JPH0523637B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は原子炉に使用する核燃料要素に関し、
更に詳細にいえば、周辺シールを形成する部品と
シール形成々部品と並んでいるがそれに冷却材を
送らない追加の冷却材通路とを含む高性能核燃料
要素に関するものである。

従来の技術 原子炉の分野、特に高温ガス冷却原子炉の分野
では、縦段に重ね合わせたいつくかの炉心ブロツ
クすなわち要素で構成した炉心を設けることが通
例である。炉心要素は燃料要素と制御棒要素とを
含むことがある。そのような燃料要素すなわちブ
ロツクの１例が米国特許第4060450号に記載され
ていて、この特許には本質的に黒鉛から成り燃料
桿すなわち桿セグメントを収容し燃料要素に冷却
材が通過するのを促進する燃料要素すなわちブロ
ツクが示してある。制御棒を収容するのに他のブ
ロツクすなわち要素もあり外形が似ているが一般
に制御棒、リバース停止ペロツトまたは炭化ホウ
素の如き中性子吸収材を含む粉末棒を収容する溝
を含み炉心の作用を制御する機能を行う。

発明が解決しようとする問題点 プリズム燃料とほぼ平たい端面を有する制御要
素とを使用する高温ガス冷却原子炉においては、
重ね合わせた要素間の介面に要素の冷却材通路に
冷却材を漏入させるかそれから漏出させる間隙が
生じることがある。そのような間隙が隣接した燃
料要素間に生じると、冷却材が至近の冷却材溝に
漏入したりそれから漏出して冷却材を燃料要素内
に好ましくない程不適切に分布することになる。

冷却材がそのように漏洩するのを防止するか少
くとも可成り減少するため、要素の一端面に懸垂
した周辺フランジを設け他端面には重ね合わせた
要素の冷却材通路に並べて周辺シールを形成する
合いの手の凹所を設けることが提案された。その
ような燃料要素の構造と作用とに関する更に詳細
な情報は米国特許第3413196号、特にその第５図
に記載されている。シールの有効性は一部はフラ
ンジの厚味の１関数である。しかしながら、フラ
ンジの厚味が増すに従い、通常の燃料孔と冷却材
通路とはシールの作用を劣化させずにはフランジ
の下の個所では連続したパターンにできないので
炉心の相対的出力密度は減少する。

問題を解決するための手段 本発明のいくつかの目的のうちには高温ガス冷
却原子炉用の改良された高性能燃料要素を提供す
ることがある。燃料要素は燃料孔を含めフランジ
の下の個所に冷却材通路を伴わせるが封止機能に
悪影響を及ぼしたりフランジを機械的に弱めたり
することなく炉心の出力密度が増大する。重ね合
わせた燃料要素はそれらの間に充満空間を形成す
るよう釣り合わせており、従つて、充満空間が存
在していることによりこの空間に開口しているす
べての通路を通る冷却材が閉塞部を迂回させるの
で１つの燃料要素の１つの冷却材通路が１個所閉
塞しても他の燃料要素の垂直に並んだ通路を不作
用にすることはない。

簡単にいえば、本発明の燃料要素はほぼ平行で
間隔をあけた第１および第２の端面を有している
細いブロツクを含んでいる。第１の端面は周辺の
封止フランジを有し、他方第２の端面はフランジ
を収容する寸法にした周辺の封止凹所を有してい
る。ブロツクはフランジと凹所との内方に配置し
た複数の第１の冷却材通路とフランジおよび凹所
の内方に配置した複数の細長い燃料孔とを有して
いる。ブロツクはまた両端面間の中間に延びフラ
ンジおよび凹所とほぼ並んでいる複数の周辺の長
さ方向の第２の冷却材通路も有している。ブロツ
クは各周辺冷却材通路用に２つのバイパスを含ん
でいる。１つのバイパスは第１の端面付近で周辺
通路に交差しまた第１の通路に交差し、他のバイ
パスは第２の端面付近で第２の通路に交差しまた
第１の通路に交差し、従つて、第２の通路を通り
流れる冷却材は第１の冷却材通路を通りブロツク
を出入する。

各図において対応する部品は対応する部品を示
す。

実施例 添付図面を参照すると、本発明の高性能燃料要
素が第３図ないし第５図に総体的に符号２０Ａで
示してある。高性能燃料要素を詳細に説明する以
前に、高性能燃料要素２０Ａが改善する第１図と
第２図とに示した標準の燃料要素を例示的に説明
する。

本出願人に係る米国特許第414437号に記載され
た標準の核燃料要素２０は黒鉛の如き耐火材で作
られプリズム構造を有する細長いブロツク２２を
含んでいる。更に詳細にいえば、燃料要素はほぼ
規則正しい多角形断面を有しほぼ平行に間隔をあ
けた第１および第２の端面２４，２６と外周側面
２８とを含んでいる。側面２８は各平たい部分に
長さ方向に沿い形成された規則正しく間隔あけた
ほぼ半円筒形のいくつかの凹所２９を有してい
る。燃料要素２０の積ね物を炉心内に互いに隣接
して入れ、たとえば、ヘリウムである炉心冷却材
が通過できる凹所２９により冷却材通路が形成さ
れている。従つて、隣接した積重ね物のブロツク
の側面２８の隣接した平たい部分がどのように近
接して位置決めされていても、冷却材はブロツク
２２の垂直の重ね物間を通過できる。

ブロツクは関連した炉心の作用中ヘリウムの如
き冷却材が通過する長さ方向円筒形のいくつかの
通路３０を有している。ブロツクはまたほぼ円筒
形の燃料棒すなわちセグメント（図示せず）を収
容するいくつかの長さ方向円筒形の孔すなわち盲
孔３２も有している。これら燃料棒はセラミツク
の外殼により包囲された核分裂性または燃料親も
しくはその両方の性質の物質製の炉心を有する中
性子燃料粒子から成る。これら粒子は当業界に良
く知られているように黒鉛粉と適当な結合ピツチ
との混合物から成る母体に埋め込まれている。燃
料ブロツクは工具孔または燃料処理孔として作用
する中心開口３６を有することができる。孔３６
は第１の端面２４から穿たれ処理工具を入るのを
案内する燃料入口６２を含んでいる。孔３６はそ
の拡大部分に唇状突起６４を有し、この唇状突起
は処理工具の部品が係合する表面６６を有してい
る。位置決め孔６８が第２の端面２６から穿たれ
処理孔３６を形成中ブロツク２２を位置決めする
のに役立つ。図示してないが、原子炉制御棒を収
容し、中性子吸収物質を含む停止パレツトまたは
出力棒もしくはその両方を逆流させまた従来方法
で原子炉の運転を制御する目的で他の孔をブロツ
クに設けることもできる。

総体的に符号３８で示した隆起した周辺封止フ
ランジが燃料要素２０の第１の端面２４に機械加
工の如き方法で形成されている。封止フランジ３
８は平たい封止上面４０と外方に僅かに傾斜して
いる内方の多角形境界面４２とを有している。

燃料要素２０の第２の端面２６は機械加工の如
き方法で形成した符号４４で総体的に示した多角
形の封止面を有していて、この封止面は図示した
具体例では平面で見てほぼ６角形の平たい基面４
６と６角形の長さ方向に延びている周辺の境界面
４８との形式である。封止凹所はフランジ３８を
収容する形状にしてある凹所の周辺境界面４８は
面取りしてあり基面４６から内方に傾斜していて
ブロツクの重ね合わせと分離とを容易にする。ブ
ロツクを垂直に重ね合わせると、フランジの平た
い封止面４０と凹所の平たい基面４６とは十分に
面接触して冷却材の漏洩を制限する封止を行う。

標準の燃料要素２０はその意図する目的には満
足に作用するが、封止部品を設けるための費用が
かかる。ブロツク２２はフランジと凹所との間に
厚いリムを有している。フランジ３８の下の個所
に追加の燃料および冷却材用の孔を設けることが
望ましい。しかしながら、この標準の燃料および
冷却材の孔が連続していてシールに干渉しその完
全性を損う。

第３図ないし第５図を参照すると、本発明の燃
料要素２０Ａが示してある。この燃料要素２０Ａ
の燃料要素２０の部品と対応する部品は「Ａ」を
付加して同じ符号で示してある。標準の燃料要素
の場合と同様に、フランジ３８Ａの長さは凹所４
４Ａの深さよりいく分大きくしてあり２つのブロ
ツク２２Ａを積み重ねた時充満空間５０Ａを形成
するようにすると好ましい。充満空間５０Ａは連
続状でフランジと凹所内で一方のブロツク２２Ａ
の第１の端面２４Ａと他方のブロツク２２Ａの対
向した第２の端面２６Ａとがほぼ平らで平行して
いるので途切れてない。従つて、１つのブロツク
における１つの冷却材通路３０Ａが閉塞されても
充満空間が存在していることにより冷却材を閉塞
部のまわりを迂回させるので他の重ねたブロツク
内のすべての並んだ冷却材通路を作用不能にさせ
ることはない。

フランジ３８Ａと凹所４４Ａとの内方に複数の
第１の冷却材通路３０Ａと複数の第１の燃料孔３
２Ａとを有するほかにまたブロツク２２Ａがその
周囲付近に配置した複数の間隔をあけた第２の燃
料孔５２を有している。これらの燃料孔５２はフ
ランジ３８Ａと凹所４４Ａとほぼ並んで端面２４
Ａ，２６Ａ間の中間に延びている。追加の燃料孔
を設けることによる追加の熱を取除くのを助ける
ため、ブロツク２２Ａはまた複数の長さ方向の第
２の冷却材通路５４を有している。冷却材通路５
４はブロツク２２Ａの周囲付近に位置決めされて
いる。これら冷却材通路５４は端面２４Ａ，２６
Ａ間の中間に延びフランジと凹所とにほぼ並んで
いる。

各冷却材通路５４は冷却材通路３０Ａの１つの
付近に位置決めされそれに対応していてそれと対
をなしていることが好ましい。ブロツク２２Ａは
更にまた各対の冷却材通路用に２つのバイパスを
有している。第１のバイパス５６は第１の端面２
４Ａの付近であるがそれから間隔をあけた個所で
関係した通路５４に交差し第２のバイパス５８は
第２の端面２６Ａの付近であるがそれから間隔を
あけた個所で関係した通路５４に交差している。
それぞれのバイパスはそれが関係している周辺の
冷却材通路５４の軸線に相対的に20ないし40゜の
角度にして延びている。あるいはまた、バイパス
はどの内部の冷却材通路３０Ａとも交差せずにそ
れぞれの端面２４Ａ，２６Ａから穿つこともでき
る。

周辺の燃料孔５２と冷却材通路５４とは凹所の
底面４６Ａから穿つて形成することが好ましい。
この燃料孔５２はフランジ３８Ａの機械的強度を
劣化させないようフランジの手前で終つている。
各通路５４はそれがバイパス５８と凹所の表面４
６Ａとの交差する個所間でプラグ６０により閉塞
されている。

ブロツク２２Ａに燃料孔５２と周辺の冷却材通
路５４とをそれらに関係したバイパス５６，５８
と共に組み込むことにより炉心の寸法を増すこと
なく炉心の出力密度を可成り増大できる。更にま
た、追加の冷却材通路があつても通路５４を通り
流れる冷却材が対にした内部の冷却材通路３０Ａ
を通りブロツク２２Ａを出入するので周辺シール
を劣化させない。

たとえば標準の燃料要素２０は総数で2052本の
燃料棒を含むことができた。本発明の同じ寸法の
高性能燃料要素２０Ａは19％増しの総数2448本の
燃料棒を含むことができる。周辺の冷却材通路５
４は冷却材通路３０Ａに比較して僅かに直径を縮
少して示してある。このような構造にすると高性
能燃料要素２０Ａが内部通路と孔との間に標準の
燃料要素２０と同じ包絡面と同じピツチとを有す
るようにさせる。しかしながら、もし同じ寸法を
維持することが所要でない場合には更に大きい冷
却材通路を設けることができる。

発明の効果 第４図に示してあるように、リムすなわちフラ
ンジ３８Ａ付近の冷却材通路３０Ｂはリムの強度
を大にするため直径を縮少できる。しかしなが
ら、直径を縮少した通路３０Ｂは周辺の冷却材通
路５４と対にしないことが好ましい。

以上の説明により、本発明のいくつかの目的が
達成されその他の利点を達成することになる。

尚、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変
形を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は周辺フランジを有する標準の燃料要素
の平面図、第２図は第１図のほぼ２−２線に沿い
切断して示した重ね合わせた高性能燃料要素の断
面図、第３図は本発明の高性能燃料要素の平面
図、第４図は第３図のほぼ４−４線に沿い切断し
て示した断面部分図、第５図は第３図のほぼ５−
５線に沿い切断して示した断面部分図である。 ２０Ａ…燃料要素、２４Ａ，２６Ａ…第１およ
び第２の端面図、３０Ａ，５４…冷却材通路、３
８Ａ…封止フランジ、４４Ａ…封止凹所、３２
Ａ，５２Ａ…燃料孔、５０Ａ…充満空所。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ほぼ規則正しい多角形断面を有しほぼ平行で
   間隔をあけた第１および第２の端面を含み黒鉛の
   如き耐火物質で作られたブロツクを備え、 第１の端面には第２の端面から遠ざかるよう延
   びている周辺封止フランジが形成され、第２の端
   面がフランジを収容する寸法にした周辺封止凹所
   を有し、 ブロツクが更にまたフランジと凹所とにほぼ並
   んでいる複数の周辺の長さ方向冷却材通路と各通
   路用に２つのバイパス手段を含み、１つのバイパ
   ス手段が第１の端面から延び第１の端面付近であ
   るがそれから間隔をあけた個所で関係した通路に
   交差し他方のバイパス手段が第２の端面から延び
   その付近であるがそれから間隔をあけた個所で関
   係した通路に交差しそれにより周辺の冷却材通路
   を通り流れる冷却材が２つのバイパス手段を通り
   ブロツクを出入するようにしてあることを特徴と
   する核燃料要素。 ２ ブロツクがそれを貫通してフランジと凹所と
   の内方に配置した複数の内部の長さ方向冷却材通
   路を有し、一方のバイパス手段が該内部の冷却材
   通路の１つに交差する第１のバイパスを備え、他
   方のバイパス手段が該内部の冷却材通路の１つに
   交差する第２のバイパスを備えている特許請求の
   範囲第１項の燃料要素。 ３ それぞれの周辺通路が内部通路の１つ付近で
   それに対応して１対を形成し、第１および第２の
   バイパスが共に対の内部通路に交差している特許
   請求の範囲第２項の燃料要素。 ４ 各バイパスがそれが交差する周辺フランジの
   軸線に相対的に20ないし40゜の角度で延びている
   特許請求の範囲第２項の燃料要素。 ５ ブロツクがフランジと凹所とにほぼ並んでい
   る複数の周辺燃料孔と更にまたフランジと凹所と
   の内方に位置決めした複数の燃料孔とを有してい
   る特許請求の範囲第１項の燃料要素。 ６ フランジの長さが凹所の深さより大で、従つ
   て複数のブロツクを重ね合わすと向かい合つた第
   １および第２の端面間に充満空間が形成される特
   許請求の範囲第１項の燃料要素。 ７ 周辺冷却材通路と周辺燃料孔とが第２の端面
   から穿たれフランジの手前で終り、要素が更にま
   た各周辺冷却材通路をそれが対応する他のバイパ
   ス手段と交差する個所と第２の端面との間で閉塞
   するプラグ手段を備えている特許請求の範囲第１
   項の燃料要素。 ８ ブロツクが６角形断面である特許請求の範囲
   第１項の燃料要素。 ９ 原子炉内に配置された１対のほぼ垂直に重ね
   たほぼ同しのプリズム燃料要素であり、それぞれ
   がほぼ平行で間隔をあけた第１および第２の端面
   を有する黒鉛の如き耐火物質で作つたブロツクを
   備え、 第１の端面には第２の端面から遠ざかるよう延
   びている周辺の封止フランジが形成され、第２の
   端面がフランジを収容する寸法にした周辺の封止
   凹所を有し、 ブロツクが更にまたそれを貫通してフランジと
   凹所との内方に配置した複数の長さ方向の冷却材
   通路と両端面間の中間に延びフランジと凹所とに
   ほぼ並んている複数の周辺の長さ方向の第２の冷
   却材通路とを有し、 ブロツクが更にまた第２の通路のそれぞれ用に
   ２つのバイパスを備え、１つのバイパスが第１の
   端面付近であるがそれから間隔をあけた個所で第
   ２の通路に交差しまた第１の通路に交差し、他方
   のバイパスが第２の端面付近であるがそれから間
   隔をあけた個所で第２の通路に交差しまた第１の
   通路に交差し、 フランジの長さが凹所の深さより大で、従つ
   て、向かい合つた第１および第２の端面により充
   満空所が形成され、該充満空間がそれを形成する
   第１の端面のフランジ内で途切れていないことを
   特徴とする１対のほぼ垂直に重ね合わせたプリズ
   ム燃料要素。