JP2013050366A - Fast reactor core - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高速炉の炉心に係り、特に、使用済核燃料の再処理によって得られる長寿命のマイナーアクチニド(MA)を用いた高速炉の炉心に関する。 The present invention relates to a fast reactor core, and more particularly, to a fast reactor core using a long-life minor actinide (MA) obtained by reprocessing spent nuclear fuel.
高速炉(FR)の燃料集合体および炉心が、平川直弘、岩崎智彦著、「原子炉物理入門」、東北大学出版会、2003年10月30日、p279〜286に記載されている。すなわち、一般的に、高速炉の炉心に装荷される燃料集合体は、プルトニウム(Pu)を富化した劣化ウラン(U−238)を被覆管内に封入して構成される複数の燃料棒を燃料スペーサにより束ねた燃料棒束、この燃料棒側束を取り囲むラッパ管、燃料棒束より上方に配置された冷却材流出部、および燃料棒束の下方に配置された中性子遮蔽体および冷却材流入部(エントランスノズル)を有する。高速炉の炉心には、上記した複数の燃料集合体が装荷される。高速炉における標準的な均質炉心は、内側炉心燃料領域および内側炉心燃料領域を取り囲む外側炉心燃料領域を有する炉心燃料領域を形成しており、外側炉心燃料領域に装荷された燃料集合体におけるPuの平均富化度を内側炉心燃料領域に装荷された燃料集合体におけるPuの平均富化度よりも高くして、炉心燃料領域の半径方向の出力分布を平坦化している。 A fuel assembly and a core of a fast reactor (FR) are described in Naohiro Hirakawa and Tomohiko Iwasaki, “Introduction to Reactor Physics”, Tohoku University Press, October 30, 2003, p279-286. That is, in general, a fuel assembly loaded in the core of a fast reactor is composed of a plurality of fuel rods configured by enclosing depleted uranium (U-238) enriched in plutonium (Pu) in a cladding tube. Fuel rod bundle bundled by a spacer, a wrapper tube surrounding the fuel rod side bundle, a coolant outflow portion disposed above the fuel rod bundle, and a neutron shield and coolant inflow portion disposed below the fuel rod bundle (Entrance nozzle). The core of the fast reactor is loaded with the plurality of fuel assemblies described above. A standard homogeneous core in a fast reactor forms a core fuel region having an inner core fuel region and an outer core fuel region surrounding the inner core fuel region, and the Pu in the fuel assembly loaded in the outer core fuel region. The power distribution in the radial direction of the core fuel region is flattened by making the average enrichment higher than the average enrichment of Pu in the fuel assembly loaded in the inner core fuel region.
燃料集合体に装荷する核燃料物質の形態としては、これ迄、金属、窒化物、および酸化物等が検討されているが、酸化物燃料が最も実績が豊富である。特に、酸化物燃料として、Puの酸化物および劣化Uの酸化物を混合した混合酸化物(MOX燃料)が用いられ、MOX燃料で製造された複数の燃料ペレットが、内側炉心燃料領域および外側炉心燃料領域に装荷されるそれぞれの燃料集合体の各燃料棒内に充填される。これらの燃料棒内において、MOX燃料で製造された複数の燃料ペレットが充填された燃料領域が中央部で80〜100cm程度の高さに形成され、この燃料領域の上方および下方に、劣化Uの酸化物であるUO2燃料での複数の燃料ペレットを充填した軸方向ブランケット領域がそれぞれ形成される。炉心燃料領域に装荷される炉心燃料集合体は、燃料領域および燃料領域の上方および下方にそれぞれ形成された軸方向ブランケット領域を有する複数の燃料棒を、束ねて、横断面が正六角形をしている筒状のラッパ管内に収納している。 Metals, nitrides, oxides, and the like have been studied as forms of nuclear fuel materials loaded on the fuel assemblies, but oxide fuels have the most extensive results. In particular, a mixed oxide (MOX fuel) in which Pu oxide and deteriorated U oxide are mixed is used as the oxide fuel, and a plurality of fuel pellets manufactured with the MOX fuel are divided into the inner core fuel region and the outer core. The fuel rods of the respective fuel assemblies loaded in the fuel region are filled. Within these fuel rods, a fuel region filled with a plurality of fuel pellets made of MOX fuel is formed at a height of about 80 to 100 cm at the center, and the deterioration U is located above and below the fuel region. An axial blanket region filled with a plurality of fuel pellets of UO 2 fuel, which is an oxide, is formed. The core fuel assembly loaded in the core fuel region is formed by bundling a plurality of fuel rods each having an axial blanket region formed above and below the fuel region and the fuel region, respectively, and having a regular hexagonal cross section. It is housed in a cylindrical trumpet tube.
また、半径方向ブランケット領域が外側炉心燃料領域を取り囲んでいる。劣化ウランの酸化物であるUO2燃料で製造された複数のUO2燃料ペレットを充填した燃料棒を有する複数のブランケット燃料集合体が半径方向ブランケット領域に装荷される。ブランケット燃料集合体も、束ねられた複数の燃料棒を横断面が正六角形をしている筒状のラッパ管内に収納している。半径方向ブランケット領域および軸方向ブランケット領域では、炉心燃料領域において核分裂性物質(例えば、Pu−239)の核分裂反応で発生した中性子のうち、炉心燃料領域から漏れ出た中性子が、U−238に吸収されて核分裂性核種であるPu−239が生成され、炉心全体のPuの増殖(増殖比>1.0)に貢献する。 A radial blanket region surrounds the outer core fuel region. A plurality of blanket fuel assemblies having fuel rods filled with a plurality of UO 2 fuel pellets produced in UO 2 fuel is an oxide of depleted uranium is loaded radially blanket region. The blanket fuel assembly also houses a plurality of bundled fuel rods in a cylindrical trumpet tube having a regular hexagonal cross section. In the radial blanket region and the axial blanket region, of the neutrons generated by the fission reaction of fissile material (for example, Pu-239) in the core fuel region, neutrons leaking from the core fuel region are absorbed by U-238. As a result, Pu-239, which is a fissile nuclide, is generated and contributes to the proliferation of Pu in the entire core (growth ratio> 1.0).
高速炉の起動および停止時、さらには高速炉の運転中において原子炉出力を調節する場合に、制御棒が用いられる。制御棒は、炭化ホウ素(B4C)で製造されたペレットをステンレス製の被覆管に封入して作られた複数の中性子吸収棒を、束ねて、炉心燃料集合体と同様に横断面が正六角形のラッパ管内に収納される。高速炉で用いられる制御棒は、主炉停止系制御棒と後備炉停止系制御棒の独立2系統の構成となっている。高速炉は、主炉停止系制御棒および後備炉停止系制御棒のいずれか一方により緊急停止が可能である。 Control rods are used when the reactor power is adjusted during startup and shutdown of the fast reactor and even during operation of the fast reactor. The control rod is a bundle of a plurality of neutron absorber rods made by sealing pellets made of boron carbide (B 4 C) into a stainless steel cladding tube, and the cross section of the control rod is regular, similar to the core fuel assembly. It is stored in a square trumpet tube. The control rod used in the fast reactor has a configuration of two independent systems of a main furnace stop system control rod and a post-furnace stop system control rod. The fast reactor can be stopped urgently by either one of the main furnace stop system control rod and the after-furnace stop system control rod.
通常、炉心燃料集合体と炉心最外周の放射線遮へい体との境界には、劣化ウラン(U)燃料を用いて構成した半径方向ブランケット燃料集合体が装荷される。この領域では、炉心燃料領域の核分裂によって発生した中性子の一部が漏れ出て、劣化Uの大半を占めるU−238が中性子を吸収する(n、γ)反応によってPuが生成される。すなわち、ブランケット領域の主要な機能は燃料増殖である。 Usually, a radial blanket fuel assembly configured using deteriorated uranium (U) fuel is loaded at the boundary between the core fuel assembly and the radiation shield on the outermost periphery of the core. In this region, a part of the neutrons generated by the nuclear fission in the core fuel region leaks out, and Pu is generated by the (n, γ) reaction in which U-238 occupying most of the degradation U absorbs the neutrons. That is, the main function of the blanket region is fuel growth.
一方、初期に火種となるわずかの濃縮ウランのみで、劣化Uもしくは天然Uを核燃料として用いたNa冷却高速炉の核分裂連鎖反応を発生・継続し、炉心の寿命中に燃料交換せずに、発電を継続するTWR(Traveling Wave Reactor)のアイデアが、Kevan D. Weaver et. al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009、論文番号75381に記載されている。この文献の図2に示されるようにTWRの燃料棒および燃料集合体は、平川直弘、岩崎智彦著「原子炉物理入門」、東北大学出版会、pp.279―286、2003年10月30日に記載された高速炉と同様に、燃料棒の直径8.8mmに対する燃料棒の間隔が0.8mmと小さく、冷却材に対する核燃料の体積割合が大きく、稠密格子を採用している点に特徴がある。TWRの炉心は、Kevan D. Weaver et. al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009、論文番号75381の図3に示されるように、六角形状の燃料集合体が直方体形状に配置され、核分裂連鎖反応が生じる燃焼領域は、この文献の図1に示されるよるに、炉心の一端から他端に進行する。 On the other hand, only a small amount of enriched uranium, which is the initial type of fire, generates and continues the fission chain reaction of Na-cooled fast reactors using degraded U or natural U as nuclear fuel, without generating fuel changes during the life of the core. the idea of continuing the TWR (Traveling Wave Reactor) is, Kevan D. Weaver et. al. , "a ONCE-THROUGH FUEL CYCLE fOR FAST REACTORS" Kevan D. Weaver et. al. Proceedings of the 17 th International Conference on Nuclear It is described in Engineering, ICONE17, July 12-16, 2009, paper number 75381. As shown in FIG. 2 of this document, TWR fuel rods and fuel assemblies are described in Naohiro Hirakawa and Tomohiko Iwasaki, “Introduction to Reactor Physics”, Tohoku University Press, pp. 279-286, similar to the fast reactor described on October 30, 2003, the distance between the fuel rods to the 8.8 mm diameter of the fuel rods is as small as 0.8 mm, and the volume ratio of the nuclear fuel to the coolant is large and dense. It is characterized by the fact that a grid is used. The core of TWR is Kevan D. Weaver et. Al., “A ONCE-THROUGH FUEL CYCLE FOR FAST REACTORS” Kevan D. Weaver et. Al. Proceedings of the 17 th International Conference on Nuclear Engineering, ICONE17, July 12-16 , 2009, paper number 75381, as shown in FIG. 3, the combustion region in which hexagonal fuel assemblies are arranged in a rectangular parallelepiped shape and the fission chain reaction occurs is shown in FIG. Proceed from one end to the other.
反射体制御方式の高速炉が特開2005−337898号公報に記載されている。この高速炉は、冷却材である液体金属が充填された原子炉容器内に炉心を配置し、炉心を取り囲んで中性子遮へい体を配置している。中性子遮へい体は原子炉容器内に設置される。駆動装置で上下動される中性子反射体が、炉心と中性子遮へい体の間を炉心の軸方向に移動する。中性子遮へい体の上部領域に冷却材よりも中性子反射能力が劣る中性子吸収体(または中性子透過物質)が配置される。軸方向で二領域に分割され、下部領域において燃料中のマイナーアクチニドであるNp−238の割合を3.0重量%とし、上部領域においてその割合をゼロとした炉心が、特開2005−337898号公報の図12(第6実施例)に記載されている。さらに、特開2005−337898号公報は、第6実施例に関し、第5実施例と同様な効果が得られ、これはマイナーアクチニドの中性子捕獲断面積が大きく、核分裂性物質の割合を低減したと同様な効果を有する、と記載している。 A reflector-controlled fast reactor is described in JP-A-2005-337898. In this fast reactor, a core is disposed in a reactor vessel filled with a liquid metal as a coolant, and a neutron shield is disposed around the core. The neutron shield is installed in the reactor vessel. A neutron reflector that is moved up and down by the drive device moves between the core and the neutron shield in the axial direction of the core. A neutron absorber (or neutron transmitting material) having a neutron reflection capability inferior to that of the coolant is disposed in the upper region of the neutron shield. A reactor core that is divided into two regions in the axial direction, the proportion of Np-238, which is a minor actinide in the fuel, in the lower region is 3.0% by weight, and the proportion is zero in the upper region is disclosed in JP-A-2005-337898 It is described in FIG. 12 (sixth embodiment) of the publication. Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-337898 has the same effect as that of the fifth embodiment with respect to the sixth embodiment, in which the neutron capture cross section of the minor actinide is large and the ratio of fissile material is reduced. It describes that it has the same effect.
軽水炉は勿論、これ迄建設され、提案されている高速炉およびTWRは、いずれも核分裂連鎖反応の維持、すなわち、発電の継続に、濃縮されたU−235またはPu−239等の核分裂性物質が必要である。特開2005−337898号公報の図12(第6実施例)に記載された炉心は、において燃料中のマイナーアクチニドであるNp−238の割合を3.0重量%とした下部領域、およびその割合をゼロとした上部領域を有している。この第6実施例では、下部領域の燃料がマイナーアクチニド以外に何を含んでいるか明確ではないが、特開2005−337898号公報が、請求項9に「燃料中に含まれるマイナーアクチニドの混合割合」と記載しており、マイナーアクチニドの中性子捕獲断面積が大きく、核分裂性物質の割合を低減したと同様な効果を有するとの記載に基づけば、Np−238の割合を3.0重量%とした下部領域、及びその割合をゼロとした上部領域には、核分裂性物質(U−235、Pu−239等)が含まれていることは明らかである。 The fast reactors and TWRs that have been constructed and proposed as well as light water reactors, both in the maintenance of the fission chain reaction, that is, in the continuation of power generation, contain concentrated fissile material such as U-235 or Pu-239. is necessary. The core described in FIG. 12 (sixth embodiment) of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-337898 is a lower region in which the ratio of Np-238, which is a minor actinide in the fuel, is 3.0 wt%, and the ratio It has an upper region where is zero. In this sixth embodiment, it is not clear what the fuel in the lower region contains in addition to the minor actinides, but JP-A-2005-337898 states that "the mixing ratio of minor actinides contained in the fuel" Based on the description that the minor actinide has a large neutron capture cross section and has the same effect as reducing the ratio of fissile material, the ratio of Np-238 is 3.0% by weight. It is clear that fissile material (U-235, Pu-239, etc.) is contained in the lower region and the upper region where the ratio is zero.
このような核分裂性物質が不要で、劣化Uを核燃料として、原子炉の寿命中に核分裂連鎖反応の維持すなわち発電を継続できる原子炉ができれば、ウラン濃縮施設およびウラン採鉱が不要となり、また兵器としても使用可能なPuの継続的な供給が不要となる。 If such a fissile material is unnecessary, a reactor that can maintain the fission chain reaction during the life of the nuclear reactor, that is, continue power generation, using the deteriorated U as a nuclear fuel, a uranium enrichment facility and uranium mining will become unnecessary, and as a weapon Further, it is not necessary to continuously supply usable Pu.
本発明の目的は、発電単価を低減できる高速炉の炉心を提供することにある。 The objective of this invention is providing the core of a fast reactor which can reduce a power generation unit price.
上記した目的を達成する本発明の特徴は、核燃料物質としてマイナーアクチニドのみを含む第1燃料領域と、この第1領域に隣接して配置され、核燃料物質である親物質燃料を含む第2燃料領域とを有することにある。 A feature of the present invention that achieves the above-described object is that a first fuel region containing only a minor actinide as a nuclear fuel material, and a second fuel region disposed adjacent to the first region and containing a parent material fuel that is a nuclear fuel material. It is in having.
核燃料物質としてマイナーアクチニドのみを含む第1燃料領域に、核燃料物質である親物質燃料を含む第2燃料領域を隣接して配置しているので、第1燃料領域内でマイナーアクチニドの核分裂で発生した中性子の一部が第2燃料領域内の親物質燃料に照射されて、この親物質燃料から新たな核分裂性物質が生成される。第2燃料領域内でこの核分裂性物質による核分裂が生じ、第1燃料領域内のマイナーアクチニドが消滅しても、第2燃料領域内での核分裂が継続して行われ、この核分裂の生じる領域が、第2燃料領域の、第1燃料領域側の端部とは反対側の端部に向かって移動する。第1燃料領域内にマイナーアクチニド以外の核分裂性物質を充填せずに、第2燃料領域内の親物質燃料から生成された核分裂性物質による核分裂を継続するので、燃料交換による炉心内への新たな核燃料物質の供給を長期間にわたって行わずに発電を継続することができる。このため、高速炉における発電単価を低減することができる。 The first fuel region containing only the minor actinide as the nuclear fuel material is disposed adjacent to the second fuel region containing the parent material fuel, which is the nuclear fuel material, so that it occurred due to the nuclear fission of the minor actinide in the first fuel region. A part of the neutron is irradiated to the parent material fuel in the second fuel region, and a new fissile material is generated from the parent material fuel. Even if fission by this fissile material occurs in the second fuel region and the minor actinide in the first fuel region disappears, the fission in the second fuel region is continued, and this fission region is The second fuel region moves toward the end opposite to the end on the first fuel region side. Since the fissionable material generated from the parent material fuel in the second fuel region is not filled with the fissile material other than the minor actinide in the first fuel region, the fissionable material generated from the parent material fuel in the second fuel region is continued. Power generation can be continued without supplying a long-term supply of nuclear fuel material. For this reason, the power generation unit price in the fast reactor can be reduced.
本発明では、核分裂性核種(U−235やPu−239など)が不要で長期に渡り電力を供給できる原子炉が実現できるので、再処理によるPuの抽出やウラン濃縮施設、ウラン採鉱が不要となり、燃料サイクル全体を大幅に簡素化できるので、原子力発電の発電単価を低減できる。 In the present invention, a nuclear reactor capable of supplying power for a long time without the need for fissile nuclides (U-235, Pu-239, etc.) can be realized, so that extraction of Pu by reprocessing, uranium enrichment facility, and uranium mining are not required. Since the entire fuel cycle can be greatly simplified, the unit price of nuclear power generation can be reduced.
本発明の好適な一実施例である実施例1の高速炉の炉心を、図1、図2及び図3を用いて以下に説明する。
The core of the fast reactor according to
本実施例の高速炉の炉心1は、マイナーアクチニド領域(以下、MA燃料領域という)2および親物質領域3を有する。親物質領域3はMA燃料領域2の上方に配置され、MA燃料領域2に隣接している。MA燃料領域2の横断面(図1のA−A断面)および親物質領域3の横断面(図1のB−B断面)は、ハード構成として図2に示す同じ構成を有している。
The
炉心1のMA燃料領域2および親物質領域3では、中性子反射体領域5が炉心燃料領域4の周囲を取り囲んでおり、中性子遮へい体領域6が中性子反射体領域5を取り囲んでいる。複数の燃料集合体7が炉心燃料領域4に装荷されており、複数の中性子反射体集合体10が中性子反射体領域5に装荷され、複数の中性子遮へい体集合体11が中性子遮へい体領域6に装荷されている。燃料集合体7、中性子反射体集合体10および中性子遮へい体集合体11は、それぞれ、横断面が正六角形をしている。
In the
燃料集合体7は、図3に示すように、複数の燃料棒8及びラッパ管9を有する。複数の燃料棒8は、燃料集合体7の軸方向に配置された複数の燃料スペーサ(図示せず)で束ねられてラッパ管9内に配置される。燃料集合体7は、図示されていないが、燃料スペーサで束ねられた燃料棒束より上方に位置している冷却材流出部、およびその燃料棒束の下方に位置する中性子遮蔽体および冷却材流入部(エントランスノズル)を有する。燃料集合体7の各燃料棒8は、使用済核燃料の再処理によって得られる長寿命の核燃料物質であるマイナーアクチニド(以下、MAという)の金属をMA燃料領域2に相当する下部領域に充填し、核燃料物質として親物質である天然ウラン、劣化ウランもしくは回収ウランの金属を親物質領域3に相当する上部領域に充填している。燃料棒8内に充填されるMAの金属は、核分裂性のMAを含んでいる。燃料棒8内に充填されるマイナーアクチニドとして、Np−237,Am−241,Am−243およびCm−137がある。MAとしては、Np−237,Am−241,Am−243およびCm−137などを単体で用いても良いし、これらのMAの少なくとも2種を混合して用いても良い。本実施例では、MAとしてMA-10%ZrがMA燃料領域2に充填される。MA燃料領域2に充填されるMAは、核分裂性のPuを含んでいない。複数の燃料集合体7を炉心燃料領域4に装荷することにより、炉心燃料領域4において、下部にMAを含むMA燃料領域2が形成され、上部に親燃料物質を含む親物質領域3が形成される。
As shown in FIG. 3, the
中性子反射体集合体10は、ステンレス鋼で作られ、前述したように、横断面が正六角形をしている。中性子遮へい体集合体11は、ステンレス鋼および炭化ほう素を用いて構成した横断面が正六角形状の炭化ほう素遮へい体集合体である。中性子反射体集合体10および中性子遮へい体集合体11は、それぞれ、MA燃料領域2および親物質領域3内に配置され、MA燃料領域2の下端から親物質領域3の上端までの長さを有する。
The
MA燃料領域2および親物質領域3のそれぞれの領域における燃料体積割合は50%である。MA燃料領域2において、MA燃料領域2の体積に対するMA燃料領域2内に存在する核燃料物質の体積の割合(燃料体積割合)を50%以上にすることによって、後述するように、MA燃料領域2が臨界となる。親物質領域3においても、親物質領域3の体積に対する親物質領域3内に存在する親燃料物質の体積の割合(燃料体積割合)を50%以上にすることによって、親物質領域3内の親燃料物質が、MA燃料領域2内の核燃料物質の核分裂によって生じる中性子の照射を受けて新たに核分裂性物質を生成するので、親物質領域3における、新たな核燃料物質を生成した領域で臨界を維持することができる。
図示されていないが、高速炉の運転中において炉心燃料領域4に原子炉出力調整用の制御棒が挿入されている。
The fuel volume ratio in each of the
Although not shown, a control rod for adjusting the reactor power is inserted into the
核分裂反応のミクロ断面積σfおよび中性子捕獲反応のミクロ断面積σcの中性子エネルギー(eV)依存性を、図4に示す。図4において、実線が核分裂反応のミクロ断面積σfを示しており、一点鎖線が中性子捕獲反応のミクロ断面積σcを示している。さらに、図4において、破線は弾性散乱断面積であり、点線は非弾性散乱断面積である。 FIG. 4 shows the neutron energy (eV) dependence of the micro cross section σf of the fission reaction and the micro cross section σc of the neutron capture reaction. In FIG. 4, the solid line indicates the micro cross section σf of the fission reaction, and the alternate long and short dash line indicates the micro cross section σc of the neutron capture reaction. Furthermore, in FIG. 4, a broken line is an elastic scattering cross section, and a dotted line is an inelastic scattering cross section.
図4に示されるように、Am−241の核分裂反応は、中性子エネルギーが高くなると大きくなる閾値反応である。一方、Am−241の中性子捕獲反応はエネルギーの増加と共に小さくなる。エネルギーが凡そ700keV以上になると、σf/σc>1となり、Am−241は臨界可能となる。Np−237、Am−243等の主要なMAはいずれもほぼ同じ中性子エネルギーで臨界可能となる。 As shown in FIG. 4, the fission reaction of Am-241 is a threshold reaction that increases as the neutron energy increases. On the other hand, the neutron capture reaction of Am-241 decreases with increasing energy. When the energy is about 700 keV or more, σf / σc> 1, and Am-241 becomes critical. All major MAs such as Np-237 and Am-243 can be made critical with almost the same neutron energy.
標準的なナトリウム冷却高速炉では、中性子の平均エネルギーは数百keVである。この平均エネルギーは上述の700keVよりも低いので、ここでは、中性子の弾性散乱によるエネルギー低下の要因となる冷却材のNaおよび高速炉の構造部材の主要元素であるFeを出来る限り減らす必要がある。標準的な高速炉の炉心における平均の燃料体積割合Vfは30%〜40%程度である。平均の燃料体積割合Vfを50%以上とすると、冷却材および構造部材の体積割合が減少するので、上述の弾性散乱による中性子の減速能が低下するため、平均エネルギーが700keV以上となり、MA燃料領域2の炉心燃料領域4に核燃料物質としてMAのみを装荷しても、高速炉が臨界となる。
In a standard sodium cooled fast reactor, the average energy of neutrons is several hundred keV. Since this average energy is lower than the above 700 keV, it is necessary to reduce as much as possible Na of the coolant and Fe which is a main element of the structural member of the fast reactor, which cause energy reduction due to elastic scattering of neutrons. The average fuel volume ratio Vf in the core of a standard fast reactor is about 30% to 40%. When the average fuel volume ratio Vf is 50% or more, the volume ratio of the coolant and the structural member is decreased, so that the neutron moderating ability due to the elastic scattering described above is reduced, so the average energy becomes 700 keV or more, and the MA fuel region Even if only MA is loaded as the nuclear fuel material in the
高速炉の運転中、ポンプ(図示せず)により昇圧された冷却材である液体金属(例えば、液体ナトリウム)が、下方より、炉心1内に供給される。この液体金属は、MA燃料領域2の下端よりMA燃料領域2内に流入してMA燃料領域2内を上昇し、親物質領域3に流入する。親物質領域3内を上昇する液体金属は、親物質領域3、すなわち、炉心1の上端から排出される。MA燃料領域2および親物質領域3内では、液体金属は各燃料集合体7内を流れる。エントランスノズルから燃料集合体7内に流入した液体金属は、燃料集合体7に設けられた中性子遮へい体内に形成された通路内を上昇し、さらに、燃料棒8の相互間に形成される冷却材通路を上昇し、冷却材流出部から燃料集合体7外、すなわち、炉心1外に排出される。年慮棒8の相互間を上昇する液体金属は、燃料棒8内のMAの核分裂で発生する熱(高速炉の停止中に燃料棒7内で発生する崩壊熱)を除去する。すなわち、液体金属は、燃料棒8を冷却する。燃料集合体7内で加熱された液体金属が、燃料集合体7から排出される。
During operation of the fast reactor, a liquid metal (for example, liquid sodium) that is a coolant pressurized by a pump (not shown) is supplied into the
炉心1を有する高速炉の運転初期においては、MA燃料領域2内のみでMAによる核分裂の連鎖反応が発生し、この核分裂の連鎖反応が継続して生じる。このため、その高速炉の運転初期においては、MA燃料領域2内のみで核分裂による熱が発生する。MA燃料領域2内のMAの核分裂で発生した中性子の一部が、MA燃料領域2から上方において隣接する親物質領域3に漏洩する。親物質領域3に到達した中性子が、親物質領域3内の親物質燃料(例えば、U−238)に照射され、親物質燃料である、例えば、U−238から新たな核分裂性物質であるPu−239が生成される。この結果、時間の経過と伴に親物質領域3の燃焼度が向上する。
In the early stage of operation of the fast reactor having the
親物質領域3における中性子無限増倍率k∞の燃焼度依存性を、図5に示す。中性子無限増倍率k∞は、燃焼度の増大に伴って大きくなり、ある一定の燃焼度b1になると1.0を超える。親物質領域3の中性子無限増倍率k∞が1.0を超えたとき、MA燃料領域2から親物質領域3への中性子の入射がなくても、親物質領域3では、親物質領域3内で新たに生成された核分裂性物質による核分裂連鎖反応が維持され、発電に必要な熱エネルギーが発生する。
FIG. 5 shows the burnup dependence of the infinite neutron multiplication factor k∞ in the parent material region 3. The neutron infinite multiplication factor k∞ increases as the burnup increases, and exceeds 1.0 when the burnup is constant b1. When the neutron infinite multiplication factor k∞ of the parent material region 3 exceeds 1.0, the parent material region 3 has a parent material region 3 in the parent material region 3 even if no neutrons are incident on the parent material region 3 from the
親物質領域3内の、MA燃料領域2に近い位置で、親物質領域3内の親物質燃料に、MA燃料領域2からの中性子が照射されると、その位置での中性子無限増倍率k∞が、前述したように、時間の経過と伴に増加する。親物質領域3内のその位置での燃焼度が300GWd/t程度まで増大すると、中性子無限増倍率k∞が1.0を超え、核分裂連鎖反応が維持できるようになる。この時点では、MA燃料領域2においてMAの核分裂が終了しても、電気出力1000MWeで高速炉の定格運転を継続することができる。
When the parent material fuel in the parent material region 3 is irradiated with neutrons from the
親物質領域3における核分裂連鎖反応は、MA燃料領域2から中性子を入射しやすい、親燃料物質領域3のMA燃料領域2に近い部分で発生し、親物質領域3のMA燃料領域2側の端部から、この端部の反対側に位置する、親物質領域3の他の端部に向かって徐々に進行する。このような親物質領域3内での核分裂連鎖反応の進行は、MA燃料領域2からの中性子の入射によって親物質領域3内で新たに生成された中性子が、親物質領域3内の、MA燃料領域2側の端部とは反対側に存在する親物質燃料に吸収されて新たな核分裂性物質が生成される。このように、親物質領域3内では、MA燃料領域2側の、親物質領域3の端部から、MA燃料領域2側の端部とは反対側に位置する、親物質領域3の他の端部に向かって、新たな核分裂性物質が生成され、核分裂連鎖反応が生じる領域も、親物質領域3の他の端部に向かって自動的に移動する。この結果、炉心1が寿命になるまでの約60年の間、燃料交換によって、新たな核分裂性物質、例えば濃縮ウランおよび核分裂性Puを炉心1に供給せずに、炉心1を有する高速炉の定格出力運転を継続することができる。
The fission chain reaction in the parent material region 3 occurs near the
本実施例によれば、長期間にわたって、燃料交換により炉心1内に新たな核燃料物質を供給しないで、高速炉の定格出力運転を継続することができるため、炉心1を有する高速炉の発電単価を低減することができる。
According to this embodiment, the rated power operation of the fast reactor can be continued without supplying new nuclear fuel material into the
本発明の他の実施例である実施例2の高速炉の炉心を、図6、図7及び図8を用いて以下に説明する。
The core of the fast reactor according to
本実施例の高速炉の炉心1Aは、実施例1の炉心1において軸方向に配置しているMA燃料領域2および親物質領域3を、水平方向に配置したMA燃料領域2Aおよび親物質領域3Aに替えた構成を有する。複数のMA燃料集合体15がMA燃料領域2Aに装荷され、複数の親物質燃料集合体17が親物質領域3Aに装荷される(図7参照)。
The
MA燃料集合体15は、図8に示すように、複数の燃料棒16及びラッパ管9を有する。複数の燃料棒16は、MA燃料集合体15の軸方向に配置された複数の燃料スペーサ(図示せず)で束ねられてラッパ管9内に配置される。MA燃料集合体15は、図示されていないが、燃料集合体7と同様に、燃料スペーサで束ねられた燃料棒束より上方に位置している冷却材流出部、およびその燃料棒束の下方に位置する中性子遮蔽体および冷却材流入部(エントランスノズル)を有する。MA燃料集合体15の各燃料棒16は、使用済核燃料の再処理によって得られるMAの金属を、各燃料棒16の燃料有効長の全長に亘って充填している。
As shown in FIG. 8, the
親物質燃料集合体17は、MA燃料集合体15と同じハード構成を有し、ラッパ管内に設置される各燃料棒内に、核燃料物質として親物質である天然ウラン、劣化ウランもしくは回収ウランの金属を充填している。図7に記載されていないが、複数の中性子反射体集合体10が装荷された中性子反射体領域5が、MA領域2Aと親物質領域3Aの接触部を除いて、MA領域2Aおよび親物質領域3Aを取り囲んで配置され、複数の中性子遮へい体集合体11が装荷された中性子遮へい体流域6が中性子反射体領域5を取り囲んでいる。
The parent
本実施例では、MA燃料領域2Aおよび親物質領域3A内にそれぞれ制御棒が挿入されている。これらの制御棒が操作されて、炉心1Aを有する高速炉の原子炉出力が制御される。
In this embodiment, control rods are inserted into the
高速炉の運転中、ポンプ(図示せず)により昇圧された冷却材である液体金属が、MA燃料集合体15および親物質燃料集合体17にそれぞれ供給される。
During operation of the fast reactor, liquid metal, which is a coolant whose pressure is increased by a pump (not shown), is supplied to the
炉心1Aを有する高速炉の運転初期においては、MA燃料領域2A内のMA燃料集合体15でのみでMAによる核分裂の連鎖反応が発生し、この核分裂の連鎖反応が継続して生じる。このため、その高速炉の運転初期においては、MA燃料領域2A内のみで核分裂による熱が発生する。MA燃料領域2A内のMAの核分裂で発生した中性子の一部が、MA燃料領域2Aから、水平方向においてMA燃料領域2Aに隣接する親物質領域3Aに漏洩する。親物質領域3Aに存在する親物質燃料集合体17内の親物質燃料(例えば、U−238)が中性子の照射を受けて新たな核分裂性物質(Pu−239)が生成される。このため、MA燃料領域2A内の核分裂性MAが消滅しても、親物質領域3A内において、新たに生成された核分裂性物質により発生する核分裂の連鎖反応が生じる領域が、白抜きの矢印の方向に移動し、発電が継続される。
At the initial stage of operation of the fast reactor having the
親物質領域3A内で新たに生成された核分裂性物質の核分裂の連鎖反応が、親物質領域3AにおけるMA燃料領域2A側の端部とは逆の位置にある、親物質領域3Aの他の端部(図7において右側の端部)に向かって進み、親物質領域3Aの他の端部においてU−238の中性子捕獲で生成されるPuが蓄積された時点で、高速炉の運転を停止し、核分裂物質の燃焼が終了したMA燃料領域2A内のMA燃料集合体15および親物質領域3A内の親物質燃料集合体17のそれぞれを、燃焼度が0GWd/tの新しいMA燃料集合体15および親物質燃料集合体17と交換する。その後、高速炉の運転を再開すれば、親物質領域3Aの右側の端部に蓄積された核分裂性Puによる核分裂の連鎖反応が始まり、今度は、白抜きの矢印とは逆の方向に、すなわち、左側に向かって、核分裂の連鎖反応が生じる域が移動する。
The other end of the
本実施例は、実施例1で生じる効果を得ることができる。さらに、本実施例は、MA燃料領域2Aおよび親物質領域3A内の燃料集合体を交換することによって、燃焼領域の伝播および発電の継続を制御できる利点を有する。
In the present embodiment, the effects produced in the first embodiment can be obtained. Furthermore, this embodiment has an advantage that propagation in the combustion region and continuation of power generation can be controlled by exchanging the fuel assemblies in the
以上に述べた各実施例では、高速炉の炉心に装荷する核燃料を金属としていたが、窒化物としても同様の効果が得られる。さらに、高速炉の冷却材として、液体Naを用いていたが、液体の鉛、もしくは鉛−ビスマスとしても同様の効果が得られる。 In each of the embodiments described above, the nuclear fuel loaded in the core of the fast reactor is made of metal, but the same effect can be obtained by using nitride. Furthermore, although liquid Na was used as the coolant for the fast reactor, the same effect can be obtained with liquid lead or lead-bismuth.
1,1A…炉心、2,2A…マイナーアクチニド燃料領域、3,3A…親物質領域、4炉心燃料領域、5…中性子反射体領域、6…中性子遮へい体領域、7…燃料集合体、8,16…燃料棒、10…中性子反射体集合体、11…中性子遮へい体集合体、15…MA燃料集合体、16…親物質燃料集合体。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160114952A (en) * | 2015-03-25 | 2016-10-06 | 세종대학교산학협력단 | Small modular nuclear reactor core with spontaneous neutron sources and nuclear reactor comprising the same |
JP2017026372A (en) * | 2015-07-17 | 2017-02-02 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fast reactor fuel element, fuel assembly and reactor core loading fuel assembly |
JP2018071997A (en) * | 2016-10-25 | 2018-05-10 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fast reactor core |
JP2019105542A (en) * | 2017-12-13 | 2019-06-27 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fuel element of fast reactor and core of fast reactor |
CN113488205A (en) * | 2021-07-27 | 2021-10-08 | 西南科技大学 | Non-uniform tubular MA transmutation rod with flattening reactor core axial power function |
-
2011
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160114952A (en) * | 2015-03-25 | 2016-10-06 | 세종대학교산학협력단 | Small modular nuclear reactor core with spontaneous neutron sources and nuclear reactor comprising the same |
KR101704658B1 (en) * | 2015-03-25 | 2017-02-08 | 세종대학교산학협력단 | Small modular nuclear reactor core with spontaneous neutron sources and nuclear reactor comprising the same |
JP2017026372A (en) * | 2015-07-17 | 2017-02-02 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fast reactor fuel element, fuel assembly and reactor core loading fuel assembly |
JP2018071997A (en) * | 2016-10-25 | 2018-05-10 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fast reactor core |
JP2019105542A (en) * | 2017-12-13 | 2019-06-27 | 日立Geニュークリア・エナジー株式会社 | Fuel element of fast reactor and core of fast reactor |
CN113488205A (en) * | 2021-07-27 | 2021-10-08 | 西南科技大学 | Non-uniform tubular MA transmutation rod with flattening reactor core axial power function |
CN113488205B (en) * | 2021-07-27 | 2023-08-15 | 西南科技大学 | Non-uniform tubular MA transmutation rod with function of flattening axial power of reactor core |
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