JP2006126147A - 液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料富化度を低減し、炉心核特性を向上させ、安全性を高める。また、そのために炉運転中に格別の操作を必要とせず、簡素な構造で簡易な取り扱いを可能とする。
【解決手段】 多数本の燃料棒１４を束ねて六角筒状のラッパ管１２内に収容した構造の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体１０である。燃料集合体内の一部に存在する冷却材ボイド反応度が正である領域に、燃料棒複数本分を占める水平断面積を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面多角形又は円形のガス密封管１６を設置する。燃料棒と同等の水平断面を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入したガス密封管を複数本分散設置する構成でもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体金属冷却高速炉で用いる炉心燃料集合体に関し、更に詳しく述べると、燃料集合体内の一部に存在する冷却材ボイド反応度が正である領域にガス密封管を設置した炉心燃料集合体、及びそれを用いることにより、燃料富化度の低減、炉心核特性の向上並びに安全性の向上を図った液体金属冷却高速炉に関するものである。

高速中性子を利用する原子炉（例えば、高速増殖炉、あるいは増殖を目的としない高速中性子炉など、この明細書では、これらを総称して「高速炉」という）において、高速炉用燃料集合体は、多数本の燃料棒を束ねることで構成されている。燃料集合体は、六角筒状のラッパ管内に燃料バンドル部を収容する構成が一般的であるが、ダクトレス集合体と呼ばれるラッパ管を有しない概念もある。いずれにしても冷却材としては、液体金属（一般に、液体ナトリウム）が用いられている。

このような高速炉では、万一の炉心損傷時に、溶融した燃料が集中すると即発臨界を超過して核的暴走に至る（この現象は再臨界と呼ばれる）可能性がある。そこで、この再臨界を回避する対策として、従来、燃料集合体の中に燃料排出用の流路となる内部ダクトを設けた構造（所謂「内部ダクト型燃料集合体」）が何例か提案されている。

しかし、このような内部ダクト型の燃料集合体では、燃料集合体の中の燃料ピンを除去して冷却材ナトリウムのダクトに置換するため、炉心内の燃料量が減少し、核的な炉心特性が低下する問題点が指摘されている。また、内部ダクト内の冷却材ナトリウムのボイド化現象は、炉心に非安全側となる正の反応度が挿入される問題も生じる。

更に、溶融燃料は内部ダクト内の冷たい冷却材の存在により、内部ダクト内から排出される前に冷却・固着される可能性も想定される。また、高温の溶融燃料と低温の内部ダクト内冷却材との反応（ＦＣＩ）も想定される。

炉心損傷事故時の再臨界を回避できる他の技術として、集合体形状をなし、その内部に燃料棒束と感熱式中性子吸収体落下機構などの全構成要素を組み込み、原子炉停止失敗事故時の自己作動型炉停止機能と炉心損傷事故時再臨界回避用の溶融燃料排出機能とを併せ持たせ、小型化、簡易化でき、取り扱い易い構造とした装置も提案されている（特許文献１参照）。
特開平６−３２４１７９号公報

本発明が解決しようとする課題は、燃料富化度を低減し、炉心核特性を向上させることができ、しかも安全性を高めることができる液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、燃料富化度の低減、炉心核特性の向上及び安全性の向上のため、炉運転中に格別の操作を必要とせず、簡素な構造で簡易な取り扱いが可能な液体金属冷却高速炉を提供することである。

本発明は、多数本の燃料棒を束ねて構成される液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、燃料集合体内の一部に存在する冷却材ボイド反応度が正である領域に、内部に乾燥ガスを封入したガス密封管を設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体である。

また本発明は、多数本の燃料棒を束ねて六角筒状のラッパ管内に収容した構造の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、燃料集合体内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒複数本分を占める水平断面積を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面多角形又は円形のガス密封管を設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体である。

更に本発明は、多数本の燃料棒を束ねて六角筒状のラッパ管内に収容した構造の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、燃料集合体内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒と同等の水平断面を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面多角形又は円形のガス密封管を複数本分散設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体である。

ガス密封管の肉厚はラッパ管の肉厚以下とするのが好ましい。ガス密封管に封入する乾燥ガスは、中性子散乱・吸収が小さく、ガス密封管材料との共存性のよい単体ガス、例えばヘリウムガスやアルゴンガスなど、もしくはそれらの混合ガスとする。ガス密封管の上方及び／又は下方に冷却材通路を形成するのが好ましい。

また本発明は、多数体の燃料集合体を規則的に配列した液体金属冷却高速炉において、上記のようなガス密封管を有する構成の炉心燃料集合体を全炉心燃料集合体領域又は一部の炉心燃料集合体領域に装荷することで液体金属冷却高速炉とする。ガス密封管に封入するガスの圧力は、炉心内の冷却材圧力とほぼ均圧もしくはそれ以下とするのが好ましい。

液体金属冷却高速炉（特にナトリウム冷却高速炉）において、冷却材のボイド化現象は炉心に正の反応度挿入を生じる安全上の重要課題項目となっている。本発明は、逆にこの効果を積極的に利用して炉心性能・安全性能を向上させる設計となっており、この点に特徴がある。

本発明は上記のように、液体金属冷却炉において、冷却材ボイド反応度特性を積極的に利用し、燃料集合体の一部に存在する冷却材ボイド反応度が正である領域に、ガスを密封した管を設置した炉心燃料集合体を使用することにより、炉心燃料のプルトニウム富化度を低減できる。この波及効果として、燃焼サイクル中の燃焼反応度を低減でき、炉心の転換率（増殖率）が増大する。また、ガスを密封した管の存在により燃料集合体バンドル部の冷却材ボイド反応度が低減する。

また、万一ガス密封管が破損し、冷却材が密封管内に流入してきても、冷却材ボイド現象の逆現象であることから、炉心に安全側の負の反応度が挿入されることとなり、炉心安全上のディメリットは生じない。

本発明では、このように、ガス密封管を燃料集合体製造時に燃料集合体内に設置するだけでよく、所望の炉心性能・安全性能を得るため、炉運転中に何らの格別な操作を必要としない。簡単な構造であり、簡易に取り扱うことができる。

液体金属（ナトリウム、鉛、鉛−ビスマス等）を冷却材とする高速炉は、多数本の燃料棒を束ねた多数の炉心燃料集合体によって構成される。このような高速炉において、燃料集合体中を流れている液体金属冷却材が沸騰などによりボイド領域が形成されると、炉心に正の反応度が挿入される特性（例えば、ナトリウムボイド反応度）を有する。そこで本発明では、燃料集合体中のプルトニウム燃料が装荷されている炉心軸方向において、正の冷却材ボイド反応度を有する領域内（通常は炉心高さ）に、中性子散乱・吸収の少ない乾燥ガス（水分を含まないガス）を密封した管を配置する。そして、これによって挿入される正の反応度分だけプルトニウム富化度を低減することができ、この結果、燃焼反応度が低減し、転換率（増殖率）が高まる。仮に、ガス密封管が破損し、冷却材がガス密封管内に浸入しても、負の反応度挿入現象であり、安全上の問題は全く生じない。本発明は、このようにナトリウムボイド反応度特性を積極的に利用しているのである。

図１に本発明に係る炉心燃料集合体の一例の水平断面を示す。炉心燃料集合体１０は、六角筒状のラッパ管１２内に多数本の燃料棒１４を束ねて収容する。そして、燃料集合体１０内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒複数本分を占める水平断面形状を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入したガス密封管１６を設置する。ここではラッパ管１２の中心軸に一致するよう、該ラッパ管に合わせて断面正六角筒状のガス密封管１６を設置している。その水平断面は燃料棒３７本分を占める形状であり、その周囲に２９４本の燃料棒１４が配列されている。

ガス密封管１６は、通常運転条件下において、使用する冷却材との共存性が良く、中性子照射や高温条件使用下でも強度の劣化を招き難い原子炉構造材料（通常原子炉構造材として使用されている合金材料：例えばステンレス鋼やニッケル基合金など）で作製する。高速炉の細かな条件（例えば温度、圧力、中性子照射など）により最適な材料を選択し使用するのがよい。ガス密封空間１８に封入する乾燥ガスとしては、中性子散乱・吸収効果の少ないヘリウムガスやアルゴンガス等を単独で、あるいはそれらを混合して用いる。なお、符号２０はラッパ管間冷却材を示す。

図２のＡに炉心燃料集合体の垂直断面の一例を示す。この例では、ガス密封管１６は、炉心燃料の部分をガス密封空間１８に置き換えた構造であり、通常の燃料棒と同様（炉心燃料を符号２２で示す）、上部には軸ブランケット２４、ガスプレナム２６、上部端栓２８を配置し、下部には軸ブランケット３０、ガスプレナム３２、下部端栓３４を配置した構造である。燃料棒及びガス密封管はラッパ管内で中間支持部３６で支持される。その他の構造は、通常の燃料集合体と同様であってよく、ラッパ管下部には下部遮蔽体３８及びエントランスノズル４０が設けられ、ラッパ管上部には上部嵌合部４２を介して上部遮蔽体４４及びハンドリングヘッド４６が設けられる。

図２のＢに炉心燃料集合体の垂直断面の他の例を示す。ガス密封管１６は、炉心燃料２２の部分をガス密封空間１８とし、それ以外の上部及び下部は冷却材が出入り可能な冷却材通路４８である。燃料棒及びガス密封管はラッパ管１２内で中間支持部３６で支持される。その他の構造は、通常の燃料集合体と同様であってよく、ラッパ管下部には下部遮蔽体３８及びエントランスノズル４０が設けられ、ラッパ管上部には上部嵌合部４２を介して上部遮蔽体４４及びハンドリングヘッド４６が設けられる。このガス密封管１６の場合、燃料集合体を構成するラッパ管１２と比べて肉厚を薄くすると、周辺燃料が何らかの理由で溶融した場合に破られて炉心軸方向に溶融燃料が移動できる構造となる。溶融燃料が移動できるためには、ガス密封管１２の内径は５０mm程度以上とする必要がある。

上記の例ではガス密封管を六角筒状としているが、その他の多角筒状あるいは円筒状などとしてもよい。またガス密封管は、その中心軸をラッパ管の中心軸からずらせて配置してもよい。あるいはガス密封管を複数（例えば７本程度以下）分散配置することも可能である。このようなガス密封管は、炉心特性へのメリットが得られる程度として、燃料集合体中の燃料棒に対する本数比で２５％程度以下とすることが望ましい。ここで、燃料集合体中の燃料棒に対するガス密封管の本数比とは、１燃料集合体中における（ガス密封管の本数）／（燃料棒の本数）をいう。例えば全て燃料棒とした時に合計３３１本の燃料棒が収容可能な燃料集合体において、その１９〜６１本程度を占める水平断面とするのが好ましい。

このように冷却材ボイド反応度が正の領域にガス密封管を配置すると、この正の冷却材ボイド反応度効果により、同じ位置に冷却材が存在する場合よりも炉心反応度が上昇する。従って、同一形状の炉心で比較したとき、ガス密封管を配置した炉心燃料集合体を用いる高速炉は、プルトニウム富化度を低減でき、この結果転換率（増殖率）を向上でき、更にサイクル燃焼反応度を下げられる。また、ガス領域からの中性子漏洩効果により、燃料領域の冷却材ボイド反応度を低減できる。なお、通常運転中に、万一ガス密封管が破損し、そこに冷却材が流入しても、正の冷却材ボイド反応度領域の体積が小さくなるため、負の反応度が挿入されるのみであり、炉心安全性を損ねることはない。

図３は本発明に係る炉心燃料集合体の他の例の水平断面を示す。炉心燃料集合体５０は、六角筒状のラッパ管１２内に多数本の燃料棒１４を束ねて収容する。そして、燃料集合体内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒と同等の水平断面を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面円形の複数本のガス密封管５２を分散設置する。ここでは、２４本のガス密封管５２をラッパ管１２の中心付近に分散配列している。ガスの種類や管材料などは、上記の例と同様であってよいため、それらについての説明は省略する。

これらの炉心燃料集合体において、ガス密封管に封入するガス圧は、炉心内の冷却材圧力とほぼ均圧とするか、あるいはそれ以下とする。ガス密封管を有する燃料集合体は、炉心燃料集合体領域の全体に装荷してもよいし、一部に装荷してもよい。

出力３５７０ＭＷｔ（１５００ＭＷｅ）のナトリウム冷却酸化物燃料均質高速増殖炉を対象炉心とし、全炉心燃料集合体領域にガス密封管付きの炉心燃料集合体を装荷した場合（本発明）と全炉心燃料集合体領域に内部ダクト付きの炉心燃料集合体を装荷した場合（比較例）の炉心仕様と炉心性能の解析結果を表１に示す。なお、内部ダクト付きの炉心燃料集合体は、ガス密封管と同じ位置にダクトを設け、該ダクト内を冷却材通路とした構造である。

図４に対象炉心の燃料集合体配置図を示す。また図５に対象炉心の炉心軸方向概念図を１／２ＲＺ体系で示す。内部炉心６０の外周に外側炉心６２が位置し、それらの周囲をブランケット６４及び反射体６６が取り囲む。それらの上下方向に複数の制御棒チャンネル６８が貫通している。燃料集合体７０は、ガス密封管７２の周囲を多数の燃料棒７４が取り囲むことで構成され、その上下に冷却材通路７６が形成されている。なお、燃料物質は混合酸化物であり、冷却材物質はナトリウムである。

ナトリウムの流路とした内部ダクト付き燃料集合体からなる炉心（比較例）に比べ、ガス密封管を有する燃料集合体からなる炉心（本発明）では、以下の通り核特性を向上できた。また、ガス密封管が破れてナトリウムが浸入しても、安全性上の問題が生じないことが確認できた。
１．プルトニウム富化度を０．４ｗｔ％以上低減できた。
２．燃焼反応度を０．２％Δｋ／ｋｋ′（相対比５％）以上低減できた。
３．増殖比を０．０２以上向上できる見通しが得られた。
４．燃料バンドル部のナトリウムボイド反応度を低減できる見通しが得られた。
５．ガス密封管の内部をガスからナトリウムに置換すると、炉心への挿入反応度は−１．２％Δｋ／ｋｋ′となる。従って、燃料バンドル部のナトリウムボイド反応度＋１．６％Δｋ／ｋｋ′に対し、３／４程度の反応度制御ポテンシャルを有することになる。

本発明に係る燃料集合体の一例の水平断面図。 その燃料集合体の垂直断面を示す説明図。 本発明に係る燃料集合体の他の例の水平断面図。 解析対象となる炉心の燃料集合体配置図。 その炉心軸方向概念図。

符号の説明

１０ 炉心燃料集合体
１２ ラッパ管
１４ 燃料棒
１６ ガス密封管
１８ ガス封入空間

Claims (8)

1. 多数本の燃料棒を束ねて構成される液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、
   燃料集合体内の一部に存在する冷却材ボイド反応度が正である領域に、内部に乾燥ガスを封入したガス密封管を設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
2. 多数本の燃料棒を束ねて六角筒状のラッパ管内に収容した構造の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、
   燃料集合体内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒複数本分を占める水平断面積を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面多角形又は円形のガス密封管を設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
3. 多数本の燃料棒を束ねて六角筒状のラッパ管内に収容した構造の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体において、
   燃料集合体内の、軸方向で正の冷却材ボイド反応度を有する領域に、燃料棒と同等の水平断面を有し、且つ内部に乾燥ガスを封入した断面多角形又は円形のガス密封管を複数本分散設置したことを特徴とする液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
4. ガス密封管の肉厚をラッパ管の肉厚以下とする請求項２又は３記載の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
5. ガス密封管に封入する乾燥ガスは、中性子散乱・吸収が小さく、ガス密封管材料との共存性のよい単体ガスもしくは混合ガスである請求項１乃至４のいずれかに記載の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
6. ガス密封管の上方及び／又は下方に冷却材通路が形成されている請求項１乃至５のいずれかに記載の液体金属冷却高速炉用の炉心燃料集合体。
7. 多数体の燃料集合体を規則的に配列した液体金属冷却高速炉において、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の炉心燃料集合体を全炉心燃料集合体領域又は一部の炉心燃料集合体領域に装荷した液体金属冷却高速炉。
8. ガス密封管に封入するガスの圧力を、炉心内の冷却材圧力とほぼ均圧もしくはそれ以下とする請求項７記載の液体金属冷却高速炉。
   

Images