本発明は、原子力技術に関し、液体金属冷却材を利用する高速中性子炉の炉心のための燃料棒及びジャケット燃料集合体を調製する際に使用され得る。

液体金属冷却材を利用する高速中性子炉の燃料集合体を形成するための燃料棒が既知である。燃料棒は、クロム鋼で作られた薄壁管状シェルと端部構成要素との形態の気密密封容器に配置されている核燃料を備える。燃料棒はまた、シェルの外面に沿って広ピッチで巻き付けられ、燃料棒の端部においてシェル又は端部構成要素に固定されているワイヤの形態のスペーサ要素を備える。スペーサ要素は、燃料集合体の断面にわたって規則的に(予め定義された相対的なピッチで)間隔が置かれており、燃料集合体ジャケット内部に配置されている並列燃料棒の束の形態にある燃料集合体を形成するように構成される。この燃料棒及び燃料集合体構成は、BN型のナトリウム冷却高速中性子炉において成功裏に受け入れられてきた。BN型の原子炉において、燃料棒シェルの外径は、5.9mm〜7.5mmの範囲で変動し、シェル肉厚は約0.3mmであり、三角アレイの燃料集合体内の隣接燃料棒のシェル間の最小距離を定義するスペーサ要素を生成するために使用されるワイヤの直径は約1mmである。しかしながら、そのような燃料棒構成は、ウラン・プラトニウム窒化物燃料を利用する設計された鉛冷却式高速中性子炉のための燃料集合体で使用されるときに欠点がある。これらの欠点は、そのような炉心の最適な特徴を提供するために隣接燃料棒のシェル間の距離が液体金属冷却式BN原子炉での距離よりもずっと大きいことが理由で生じる。例えば、開発されたBR−1200型原子炉用のシェルの外径が10mmよりも大きいことがあり、燃料集合体における隣接燃料棒間の距離が3mmよりも大きいことがある。このケースでは、BR−1200型原子炉用の燃料棒の既知の構成を使用するとき、直径約3mmのステンレス鋼ワイヤが薄壁管の周りに巻かれる。そのような燃料棒構成は、燃料集合体毎に消費される金属含有量を著しく増やし、それにより炉心の中性子及び物理的特徴を劣化させる。さらに、薄壁シェルの表面にわたって特定の張力下で巻き付けられた重いワイヤは、燃料棒の幾何学的形状を著しく変形させ得、例えばそれは、歪められ得るか、又は別の形で変形され得る。そのような燃料棒構成の別の欠点は、スペーサ要素がその横断断面平面内で剛性であることである。

端部構成要素と、シェルの外面に配置され、燃料棒の端部に固定されているスペーサ要素とがある薄壁鋼シェルの形態の気密密封容器に配置されている核燃料を備える、液体金属冷却材を用いる高速中性子炉のための燃料集合体を形成するための燃料棒が既知である(GВ1459562)。スペーサ要素は、ばねの形態のワイヤコイルであり、該ワイヤコイルが今度はシェルの外面の周りに広ピッチコイル状で巻き付けられている。そのような構成は、要素毎に消費される金属が比較的少ない燃料集合体の隣接燃料棒間の望ましい距離を維持するのに役立つ。しかしながら、そのような構成をもつ燃料棒のスペーサ要素を生成するために、燃料棒よりも何倍かの長さをもつ比較的細いワイヤが使用される。それが、炉心の金属冷却材が作動温度まで加熱されたとき、ワイヤの全長が多大に増大し、その結果コイルの起こり得る局所的幾何学的歪み、及び燃料棒シェルの表面に対するコイルターンの変位をもたらす理由である。これにより、可動ばねターンと燃料棒シェルとの間の接触点で形成される複数の焦点フレッチング腐食のリスクが高まる。

薄壁鋼管状シェルと端部構成要素との形態の気密密封容器に配置されている核燃料を備える、液体金属冷却材を利用する高速中性子炉のための燃料集合体を形成するための燃料棒が既知である。燃料棒の端部構成要素も固定されているスペーサ要素は、シェルの表面の周りに巻き付けられている(US3944468)。スペーサ要素は、2つの連結された構成要素、即ち薄壁管と、該管内部に配置された補強ワイヤとから作られる。加えて、端部構成要素は、それに取り付けられたワイヤのみを含み、管は、燃料棒生成の段階でワイヤとシェルの外面との間に押圧される。この構成は、スペーサ要素の特性及び機能が、特性の望ましい複雑性を提供するその2つの構成要素間で区別されることを可能にする。スペーサ要素の必要とされる長手方向の強度は、ワイヤ直径を選択することによって提供される。燃料集合体中の燃料棒間の望ましい間隔は、管の外径を選択することによって与えられる。スペーサ要素の変形及び燃料スエリングの半径方向補償が、薄い管壁肉厚によって提供される。この構成の欠陥は、構成の複雑性、比較的高い金属消費及びワイヤと管との間の狭い間隙における冷却材からの不純物の蓄積のリスクの増大、並びに管内部に形成される鉛冷却材よどみ領域のリスクを含む。このことは、シェルにおける局所的過熱のリスク、及びシェルと、ワイヤと、チューブとの間の接触点での鉛冷却材における腐食中心を大幅に増加させる。

本発明の技術的効果は、スペーサ要素及び燃料棒毎に消費される金属を低減することにある。前記技術的効果は、高速中性子炉の炉心の中性子及び物理的パラメータを改善するのに役立つ。

本発明の技術的効果は、高速中性子炉の燃料棒(薄壁管状鋼シェル及び端部パーツの形態の密封された筐体に配置された核燃料、及びシェルの外表面上に高ピッチでコイル状に巻き付けられ、端部パーツ上で燃料棒の端部に固定されたスペーサ要素を備え、ここにおいて燃料棒シェル内部に、非核分裂性材料、金属融解等から作られた燃料ペレットホルダ又はインサートのようなさらなる構成要素が配置され得る)において、スペーサ要素は、長手方向軸の周りで捻り加工された金属製バンドの形態にあり、前記バンドの幅は、原子炉の燃料集合体における隣接燃料棒間の最小距離におおよそ等しく、バンドの断面の面積は、前記断面の周りに描かれる円の面積の0.1〜0.5倍の範囲内にある。

本発明の以下の説明では、長手方向軸の周りで捻り加工された金属製バンドの形態で作られる前記スペーサ要素は、簡潔さの目的で、「捻れバンド(twisted band)」(以下、括弧なしで示す)と呼ばれる。

隣接燃料棒間のおおよその最小距離の幅をもつ捻れバンドは、原子炉の燃料集合体中のそのような燃料棒間で信頼性の高い間隔を確保する。

捻れバンドの断面積の下限は、前記断面の周辺に描かれた円の面積に対して0.1倍であり、この値は、予め定義された形状を保つために特定の剛性を捻れバンドに提供する必要があることによって決定される。捻れバンドの断面積の上限は、前記円セクションの面積に対して0.5倍であり、この値は、スペーサ要素毎に消費される金属を低減することが必要であることによって決定される。

燃料棒の起こりえる実施形態は、以下の特徴を含む: 本発明に従った燃料棒構成における、長手方向軸の周りのバンド捻れ方向と燃料棒上にスペーサ要素を巻着する方向とは、互いに同じであるか、又は互いに対して逆であり得る。捻れ方向と巻着方向との両方の前記特定の特徴をもつ燃料棒の変形が、原子炉の燃料集合体中の燃料棒間に効果的な間隔を提供する。

スペーサ要素は、燃料棒シェルと同じ鋼で作られる。そのようなスペーサ要素設計に起因して、冷却材作動温度下での最適な特性をもつ確認された耐腐食性材料が、炉心で使用され得る。

捻れバンドの縁部は、炉心における燃料棒の振動下での隣接燃料棒のシェルの機械的損傷を避けるために丸められる。

本発明は、図1〜図5で示されている図面によって説明される。

燃料棒に巻き付けられる前の捻れバンドを示す。

同じ方向で、スペーサ要素が巻き付けられ、バンドが捻り加工されている燃料棒を示す。

矩形の断面の捻れバンドがスペーサ要素間に配置されている形態の該スペーサ要素をもつ7つの燃料棒を示す。

スペーサ要素の巻着方向とバンド捻れ方向とが一致する、隣接燃料棒に対して燃料棒に間隔を置く概念図を示す。

スペーサ要素の巻着方向とバンド捻れ方向とが逆である、隣接燃料棒に対して燃料棒に間隔を置く概念図を示す。

本発明の実施形態(図2、図4、及び図5)のうちの1つにしたがった燃料棒は、端部構成要素(3)で密封された端部を有するシェル(1)を備える。捻れバンド(2)及び端部セクション(4)を備える間隔要素は、広ピッチコイルとしてシェル(1)の外面の周りに巻き付けられる。端部セクション(4)は、端部構成要素(3)に溶接される。核燃料(5)及び、必要であれば燃料ホルダのような他の構成要素及び材料、非分裂(non-fissible)材料から作られた要素、燃料とシェルとの間の間隙での金属溶解等(図示せず)がシェル(1)内部に配置される。

燃料棒が、シェル上に巻着するスペーサ要素のピッチ毎に、隣接燃料棒の各々から事実上間隔を置かれることになることを確実にするために、捻れバンドの捻れピッチは以下の式によって定義される。

ここで、S₂は、長手方向軸の周りの捻れバンドの巻着ピッチであり、 S₁は、燃料棒シェル上でのスペーサ要素の巻着ピッチであり、これは、燃料集合体中の燃料棒の束の振動強度の条件に基づいて決定され、 dは燃料棒シェルの外径であり、 δは捻れバンドの幅であり、 Nは、ピッチS₁毎にピッチS₂で捻り加工された捻れバンドのフルターンの数であり、ここで、この数は以下の式によって決定される。

−単方向巻着では、

−逆方向巻着では、

ここで、nは、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10から選択される数である。

加えて、nが多いほど、スペーサ要素と隣接燃料棒との間に生じ得る偏差が小さくなり、この偏差は、燃料棒及び燃料集合体の製造における寸法誤差によって引き起こされ得る。

アペンディクス1は、式(1)、(2)、及び(3)がどのように導かれるかを示している。

しかしながら、選択されるべきnの値は、捻るときに長手方向の縁部の領域での材料の塑性変形中の捻れバンド材料の許容伸び率(acceptable relative elongation)によって制限される。それが、nの値が条件を満たさなければならない理由である。

−単方向バンド捻れ及びスペーサ要素巻着では、

−逆方向バンド捻れ及びスペーサ要素巻着では、

ここで、δ5(t_manuf)は、製造温度(twisting)におけるバンド材料についての破断伸びである。

К_safetyは、バンド捻り加工中の許容伸び率の観点の安全係数である。

式(4)及び(5)がどのように導かれているかは、アペンディクス2で示されている。

スペーサ要素と隣接燃料棒との間の生じ得る偏差の依存量(dependence)の計算は、アペンディクス3で与えられる。

本発明に従った燃料棒の例示的な実施形態が以下で説明される。

例1.外径10.5mm及び肉厚0.5mmを有するシェルをもつ燃料棒と、半径0.25mmで丸められた矩形の角を有する矩形断面2.6x0.5mmのバンドの形態にあるスペーサ要素(2)。

燃料棒(1)及びスペーサ要素(2)のシェル(1)は鋼から作られており、これは、鉛冷却材環境において高耐腐食性がある。バンドは、例えばそれを、回転ノズルを通じて引抜することによって、8.2mmのピッチ(ピッチは、式(1)、(2)、及び(4)によって計算される)で長手方向軸の周りで冷却・捻り加工される。同時に、長手方向の縁部の領域におけるバンド材料の相対的な変形は42.7%である(鋼板10Х18Н9での類推によって、20℃で適合される最大の許容可能な相対的変形は50%であり、安全係数は1.1である)。そのようなピッチでは、1コイルターンは、捻れバンドの19スモールターンを支え得る(receive)。その後、バンド(2)は、250mmの巻着ピッチで燃料棒シェル(1)上に巻き付けられ、巻着方向は、中央長手方向軸の周りでのバンドの方向と一致し、燃料棒の端部構成要素(3)に端部要素(4)において固定されている。

例2.燃料棒が例1の寸法を有するスペーサ要素(2)で生成される。

製造の目的のため、例1の寸法を有するバンドが使用される。バンドは、7.9mmのピッチで長手方向軸の周りで捻り加工され、250mmの巻着ピッチで燃料棒シェル(1)上に巻き付けられ、巻着方向は、中央長手方向軸の周りでのバンドの方向と逆であり、燃料棒の端部構成要素(3)に端部要素(4)において固定されている。

例3. 燃料棒は、燃料棒についての幾何学的寸法の生じ得る最大の偏差についての許容がある捻れバンドの形態のスペーサ要素と、原子炉システムBN−1200用の燃料棒及び燃料集合体に含まれるスペーサ要素とで製造される。

バンドの矩形断面は2.56x0.5mmである。燃料棒シェルの外径は10.53mmである。燃料棒シェル上のスペーサ要素の巻着ピッチは258.3mmである。バンドは、20.10mmのピッチで長手方向軸の周りで捻り加工され、燃料棒シェル上に巻き付けられる。このケースでは、アペンディクス2における手順に従って、最も好ましくない燃料棒と燃料集合体との製造誤差の組合せでは、隣接燃料棒の基準位置からの最大の生じ得る変位は、0.16mmになる。

発明の構成は、捻れバンドの形態で作られたスペーサ要素によって燃料棒毎に消費される金属の大幅な低減を可能にする。例えば、10.5mmのシェル外径の燃料棒を備える炉心であって、ここで、前記燃料棒は、2.6x0.5mmの断面で捻れバンドに間隔を置くために、13.1mmのピッチで三角アレイの位置内に間隔を置かれる炉心では、2.6mmの直径を有するスペーサワイヤと比較した捻れバンドの相対的な金属消費量(スペーサ要素ボリューム)は、その24.5%である。

の管と比較した捻れバンドの相対的な金属消費量は39.4%になり、

と比較すると、60.0%になる。

さらには、本発明の重要な追加すべき技術的効果は、捻れバンドの形態のスペーサ要素を使用する燃料棒から構成される燃料集合体における冷却材の流れ(coolant flow)のさらなる乱流化である。冷却材の流れのさらなる乱流化は、その軸の周りのバンドの捻れに起因して生じ、それは、燃料棒シェル上で冷却材よどみ領域(coolant stagnant regions)の形成のリスク及び表面積、ひいては「ホットスポット」を低減することを可能にする。

前記技術的効果は、高速中性子炉の炉心の中性子及び物理的特性、並びにその信頼性を改善するのに役立つ。前記技術的解決策の特徴は、鉛冷却式高速中性子炉のための燃料棒及び燃料集合体の製造における、その実用的適用の可能性を想定することを可能にする。

アペンディクス1 燃料棒の束及びスペーサ要素の幾何学的パラメータに応じた巻着ピッチについての式を導いてみる。一般に、起こり得る状況は幾つか存在する。

−一方向のみでの間隔、かつそれと同じ方向での接触が、大型コイルの各ピッチにわたって再現される。

−間隔が3方向で確保され、即ち、大型コイルの1ピッチでワイヤは、0°の方向にある燃料棒、120°の方向にある燃料棒、及び240°の方向にある燃料棒と交互に接触する。

−空間が6方向で確保され、即ち、大型コイルの1ピッチでワイヤは、全ての隣接燃料棒に交互に接触する(最後のケースは特に着目される)。

まず最初に、幾何学的パラメータの幾つかの方程式を導いてみる。燃料棒を座標系と関連付けてみる。大型コイルの1ターンを分析する。パラメータ方程式は以下の通りになる。

ここで、s=d+δは、燃料棒アレイのピッチであり、 dは燃料棒シェルの外径であり、 δは捻れバンド断面よりも大きい寸法であり、 S₁は大型コイルのフルターンのピッチ(燃料棒シェル上の巻着ピッチ)であり、 tは方程式パラメータである。

デカルト座標での式(1)は以下の通りになる。

コイルターンを開発することによって、tパラメータに応じた大型コイルに沿った長さについての方程式を得ることができる。

燃料棒の平面に対する大型コイルの接線方向の傾斜(言い換えると、水平に対するコイル軸傾斜の角度)は以下の通りになる。

ターンに沿って移動するとき、コイルの周りの捻れバンド断面のターン角度の数式は以下の通りである。

ここで、S₂は、捻れバンドの1ターンのピッチ(バンド巻着ピッチ)である。完全な接触を実現するために、大型コイルの各ピッチで捻れバンドは、ピッチの1/6毎で6つ全ての隣接燃料棒に交互に接触しなければならない。同時に、断面のターンの角度は以下の通りでなければならない。

大型コイルの第1のターンを検討する。各接触点では、tは、

である。方程式(5)についてパラメータのこれらの値を置換することによって、接触条件を定義する以下の方程式が得られるだろう。

加えて、sのパラメータは、燃料棒の直径及びワイヤセクションの長さδを介して表現され得る。水平面δw上に投影されるワイヤセクションの長さは、実際のワイヤセクションの長さよりもいくらか短い(なぜなら、コイルが、水平面に対していくらか傾いているからである)こと:

も念頭に置く必要がある。このケースでは、等式s=d_fr+δ_wが満たされ、ここでd_frは、燃料棒シェルの外径である。

数式(6)に基づいて、バンドターンのピッチが以下の通り導かれ得る。

結果、バンド捻れピッチについての以下の数列を得ることができる:

巻着方向が、大型コイルのターン方向と逆であるときの変数を検討する。このケースでは、断面のターン角度は以下の通りでなければならない。

ターンの角度についての式は以下の通りである。

以下のシステムを得ることができる。

結果、長手方向軸の周りのバンド捻れピッチについての以下の数列を得ることができる:

得られた数列の数1+6n及び2+6nはNで表現され得る。この数は、捻れバンドのいくつのスモールターンが1つの大型コイルターン上にあるかを示す。

アペンディクス2 ピクチャ1及びピクチャ2は、ワイヤを用いた7つの燃料棒の上面図を示す(以下の寸法が使用されている:s=12.98mm、d=10.53mm、S_big=258.3mm、δ=2.45mm、S_small=30.61mm(値は、あり得る幾何学的耐性を考慮して選択されている)。ピクチャ1は、燃料棒シェル上のバント捻れ及びコイル巻着の方向が同じであるときの実施形態を示し、ピクチャ2は、これらの方向が互いに対して逆であるときの実施形態を示す。該セクションは、260mmの高さで作られている(即ち、大型コイルの1フルターンが示されている)。 ピクチャ1 ピクチャ2

これらのピクチャの比較は一般に、単方向巻着が、スペーサバンドのよりスムースなエンベロープを提供するためにより好ましいことを示している。さらに、長手方向軸の周りのバント捻れのピッチが小さい程、包絡線が円により近くなることに留意されたい。ピクチャ1は、耐性及び寸法偏差にかかわらず、間隔が全ての隣接燃料棒に対して得られることを示している。最大可能間隙は、完全な円とバンドエンベロープとの間の「中空」の幅に等しい。我々は、この寸法を評価する。

ピクチャ3を見てみると、 点1及び点2(スペーサバンドの極点)についての極方程式を導く。

ピクチャ3

極方程式(3)〜(6)に基づいて線を引いてみる。以下の寸法が使用される:d=10.53mm、S_big=258.3mm、δ=2.45mm、S_small=30.61mm。線がピクチャ4で表される。

ピクチャ4は、「中空」の寸法をどのように定義するのかを示す。これを行うために、交点の半径が必要とされる。極方程式(3)及び(4)から半径を作り出すことによって、交点に対応するtの値は以下であると見出され得る。

ここで、kは自然数である。

k=0である場合、t_inters=0.036を得ることができる。このtは、半径R=6.49mmに対応する。そして、「中空」の幅はΔR=1.22mmになるだろう。 ピクチャ4

「中空」幅は、バンドが大型コイルピッチ上でその軸の周りで捻り加工される回数から独立していることが示され得る。極方程式(7)からのt_intersの値が方程式(3)又は(4)について置換される場合、

である。このケースでは、

である。

しかしなら、「中空」幅が一定であるけれども、バンド捻れのピッチが小さいとき、隣接燃料棒の幅の一部のみがそこを貫通し得、それが、実際の最小可能間隙が(8)に従って定義されたものよりもずっと小さくなる理由である。この間隙を見出してみる。

ピクチャ4における曲線の最初の交点を検討する。この点についてのtのパラメータは、

であり、対応する角度はφである。

燃料棒の直径に等しい直径をもつ円を検討し、ビームの中心は、角度φ_intersで原点を出る。この円を、距離Δ_gapで曲線エンベロープの交点から間隔を置かせる。その後、原点(着目中の燃料棒の中心)から隣接の円(「中空」における仮定の燃料棒)の中心までの距離は以下の通りとなろう。

隣接燃料棒に対応する円まで原点から接線を描く。この接線と円の中心と接触しているビームとの間の角度は以下の通りとなろう。

円の中心に接するビームまで角度Δφで別のビームを描き、原点からビームと包絡線の交点まで、及び隣接の円との交点までの距離を見出す。計算モデルがピクチャ5で示される。 ピクチャ5

ピクチャ5を使用して、以下の幾何学的関係が作られ得る。

これらの方程式に基づくと、相対的長さLの二次方程式を得て、Lについてのどの方程式を解くことを得ることができる。

Mathcadを使用して、角度Δφの幾つかの値を設定して、原点から包絡線まで、及び円との交点までの長さの差を見出す。これらの依存量のグラフを作り、円がエンベロープに接するΔ_gapの値を見出す。例えば以下の寸法を検討する:

これらの寸法を用いて、ピクチャ6で示される長さの差異間の依存量のグラフ及びビーム角度を得る。ピクチャ6から分かるように、定義されたΔ_gapを用いると、隣接の円がバンドエンベロープに接している。 ピクチャ6

隣接燃料棒とワイヤエンベロープとの間の最小可能間隙が、どのように長手方向軸の周りのバンド捻れのピッチに依存するかを検討する。直感的に、低減された捻れピッチで、エンベロープが、半径がR_fr+δである外接した円に近づくことは明らかなようである。幾つかの捻れピッチは、ターン長の

である。計算結果が表1で示されている。

この表から分かるように、直感的結論が確認された。小さいバンド捻れピッチでは、最も好ましくない寸法偏差があっても、間隔が保証されるように思われる。しかしながら捻れピッチは、捻れバンド製造の方法によって制限される。

アペンディクス3 フラットバンドがコイルに捻り加工されるとき、断面の極点を通るその母線が最長である。従って、捻り加工されている間、バンド材料は何らかの塑性変形を受ける。母線がバンドの長手方向軸に対してどのように伸ばされているかの方法は、材料の伸び率(relative material elongation)を示し得る。先端の母線を伸ばすことによって、その長さが見出され得る。

S₂はバンド捻れピッチであり、 δはバンド幅(バンド断面の極致点間の最大距離、または捻れバンドの周りで外接する円の直径)である。

(捻り加工前の)母線の初期の長さは

である。

このケースでは、バンド捻り加工中の最大伸び率は、

だろう。

単方向巻着では、アペンディクス1に従った、燃料棒上へのバンド巻着ピッチ及び燃料棒寸法の観点から、及び自然数nの観点からの捻れピッチを表す。

(4)を考慮して式(3)を書き換える。

捻り加工中、以下の条件が満たされ:

ここで、δ₅(t_manuf)は、製造温度(twisting)におけるバンド材料についての破断伸びである。

К_safetyは、バンド捻り加工中の許容伸び率の観点からの安全係数である。

(5)及び(6)に基づいて、許容可能な値nの制限が見出され得る。

逆方向の巻着について、同様の式が得られ、それには単に、以下を行えば足りる。