JP2010243255A - 反応度制御装置および高速炉 - Google Patents

Abstract

【課題】補償用制御棒の反応度補償機能を維持しつつ補償用制御棒による中性子遮蔽効果を低減でき、停止用制御棒の反応度価値低下が抑えられる反応度制御技術を提供すること。
【解決手段】本発明では、高速炉の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させて長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置において、炉心に形成される反応度制御チャンネル内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路（内側チャンネル１５、外側チャンネル１６）を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構１０と、内側チャンネル１５で昇降駆動され、高速炉の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒２０と、外側チャンネル１３で昇降駆動され、停止用制御棒２０の反応度価値よりも小さい反応度価値を有して経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒３０とを備えるようにした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、高速炉の反応度制御技術に係り、特に、経時的な反応度低下を回復させながら長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置および高速炉に関する。

近年、核燃料の交換を行うことなく数十年間の連続運転が可能な高速炉が提案されている（特許文献１〜３参照）。高速炉が備える反応度制御装置は、炉心を取り囲む反射体の昇降駆動を通じ、原子炉運転初期の過剰な反応度を抑えつつ核燃料の燃焼進行に伴う経時的な反応度低下を補償する。

最近、反応度制御装置として、反射体の昇降駆動と組み合わせ、炉心内で停止用制御棒および補償用制御棒を挿抜駆動させることで反射体の負荷軽減を図り、反射体の核的および機械的な劣化進行を抑えるようにした反応度制御装置が提案されている（特許文献４）。この特許文献４で説明される反応度制御装置では、燃料集合体の配置間スペースの一部を制御棒案内路とし、この制御棒案内路の内部で停止用制御棒および補償用制御棒を昇降させる。

図１８は従来の反応度制御装置の作用説明図であり、（ａ）は原子炉起動前において反応度制御装置１ａの停止用制御棒２ａおよび補償用制御棒３ａが共に炉心４ａに挿入された状態を示し、（ｂ）は原子炉起動時に停止用制御棒２ａが炉心４ａから引き抜かれた状態を示し、（ｃ）は核燃料の燃焼に伴って低下した反応度を回復させるために補償用制御棒３ａが炉心４ａから引き抜かれた状態を示し、（ｄ）は原子炉停止時に停止用制御棒２ａが炉心４ａに挿入された状態を示したものである。

特開平４−８１６９４号公報 特開平４−１９４７８０号公報 特開平６−５１０８２号公報 特開２００６−３３７２１５号公報

従来の反応度制御装置１ａにあっては、原子炉の運転に伴って停止用制御棒２ａと補償用制御棒３ａが相互に接近してくると反応度価値の干渉が比較的大きくなってくる。すなわち、炉心４ａで発生する中性子が停止用制御棒２ａの周囲に配置される補償用制御棒３ａに吸収されるという中性子遮蔽効果が大きくなり、停止用制御棒２ａの位置における中性子フラックスが低下する。そのため、反応度制御装置１ａにあっては、停止用制御棒２ａの反応度価値が高速炉の連続運転に伴って低下する方向に変動してくる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、補償用制御棒の反応度補償機能を維持しつつ補償用制御棒による中性子遮蔽効果を低減でき、もって停止用制御棒の反応度価値低下が抑えられる反応度制御装置および高速炉を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る反応度制御装置では、高速炉の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させて長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置において、炉心内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構と、前記内側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒と、前記外側の制御棒案内路で昇降駆動され、停止用制御棒の反応度価値よりも小さい反応度価値を有して経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る反応度制御装置では、高速炉の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させて長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置において、炉心内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構と、前記外側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒と、前記内側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒とを備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る高速炉では、前記反応度制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、補償用制御棒の反応度補償機能を維持しつつ補償用制御棒による中性子遮蔽効果を低減でき、もって停止用制御棒の反応度価値低下が抑えられる。

本発明に係る反応度制御装置を備えた高速炉を示す図。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 本発明に係る反応度制御装置の第１実施形態を示す図。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図。 本発明に係る反応度制御装置の第２実施形態を示す図。 図５の部分長中性子吸収材のバリエーションを示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第３実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第４実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第５実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第６実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第７実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第８実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第９実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第１０実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第１１実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第１２実施形態を示す図。 本発明に係る反応度制御装置の第１２実施形態を示す図。 従来の反応度制御装置の作用説明図。

本発明に係る反応度制御装置および高速炉の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の高速炉１００は、原子炉容器１０１に収容される炉心１０２を有する。炉心１０２は、図２に示すように、断面六角形の１８体の燃料集合体１０３がハニカム状に稠密配置されて円柱状ないし角柱状を呈し、中央には断面六角形の反応度制御チャンネルを有する。炉心１０２は、炉心槽１０５により外周が取り囲まれ保護される。

炉心槽１０５の外側には、炉心１０２を取り囲むようにして反射体１０６が設けられる。反射体１０６は、反射体駆動装置１０７に反射体駆動軸１０８を介して連結される。反射体１０６は、反射体駆動装置１０７により昇降駆動されて炉心１０２から漏れ出る中性子量を調整し、高速炉１００の反応度を長期間にわたって調節する。

反射体１０６の外側には、反射体１０６を取り囲むようにして円筒状の隔壁１０９が設けられる。原子炉容器１０１と隔壁１０９の間には一次冷却材１１０（例えば、液体ナトリウム）の流路が形成され、この流路に遮蔽体１１１が配置される。遮蔽体１１１は、炉心１０２を取り囲むように設けられ、反射体１０６と同様に高速炉１００の反応度を長期間にわたって調節する役割も担う。

遮蔽体１１１は、炉心１０２と共に炉心支持板１１２により支持される。遮蔽体１１１の上方には、一次冷却材１１０を循環させる電磁ポンプ１１３が設けられ、電磁ポンプ１１３の上方に中間熱交換器１１４が設けられる。

一次冷却材１１０は、炉心１０２が配置される隔壁１０９の内側を下から上へと流れて炉心１０２で核分裂エネルギーを奪い、上昇先で放射方向外側に導かれて中間熱交換器１１４に流入する。中間熱交換器１１４は、入口ノズル１１５から導入される二次冷却材１１６を一次冷却材１１０と熱交換させ、二次冷却材１１６を加熱する。なお、中間熱交換器１１４で加熱された二次冷却材１１６は、出口ノズル１１７から蒸気発生器（図示省略）に送られる。

二次冷却材１１６との熱交換により温度が低下した一次冷却材１１０は、隔壁１０９の外側を通って下降し、炉心支持板１１２の下に回り込み反転して再び炉心１０２へと導入される。一次冷却材１１０および二次冷却材１１６の漏洩対策として、原子炉容器１０１の外側にガードベッセル１１８が設けられる。なお、図１の矢印は、冷却材の流れの方向を示す。

高速炉１００の炉出力は３０ＭＷ〜百数十ＭＷ（電気出力で３万ＫＷ〜１０数万ＫＷ）、全体的に３０ｍ程度の高さを有し、炉心高さは２．５ｍ程度に構成される。一次冷却材１１０および二次冷却材１１６の温度は、ナトリウムが凝固しない温度以上であって且つ温度的余裕をもたせて設定される。例えば、炉心１０２を通過する一次冷却材１１０の温度は５００℃〜５５０℃、熱交換後の一次冷却材１１０の温度は３００〜４００℃に設定される。

図３は本発明に係る反応度制御装置の第１実施形態を示す図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

本実施形態の反応度制御装置１は、高速炉１００の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させながら高速炉１００の長期間の連続運転を可能にする装置である。反応度制御装置１は、炉心１０２の中央に設けられる反応度制御チャンネル１０４（図２参照）に設けられ、図３に示すように、制御棒案内機構１０、停止用制御棒２０、補償用制御棒３０および遮蔽体４０を備える。

[制御棒案内機構]
制御棒案内機構１０は、炉心１０２内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる。この制御棒案内機構１０は、外側案内管１１、内側案内管１２および制御棒駆動軸１３：１４を有する。

図４に示すように、外側案内管１１は断面円形を有し、反応度制御チャンネル１０４の断面六角形の内壁に沿うように設けられる。内側案内管１２は外側案内管１１に内包され、外側案内管１１と内側案内管１２とが協働して同心状の二重筒構造を形成する。内側案内管１２は、停止用制御棒２０の昇降駆動路である内側チャンネル１５となり、内側案内管１２と外側案内管１１との間隔スペースは、補償用制御棒３０の昇降駆動路である外側チャンネル１６となる。

制御棒駆動軸１３：１４は、図３に示すように、停止用制御棒２０に連結される停止用制御棒駆動軸１３と、補償用制御棒３０に連結される補償用制御棒駆動軸１４とを有する。制御棒駆動装置（図示省略）により、停止用制御棒駆動軸１３および補償用制御棒駆動軸１４は独立して駆動され、これに連結される停止用制御棒２０および補償用制御棒３０がそれぞれ内側チャンネル１５および外側チャンネル１６で独立して昇降する。

[停止用制御棒]
停止用制御棒２０は、内側チャンネル１５を昇降して高速炉１００の起動または停止に際して反応度調節を行うもので、図４に示すように、停止用中性子吸収体２１、停止用制御棒被覆管２２および停止用制御棒保護管２３を有する。

停止用中性子吸収体２１は、中性子吸収物質を含有するディスク型の中性子吸収体が制御棒軸方向に積層されて成り、全体として１つの軸体を呈して制御棒有効部を担う。なお、中性子吸収物質としては、ボロンやハフニウムなどの中性子吸収断面積の大きい物質が用いられる。

停止用制御棒被覆管２２は停止用中性子吸収体２１の外側を覆って放射化物質の散逸を防止し、停止用制御棒保護管２３は停止用制御棒被覆管２２の外側を覆って制御棒有効部を保護する。

[補償用制御棒]
補償用制御棒３０は、外側チャンネル１６を昇降して高速炉１００の経時的な反応度低下を回復させるものであり、図４に示すように、補償用中性子吸収ピン３１および補償用制御棒保護管３４を有する。

補償用中性子吸収ピン３１は、外側チャンネル１６の形状に沿って列状に複数配置され、停止用中性子吸収体２１よりも直径の小さい断面円形の補償用中性子吸収体３２と、補償用中性子吸収体３２を１つ１つ覆う補償用制御棒被覆管３３とにより構成される。

補償用中性子吸収体３２は、中性子吸収物質を含有する中性子吸収片が制御棒軸方向に積層されて成り、全体として１つの軸体を呈して制御棒有効部を担う。この制御棒有効部は、停止用制御棒２０の制御棒有効部よりも反応度価値が小さく設定される。なお、中性子吸収物質としては、ボロンやハフニウムなどの中性子吸収断面積の大きい物質が用いられる。

補償用制御棒被覆管３３は停止用中性子吸収体２１の外周を覆って放射化物質の散逸を防止し、補償用制御棒保護管３４は補償用制御棒被覆管３３の外側を覆って制御棒有効部を保護する。

[遮蔽体]
遮蔽体４０は、図３に示すように、停止用制御棒２０の停止用中性子吸収体２１のうち少なくともその最下部を覆うように設けられ、アクリルなどの中性子遮蔽能の高い物質ならびにガンマ線遮蔽能の高い鉛などを組み合わせて構成される。遮蔽体４０は、停止用制御棒２０が炉心１０２から完全に引き抜かれた状態で炉心１０２に挿入された状態とならず、高速炉１００の反応度に影響を与えないように設けられる。

次に、反応度制御装置１の効果を説明する。

反応度制御装置１にあっては、
（１）炉心１０２に形成される反応度制御チャンネル１０４内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路（内側チャンネル１５、外側チャンネル１６）を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構１０と、内側チャンネル１５で昇降駆動され、高速炉１００の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒２０と、外側チャンネル１６で昇降駆動され、停止用制御棒２０の反応度価値よりも小さい反応度価値を有して経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒３０とを備える。

このため、炉心１０２で発生した全中性子のうち補償用制御棒３０で吸収されることなく停止用制御棒２０まで到達する割合が従来の構成に比べて高くなる。また、反応度制御装置１の停止用制御棒２０および補償用制御棒３０により、従来の反応度制御装置１ａ（図１８参照）と同様、高速炉１００の起動・停止ならびに反応度回復の操作を行うことができる。要するに、補償用制御棒の反応度補償機能を維持しつつ補償用制御棒による中性子遮蔽効果を低減でき、停止用制御棒の反応度価値低下が抑えられる。

（２）補償用制御棒３０は、停止用制御棒２０の制御棒有効部と比べて直径の小さい補償用中性子吸収体３２を持つ複数の制御棒有効部すなわち補償用中性子吸収体３２を有する。このため、（１）の効果が良好となる。

また、補償用中性子吸収ピン３１に含まれる補償用中性子吸収体３２の直径が停止用制御棒２０の反応度価値低下の抑制効果に着目して小さく設定されると、補償用中性子吸収ピン３１の放熱効果も大きくなり、補償用制御棒３０の機械的健全性も高まるようになる。

さらに、補償用制御棒３０が複数の補償用中性子吸収ピン３１により構成されるため、補償用中性子吸収ピン３１同士の構造間隙が中性子照射で発生するヘリウム等の不活性ガスの閉じ込め領域として機能し、これもまた補償用制御棒３０の機械的健全性に寄与する。加えて、補償用制御棒３０が独立した複数の補償用中性子吸収ピン３１により構成されることにより、停止用制御棒２０の反応度価値の低下抑制効果と補償用制御棒３０の反応度補償効果の最適設定も容易となる。

ところで、停止用制御棒２０は、高速炉１００の通常運転時に炉心１０２から完全に引き抜かれた状態となる場合であっても、炉心１０２で発生する中性子は停止用制御棒２０に向かってくる。高速炉１００は数十年間の連続運転が予定されていることとも相まって、かかる中性子による照射・加熱により停止用制御棒２０の機械的健全性が損なわれるおそれがある。また、停止用制御棒２０を用いた反応度制御が必要でない通常運転時でも中性子が入射することにより、停止用中性子吸収体２１の無駄な消費や核的健全性が低下するといった問題もある。

ここに、反応度制御装置１の停止用制御棒２０にあっては、
（３）停止用制御棒２０の制御棒有効部となる停止用中性子吸収体２１のうち、少なくともその最下部を覆う遮蔽体４０を備える。このため、通常運転時に炉心１０２から引き抜かれた状態にある停止用制御棒２０に対して中性子が入射しにくいものとなり、停止用制御棒２０の機械的健全性および核的健全性の低下が共に抑えられる。

（第２実施形態）
図５は本発明に係る反応度制御装置の第２実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ａは、第１実施形態の反応度制御装置１における補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ａ」を付して説明する。

図５に示すように、本実施形態の補償用制御棒３０Ａは、ボイドピン３５Ａおよび補償用中性子吸収ピン３１Ａを有する。

ボイドピン３５Ａは、補償用制御棒被覆管３３と、補償用制御棒被覆管３３の内部で制御棒有効部よりも中性子吸収能力が低いボイド（例えば、空気）３６Ａとにより構成される。

補償用中性子吸収ピン３１Ａは、補償用制御棒被覆管３３と、制御棒有効部に比べて中性子吸収能力が低いボイドが形成されるように寸法設定された補償用中性子吸収体３２Ａとを有する。

図６は補償用中性子吸収ピン３１Ａにおけるボイド３６Ａのバリエーションを示したものである。ボイド３６Ａは、図６（ａ）〜（ｄ）に示すよう、例えば、補償用中性子吸収ピン３１Ａの上端寄りの位置、下端方寄りの位置、中央寄りの位置または上端寄りと下端寄りの両位置に設けられる。すなわち、ボイド３６Ａは、停止用中性子吸収体３１Ａの寸法設定により、補償用中性子吸収ピン３１Ａの軸方向に沿って部分的に設けられる。

次に、反応度制御装置１Ａの効果を説明する。

反応度制御装置１Ａにあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（４）補償用制御棒３０Ａは、制御棒有効部に比べて中性子吸収能力が低いボイドピン３５Ａを有し、補償用中性子吸収ピン３１Ａは、制御棒有効部に比べて中性子吸収能力が低いボイド３６Ａを部分的に有する。このため、補償用制御棒の中性子遮蔽効果と反応度補償効果の最適化の操作自由度を飛躍的に拡大できる。

（第３実施形態）
図７は本発明に係る反応度制御装置の第３実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｂは、第１実施形態の反応度制御装置１における停止用制御棒２０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｂ」を付して説明する。

図７に示すように、本実施形態の停止用制御棒２０Ｂは、停止用中性子吸収体２１Ｂを有する。停止用中性子吸収体２１Ｂは、断面扇状の停止用中性子吸収片２４Ｂが例えば６片集合し、全体としてディスク状を成している。

次に、反応度制御装置１Ｂの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｂにあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（５）停止用制御棒２０Ｂを構成する停止用中性子吸収片２４Ｂの材料を変えることにより、停止用制御棒２０Ｂの反応度価値を多様に変更できる。このため、停止用制御棒の反応度設計の自由度を飛躍的に拡大できる。

（第４実施形態）
図８は本発明に係る反応度制御装置の第４実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｃは、第１実施形態の反応度制御装置１における停止用制御棒２０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｃ」を付して説明する。

図８に示すように、本実施形態の停止用制御棒２０Ｃは、停止用制御棒２０Ｃを有する。この停止用制御棒２０Ｃは、外側被覆管２５Ｃと内側被覆管２６Ｃとを有し、外側被覆管２５Ｃと内側被覆管２６Ｃで形成される断面ドーナツ状の領域に収容される停止用中性子吸収体２１Ｃを保持する。

停止用中性子吸収体２１Ｃは、断面ドーナツ状の領域の形状に沿って配置される例えば６片の停止用中性子吸収片２４Ｃを有し、各停止用中性子吸収片２４Ｃが制御棒軸方向に積層され全体として中空円筒状に構成される。また、このように断面ドーナツ状に構成される停止用制御棒２０Ｃの中空部Ｘには、冷却材が案内可能に構成される。

次に、反応度制御装置１Ｃの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｃにあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（６）停止用制御棒２０Ｃを構成する各停止用中性子吸収片２４Ｃの材料を変えることにより、停止用制御棒２０Ｃの反応度価値を多様に変更できる。このため、停止用制御棒の反応度設計の自由度を飛躍的に拡大できる。また、停止用制御棒２０Ｃは、中空円筒状に構成されて中空部分に冷却材が案内可能に構成される。すなわち、自己遮蔽効果により中性子吸収率が小さくなる停止用制御棒の中心部分には中性子吸収物質に代えて冷却材が設けられる。このため、停止用制御棒の経済性が向上すると共に冷却材が効率よく加熱される。

（第５実施形態）
図９は本発明に係る反応度制御装置の第５実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｄは、第１実施形態の反応度制御装置１における停止用制御棒２０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｄ」を付して説明する。

図９に示すように、本実施形態の反応度制御装置１Ｄは、停止用制御棒２０Ｄを有する。

停止用制御棒２０Ｄは、停止用制御棒保護管２３の内部に複数の停止用中性子吸収ピン２７Ｄを有する。停止用中性子吸収ピン２７Ｄは、補償用中性子吸収体３２の直径よりも大きい直径を有する断面円形の停止用中性子吸収体２１Ｄと、停止用中性子吸収体２７Ｄを１つ１つ覆おう停止用制御棒被覆管２２Ｄとを有する。

次に、反応度制御装置１Ｄの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｄあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（７）停止用制御棒２０Ｄを構成する停止用中性子吸収ピン２７Ｄの配列を変えることにより、停止用制御棒２０Ｄの反応度価値を多様に変更できる。このため、停止用制御棒の反応度設計の自由度を飛躍的に拡大できる。

（第６実施形態）
図１０は本発明に係る反応度制御装置の第６実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｅは、第１実施形態の反応度制御装置１における補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｅ」を付して説明する。

図１０に示すように、本実施形態の補償用制御棒３０Ｅは、補償用制御棒保護管３４Ｅを有する。

補償用制御棒保護管３４Ｅは、補償用中性子吸収ピン３１の割り当てスペースを分割するように幾つかの補償用中性子吸収ピン３１を束ねるように構成される。

次に、反応度制御装置１Ｅの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｅあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（８）補償用中性子吸収ピン３１は、複数の補償用制御棒保護管３４Ｅに数本ずつ収容されるため、補償用制御棒３０Ｅの力学的強度が高められる。

（第７実施形態）
図１１は本発明に係る反応度制御装置の第７実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｆは、第１実施形態の反応度制御装置１における制御棒案内機構１０および補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｆ」を付して説明する。

図１１に示すように、本実施形態の反応度制御装置１Ｆは、制御棒案内機構１０Ｆおよび補償用制御棒３０Ｆを有する。

制御棒案内機構１０Ｆは、反応度制御チャンネル１０４と同一形である断面六角形の外側案内管１１Ｆと、断面円形の内側案内管１２Ｆとを有する。

補償用制御棒３０Ｆは、外側被覆管２５Ｆと同一形である断面六角形の外側保護管３７Ｆと、内側保護管３８Ｆと同一形である断面円形の内側保護管３８Ｆとを有する。

次に、反応度制御装置１Ｆの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｆあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加えて、次の効果を得ることができる。

（９）制御棒案内機構１０Ｆは、反応度制御チャンネル１０４と同一形の外側保護管１１Ｆを有するため、補償用制御棒３０の制御棒有効部である補償用中性子吸収ピン３１の割り当てスペースが拡大され、補償用制御棒３０の反応度補償効果を高めることができる。

（第８実施形態）
図１２は本発明に係る反応度制御装置の第８実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｇは、第７実施形態の反応度制御装置１における補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第７実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第７実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｇ」を付して説明する。

図１２に示すように、補償用制御棒３０Ｇは、断面積が大小異なる複数の補償用中性子吸収ピン３１Ｇを有する。補償用中性子吸収ピン３１Ｇは、外側被覆管２５Ｆと内側被覆管２６Ｆの内部に最密配置される。なお、各補償用中性子吸収ピン３１Ｇの寸法以外の構成は、第７実施形態と同様である。

次に、反応度制御装置１Ｇの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｇあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果ならびに第７実施形態の（９）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１０）補償用制御棒３０Ｇは、大小異なる補償用中性子吸収ピン３１Ｇを有するため、補償用中性子吸収ピン３１Ｇの割り当てスペースが最大限利用でき、補償用制御棒３０の反応度補償効果を高めることができる。

（第９実施形態）
図１３は本発明に係る反応度制御装置の第９実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｈは、第１実施形態の反応度制御装置１における停止用制御棒２０および補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｈ」を付して説明する。

図１３に示すように、本実施形態の反応度制御装置１Ｈは、停止用制御棒２０Ｈおよび補償用制御棒３０Ｈを有する。すなわち、停止用制御棒２０Ｈは、補償用制御棒３０Ｈの外側に設けられる。

停止用制御棒２０Ｈは、外側チャンネル１６（図３参照）に設けられ、断面ドーナツ状の停止用中性子吸収体２１Ｈと、停止用中性子吸収体２１Ｈを覆う停止用制御棒被覆管２２Ｈと、停止用制御棒被覆管２２Ｈを覆う停止用制御棒保護管２３Ｈとを有する。

補償用制御棒３０Ｈは、内側チャンネル１５（図３参照）に設けられ、複数の補償用中性子吸収ピン３１Ｈと、補償用中性子吸収ピン３１Ｈを包括的に収容する補償用制御棒保護管３４Ｈとを有する。

補償用中性子吸収ピン３１Ｈは、その直径が停止用制御棒２０Ｈに含まれる停止用中性子吸収体２１Ｈの厚みＴよりも小さい断面寸法に設定された補償用中性子吸収体３２Ｈと、補償用中性子吸収体３２Ｈを覆う補償用制御棒被覆管３３Ｈとを有する。

次に、反応度制御装置１Ｈの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｈあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１１）停止用制御棒２０Ｈは外側チャンネル１６で昇降駆動され、補償用制御棒３０Ｈは内側チャンネル１５で昇降駆動されるため、炉心１０２で発生した中性子が補償用制御棒３０で吸収されることなく停止用制御棒２０まで到達する割合が従来の構成に比べて高くなる。また、反応度制御装置１の停止用制御棒２０および補償用制御棒３０により、従来の反応度制御装置１ａ（図１８参照）と同様、炉心１０２内で昇降駆動されて高速炉１００の起動・停止ならびに反応度回復の操作を行うことができる。したがって、補償用制御棒の反応度補償機能を維持しつつ補償用制御棒による中性子遮蔽効果を低減でき、もって停止用制御棒の反応度価値低下が抑えられる。

（第１０実施形態）
図１４は本発明に係る反応度制御装置の第１０実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｉは、第９実施形態の反応度制御装置１Ｈにおける停止用制御棒２０Ｈを変更した例である。なお、第９実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第９実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｉ」を付して説明する。

図１４に示すように、本実施形態の停止用制御棒２０Ｉは、停止用中性子吸収体２１Ｉおよび停止用制御棒被覆管２２Ｉを有する。

停止用中性子吸収体２１Ｉは、およそ断面扇状の停止用中性子吸収片２４Ｉが例えば６片集合し、全体として断面ドーナツ状に構成される。停止用制御棒被覆管２２Ｉは、１つ１つの停止用中性子吸収片２４Ｉを覆う。

次に、反応度制御装置１Ｉの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｉにあっては、第９実施形態の（１１）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１２）停止用制御棒２０Ｉの停止用中性子吸収体２１Ｉは複数されると共にその分割片の１つ１つが停止用制御棒被覆管２２Ｉにより覆われ保護されるため、停止用制御棒２０Ｉの力学的強度が高められる。

（第１１実施形態）
図１５は本発明に係る反応度制御装置の第１１実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｊは、第１実施形態の反応度制御装置１における制御棒案内機構１０、停止用制御棒２０および補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｊ」を付して説明する。

図１５に示すように、本実施形態の反応度制御装置１Ｊは、制御棒案内機構１０Ｊ、停止用制御棒２０Ｊおよび補償用制御棒３０Ｊを有する。

制御棒案内機構１０Ｊは、反応度制御チャンネル１０４と同一形である六角形の外側案内管１１Ｊと、外側案内管１１Ｊに内包される断面六角形の内側案内管１２Ｊとを有し、外側案内管１１Ｊの面は内側案内管１２Ｊの角と対向するように配置される。この内側案内管１２Ｊは内側チャンネル１５となり、内側案内管１２Ｊと外側案内管１１Ｊとで形成される領域は外側チャンネル１６となる。

停止用制御棒２０Ｊは、外側チャンネル１６にて最密配置される断面円形の複数の停止用中性子吸収体２１Ｊと、停止用中性子吸収体２１Ｊを１つ１つ覆う停止用制御棒被覆管２２Ｊと、停止用制御棒被覆管２２Ｊを１つ１つ覆う停止用制御棒保護管２３Ｊとを有する。

補償用制御棒３０Ｊは、内側チャンネル１５に設けられる複数の補償用中性子吸収ピン３１Ｊと、すべての補償用中性子吸収ピン３１Ｊを包括的に覆う補償用制御棒保護管３４Ｊとを有する。

補償用中性子吸収ピン３１Ｊは、停止用制御棒２０Ｊに含まれる停止用中性子吸収体２１Ｊよりも直径が小さい断面円状の補償用中性子吸収体３２Ｊと、補償用中性子吸収体３２Ｊを覆う補償用制御棒被覆管３３Ｊとを有する。

補償用制御棒保護管３４Ｊは、内側案内管１２Ｊと同一形に設定され、補償用中性子吸収ピン３１Ｊは補償用制御棒保護管３４Ｊの内部にて最密配置される。

次に、反応度制御装置１Ｊの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｊあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１３）停止用制御棒２０Ｊおよび補償用制御棒３０Ｊは、いずれも割り当てスペースにて最密配置されるため、停止用制御棒２０および補償用制御棒３０が担う反応度制御効果を共に高めることができる。

（第１２実施形態）
図１６は本発明に係る反応度制御装置の第１２実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｋは、第１実施形態の反応度制御装置１における制御棒案内機構１０、停止用制御棒２０および補償用制御棒３０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｋ」を付して説明する。

本実施形態の反応度制御装置１Ｋは、図１６に示すように、制御棒案内機構１０Ｋ、停止用制御棒２０Ｋおよび補償用制御棒３０Ｋを有する。

制御棒案内機構１０Ｋは、反応度制御チャンネル１０４と同一形である断面六角形の外側案内管１１Ｋと、外側案内管１１Ｋに内包される断面六角形の内側案内管１２Ｋとを有し、内側案内管１２Ｋの角は外側案内管１１Ｋの角に対向するように配置される。この内側案内管１２Ｋは内側チャンネル１５となり、内側案内管１２Ｋと外側案内管１１Ｋとで形成される領域は外側チャンネル１６となる。

停止用制御棒２０Ｋは、複数の停止用中性子吸収ピン２７Ｋおよび停止用制御棒保護管２３Ｋを有する。

停止用中性子吸収ピン２７Ｋは、外側チャンネル１６にて最密配置される断面円形の停止用中性子吸収体２１Ｋと、停止用中性子吸収体２１Ｋを覆う停止用制御棒被覆管２２Ｋとを有する。停止用制御棒保護管２３Ｋは、例えば５本の停止用中性子吸収ピン２７Ｋを束ねて覆う。

補償用制御棒３０Ｋは、補償用中性子吸収ピン３１Ｋおよび補償用制御棒保護管３４Ｋを有する。

補償用中性子吸収ピン３１Ｋは、停止用制御棒２０Ｋに含まれる停止用中性子吸収体２１Ｋの直径よりも小さいかまたは同等の直径を持つ断面円形の複数の補償用中性子吸収体３２Ｋと、補償用中性子吸収体３２Ｋを１つ１つ覆う補償用制御棒被覆管３３Ｋとを有する。

補償用制御棒保護管３４Ｋは、内側チャンネル１５と同一形である断面六角形状に設定され、補償用中性子吸収ピン３１Ｋを最密構造にて収容する。

次に、反応度制御装置１Ｋの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｋあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１４）停止用制御棒２０Ｋおよび補償用制御棒３０Ｋは、いずれも割り当てスペースにて最密配置されるため、停止用制御棒２０および補償用制御棒３０が担う反応度制御効果を共に高めることができる。

（第１３実施形態）
図１７は本発明に係る反応度制御装置の第１３実施形態を示す図である。本実施形態に示される反動度制御装置１Ｌは、第１２実施形態の反応度制御装置１における停止用制御棒２０を変更した例である。なお、第１実施形態と同様の構成は同一符号を付して説明を省略し、第１実施形態の構成を変更し或いは新たに追加した構成は符号末尾に「Ｌ」を付して説明する。

図１７に示すように、本実施形態の反応度制御装置１Ｌは、停止用制御棒２０Ｌを有する。停止用制御棒２０Ｌは、停止用中性子吸収体２１Ｌと、停止用制御棒保護管２３Ｌとを有する。

停止用中性子吸収材２１Ｌは、制御棒軸心方向に重なって配置される複数の断面矩形の停止用中性子吸収プレート２８Ｌと、停止用中性子吸収プレート２８Ｌを１つ１つ覆う停止用制御棒被覆管２２Ｌとを有する。各停止用中性子吸収プレート２８Ｌは、断面台形の停止用制御棒保護管２３Ｋに最密構造にて収容される。

次に、反応度制御装置１Ｋの効果を説明する。

反応度制御装置１Ｋあっては、第１実施形態の（１）〜（３）の効果ならびに第１２実施形態の（１４）の効果に加え、次の効果を得ることができる。

（１５）停止用制御棒２０Ｌは、制御棒軸心方向に重なって配置される断面矩形の停止用中性子吸収プレート２８Ｌを有するため、制御棒軸心方向に制御棒有効部の欠損部ないし肉薄部が形成されにくくなり、停止用制御棒２０Ｌの反応度価値を高めることができる。

以上、本発明に係る高速炉および反応度制御装置を第１実施形態〜第１３実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載の発明の要旨を逸脱しない限り設計の変更や追加等は許容される。また、複数の実施形態を組み合わせることも当然に考えられる。

例えば、本実施形態では、停止用制御棒に含まれる停止用中性子吸収体、補償用制御棒に含まれる補償用中性子吸収体は、ディスク状やドーナツ状の団塊を用いて構成する例を示したが、内側チャンネルや外側チャンネルに振動充填法などで充填される粉体を用いて構成してもよい。

また、停止用制御棒および補償用制御棒のうち少なくとも一方に、中性子吸収物質の濃度分布を持たせたり、異なる中性子吸収断面積を有する中性子吸収物質を用いることにより、停止用制御棒や補償用制御棒の反応度価値を最適化するようにしてもよい。

また、補償用制御棒についてのみボイドピンや部分的なボイドを有する補償用中性子吸収ピンを用いた構成を示したが、停止用制御棒についても同様に、ボイドピンや部分的なボイドを有する停止用中性子吸収ピンを用いて反応度価値を最適化可能に構成するようにしてもよい。

１００……高速炉， １０１……原子炉容器， １０２……炉心， １０３……燃料集合体， １０４……反応度制御チャンネル， １０５……炉心槽， １０６……反射体， １０７……反射体駆動装置， １０８……反射体駆動軸， １０９……隔壁， １１０……一次冷却材， １１１……遮蔽体， １１２……炉心支持板， １１３……電磁ポンプ， １１４……中間熱交換器， １１５……入口ノズル， １１６……二次冷却材， １１７……出口ノズル， １１８……ガードベッセル， １……反応度制御装置， １０……制御棒案内機構， １１……外側案内管， １２……内側案内管， １３……停止用制御棒駆動軸， １４……補償用制御棒駆動軸， １５……内側チャンネル， １６……外側チャンネル， ２０……停止用制御棒， ２１……停止用中性子吸収体， ２２……停止用制御棒被覆管， ２３……停止用制御棒保護管， ３０……補償用制御棒， ３１……補償用中性子吸収ピン， ３２……補償用中性子吸収体， ３３……補償用制御棒被覆管， ３４……補償用制御棒保護管， ４０……遮蔽体， ３５……ボイドピン， ３６……ボイド， ２４……停止用中性子吸収片， ２５……停止用制御棒の外側被覆管， ２６……停止用制御棒の内側被覆管， ２７……停止用中性子吸収ピン， ３７……補償用制御棒の外側保護管， ３８……補償用制御棒の内側保護管， ２８……停止用中性子吸収プレート．

Claims (13)

1. 高速炉の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させて長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置において、
   炉心に形成される反応度制御チャンネル内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構と、
   前記内側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒と、
   前記外側の制御棒案内路で昇降駆動され、停止用制御棒の反応度価値よりも小さい反応度価値を有して経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒と、
   を備えることを特徴とする反応度制御装置。
2. 前記停止用制御棒は、断面円形の制御棒有効部を持つ複数の停止用中性子吸収ピンを有し、
   前記補償用制御棒は、停止用中性子吸収ピンの制御棒有効部と比べて直径の小さい制御棒有効部を持つ複数の補償用中性子吸収ピンを有することを特徴とする請求項１に記載の反応度制御装置。
3. 前記停止用制御棒および前記補償用制御棒のうち少なくとも一方は、制御棒有効部に比べて中性子吸収能力が低いボイドピンを有することを特徴とする請求項２に記載の反応度制御装置。
4. 前記停止用中性子吸収ピンおよび前記補償用中性子吸収ピンの少なくとも一方は、制御棒有効部に比べて中性子吸収能力が低いボイドを部分的に有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の反応度制御装置。
5. 前記停止用中性子吸収ピンおよび前記補償用中性子吸収ピンの少なくとも一方は、その割り当てスペースにて最密配置されることを特徴とする請求項２ないし請求項４の何れか１項に記載の反応度制御装置。
6. 前記停止用制御棒は、断面ドーナツ状の中空円筒型に構成され、中空部分に冷却材が案内可能に構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何れか１項に記載の反応度制御装置。
7. 前記停止用制御棒および前記補償用制御棒のうち少なくとも一方は、その制御棒が有する中性子吸収ピンの割り当てスペースを分割するように幾つかの中性子吸収ピンを束ねる構造を有することを特徴とする請求項２ないし請求項６の何れか１項に記載の反応度制御装置。
8. 前記停止用制御棒は、制御棒軸心方向に重なって配置される複数の中性子吸収プレートを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載の反応度制御装置。
9. 前記停止用制御棒の制御棒有効部のうち少なくとも最下部を覆う遮蔽体を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載の反応度制御装置。
10. 前記停止用制御棒および補償用制御棒のうち少なくとも一方は、制御棒有効部が団塊状または粉体状の中性子吸収物質により構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載の反応度制御装置。
11. 前記停止用制御棒および補償用制御棒のうち少なくとも一方は、中性子吸収断面積が異なる制御棒有効部によって領域分割されることを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何れか１項に記載の反応度制御装置。
12. 高速炉の起動・停止を行うと共に経時的な反応度低下を回復させて長期間の連続運転を可能にする反応度制御装置において、
    炉心に形成される反応度制御チャンネル内で内側と外側とに領域分割される制御棒案内路を形成し、各制御棒案内路で制御棒を独立して昇降駆動させる制御棒案内機構と、
    前記外側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の起動または停止に際して反応度調節を行う停止用制御棒と、
    前記内側の制御棒案内路で昇降駆動され、高速炉の経時的な反応度低下を回復させる補償用制御棒と、
    を備えることを特徴とする反応度制御装置。
13. 請求項１ないし請求項１２の何れか１項に記載の反応度制御装置を備えることを特徴とする高速炉。

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