JP2000329884A - プルトニウム燃焼型高速炉 - Google Patents

プルトニウム燃焼型高速炉

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JP2000329884A
JP2000329884A JP11140347A JP14034799A JP2000329884A JP 2000329884 A JP2000329884 A JP 2000329884A JP 11140347 A JP11140347 A JP 11140347A JP 14034799 A JP14034799 A JP 14034799A JP 2000329884 A JP2000329884 A JP 2000329884A
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JP
Japan
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plutonium
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JP11140347A
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English (en)
Inventor
Akira Shono
彰 庄野
Toshio Wakabayashi
利男 若林
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Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Nuclear Cycle Development Institute
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 プルトニウム燃焼率を大幅に低減することな
く、経済上及び安全上重要な燃焼反応度損失、ドップラ
ー係数を改善する。 【解決手段】 燃料の母材としてウラン以外の不活性母
材を使用し、該不活性母材に酸化プルトニウムを混ぜた
燃料を装荷する形式の炉心である。Pu富化度の低い内
側炉心10とPu富化度の高い外側炉心12の2領域炉
心で且つ径方向ブランケット及び炉心上下の軸方向ブラ
ンケットが無く遮蔽体で囲まれている構造とし、内側炉
心と外側炉心の軸方向の中心付近にU−238を含む内
部ブランケットが配置され、内側炉心の軸方向内部ブラ
ンケット14を、外側炉心の軸方向内部ブランケット1
6よりも厚く設定する。外側炉心の軸方向内部ブランケ
ットの厚さは、内側炉心の軸方向内部ブランケットの厚
さの1/3〜1/2程度とするのが望ましい。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料としてウラン
以外の不活性母材に酸化プルトニウムを混ぜたものを使
用する高速炉に関し、更に詳しく述べると、2領域炉心
構造として内側炉心と外側炉心の軸方向の中心付近に内
部ブランケットを配置したプルトニウム燃焼型高速炉に
関するものである。この高速炉は、プルトニウム蓄積量
の調整に有用である。
【0002】
【従来の技術】高速炉の炉物理的な特徴として、良好な
中性子経済が挙げられる。高速炉の余剰の中性子を利用
することによって、プルトニウムの自在な増殖あるいは
燃焼、マイナーアクチニド(MA)及び核分裂生成物
(FP)の消滅など、柔軟な炉心を構成することが可能
となる。プルトニウムを効率よく燃焼させることのでき
るプルトニウム燃焼型高速炉は、プルトニウム蓄積量を
適正な量に調整する役割を果たすことができる。
【0003】高速炉において、プルトニウムを効率よく
燃焼させることができる炉心としては、U(ウラン)無
し炉心あるいは高Pu(プルトニウム)富化度炉心とよ
ばれるものがある。
【0004】U無し炉心とは、燃料としてウラン以外の
不活性母材(MgO,Al2 3 ,MgAl2 4 等)
に酸化プルトニウムを混ぜたものを使用する炉心であ
る。燃料の形態としては、例えばPuO2 −MgO,P
uO2 −Al2 3 等が考えられる。このような炉心
は、U−238からのプルトニウム生成がないため、プ
ルトニウム燃焼率を高めることができる。
【0005】高Pu富化度炉心は、炉心の高さを低くし
たり燃料棒間の隙間を広げることにより炉心からの中性
子の漏れを増やし、あるいはB4 C等の中性子吸収体を
添加して、プルトニウム富化度を増加させるものであ
る。この炉心でのプルトニウム富化度は30%以上を想
定している。このように高いプルトニウム富化度にする
と、通常の高速増殖炉の場合(プルトニウム富化度が2
0%程度)に比べて、相対的にU−238の量が少なく
なる。これによりプルトニウムの生成が少なくなると共
に、プルトニウムに中性子が吸収される割合が高くな
り、プルトニウムの燃焼率が増大する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】これらの炉心のうち、
最もプルトニウム燃焼率を大きくできるのはU無し炉心
である。しかし、U無し炉心は、高Pu富化度炉心に比
べてNa(ナトリウム)ボイド反応度を大幅に改善でき
る(負となる可能性がある)が、燃焼反応度損失を大幅
に増大させると共にドップラー係数も小さくする問題が
生じる。燃焼反応度損失の増大は、制御棒本数の増加を
もたらし高速炉の経済性を悪化させるし、またドップラ
ー係数が小さくなることは安全上好ましくない。
【0007】このような特性を改善する方策として、不
活性母材の中に少量のウランを一様に添加することが考
えられる(燃料部均質ウラン添加)。しかし、この方策
による炉心特性の改善効果は、燃焼反応度損失の減少が
9%程度、ドップラー係数の増加が最大25%であり、
あまり大きくない。これに対してプルトニウム燃焼率は
17%まで減少する。よって、不活性母材の中に少量の
ウランを一様に添加する方策は、U無し炉心の炉心特性
改善にはあまり効果的でない。
【0008】本発明の目的は、プルトニウム燃焼率を大
幅に低減することなく、経済上及び安全上重要な燃焼反
応度損失、ドップラー係数を改善できる新しい炉心概念
のプルトニウム燃焼型高速炉を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、燃料の母材と
してウラン以外の不活性母材を使用し、該不活性母材に
酸化プルトニウムを混ぜた燃料を装荷する形式の炉心を
前提とするプルトニウム燃焼型高速炉である。このプル
トニウム燃焼型高速炉は、Pu富化度の低い内側炉心と
Pu富化度の高い外側炉心の2領域炉心で且つ径方向ブ
ランケット及び炉心上下の軸方向ブランケットが無く遮
蔽体で取り囲まれている構造であって、内側炉心と外側
炉心の軸方向の中心付近にU−238を含む内部ブラン
ケットが配置され、内側炉心の軸方向内部ブランケット
が、外側炉心の軸方向内部ブランケットよりも厚くなる
ように設定されている。
【0010】ここで外側炉心の軸方向内部ブランケット
の厚さは、内側炉心の軸方向内部ブランケットの厚さの
1/3〜1/2程度とすることが望ましい。本発明で使
用できる不活性母材としては、MgO,Al2 3 ,M
gAl2 4 等がある。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る炉心を縦半断
面の状態で示す概念図である。炉心の全体形状は扁平な
直円柱状である。基本的に、内側炉心10と外側炉心1
2の2領域炉心であって、内側炉心10にはPu富化度
の低い燃料を使用し、外側炉心12にはPu富化度の高
い燃料を使用する。炉心周囲の構造は、通常の高速増殖
炉とは異なり、プルトニウムの生成を防ぐために径方向
ブランケット及び炉心上下の軸方向ブランケットは設け
られていない。炉心の外側は、遮蔽体で取り囲まれてい
る構造になっている。
【0012】燃料としては、ウラン以外の不活性母材に
酸化プルトニウムを混ぜたものを使用する。不活性母材
としては、融点や熱伝導率等の観点から、例えばMg
O,Al2 3 ,MgAl2 4 等、酸化物を用いる。
核特性の面では、上記三者で大差はない。燃料は、円柱
状に成形し、焼結したペレットとする。
【0013】内側炉心の軸方向の中心付近にはU−23
8を含む内側炉心の軸方向内部ブランケット14を配置
し、また外側炉心の軸方向の中心付近にもU−238を
含む外側炉心の軸方向内部ブランケット16を配置す
る。外側炉心の軸方向内部ブランケット16の厚さは、
内側炉心の軸方向内部ブランケット14の厚さよりも薄
くする。その理由は、外側炉心の軸方向内部ブランケッ
ト16の厚さは、ドップラー係数の改善にはあまり利か
ないし、また厚くするとプルトニウムの量が減ってプル
トニウムの燃焼効率が落ちるためである。外側炉心の軸
方向内部ブランケット16を薄くすることで、プルトニ
ウムの燃焼効率をあまり下げないで、ドップラー係数を
改善している。望ましい内部ブランケットの厚さの関係
は、外側炉心の軸方向内部ブランケット16の厚さを内
側炉心の軸方向内部ブランケット14の厚さの1/3〜
1/2程度とすることである。
【0014】このような炉心に使用する燃料棒の概略構
造を図2に示す。燃料棒は、被覆管20内に多数のペレ
ットを充填し、ガスプレナムにスプリング22を装填
し、上下両端を上部端栓24と下部端栓26で密封した
構造である。被覆管20の外側にはワイヤスペーサ28
が巻き付けられている。ペレット充填領域のうち中央部
分に、軸方向内部ブランケットを構成する劣化Uペレッ
ト30を配置し、その上下部分にPuペレット32,3
4を配置する。劣化Uペレット30とは劣化ウラン(U
−238)の酸化物のペレットのことであり、Puペレ
ット32,34とは、ウラン以外の不活性母材中に酸化
プルトニウムを混ぜたペレットのことである。
【0015】このような燃料棒を多数、ラッパ管に収容
して燃料集合体とし、そのラッパ管を用いて炉心を構成
することは、通常の高速増殖炉の場合と同様である。な
お、ここでも冷却材としてはナトリウムを使用する。
【0016】本発明に係るプルトニウム燃焼型高速炉に
おいては、軸方向内部ブランケットは、プルトニウムの
燃焼効率をあまり下げないで、ドップラー係数とボイド
反応度を改善する目的で設けられている。軸方向中央に
ブランケットを設けているのは、これら安全に関わる特
性の改善が炉心の中心部で最も効果的なためである。な
お、ボイド反応度は、軸方向内部ブランケットからの中
性子の漏れが促進されるために改善される。
【0017】
【実施例】内部ブランケットを配置した本発明に係るプ
ルトニウム燃焼型高速炉(内部ブランケット配置炉心:
本発明)について、そのプルトニウム燃焼率、燃焼反応
度損失、ナトリウムボイド反応度、ドップラー係数の値
を計算し、従来のU無し炉心(U無しPu燃料炉心:比
較例1)及び高Pu富化度炉心(高Pu富化度MOX炉
心:比較例2)と比較した結果を表1に示す。本発明の
炉心及びU無し炉心で使用する燃料は、PuO2 −Al
2 3 燃料である。
【0018】
【表1】
【0019】比較例1のU無し炉心では、プルトニウム
燃焼率は111kg/TWheでありほぼ理論値に近い
値となっているが、燃焼反応度損失は比較例2の高Pu
富化度炉心の値の2倍以上、ドップラー係数はほぼ1/
2となっている。これに対してウラン無し炉心に内部ブ
ランケットを配置した本発明の炉心では、プルトニウム
燃焼率は95kg/TWheであり比較例1のU無し炉
心の場合の15%減に抑えつつ、ドップラー係数は大幅
に改善されて比較例2の高Pu富化度炉心の値と同程度
になっている。また、燃焼反応度損失は約24%低減さ
れ、Naボイド反応度の増大は約0.5%Δk/kk’
に抑えられている。このNaボイド反応度の値は、比較
例2の高Pu富化度MOX炉心に比べて大幅に低減され
ており、安全上優れた特性を有していることが分かる。
【0020】
【発明の効果】本発明は上記のように、2領域炉心構造
として内側炉心と外側炉心の軸方向の中心付近に内部ブ
ランケットを配置し、ウラン以外の不活性母材に酸化プ
ルトニウムを混ぜた燃料を使用する構成のプルトニウム
燃焼型高速炉であるから、プルトニウム燃焼率が大幅に
低減することはなく、しかも経済上及び安全上重要な燃
焼反応度損失、ドップラー係数を改善することができ
る。このプルトニウム燃焼型高速炉を用いることによ
り、プルトニウム蓄積量を適正な量に効率よく安全に調
整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るプルトニウム燃焼型高速炉の概念
図。
【図2】それに用いる燃料棒の一例を示す説明図。
【符号の説明】
10 内側炉心 12 外側炉心 14 内側炉心の軸方向内部ブランケット 16 外側炉心の軸方向内部ブランケット

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 燃料の母材としてウラン以外の不活性母
    材を使用し、該不活性母材に酸化プルトニウムを混ぜた
    燃料を装荷する炉心であって、Pu富化度の低い内側炉
    心とPu富化度の高い外側炉心の2領域炉心で且つ径方
    向ブランケット及び炉心上下の軸方向ブランケットが無
    く遮蔽体で取り囲まれている構造をなし、内側炉心と外
    側炉心の軸方向の中心付近にU−238を含む内部ブラ
    ンケットが配置され、内側炉心の軸方向内部ブランケッ
    トを、外側炉心の軸方向内部ブランケットよりも厚くし
    たことを特徴とするプルトニウム燃焼型高速炉。
  2. 【請求項2】 外側炉心の軸方向内部ブランケットの厚
    さが、内側炉心の軸方向内部ブランケットの厚さの1/
    3〜1/2である請求項1記載のプルトニウム燃焼型高
    速炉。
JP11140347A 1999-05-20 1999-05-20 プルトニウム燃焼型高速炉 Pending JP2000329884A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014163862A (ja) * 2013-02-27 2014-09-08 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd 高速炉の炉心及び核燃料再処理の前処理方法
JP2015141086A (ja) * 2014-01-28 2015-08-03 株式会社東芝 高速炉用燃料集合体および高速炉炉心

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JP2014163862A (ja) * 2013-02-27 2014-09-08 Hitachi-Ge Nuclear Energy Ltd 高速炉の炉心及び核燃料再処理の前処理方法
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