特 許 公 報（Ｂ２） (19)日本国特許庁（ＪＰ） (12) (11)特許番号 第2960381号 (45)発行日 平成11年(1999)10月６日 (51)Int.Cl. ６ G21C 23/00 (24)登録日 平成11年(1999)７月30日 識別記号 ＦＩ GDF G21C 23/00 GDF F G 3/322 3/30 Q 請求項の数３ （全８頁） (21)出願番号 特願平9−275726 (73)特許権者 000224754 核燃料サイクル開発機構 (22)出願日 平成９年(1997)10月８日 茨城県那珂郡東海村村松４番地49 (72)発明者 岡本 薫 (65)公開番号 特開平11−109090 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002動力炉 (43)公開日 平成11年(1999)４月23日 ・核燃料開発事業団大洗工学センター内 審査請求日 平成９年(1997)10月21日 (72)発明者 北村了一 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002動力炉 ・核燃料開発事業団大洗工学センター内 (72)発明者 関根 隆 茨城県東茨城郡大洗町成田町4002動力炉 ・核燃料開発事業団大洗工学センター内 (74)代理人 弁理士 蛭川 昌信 （外７名） 審査官 村田 尚英 最終頁に続く (54)【発明の名称】コンパートメント型照射燃料集合体 1 2 (57)【特許請求の範囲】 【請求項３】 コンパートメント下部にオリフィスホル 【請求項１】 コンパートメント下部にオリフィスホル ダが配置された高速増殖炉のコンパートメント型照射燃 ダが配置された高速増殖炉のコンパートメント型照射燃 料集合体において、 料集合体において、 前記オリフィスホルダは上段及び下段からなる２段構成 前記オリフィスホルダは上段及び下段からなる２段構成 であり、上段オリフィスホルダには、圧損調整用オリフ であり、上段オリフィスホルダには、圧損調整用オリフ ィスが設置され、下段オリフィスホルダには流量調整用 ィスが設置され、下段オリフィスホルダには流量調整用 オリフィスが設置されるとともに、 オリフィスが設置されていることを特徴とするコンパー ラッパ管に配置される軸心管下部の冷却材流出口を閉鎖 トメント型照射燃料集合体。 したことを特徴とするコンパートメント型照射燃料集合 【請求項２】 コンパートメント下部にオリフィスホル 10 体。 ダが配置された高速増殖炉のコンパートメント型照射燃 【発明の詳細な説明】 料集合体において、 【０００１】 ラッパ管に配置される軸心管下部の冷却材流出口を閉鎖 【発明の属する技術分野】本発明は高速増殖炉に用いる したことを特徴とするコンパートメント型照射燃料集合 コンパートメントタイプ照射試験用燃料集合体に関す 体。 る。 ( 2 ) 特許２９６０３８１ 3 4 【０００２】 上部機構に対するサーマルストライピングの低下を可能 【従来の技術】「常陽」の炉心では、Ａ型（バンドル にすることを目的とする。 型）、Ｂ型（コンパートメントタイプ）およびＣ型（バ 【０００８】 ンドル型）の照射試験用燃料集合体（照射リグ）を装荷 【課題を解決するための手段】本願発明は、コンパート することにより、燃料の照射試験を実施している。Ａ型 メント下部にオリフィスホルダが配置された高速増殖炉 照射リグは、通常、１０８本の炉心燃料集合体の内側に のコンパートメント型照射燃料集合体において、前記オ 配置したダクト内に７本の試験用燃料ピンを装荷し、Ｃ リフィスホルダは上段及び下段からなる２段構成であ 型照射リグでは、試験用燃料ピンのみでバンドルを組ん り、上段オリフィスホルダには、圧損調整用オリフィス でおり、これらバンドル型では、単一の照射リグで単一 が設置され、下段オリフィスホルダには流量調整用オリ の照射条件のもとで照射試験が可能である。 10 フィスが設置されていることを特徴とする。また、本発 【０００３】これに対してコンパートメントタイプで 明は、コンパートメント下部にオリフィスホルダが配置 は、コンパートメント毎に流路が独立しているので、コ された高速増殖炉のコンパートメント型照射燃料集合体 ンパートメント毎に照射条件を設定することができ、Ｂ において、ラッパ管に配置される軸心管下部の冷却材流 型照射リグでは最大６パラメータによる照射試験が可能 出口を閉鎖したことを特徴とする。また、本発明は、コ であり、また、現在開発中のＤ型（コンパートメントタ ンパートメント下部にオリフィスホルダが配置された高 イプ）照射リグでは、最大１８パラメータの照射試験が 速増殖炉のコンパートメント型照射燃料集合体におい 可能である。すなわち、コンパートメントタイプでは、 て、前記オリフィスホルダは上段及び下段からなる２段 単一の照射リグで複数の照射条件が設定でき、燃料ピン 構成であり、上段オリフィスホルダには、圧損調整用オ がコンパートメント内に納められているため照射後の取 リフィスが設置され、下段オリフィスホルダには流量調 り扱い性がバンドル型より高く、照射リグの再組み立て 20 整用オリフィスが設置されるとともに、ラッパ管に配置 による継続照射が可能である。また、燃料ピンの外側が される軸心管下部の冷却材流出口を閉鎖したことを特徴 コンパートメントによって覆われているので、被覆管の とする。 破損を伴う照射試験を実施することができる。 【０００９】 【０００４】 【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実 【発明が解決しようとする課題】このように、コンパー 施の形態について説明する。図１によりＢ型コンパート トメントタイプ照射リグにおいては、装荷可能なコンパ メントタイプ照射リグについて説明する。コンパートメ ートメントが多種あり、各々特有の流動特性を有してい ントタイプ照射リグとは、燃料ピンをコンパートメント る。また、コンパートメントごとに照射条件を設定でき 内に保持し、エントランスノズルおよびハンドリングヘ るメリットを有しているが、その反面、同一集合体内に ッドに取り付けた支持板でコンパートメントを保持する 各種コンパートメントを混在させた場合、各コンパート 30 構造のリグである。図１において、六角形状のラッパ管 メント相互およびバイパス流量との流量配分バランスを ４内に、６個のコンパートメント２が、エントランスノ とることが困難となり、照射条件として設定できる流量 ズル１とハンドリングヘッド３に取り付けた支持板で保 設定範囲が非常に狭い。そのため、要求された照射条件 持されており、図１のＣ−Ｃ断面図から分かるように、 を満足できなくなるおそれがあり、照射試験自体の計画 コンパートメント２内には、４本の特殊燃料要素（試験 に影響が出てくることになる。 用燃料ピン）５が収納されている。 【０００５】従来、この解決法として、コンパートメン 【００１０】図２はコンパートメントの構造と、軸心下 ト周囲を流れるバイパス流量を多くし、コンパートメン 部の詳細を説明する図である。図２（ａ）に示すよう ト冷却材出口部で合流圧損を増やすことで、各種コンパ に、コンパートメント２は、外管２ａと内管２ｂからな ートメントの流動特性をほぼ一定のものとし、流量配分 り、その間には約０．９ｍｍ程度の断熱層が設けられて バランスを確保し流量設定を行ってきた。 40 いる。これは、装填する燃料ピンの本数が少なく（図１ 【０００６】しかし、この手法では、従来の照射試験に の例では４本）、発熱量も少ないことから、断熱層によ 比べ広範囲な照射条件を必要とする試験を実施する際、 りコンパートメント内部の照射温度条件を満足するため 照射リグの冷却材出口流量が増大することや、装填する である。試験用燃料ピン５は、ピンタイロッド６により 燃料ピンの本数が少ない等のために照射リグの冷却材出 軸方向位置や燃料ピン間隔が保持されている。コンパー 口部の温度が炉心燃料集合体に比べ低いこと等が重な トメント下部には、オリフィスホルダ７がコンパートメ り、新たに炉上部機構に対するサーマルストライピング ント胴部と下部キャップ８の間にはさみ込むように設け （冷却材温度差による熱応力の発生）が厳しくなるとい られ、これに２枚のオリフィス７ａ、７ｂが取付けられ う問題があった。 ていて、下端流入口９から流入する冷却材（ナトリウ 【０００７】本発明は上記課題を解決するためのもの ム）の流量を調整している。 で、照射条件として設定する流量設定範囲の拡大と、炉 50 【００１１】図２（ｂ）、図２（ｃ）はコンパートメン ( 3 ) 特許２９６０３８１ 5 6 トが接合されるラッパ管の軸心下部（図１の位置Ｐの部 る。 分）を示している。軸心下部は内部にフラックスモニタ 【００１４】コンパートメント下部に設置した２段のオ 管や温度モニタを収納している軸心管１１に溶接で接合 リフィスホルダ２０、２１は、それぞれ流量設定範囲の されており、そこに形成されている球面座１０の開口に 調整機能、流動特性調節機能を分担し受け持っている。 はコンパートメントの下端部が嵌合し、１０ｂにはコン 上段のオリフィスホルダ２０には、コンパートメント内 パートメント外管２ａの下端が、１０ａには下部キャッ の流動特性をコンパートメント構造および燃料ピンの仕 プ８の側面が接し、冷却材が流入する流入口９は球面座 様等に関わらず一定とするための圧損調整用オリフィス の開口から下側へ突出した位置となる。また、軸心下部 が２枚設置されている。下段のオリフィスホルダ２１に の周囲に設けられた流入口１２から流入した冷却材は、 は、コンパートメント内を流れる流量を調節するための 軸心管１１内を流れるととともに、軸心下部のバイパス 10 オリフィス２０ａ、２０ｂの２枚が設置されている。こ フローホール１３から流出してコンパートメント間をバ のように、上段のオリフィスによりコンパートメント内 イパス流として流れる。 部の圧損を調整して各種のコンパートメントでほぼ同一 【００１２】燃料ピンの照射条件からコンパートメント となるように調整し、下段のオリフィスで照射条件を満 内を流れる冷却材の流量が決定され、また、６本のコン たすための流量を調節している。 パートメントの流路はそれぞれ独立している（干渉しな 【００１５】Ｂ型照射リグに装荷する６種類のコンパー い）ので、６本のコンパートメントの圧損（レイノルズ トメントについて、本発明の構造を適用する以前と、適 数Ｒｅ（流速の関数）×Ｃｄ（抵抗係数）に比例）が同 用以後の流動特性をそれぞれ図４および図５に示す。図 じにならなければ内部に必要な冷却材流量が流れない。 ４（ａ）、図５（ａ）は単位時間当たりの流量（ＭＡＳ 従来のコンパートメントでは、抵抗係数のばらつきが大 Ｓ きく、内部にコンパートメントの圧損の異なる範囲が大 20 失（Ｂｕｎｄｌｅ ＤＰ）を示し、図４（ｂ）、図５ きく、そのままでは必要な流量が流れないくらい流量配 （ｂ）はレイノルズ数（Ｒｅ）に対するコンパートメン 分パランスが悪く、そのため、照射条件を満足させるの トの抵抗係数（Ｃｄ）を示している。 が困難であった。そのため、図２のものでは、コンパー 【００１６】図４（ａ）において、特性Ａ、Ｂ、Ｃ、 トメントの外側にバイパス流量を流し、コンパートメン Ｄ、Ｅ、Ｆはそれぞれ ト出口部の冷却材の流れと、そのバイパス流による合流 Ａ：６．５ｍｍ ５ ｐｉｎ ｇｒｉｄ（燃料ピン外径 圧損を増加させている。合流圧損がコンパートメント全 ６．５ｍｍ、５本の燃料ピンを装荷するタイプのグリッ 体の圧損の大部分をしめるようにすることで、コンパー ドスペーサ型コンパートメント） トメント内部の圧損による影響を可能な限り減らすこと Ｂ：６．５ｍｍ ５ ｐｉｎ ｗｉｒｅ（燃料ピン外径 ができる。これにより、各コンパートメントの違いによ ６．５ｍｍ、５本の燃料ピンを装荷するタイプのワイヤ ることなく、流動特性（コンパートメントの圧損と流量 30 スペーサ型コンパートメント） の関係）を近づけることが可能である。しかし、前述し Ｃ：８．５ｍｍ ３ ｐｉｎ ｇｒｉｄ たように、この方法では、広範囲な照射条件を必要とす Ｄ：６．８６ｍｍ ４ ｐｉｎ ｗｉｒｅ る試験を実施する際、照射リグの冷却材出口流量が増大 Ｅ：７．５ｍｍ ４ ｐｉｎ ｇｒｉｄ することや、照射リグの冷却材出口部の温度が炉心燃料 Ｆ：７．５ｍｍ ４ ｐｉｎ ｗｉｒｅ 集合体に比べて低いことが重なるため、炉上部機構に対 であり、図５（ａ）は、特性Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに対応 するサーマルストライピングが激しくなってしまうこと するものである。 になる。 【００１７】図４（ａ）に示すように、コンパートメン 【００１３】次に、照射条件として設定する流量設定範 トの形状が異なるために、同一流量に対する圧損が大き 囲を拡大し、炉上部機構に対するサーマルストライピン く異なっている。これに対して、図５（ａ）では、コン グを低下させる例について図３により説明する。図３は 40 パートメントの形状がそれぞれ異なるものでも、内部の 本発明のコンパートメントの構造と軸心下部の詳細図で 流量が同じならばコンパートメント内部の圧損は同じに あり、図２と同一番号は同一内容を示している。本発明 なることが分かる。 の特徴は、コンパートメント下部の冷却材流路にオリフ 【００１８】また、図４（ｂ）、図５（ｂ）は、特性 ィスを２枚もつオリフィスホルダを２段設置したこと、 Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに対応し、コンパートメントの形状 および集合体内の中心に位置する軸心のバイパスフロー が異なるために、同一レイノルズ数に対するコンパート ホールを削除した点にある。オリフィスホルダは、下部 メントの抵抗係数が大きく異なり、レイノルズ数が変化 キャップとコンパートメント胴部の内部にはさみ込む構 するとコンパートメントの抵抗係数も変化している。こ 造としている。そのため、本発明は下部キャップとコン れに対して図５（ｂ）では、同一レイノルズ数に対して パートメント胴部によりコンパートメント下部を構成し コンパートメントの抵抗係数が同じであり、レイノルズ ているコンパートメント構造に関しては全てに適用され 50 数が変化してもどの種類のコンパートメントでもほぼ同 ＦＬＯＷ）に対するコンパートメント内部の圧力損 ( 4 ) 特許２９６０３８１ 7 8 程度の抵抗係数を有していることが分かる。このよう なお、軸心下部の詳細は省略するが、軸心管径や孔径、 に、オリフィスホルダを２段構成とし、一方で圧損調 球面座の径が異なるだけで図３の場合と同様であり、バ 整、他方で流量調整することにより、各コンパートメン イパスフローホールも閉鎖している。 トの圧損や抵抗係数をほぼ同じにすることができる。 【００２２】 【００１９】また、軸心のバイパスフローホールを削除 【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果を達 したことにより、コンパートメント周囲の冷却材の状態 成することができる。 がスタグナント（よどんだ状態）になる。また、上部キ コンパートメントの冷却材流量設定範囲の拡大 ャップ部の整流筒により冷却材は集合体鉛直方向に流れ 各種コンパートメントの流動特性を概ね一致させ、バイ る。これにより、従来の問題点であったコンパートメン パス流量を流さない構造としたため従来より広い範囲で ト周囲のバイパス流量と同一集合体内のコンパートメン 10 流量設定を行うことが可能である。 ト出口冷却材流量との相互作用（流量配分バランス）が 炉上部機構に対するサーマルストライピングの低下 解消されるため、冷却材流量設定範囲をコンパートメン バイパス流を流さなくしたことにより、集合体の冷却材 ト毎に自由に設定することができる。また、バイパス流 出口流量が減少し、そのため、集合体冷却材出口から流 量を流さないので集合体出口の冷却材流量が少なくな 出する低温の冷却材が炉心上部機構に到達する前に、炉 り、炉上部機構に対するサーマルストライピングも低下 心燃料集合体より流出する冷却材と混合し易くなり、炉 させることができる。なお、整流筒をつけないと、上部 心上部機構に対するサーマルストライピングが低下す キャップから水平方向に冷却材が流出し、いくらコンパ る。 ートメント管外の冷却材がスタグナントな状態であると 設計コストの削減 いっても、近接するコンパートメントの冷却材の流れの 本構造では、流量設定に関する制御機能をオリフィス部 影響を受けることになる。また、軸心管下部の球面座と 20 に集約していることにより、流量設計とコンパートメン コンパートメントの接触部を通して、エントランスノズ ト構造との設計が独立している。そのため、流量設定が ル側からラッパ管側へ若干の漏洩流の影響もあり、これ オリフィスの設計だけとなるため設計コストの削減が可 らの影響をこれを避けるために整流筒を設けて冷却材を 能である。 鉛直方向に流出させることが望ましい。 【００２３】 新たなコンパートメント設計に関する自 【００２０】図６は本発明を適用したＤ型照射リグを示 由度の増加 す図であり、図６（ａ）は集合体、図６（ｂ）はコンパ 新たな形状のコンパートメントを設計する場合、本構造 ートメントを示している。図６（ａ）に示すように、Ｄ を採用することにより、同一集合体での集合体内流量配 型（コンパートメントタイプ）照射リグでは、ラッパ管 分に関して既存のコンパートメントとの共存性が確保さ ４内に最大１８本のコンパートメントを収納可能であ れる。 り、軸心管１１の周囲に、１８本のコンパートメント２ 30 【図面の簡単な説明】 が上部支持板３１、下部支持板３４で支持され、ロック 【図１】 Ｂ型コンパートメントタイプ照射リグを説明 ナット３０で固定されている。なお、３３は他のラッパ する図である。 管との干渉を避けるためのスペーサパッド、３５は軸心 【図２】 コンパートメントの構造と、軸心下部の詳細 方向を決めるためのセルフオリエンテーションキー、３ 図である。 ６はエントランスノズル１から流入する冷却材の流量調 【図３】 コンパートメントの構造と、軸心下部の詳細 整用オリフィスである。 図である。 【００２１】図６（ｂ）に示すように、コンパートメン 【図４】 従来のＢ型照射リグにおける流動特性を示す ト２は、胴部の下部に圧損調整用のシュラウド管オリフ 図である。 ィス２０、下部キャップ８内に流量調整用のコンパート 【図５】 本発明のＢ型照射リグにおける流動特性を示 メントオリフィス２１を配置しており、これらで２段の 40 す図である。 オリフィスホルダ構成となっている。また、コンパート 【図６】 Ｄ型照射リグへの適用を説明する図である。 メント上端には整流筒３７が、コンパートメント胴部に 【符号の説明】 は上部ストレーナ４２、下部ストレーナ４４が配置され １…エントランスノズル、２…コンパートメント、３… ており、試験用燃料ピン５はシュラウド管４１内に配置 ハンドリングヘッド、４…ラッパ管、５…燃料ピン、６ されている。シュラウド管は、燃料ピンの径が異なるも …ピンタイロッド、８…下部キャップ、１０…球面座、 のをコンパートメントに挿入した場合でもコンパートメ １１…軸心管、１２…流入口、１３…オーバーフローホ ント径を変化させることなくピンを保持するためのもの ール、２０，２１…オリフスホルダ、２０ａ，２０ｂ， でる。なお、３９はベローズ、４３は支持バネである。 ２１ａ，２１ｂ…オリフィス。 ( 5 ) 【図１】 【図２】 特許２９６０３８１ ( 6 ) 【図３】 【図５】 特許２９６０３８１ 【図４】 ( 7 ) 【図６】 特許２９６０３８１ ( 8 ) フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭56−12588（ＪＰ，Ａ） 特開 昭62−276498（ＪＰ，Ａ） (58)調査した分野(Int.Cl.６，ＤＢ名) G21C 23/00 特許２９６０３８１
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