「常陽」制御棒の高度化 - ナトリウムボンド型制御棒の設計 -

The Improvement of control rod in experimental fast reactor JOYO; The development of a sodium bonded type control rod

曾我 知則 ; 宮川 俊一; 三次 岳志 

Soga, Tomonori; Miyakawa, Shunichi; Mitsugi, Takeshi

現在、「常陽」制御棒の寿命は、B4Cペレットのスエリング及びリロケーションによるB4Cペレット-被覆管の機械的相互作用(ACMI)によって決定されている。このため、長寿命化を目的に、シュラウド管の装着によってリロケーションを抑制し、伝熱性を向上させてB4C-被覆管ギャップの拡大を図るナトリウムボンド型制御棒の実機採用を目指し、開発を進めてきた。この成果は下記のとおりであり、第9次取替制御棒から、ナトリウムボンド型を採用する計画である。(1)熱流力設計により、ギャップ拡大の検討を行い、主要仕様を定めた。本仕様において、定常状態及びヘリウム気泡が滞留した状態での使用中の最高温度履歴を解析し、ナトリウムボンド型が熱的に成立することを確認した。(2)炉内ナトリウム充填機構を開発し、充填判定式(実験式)を作成した。炉外ナトリウム中試験を行い、充填機構設計の妥当性を確認した。(3)ACMI評価の結果、従来のヘリウムボンド型の約3倍に相当する4.6at%までの高燃焼度化の見通しを得た。最終目標燃焼度10at%は、今後、実機による国産データの拡充と設計の見直しによって達成を目指していく。(4)B4C-被覆管化学的相互作用(ACCI)は、被覆管温度の制限及びCrコーティング施工によって低減できる。また、ACCIを被覆管減肉として考慮した強度評価の結果、10at%までの機械的な成立性を確認した。(5)使用済ナトリウムボンド型制御棒の洗浄貯蔵方法として、「常陽」設備での試験成果等を踏まえ、湿式法を選択した。その他、ナトリウムボンド化に伴う、ほう素、炭素の移行やトリチウム放出に関するプラントへの影響は、軽微であることを確認した。

Currently, the lifetime of control rods in JOYO is limited by Absorber-Cladding Mechanical Interaction (ACMI) due to swelling of BC(boron carbide) pellets accelerated by relocation of pellet fragments. A sodium bonded type control rod was developed which improves the thermal conductivity by means of charging sodium into the gap between BC and cladding and by utilizing a shroud which wraps the pellet fragments in a thin tube. This new design will be able to enlarge the gap between BC and cladding, without heating BC or fragment relocation, thus extending the life of the control rod. The sodium bonded type will be fabricated as the ninth reload control rods in JOYO. (1)The specification of a sodium bonded type control rod was determined with the wide gap between BC and cladding. In the design simulation, main component temperature were below the maximum limit. And the local heating by helium bubble generated from BC in the sodium gap, was not a serious problem in the analysis which was considered. (2)A structural design for the sodium entrance into the pin was determined. A formula was developed which the limit for sodium charging given physical dimension of the structure and sodium property. Result from sodium out-pile experiments validated the theoretical formula. (3)The analysis of ACMI indicated a lifetime extension of the sodium bonded type by 4.6% in comparison with lifetime of the helium bonded type of 1.6%. This is due to the boron10 burn-up rate being three times higher in the sodium bonded type than in the helium bonded type. To achieve a target burn-up 10% in the future, it will be necessary to modify design based on irradiation data which will be obtained by practical use of the sodium bonded control rods in JOYO. (4)The effects due to Absorber-Cladding Chemical Interaction (ACCI) were reduced by controlling the cladding temperature and chromium coating to the cladding's inner surface. It was confirmed that ...