JP2011174728A - 反射体制御型原子炉 - Google Patents

Abstract

【課題】サーマルスパイクの発現を抑制して安全性・燃料健全性を維持しつつ高効率運転を実現し、さらに経済性に優れる反射体制御型原子炉を提供する。
【解決手段】反射体制御型原子炉において、原子炉容器１内に収容されるとともに燃料集合体１６が配列してなる炉心２と、前記炉心２の側周面に沿って移動することにより前記燃料集合体１６の反応を制御する中性子反射体５と、を備え、前記中性子反射体５は、減速材として重水素濃縮水素化ジルコニウムが用いられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炉心の側周面に沿って中性子反射体を移動させることにより燃料集合体の反応を制御する反射体制御型原子炉に関する。

液体金属を冷却材として用い、炉心の外側に中性子反射体を昇降させることによって炉心反応を制御する反射体制御型原子炉は、将来的に実用化が構想されている次世代原子炉の一つである。
そして、中性子反射体を構成する減速材は、中性子の反射能力の大きい軽元素からなり、例えばステンレス鋼で囲われたＳｉＣが用いられている。

核分裂で発生した高速中性子は、この中性子反射体によって減速され燃料集合体に吸収されやすい熱中性子となり、核分裂の連鎖反応を持続させる。
ところで、中性子反射体で反射された熱中性子は、炉心の外周付近に配置される燃料集合体に局所的に吸収されるために、この外周付近の出力が増加して出力分布の不均一化を招く問題があった。
この現象はサーマルスパイクと称され、原子炉は、燃料の健全性を確保する必要上、炉心全体の出力を下げざるを得なくなり、発電効率を低下させる要因になっていた。

このサーマルスパイク現象の解消策の代表例として次のような技術が開示されている。 すなわち、炉心の外周付近に配置される燃料集合体を構成する複数の燃料ピンのうち中性子反射体に臨む燃料ピンは、充填される全重金属物質のうち核分裂性物質の占める割合が、炉心の中心付近に配置されるものよりも相対的に少なくなっている（特許文献１参照）。

特開２００５−２７４３１６号公報

しかし、減速材にＳｉＣを用いる中性子反射体は、核分裂で発生した高速中性子のうち反射されずにそのまま突き抜けてしまう割合が多く、核分裂の連鎖反応を維持させる中性子の利用効率が悪かった。
また、サーマルスパイク現象を解消するために、全重金属物質に占める核分裂性物質の割合を異ならせて充填した複数の燃料ピンを準備することは、原子炉のランニングコストを上昇させる懸念があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、サーマルスパイクの発現を抑制して安全性・燃料健全性を維持しつつ高効率運転を実現し、さらに経済性に優れる反射体制御型原子炉を提供することを目的とする。

本発明に係る反射体制御型原子炉は、原子炉容器内に収容されるとともに燃料集合体が配列してなる炉心と、前記炉心の側周面に沿って移動することにより前記燃料集合体の反応を制御する中性子反射体と、を備え、前記中性子反射体は、減速材として重水素濃縮水素化ジルコニウムが用いられていることを特徴とする。

本発明によれば、サーマルスパイクの発現を抑制して安全性・燃料健全性を維持しつつ高効率運転を実現し、さらに経済性に優れる反射体制御型原子炉が提供される。

本発明に係る反射体制御型原子炉の実施形態を示す縦断面図。 実施形態に係る反射体制御型原子炉の水平断面図（図１のＡ−Ａ断面）。 中性子反射体の第１実施形態を示す縦断面図。 中性子反射体の第２実施形態を示す縦断面図。 中性子反射体の第３実施形態を示す縦断面図。 中性子反射体の第４実施形態を示す縦断面図。 中性子反射体の第５実施形態を示す縦断面図。 中性子反射体の第６実施形態を示す縦断面図。 炉心の半径方向における出力分布をシミュレーションしたグラフ。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、反射体制御型原子炉（以下、単に「原子炉」という）は、原子炉容器１内の中央に炉心２を収容している。この炉心２は、外側が炉心バレル３によって囲われ、内部に多数の燃料ピン（図示略）を配置する燃料集合体１６と、その中央部に装荷される中性子吸収チャンネル１７で構成されている。

炉心バレル３の外側には、隙間を介して隔壁４が設けられるとともに、この隔壁４と炉心バレル３との隙間を炉心２に沿って移動する中性子反射体５と、この中性子反射体５を移動させる駆動装置６と、が設けられている。
炉心バレル３と隔壁４との隙間は、炉心２の運転の際に使用する中性子反射体５の移動領域ｚであり、冷却材１４の流路にもなっている。

また、隔壁４と原子炉容器１との間には、数多くの中性子遮蔽体７が設けられている。これら中性子遮蔽体７は、原子炉容器１の中性子照射量を全プラントの寿命に亘って予め定められた値以下に制限するために設けられたものであり、複数の中性子遮蔽棒７ａで構成されている。

中性子遮蔽体７は、ステンレス鋼で作製された構造体のほかに、中性子吸収能力の大きいボロンを含むＢ₄Ｃセラミックスを収容するピンや、ハフニウム、タンタル等の金属、あるいはそれらの化合物を含むものが用いられる。
また、中性子遮蔽体７の領域には、環境負荷低減の活用方策として、軽水炉使用済み燃料等から発生する長半減期のネプツニウム、アメリシウム、キュリウム等のマイナアクチニド又はウラン濃縮後に排出される劣化ウラン等が配置されている。
このように配置されるマイナアクチニド及び劣化ウランは、中性子を吸収し、より短半減期の核種やプルトニウム等の有用核種に核変換される。なお、そのような核変換を促進させるために、水素化ジルコニウム等の減速材を混在させる場合がある。

炉心２、炉心バレル３、隔壁４、中性子反射体５及び中性子遮蔽体７は、原子炉容器１の底部側に設けた支持構造物８上に設けられている。
支持構造物８は、冷却材通流孔（図示略）を数多く備える一方、支持構造物８と原子炉容器１との間に底部プレナム９を形成している。
また、隔壁４と原子炉容器１との間に設けられた中性子遮蔽体７の頭部側には、中間熱交換器１０と電磁ポンプ１１が設けられている。中間熱交換器１０は、二次側冷却材通流配管１２を備えている。
原子炉容器１の頭部開口は遮蔽プラグ１３で閉塞され、原子炉容器１内は液体ナトリウム等の液体金属の冷却材１４で満たされている。冷却材１４と遮蔽プラグ１３の間は、頭部プレナム１５を形成し、ここに不活性ガスが封入されている。

図２に示すように炉心２は、炉心バレル３に囲まれて原子炉容器１の中心に収容されている。そして炉心２は、ハニカム状に配列された、例えば１８本の燃料集合体１６と、燃料集合体１６の中央に装荷される中性子吸収チャンネル１７とで構成されている。
中性子吸収チャンネル１７は、炉心２の炉停止用に使用され、運転時は、遮蔽プラグ１３側に引き抜かれている。なお、符号１８は、ガードベッセルであり、原子炉容器１を包囲する保護容器である。

このような構成を備える原子炉において、冷却材１４は、電磁ポンプ１１の駆動力によって原子炉容器１内を矢印の方向に向って循環し、炉心２内に流入する。炉心２内に流入した冷却材１４は、発熱する炉心２から熱エネルギーを回収する。
冷却材１４は、隔壁４の内側を底部側から頭部側に向って流れ、その途中で炉心２に流入し、炉心２の核分裂によって生じた熱を吸収して温度上昇する。この温度上昇した冷却材１４は、中間熱交換器１０に流入し、ここで二次冷却材と熱交換し、冷却される。

冷却された冷却材１４は、中間熱交換器１０を出た後、電磁ポンプ１１の駆動力によって昇圧され、隔壁４と中性子遮蔽体７との間を通り、支持構造物８を通過して、さらに底部プレナム９に到達した後、炉心２の底部側に廻り込み、再び炉心２に供給され、循環を繰り返す。

中性子反射体５は、断面が矩形の環状体であり、遮蔽プラグ１３に設けられた駆動装置６の駆動力によって炉心バレル３と隔壁４との隙間を炉心２の側周面に沿って移動する。そして、炉心２から放出される中性子を調整し、それぞれの燃料集合体１６における核分裂反応を制御するものである。

図３に縦断面が示されるように、中性子反射体５は、減速材として軽水素（Ｈ）に比べて減速比の小さい重水素（Ｄ）の比率を高めた重水素濃縮水素化ジルコニウム２２が用いられている。そして、この重水素濃縮水素化ジルコニウム２２は、ステンレス鋼からなる構造材２１に保持されている。なお、図３における中性子反射体５は、図１の右側断面を示したものである（図４乃至図８も同様）。
中性子反射体５を炉心２の冷却材入口側（底部側）から冷却材出口側（頭部側）に向って上昇させると、炉心２から放出される高速中性子は中性子反射体５で減速され、熱中性子となって炉心２に戻される。そして、炉心２は、この熱中性子を吸収して核分裂の連鎖反応を持続させ、連続的に熱エネルギーを出力する。

図９は、横軸に炉心の半径方向をとり、縦軸に線出力をとり、炉心における出力分布をシミュレーションしたグラフである。
曲線Ｐは比較例であり、重水素の濃縮率が０％の水素化ジルコニウムを減速材として用いたときの結果を示したものである。

このように、中性子の反射能力の大きな軽水素（Ｈ）の比率の高い水素化ジルコニウムを減速材として用いた場合、炉心２の外周付近における局所的な出力上昇（サーマルスパイク）が顕著に観測される。
これは、炉心２の中性子反射体５に臨む側において、減速した熱中性子の占める割合が高くなり、炉心２の中心側に比べて核分裂の連鎖反応が局所的に進行することによる。
炉心全体の平均出力を１として炉心外周から所定範囲ａだけ内側における局所出力の比率を示すピーキング係数は、この重水素濃縮率が０％の水素化ジルコニウムを減速材として用いた場合、２．５であった。

曲線Ｑは重水素の濃縮率が５０％の重水素濃縮水素化ジルコニウムを、曲線Ｒは重水素の濃縮率が１００％の重水素濃縮水素化ジルコニウムを、減速材として用いたときの結果を示したものである。
この５０％濃縮率の重水素濃縮水素化ジルコニウム、及び１００％濃縮率の重水素濃縮水素化ジルコニウムによれば、ピーキング係数は、それぞれ１．５及び１．０であった。

このように、減速材における重水素の濃縮率が高まるにつれ、ピーキング係数が減少するのは、重水素（Ｄ）は、軽水素（Ｈ）に比べ、中性子の減速能力が小さく中性子吸収も小さい性質を有していることに基づく。
図９のシミュレーション結果より、重水素濃縮水素化ジルコニウム２２を減速材として用いることにより、炉心外周付近における局所的な出力上昇（サーマルスパイク）を抑制し、出力分布を平坦化させることができる。

（第２実施形態）
図４に示されるように、本発明の第２実施形態において中性子反射体５は、重水素濃縮水素化ジルコニウム２２がピン状に配列して構成される。なお、以降においてすでに説明した図面と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
そして、重水素濃縮水素化ジルコニウム２２は、ピン状の構造材である減速材ピンの中に充填されている。このようにすることで、中性子反射体５の製造性が向上するとともに、減速材の冷却性能が向上し、重水素濃縮水素化ジルコニウム２２の温度上昇に伴う水素解離を抑制し、中性子反射体５の寿命が延長される。

（第３実施形態）
図５に示されるように、本発明の第３実施形態において中性子反射体５は、その移動方向の下側の水素化ジルコニウム２３よりも上側の方が高い割合で重水素濃縮水素化ジルコニウム２２が配合されている。
これは、サーマルスパイクは、運転初期の炉心燃焼があまり進行していない時期に大きく発現する傾向にあることを鑑みたものである。つまり、運転初期に炉心２を覆う中性子反射体５の上部のみを重水素濃縮水素化ジルコニウム２２で構成し、運転末期は重水素を濃縮していない水素化ジルコニウム２３が炉心２を覆うようにする。

これにより、原子炉の運転初期において炉心２は、中性子反射能力の相対的に小さな重水素濃縮水素化ジルコニウム２２で核分裂の連鎖反応が維持されて、運転中期から後記にかけては中性子反射能力の相対的に大きな水素化ジルコニウム２３で核分裂の連鎖反応が維持されることになる。
これにより、原子炉の運転期間の全般に亘ってサーマルスパイクを抑制して出力分布の平坦化を図ることができる。

（第４実施形態）
図６に示されるように、本発明の第４実施形態において中性子反射体５は、炉心２とは反対側の水素化ジルコニウム２３よりも炉心２に臨む側の方が高い割合で重水素濃縮水素化ジルコニウム２２が配合されている。
これは、サーマルスパイクは、中性子反射体５の炉心２に対向する表面付近の中性子スペクトルに大きく影響されることを鑑みたものである。つまり、炉心２を覆うことになる中性子反射体５の内側のみ反射能力の小さい重水素濃縮水素化ジルコニウム２２を用い、その外側を中性子反射能力の大きい未濃縮の水素化ジルコニウム２３を適用する。
これにより、中性子反射体５は、サーマルスパイクの発現を抑制して出力分布の平坦化を実現しつつ、反射効率を向上して高効率に熱エネルギーを出力することができる。

（第５実施形態）
図７に示されるように、本発明の第５実施形態において中性子反射体５は、炉心２とは反対側に中性子の吸収材２４が設けられている。
この吸収材２４は、ガドリニウム、ボロン等、一般的に中性子吸収断面積の大きな材料が適用される。この吸収材２４により、中性子反射体５から外側に向かって漏洩しようとする中性子を抑制することができる。

（第６実施形態）
図８に示されるように、本発明の第６実施形態において中性子反射体５は、移動方向の上側にキャビティ部２５が設けられている。
このキャビティ部２５は、ステンレス鋼からなる構造材２１において、下側に充填されている重水素濃縮水素化ジルコニウム２２の上側に設けられた空洞である。この空洞は、冷却材よりもさらに中性子が透過しやすい性質を有している。
このために、中性子反射体５を移動させて、炉心２の側方がキャビティ部２５から重水素濃縮水素化ジルコニウム２２に切り替ったときに中性子の反射量を一気に増大させることができる。

以上説明したように本発明は、中性子反射体５の構成材質を、重水素が濃縮されない水素化ジルコニウムに比べて中性子の減速能が小さい重水素濃縮水素化ジルコニウムとすることで、サーマルスパイクを抑制することができる。そして、この重水素濃縮水素化ジルコニウムは、従来のＳｉＣに比べると中性子吸収が小さいために中性子経済の向上が期待でき、炉心における核分裂反応を高効率で持続させることができる。

１…原子炉容器、２…炉心、３…炉心バレル、４…隔壁、５…中性子反射体、６…駆動装置、７…中性子遮蔽体、７ａ…中性子遮蔽棒、８…支持構造物、９…底部プレナム、１０…中間熱交換器、１１…電磁ポンプ、１２…二次側冷却材通流配管、１３…遮蔽プラグ、１４…冷却材、１５…頭部プレナム、１６…燃料集合体、１７…中性子吸収チャンネル、１８…ガードベッセル、２１…ステンレス鋼からなる構造材、２２…重水素濃縮水素化ジルコニウム、２３…水素化ジルコニウム、２４…中性子の吸収材、２５…キャビティ部。

Claims (7)

1. 原子炉容器内に収容されるとともに燃料集合体が配列してなる炉心と、
   前記炉心の側周面に沿って移動することにより前記燃料集合体の反応を制御する中性子反射体と、を備え、
   前記中性子反射体は、減速材として重水素濃縮水素化ジルコニウムが用いられていることを特徴とする反射体制御型原子炉。
2. 請求項１に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体は、前記重水素濃縮水素化ジルコニウムがピン状に配列していることを特徴とする反射体制御型原子炉。
3. 請求項１又は請求項２に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体は、前記移動方向の上側の方が水素化ジルコニウムに対する前記重水素濃縮水素化ジルコニウムの配合率が高いことを特徴とする反射体制御型原子炉。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体は、前記炉心に臨む側の方が水素化ジルコニウムに対する前記重水素濃縮水素化ジルコニウムの配合率が高いことを特徴とする反射体制御型原子炉。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体は、前記炉心とは反対側に中性子の吸収材が設けられていることを特徴とする反射体制御型原子炉。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体は、前記移動方向の上側にキャビティ部が設けられていることを特徴とする反射体制御型原子炉。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の反射体制御型原子炉において、
   前記中性子反射体の側周面の外側に、劣化ウランを含む燃料が配置されることを特徴とする反射体制御型原子炉。

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