JP2002181976A - Nuclear reactor and nuclear plant equipped with the same - Google Patents

Nuclear reactor and nuclear plant equipped with the same

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JP2002181976A
JP2002181976A JP2000380909A JP2000380909A JP2002181976A JP 2002181976 A JP2002181976 A JP 2002181976A JP 2000380909 A JP2000380909 A JP 2000380909A JP 2000380909 A JP2000380909 A JP 2000380909A JP 2002181976 A JP2002181976 A JP 2002181976A
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Japan
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uranium
fuel
reactor
spent fuel
nuclear
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JP2000380909A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Matsumura
哲夫 松村
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Central Research Institute of Electric Power Industry
Original Assignee
Central Research Institute of Electric Power Industry
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30Nuclear fission reactors

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively use nuclear fuel resources without reprocessing spent fuel. SOLUTION: The spent fuel and auxiliary metal fuel which offsets a deficiency in reactivity resulting from the use of the spent fuel to maintain fission chain reaction are loaded in a core 4 and a gas is used as a cooling material 5.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、原子炉及びこれを
備える原子力プラントに関する。さらに詳しくは、本発
明は、処理処分が困難であった使用済燃料、劣化ウラ
ン、回収ウランを燃料として使用し、リサイクル燃料資
源の活用に適した原子炉と、これを備える原子力プラン
トに関するものである。
The present invention relates to a nuclear reactor and a nuclear power plant provided with the same. More specifically, the present invention relates to a nuclear reactor that uses spent fuel, depleted uranium, and recovered uranium, which have been difficult to treat and dispose as fuel, and is suitable for utilizing recycled fuel resources, and a nuclear power plant including the same. is there.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、原子炉で使用した使用済燃料は、
そのまま放射性廃棄物として廃棄処分されるか、または
再処理を行ってプルトニウムやウラン(回収ウラン)を
分離回収して核燃料に再加工していた。
2. Description of the Related Art Conventionally, spent fuel used in a nuclear reactor is:
They have been disposed of as radioactive waste, or have been reprocessed to separate and recover plutonium and uranium (recovered uranium) and reprocessed into nuclear fuel.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、使用済
燃料をそのまま廃棄する場合には、使用済燃料の中に大
量に残っているウランやプルトニウムも廃棄されること
になり、核燃料として有効に利用可能な資源が大量に無
駄になる。また、本来ならば再利用可能な大量のウラン
やプルトニウムを廃棄するので、その分だけ放射性廃棄
物が多く発生することになる。
However, when the spent fuel is discarded as it is, a large amount of uranium and plutonium remaining in the spent fuel are also discarded, and the fuel can be effectively used as nuclear fuel. Resources are wasted in large quantities. In addition, since a large amount of uranium and plutonium that are originally reusable are discarded, radioactive waste is generated more by that amount.

【0004】また、使用済燃料を再処理する場合には、
使用済燃料中に残存するウランやプルトニウムの有効利
用が可能になるものの、再処理を行うことで別の問題、
例えば再処理のための特別の設備や放射線管理が必要に
なると共に、再処理工程で新たな高レベル放射性廃棄物
が発生する等の再処理に特有の問題が発生する。また、
核燃料サイクルが実現されていない現状においては分離
したウランやプルトニウムを長期にわたり保管しなけれ
ばならず、核燃料サイクルとは別に早期に実現可能な方
法でウランやプルトニウムの再利用を図る必要がある。
When reprocessing spent fuel,
Although the effective use of uranium and plutonium remaining in spent fuel is possible, reprocessing leads to other problems,
For example, special equipment and radiation control for reprocessing are required, and problems specific to reprocessing such as generation of new high-level radioactive waste in the reprocessing step occur. Also,
In the present situation where the nuclear fuel cycle has not been realized, separated uranium and plutonium must be stored for a long period of time, and it is necessary to reuse uranium and plutonium in a method that can be realized early and separately from the nuclear fuel cycle.

【0005】一方、天然ウランからウラン235を濃縮
する際の副産物である劣化ウランを有効に利用したいと
の要請もある。
[0005] On the other hand, there is also a demand for effective utilization of depleted uranium, which is a by-product when enriching uranium 235 from natural uranium.

【0006】本発明は、使用済燃料を再処理することな
く核燃料資源を有効に利用することができる原子炉と、
この原子炉を利用した原子力プラントを提供することを
目的とする。
[0006] The present invention provides a nuclear reactor capable of effectively utilizing nuclear fuel resources without reprocessing spent fuel,
An object of the present invention is to provide a nuclear power plant using this nuclear reactor.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに請求項1記載の原子炉は、使用済燃料と、当該使用
済燃料の使用による反応度の不足を補い核分裂連鎖反応
を維持する補助金属燃料を炉心に装荷し、冷却材として
ガスを用いるものである。
In order to achieve the above object, a nuclear reactor according to the first aspect of the present invention comprises a spent fuel and an auxiliary for maintaining the fission chain reaction by supplementing the lack of reactivity caused by the use of the spent fuel. Metal fuel is loaded into a reactor core, and gas is used as a coolant.

【0008】例えば軽水炉の使用済燃料はウラン235
の含有率が低下しており、また、毒物となる核分裂生成
物質を含んでいるので、使用済燃料のみを炉心に装荷し
ても実効増倍率を1以上にすることができず反応度を0
以上にするのは困難である。しかしながら、反応度の不
足、即ち反応度を0又は0を越える値にするのに必要な
反応度を補助金属燃料の装荷によって補うことができ
る。つまり、本発明の原子炉では、使用済燃料の他に補
助金属燃料を装荷して核分裂連鎖反応を維持する。ま
た、冷却材として液体金属や水に比べて中性子を減速さ
せないガスを使用すると共に、酸化物燃料や窒化物燃料
等に比べて中性子を減速させない金属燃料である補助金
属燃料を使用しているので、使用済燃料に残存するウラ
ン238のプルトニウムへの転換が効率よく行われる。
そして、転換されたプルトニウムが核分裂連鎖反応の維
持に寄与する。
For example, the spent fuel of a light water reactor is uranium 235
Is contained, and contains fission products that are poisons. Therefore, even if only spent fuel is loaded into the core, the effective multiplication factor cannot be increased to 1 or more, and the reactivity becomes 0.
It is difficult to do this. However, the lack of reactivity, that is, the reactivity required to bring the reactivity to zero or to a value above zero, can be compensated for by loading the auxiliary metal fuel. That is, in the nuclear reactor of the present invention, an auxiliary metal fuel is loaded in addition to the spent fuel to maintain the fission chain reaction. In addition, a gas that does not slow down neutrons compared to liquid metals and water is used as a coolant, and an auxiliary metal fuel that is a metal fuel that does not slow down neutrons compared to oxide fuels or nitride fuels is used. The conversion of uranium 238 remaining in the spent fuel to plutonium is efficiently performed.
The converted plutonium contributes to maintaining the fission chain reaction.

【0009】また、請求項2記載の原子炉は、補助金属
燃料として、劣化ウラン、回収ウラン、濃縮ウラン、天
然ウラン又はプルトニウムを混合したウランのいずれか
を用いるものである。補助金属燃料として、劣化ウラ
ン、回収ウランを用いた場合は、ウラン235の濃縮の
副産物である劣化ウランや、燃料再処理して回収された
回収ウラン(減損ウラン)を有効利用することができ
る。また、補助金属燃料として、濃縮ウラン、天然ウラ
ン、プルトニウムを混合したウランを用いた場合には、
劣化ウランや回収ウランに比べて、使用済燃料の燃焼初
期における核分裂連鎖反応の維持が容易である。
Further, the nuclear reactor according to the present invention uses any of depleted uranium, recovered uranium, enriched uranium, natural uranium and uranium mixed with plutonium as an auxiliary metal fuel. When depleted uranium or recovered uranium is used as the auxiliary metal fuel, depleted uranium, a by-product of enrichment of uranium 235, or recovered uranium (depleted uranium) recovered by reprocessing the fuel can be effectively used. When uranium enriched with uranium, natural uranium, or plutonium is used as an auxiliary metal fuel,
Compared with depleted uranium and recovered uranium, it is easier to maintain a fission chain reaction in the early stage of burning spent fuel.

【0010】また、請求項3記載の原子炉は、補助金属
燃料として、使用済燃料の燃焼初期には濃縮ウラン又は
プルトニウムを混合したウランを使用し、使用済燃料の
燃焼によるプルトニウムの蓄積に応じて劣化ウラン又は
回収ウランを用いるものである。したがって、使用済燃
料の燃焼初期における核分裂連鎖反応の維持が容易とな
り、しかも、劣化ウランや回収ウランを有効利用するこ
とができる。
[0010] The nuclear reactor according to claim 3 uses uranium enriched with uranium or a mixture of plutonium in the early stage of combustion of the spent fuel as an auxiliary metal fuel, and responds to the accumulation of plutonium due to the combustion of the spent fuel. Depleted uranium or recovered uranium. Therefore, it is easy to maintain the fission chain reaction in the early stage of the combustion of the spent fuel, and the depleted uranium and recovered uranium can be effectively used.

【0011】さらに、請求項4記載の原子力プラント
は、請求項1から3のいずれかに記載の原子炉を備える
ものである。したがって、ウラン資源を有効利用する原
子力プラントが提供される。
Further, a nuclear power plant according to a fourth aspect is provided with the nuclear reactor according to any one of the first to third aspects. Therefore, a nuclear power plant that effectively utilizes uranium resources is provided.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The configuration of the present invention will be described below in detail based on the best mode shown in the drawings.

【0013】図1に本発明を適用した原子炉を備える原
子力プラントの実施形態の一例を、図2に使用済燃料の
一例を、図3に補助金属燃料の一例をそれぞれ示す。原
子炉1は、使用済燃料2と、当該使用済燃料2の使用に
よる反応度の不足を補い核分裂連鎖反応を維持する補助
金属燃料3を炉心4に装荷し、冷却材5としてガスを用
いるものである。
FIG. 1 shows an example of an embodiment of a nuclear power plant having a nuclear reactor to which the present invention is applied, FIG. 2 shows an example of spent fuel, and FIG. 3 shows an example of an auxiliary metal fuel. A reactor 1 in which a core 4 is loaded with a spent fuel 2 and an auxiliary metal fuel 3 which compensates for a lack of reactivity due to the use of the spent fuel 2 and maintains a fission chain reaction, and uses a gas as a coolant 5 It is.

【0014】この原子炉1で燃焼させることができる使
用済燃料2は、例えば軽水炉、重水炉、高速炉、ガス炉
等のいずれで発生したものでも良い。使用済燃料2は、
燃料加工後に最初に新しい燃料として燃焼させた原子炉
から取り出したものをそのまま利用することが可能であ
る。即ち、燃料として最初に燃焼させた原子炉(以下、
最初の原子炉という)から取り出した使用済みの燃料集
合体を分解し、ばらばらになった燃料棒12をまとめて
本発明の原子炉1用の燃料集合体6を構成する。ただ
し、最初の原子炉1から取り出した燃料集合体を本発明
の原子炉1の燃料集合体6としてそのまま装荷するよう
にしても良い。
The spent fuel 2 that can be burned in the nuclear reactor 1 may be generated in any of a light water reactor, a heavy water reactor, a fast reactor, a gas reactor and the like. Spent fuel 2 is
It is possible to use the fuel taken out of the reactor that was first burned as new fuel after fuel processing. That is, the reactor that was first burned as fuel (hereinafter
The used fuel assemblies taken out of the first reactor are disassembled, and the separated fuel rods 12 are put together to form the fuel assembly 6 for the reactor 1 of the present invention. However, the fuel assembly taken out of the first reactor 1 may be loaded as it is as the fuel assembly 6 of the reactor 1 of the present invention.

【0015】使用済燃料2の被覆管13は、最初の原子
炉での使用時に中性子などの放射線照射を受けて多少脆
くなっている。このため、本発明の原子炉1では、その
出力密度を例えば軽水炉の約1/10以下、即ち例えば
線出力密度で30W/cm以下にして被覆管の破損防止
を図っている。また、例えば軽水炉で発生した使用済燃
料2を用いる場合には、被覆管13の材料であるジルカ
ロイの高温クリープ特性を考慮して原子炉容器7内の温
度を例えば300℃程度以下とする。
The cladding tube 13 of the spent fuel 2 is somewhat fragile due to irradiation with neutrons or the like during the first use in the nuclear reactor. For this reason, in the nuclear reactor 1 of the present invention, the power density of the reactor is, for example, about 1/10 or less of that of the light water reactor, that is, the linear power density is, for example, 30 W / cm or less, thereby preventing the cladding tube from being damaged. For example, when the spent fuel 2 generated in the light water reactor is used, the temperature inside the reactor vessel 7 is set to, for example, about 300 ° C. or less in consideration of the high-temperature creep characteristics of Zircaloy, which is the material of the cladding tube 13.

【0016】補助金属燃料3は、例えば劣化ウラン、回
収ウラン、ウラン235の濃縮ウラン、天然ウラン、プ
ルトニウムを混合させたウラン等のウラン金属の使用が
可能であり、これらは使用済燃料2に応じて選択され
る。例えば、使用済燃料2中に含まれるウラン235や
プルトニウム239の割合が少なく使用済燃料2だけで
は実効増倍率が1を大きく下回る場合には、補助金属燃
料3としてウラン235の濃縮ウランやプルトニウムを
混合させたウランを使用して実効増倍率を1又は1以上
に増加させる。一方、使用済燃料2中に含まれるウラン
235やプルトニウム239の割合が上述の場合よりも
多くなり、補助金属燃料3として劣化ウランや回収ウラ
ンを使用しても実効増倍率を1又は1以上に増加させる
ことができる場合には、補助金属燃料3として劣化ウラ
ンや回収ウランを使用する。また、補助金属燃料3とし
て天然ウランを使用して実効増倍率を1以上に増加させ
ることができる場合には、天然ウランを使用しても良
い。
As the auxiliary metal fuel 3, uranium metal such as depleted uranium, recovered uranium, enriched uranium of uranium 235, natural uranium, uranium mixed with plutonium, etc. can be used. Selected. For example, when the ratio of uranium 235 and plutonium 239 contained in the spent fuel 2 is small and the effective multiplication factor of the spent fuel 2 alone is much less than 1, the enriched uranium or plutonium of the uranium 235 is used as the auxiliary metal fuel 3. Increase the effective multiplication factor to one or more using mixed uranium. On the other hand, the ratio of uranium 235 and plutonium 239 contained in the spent fuel 2 becomes larger than the above case, and the effective multiplication factor becomes 1 or more even when depleted uranium or recovered uranium is used as the auxiliary metal fuel 3. If it can be increased, depleted uranium or recovered uranium is used as the auxiliary metal fuel 3. If the effective multiplication factor can be increased to 1 or more by using natural uranium as the auxiliary metal fuel 3, natural uranium may be used.

【0017】また、使用済燃料2や補助金属燃料3の中
には燃焼によってプルトニウムが蓄積され反応度を変化
させるので、使用済燃料2の燃焼に応じて使用する補助
金属燃料3を変えても良い。例えば原子炉1の運転初
期、即ち使用済燃料2の燃焼初期にはウラン235を約
10%に濃縮したウランを使用し、使用済燃料2や補助
金属燃料3中のプルトニウムの蓄積に伴い劣化ウランや
回収ウランを使用するようにしても良い。
Further, since plutonium is accumulated in the spent fuel 2 and the auxiliary metal fuel 3 by combustion and changes the reactivity, even if the auxiliary metal fuel 3 used is changed in accordance with the combustion of the spent fuel 2, good. For example, in the early stage of operation of the nuclear reactor 1, that is, in the early stage of combustion of the spent fuel 2, uranium obtained by enriching the uranium 235 to about 10% is used. Alternatively, recovered uranium may be used.

【0018】補助金属燃料3は、被覆管14内に充填さ
れ燃料棒15に加工されて使用される。例えば、補助金
属燃料3を粒状に成形し、この粒状の燃料を被覆管14
に多数充填した燃料棒15を炉心4に装荷する。燃料は
スエリング等によって膨張するが、粒状の燃料の間には
隙間があるので燃料の膨張を吸収することができる。被
覆管14内には燃料と一緒に熱伝達媒体を充填しても良
く、あるいは熱伝達媒体を充填せずに燃料で発生した熱
を接触により被覆管14に直接伝えるようにしても良
い。被覆管14内に充填する熱伝達媒体としては、冷却
材5と同じ物質を使用することが好ましい。また、被覆
管14の材料としては、ステンレス鋼の他、ジルカロイ
等のジルコニウム合金、アルミニウム合金、マグノック
ス等のマグネシウム合金等の使用が可能である。
The auxiliary metal fuel 3 is filled in a cladding tube 14 and processed into a fuel rod 15 for use. For example, the auxiliary metal fuel 3 is formed into granules, and the granulated fuel is
Is loaded into the reactor core 4. Although the fuel expands due to swelling or the like, there is a gap between the granular fuels, so that the expansion of the fuel can be absorbed. The cladding tube 14 may be filled with a heat transfer medium together with the fuel, or the heat generated by the fuel may be directly transmitted to the cladding tube 14 by contact without filling the heat transfer medium. It is preferable to use the same substance as the coolant 5 as the heat transfer medium filled in the cladding tube 14. As the material of the cladding tube 14, in addition to stainless steel, a zirconium alloy such as Zircaloy, an aluminum alloy, a magnesium alloy such as Magnox, or the like can be used.

【0019】なお、ウラン燃料に、例えばZrを10%
程度混合して燃料物性の安定化を図るようにしても良
い。また、被覆管14内に充填する燃料の形状としては
粒状に限るものではなく、例えば中心に孔を有する円筒
形状等でも良い。円筒形状にすることで、中心の孔部分
で燃料の膨張を吸収することができる。
The uranium fuel contains, for example, 10% Zr.
The fuel properties may be stabilized by mixing to a certain degree. Further, the shape of the fuel filled in the cladding tube 14 is not limited to a granular shape, and may be, for example, a cylindrical shape having a hole at the center. The cylindrical shape makes it possible to absorb the expansion of the fuel at the central hole.

【0020】炉心4には、使用済燃料2の燃料棒12で
構成した燃料集合体6と、補助金属燃料3の燃料棒15
で構成した燃料集合体8を装荷する。ただし、使用済燃
料2の燃料棒と補助金属燃料3の燃料棒15とで1つの
燃料集合体を構成し、この燃料集合体を炉心4に装荷す
るようにしても良い。
A fuel assembly 6 comprising fuel rods 12 for spent fuel 2 and a fuel rod 15 for auxiliary metal fuel 3 are provided in the core 4.
Is loaded. However, one fuel assembly may be constituted by the fuel rod of the spent fuel 2 and the fuel rod 15 of the auxiliary metal fuel 3, and this fuel assembly may be loaded into the core 4.

【0021】ガス冷却材5としては、例えばヘリウムガ
ス、炭酸ガス等の使用が可能である。ガス冷却材5は、
液体金属や軽水・重水の冷却材5に比べて中性子を減速
させない。
As the gas coolant 5, for example, helium gas, carbon dioxide gas or the like can be used. The gas coolant 5
It does not slow down the neutrons as compared with the liquid metal or the coolant 5 of light water or heavy water.

【0022】このように構成された原子炉1を備えて原
子力プラントを構成できる。原子力プラントは、例えば
発電プラントであり、原子炉容器7内には、炉心4及び
冷却材5の他に蒸気発生器9、制御機構10等が設置さ
れている。蒸気発生器9で発生した蒸気は原子炉容器7
の外に設置された発電用タービン11に供給される。
A nuclear power plant can be configured by including the reactor 1 configured as described above. The nuclear power plant is, for example, a power generation plant. In the reactor vessel 7, a steam generator 9, a control mechanism 10, and the like are installed in addition to the reactor core 4 and the coolant 5. The steam generated by the steam generator 9 is supplied to the reactor vessel 7
Is supplied to a power generation turbine 11 installed outside the power generator.

【0023】制御機構10は、例えば炉心4の外に中性
子反射体を設置し、この中性子反射体を移動させること
で核分裂連鎖反応に寄与する高速中性子の漏洩量を増減
して反応度を制御するものである。ただし、制御機構1
0としてはこれに限るものではなく、例えばボロン、タ
ンタル等の高速中性子吸収材を炉心4に近づけたり離し
たりすることで核分裂連鎖反応に寄与する高速中性子を
増減して反応度を制御するようにしても良い。なお、本
発明の原子炉1では反応度の剰余は少ないため、制御機
構10は小型のもので足りる。
The control mechanism 10 controls the reactivity by, for example, installing a neutron reflector outside the core 4 and moving the neutron reflector to increase or decrease the amount of leakage of fast neutrons that contribute to the fission chain reaction. Things. However, the control mechanism 1
The value of 0 is not limited to this. For example, by moving a fast neutron absorbing material such as boron or tantalum closer to or away from the reactor core 4, the number of fast neutrons contributing to the fission chain reaction is increased or decreased to control the reactivity. May be. Since the reactivity of the reactor 1 of the present invention has a small surplus, a small control mechanism 10 is sufficient.

【0024】なお、図1には記載されていないが、原子
炉容器7内には反射体、遮蔽材、緊急炉心停止装置、非
常用炉心冷却装置等が設置されているのは勿論である。
Although not shown in FIG. 1, it is a matter of course that a reflector, a shielding material, an emergency core stop device, an emergency core cooling device, and the like are installed in the reactor vessel 7.

【0025】炉心4に使用済燃料2の燃料棒12で構成
した燃料集合体6と補助金属燃料3の燃料棒15で構成
した燃料集合体8を装荷し、運転を開始すると、炉心4
で発生した熱はガス冷却材5の自然対流によって蒸気発
生器9に伝達される。つまり、ガス冷却材5は炉心4を
下から上に向けて流れながら高温になり、原子炉容器7
の天井を伝わって蒸気発生器9へと流れる。そして、蒸
気発生器9で熱交換を行うことで冷却されながら下降
し、炉心4に下から流入する。このように冷却材5を自
然対流により循環させることも可能であり、この場合に
はポンプ等を使用して冷却材5を強制循環させる場合の
ように動力を必要としない。尚、ポンプ等を使用して冷
却材5を強制循環させて強制冷却することも可能であ
る。
The fuel assembly 6 composed of the fuel rods 12 of the spent fuel 2 and the fuel assembly 8 composed of the fuel rods 15 of the auxiliary metal fuel 3 are loaded into the core 4 and the operation is started.
Is transmitted to the steam generator 9 by natural convection of the gas coolant 5. In other words, the gas coolant 5 becomes high temperature while flowing upward from the bottom of the reactor core 4, and the reactor vessel 7
And flows to the steam generator 9 along the ceiling. Then, by performing heat exchange in the steam generator 9, it descends while being cooled, and flows into the core 4 from below. As described above, the coolant 5 can be circulated by natural convection, and in this case, power is not required unlike the case where the coolant 5 is forcedly circulated by using a pump or the like. Incidentally, it is also possible to forcibly circulate the coolant 5 using a pump or the like to perform forced cooling.

【0026】蒸気発生器9において冷却材5の熱によっ
て生じた蒸気は発電用タービン11を回転させた後、水
に戻り蒸気発生器9へと循環する。発電用タービン11
を回転させることで、発電が行われる。なお、発電用タ
ービン11を設ける代わりに熱の使用場所に蒸気を供給
するようにし、原子炉1で発生した熱を暖房等の熱供給
に利用することも可能である。
The steam generated by the heat of the coolant 5 in the steam generator 9 returns the water to the steam generator 9 after rotating the power generation turbine 11 and circulates to the steam generator 9. Power generation turbine 11
By rotating, power is generated. In addition, instead of providing the power generation turbine 11, steam may be supplied to a place where heat is used, and heat generated in the reactor 1 may be used for heat supply such as heating.

【0027】炉心4には核燃料としてそれ自体では実効
増倍率が1未満となり反応度を0以上にすることができ
ない使用済燃料2が装荷されるが、臨界又は臨界超過の
状態に対して不足する反応度は補助金属燃料3によって
補われる。このため、核分裂連鎖反応を維持することが
できる。
The reactor core 4 is loaded with spent fuel 2 as a nuclear fuel which has an effective multiplication factor of less than 1 and cannot have a reactivity of 0 or more, but is insufficient for a critical or supercritical state. The reactivity is supplemented by the auxiliary metal fuel 3. Therefore, the fission chain reaction can be maintained.

【0028】また、冷却材5として液体金属や水に比べ
て中性子を減速させないガスを使用すると共に、酸化物
燃料や窒化物燃料等に比べて中性子を減速させない金属
燃料である補助金属燃料3を使用しているので、高速中
性子を利用して使用済燃料2や補助金属燃料3中のウラ
ン238のプルトニウムへの転換が効率よく行われる。
このようにして炉心4内で生産されたプルトニウムは核
分裂連鎖反応に寄与する。
In addition, a gas that does not slow down neutrons as compared with liquid metal or water is used as the coolant 5, and an auxiliary metal fuel 3 that is a metal fuel that does not slow down neutrons as compared to oxide fuel or nitride fuel is used. Since it is used, uranium 238 in the spent fuel 2 and the auxiliary metal fuel 3 is efficiently converted to plutonium using fast neutrons.
The plutonium produced in the core 4 in this way contributes to the fission chain reaction.

【0029】例えば、軽水炉で発生した使用済燃料2に
はウラン238がウラン部分の例えば95%程度残って
いる。使用済燃料2の燃焼によりウラン238はプルト
ニウムに転換され、核分裂連鎖反応に寄与する。また、
高速炉で発生した使用済燃料2にはウラン235が例え
ば75%程度、プルトニウムが例えば10%程度残って
いる。使用済燃料2中に残っているウラン235やプル
トニウムと、新たに転換されたプルトニウムが核分裂連
鎖反応に寄与する。
For example, in the spent fuel 2 generated in the light water reactor, uranium 238 remains, for example, about 95% of the uranium portion. Uranium 238 is converted to plutonium by the combustion of spent fuel 2, and contributes to the fission chain reaction. Also,
In the spent fuel 2 generated in the fast reactor, about 75% of uranium 235 and about 10% of plutonium remain, for example. The uranium 235 and plutonium remaining in the spent fuel 2 and the newly converted plutonium contribute to the fission chain reaction.

【0030】図4に、燃料の燃焼度と無限増倍率の関係
を示す。使用済燃料2や補助金属燃料3が燃焼すると当
該燃料2,3中にはプルトニウムが蓄積されるので無限
増倍率が増加する。ここで、図中曲線aは劣化ウランを
用いた補助金属燃料3と使用済燃料2を炉心に装荷した
場合を、図中曲線bはウラン235を10%程度に濃縮
した金属ウランを用いた補助金属燃料3と使用済燃料2
を炉心に装荷した場合を示している。いずれの場合であ
っても無限増倍率を1以上にして核分裂連鎖反応を維持
することができる。
FIG. 4 shows the relationship between the burnup of fuel and the infinite multiplication factor. When the spent fuel 2 and the auxiliary metal fuel 3 burn, plutonium is accumulated in the fuels 2 and 3, so that the infinite multiplication factor increases. Here, the curve a in the figure shows the case where the auxiliary metal fuel 3 using depleted uranium and the spent fuel 2 are loaded in the core, and the curve b in the figure shows the auxiliary metal fuel 3 in which uranium 235 is enriched to about 10%. Metal fuel 3 and spent fuel 2
Is loaded in the core. In any case, the infinite multiplication factor can be set to 1 or more to maintain the fission chain reaction.

【0031】ただし、曲線aの場合には、燃焼初期、例
えば燃焼度が40GWd/t未満の部分には、炉心内で
プルトニウムが十分に生産されていないために、核分裂
連鎖反応を維持できず無限増倍率が1未満である。これ
に対し、曲線bの場合には、燃焼初期から無限増倍率を
1以上にすることができる。一方、ウラン資源の有効利
用、ウラン濃縮に必要なエネルギーやコストを削減する
等の観点からは、補助金属燃料3として濃縮ウランを用
いるよりも、劣化ウランや回収ウランを用いることが好
ましい。このため、燃焼初期には曲線bの補助金属燃料
3と使用済燃料2を燃焼させ、その後に曲線aの補助金
属燃料3と使用済燃料2を燃焼させることが考えられ
る。即ち、補助金属燃料3として、燃焼初期には濃縮ウ
ラン又はプルトニウムを混合したウランを使用し、使用
済燃料2や補助金属燃料3の燃焼によるプルトニウムの
蓄積に応じて劣化ウラン又は回収ウランを用いること
で、反応度を常に0以上に維持して核分裂連鎖反応を維
持すると共に、ウラン資源の有効利用を図ることができ
る。補助金属燃料3は、燃料交換時に一部ずつ順番に濃
縮ウラン又はプルトニウムを混合したウランを使用した
ものから、劣化ウランや回収ウランを使用したものに交
換する。
However, in the case of the curve a, in the initial stage of combustion, for example, in the portion where the burn-up is less than 40 GWd / t, the fission chain reaction cannot be maintained because plutonium is not sufficiently produced in the reactor core, and The multiplication factor is less than 1. On the other hand, in the case of the curve b, the infinite multiplication factor can be set to 1 or more from the beginning of combustion. On the other hand, from the viewpoint of effective utilization of uranium resources and reduction of energy and cost required for uranium enrichment, it is preferable to use depleted uranium or recovered uranium rather than using enriched uranium as auxiliary metal fuel 3. For this reason, it is conceivable that the auxiliary metal fuel 3 and the spent fuel 2 of the curve b are burned at the beginning of the combustion, and then the auxiliary metal fuel 3 and the spent fuel 2 of the curve a are burned. That is, uranium enriched with uranium or plutonium mixed in the initial stage of combustion is used as the auxiliary metal fuel 3, and depleted uranium or recovered uranium is used according to the accumulation of spent fuel 2 or plutonium due to combustion of the auxiliary metal fuel 3. Thus, the fission chain reaction can be maintained by always maintaining the reactivity at 0 or more, and the uranium resources can be effectively used. The auxiliary metal fuel 3 is changed from fuel that uses enriched uranium or uranium mixed with plutonium to fuel that uses depleted uranium or recovered uranium in order at the time of refueling.

【0032】炉心4に装荷した使用済燃料2は、例えば
250GWd/t程度の燃焼度になるまで燃焼される。
そして、炉心4で燃焼された使用済燃料2は、例えば廃
棄処分される。但し、炉心4で燃焼された使用済燃料2
を再処理することも可能である。
The spent fuel 2 loaded in the core 4 is burned until the burnup becomes about 250 GWd / t, for example.
The spent fuel 2 burned in the core 4 is, for example, disposed of. However, the spent fuel 2 burned in the core 4
Can be reprocessed.

【0033】このように、本発明の原子炉1では、使用
済燃料2を炉心4に装荷して燃焼させることができるの
で、ウラン資源を有効に活用することができると共に、
放射性廃棄物を減らすことができる。また、使用済燃料
2の再処理を行う必要がなくなるので、再処理のための
特別な設備や放射線管理を不要にできると共に、再処理
によって新たな放射性廃棄物が発生することもなくな
る。更に、軽水炉で発生した使用済燃料を再処理した場
合のようにウランやプルトニウムを分離した状態で保管
せずにすむ。また、従来、有効活用し難かった劣化ウラ
ンや回収ウランを燃焼させることができるので、ウラン
資源をより一層有効活用することができる。
As described above, in the nuclear reactor 1 of the present invention, the spent fuel 2 can be loaded into the reactor core 4 and burned, so that uranium resources can be effectively utilized and
Radioactive waste can be reduced. In addition, since it is not necessary to reprocess the spent fuel 2, special equipment for reprocessing and radiation management can be eliminated, and no new radioactive waste is generated by the reprocessing. Further, it is not necessary to store uranium and plutonium in a separated state as in the case of reprocessing spent fuel generated in a light water reactor. In addition, since depleted uranium and recovered uranium, which have conventionally been difficult to utilize effectively, can be burned, uranium resources can be more effectively utilized.

【0034】なお、上述の形態は本発明の好適な形態の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の
要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、上述の説明では、使用済燃料2を最初の原
子炉から取り出してその燃料棒12をそのまま本発明の
原子炉1で燃焼させるようにしていたが、必ずしもこれ
に限るものではない。例えば、最初の原子炉から取り出
した燃料棒12を高温例えば500℃程度で焼き鈍し処
理をした後に本発明の原子炉1で燃焼させるようにして
も良い。このようにすることで、最初の原子炉における
放射線照射の影響を緩和することができ、本発明の原子
炉1で使用している最中の破損防止を図ることができ
る。
The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above description, the spent fuel 2 is taken out of the first reactor, and the fuel rods 12 are burned as it is in the reactor 1 of the present invention. However, the present invention is not limited to this. For example, the fuel rods 12 taken out of the first reactor may be annealed at a high temperature, for example, about 500 ° C., and then burned in the reactor 1 of the present invention. By doing so, it is possible to mitigate the effects of radiation irradiation in the first reactor, and to prevent damage during use in the reactor 1 of the present invention.

【0035】また、図5に示すように、最初の原子炉か
ら取り出した使用済燃料2の燃料棒12をオーバーパッ
ク16に封入して本発明の原子炉1に装荷するようにし
ても良い。このようにすることで、燃料棒12の被覆管
13が破損した場合であっても燃料の漏れを防止するこ
とができる。オーバーパック16は、例えばステンレス
管等である。使用によって燃料棒12は若干変形するの
で、オーバーパック16を燃料棒12のサイズよりも若
干大きく形成しておくことが好ましい。また、オーバー
パック16内には、Heガス等の熱伝達媒体17を封入
しておくことが好ましい。
As shown in FIG. 5, the fuel rods 12 of the spent fuel 2 taken out of the first reactor may be sealed in the overpack 16 and loaded on the reactor 1 of the present invention. By doing so, even if the cladding tube 13 of the fuel rod 12 is broken, fuel leakage can be prevented. The overpack 16 is, for example, a stainless tube. Since the fuel rods 12 are slightly deformed by use, it is preferable to form the overpack 16 slightly larger than the size of the fuel rods 12. It is preferable that a heat transfer medium 17 such as He gas is sealed in the overpack 16.

【0036】さらに、原子炉1に装荷する燃料の量を変
化させても良い。例えば、原子炉1の運転初期には、使
用済燃料2と補助金属燃料3の装荷量を少なくして小さ
い炉心4を構成し、燃料取り替え時に装荷量を徐々に増
加させて炉心4を大きくするようにしても良い。このよ
うにすることで、原子炉1の運転初期に必要とされる濃
縮ウランの量を減らすことができる。
Further, the amount of fuel to be loaded on the reactor 1 may be changed. For example, in the early stage of operation of the nuclear reactor 1, the loading of the spent fuel 2 and the auxiliary metal fuel 3 is reduced to form a small core 4, and the loading is gradually increased at the time of refueling to enlarge the core 4. You may do it. By doing so, the amount of enriched uranium required in the early stage of operation of the nuclear reactor 1 can be reduced.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の原子
炉では、使用済燃料と、当該使用済燃料の使用による反
応度の不足を補い核分裂連鎖反応を維持する補助金属燃
料を炉心に装荷し、冷却材としてガスを用いているの
で、使用済燃料を燃焼させながら核分裂連鎖反応を維持
することができる。このため、燃料再処理を行わなくて
もウラン資源の有効利用が可能になると共に、放射性廃
棄物の発生を抑えることができる。また、使用済燃料の
再処理を行う必要がなくなるため、再処理に必要な特別
の設備や放射線管理が不要となると共に、新たな放射性
廃棄物の発生を防止することもでき、さらには、分離し
たウランやプルトニウムを保管する必要もなくなる。ま
た、使用済燃料を単に貯蔵・保管することなく有効に活
用できることから、原子燃料サイクルの推進を図ること
ができる。
As described above, in the nuclear reactor according to the first aspect of the present invention, the spent fuel and the auxiliary metal fuel that compensates for the lack of reactivity due to the use of the spent fuel and maintains the fission chain reaction are loaded in the reactor core. Since the gas is used as the coolant, the fission chain reaction can be maintained while burning the spent fuel. For this reason, uranium resources can be effectively used without performing fuel reprocessing, and generation of radioactive waste can be suppressed. In addition, since there is no need to reprocess spent fuel, special equipment and radiation control required for reprocessing are not required, and the generation of new radioactive waste can be prevented. There is no need to store waste uranium or plutonium. Further, since the spent fuel can be effectively used without simply storing and storing, it is possible to promote the nuclear fuel cycle.

【0038】また、請求項2記載の原子炉では、補助金
属燃料として、劣化ウラン、回収ウラン、濃縮ウラン、
天然ウラン又はプルトニウムを混合したウランのいずれ
かを用いており、これらのうち、劣化ウラン又は回収ウ
ランを用いる場合には、従来、利用し難かった劣化ウラ
ンや回収ウランを燃焼することができるので、ウラン資
源のより一層の有効利用と原子燃料サイクルのより一層
の推進を図ることができる。また、補助金属燃料とし
て、濃縮ウラン、天然ウラン、プルトニウムを混合した
ウランを用いる場合には、劣化ウランや回収ウランを使
用した場合に比べて、使用済燃料の燃焼初期においても
核分裂連鎖反応の維持が容易である。
Further, in the nuclear reactor according to the second aspect, as the auxiliary metal fuel, depleted uranium, recovered uranium, enriched uranium,
Either natural uranium or uranium mixed with plutonium is used, and among them, when depleted uranium or recovered uranium is used, conventionally, it is possible to burn depleted uranium or recovered uranium, which has been difficult to use, Utilization of uranium resources can be more effectively utilized and the nuclear fuel cycle can be further promoted. In addition, when uranium mixed with enriched uranium, natural uranium, and plutonium is used as an auxiliary metal fuel, the fission chain reaction is maintained even in the early stage of the combustion of spent fuel, compared to the case where depleted uranium or recovered uranium is used. Is easy.

【0039】また、請求項3記載の原子炉では、補助金
属燃料として、使用済燃料の燃焼初期には濃縮ウラン又
はプルトニウムを混合したウランを使用し、使用済燃料
の燃焼によるプルトニウムの蓄積に応じて劣化ウラン又
は回収ウランを用いるので、使用済燃料の燃焼初期にお
ける核分裂連鎖反応の維持が容易となり、しかも、劣化
ウランや回収ウランを有効利用することができる。
In the nuclear reactor according to the third aspect, uranium enriched with uranium or a mixture of plutonium is used as an auxiliary metal fuel in the early stage of combustion of the spent fuel, and the amount of plutonium accumulated by the combustion of the spent fuel is increased. Since depleted uranium or recovered uranium is used, it is easy to maintain a fission chain reaction in the early stage of the combustion of spent fuel, and moreover, depleted uranium or recovered uranium can be effectively used.

【0040】さらに、請求項4記載の原子炉では、請求
項1から3のいずれかに記載の原子炉を備えているの
で、ウラン資源を有効利用できる原子力プラントを提供
することができる。
Further, the nuclear reactor according to the fourth aspect is provided with the nuclear reactor according to any one of the first to third aspects, so that a nuclear power plant capable of effectively utilizing uranium resources can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を適用した原子炉を備える原子力プラン
トの実施形態の一例を示す概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of an embodiment of a nuclear power plant including a nuclear reactor to which the present invention is applied.

【図2】使用済燃料を一部切り欠いて示す正面図であ
る。
FIG. 2 is a front view showing a spent fuel partially cut away.

【図3】補助金属燃料を一部切り欠いて示す正面図であ
る。
FIG. 3 is a front view showing the auxiliary metal fuel with a part cut away.

【図4】燃焼度と無限増倍率の関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a relationship between burnup and infinite multiplication factor.

【図5】使用済燃料の燃料棒をオーバーパックに封入し
た状態を概念的に示す断面図である。
FIG. 5 is a sectional view conceptually showing a state in which a fuel rod of spent fuel is sealed in an overpack.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 原子炉 2 使用済燃料 3 補助金属燃料 4 炉心 5 冷却材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nuclear reactor 2 Spent fuel 3 Auxiliary metal fuel 4 Core 5 Coolant

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 使用済燃料と、当該使用済燃料の使用に
よる反応度の不足を補い核分裂連鎖反応を維持する補助
金属燃料を炉心に装荷し、冷却材としてガスを用いるこ
とを特徴とする原子炉。
Claims: 1. A nuclear reactor characterized in that a spent fuel and an auxiliary metal fuel for supplementing a lack of reactivity due to the use of the spent fuel and maintaining a fission chain reaction are loaded in a reactor core, and gas is used as a coolant. Furnace.
【請求項2】 前記補助金属燃料として、劣化ウラン、
回収ウラン、濃縮ウラン、天然ウラン又はプルトニウム
を混合したウランのいずれかを用いることを特徴とする
請求項1記載の原子炉。
2. The depleted uranium as the auxiliary metal fuel,
2. The nuclear reactor according to claim 1, wherein one of recovered uranium, enriched uranium, natural uranium and uranium mixed with plutonium is used.
【請求項3】 前記補助金属燃料として、前記使用済燃
料の燃焼初期には濃縮ウラン又はプルトニウムを混合し
たウランを使用し、前記使用済燃料の燃焼によるプルト
ニウムの蓄積に応じて劣化ウラン又は回収ウランを用い
ることを特徴とする請求項1記載の原子炉。
3. Uranium mixed with enriched uranium or plutonium is used as the auxiliary metal fuel in the initial stage of combustion of the spent fuel, and depleted uranium or recovered uranium is stored in accordance with the accumulation of plutonium due to the combustion of the spent fuel. The nuclear reactor according to claim 1, wherein:
【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載の原子
炉を備えることを特徴とする原子力プラント。
4. A nuclear power plant comprising the nuclear reactor according to claim 1.
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