JP2006226905A

JP2006226905A - 金属燃料高速炉炉心

Info

Publication number: JP2006226905A
Application number: JP2005042673A
Authority: JP
Inventors: Kazuteru Sugino; 和輝杉野; Takashige Ogata; 孝成尾形
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Japan Nuclear Cycle Development Institute
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2005-02-18
Filing date: 2005-02-18
Publication date: 2006-08-31

Abstract

【課題】金属燃料としてＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金を使用し、炉心内側領域の燃料のＺｒ含有率を標準値である１０質量％程度又はそれ以下とした場合でも炉心径方向出力分布の平坦化を図ることができ、その結果、燃料融点の上昇が避けられ、燃料の製造性が悪化することがなく、さらには使用済燃料の再処理時のＺｒ処理量の増加も回避することができる金属燃料高速炉炉心を提供する。
【解決手段】重金属（Ｕ及びＰｕ）と、重金属との合金金属（Ｚｒ）とからなる金属燃料を使用し、炉心径方向に複数の炉心領域に区分され、全ての燃料ピンは燃料のＰｕ富化度およびピン径が同一とされている金属燃料高速炉炉心において、重金属密度の異なる複数の炉心領域が炉心径方向に確保されており、かつ合金金属の含有率及び燃料のスミア密度を変化させることにより領域区分が行われていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＵやＰｕ等の重金属と、この重金属と合金化するＺｒ等の合金金属とからなる金属燃料を使用し、全ての燃料ピンの燃料のＰｕ富化度（重金属中のＰｕの重量割合）および燃料ピン径を単一とし、炉の径方向出力分布の平坦化および変動の抑制を図った金属燃料高速炉炉心に関するものである。

現在、高速炉で用いる核燃料物質として、Ｕ−Ｐｕ混合酸化物が主流であるが、近年では、金属燃料についても高燃焼度を達成できる合金の開発が進行している。金属燃料としては、Ｕ及びＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵ（超ウラン元素）等からなる重金属と、この重金属との合金金属であるＺｒ等とからなる合金が使用できるが、その代表的な例として、Ｕ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金が挙げられる。この合金は、スエリングや被覆管との共晶反応の緩和の点で優れた特性を有し、また定常照射や炉内過渡試験が実施されており、照射挙動や破損挙動に関する情報も多く整備されている。

ところで、高速炉用の燃料として金属燃料を採用した場合、燃料と被覆管の接触部における液相形成を防止する必要があることから、酸化物燃料を用いた場合と比較して、被覆管最大温度を抑制する必要がある。その結果、原子炉出口温度も低下することから、熱効率の減少が見られる。その弱点補強策として、全ての燃料ピンにおける燃料のＰｕ富化度を単一とし、炉心出力分布平坦化のためにピン径の異なる数種類の燃料ピンを用いることが提案されており、それによって冷却材流量配分を合理化でき、酸化物燃料炉心と同等の出口温度達成の見通しが得られている。

しかしながら、そのような仕様では内側炉心領域において相対的に細径の燃料ピンを使用することになるため、その領域では燃料ピン間のギャップが大きくなる。その結果、冷却材体積比が大きくなり、炉心安全上重要である冷却材ボイド反応度が大きくなる傾向が生じる。

かような問題点を解決するために、本件出願人は、金属燃料としてＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金を使用する金属燃料高速炉の全ての燃料ピンにおいて燃料のＰｕ富化度とピン径を同一とし、炉心径方向出力分布の平坦化および変動の抑制のために、金属燃料スラグのＺｒ含有率の異なる数種類の燃料集合体を用いて金属燃料高速炉炉心を構成することを特許文献１において提案した。これによって、炉心内側領域の燃料ピン間ギャップの縮小が図れるので、冷却材体積比が減少し、冷却材ボイド反応度を低減できる。

しかしながら、特許文献１のような構成を採用した場合には、炉心内側領域の燃料のＺｒ含有率を標準的なＺｒ含有率である１０質量％よりも高めに設定している。その結果、燃料の融点の上昇による燃料製造性が悪化し、さらには使用済燃料の再処理時のＺｒ処理量が増加するという新たな問題が生ずる。この場合、Ｚｒ含有率の上限を１０質量％とすると、十分な出力分布の平坦化を行うことが困難となる。

特願２００３−３１８０５２

そこで本発明は、炉心内側領域の燃料のＺｒ含有率を標準値である１０質量％程度又はそれ以下とした場合でも炉心径方向出力分布の平坦化および変動の抑制を図ることができ、その結果、燃料融点の上昇が避けられ、燃料の製造性が悪化することがなく、さらには使用済燃料の再処理時のＺｒ処理量の増加も回避することができる、新規かつ改良された金属燃料高速炉炉心を提供することを目的とする。

すなわち、本発明の金属燃料高速炉炉心は、Ｕ及びＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵからなる重金属と、該重金属との合金金属とからなる金属燃料を使用し、炉心径方向に複数の炉心領域に区分され、全ての燃料ピンは燃料のＰｕ富化度およびピン径が同一とされている金属燃料高速炉炉心において、重金属密度の異なる複数の炉心領域が炉心径方向に確保されており、かつ前記合金金属の含有率及び燃料スミア密度を変化させることにより領域区分が行われていることを特徴とする。
なお「燃料スミア密度」は、金属燃料スラグ−被覆管ギャップも含めた燃料ピン内の体積に占める実効的な燃料密度を表すものであり、燃料の理論密度に対する比で表される。

本発明の好ましい実施形態においては、炉中心側領域に重金属密度の最も低い燃料を配置し、炉周辺側領域に重金属密度の高い燃料を配置する。
また、炉中心側領域に位置する燃料ピンの方が炉周辺側領域に位置する燃料ピンよりも前記合金金属の含有率を高くし、かつ１０質量％以下とする。
さらに、炉中心側領域に位置する燃料ピンの方が炉周辺側領域に位置する燃料ピンよりも前記燃料スミア密度を低くする。

本発明によれば、全ての燃料ピンについて、燃料のＰｕ富化度およびピン径を同一とすることにより、原子炉出口温度の低下を回避することができ、運転期間中の出力分布変動を抑制することができる。さらに、ＵおよびＰｕの重金属密度の異なる複数の炉心領域を炉心径方向に確保するとともに、燃料中の合金金属の含有率以外に、燃料スミア密度も変化させることにより、炉心径方向出力分布の平坦化および変動の抑制がより確実に達成できる。また、炉心内側領域のＺｒ等の合金金属含有率を標準値である１０質量％程度又はそれ以下にすることができ、その結果、燃料融点の上昇が回避でき、現在想定されている方法による燃料製造が可能となり、使用済燃料の再処理時のＺｒ等の合金金属処理量の増加も回避することができる。

以下に、金属燃料としてＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金を使用した実施形態を例に挙げて説明する。この三元合金においては、ＵとＰｕを重金属、Ｚｒを重金属と合金化する合金金属と称しているが、Ｐｕに代えて、Ｐｕを主体とするＴＲＵを使用する場合もある。使用済燃料からＰｕを回収する際に、ＭＡ（マイナーアクチニド）も随伴するからである。また、重金属との合金金属として、Ｚｒ以外にＭｏ、Ｔｉ、Ｎｂ等の金属あるいはそれらを複数複合した合金等を使用する場合もある。

図１は、本発明に係る金属燃料高速炉炉心の一実施例を示す説明図であり、炉心構成と燃料集合体の横断面を模式的に示している。炉心１０は、出力分布平坦化のために、内側炉心領域と外側炉心領域との２領域に区分されており、内側炉心領域には内側炉心燃料集合体１２及び外側炉心燃料集合体１４がそれぞれ装荷されている。内側炉心燃料集合体１２及び外側炉心燃料集合体１４は、ともに六角筒状のラッパ管１６内にそれぞれ多数の燃料ピン２２及び２４を装填した構造であり、それら全ての燃料ピンは、燃料のＰｕ富化度が単一でかつピン径も同一（１種類）となっている。したがって、炉心領域に装荷される全ての燃料集合体は、ラッパ管内に燃料ピンを同じ配列で装填した構造である（つまり、内側炉心燃料集合体１２と外側炉心燃料集合体１４は、形状的には同一である）。ここでは、燃料集合体内において、燃料ピン同士はワイヤ型スペーサ（図示せず）で一定間隔に保たれており、それらの間が冷却材流路１８となる。

単一ピン径単一Ｐｕ富化度型炉心の設計において、炉心径方向の出力分布を平坦化するために、本発明においては、重金属密度の異なる燃料を複数種類用意し、炉中心には重金属密度の最も低い燃料を配置し、炉中心から遠ざかるに従い重金属密度のより高い燃料を配置する。図１に図示した例のように内側炉心領域と外側炉心領域の２領域に区分している場合には、内側炉心領域（炉中心側）を重金属密度の低い燃料で、外側炉心領域（炉周辺側）を重金属密度の高い燃料で構成する。十分な出力分布の平坦化および変動の抑制をを達成するためには、炉心サイズ、増殖性能や最大線出力といった目標炉心性能に応じて、内側炉心領域と外側炉心領域の重金属密度比を適切に設定する。

重金属密度は、燃料スミア密度に比例するとともに、Ｚｒ含有率の減少に伴って増加する。重金属密度の燃料スミア密度およびＺｒ含有率依存性を図２に示す。
燃料スミア密度の調整は、金属燃料スラグ径を調整することによって行うことができる。

以下に、従来の燃料仕様設定例と本発明による燃料仕様設定例を挙げて、本発明の効果を具体的に説明する。

表１は、従来例１の燃料仕様設定例を示しており、内側炉心領域と外側炉心領域のＺｒ含有率をそれぞれ１６質量％および１０質量％に設定した。これにより、外側対内側炉心重金属密度比１．２程度が得られ、炉心径方向出力分布も適切に平坦化されていた。しかしながら、内側炉心のＺｒ含有率は金属燃料で標準的に想定されている１０質量％を超過しており、燃料の融点が１００℃程度上昇するため、燃料製造性の面で新たな課題が生じると共に、使用済燃料の再処理時にＺｒの処理量が増加し、経済性や環境負荷低減性の悪化が危惧される。

そこで、金属燃料中のＺｒ含有率を標準の１０質量％程度以下とするために、表２に示す従来例２のように、内側炉心と外側炉心のＺｒ含有率をそれぞれ１０質量％および６質量％とした燃料仕様を有する炉心を構築した。しかしながら、外側対内側炉心重金属密度比が１．１程度と十分でないため、図３に示すように炉心径方向出力分布が十分に平坦化されておらず、炉中心において出力ピークが生じる結果となった。

これに対して、表３の本発明による燃料仕様設定例に示すように、内側炉心と外側炉心において、Ｚｒ含有率を表２の従来例２と同様にそれぞれ１０質量％および６質量％としたのに加えて、燃料スミア密度をそれぞれ７０％ＴＤおよび７５％ＴＤに設定した。その結果、外側対内側炉心重金属密度比は１．２程度となり、表１の従来例１の結果と同等とすることができた。炉心径方向出力分布についても、図４に示すように平坦化を図ることが可能となった。

以上の説明では、金属燃料としてＵ−Ｐｕ−Ｚｒ三元合金を例に挙げて記述したが、重金属としてＵとＰｕ以外にもＵとＰｕを主体とするＴＲＵを使用する場合、またこの重金属との合金金属としてＺｒ以外にもＭｏ、Ｔｉ、Ｎｂ等の金属あるいはそれらを複数複合した合金等を使用する場合も本発明に含まれる。

さらに、炉心の領域区分として内側炉心領域と外側炉心領域の２領域型を例に挙げて説明したが、内側炉心領域、中間炉心領域および外側炉心領域からなる３領域型の炉心に対しても同様に本発明を適用することができる。すなわち、３領域型の炉心においては、内側炉心領域で重金属密度を最も低くし、中間炉心領域および外側炉心領域の順で重金属密度を順次高くすればよい。また、合金金属の含有率は、内側炉心領域で最も高くし（ただし上限は１０質量％程度）、中間炉心領域および外側炉心領域の順で順次低くすればよい。さらに、燃料スミア密度は、内側炉心領域で最も低くし、中間炉心領域および外側炉心領域の順で順次高くすればよい。

本発明に係る金属燃料高速炉の炉心の一実施例を示した断面模式図である。重金属密度の燃料スミア密度およびＺｒ含有率依存性を示すグラフである。従来例２の炉心燃料仕様例における炉心の径方向出力分布を示すグラフである。本発明の炉心燃料仕様例における炉心の径方向出力分布を示すグラフである。

符号の説明

１０・・・高速炉の炉心
１２・・・内側炉心燃料集合体
１４・・・外側炉心燃料集合体
１６・・・ラッパ管
１８・・・冷却材料流路
２２・・・内側炉心燃料ピン
２４・・・外側炉心燃料ピン

Claims

Ｕ及びＰｕもしくはＰｕを主体とするＴＲＵからなる重金属と、該重金属との合金金属とからなる金属燃料を使用し、炉心径方向に複数の炉心領域に区分され、全ての燃料ピンは燃料のＰｕ富化度およびピン径が同一とされている金属燃料高速炉炉心において、重金属密度の異なる複数の炉心領域が炉心径方向に確保されており、かつ前記合金金属の含有率及び燃料スミア密度を変化させることにより領域区分が行われていることを特徴とする金属燃料高速炉炉心。
炉中心側領域に重金属密度の最も低い燃料を配置し、炉周辺側領域に重金属密度の高い燃料を配置することを特徴とする請求項１に記載の金属燃料高速炉炉心。
炉中心側領域に位置する燃料ピンの方が炉周辺側領域に位置する燃料ピンよりも前記合金金属の含有率を高くし、かつ１０質量％以下とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属燃料高速炉炉心。
炉中心側領域に位置する燃料ピンの方が炉周辺側領域に位置する燃料ピンよりも前記スミア密度を低くすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の金属燃料高速炉炉心。