JP2012225761A - 高速炉の炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】反射体制御方式の高速炉において、反射体価値を増大させ、炉心の寿命を長期化させることができるようにする。
【解決手段】高速炉１の炉心２は一次冷却材Ｃ１に浸された原子炉容器内の炉心外側部位に配置された円筒状の炉心バレル３５により取り囲まれ、主として六角形状の炉心燃料集合体３６からなる。炉心バレル３５と炉心燃料集合体３６との間に、平面視で炉心燃料集合体３６と形状が異なる多角形状、円形状および楕円形状のいずれか一の縦長筒状の筐体３９を有する特殊集合体３９が装荷され、特殊集合体３９は、筐体３９の中空部に真空または冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質を密封したものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は反射体制御方式の高速炉に係り、特に中性子反射体制御方式を適用して反射体反応度を増大させることにより、炉心の長寿命化、経済性向上等が図れる高速炉の炉心に関する。

将来的に実用化が構想されている次世代型原子炉の１つとして、炉心の外側に配置した中性子反射体を昇降させることにより、炉心反応を制御する反射体制御方式の高速炉がある（特許文献１参照）。

この反射体制御方式の高速炉の構造について、図２１および図２２を参照して説明する。図２１は、反射体制御方式の高速炉１０１の全体構成を示す縦断面図であり、図２２は図２１に示した高速炉１０１の下部に設けられた炉心部の横断面図（図２１のＢ−Ｂ線拡大断面図（水平断面図）である。

図２１に示すように、高速炉１０１は例えば全体として縦長筒状の原子炉容器１０２を有し、この原子炉容器１０２の下端部はガードベッセル１０３によって覆われ、ガードベッセル１０３の上方内部に炉心支持板１０４が取付けられている。

炉心支持板１０４の上には、連結管１０５が設置されており、この連結管１０５は、複数の燃料集合体で構成された炉心１０６を搭載している。炉心１０６には、内部を通過可能な炉停止棒１０７ａが設けられ、この炉停止棒１０７ａは、その上方に設けられた炉停止棒駆動装置１０８に接続されている。また、炉心１０６は、炉心支持板１０４の上面に取り付けられた炉心槽１０９によって外周を取り囲まれている。

炉心１０６の周囲には中性子反射体１１０が配置されており、この中性子反射体１１０は中性子反射部１１０ａおよびキャビティ部１１０ｂにより構成されている。そして、中性子反射体１１０は、その上方に設置された反射体駆動装置１１１によって上下方向に移動されるようになっている。なお、キャビティ部１１０ｂは中空の箱体として構成されており、このキャビティ部１１０ｂの中空部内は、一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣るガス雰囲気または真空とされている。

また、炉心支持板１０４の上面には隔壁１１２が取付けられており、この隔壁１１２は中性子反射体１１０を取り囲む構成となっている。隔壁１１２の上端付近の原子炉容器１０２の内壁には、中間熱交換器１１３が設けられている。この中間熱交換器１１３は、二次冷却材入口ノズル１１４および二次冷却材出口ノズル１１５を備えており、原子炉容器１０２の内部を循環する一次冷却材Ｃ１と二次冷却材Ｃ２の熱交換を行う。

中間熱交換器１１３の下部には、電磁ポンプ１１６が取付けられており、この電磁ポンプ１１６は、中間熱交換器１１３内で熱交換を行ない、冷却された一次冷却材Ｃ１を下方に向けて噴出する。

また、原子炉容器１０２の上部には、中性子遮蔽層および熱遮蔽層を有する上部プラグ１１７が設置されている。この上部プラグ１１７は、反射体駆動装置１１１および炉停止棒駆動装置１０８を支持している。

また、反射体駆動装置１１１と炉停止棒駆動装置１０８とは、格納ドーム１１８によって覆われており、この格納ドーム１１８は台座１１９に支持されている。

次に、図２１および図２２を参照して一次冷却材Ｃ１の流れについて詳細に説明する。

図２１は、一次冷却材Ｃ１の流れる方向を矢印で示しており、図２２は、図２１のＢ−Ｂ線に沿う炉心１０６部の水平断面を拡大して示している。

一次冷却材Ｃ１は、炉心１０２で加熱されて上昇し、隔壁１１２の上方を通過して、中間熱交換器１１３に流入する。

図２１および図２２に示すように、中間熱交換器１１３においては、一次冷却材Ｃ１が二次冷却材と熱交換を行って冷却され、中間熱交換器１１３の下部に設けられた電磁ポンプ１１６により、この電磁ポンプ１１６の下方へ吐出される。電磁ポンプ１１６から吐出された一次冷却材Ｃ１は、さらに隔壁１１２の外側を下降して炉心支持板１０４を通過し、原子炉容器１０２の底部に達する。

その後、一次冷却材Ｃ１は原子炉容器１０２の底部で回り込んで反転し、炉心支持板１０４および連結管１０５を経由して、再び炉心１０６へ導入される。一次冷却材Ｃ１はこの一連の流れを繰り返し、高速炉１０１の原子炉容器１０２内を循環する。なお、冷却材として例えばナトリウム（液体金属ナトリウム）を用いた場合、一次冷却材Ｃ１の温度は、炉心２の通過後で約５００℃、中間熱交換器１１３の通過後で約３５０℃程度と想定される。

また、図２２に示すように、炉心１０６は、円筒状の炉心バレル１２０により包囲されて炉心バレル１２０内に配置されており、この炉心１０６は、炉心燃料集合体１２１と、炉心１０６の中央部に配置されて炉心１０６の反応度制御を行うための炉停止棒１０７ａと、この炉停止棒１０７ａの周囲に配置される固定吸収体１０７ｂとを有する。

炉心燃料集合体１２１と炉心バレル１２０との間隙には、一次冷却材Ｃ１が下から上方向に循環流として流れるようになっている。さらに炉心バレル１２０の外側には、炉心１０６からの漏洩中性子を反射することにより反応度を制御する中性子反射体１１０が配置されている。

炉心燃料集合体１２１は、水平断面が略正六角形状のラッパ管（炉心燃料集合体ラッパ管）１２２と、このラッパ管１２２の内部に規則的に配列された多数の燃料ピン（炉心燃料集合体燃料ピン）１２３とを有している。なお、炉心燃料集合体１２１は、炉停止棒１０７ａおよび固定吸収体１０７ｂを中心とする略正六角形状のラッパ管１２２の形状に伴なって規則的に配置される。

このような反射体制御方式の高速炉１０１は、燃料の燃焼による反応度の低下（以下、「燃焼反応度」という。）に対し、中性子反射体１１０を挿入することで反応度（以下、「反射体反応度」という。）を回復させる。

図２３は、燃焼反応度ａと反射体反応度ｂとの関係を例示するグラフであり、横軸に運転期間、縦軸に反応度を示している。

この図２３に示すように、反射体制御方式の高速炉１０１の炉心の寿命は、燃焼反応度ａと反射体反応度ｂとの反応度収支ｃで決定される。すなわち、反射体制御方式の高速炉１０１は、反射体反応度ｂを増大することにより炉心の寿命が延び、経済性が向上する。

特開平６−５１０８２号公報

反射体価値は、中性子反射体が引抜かれた状態と挿入された状態における炉心の反応度変化である。従って、反射体制御方式の高速炉の反射体価値を向上させるためには、中性子反射体が挿入された状態の中性子反射能力を大きくする方法と、中性子反射体が引抜かれた状態の中性子漏洩量を大きくする方法とがある。

反射体能力を大きくする方法としては、反射体材質を反射能力の大きい物質に変える方法、中性子反射体を厚くする方法、中性子反射体を長くする方法等がある。

一方、炉心からの中性子漏洩を大きくする方法としては、炉心燃料集合体と中性子反射体の間に物質が無い状態とする方法がある。

上述した反射体制御方式の高速炉においては、炉心燃料集合体１２１の外周辺と炉心バレル１２０の内周側との間隙部位に、一次冷却材Ｃ１が流れている。この場合、一次冷却材Ｃ１は炉心１０６からの中性子を反射し、中性子漏洩を妨げることが課題となる。この一次冷却材Ｃ１の領域に、特殊集合体を配置することによって中空状態にすることができれば、中性子反射体１１０が引抜かれた状態の炉心から中性子漏洩量を大きくすることができ、相対的に反射体価値を増大させることが可能となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射体制御方式の高速炉の反射体価値を増大させ、炉心の寿命を長期化させることができる高速炉の炉心を提供することにある。

本発明では、冷却材に浸された原子炉容器内の炉心外側部位に配置された円筒状の炉心バレルにより取り囲まれ、主として六角形状の炉心燃料集合体からなる高速炉の炉心において、前記炉心バレルと前記炉心燃料集合体との間に、平面視で前記炉心燃料集合体と形状が異なる多角形状、円形状および楕円形状のいずれか一の縦長筒状の筐体を有し、前記筐体の中空部に真空または冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された特殊集合体を装荷したことを特徴とする高速炉の炉心を提供する。

本発明によれば、反射体制御方式の高速炉の反射体価値を増大させ、高速炉の炉心の寿命を長期化させることができる。

本発明の第１実施形態による高速炉の炉心構造を示す平断面図。 図１に示した炉心構造に適用される特殊集合体の構成を示す縦断面図。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。 前記第１実施形態で適用した特殊集合体の構造材体積割合と拡散距離との関係を示すグラフ。 前記第１実施形態で適用した特殊集合体の冷却材体積割合と拡散距離との関係を示すグラフ。 前記第１実施形態による高速炉の反応度収支を示す図。 前記第１実施形態の変形例による特殊集合体の水平断面図。 前記第１実施形態の別の形例による特殊集合体の水平断面図。 本発明の第２実施形態による特殊集合体の水平断面図。 前記第２実施形態による高速炉の炉心を示す平断面図。 前記第３実施形態による高速炉の炉心を示す平断面図。 第３実施形態による特殊集合体の水平断面図。 本発明の第４実施形態による特殊集合体の水平断面図。 前記第４実施形態による高速炉の炉心を示す平断面図。 本発明の第５実施形態による特殊集合体の水平断面図。 前記第５実施形態による特殊集合体の縦断面図。 前記第５実施形態の変形例による特殊集合体の縦断面図。 本発明の第６および第７実施形態による特殊集合体の縦断面図。 本発明の第８実施形態による特殊集合体の縦断面図。 本発明の第９および第１０実施形態による特殊集合体の縦断面図。 従来の高速炉の全体構成を示す縦断面図。 図２１のＢ−Ｂ線の矢視に沿う平断面図。 従来例による高速炉の反応度収支を示す説明図。

以下、本発明に係る高速炉の炉心の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］（図１〜図６）
図１は、第１実施形態による反射体制御方式の高速炉の炉心構成を示す水平断面図である。高速炉１の全体的構成は、炉心構成を除いて図２１に示す高速炉１０１の構成と異ならないので、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。図１においては、高速炉１の炉心２を取り囲む炉心バレル３５より外側の構造は省略してある。

図２は、炉心バレル３５内配置の多角形状の縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体（筐体）３９を示す水平断面図であり、この特殊集合体３９の縦断面図を図３に示す。特殊集合体３９は平面視で、例えば変形五角形状の水平断面構造をなし、炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との間に装荷して炉心２が構成される。炉心２の反応度制御用の炉停止棒３１ａと固定吸収体３１ｂとが炉心２の中央部に配置される。

図１および図２に示すように、特殊集合体３９は、炉心バレル３５と炉心燃料集合体３６が形成する空間の（平断面）形状に応じた形状の縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体ラッパ管４１（以下、単に「ラッパ管４１」という）を有する。このラッパ管４１は、炉心燃料集合体３６と外径形状が異なる（平面視において）多角形の筐体で形成され、その内部は中空となっている（以下、この部分を「中空部４０という」）。符号４２はエントランスノズルであり、このエントランスノズル４２により特殊集合体３９は、エントランスノズル４２により、炉心支持板上に差込み固定される。

なお、特殊集合体３９の中空部４０は真空状態、または一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された状態となっている。この物質として、Ａｒやキセノン、クリプトン等の気体が封入される。

特殊集合体３９のラッパ管４１は、炉心燃料集合体３６の略六角形状の辺長とほぼ同様の長さを有する二辺と、この二辺とそれぞれ所定角度（中心角度約１２０度）で交わり炉心バレル３５方向に延びる二辺と、この二辺を直線的に結ぶ一辺とを水平断面略五角形の外形とする。

すなわち、特殊集合体３９の水平断面による外形は、略正六角形状の炉心燃料集合体３６のラッパ管３８を、所定の位置（略中心部）で斜め方向に沿って直線的に切断して二分することにより、平面視で変形五角形とした縦長筒状形状の筐体に構成される。そして、この特殊集合体３９は、炉心バレル３５と、炉心燃料集合体３６の最外周側側面との隙間を埋めるように周方向に沿って配置される。

炉心燃料集合体３６のラッパ管３８の材質としては、例えばＨＴ−９、改良９Ｃｒ１Ｍｏ、ＳＵＳ３１６、Ｚｉｒｃａｌｌｏｙ−２等が考えられる。特殊集合体３９の構造としては、ラッパ管３８が中性子を吸収する割合が小さく炉心１０２からの中性子漏洩は増大する方が望ましく、ラッパ管３８の厚さは薄い（体積割合が小さい）方が良い。

一方、特殊集合体３９の破損を考慮した場合、炉心燃料集合体３６のラッパ管３８の構造強度は高い方が望ましいことから、ラッパ管３８の厚さは厚い（体積割合が大きい）方が望ましく、中性子漏洩増大と対破損強度については厚さの面では相反することになる。

また、特殊集合体３９の形状によっては、ラッパ管３８の外側を流れる一次冷却材Ｃ１の体積割合は変化する。例えばラッパ管３８の寸法を小さくした場合、ラッパ管３８の外側を流れる一次冷却材Ｃ１の体積割合は増大することになる。

特殊集合体３９の材質、構造あるいは形状に依存する構造材体積割合及び一次冷却材体積割合は、特殊集合体領域の中性子吸収量が変化する。この中性子吸収量の変化は、炉心２からの中性子漏洩量に変化をもたらす。

図２２に示したように、従来の高速炉１０１の炉心構成においては、炉心バレル１２０と炉心燃料集合体１２１との隙間に一次冷却材Ｃ１が流れている。本実施形態で用いられる特殊集合体３９は、この一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る必要がある。すなわち、中性子の拡散距離が長い必要がある。拡散距離は、特殊集合体領域において中性子が吸収されるか、あるいは特殊集合体領域から外へ中性子が漏洩するかの指標となる量であり、定義は下記の［数１］に示すとおりである。

図４は、構造材体積割合と拡散距離（冷却材としてナトリウムを用いた場合の冷却材１００％の拡散距離を１．０とした相対値）の関係例を示している。なお、図４の値は炉心燃料集合体３６のラッパ管３８の外側を流れる冷却材の体積割合を２％とした場合である。

この図４に示すように、ラッパ管３８の材質により拡散距離は異なるが、例えばＨＴ−９（Ｕ−Ｐｕ−１０％Ｚの合金燃料）をラッパ管材として用いた場合、構造材体積割合を約１０％までは増大できることを意味している。

また、図５は冷却材体積割合と拡散距離（冷却材としてナトリウムを用いた場合の冷却材１００％の拡散距離を１．０とした相対値）の関係を例示している。なお、図５に示した値はラッパ管３８の構造材の体積割合を５％とした場合である。

この図５に示すように、ラッパ管３８の材質により拡散距離は異なるが、例えばＨＴ−９（商品名）をラッパ管材として用いた場合、冷却材体積割合を約３０％までは増大できることを意味している。

すなわち、特殊集合体３９は、従来の炉心バレル３５と、この炉心バレル３５内において最外周側に配置された炉心燃料集合体３６との隙間を流れる一次冷却材（図２１の矢印Ｃ１参照）よりも拡散距離が長くなるように、材質、構造および形状を選択する必要がある。

このように構成された本実施形態においては、中性子反射体２１が引抜かれた状態の炉心１０２から中性子漏洩量を大きくすることができ、相対的に反射体価値を向上させることができる。

図６を参照して、本実施形態による高速炉の反応度収支Ｃ（燃焼反応度ａと反射体反応度Ｂの収支）を従来例と比較して示す。

この図６に示すように、本実施形態では反射体価値を約１０％向上することができ、この分だけ炉心の寿命を延ばすことが可能である。この効果は約３年分に相当し、経済性の向上が図れる。

なお、特殊集合体３９は、炉心バレル３５と炉心燃料集合体３６とによって形成される空間に配置可能であれば、以下の図７および図８に示す形状を初めとする各種形状でもよい。

図７は、第１実施形態における高速炉１の炉心２の第１の変形例として、円形の特殊集合体１３９の水平断面図である。

また、図８は、第１実施形態における高速炉１の炉心２の第２の変形例として、楕円形の特殊集合体２３９の水平断面図である。

これらの特殊集合体１３９、２３９は、図１および図２に示した特殊集合体３９と同様に、炉心バレル３５と炉心燃料集合体３６とが形成する空間の大きさに合わせて平面視において円形状および楕円形状あるいは長円形状に形成された縦長筒状のラッパ管１４１、２４１を有する。

［第２実施形態］（図９、図１０）
図９は、第２実施形態による高速炉の特殊集合体を示す水平断面図であり、図１０は図９に示した特殊集合体を炉心燃料集合体と炉心バレルとの間に装荷した高速炉の炉心構成を示す水平断面図である。

なお、本実施形態における高速炉の炉心２は、特殊集合体３３９の筐体形状が異なるのみで高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、共通する構成部分については第１実施形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図９および図１０に示すように、本実施形態の特殊集合体３３９は、炉心バレル３５と対向する一辺が炉心バレル３５の内周に沿う円弧状であるラッパ管３４１と、このラッパ管３４１内の中空部４０とを有している。

なお、特殊集合体３３９の中空部４０は、真空あるいは一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質が密封されている。これにより、炉心２は炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との空間に特殊集合体３３９を効率よく搭載することができ、中性子反射体１１０（図２２参照）が引抜かれた状態の中性子漏洩量を第１実施形態に比べてより大きくすることができる。

この結果、第１実施形態の炉心１０２以上に反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を長くすることが可能となる。

［第３実施形態］（図１１、図１２）
図１１および図１２を参照して高速炉の炉心の第３実施形態について説明する。図１２は、前記実施形態と形状が異なる縦長筒状あるいはボックス状の大きさの異なる略菱形（四角形）の特殊集合体４３９ａと特殊集合体４３９ｂとを有する特殊集合体４３９を示す水平断面図である。

また、図１１は図１２に示した特殊集合体４３９を炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との間に装荷した炉心構成を示す水平断面図である。

なお、本実施形態の高速炉の炉心２については、縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体４３９が第１実施形態の特殊集合体と異なるのみであり、高速炉の炉心２の構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、同一または対応する構成部分については、第１実施形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１１および図１２に示すように、本実施形態においては、縦長筒状の特殊集合体４３９が大特殊集合体４３９ａと小特殊集合体４３９ｂとからなっている。大特殊集合体４３９ａは、水平断面が炉心燃料集合体３６の一辺とほぼ同様の長さの四辺を有する略菱形（四角形）状であるラッパ管４４１ａと、このラッパ管４４１ａ内の中空部４０とを有する。

なお、大特殊集合体４３９ａの中空部４０には、第１実施形態に示した特殊集合体３９と同様に、真空、あるいは一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質が密封されている。

この大特殊集合体４３９ａは、最外周側に配置された互いに隣接する２つの炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５とが形成する空間に、炉心燃料集合体３６と隣接して配置される。

また、小特殊集合体４３９ｂは、水平断面が大特殊集合体４３９ａよりも小さい略菱形（四角形）状であるラッパ管４４１ｂと、このラッパ管４４１内の中空部４０とを有している。そして、小特殊集合体４３９ｂは、互いに隣接する２つの大特殊集合体４３９ａと炉心バレル３５とが形成する空間に配置される。

本実施形態における高速炉の炉心２では、第１実施形態で奏する効果に加え、炉心燃料集合体３６や炉心バレル３５の寸法に応じて柔軟に寸法設計することができ、中性子反射体が引抜かれた状態の中性子漏洩量を効果的に大きくすることができ、炉心の寿命を長くすることが可能となる。

［第４実施形態］（図１３、図１４）
図１３および図１４を参照して高速炉の炉心の第４実施形態について説明する。図１３は、前記実施形態と形状が異なる縦長筒状あるいはボックス状の略菱形（四角形）の特殊集合体５３９ａと略扇形状の特殊集合体５３９ｂとを有する特殊集合体５３９を示す水平断面図である。

また、図１４は図１３に示した特殊集合体５３９を炉心燃料集合体と炉心バレルとの間に装荷した炉心構成を示す水平断面図である。

本実施形態における高速炉の炉心２は、第１ないし第３記実施形態と特殊集合体の筐体形状が異なるのみであり、高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様である。このため、前記実施形態と対応する炉心構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第４実施形態において、特殊集合体５３９が第３実施形態の図１１および図１２に示した特殊集合体４３９と異なる点は、特殊集合体５３９ｂを略扇形の筐体形状とした点にある。

すなわち、本実施形態の小特殊集合体５３９ｂにおいては、炉心バレル３５と対向する一辺を、炉心バレル３５の内周に沿う円弧状としたラッパ管５４１ｂを有する構成としてある。

この構成によれば、高速炉の炉心２を、炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との空間に特殊集合体５３９を効率よく搭載することができる。この結果、第３実施形態の高速炉の炉心２以上に反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を延ばすことが可能である。

［第５実施形態］（図１５〜図１７）
図１５は、第５実施形態の高速炉の炉心に用いられる特殊集合体６３９の構成を示す水平断面図であり、図１６は図１５に示した特殊集合体６３９の縦断面図である。また、図１７は本実施形態の変形例を示す縦断面図である。

第５実施形態による高速炉の炉心構造は、特殊集合体６３９の形状が前記実施形態と異なるのみであり、高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１５および図１６に示すように、第５実施形態に示される縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体６３９においては、炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との間に装荷される。この特殊集合体６３９は、ラッパ管１４１内の中空部４０は、第１実施形態の特殊集合体３９と同様、真空、あるいは一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質が密封されている。中性子反射能力の劣る物質としては、例えばＡｒ、キセリン、クリプトンなどの気体が封入される。

また、図１７に示すように、本変形例においては、特殊集合体７３９内の中空部４０に仕切板としての分割構造材４３を軸方向に等間隔をおいて配置する。これにより、特殊集合体７３９は中空部４０を軸方向に沿って複数に分割した構成とすることができる。

ここで、特殊集合体７３９の中空部４０の気体を一次冷却材Ｃ１に置き換わる場合を想定する。すなわち、特殊集合体７３９のラッパ管４１が破損し、一次冷却材Ｃ１が中空部４０に流入した場合を想定すると、正の反応度が投入されることになる。

これに対し、本実施形態では中空部４０を仕切板４３で区切り、分割することにより、ラッパ管破損時に流入する一次冷却材Ｃ１の量を少なくし、正の投入反応度を小さくすることができる。このため、安全性を確保することができる。

なお、分割数をさらに増加した場合には、ラッパ管破損時に流入する一次冷却材の量は少なくなり、より一層安全性向上が図れる。

但し、中空部に占める分割構造材の比率（専有する体積比率）が高くなり、中性子反射効果が上昇するため、反射体反応度が低下する。

一方、分割数を減少した場合には、反射体反応度が向上することに代わり、ラッパ管破損時に侵入する冷却材の量が増加するため安全性が低下する。従って、中空部４０の分割数は、反射体反応度と安全性を考慮して最適に設定する必要がある。

［第６実施形態］（図１８）
図１８は、第６実施形態による特殊集合体８３９を示す縦断面図である。

なお、第６実施形態における高速炉の炉心２は、第５実施形態と特殊集合体の形状が異なるのみであり、高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様である。

このため、本実施形態においては第１実施形態に対応する構成および部分について、第１実施形態と同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１８は、高速炉の炉心を構成する特殊集合体８３９の中空部４０に仕切板を入れ軸方向に分割する場合に、軸方向分割間隔を非等間隔にした特殊集合体８３９を縦断面図として示している。

高速炉の炉心２からの中性子漏洩量は、特殊集合体８３９の軸方向上下部よりも中心部の方が多い。従って、軸方向中心部の方がラッパ管破損時に一次冷却材が流入することによる投入反応度が大きい。

そこで、本実施形態では、特殊集合体８３９の中空部４０を仕切板で軸方向に区切り分割する場合に、軸方向中心部の分割間隔をその上下より小さくすることにより、軸方向中心部におけるラッパ管破損時に流入する一次冷却材Ｃ１の量を少なくし、正の投入反応度を小さくすることができる。

従って、本実施形態によれば、安全性をより向上することが可能となる。

［第７実施形態］（図１８）
第１〜第６実施形態で示した特殊集合体は、炉心バレル３５と炉心燃料集合体３６とが形成する空間の形状に応じた形状のラッパ管４１の特殊集合体を対象とした。

これに対し、第７実施形態では炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５との間に、バレル一体型の特殊集合体８３９を装荷した炉心構成としたものである。

この構成によれば、炉心バレル３５と特殊集合体８３９のラッパ管１４１が一体になり、そのラッパ管１４１内の中空部４０は、真空あるいは一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質、例えばＡｒ、クリプトンやキセノンが密封される。

このように構成された本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、中性子反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を延ばすことが可能である。

［第８実施形態］（図１９）
図１９を参照して、第８実施形態について説明する。この図１９は、第１実施形態の図２において示した特殊集合体３９の中空部４０に同位体の種類の異なる気体を含有した縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体１３９の縦断面図である。

なお、第８実施形態における高速炉の炉心２については、図３に示した第１実施形態の炉心１０２に設けられる特殊集合体３９と略同様であるため、第１実施形態に対応する本実施形態の全体構成および部分構成等については、第１実施形態と同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

本実施形態では図１９に示すように、炉心燃料集合体３６と炉心バレル３５の間に装荷する特殊集合体１３９のラッパ管１４１内の中空部４４には、一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質において、例えばクリプトンやキセノン等の安定同位元素を封入し、その同位体比率を特殊集合体１３９毎に替えておくものである。

本実施形態によれば、特殊集合体１３９が破損した場合、その破損集合体からカバーガス中に拡散したクリプトンやキセノンを分析することにより、速やかに破損集合体を同定することが可能である。

このように構成された本実施形態においても、第１ないし第５実施形態と同様に、反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を延ばすことが可能であるとともに、破損集合体を速やかに同定することが可能となる。

［第９実施形態］（図２０）
次に、第９実施形態について図２０を参照して説明する。なお、本実施形態における高速炉の炉心については、特殊集合体の形状が第８実施形態と異なるのみであり、高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、対応する構成および部分については、第１実施形態と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図２０は、真空あるいは一次冷却材Ｃ１よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された多重の中空部を有する縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体９３９を示す縦断面図である。特殊集合体９３９は多重筒あるいは多重管構造に構成され、特殊集合体９３９内に多重の中空構造に形成される。

本実施形態では、図２０に示すように、特殊集合体９３９を二重中空構造とした場合の構成例を示している。ただし、多重中空構造であればよく、二重中空構造に限られるものではない。

本実施形態の高速炉の炉心２においては、図示を省略しているが、例えば第１実施形態で示した炉心燃料集合体３６と同様の炉心バレル３５を備えており、この間に装荷される特殊集合体９３９の内部に所定隙間（外側中空部）４８を形成した構成としている。

そして、特殊集合体９３９のラッパ管４１は、内側ラッパ管４５と外側ラッパ管４６とからなる二重管構造としている。

具体的には、図２０に示すように、一定幅の中空部を内側中空部４７と外側中空部４８に区分した構造である。内側ラッパ管４５が破損した場合は、密封した物質が特殊集合体９３９外へ洩れることは無いので炉心の反応度変化は無い。

一方、外側ラッパ管４６が破損した場合は、外側中空部４８の密封された物質は特殊集合体９３９の外に放出されるが、その放出量は少なくできる。従って、放出された物質により形成されるボイドが炉心中心部へ移動した場合の反応度変化を小さくでき、安全性が向上する。

但し、特殊集合体９３９は、炉心バレル３５と炉心バレル３５内において炉心燃料集合体３６の最外周側面との隙間を流れる一次冷却材Ｃ１よりも拡散距離が長くなるように、更に、集合体強度を考慮してラッパ管４１の構造、材質、肉厚等の設計を行う必要がある。

このように構成された本実施形態においては、第１実施形態と同様に、反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を延ばすことが可能であるとともに、特殊集合体が破損した場合の安全性が向上する。

［第１０実施形態］（図２０）
本実施形態では、第９実施形態で示した図２０を参照し、高速炉の炉心構成を説明する。なお、本実施形態における高速炉の炉心２は、縦長筒状あるいはボックス状の特殊集合体の形状が異なるのみで、高速炉の炉心構成については第１実施形態とほぼ同様であるため、対応する炉心構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の特殊集合体９３９が第９実施形態と異なる点は、外側ラッパ管４６により密封された外側中空部４８に一次冷却材Ｃ１と同一の物質を充填した点にある。

内側ラッパ管４５が破損した場合は、外側に充填されている物質が内側中空部４７へ流入するが、内側中空部４７の密封した物質が特殊集合体９３９外へ洩れることは無いので炉心２の反応度変化は小さい。一方、外側ラッパ管４６が破損した場合には、外側に充填された物質は特殊集合体９３９の外に放出され、逆に一次冷却材Ｃ１は特殊集合体９３９の外側領域に流入し、相互の物質は置換されるが、同一物質であるので反応度変化は生じない。従って、安全性が向上する。

但し、特殊集合体９３９は、炉心バレル３５と炉心バレル３５内において最外周側に配置された炉心燃料集合体３６との隙間を流れる一次冷却材Ｃ１よりも拡散距離が長くなるように、更に、集合体強度を考慮して多重ラッパ管４５，４６の構造、材質、肉厚等の設計を行う必要がある。

このように構成された本実施の形態においては、第１実施形態と同様に、反射体反応度の増大が図れ、炉心の寿命を延ばすことが可能であるとともに、特殊集合体が破損した場合の安全性が向上する。

以上本発明の実施形態について図を参照して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で特集集合体を種々変更、使用することができる。また、図１，図２，図７，図８，図９，図１１，図１３，図１５，図１６，図１７，図１８，図１９，図２０等に示した各例を組合せて適用することもできる。

１ 高速炉
２ 炉心
３１ａ 炉停止棒
３１ｂ 固定吸収体
３５ 炉心バレル
３６ 炉心燃料集合体
３７ 燃料ピン
３８，４１，１４１，２４１，３４１，４４１，４４１ａ，４４１ｂ，５４１ａ，５４１ｂ ラッパ管
３９，１３９，２３９，３３９，４３９，４３９ａ，４３９ｂ，５３９，５３９ａ，５３９ｂ，６３９，７３９，８３９，９３９ 特殊集合体
４０，４４ 中空部
４２ エントランスノズル
４３ 分割構造材
４５ 内側ラッパ管
４６ 外側ラッパ管
４７ 内側中空部
４８ 外側中空部
Ｃ１ 一次冷却材

Claims (10)

1. 冷却材に浸された原子炉容器内の炉心外側部位に配置された円筒状の炉心バレルにより取り囲まれ、主として六角形状の炉心燃料集合体からなる高速炉の炉心において、前記炉心バレルと前記炉心燃料集合体との間に、平面視で前記炉心燃料集合体と形状が異なる多角形状、円形状および楕円形状のいずれか一の縦長筒状の筐体を有し、前記筐体の中空部に真空または冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された特殊集合体を装荷したことを特徴とする高速炉の炉心。
2. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に、炉心バレル側を炉心バレルに沿った円弧状で平面視略５角形状の縦長筒状の特殊集合体を装荷し、前記特殊集合体の中空部に真空あるいは冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された請求項１に記載の高速炉の炉心。
3. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に平面視で大きさが異なる四角形状の縦長筒状の特殊集合体をそれぞれ装荷し、前記特殊集合体の中空部に真空あるいは冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質を密封した請求項１に記載の高速炉の炉心。
4. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に四角形状の縦長筒状の特殊集合体と三角形状の縦長筒状の特殊集合体とを炉心バレルの内周面に沿ってそれぞれ装荷し、前記両特殊集合体の中空部に真空あるいは冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された請求項１に記載の高速炉の炉心。
5. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に、真空の空間部または前記冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された空間部を分割空間として形成した縦長筒状の特殊集合体を装荷した請求項１に記載の高速炉の炉心。
6. 前記特殊集合体に形成される空間部が非等間隔分割空間である請求項５に記載の高速炉の炉心。
7. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に、前記炉心バレルと一体型の縦長筒状の特殊集合体を設けた請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速炉の炉心。
8. 前記炉心燃料集合体と前記炉心バレルとの間に、同位体の種類の異なる気体を含有した複数の縦長筒状の特殊集合体を装荷した請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速炉の炉心。
9. 前記特殊集合体は真空または一次冷却材よりも中性子反射能力が劣る物質が密封された多重の中空部を有する請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速炉の炉心。
10. 前記特殊集合体は、多重管あるいは多重筒構造に構成されて内部に多重の中空部が形成され、最外周中空部に一次冷却材と同一の物質が充填された請求項１ないし請求項６のいずれか一に項記載の高速炉の炉心。

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