模擬燃料棒、模擬燃料棒集合体、および模擬燃料棒の製造方法
【課題】模擬燃料棒の表面をより高い温度にすることができる模擬燃料棒を提供することを目的とする。
【解決手段】模擬燃料棒１０は、円筒状の外管１１と、外管１１内に設けられた円筒状の発熱体１２と、外管１１と発熱体１２との間に収納された絶縁体１４と、発熱体１２内に収納された中央絶縁体１３とを備えている。絶縁体１４はボロンナイトライドの成型品１４ａからなり、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。ボロンナイトライドの成型品１４ａの単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となる。
【解決手段】模擬燃料棒１０は、円筒状の外管１１と、外管１１内に設けられた円筒状の発熱体１２と、外管１１と発熱体１２との間に収納された絶縁体１４と、発熱体１２内に収納された中央絶縁体１３とを備えている。絶縁体１４はボロンナイトライドの成型品１４ａからなり、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。ボロンナイトライドの成型品１４ａの単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒、および複数の模擬燃料棒を備え、核燃料集合体を模擬する模擬燃料棒集合体に関する。また、本発明は模擬燃料棒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉用燃料集合体の伝熱流動性能を評価する試験では、核燃料が使用されるのではなく、核燃料の代わりに電気ヒータを用いた模擬燃料棒が使用されている。
【０００３】
模擬燃料棒は、一般に、被覆管（外管）と、被覆管の中に収納されている発熱体と、被覆管と発熱体との間に収納されている電気絶縁体とから構成されている。発熱体に電気を流しジュール熱を発生させる事により、模擬燃料棒を発熱させ、このことにより、核燃料の発熱が模擬される。
【０００４】
原子炉の伝熱流動性能を評価する試験では、被覆管の外側表面の温度を高温、例えば８００度にする必要がある。この際、発熱源である発熱体の温度は、被覆管の表面温度よりも高くなる。一方、発熱体の温度が高くなるにつれて、発熱体の発熱性能が劣化する可能性が高くなる。従って、模擬燃料棒の発熱性能を保持するために, 発熱体の温度を可能な限り低く抑えることが重要となる。
【０００５】
被覆管の外側表面の温度を高温、例えば８００度に保つ一方で、発熱体の温度を可能な限り低く抑えるためには、発熱体と電気絶縁体との間の熱伝導、電気絶縁体の熱伝導率、電気絶縁体と被覆管との間の熱伝導、および被覆管の熱伝導率を大きくすることが必要となる。このために、例えば、発熱体と被覆管との間に粉末状の電気絶縁体を充填させた後、被覆管を減径（スエージング）することにより、電気絶縁体の密度を増加させ、これによって、電気絶縁体の熱伝導率を向上させる方法が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
また、粉末状の電気絶縁体を発熱体と被覆管との間に充填させた後、被覆管の長手方向において電気絶縁体を押圧することで、電気絶縁体の熱伝導率を向上させる方法が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特公平１−３９１９９号公報
【特許文献２】特開昭５７−１３６７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の方法では、電気絶縁体の熱伝導率を十分に大きくすることができなかった。
【０００８】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、模擬燃料棒の電気絶縁体として、ボロンナイトライドを高密度に成形加工した成型品を用いることにより、模擬燃料棒の表面をより高い温度にすることができる模擬燃料棒を提供することを目的とする。また、模擬燃料棒の構成を工夫することで、模擬燃料棒の表面をより高い温度にすることができる模擬燃料棒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒において、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となることを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１０】
本発明は、絶縁体はボロンナイトライドの粉末を更に含み、ボロンナイトライドの成型品は、外管の長手方向における所定の位置で外管と発熱体との間に配置され、ボロンナイトライドの粉末は、ボロンナイトライドの成型品が配置されていない位置で、外管と発熱体との間に充填されることを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１１】
本発明は、発熱体の両端部に発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１２】
本発明は、複数の模擬燃料棒を備え、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒集合体において、各模擬燃料棒は、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となり、発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、所定の模擬燃料棒の発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料集合体である。
【００１３】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒を製造する模擬燃料棒の製造方法において、外管を準備する工程と、外管の中に円筒状の発熱体を挿入するとともに、円筒状の発熱体と外管との間に絶縁体を収納する工程とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品からなり、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量を１．８ｇ／ｃｃ以上としたことを特徴とする模擬燃料棒の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、模擬燃料棒の絶縁体は、ボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため本発明における絶縁体は、絶縁体がボロンナイトライドの粉末のみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、模擬燃料棒の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
また、本発明によれば、複数の模擬燃料棒を備える模擬燃料棒集合体のうち、所定の模擬燃料棒の発熱体において、発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズが接続されている。このため、温度上昇により所定の模擬燃料棒が破損し、所定の模擬燃料棒に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該電極部に接続されているヒューズが切断され、所定の模擬燃料棒に流れる電流が遮断される。このことにより、所定の模擬燃料棒が破損したとしても、所定の模擬燃料棒に隣接している模擬燃料棒が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。ここで、図１および図２は、本発明の第１の実施の形態における模擬燃料棒を示す図である。このうち図１は、本発明の実施の形態における模擬燃料棒の水平方向の断面を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図である。
【００１６】
試験装置
まず図２により、本発明による試験装置４０について説明する。試験装置４０は、原子炉の圧力容器を模擬する装置であり、円筒形の外壁２７と、外壁２７の上端に取り付けられている上部フランジ２８と、外壁２７の下端に取り付けられている下部フランジ２９とを備えている。また、外壁２７の上方部には開口部２６が設けられ、外壁２７の下方部には開口部２５が設けられている。開口部２５には冷却材２４が注入され、注入された冷却材２４は試験装置４０の中を通り、その後、冷却材２４は開口部２６から排出される。
【００１７】
また、試験装置４０内には、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において用いられる、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒１０が設置されている。模擬燃料棒１０は、試験装置４０の軸方向（鉛直方向）と平行に、試験装置４０の上部フランジ２８と下部フランジ２９とを貫通して設置されている。
【００１８】
さらに、模擬燃料棒１０の後述する発熱体１２の両端部には、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられており、また、電極部２１には、電線３２が接続されている。発熱体１２には、電線３２に接続されている電源（図示せず）から、電線３２を経由して電流が供給され、これによって、発熱体１２がジュール熱により発熱する。なお、伝熱流動性能の評価は、試験装置４０内の圧力が高い状況下、例えば７ＭＰａの下で行われるため、電極部２１は、試験装置４０内において外管１１により被覆されている。
【００１９】
また、発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１、例えば図２において下方に位置する電極部２１には、電極部２１に直列に、電極部２１内に流れる電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズ３１が接続されている。
【００２０】
さらに、試験装置４０には制御装置５０が設けられており、制御装置５０は、後述する熱電対１５により測定された試験装置４０内の温度に基づき、模擬燃料棒１０の発熱体１２に流す電流を制御する。これによって、試験装置４０内の温度が所望の温度に調整される。
【００２１】
模擬燃料棒
次に、図１および図２により、模擬燃料棒１０について説明する。模擬燃料棒１０は、円筒状の外管１１と、外管１１内に設けられた円筒状の発熱体１２と、外管１１と発熱体１２との間に収納された絶縁体１４と、発熱体１２内に収納された中央絶縁体１３とを備えている。絶縁体１４はボロンナイトライドの成型品１４ａからなり、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した円筒状の成型品からなる。ボロンナイトライドの成型品１４ａの単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となる。
【００２２】
また、外管１１の側面部には、試験装置４０の軸方向と平行に複数の円筒形の空間１５ｓが設けられており、各空間１５ｓ内には、熱電対１５が挿入されている。そして、熱電対１５により試験装置４０内の温度分布を測定することで、試験装置４０内の伝熱流動性能を評価することができる。
【００２３】
模擬燃料棒の製造方法
次に、図１および図２により、模擬燃料棒１０の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、円筒状の外管１１が準備され、次に、外管１１の中に円筒状の発熱体１２が挿入される。その後、円筒状の発熱体１２と外管１１との間に円筒状のボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４が収納される。このようにして、模擬燃料棒１０が製造される。本実施の形態においては、ボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４は、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工することにより、予め作製され、その後、円筒状のボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４が、発熱体１２と外管１１との間に収納される。
【００２５】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００２６】
試験装置４０の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度、すなわち外管１１の外周表面の温度は、制御装置５０により、所望の温度、例えばＸ度に保たれる。この際、制御装置５０は、模擬燃料棒１０の熱電対１５により測定される外管１１の温度に基づいて、模擬燃料棒１０の発熱体１２に流す電流を制御する。
【００２７】
このとき、模擬燃料棒１０において、発熱体１２で発生したジュール熱が、絶縁体１４を介して外管１１に伝導されている。発熱体１２の温度は、外管１１の外周表面の温度よりも高く、上述のように外管１１の外周表面の温度がＸ度のとき、例えばＸ＋α度となる。この場合、αの値は、絶縁体１４の熱伝導率に依存しており、絶縁体１４の熱伝導率が大きいほど、αの値が小さくなる。
【００２８】
一方、発熱体１２の発熱性能は、発熱体１２の温度が高くなるにつれて劣化する可能性が高くなる。このため、伝熱流動性能を評価する試験において、発熱体１２が、発熱体１２の発熱性能が劣化しない温度範囲内、例えば９００度以下で使用されることが好ましい。
【００２９】
発熱体１２が、例えば９００度で使用される場合、外管１１の外周表面の温度は、上述のとおり９００−α度になる。ここで、αの値は、上述のとおり、絶縁体１４の熱伝導率が大きいほど小さくなる。従って、絶縁体１４の熱伝導率が高いほど、外管１１の外周表面の温度を高くすることができる。
【００３０】
ここで、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含む。ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００３１】
また、仮に温度上昇により模擬燃料棒１０が破損し、模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０の周囲が異常に加熱されることはない。
【００３２】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００３３】
また本実施の形態によれば、発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている。このため、温度上昇により模擬燃料棒１０が破損し、模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０の周囲が異常に加熱されるのを防ぐことができる。
【００３４】
第２の実施の形態
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。ここで、図３は、本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒の鉛直方向の断面を示す図である。
【００３５】
図３により本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒１０について説明する。図３に示す第２の実施の形態は、模擬燃料棒１０の絶縁体１４が、ボロンナイトライドの成型品１４ａに加えて、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを更に含むものであり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。図３に示す第２の実施の形態において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図３に示すように、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａと、ボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなっている。ボロンナイトライドの成型品１４ａは、外管１１の長手方向における所定の位置、例えば、原子炉の運用中に沸騰遷移により高温になる可能性のある位置において、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。一方、ボロンナイトライドの粉末１４ｂは、ボロンナイトライドの成型品１４ａが配置されていない位置において、外管１１と発熱体１２との間に充填されている。
なお沸騰遷移とは、燃料の被覆管表面が液膜（冷却水）で覆われている状態から、液膜が消失する状態へ移行する現象のことである。
【００３７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３８】
原子炉の運用中、例えば沸点遷移により、所定の位置において特に高温となる場合がある。このような場合の原子炉の伝熱流動性能を評価する試験においては、模擬燃料棒１０の表面の温度が均一に高温にされる必要はなく、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置が特に高温にされれば足りる。
【００３９】
本実施の形態の場合、模擬燃料棒１０において、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置に、ボロンナイトライドの成型品１４ａが、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。このため、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置において、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、特に高い温度まで上昇させることができる。
また、模擬燃料棒１０のうち、模擬燃料棒１０の表面の温度を特に高い温度まで上昇させる必要がない位置では、ボロンナイトライドの粉末１４ｂが、外管１１と発熱体１２との間に充填されている。このことにより、外管１１と発熱体１２との間のすべての領域にボロンナイトライドの成型品１４ａが収納されている場合と比べて、模擬燃料棒１０を製造する際のコストを削減することができる。
【００４０】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａと、ボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなっている。また、外管１１の長手方向における所定の位置、例えば、原子炉の運用中に沸騰遷移により高温になる可能性のある位置に、ボロンナイトライドの成型品１４ａが、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、外管１１の長手方向における所定の位置において、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、外管１１の長手方向における所定の位置において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００４１】
また、本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０のうち、ボロンナイトライドの成型品１４ａが配置されていない位置で、外管１１と発熱体１２との間に、ボロンナイトライドの粉末１４ｂが充填されている。このことにより、外管１１と発熱体１２との間のすべての領域にボロンナイトライドの成型品１４ａが収納されている場合と比べて、模擬燃料棒１０を製造する際のコストを削減することができる。
【００４２】
第３の実施の形態
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。ここで、図４は、本発明の第３の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図である。
【００４３】
図４により本発明の第３の実施の形態における試験装置４０について説明する。図４に示す第３の実施の形態における試験装置４０内に、複数の、例えば３本の林立する模擬燃料棒１０を備えた模擬燃料棒集合体３０が設置されており、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。図４に示す第３の実施の形態において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４に示すように、模擬燃料棒集合体３０は、複数の、例えば一直線状に並んだ３本の林立する模擬燃料棒１０を備えている。模擬燃料棒１０の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００４５】
各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられている。また、各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズ３１が接続されている。
【００４６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００４７】
試験装置４０の伝熱流動性能を評価する試験においては、一般に、試験装置４０内に、複数の、例えば図４に示すように一直線状に並んだ３本の林立する模擬燃料棒１０が設置されている。ここで、設置される模擬燃料棒１０の数量は、試験装置４０の容積、試験における所要発熱量などにより決まる。各模擬燃料棒１０の表面の温度は、制御装置５０により、所望の温度に制御される。
【００４８】
ここで、各模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００４９】
また、仮に温度上昇により１つの模擬燃料棒１０が破損し、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該破損した模擬燃料棒１０の電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このため、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、１つの模擬燃料棒１０が破損して、破損した模擬燃料棒１０が異常に加熱されたとしても、これによって、破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が異常に加熱されることはない。このことにより、模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒集合体３０の模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒集合体３０の各模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００５１】
また本実施の形態によれば、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち、少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている。このため、温度上昇により１つの模擬燃料棒１０が破損し、当該破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該破損した模擬燃料棒１０の電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、当該破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【００５２】
なお、本実施の形態において、各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられており、また、各発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている例を示した。しかしながら、これに限られることはなく、予め破損する可能性が高い所定の模擬燃料棒１０が明らかな場合には、所定の模擬燃料棒１０の発熱体１２の電極部２１にのみヒューズを接続すればよい。このことにより、所定の模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。また、この場合、使用されるヒューズの数量を減らすことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する際のコストを削減することができる。
【００５３】
また、本実施の形態において、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０が、図１および図２に示す模擬燃料棒１０と同一構造を有する例を示したが、これに限られることはなく、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０が、図３に示すように、ボロンナイトライドの成型品１４ａとボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなる絶縁体１４を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における模擬燃料棒の水平方向の断面を示す図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒の鉛直方向の断面を示す図。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 模擬燃料棒
１１ 外管
１２ 発熱体
１３ 中央絶縁体
１４ 絶縁体
１４ａ ボロンナイトライドの成型品
１４ｂ ボロンナイトライドの粉末
１５ 熱電対
１５ｓ 円筒形の空間
２１ 電極部
２４ 冷却材
２５ 下方部の開口部
２６ 上方部の開口部
２７ 外壁
２８ 上部フランジ
２９ 下部フランジ
３０ 模擬燃料集合体
３１ ヒューズ
３２ 電線
４０ 試験装置
５０ 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒、および複数の模擬燃料棒を備え、核燃料集合体を模擬する模擬燃料棒集合体に関する。また、本発明は模擬燃料棒の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸騰水型原子炉用燃料集合体の伝熱流動性能を評価する試験では、核燃料が使用されるのではなく、核燃料の代わりに電気ヒータを用いた模擬燃料棒が使用されている。
【０００３】
模擬燃料棒は、一般に、被覆管（外管）と、被覆管の中に収納されている発熱体と、被覆管と発熱体との間に収納されている電気絶縁体とから構成されている。発熱体に電気を流しジュール熱を発生させる事により、模擬燃料棒を発熱させ、このことにより、核燃料の発熱が模擬される。
【０００４】
原子炉の伝熱流動性能を評価する試験では、被覆管の外側表面の温度を高温、例えば８００度にする必要がある。この際、発熱源である発熱体の温度は、被覆管の表面温度よりも高くなる。一方、発熱体の温度が高くなるにつれて、発熱体の発熱性能が劣化する可能性が高くなる。従って、模擬燃料棒の発熱性能を保持するために, 発熱体の温度を可能な限り低く抑えることが重要となる。
【０００５】
被覆管の外側表面の温度を高温、例えば８００度に保つ一方で、発熱体の温度を可能な限り低く抑えるためには、発熱体と電気絶縁体との間の熱伝導、電気絶縁体の熱伝導率、電気絶縁体と被覆管との間の熱伝導、および被覆管の熱伝導率を大きくすることが必要となる。このために、例えば、発熱体と被覆管との間に粉末状の電気絶縁体を充填させた後、被覆管を減径（スエージング）することにより、電気絶縁体の密度を増加させ、これによって、電気絶縁体の熱伝導率を向上させる方法が提案されている（特許文献１）。
【０００６】
また、粉末状の電気絶縁体を発熱体と被覆管との間に充填させた後、被覆管の長手方向において電気絶縁体を押圧することで、電気絶縁体の熱伝導率を向上させる方法が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特公平１−３９１９９号公報
【特許文献２】特開昭５７−１３６７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の方法では、電気絶縁体の熱伝導率を十分に大きくすることができなかった。
【０００８】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、模擬燃料棒の電気絶縁体として、ボロンナイトライドを高密度に成形加工した成型品を用いることにより、模擬燃料棒の表面をより高い温度にすることができる模擬燃料棒を提供することを目的とする。また、模擬燃料棒の構成を工夫することで、模擬燃料棒の表面をより高い温度にすることができる模擬燃料棒を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒において、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となることを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１０】
本発明は、絶縁体はボロンナイトライドの粉末を更に含み、ボロンナイトライドの成型品は、外管の長手方向における所定の位置で外管と発熱体との間に配置され、ボロンナイトライドの粉末は、ボロンナイトライドの成型品が配置されていない位置で、外管と発熱体との間に充填されることを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１１】
本発明は、発熱体の両端部に発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料棒である。
【００１２】
本発明は、複数の模擬燃料棒を備え、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒集合体において、各模擬燃料棒は、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となり、発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、所定の模擬燃料棒の発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料集合体である。
【００１３】
本発明は、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒を製造する模擬燃料棒の製造方法において、外管を準備する工程と、外管の中に円筒状の発熱体を挿入するとともに、円筒状の発熱体と外管との間に絶縁体を収納する工程とを備え、絶縁体はボロンナイトライドの成型品からなり、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量を１．８ｇ／ｃｃ以上としたことを特徴とする模擬燃料棒の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、模擬燃料棒の絶縁体は、ボロンナイトライドの成型品を含み、ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため本発明における絶縁体は、絶縁体がボロンナイトライドの粉末のみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、模擬燃料棒の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
また、本発明によれば、複数の模擬燃料棒を備える模擬燃料棒集合体のうち、所定の模擬燃料棒の発熱体において、発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズが接続されている。このため、温度上昇により所定の模擬燃料棒が破損し、所定の模擬燃料棒に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該電極部に接続されているヒューズが切断され、所定の模擬燃料棒に流れる電流が遮断される。このことにより、所定の模擬燃料棒が破損したとしても、所定の模擬燃料棒に隣接している模擬燃料棒が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して、本発明の第１の実施の形態について説明する。ここで、図１および図２は、本発明の第１の実施の形態における模擬燃料棒を示す図である。このうち図１は、本発明の実施の形態における模擬燃料棒の水平方向の断面を示す図であり、図２は、本発明の第１の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図である。
【００１６】
試験装置
まず図２により、本発明による試験装置４０について説明する。試験装置４０は、原子炉の圧力容器を模擬する装置であり、円筒形の外壁２７と、外壁２７の上端に取り付けられている上部フランジ２８と、外壁２７の下端に取り付けられている下部フランジ２９とを備えている。また、外壁２７の上方部には開口部２６が設けられ、外壁２７の下方部には開口部２５が設けられている。開口部２５には冷却材２４が注入され、注入された冷却材２４は試験装置４０の中を通り、その後、冷却材２４は開口部２６から排出される。
【００１７】
また、試験装置４０内には、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において用いられる、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒１０が設置されている。模擬燃料棒１０は、試験装置４０の軸方向（鉛直方向）と平行に、試験装置４０の上部フランジ２８と下部フランジ２９とを貫通して設置されている。
【００１８】
さらに、模擬燃料棒１０の後述する発熱体１２の両端部には、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられており、また、電極部２１には、電線３２が接続されている。発熱体１２には、電線３２に接続されている電源（図示せず）から、電線３２を経由して電流が供給され、これによって、発熱体１２がジュール熱により発熱する。なお、伝熱流動性能の評価は、試験装置４０内の圧力が高い状況下、例えば７ＭＰａの下で行われるため、電極部２１は、試験装置４０内において外管１１により被覆されている。
【００１９】
また、発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１、例えば図２において下方に位置する電極部２１には、電極部２１に直列に、電極部２１内に流れる電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズ３１が接続されている。
【００２０】
さらに、試験装置４０には制御装置５０が設けられており、制御装置５０は、後述する熱電対１５により測定された試験装置４０内の温度に基づき、模擬燃料棒１０の発熱体１２に流す電流を制御する。これによって、試験装置４０内の温度が所望の温度に調整される。
【００２１】
模擬燃料棒
次に、図１および図２により、模擬燃料棒１０について説明する。模擬燃料棒１０は、円筒状の外管１１と、外管１１内に設けられた円筒状の発熱体１２と、外管１１と発熱体１２との間に収納された絶縁体１４と、発熱体１２内に収納された中央絶縁体１３とを備えている。絶縁体１４はボロンナイトライドの成型品１４ａからなり、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した円筒状の成型品からなる。ボロンナイトライドの成型品１４ａの単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となる。
【００２２】
また、外管１１の側面部には、試験装置４０の軸方向と平行に複数の円筒形の空間１５ｓが設けられており、各空間１５ｓ内には、熱電対１５が挿入されている。そして、熱電対１５により試験装置４０内の温度分布を測定することで、試験装置４０内の伝熱流動性能を評価することができる。
【００２３】
模擬燃料棒の製造方法
次に、図１および図２により、模擬燃料棒１０の製造方法について説明する。
【００２４】
まず、円筒状の外管１１が準備され、次に、外管１１の中に円筒状の発熱体１２が挿入される。その後、円筒状の発熱体１２と外管１１との間に円筒状のボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４が収納される。このようにして、模擬燃料棒１０が製造される。本実施の形態においては、ボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４は、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工することにより、予め作製され、その後、円筒状のボロンナイトライドの成型品１４ａからなる絶縁体１４が、発熱体１２と外管１１との間に収納される。
【００２５】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００２６】
試験装置４０の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度、すなわち外管１１の外周表面の温度は、制御装置５０により、所望の温度、例えばＸ度に保たれる。この際、制御装置５０は、模擬燃料棒１０の熱電対１５により測定される外管１１の温度に基づいて、模擬燃料棒１０の発熱体１２に流す電流を制御する。
【００２７】
このとき、模擬燃料棒１０において、発熱体１２で発生したジュール熱が、絶縁体１４を介して外管１１に伝導されている。発熱体１２の温度は、外管１１の外周表面の温度よりも高く、上述のように外管１１の外周表面の温度がＸ度のとき、例えばＸ＋α度となる。この場合、αの値は、絶縁体１４の熱伝導率に依存しており、絶縁体１４の熱伝導率が大きいほど、αの値が小さくなる。
【００２８】
一方、発熱体１２の発熱性能は、発熱体１２の温度が高くなるにつれて劣化する可能性が高くなる。このため、伝熱流動性能を評価する試験において、発熱体１２が、発熱体１２の発熱性能が劣化しない温度範囲内、例えば９００度以下で使用されることが好ましい。
【００２９】
発熱体１２が、例えば９００度で使用される場合、外管１１の外周表面の温度は、上述のとおり９００−α度になる。ここで、αの値は、上述のとおり、絶縁体１４の熱伝導率が大きいほど小さくなる。従って、絶縁体１４の熱伝導率が高いほど、外管１１の外周表面の温度を高くすることができる。
【００３０】
ここで、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含む。ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００３１】
また、仮に温度上昇により模擬燃料棒１０が破損し、模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０の周囲が異常に加熱されることはない。
【００３２】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００３３】
また本実施の形態によれば、発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている。このため、温度上昇により模擬燃料棒１０が破損し、模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０の周囲が異常に加熱されるのを防ぐことができる。
【００３４】
第２の実施の形態
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。ここで、図３は、本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒の鉛直方向の断面を示す図である。
【００３５】
図３により本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒１０について説明する。図３に示す第２の実施の形態は、模擬燃料棒１０の絶縁体１４が、ボロンナイトライドの成型品１４ａに加えて、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを更に含むものであり、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。図３に示す第２の実施の形態において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００３６】
図３に示すように、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａと、ボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなっている。ボロンナイトライドの成型品１４ａは、外管１１の長手方向における所定の位置、例えば、原子炉の運用中に沸騰遷移により高温になる可能性のある位置において、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。一方、ボロンナイトライドの粉末１４ｂは、ボロンナイトライドの成型品１４ａが配置されていない位置において、外管１１と発熱体１２との間に充填されている。
なお沸騰遷移とは、燃料の被覆管表面が液膜（冷却水）で覆われている状態から、液膜が消失する状態へ移行する現象のことである。
【００３７】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３８】
原子炉の運用中、例えば沸点遷移により、所定の位置において特に高温となる場合がある。このような場合の原子炉の伝熱流動性能を評価する試験においては、模擬燃料棒１０の表面の温度が均一に高温にされる必要はなく、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置が特に高温にされれば足りる。
【００３９】
本実施の形態の場合、模擬燃料棒１０において、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置に、ボロンナイトライドの成型品１４ａが、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。このため、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置において、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、沸点遷移により高温になることが予想される所定の位置において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、特に高い温度まで上昇させることができる。
また、模擬燃料棒１０のうち、模擬燃料棒１０の表面の温度を特に高い温度まで上昇させる必要がない位置では、ボロンナイトライドの粉末１４ｂが、外管１１と発熱体１２との間に充填されている。このことにより、外管１１と発熱体１２との間のすべての領域にボロンナイトライドの成型品１４ａが収納されている場合と比べて、模擬燃料棒１０を製造する際のコストを削減することができる。
【００４０】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａと、ボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなっている。また、外管１１の長手方向における所定の位置、例えば、原子炉の運用中に沸騰遷移により高温になる可能性のある位置に、ボロンナイトライドの成型品１４ａが、外管１１と発熱体１２との間に配置されている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、外管１１の長手方向における所定の位置において、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、外管１１の長手方向における所定の位置において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００４１】
また、本実施の形態によれば、模擬燃料棒１０のうち、ボロンナイトライドの成型品１４ａが配置されていない位置で、外管１１と発熱体１２との間に、ボロンナイトライドの粉末１４ｂが充填されている。このことにより、外管１１と発熱体１２との間のすべての領域にボロンナイトライドの成型品１４ａが収納されている場合と比べて、模擬燃料棒１０を製造する際のコストを削減することができる。
【００４２】
第３の実施の形態
次に、図４を参照して、本発明の第３の実施の形態について説明する。ここで、図４は、本発明の第３の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図である。
【００４３】
図４により本発明の第３の実施の形態における試験装置４０について説明する。図４に示す第３の実施の形態における試験装置４０内に、複数の、例えば３本の林立する模擬燃料棒１０を備えた模擬燃料棒集合体３０が設置されており、他の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一である。図４に示す第３の実施の形態において、図１および図２に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４４】
図４に示すように、模擬燃料棒集合体３０は、複数の、例えば一直線状に並んだ３本の林立する模擬燃料棒１０を備えている。模擬燃料棒１０の構成は、図１および図２に示す第１の実施の形態と略同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００４５】
各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられている。また、各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズ３１が接続されている。
【００４６】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００４７】
試験装置４０の伝熱流動性能を評価する試験においては、一般に、試験装置４０内に、複数の、例えば図４に示すように一直線状に並んだ３本の林立する模擬燃料棒１０が設置されている。ここで、設置される模擬燃料棒１０の数量は、試験装置４０の容積、試験における所要発熱量などにより決まる。各模擬燃料棒１０の表面の温度は、制御装置５０により、所望の温度に制御される。
【００４８】
ここで、各模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となっている。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００４９】
また、仮に温度上昇により１つの模擬燃料棒１０が破損し、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該破損した模擬燃料棒１０の電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このため、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、１つの模擬燃料棒１０が破損して、破損した模擬燃料棒１０が異常に加熱されたとしても、これによって、破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が異常に加熱されることはない。このことにより、模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【００５０】
このように本実施の形態によれば、模擬燃料棒集合体３０の模擬燃料棒１０の絶縁体１４は、ボロンナイトライドの成型品１４ａを含み、ボロンナイトライドの成型品１４ａは、ボロンナイトライドの粉末１４ｂを高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなる。このため、本実施の形態における絶縁体１４は、絶縁体１４がボロンナイトライドの粉末１４ｂのみからなる場合よりも高い熱伝導率を有している。このことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する試験において、模擬燃料棒集合体３０の各模擬燃料棒１０の表面の温度を、より高い温度まで上昇させることができる。
【００５１】
また本実施の形態によれば、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち、少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている。このため、温度上昇により１つの模擬燃料棒１０が破損し、当該破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が増加した場合であっても、直ちに当該破損した模擬燃料棒１０の電極部２１に接続されているヒューズ３１が切断され、破損した模擬燃料棒１０に流れる電流が遮断される。このことにより、当該破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。
【００５２】
なお、本実施の形態において、各模擬燃料棒１０の発熱体１２の両端部に、発熱体１２に電流を流すための電極部２１が取り付けられており、また、各発熱体１２の両端部に取り付けられている電極部２１のうち少なくとも１方の電極部２１に、電極部２１と直列にヒューズ３１が接続されている例を示した。しかしながら、これに限られることはなく、予め破損する可能性が高い所定の模擬燃料棒１０が明らかな場合には、所定の模擬燃料棒１０の発熱体１２の電極部２１にのみヒューズを接続すればよい。このことにより、所定の模擬燃料棒１０が破損したとしても、破損した模擬燃料棒１０に隣接する模擬燃料棒１０が連鎖的に破損するのを防ぐことができる。また、この場合、使用されるヒューズの数量を減らすことにより、原子炉の伝熱流動性能を評価する際のコストを削減することができる。
【００５３】
また、本実施の形態において、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０が、図１および図２に示す模擬燃料棒１０と同一構造を有する例を示したが、これに限られることはなく、模擬燃料棒集合体３０を構成する各模擬燃料棒１０が、図３に示すように、ボロンナイトライドの成型品１４ａとボロンナイトライドの粉末１４ｂとからなる絶縁体１４を有していてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における模擬燃料棒の水平方向の断面を示す図。
【図２】図２は、本発明の第１の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図。
【図３】図３は、本発明の第２の実施の形態における模擬燃料棒の鉛直方向の断面を示す図。
【図４】図４は、本発明の第３の実施の形態において、模擬燃料棒が設置された試験装置の鉛直方向の断面を示す図。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 模擬燃料棒
１１ 外管
１２ 発熱体
１３ 中央絶縁体
１４ 絶縁体
１４ａ ボロンナイトライドの成型品
１４ｂ ボロンナイトライドの粉末
１５ 熱電対
１５ｓ 円筒形の空間
２１ 電極部
２４ 冷却材
２５ 下方部の開口部
２６ 上方部の開口部
２７ 外壁
２８ 上部フランジ
２９ 下部フランジ
３０ 模擬燃料集合体
３１ ヒューズ
３２ 電線
４０ 試験装置
５０ 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒において、
外管と、
外管内に設けられた円筒状の発熱体と、
外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となることを特徴とする模擬燃料棒。
【請求項２】
絶縁体はボロンナイトライドの粉末を更に含み、
ボロンナイトライドの成型品は、外管の長手方向における所定の位置で外管と発熱体との間に配置され、
ボロンナイトライドの粉末は、ボロンナイトライドの成型品が配置されていない位置で、外管と発熱体との間に充填されることを特徴とする請求項１に記載の模擬燃料棒。
【請求項３】
発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、
少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の模擬燃料棒。
【請求項４】
複数の模擬燃料棒を備え、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒集合体において、
各模擬燃料棒は、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となり、
発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、
所定の模擬燃料棒の発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料集合体。
【請求項５】
原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒を製造する模擬燃料棒の製造方法において、
外管を準備する工程と、
外管の中に円筒状の発熱体を挿入するとともに、円筒状の発熱体と外管との間に絶縁体を収納する工程とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品からなり、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量を１．８ｇ／ｃｃ以上としたことを特徴とする模擬燃料棒の製造方法。
【請求項１】
原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒において、
外管と、
外管内に設けられた円筒状の発熱体と、
外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となることを特徴とする模擬燃料棒。
【請求項２】
絶縁体はボロンナイトライドの粉末を更に含み、
ボロンナイトライドの成型品は、外管の長手方向における所定の位置で外管と発熱体との間に配置され、
ボロンナイトライドの粉末は、ボロンナイトライドの成型品が配置されていない位置で、外管と発熱体との間に充填されることを特徴とする請求項１に記載の模擬燃料棒。
【請求項３】
発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、
少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の模擬燃料棒。
【請求項４】
複数の模擬燃料棒を備え、原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒集合体において、
各模擬燃料棒は、外管と、外管内に設けられた円筒状の発熱体と、外管と発熱体との間に収納された絶縁体とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品を含み、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量は１．８ｇ／ｃｃ以上となり、
発熱体の両端部に、発熱体に電流を流すための電極部が取り付けられ、
所定の模擬燃料棒の発熱体の両端部に取り付けられている電極部のうち少なくとも１方の電極部に、電極部と直列に、電流が所定の大きさを超えた場合に電流を遮断するヒューズを接続したことを特徴とする模擬燃料集合体。
【請求項５】
原子炉圧力容器内の伝熱流動性能を評価する試験において用いられ、核燃料の発熱を模擬する模擬燃料棒を製造する模擬燃料棒の製造方法において、
外管を準備する工程と、
外管の中に円筒状の発熱体を挿入するとともに、円筒状の発熱体と外管との間に絶縁体を収納する工程とを備え、
絶縁体はボロンナイトライドの成型品からなり、
ボロンナイトライドの成型品は、ボロンナイトライドの粉末を高温高圧で圧縮して成型加工した成型品からなり、単位体積当りのボロンナイトライド重量を１．８ｇ／ｃｃ以上としたことを特徴とする模擬燃料棒の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１３９４２０（Ｐ２０１０−１３９４２０Ａ）
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１６９８２（Ｐ２００８−３１６９８２）
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２９４６１）株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン (102)
【出願人】（０００１８３９４５）助川電気工業株式会社 (79)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月２４日（２０１０．６．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１２日（２００８．１２．１２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２９４６１）株式会社グローバル・ニュークリア・フュエル・ジャパン (102)
【出願人】（０００１８３９４５）助川電気工業株式会社 (79)
【Ｆターム（参考）】
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