor according to the present embodiment is loaded is loaded with the fuel assembly for the fast breeder reactor according to the first embodiment by the operation as described above. Since the effective multiplication factor at the time of melting of the fuel pellets 22 can be further lowered than the core, it is possible to further increase the subcriticality and increase the safety.
[0064]
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, this invention is not limited to this structure. Within the scope of the invented technical idea of the scope of claims, a person skilled in the art can conceive of various changes and modifications. The technical scope of the present invention is also applicable to these changes and modifications. It is understood that it belongs to.
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to prevent the regions where the fuel pellets are melted from being connected even if an event occurs in which the fuel pellets melt.
[0066]
As described above, it is possible to realize a fuel assembly for a fast breeder reactor in which recriticality due to the melted nuclear fuel material does not occur even if an event that causes the fuel pellet to melt occurs.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a 1/2 perspective cross-sectional view showing an example of fuel rod arrangement in a fuel assembly for a fast breeder reactor according to a first embodiment. FIG. 2 is a fuel assembly for a fast breeder reactor according to a first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing an example of a core constructed by loading a fuel assembly for a fast breeder reactor according to the first embodiment. FIG. 4 is a conceptual diagram showing a configuration example in the longitudinal direction of each fuel rod of the fuel assembly for a fast breeder reactor according to the first embodiment (at the time of molten pellet dropping)
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a configuration example in the longitudinal direction of each fuel rod of a fuel assembly for a fast breeder reactor according to a second embodiment. FIG. 6 is for a fast breeder reactor according to a second embodiment. Conceptual diagram showing a configuration example of each fuel rod in the fuel assembly in the longitudinal direction (when molten pellet is dropped)
FIG. 7 is a perspective view of a fast breeder reactor fuel assembly covered with a hexagonal wrapper tube. FIG. 8 is a perspective view of a fast breeder reactor fuel assembly with the wrapper tube removed.
A ... Neutron absorber region D ... Caulking F ... Core fuel region N ... Blanket fuel region TS ... Upper end plug BS ... Lower end plug UP ... Upper plenum region LP ... Lower plenum region SP ... Plenum springs 1, 20, 26 ... High speed Breeder fuel assembly 3 ... Blanket fuel rod 4 ... Core fuel rod 4 (# 1) ... Type 1 core fuel rod 4 (# 2) ... Type 2 core fuel rod 6 ... Core 7 ... Blanket fuel region 8 ... Core fuel Region 22 ... Fuel pellet 23 ... Fuel rod 24 ... Wrapper tube 27 ... Grid spacer

Claims (3)

天然ウランおよび劣化ウランのうちの少なくとも何れかを含むブランケット燃料が装填された長尺状の複数の第1の燃料棒と、少なくともプルトニウムを含む核燃料物質が装填された長尺状の複数の第2の燃料棒とを三角格子状に束ねて配置することにより構成した高速増殖炉用燃料集合体において、
少なくとも最外周層には全て前記第1の燃料棒を配置し、前記第1の燃料棒の外径を、前記第2の燃料棒の外径と同径か、もしくはそれよりも太径とし、前記第1の燃料棒には、片方の端部側に更に中性子吸収材を装填し、前記各燃料棒の長尺方向がほぼ鉛直方向となり、かつ前記中性子吸収材が装填された端部側が下部側になるように炉心に装荷し、
前記複数の第2の燃料棒のそれぞれは、前記核燃料物質が装填された燃料領域の両側に、前記ブランケット燃料が装填されたブランケット領域を、前記両ブランケット領域の端部側に、前記核燃料物質の核分裂により発生するFPガスを蓄積するプレナム領域を備えた第3の燃料棒と、前記第3の燃料棒のブランケット領域をプレナム領域とし、片方の端部側に更に中性子吸収材を装填した第4の燃料棒とのうちのいずれか一方に属し、
前記各燃料棒の長尺方向がほぼ鉛直方向となり、かつ前記第4の燃料棒の前記中性子吸収材が装填された端部側が下部側になるように炉心に装荷するようにした高速増殖炉用燃料集合体。
A plurality of long first fuel rods loaded with a blanket fuel containing at least one of natural uranium and deteriorated uranium, and a plurality of second long fuel rods loaded with a nuclear fuel material containing at least plutonium. In the fuel assembly for a fast breeder reactor constructed by arranging the fuel rods in a triangular lattice pattern,
The first fuel rods are all disposed at least in the outermost peripheral layer, and the outer diameter of the first fuel rods is the same as or larger than the outer diameter of the second fuel rods, The first fuel rod is further loaded with a neutron absorber on one end side, the longitudinal direction of each fuel rod is substantially vertical, and the end side on which the neutron absorber is loaded is a lower portion Load the core to the side,
Each of the plurality of second fuel rods has a blanket region loaded with the blanket fuel on both sides of the fuel region loaded with the nuclear fuel material, and an end side of the both blanket regions. A fourth fuel rod having a plenum region for accumulating FP gas generated by fission, a blanket region of the third fuel rod as a plenum region, and a neutron absorber is further loaded on one end side. Belonging to one of the fuel rods of
For fast breeder reactors, in which the longitudinal direction of each fuel rod is substantially vertical, and the end of the fourth fuel rod loaded with the neutron absorber is loaded on the lower side. Fuel assembly.
請求項1に記載の高速増殖炉用燃料集合体において、  The fuel assembly for a fast breeder reactor according to claim 1,
前記第3の燃料棒の燃料領域に装填された核燃料物質が溶融した場合には、この溶融した核燃料物質が、その両側に備えられたブランケット領域によって、該燃料領域内に保持されるようにし、  When the nuclear fuel material loaded in the fuel region of the third fuel rod is melted, the molten nuclear fuel material is held in the fuel region by blanket regions provided on both sides thereof.
前記第4の燃料棒の燃料領域に装填された核燃料物質が溶融した場合には、この溶融した核燃料物質が、炉心装荷時に前記燃料領域の下部側にあるプレナム領域を落下して前記下部側へ達するようにした高速増殖炉用燃料集合体。  When the nuclear fuel material loaded in the fuel region of the fourth fuel rod is melted, the melted nuclear fuel material drops in the plenum region on the lower side of the fuel region when the core is loaded and moves to the lower side. Fuel assembly for fast breeder reactors that has been reached.
請求項1又は請求項2に記載の高速増殖炉用燃料集合体において、  In the fuel assembly for a fast breeder reactor according to claim 1 or 2,
前記第3の燃料棒のプレナム領域と、前記第4の燃料棒のプレナム領域との体積をほぼ同じとした高速増殖炉用燃料集合体。  A fuel assembly for a fast breeder reactor, wherein the plenum region of the third fuel rod and the plenum region of the fourth fuel rod have substantially the same volume.
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