JP2010054261A

JP2010054261A - 高速炉および燃料集合体

Info

Publication number: JP2010054261A
Application number: JP2008217680A
Authority: JP
Inventors: Tomoyasu Mizuno; 朋保水野; Noboru Kobayashi; 登小林; Masayuki Naganuma; 正行永沼; Kazuya Ogama; 和也大釜; Shigeo Oki; 繁夫大木
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】燃料体積比を減少させることなく減速材の体積比を増大させることにより、中性子スペクトルを軟化させ、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数を改善することによる炉心の安全性を向上させる。
【解決手段】燃料体１１と該記燃料体を収納する被覆管１２と複数の前記被覆管１２を収納するラッパ管１３と減速材と炉停止系制御棒を備えた高速炉において、前記被覆管１２およびラッパ管１３の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用して減速材ピンの使用を省略する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高速炉および燃料集合体に関する。

従来の高速炉における燃料集合体は、炭化ケイ素を封入した減速材ピンと燃料ピンを混載した構成により、高速炉の中性子スペクトルを軟化させ、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数を改善することにより、炉心の安全性を向上させるようにしている。

また、炭化ケイ素は、その物理的な安定性から、燃料被覆管の構造材としての使用が提案されている。

特開平５−２０３７７６号公報特開平５−２３２２８９号公報特開平９−１６６６７４号公報特開２００１−２３５５７４号公報特開２００５−２０７８１９号公報特開２００６−３００７６２号公報特開２００７−２６９６２１号公報特表２００８−５０１９７７号公報「被覆粒子燃料とセラミックス被覆管を用いた小型ＰＷＲの炉心解析」エネルギー環境システム専攻・原子炉工学研究室谷平出帆（インターネット検索情報）

従来の燃料集合体を使用する高速炉は、次のような課題がある。

炉心に減速材ピンを混載していることにより、燃料体積比が減少して炉心特性の向上が困難である。

炉心特性の悪化を避ける観点で減速材の体積比が制限（例えば６．８％）されることから、中性子スペクトルを軟化させ、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数を改善することによる炉心の安全性の向上が制約される。

本発明の高速炉は、燃料体と、前記燃料体を収納する被覆管と、燃料体を収納した複数の前記被覆管を収納するラッパ管と、減速材と、炉停止系制御棒を備えた高速炉において、前記被覆管および／またはラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を省略したことを特徴とする。

また、本発明の燃料集合体は、燃料体と減速材を備えた燃料集合体において、前記燃料体を収納する被覆管および／または複数の前記被覆管を収納するラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を不要にしたことを特徴とする。

本発明によれば、炉心に減速材ピンの混載を不要とすることにより、燃料体積比を増大させて炉心特性を向上させることができる。

燃料体積比を減少させることなく減速材の体積比を増大させることができることから、中性子スペクトルを軟化させ、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数を改善することによる炉心の安全性の向上が容易となる。

本発明の高速炉は、燃料体と、前記燃料体を収納する被覆管と、燃料体を収納した複数の前記被覆管を収納するラッパ管と、減速材と、炉停止系制御棒を備えた高速炉において、前記被覆管およびラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を省略した構成とする。

また、本発明の燃料集合体は、燃料体と減速材を備えた燃料集合体において、前記燃料体を収納する被覆管および複数の前記被覆管を収納するラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を不要にしたことを特徴とする。

図１は、この実施例における高速炉用燃料集合体の配置図である。

燃料集合体１は、燃料体１１、前記燃料体１１を収納する被覆管１２、燃料体１１を収納した多数の前記被覆管１２を収納するラッパ管１３により構成する。

前記被覆管１２とラッパ管１３は、構造材として減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用し、減速材として十分に機能させることにより減速材ピンの使用を不要にするように構成する。

図２は、この実施例におけるナトリウム冷却型高速炉用炉心の配置図である。なお、ナトリウム冷却型高速炉の全体構成は、減速材の構成の違いを除いては、従来の高速炉の構成を採用することができるので、図示説明を省略する。

炉内に収納する前記燃料集合体１は、内側炉心燃料集合体１ａの群と外側炉心燃料集合体１ｂの群に大別し、後備炉停止系制御棒２は内側炉心燃料集合体１ａの群内に分散して配置（一般には、内側炉心燃料集合体１ａの群と外側炉心燃料集合体１ｂの群内に分散配置）し、主炉停止系制御棒３は内側炉心燃料集合体１ａと外側炉心燃料集合体１ｂの群内に分散して配置する。

外側炉心燃料集合体１ｂの群の外周には、該外側炉心燃料集合体１ｂの群を包囲するようにステンレス鋼遮蔽体４の群を配列し、その外周に前記ステンレス鋼遮蔽体４の群を包囲するようにＺｒ−Ｈ遮蔽体５の群を配列する。

因みに、この実施例において、内側炉心燃料集合体１ａの群は１５０本、外側炉心燃料集合体１ｂの群は４９５本、後備炉停止系制御棒２は７本、主炉停止系制御棒３は２１本、ステンレス鋼遮蔽体４の群は９６本、Ｚｒ−Ｈ遮蔽体５の群は２１０本である。

このようなナトリウム冷却型高速炉用炉心構成によれば、燃料体１１を収納する被覆管１２および複数の被覆管１２を収納するラッパ管１３の構造材として存在する炭化ケイ素が十分な減速材として機能することにより、減速材ピンを混載置することが不要となり、燃料体積比を増大させて炉心特性を向上させることができる。また、燃料体積比を減少させることなく減速材の体積比を増大させることができることから、中性子スペクトルを軟化させ、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数を改善することによる炉心の安全性の向上を実現することができる。更に、被覆管１２とラッパ管１３の構造材として使用する炭化ケイ素は、中性子をほとんど吸収しないことから、炉心特性を向上させることが可能となる。

例えば、大型ナトリウム冷却金属燃料炉心において減速材として機能する炭化ケイ素の体積比は、炭化ケイ素の減速材ピンを使用する構成では炉心の設計条件を満足するために６．８％止まりであるが、ラッパ管１３の構造材として炭化ケイ素を使用することにより９．８％に増加させることができ、被覆管１２とラッパ管１３の両方の構造材として炭化ケイ素を使用することにより２３．７％に増加させることができる。

これにより、図３に示すナトリウムボイド反応度およびドップラ係数の特性図に示すように、炭化ケイ素の減速材ピンを使用する場合に比較して、ナトリウムボイド反応度は、ラッパ管１３の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比９．８％）ことにより５．２＄に減少し、ラッパ管１３と被覆管１２の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比２３．７％）ことにより４．４＄に減少し、また、ドップラ係数は、ラッパ管１３の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比９．８％）ことにより−３．６×１０^−３Ｔｄｋ／ｄＴに絶対値が増加し、ラッパ管１３と被覆管１２の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比２３．７％）ことにより−４．５×１０^−３Ｔｄｋ／ｄＴに絶対値が増加するという効果が得られた。

また、燃焼特性に関しては、取出平均燃焼度については、ラッパ管１３の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比９．８％）ことにより１０％増加させ、ラッパ管１３と被覆管１２の構造材として炭化ケイ素を使用する（炭化ケイ素体積比２３．７％）ことにより１８％増加させる効果が得られる。

また、炉心高さ寸法に関しては、炭化ケイ素の減速材ピンを使用する場合は９８ｃｍであるのに対して、７４ｃｍに低下させることができる。

そして、流体喪失型スクラム失敗事象（ＵＬＯＦ）において自己作動型炉停止機構（ＳＡＳＳ）により冷却材の沸騰に至る前に事象を静定する条件を調べることで、ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数の炉心安全性に与える改善効果を評価した。減速材を用いない場合は、ＳＡＳＳ切り離し温度の設定を低くしなければならず、ＳＡＳＳの誤落下防止等の観点でシステム設計への影響が大きくなる。一方、被覆管１２および／またはラッパ管１３の構造材として減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用した場合には、ナトリウムボイド反応度及びドップラ係数の改善により事象の進行が緩やかとなることから、ＳＡＳＳ切り離し温度の設定値を約５０℃高めることが可能となり、ＳＡＳＳの有効性確保において大きな効果が得られる。

また、被覆管１２とラッパ管１３の構造材として炭化ケイ素を使用して減速材として機能させていることから、減速材として余分な物質（減速材ピン）を炉内に設置することが不要となることから、放射性廃棄物を減量することができる。

なお、被覆管１２とラッパ管１３の構造材として使用する炭化ケイ素には、次ぎのような特徴もある。

・高温での安定性・耐久性に優れている。

・放射化しにくい（二次的な放射性廃棄物を発生しにくい）。

・資源量が豊富であり、適用し易い。

・隣接燃料ピンにおける出力ピークが小さく、出力ピークを防ぐためのバッファ領域を設ける必要がなくなる。

被覆管１２の構造材のみを炭化ケイ素を使用しても炭化ケイ素の体積比を１３．９％に増加させることができ、この炭化ケイ素の被覆管１２のみで減速材として十分に機能させることができる。

そして、実施例１と同様にして、所期の作用効果を奏することができる。

本発明の実施例１における高速炉用燃料集合体の配置図である。本発明の実施例１におけるナトリウム冷却型高速炉用炉心の配置図である。ナトリウムボイド反応度およびドップラ係数の特性図である。

符号の説明

１…燃料集合体、１１…燃料体、１２…被覆管、１３…ラッパ管、２…後備炉停止系制御棒、３…主炉停止系制御棒、４…ステンレス鋼遮蔽体、５…Ｚｒ−Ｈ遮蔽体。

Claims

燃料体と、前記燃料体を収納する被覆管と、燃料体を収納した複数の前記被覆管を収納するラッパ管と、減速材と、炉停止系制御棒を備えた高速炉において、
前記被覆管および／またはラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を省略したことを特徴とする高速炉。
燃料体と、前記燃料体を収納する被覆管と、燃料体を収納した複数の前記被覆管を収納するラッパ管と、減速材と、炉停止系制御棒を備えたナトリウム冷却型高速炉において、
前記被覆管および／またはラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を省略したことを特徴とするナトリウム冷却型高速炉。
燃料体と減速材を備えた燃料集合体において、
前記燃料体を収納する被覆管および／または複数の前記被覆管を収納するラッパ管の構造材として前記減速材として機能させるに十分な量の炭化ケイ素を使用することにより減速材ピンの使用を不要にしたことを特徴とする燃料集合体。