JP2015141086A - Fast reactor fuel assembly and fast reactor core - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To increase the Doppler effect in the core of U-free metallic fuel reactor.SOLUTION: According to an embodiment, a fast reactor core fuel assembly 101 used in a fast reactor core for converting TRU comprises: a plurality of fuel elements 121 including a fuel containing TRU to be separated in reprocessing and a base material that is a substantial remainder, and cladding tubes containing the fuel; a plurality of neutron spectrum softening elements 122 including a neutron spectrum softening material for softening neutron energy spectrum, and cladding tubes containing the neutron spectrum softening material; and a wrapper tube 9 containing the fuel elements 121 and the neutron spectrum softening elements 122, having a cylindrical shape, and having openings on both ends thereof.

Description

本発明は、超ウラン元素(TRU)をTRU以外の元素に変換する高速炉炉心およびこれに用いられる高速炉用燃料集合体に関する。   The present invention relates to a fast reactor core that converts a transuranium element (TRU) into an element other than TRU and a fast reactor fuel assembly used therefor.

図11は、従来の高速炉の構成例を示す立断面図である。一般的な高速炉は、たとえば、図11に示すように、炉心1は炉心支持板2により支持されている。炉心支持板2の下方には、コアキャッチャ3が配置されている。炉心1、炉心支持板2およびコアキャッチャ3は、原子炉容器4内に格納されている。また、冷却材入口配管31、冷却材出口配管32の一部は、同様に原子炉容器4内に格納されている。冷却材入口配管31から原子炉容器4内の下部空間に流れ出た冷却材15は、上向きに方向を転じて炉心支持板2を通過し、熱の発生源である炉心1に流入する。冷却材15は、炉心1で加熱された後に、原子炉容器4の外部で熱交換するために冷却材出口配管32から流出する。   FIG. 11 is an elevational sectional view showing a configuration example of a conventional fast reactor. In a general fast reactor, for example, as shown in FIG. 11, the core 1 is supported by a core support plate 2. A core catcher 3 is disposed below the core support plate 2. The core 1, the core support plate 2, and the core catcher 3 are stored in a reactor vessel 4. Further, a part of the coolant inlet pipe 31 and the coolant outlet pipe 32 are similarly stored in the reactor vessel 4. The coolant 15 that has flowed out from the coolant inlet pipe 31 into the lower space in the reactor vessel 4 turns upward, passes through the core support plate 2, and flows into the core 1 that is a heat generation source. After the coolant 15 is heated in the core 1, it flows out of the coolant outlet pipe 32 in order to exchange heat outside the reactor vessel 4.

図12は、従来の高速炉の炉心の構成例を示す水平断面図である。炉心1は、図12に示すように、核分裂性物質を多く含む炉心燃料集合体5と、中性子吸収により核分裂性物質に変換される核分裂性親物質を多く含む径ブランケット燃料集合体7と、中性子吸収物質を多く含み核分裂反応を制御する制御棒集合体8等により構成されている。炉心燃料集合体5としては、内側炉心燃料集合体5aおよび外側炉心燃料集合体5bがある。ここで、内側炉心燃料集合体5aは六角形で表示し、外側炉心燃料集合体5bは六角形の中に丸、径ブランケット燃料集合体7は六角形の中に二重丸、制御棒集合体8は六角形の中にCを加えて表示している。   FIG. 12 is a horizontal sectional view showing a configuration example of a core of a conventional fast reactor. As shown in FIG. 12, the core 1 includes a core fuel assembly 5 containing a lot of fissile material, a blanket fuel assembly 7 containing a large amount of a fissile parent material that is converted into a fissile material by neutron absorption, a neutron The control rod assembly 8 includes a large amount of absorbing material and controls the fission reaction. The core fuel assembly 5 includes an inner core fuel assembly 5a and an outer core fuel assembly 5b. Here, the inner core fuel assembly 5a is represented by a hexagon, the outer core fuel assembly 5b is a circle in the hexagon, the diameter blanket fuel assembly 7 is a double circle in the hexagon, and a control rod assembly. Reference numeral 8 denotes a hexagonal shape with C added.

図13は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す縦断面図である。また、図14は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す横断面図である。内側炉心燃料集合体5aおよび外側炉心燃料集合体5bのそれぞれは、図13および図14に示すように、筒状のラッパ管9内に配設された複数の燃料要素10を有する。   FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a core fuel assembly of a conventional fast reactor. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration example of a core fuel assembly of a conventional fast reactor. Each of the inner core fuel assembly 5a and the outer core fuel assembly 5b has a plurality of fuel elements 10 disposed in a cylindrical trumpet tube 9, as shown in FIGS.

炉心燃料集合体5の燃料要素10は、上部軸ブランケット燃料領域11、炉心燃料領域12、下部ブランケット燃料領域13等により構成された構造となっている。ラッパ管9の上部には、炉心燃料集合体5を炉心1へ装荷或いは炉心1から取出する際の把持部となるハンドリングヘッド16が設けられている。一方、ラッパ管9の下部には、炉心燃料集合体5を固定指示するためのエントランスノズル17が設けられている。このエントランスノズル17の側壁には、冷却材流入口18が穿設されている。冷却材15は、冷却材流入口18より炉心燃料集合体5のラッパ管9内に流入し、ラッパ管9内の冷却材流路14内を通過し、燃料要素10で加熱された後にハンドリングヘッド16の冷却材流路14から炉心燃料集合体5外に流出する。   The fuel element 10 of the core fuel assembly 5 has a structure including an upper shaft blanket fuel region 11, a core fuel region 12, a lower blanket fuel region 13, and the like. A handling head 16 serving as a gripping part when the core fuel assembly 5 is loaded into the core 1 or taken out from the core 1 is provided on the upper portion of the trumpet tube 9. On the other hand, an entrance nozzle 17 for instructing fixation of the core fuel assembly 5 is provided below the trumpet tube 9. A coolant inlet 18 is formed in the side wall of the entrance nozzle 17. The coolant 15 flows into the trumpet tube 9 of the core fuel assembly 5 from the coolant inlet 18, passes through the coolant channel 14 in the trumpet tube 9, is heated by the fuel element 10, and then the handling head. It flows out of the core fuel assembly 5 from the 16 coolant flow paths 14.

図15は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の燃料要素の例を示す横断面図である。燃料要素10は、円柱状に延びた燃料22と、燃料22を収納する被覆管20を有する。被覆管20は、ステンレス鋼等の金属材料からなる。燃料22と被覆管20の間には、燃料22が炉心で燃焼することによるスウェリングを吸収するために微小なギャップ23が存在する。   FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of a fuel element of a core fuel assembly of a conventional fast reactor. The fuel element 10 includes a fuel 22 that extends in a columnar shape and a cladding tube 20 that stores the fuel 22. The cladding tube 20 is made of a metal material such as stainless steel. A minute gap 23 exists between the fuel 22 and the cladding tube 20 in order to absorb swelling caused by the fuel 22 burning in the core.

高速炉の炉心燃料およびブランケット燃料には、軽水炉(LWR)の使用済み燃料再処理施設から抽出されるプルトニウム(Pu)とウラン(U)濃縮施設からの副産物として生成される劣化ウランを原料として製造される混合酸化物燃料が使用される。   The core fuel and blanket fuel for fast reactors are produced from raw materials of plutonium (Pu) extracted from spent fuel reprocessing facilities in light water reactors (LWR) and depleted uranium produced as a by-product from uranium (U) enrichment facilities. Mixed oxide fuel is used.

使用済み燃料の再処理廃棄物は、数万年のオーダーの半減期を有するマイナーアクチニド(MA)や長半減期核分裂生成物(LLFP)を含むことから、高レベル放射性廃棄物(HLW)として深地層処分される計画である。しかし、MAやLLFPは数万年オーダーに亘る半減期を有するため、HLWの処分は大変な困難性を伴う。原子力の持続的利用のための技術的検討のなかで、Puを含む超ウラン元素(TRU)を核分裂により燃焼すると共に、LLFPを中性子核変換により安定あるいは短半減期核種にする検討などが進められている。   Spent fuel reprocessing waste contains minor actinides (MA) and long half-life fission products (LLFP) with half-lives on the order of tens of thousands of years, so they are deep as high-level radioactive waste (HLW). It is planned to be disposed of. However, since MA and LLFP have half-lives on the order of tens of thousands of years, disposal of HLW is accompanied by great difficulty. In the technical study for the sustainable use of nuclear energy, the study of burning uranium element (TRU) containing Pu by fission and making LLFP stable or short half-life nuclide by neutron transmutation is promoted. ing.

これまでも、TRUやLLFPを消滅すなわち他の元素への核変換をするための検討がなされているが、主な例では、TRUやLLFPの燃焼には高速炉を利用し、燃料はUとTRUを含むU−TRU燃料が用いられている(たとえば、特許文献1参照)。しかし、装荷したTRUの燃焼と同時に、Uから新たにTRUが生成されるため、TRUの正味の燃焼量は少ない。たとえば転換比が1の場合、1トンの核分裂性親物質であるUが、1トンの核分裂性物質であるTRUに転換される。したがって、1トンのTRU装荷量に対して1トンのTRU取出量となる。これでは、LWRからのTRUを燃料に取り込めるのは初装荷時だけになってしまう。   Up to now, studies have been made to eliminate TRU and LLFP, that is, to convert them into other elements. In the main example, a fast reactor is used to burn TRU and LLFP, and the fuel is U. U-TRU fuel containing TRU is used (for example, refer to Patent Document 1). However, since TRU is newly generated from U simultaneously with the combustion of the loaded TRU, the net amount of TRU combustion is small. For example, when the conversion ratio is 1, U that is 1 ton of fissile parent substance is converted to TRU that is 1 ton of fissile substance. Accordingly, the amount of TRU taken out is 1 ton with respect to the amount of TRU loaded. In this case, the TRU from the LWR can be taken into the fuel only at the first loading.

したがって、この方式では、すべてのLWRを高速炉に置きかえなければ、LWRからのTRUを処理することはできない。そのため、LWR主流の時代において、LWRから発生するTRUが蓄積することなく、燃焼処理するためには、当該燃焼施設のTRU燃焼量を極大化することが必要である。   Therefore, in this method, TRUs from the LWR cannot be processed unless all the LWRs are replaced in the fast reactor. Therefore, in the era of LWR mainstream, in order to perform combustion processing without accumulating TRU generated from LWR, it is necessary to maximize the TRU combustion amount of the combustion facility.

TRU燃焼量を極大化するためには、当該燃焼施設において、新たなTRU発生が無いように、Uを用いない燃料とする方法が考えられる。すなわち、燃焼施設をU無燃料高速炉の炉心とすることにより、新たなTRUの発生がなく、Puを含むTRUを効率良く核分裂により燃焼させることができる。   In order to maximize the amount of TRU combustion, a method of using U-free fuel can be considered so that no new TRU is generated in the combustion facility. That is, by making the combustion facility the core of a U fuel-free fast reactor, no new TRU is generated, and TRU containing Pu can be efficiently burned by nuclear fission.

一方、一般に、原子炉の安全設計では、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度として、炉心燃料による中性子の吸収割合が増大して反応度が低下するドップラー効果を期待している。このドップラー効果は、主に燃料中の238Uによる共鳴吸収反応が増大していることに起因している。 On the other hand, in general, the safety design of nuclear reactors expects the Doppler effect as an immediate negative feedback reactivity that accompanies a rise in core temperature, resulting in a decrease in reactivity due to an increase in neutron absorption by the core fuel. . This Doppler effect is mainly due to an increase in the resonance absorption reaction due to 238 U in the fuel.

特開平7−294676号公報JP 7-294676 A

U無燃料高速炉の燃料形態については、核分裂による燃焼効率が、金属燃料炉心の方がMOX炉心などの酸化物燃料炉心より優れている。たとえば、TRUの核分裂と捕獲反応の比率は、混合酸化物燃料(MOX燃料)に比較して金属燃料の方が高いためである。また、物質密度が高い金属形態とすることで、他の酸化物形態、窒化物形態とする場合よりも、多くのTRUを燃料内に受け入れられる可能性が大きい。   Regarding the fuel form of the U fuel-free fast reactor, the combustion efficiency by fission is superior to the oxide fuel core such as the MOX core in the metal fuel core. For example, the ratio of TRU fission to capture reaction is higher for metal fuel than for mixed oxide fuel (MOX fuel). Further, by adopting a metal form having a high material density, there is a high possibility that more TRUs can be accepted in the fuel than in the case of using another oxide form or nitride form.

上述したUを用いない燃料(U無燃料)の場合は、炉心の臨界量からの制限により、燃料体積比を少なくし、冷却材、構造材を多くする、あるいは、希釈材を添加する必要がある。また、U無金属燃料高速炉の炉心は、燃料中に238Uが無いのでドップラー効果は小さくなり、負のフィードバック反応度の絶対値が減少するという課題がある。 In the case of the above-described fuel that does not use U (no U fuel), it is necessary to reduce the fuel volume ratio, increase the coolant and the structural material, or add a diluent due to limitations from the critical amount of the core. is there. In addition, since the core of the U-free fuel fast reactor has no 238 U in the fuel, the Doppler effect is reduced, and the absolute value of the negative feedback reactivity is reduced.

なお、Uの代わりにトリウム(Th)を利用したPu−Th/TRU−Th燃料炉心は、これまでにも多くの公知の検討評価例がある。Thが燃焼すると同時に、233U、232UなどのU同位体が生成蓄積される。ここでは、「U無」として、ThまたはTh化合物を用いるものは対象としない。 In addition, there are many known examination evaluation examples of Pu-Th / TRU-Th fuel cores using thorium (Th) instead of U. Simultaneously with the combustion of Th, U isotopes such as 233 U and 232 U are generated and accumulated. Here, “U-free” does not include those using Th or Th compounds.

ドップラー効果の要因である中性子吸収反応(absorption)は、中性子捕獲反応(capture)と中性子核分裂反応(fission)の2種類の反応からなる。即ち、中性子吸収反応のドップラー効果は、中性子捕獲反応の増加に伴う中性子数の減少と、中性子核分裂反応の増加に伴う中性子数の増加とのバランスによって決まる。なお、中性子核分裂反応による1核分裂あたりの中性子発生数(ν)は約2.9個である。   The neutron absorption reaction (absorption) which is a factor of the Doppler effect is composed of two kinds of reactions, a neutron capture reaction (capture) and a neutron fission reaction (fission). That is, the Doppler effect of the neutron absorption reaction is determined by the balance between a decrease in the number of neutrons accompanying an increase in the neutron capture reaction and an increase in the number of neutrons accompanying an increase in the neutron fission reaction. The number of neutrons generated per fission by the neutron fission reaction (ν) is about 2.9.

燃料核種の温度上昇に伴う反応度変化は、上記の中性子吸収の増加と、これに伴う中性子核分裂による中性子の発生の増加とのバランスの変化が主な要因である。その要因をTRU燃料核種の中性子吸収反応断面積の温度変化に伴う大きさと中性子エネルギーの関係として、図16ないし図18に例を示す。なお、ここでは高速炉用に作成された標準70群の核定数セットを利用した数値例を用いて特徴を説明する。また、温度の基準は常温(273K)から高温(1100K)までの変化に着目する。   The change in reactivity accompanying the increase in temperature of the fuel nuclide is mainly due to a change in the balance between the increase in neutron absorption and the increase in neutron generation due to neutron fission. Examples of the relationship between the neutron energy and the magnitude of the neutron absorption reaction cross section of the TRU fuel nuclide with temperature change are shown in FIGS. Here, the characteristics will be described using numerical examples using the standard 70 group nuclear constant set created for the fast reactor. Further, as a reference for temperature, attention is paid to a change from normal temperature (273K) to high temperature (1100K).

核種毎の常温(273K)の中性子吸収断面積をσa(273)、中性子核分裂断面積をσf(273)、また、核分裂あたりの中性子発生数をνと表記する。273Kから1100Kまでの温度上昇による中性子吸収断面積の変化分をΔσa(273→1100)、同様に273Kから1100Kまでの温度上昇による中性子核分裂断面積の変化分をΔσf(273→1100)とすると、燃料温度上昇に伴う中性子バランス変動分(変動分)は下記のように表わすことができる。   The neutron absorption cross section at normal temperature (273K) for each nuclide is expressed as σa (273), the neutron fission cross section is expressed as σf (273), and the number of neutrons generated per fission is expressed as ν. If the change in neutron absorption cross section due to temperature rise from 273 K to 1100 K is Δσa (273 → 1100), and similarly, the change in neutron fission cross section due to temperature rise from 273 K to 1100 K is Δσf (273 → 1100). The neutron balance fluctuation (fluctuation) accompanying the fuel temperature rise can be expressed as follows.

(変動分)=Δσa(273→1100)−νΔσf(273→1100)
ここで、基準とした中性子吸収断面積σa(273)を分母として、次のような比の値を「ドップラー効果ポテンシャル」と定義する。
(Change) = Δσa (273 → 1100) −νΔσf (273 → 1100)
Here, with the neutron absorption cross section σa (273) as a reference as a denominator, the following ratio value is defined as “Doppler effect potential”.

ドップラー効果ポテンシャル=(変動分)/(基準値)
=[Δσa(273→1100)−νΔσf(273→1100)]/σa(273)
このドップラー効果ポテンシャルは、核種ごとに定義される。ドップラー効果ポテンシャルを、中性子エネルギーおよび空間で積分して得られた値は、ドップラー反応度係数に対応する。なお、ドップラー効果ポテンシャルの積分値が正の場合は、ドップラー反応度係数は負となる。このドップラー効果ポテンシャルを代表的な核種についてみると次のことが言える。
Doppler effect potential = (variation) / (reference value)
= [Δσa (273 → 1100) −νΔσf (273 → 1100)] / σa (273)
This Doppler effect potential is defined for each nuclide. The value obtained by integrating the Doppler effect potential in neutron energy and space corresponds to the Doppler reactivity coefficient. When the integral value of the Doppler effect potential is positive, the Doppler reactivity coefficient is negative. Looking at the Doppler effect potential for typical nuclides, we can say the following.

図16は、238Uのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のU238は238Uを示す。従来のU燃料炉心、Pu/U燃料炉心、TRU/U燃料炉心の組成の中で存在割合の大きい238Uは、ドップラー効果の中心的役割をもっている。図16は、その238Uについて、上記のドップラー効果ポテンシャルと中性子エネルギーとの関係を示している。 FIG. 16 is a graph showing the Doppler effect potential of 238 U. U238 in the figure shows a 238 U. Of the conventional U fuel core, Pu / U fuel core, and TRU / U fuel core, 238 U, which has a large abundance ratio, plays a central role in the Doppler effect. Figure 16, for the 238 U, it shows the relationship between the Doppler effect potential and neutron energy.

ドップラー効果が効くエネルギー領域である非分離共鳴吸収反応領域の中性子エネルギー以下では、燃料温度上昇による中性子吸収の増大が、核分裂の増加分より大きくなり、ほとんどの範囲で、ドップラー効果ポテンシャルが正の数値範囲に入っていることが分かる。238Uは、比較的エネルギーの高い範囲で核分裂し、約0.1MeVに閾値を持つ核分裂反応であり、0.1MeV以下の共鳴吸収反応領域では、実質核分裂反応がないので、温度上昇による吸収断面積の増加が中心となることによる。 Below the neutron energy in the non-separation resonance absorption reaction region where the Doppler effect is effective, the increase in neutron absorption due to the increase in fuel temperature is greater than the increase in fission, and in most cases the Doppler effect potential is a positive numerical value. You can see that it is in range. 238 U is a fission reaction that fissions in a relatively high energy range and has a threshold value of about 0.1 MeV. Since there is no substantial fission reaction in the resonance absorption reaction region of 0.1 MeV or less, absorption break-up due to a temperature rise. This is mainly due to the increase in area.

238Uのドップラー効果の値は負であることが実証されているが、図17の折れ線と、縦軸のドップラー効果ポテンシャルの値が0の線(縦軸の値Yが0に相当する横方向の軸)との間の、エネルギー群毎の面積に、中性子束および随伴中性子束のエネルギー分布で重み付けした特性が、ドップラー効果と比例すると見ることができる。したがって、図16の折れ線が正の領域にあり、そのY=0の軸との間の面積の合計が、ここでは正値となることが対応している。すなわち、ここでは、負のドップラー係数を与える238Uは、上記のドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギーの積分値が正値と対応させていることになる。 Although the value of the 238 U Doppler effect has been demonstrated to be negative, the broken line in FIG. 17 and the vertical axis of the Doppler potential value of 0 (the horizontal direction in which the vertical axis value Y corresponds to 0) It can be seen that the characteristic weighted by the energy distribution of the neutron flux and the associated neutron flux to the area for each energy group between the axis and the Doppler effect. Therefore, the polygonal line in FIG. 16 is in the positive region, and the total area between the Y = 0 axis corresponds to a positive value here. That is, here, 238 U which gives a negative Doppler coefficient means that the integrated value of the neutron energy of the Doppler effect potential corresponds to a positive value.

図17は、239Puおよび240Puのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のPu239は239Puを、Pu240は240Puを示す。Pu同位体の主成分となる239Puおよび240Puについてドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギー依存性を示している。全エネルギー領域で大きな核分裂断面積を有する239Puは、Y=0の軸以下の領域の数値が多く、断面積変化量の相対値も小さい傾向にあり、ドップラー係数の値を、負であるが絶対値が小または正とする要因となる可能性がある。 FIG. 17 is a graph showing the Doppler effect potential of 239 Pu and 240 Pu. In the figure, Pu239 indicates 239 Pu and Pu240 indicates 240 Pu. The neutron energy dependence of the Doppler effect potential is shown for 239 Pu and 240 Pu which are the main components of Pu isotopes. 239 Pu, which has a large fission cross section in the entire energy region, has a large value in the region below the axis of Y = 0, and the relative value of the change in cross section tends to be small, and the value of the Doppler coefficient is negative. There is a possibility that the absolute value is small or positive.

一方、240Puは、上述の238Uのように低エネルギー領域では核分裂反応を持たないこともあり、共鳴吸収領域でドップラー効果ポテンシャルの値は正であり、ドップラー係数が負のフィードバック要因となる。 On the other hand, 240 Pu may not have a fission reaction in the low energy region like the above-mentioned 238 U, and the value of the Doppler effect potential is positive in the resonance absorption region, and the Doppler coefficient becomes a negative feedback factor.

そのほかの同位体241Puは239Puと、242Puは240Puと類似のドップラー効果ポテンシャルを有している。Puの総体としては、使用済み燃料の燃焼度や冷却期間に依存するPu同位体組成比の重みを考慮する必要がある。 Other isotopes 241 Pu have 239 Pu and 242 Pu has a Doppler effect potential similar to 240 Pu. As the total of Pu, it is necessary to consider the weight of the Pu isotope composition ratio depending on the burnup of the spent fuel and the cooling period.

図18は、237Np、241Am、243Amのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。図中のNp237は237Npを、Am241は241Amを、Am243は243Amを示す。PuのほかにMAの主成分である237Np、241Am、243Amのドップラー効果ポテンシャルの中性子エネルギー依存性を示している。これらの核種は、238U、240Puと同様に、低エネルギー領域では核分裂反応を持たないこともあり、共鳴吸収領域でドップラー効果ポテンシャルの値は正であり、ドップラー効果として負のフィードバック要因となることが分かる。 FIG. 18 is a graph showing the Doppler effect potential of 237 Np, 241 Am, and 243 Am. In the figure, Np237 represents 237 Np, Am241 represents 241 Am, and Am243 represents 243 Am. It shows the neutron energy dependence of the Doppler effect potential of 237 Np, 241 Am, and 243 Am, which are the main components of MA in addition to Pu. These nuclides, like 238 U and 240 Pu, may not have a fission reaction in the low energy region, and the value of the Doppler effect potential is positive in the resonance absorption region, which becomes a negative feedback factor as the Doppler effect. I understand that.

また、ドップラー効果ポテンシャルは、238U、240Puよりも低エネルギー側にシフトしていることから、減速材の配置は、U無高速炉のドップラー効果確保に有効となることが分かる。 Further, since the Doppler effect potential is shifted to a lower energy side than 238 U and 240 Pu, it can be understood that the arrangement of the moderator is effective for ensuring the Doppler effect of the U-free fast reactor.

以上をまとめると、次のようになる。   The above is summarized as follows.

TRUのうち、核分裂性のPuである239Pu、241Puについては注意をはらう必要がある。239Pu、241Puのドップラー効果は負の効果としては絶対値が小さくなり、組成・減速材割合によっては正となり得る。このことは、熱中性子スペクトル炉についても同様である。 Of TRU, attention needs to be paid to 239 Pu and 241 Pu which are fissile Pu. The Doppler effect of 239 Pu and 241 Pu has a small absolute value as a negative effect and can be positive depending on the composition / moderator ratio. The same applies to the thermal neutron spectrum reactor.

一方、TRUの中からPuを除いたマイナーアクチニド(MA;Np、Am、Cm)の主成分は237Np、241Am、243Amである。これらの核種は高速中性子により核分裂をする特徴がある。中性子吸収断面積のドップラー効果のエネルギー領域(主に100keV以下)では、中性子捕獲断面積のドップラー効果が中心になり、核分裂断面積のドップラー効果は小さくなる結果、これらのNp、Amのドップラー効果は負のフィードバック要因となる。 On the other hand, the main components of minor actinides (MA; Np, Am, Cm) obtained by removing Pu from TRU are 237 Np, 241 Am, and 243 Am. These nuclides are characterized by fission by fast neutrons. In the energy region of the Doppler effect of the neutron absorption cross section (mainly 100 keV or less), the Doppler effect of the neutron capture cross section becomes the center, and the Doppler effect of the fission cross section becomes smaller. As a result, the Doppler effect of these Np and Am It becomes a negative feedback factor.

図19は、酸化物燃料炉心、ウランを有する金属燃料炉心、ウラン無金属燃料炉心(U無金属燃料炉心)のそれぞれのドップラー反応度の解析結果の例を示すグラフである。高速スペクトルの炉心において、ウランとTRUを使用する酸化物燃料炉心と、金属燃料炉心と、ウランを用いないで母材(希釈材)としてジルコニウム(Zr)を使用したTRU金属燃料炉心のそれぞれのドップラー反応度の相対値の例を示している。ここでは、酸化物燃料炉心の場合を基準としている。酸化物燃料では燃料全体の70%ないし80%を占める238Uが、負のドップラー効果の要因である。金属燃料についても同様に、238Uが、負のドップラー効果の主要因であるが、母材Zr(10wt%=約29at%)も負のドップラー効果をもたらしているが絶対値は小さい。 FIG. 19 is a graph showing examples of analysis results of Doppler reactivity of an oxide fuel core, a metal fuel core having uranium, and a uranium-free metal fuel core (U-free metal fuel core). Doppler of oxide fuel core using uranium and TRU, metal fuel core, and TRU metal fuel core using zirconium (Zr) as a base material (diluent) without using uranium in a fast spectrum core An example of the relative value of reactivity is shown. Here, the case of an oxide fuel core is used as a reference. For oxide fuels, 238 U, which accounts for 70% to 80% of the total fuel, is a factor in the negative Doppler effect. Similarly, for metal fuel, 238 U is the main factor of the negative Doppler effect, but the base material Zr (10 wt% = about 29 at%) also has a negative Doppler effect, but its absolute value is small.

ウラン不使用炉心(U無炉心)では、このような燃料物質組成と中性子スペクトルの影響を含めた総体的な適正化によって、負のドップラー効果を確保することになる。燃料は、燃料元素と合金などの形態として均質的に混合する母材元素も、核分裂反応の増加による燃料元素の温度上昇と即時的に追随し母材元素の温度上昇が生ずるので、ドップラー効果の要因となる。   In a uranium-free core (U-less core), a negative Doppler effect is ensured by such overall optimization including the influence of the fuel material composition and the neutron spectrum. As for the fuel, the matrix element homogeneously mixed in the form of the fuel element and the alloy also immediately follows the increase in the temperature of the fuel element due to the increase in fission reaction, and the temperature of the matrix element rises. It becomes a factor.

図19に示すように、U無金属燃料高速炉の炉心は、238Uがないのでドップラー効果が小さくなり、Zrとマイナーアクチニド(Np、Amなど)の中・高速エネルギー領域の共鳴吸収反応の影響により負のフィードバック反応度を有するが、その大きさは小さくなるという課題がある。 As shown in FIG. 19, the core of a U metal-free fuel fast reactor has no 238 U, so the Doppler effect is reduced, and the influence of resonance absorption reaction in the middle and fast energy regions of Zr and minor actinides (Np, Am, etc.) Has a negative feedback reactivity, but there is a problem that the size is small.

本発明の実施形態は、上述した課題を解決するためになされたものであり、高速炉の炉心において、原子炉の安全設計で期待している炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果を増大させることを目的とする。   Embodiments of the present invention have been made in order to solve the above-described problems. In the core of a fast reactor, an immediate negative feedback reaction accompanying an increase in core temperature expected in the safety design of a nuclear reactor. The aim is to increase the Doppler effect, which is a degree.

上述の目的を達成するため、本実施形態は、TRUをTRU以外の元素に変換する高速炉炉心に用いられる高速炉用燃料集合体であって、再処理において分離されるTRUと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、を備えることを特徴とする。   In order to achieve the above-described object, the present embodiment is a fast reactor fuel assembly used in a fast reactor core that converts TRU into an element other than TRU, and is substantially different from TRU separated in reprocessing. A plurality of fuel pipes that extend in a predetermined direction and have a tubular shape that contains the fuel and extends in the same direction as the predetermined direction and is closed at both ends. A plurality of neutron spectrum softenings comprising a fuel element, a neutron spectrum softening material for softening a neutron energy spectrum, and a cladding tube containing the neutron spectrum softening material and extending in the same direction as the predetermined direction and closed at both ends An element, the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, and provided radially outside the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements A cylindrical shape extending along the longitudinal direction, characterized in that it comprises a wrapper tube having openings at both ends.

また、本実施形態は、格子状に配列された複数の高速炉用燃料集合体を具備し、TRUをTRU以外の元素に変換する高速炉炉心であって、前記高速炉用燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離されるTRUと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、を備えることを特徴とする。   Further, the present embodiment is a fast reactor core that includes a plurality of fast reactor fuel assemblies arranged in a grid, and converts TRU into an element other than TRU, each of the fast reactor fuel assemblies. Has a TRU that is separated in reprocessing and a base material that is substantially the remainder, a fuel extending in a predetermined direction, and a cylindrical shape containing the fuel and extending in the same direction as the predetermined direction A plurality of fuel elements each having a cladding tube closed at both ends, a neutron spectrum softening material for softening a neutron energy spectrum, and containing the neutron spectrum softening material and extending in the same direction as the predetermined direction, A plurality of neutron spectrum softening elements having closed cladding tubes, the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, and the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectra. Provided radially outside the torr softening elements a cylindrical shape extending along the longitudinal direction, characterized in that it comprises a wrapper tube having openings at both ends.

本発明の実施形態によれば、高速炉の炉心において、原子炉の安全設計で期待している炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果を増大させることができる。   According to the embodiment of the present invention, in the core of a fast reactor, it is possible to increase the Doppler effect, which is an immediate negative feedback reactivity associated with the core temperature rise expected in the safety design of the reactor.

第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心を模式的に示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing typically the U metal free fuel core concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the core fuel assembly of the U metal-free fuel core according to the first embodiment. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す横断面図である。It is a transverse cross section showing composition of a fuel element of a core fuel assembly of a U metal free fuel core concerning a 1st embodiment. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素の構成を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing the configuration of the neutron spectrum softening element of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core according to the first embodiment. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心と従来の炉心の中性子スペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the neutron spectrum of the U metal-free fuel core which concerns on 1st Embodiment, and the conventional core. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心における中性子スペクトル軟化材に対するドップラー反応度を示す棒グラフである。It is a bar graph which shows the Doppler reactivity with respect to the neutron spectrum softening material in the U metal-free fuel core which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体における各中性子スペクトル軟化材の割合とドップラー反応度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the ratio of each neutron spectrum softening material in the core fuel assembly of the U metal-free fuel core which concerns on 1st Embodiment, and Doppler reactivity. 第2の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the structure of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the structure of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素を示す横断面図である。It is a cross-sectional view showing a fuel element of a core fuel assembly of a U metal-free fuel core according to a third embodiment. 従来の高速炉の構成例を示す立断面図である。It is an elevational sectional view showing a configuration example of a conventional fast reactor. 従来の高速炉の炉心の構成例を模式的に示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view which shows typically the example of composition of the core of the conventional fast reactor. 従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the structural example of the core fuel assembly of the conventional fast reactor. 従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the structural example of the core fuel assembly of the conventional fast reactor. 従来の高速炉の炉心燃料集合体の燃料要素の例を示す横断面図である。It is a cross-sectional view which shows the example of the fuel element of the core fuel assembly of the conventional fast reactor. 238Uのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。 238 is a graph showing the Doppler effect potential of U. 239Pu、240Puのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。It is a graph which shows the Doppler effect potential of 239 Pu and 240 Pu. 237Np、241Am、243Amのドップラー効果ポテンシャルを示すグラフである。It is a graph which shows the Doppler effect potential of 237 Np, 241 Am, and 243 Am. 酸化物燃料炉心、ウランを有する金属燃料炉心、U無金属燃料炉心のそれぞれのドップラー反応度の解析結果の例を示すグラフである。It is a graph which shows the example of the analysis result of each Doppler reactivity of an oxide fuel core, a metal fuel core which has uranium, and a U metal-free fuel core.

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るU無金属燃料集合体およびU無金属燃料炉心について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。   Hereinafter, a U-free fuel assembly and a U-free fuel core according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Here, the same or similar parts are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係るU無金属燃料炉心を模式的に示す水平断面図である。U無金属燃料炉心100は、鉛直方向に互いに平行に配列された炉心燃料集合体101と、その径方向外側に配列された径ブランケット燃料集合体7を有する。炉心燃料集合体101は、内側炉心燃料集合体101aおよび外側炉心燃料集合体101bを有する。内側炉心燃料集合体101aは中央領域に配列され、その径方向外側に外側炉心燃料集合体101bが配列されている。炉心燃料集合体101が配列されている領域には、制御棒集合体8が点在するように配されている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a horizontal sectional view schematically showing a U-free metal fuel core according to the first embodiment. The U metal-free fuel core 100 includes a core fuel assembly 101 arranged in parallel with each other in the vertical direction and a diameter blanket fuel assembly 7 arranged on the outside in the radial direction. The core fuel assembly 101 includes an inner core fuel assembly 101a and an outer core fuel assembly 101b. The inner core fuel assemblies 101a are arranged in the central region, and the outer core fuel assemblies 101b are arranged outside in the radial direction. In the region where the core fuel assemblies 101 are arranged, control rod assemblies 8 are arranged so as to be scattered.

図2は、U無金属燃料炉心の炉心燃料集合体を示す横断面図である。炉心燃料集合体101は、互いに平行して三角配列に配置された燃料要素121および中性子スペクトル軟化要素122と、燃料要素121および中性子スペクトル軟化要素122の径方向外側に設けられたラッパ管9とを有する。配列の中心に1本の中性子スペクトル軟化要素122が配され、その周囲に燃料要素121と中性子スペクトル軟化要素122それぞれの環状列が径方向に交互に配されている。その最終の環状列の径方向外側に6角筒形状のラッパ管9が設けられている。ラッパ管9内の燃料要素121および中性子スペクトル軟化要素122間の空間は、冷却材15の流路となっている。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing a core fuel assembly of a U metal-free fuel core. The core fuel assembly 101 includes a fuel element 121 and a neutron spectrum softening element 122 arranged in a triangular arrangement in parallel with each other, and a wrapper tube 9 provided radially outside the fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122. Have. One neutron spectrum softening element 122 is arranged at the center of the array, and annular rows of the fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122 are alternately arranged in the radial direction around the neutron spectrum softening element 122. A hexagonal tube-shaped trumpet tube 9 is provided radially outward of the final annular row. A space between the fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122 in the wrapper tube 9 is a flow path for the coolant 15.

なお、図2では、中心の中性子スペクトル軟化要素122の周囲に、燃料要素121が4列、中性子スペクトル軟化要素122が3列、それぞれ交互に配されている場合を示したがこれに限定されない。列数がこれより少ない場合、あるいは多い場合でもよい。また、燃料要素121と中性子スペクトル軟化要素122の配列の方法は、図3に示すような環状列を交互に繰り返す方法でなく、たとえば、互いに平行する列内に燃料要素121と中性子スペクトル軟化要素122を交互に配する方法でもよい。また、全体として三角配列の場合を示したが、正方格子に配列され、ラッパ管も正方形の筒状の場合であってもよい。   Although FIG. 2 shows a case where four rows of fuel elements 121 and three rows of neutron spectrum softening elements 122 are alternately arranged around the central neutron spectrum softening element 122, the present invention is not limited to this. The number of columns may be smaller or larger. Further, the arrangement method of the fuel elements 121 and the neutron spectrum softening elements 122 is not a method of alternately repeating the annular rows as shown in FIG. 3, but for example, the fuel elements 121 and the neutron spectrum softening elements 122 in the rows parallel to each other. Alternatively, the methods may be arranged alternately. Moreover, although the case of the triangular arrangement as a whole has been shown, it may be arranged in a square lattice and the trumpet tube may be a square cylinder.

また、図2は、炉心燃料集合体101の構成を模式的に示したものであり、具体的には、内側炉心燃料集合体101aおよび外側炉心燃料集合体101bのそれぞれが、図2に示す構成を有している。   FIG. 2 schematically shows the configuration of the core fuel assembly 101. Specifically, each of the inner core fuel assembly 101a and the outer core fuel assembly 101b has the configuration shown in FIG. have.

図3は、U無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素の構成を示す横断面図である。燃料要素121は、円柱状に延びたTRU燃料121aと、TRU燃料121aの径方向周囲に設けられた被覆管121bを有する。被覆管121bは、円筒状で両端が閉止されている。TRU燃料121aは、核燃料リサイクルプロセスにおいて、Pu、Np、AmおよびCmの一部または全部の元素を混合状態で回収される混合TRUを主成分として、実質的に残部である母材とを有する金属形態の金属燃料である。ここで、母材としては、たとえばジルコニウム(Zr)などがある。   FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the fuel elements of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core. The fuel element 121 includes a TRU fuel 121a extending in a columnar shape, and a cladding tube 121b provided around the radial direction of the TRU fuel 121a. The cladding tube 121b is cylindrical and has both ends closed. The TRU fuel 121a is a metal having, as a main component, a mixed TRU in which a part or all of elements of Pu, Np, Am, and Cm are collected in a mixed state in a nuclear fuel recycling process, and a base material that is substantially the remainder. It is a form of metal fuel. Here, examples of the base material include zirconium (Zr).

なお、実際のTRU燃料121aには、回収される混合TRUに移行した少量のUも含まれることになるが、本実施形態の効果への影響は小さい。すなわち、各実施形態の、「ウラン無金属燃料」、「TRU燃料」、「U無金属燃料」、「U無燃料」等の用語については、リサイクルプロセスでウランの分離工程を経た後のTRUを主な燃料物質とする燃料のことを指しており、リサイクルプロセスでのウランの分離工程を経ても分離し切れなかったウランを含有するものも「ウラン無金属燃料」、「TRU燃料」、「U無金属燃料」、「U無燃料」に含まれる。   The actual TRU fuel 121a also includes a small amount of U that has moved to the recovered mixed TRU, but the effect on the effect of this embodiment is small. That is, for the terms “uranium-free fuel”, “TRU fuel”, “U-free fuel”, “U-free” in each embodiment, the TRU after the uranium separation step in the recycling process is used. This refers to fuel as the main fuel material, and those containing uranium that could not be separated even after the separation process of uranium in the recycling process are also included in “uranium-free metal fuel”, “TRU fuel”, “U” It is included in “metal-free fuel” and “U-free fuel”.

図4は、U無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素の構成を示す横断面図である。中性子スペクトル軟化要素122は、円柱状に延びた中性子スペクトル軟化材122aと、中性子スペクトル軟化材122aの径方向周囲に設けられた被覆管122bを有する。被覆管122bは、円筒状で両端が閉止されている。中性子スペクトル軟化材122aとしては、中性子捕獲断面積が小さく、原子番号の比較的若い元素を含むものとして、たとえば、LiH、BC、BeO、ZrHなどがある。ここで、LiはLi、Bは11Bである。また、HやBeに比べると中性子の減速能力が低下するが、炭素(C)をグラファイトやSiCの形態で中性子スペクトル軟化材122aとして使用してもよい。さらには、マグネシウム(Mg)合金などでもよい。 FIG. 4 is a cross-sectional view showing the configuration of the neutron spectrum softening element of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core. The neutron spectrum softening element 122 includes a neutron spectrum softening material 122a extending in a columnar shape and a cladding tube 122b provided around the radial direction of the neutron spectrum softening material 122a. The cladding tube 122b is cylindrical and has both ends closed. Examples of the neutron spectrum softening material 122a include LiH, B 4 C, BeO, and ZrH 2 that include an element having a small neutron capture cross section and a relatively small atomic number. Here, Li is 7 Li and B is 11 B. Further, although the neutron moderating ability is reduced as compared with H or Be, carbon (C) may be used as the neutron spectrum softening material 122a in the form of graphite or SiC. Furthermore, a magnesium (Mg) alloy or the like may be used.

なお、TRU燃料121aおよび中性子スペクトル軟化材122aは円柱状で、被覆管121bおよび被覆管122bは円筒状の場合を示したが、これに限定されず多角形形状であってもよい。   The TRU fuel 121a and the neutron spectrum softening material 122a are cylindrical, and the cladding tube 121b and the cladding tube 122b are cylindrical. However, the present invention is not limited to this and may be a polygonal shape.

図5は、U無金属燃料炉心と従来の炉心の中性子スペクトルを示すグラフである。横軸は中性子エネルギー(eV)、縦軸は、中性子スペクトル(φi/φt)を示す。ただし、φiはそれぞれの中性子エネルギーにおける中性子束、φtは、φiの全エネルギーにわたる積分値である。すなわち、縦軸の値は、全エネルギーにわたる積分値が1となるように規格化されている。また、横軸および縦軸の値の表示のたとえば1.0E+01は、1.0×10+01を表す。以下同様である。 FIG. 5 is a graph showing neutron spectra of a U-metal-free fuel core and a conventional core. The horizontal axis represents neutron energy (eV), and the vertical axis represents the neutron spectrum (φi / φt). However, (phi) i is the neutron flux in each neutron energy, (phi) t is an integral value over all the energy of (phi) i. That is, the value on the vertical axis is normalized so that the integral value over the entire energy is 1. For example, 1.0E + 01 in the display of the values on the horizontal and vertical axes represents 1.0 × 10 +01 . The same applies hereinafter.

図5に示すように、従来の炉心の中性子のエネルギースペクトルに比べて、本実施形態によるU無金属燃料炉心の中性子のエネルギースペクトルは、100keV前後のエネルギーにおけるピークが低くなっており、代わりに、数eVないし数keVオーダーにおける分布が大きくなっている。すなわち、100keV前後のエネルギー領域の中性子が減速され、中性子スペクトルが軟化、すなわちエネルギーの低い方向にシフトしている。   As shown in FIG. 5, the neutron energy spectrum of the U-metal-free fuel core according to the present embodiment has a lower peak at energy around 100 keV than the neutron energy spectrum of the conventional core. The distribution in the order of several eV to several keV is large. That is, neutrons in the energy region around 100 keV are decelerated, and the neutron spectrum is softened, that is, shifted in a direction of lower energy.

図6は、U無金属燃料炉心における中性子スペクトル軟化材に対するドップラー反応度を示す棒グラフである。横軸は、大別して、酸化物燃料炉心の例としてMOX燃料炉心、およびU無金属燃料炉心を示す。また、U無金属燃料炉心については、中性子スペクトル軟化材がない場合とある場合とを示す。   FIG. 6 is a bar graph showing the Doppler reactivity with respect to the neutron spectrum softening material in the U metal-free fuel core. The horizontal axis roughly indicates a MOX fuel core and a U metalless fuel core as examples of the oxide fuel core. Moreover, about the U metal-free fuel core, the case where there is no neutron spectrum softening material and the case where it exists are shown.

ここで、中性子スペクトル軟化材がないU無金属燃料は、TRUと母材としてのZrとからなる材料である。中性子スペクトル軟化材がある場合については、中性子スペクトル軟化材が、それぞれ、LiH、BC、BeO、ZrHの場合を示す。縦軸は、それぞれの場合の、ドップラー反応度の相対値を示し、MOX燃料炉心の場合を1としている。 Here, the U metal-free fuel without the neutron spectrum softening material is a material composed of TRU and Zr as a base material. In the case where there is a neutron spectrum softening material, the case where the neutron spectrum softening material is LiH, B 4 C, BeO, or ZrH 2 is shown. The vertical axis indicates the relative value of Doppler reactivity in each case, and the case of the MOX fuel core is 1.

図6に示すように、U無金属燃料炉心で中性子スペクトル軟化材がない場合には、ドップラー反応度は、MOX燃料炉心の場合の約1/3に低下する。U無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてLiHを加えると、ドップラー反応度は、MOX燃料炉心の場合の約1/2となる。U無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてBCあるいはBeOを加えると、ドップラー反応度は、MOX燃料炉心の場合の2倍を超える値となる。U無金属燃料炉心に中性子スペクトル軟化材としてZrHを加えた場合は、ドップラー反応度は、MOX燃料炉心の場合の3倍を超える値となる。 As shown in FIG. 6, when there is no neutron spectrum softening material in the U metal-free fuel core, the Doppler reactivity decreases to about 1/3 that in the case of the MOX fuel core. When LiH is added to the U metal-free fuel core as a neutron spectrum softening material, the Doppler reactivity is about ½ that of the MOX fuel core. When B 4 C or BeO is added as a neutron spectrum softening material to the U metal-free fuel core, the Doppler reactivity becomes more than twice that of the MOX fuel core. When ZrH 2 is added as a neutron spectrum softening material to the U metal-free fuel core, the Doppler reactivity is more than three times that of the MOX fuel core.

図7は、U無金属燃料炉心の炉心燃料集合体における各中性子スペクトル軟化材の割合とドップラー反応度との関係を示すグラフである。横軸は、燃料集合体中の燃料と中性子スペクトル軟化材の合計重量に対する中性子スペクトル軟化材の重量の割合(%)である。軟化材は、破線で示す酸化ベリリウムBeO、二点鎖線で示す水素化リチウムLiH、一点鎖線で示す炭化ホウ素BC、および実線で示す水素化ジルコニウムZrHの場合の例を示している。縦軸は、図6と同様に、ドップラー反応度を示し、MOX燃料炉心の場合を1とした相対値である。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the ratio of each neutron spectrum softening material and the Doppler reactivity in the core fuel assembly of the U metal-free fuel core. The horizontal axis represents the ratio (%) of the weight of the neutron spectrum softening material to the total weight of the fuel and the neutron spectrum softening material in the fuel assembly. Examples of the softening material include beryllium oxide BeO indicated by a broken line, lithium hydride LiH indicated by a two-dot chain line, boron carbide B 4 C indicated by a one-dot chain line, and zirconium hydride ZrH 2 indicated by a solid line. The vertical axis shows the Doppler reactivity as in FIG. 6, and is a relative value with 1 in the case of the MOX fuel core.

前述のように、図6に示す母材としてZrを使用し中性子スペクトル軟化材を有さないU無金属燃料炉心の場合、ドップラー反応度(相対値)はMOX燃料炉心の場合の約1/3である。この場合に比べてドップラー反応度(相対値)を有意に大きくする、たとえば、1/2とするには、中性子スペクトル軟化材としてBeOを用いた場合、中性子スペクトル軟化材の割合は約20%である。したがって、中性子スペクトル軟化材としてBeOを用いた場合、本実施形態の効果を生ずるためには、重量の割合(%)は20%以上であることが必要である。   As described above, in the case of the U metal-free fuel core using Zr as the base material shown in FIG. 6 and having no neutron spectrum softening material, the Doppler reactivity (relative value) is about 1/3 that of the MOX fuel core. It is. In order to significantly increase the Doppler reactivity (relative value) compared to this case, for example, to ½, when BeO is used as the neutron spectrum softening material, the ratio of the neutron spectrum softening material is about 20%. is there. Therefore, when BeO is used as the neutron spectrum softening material, the weight ratio (%) needs to be 20% or more in order to produce the effect of the present embodiment.

一方、中性子スペクトル軟化材の割合の最大値は、炉心の臨界量から制約を受ける。中性子スペクトル軟化材としてBeOを用いた場合、炉心が臨界となる中性子スペクトル軟化材の割合は、約80%であり、中性子スペクトル軟化材の割合がこれより大きくなると、炉心は未臨界となる。したがって、中性子スペクトル軟化材としてBeOを用いた場合、中性子スペクトル軟化材の割合は80%以下であることが必要である。   On the other hand, the maximum value of the neutron spectrum softening material is restricted by the critical amount of the core. When BeO is used as the neutron spectrum softening material, the ratio of the neutron spectrum softening material at which the core becomes critical is about 80%, and when the ratio of the neutron spectrum softening material is larger than this, the core becomes subcritical. Therefore, when BeO is used as the neutron spectrum softening material, the ratio of the neutron spectrum softening material needs to be 80% or less.

従って、本実施形態においては、中性子スペクトル軟化材要素の本数割合、或いは、中性子スペクトル軟化材の添加割合は、中性子スペクトル軟化材としてBeOを用いた場合を例として、約20%以上、かつ約80%以下となるように構成されている。   Therefore, in the present embodiment, the number ratio of the neutron spectrum softening material elements or the addition ratio of the neutron spectrum softening material is about 20% or more and about 80%, using BeO as the neutron spectrum softening material as an example. % Or less.

他の中性子スペクトル軟化材を使用する場合についても、同様の考え方でスペクトル軟化材の割合の範囲を適切に決定することができる。   Even when other neutron spectrum softening materials are used, the range of the ratio of the spectrum softening materials can be appropriately determined based on the same concept.

以上のように、本実施形態に係る高速炉用燃料集合体、すなわち炉心燃料集合体101を用いた高速炉炉心は、TRUのうち高速核分裂をする核種の核分裂反応のドップラー効果が効く高いエネルギー領域側から、中性子捕獲反応のドップラー効果が効く相対的に低いエネルギー領域である共鳴吸収領域側に、中性子エネルギースペクトルをシフトさせることにより、負のドップラー効果を増大させることができる。   As described above, the fast reactor fuel assembly according to the present embodiment, that is, the fast reactor core using the core fuel assembly 101 has a high energy region in which the Doppler effect of the fission reaction of the nuclide that performs fast fission is effective in the TRU. The negative Doppler effect can be increased by shifting the neutron energy spectrum from the side to the resonance absorption region side, which is a relatively low energy region where the Doppler effect of the neutron capture reaction is effective.

すなわち、U無金属燃料高速炉の炉心であっても、従来のMOX燃料炉心に比べて負のドップラー反応度の絶対値を大きく確保できる。この結果、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大するので、炉心の安全性が確保される。   That is, even in the core of a U metal-free fuel fast reactor, a large absolute value of negative Doppler reactivity can be secured as compared with the conventional MOX fuel core. As a result, the Doppler effect, which is an immediate negative feedback reactivity accompanying the temperature rise of the core, increases, so that the safety of the core is ensured.

[第2の実施形態]
図8は、第2の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。本実施形態は、第1の実施形態の変形である。炉心燃料集合体102は、燃料要素121、中性子スペクトル軟化要素122、および酸化物燃料要素123を有する。第1の実施形態との違いは、燃料要素121の一部を酸化物燃料要素123に置き換えた点である。酸化物燃料要素123は、最外周の燃料要素121に代わって1つまたは2つおきに、合計18個が配されている。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the core fuel assembly of the U-free metal fuel core according to the second embodiment. This embodiment is a modification of the first embodiment. The core fuel assembly 102 includes a fuel element 121, a neutron spectrum softening element 122, and an oxide fuel element 123. The difference from the first embodiment is that a part of the fuel element 121 is replaced with an oxide fuel element 123. A total of 18 oxide fuel elements 123 are arranged in place of one or every two fuel elements 121 instead of the outermost fuel element 121.

なお、酸化物燃料要素123の配置が最外周で、個数が18の場合を示したが、これには限定されない。さらに内側にも配されてもよい。また、最外周をすべて酸化物燃料要素123に置き換えることでもよい。燃料要素121を酸化物燃料要素123に置き換える割合は、金属燃料と酸化物燃料のそれぞれの核熱的特徴を考慮して適切に決定する。   In addition, although the case where arrangement | positioning of the oxide fuel element 123 is the outermost periphery and the number is 18 was shown, it is not limited to this. Furthermore, it may be arranged inside. Alternatively, the entire outermost periphery may be replaced with the oxide fuel element 123. The ratio of replacing the fuel element 121 with the oxide fuel element 123 is appropriately determined in consideration of the nuclear thermal characteristics of the metal fuel and the oxide fuel.

炉心燃料集合体102の要素として、酸化物燃料要素123を加えることによって、さらに中性子のエネルギースペクトルを軟化させ、負のドップラー効果をさらに大きくする効果がある。   The addition of the oxide fuel element 123 as an element of the core fuel assembly 102 has the effect of further softening the energy spectrum of neutrons and further increasing the negative Doppler effect.

[第3の実施形態]
図9は、第3の実施形態に係るU無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の構成を示す横断面図である。炉心燃料集合体103は、燃料要素124と、ラッパ管9を有する。第1の実施形態では、炉心燃料集合体101は、ラッパ管9内には、燃料要素121および中性子スペクトル軟化要素122を有しているが、本実施形態における炉心燃料集合体103は、代わりに後述する混合燃料124a(図10参照)を材料とする燃料要素124を有する。
[Third Embodiment]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of the core fuel assembly of the U-free metal fuel core according to the third embodiment. The core fuel assembly 103 includes a fuel element 124 and a trumpet tube 9. In the first embodiment, the core fuel assembly 101 has the fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122 in the trumpet tube 9, but the core fuel assembly 103 in this embodiment is instead The fuel element 124 is made of a mixed fuel 124a (see FIG. 10) described later.

図10は、U無金属燃料炉心の炉心燃料集合体の燃料要素を示す横断面図である。燃料要素124は、円柱状に延びた混合燃料124aと、混合燃料124aの径方向周囲に設けられた被覆管124bを有する。被覆管124bは、円筒状で両端が閉止されている。   FIG. 10 is a cross-sectional view showing the fuel elements of the core fuel assembly of the U metal-free fuel core. The fuel element 124 includes a mixed fuel 124a extending in a columnar shape and a cladding tube 124b provided around the radial direction of the mixed fuel 124a. The cladding tube 124b is cylindrical and has both ends closed.

混合燃料124aは、主成分である混合TRUと母材とからなる金属燃料に、中性子スペクトル軟化材を添加した材料からなる。   The mixed fuel 124a is made of a material obtained by adding a neutron spectrum softening material to a metal fuel composed of a mixed TRU and a base material as main components.

このように構成された本実施の形態によれば、第1および第2の実施形態と同様に、0.1MeV前後のエネルギー領域の中性子が減速され、中性子スペクトルが軟化、すなわちエネルギーの低い方向にシフトする効果がある。この結果、炉心の温度上昇に伴う即発的な負のフィードバック反応度であるドップラー効果が増大すし、炉心の安全性が確保される。   According to the present embodiment configured as described above, as in the first and second embodiments, neutrons in the energy region around 0.1 MeV are decelerated and the neutron spectrum is softened, that is, in the direction of lower energy. There is a shift effect. As a result, the Doppler effect, which is an immediate negative feedback reactivity accompanying the temperature rise of the core, increases, and the safety of the core is ensured.

[その他の実施形態]
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態においては、内側炉心燃料集合体の装荷されている領域と外側炉心燃料集合体の装荷されている領域の2つの領域を有するいわゆる2領域炉心の場合を示したがこれに限定されない。たとえば、1領域炉心の場合、あるいは3領域以上の炉心の場合であっても、本発明は適用できる。
[Other Embodiments]
As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. For example, in the embodiment, the case of a so-called two-region core having two regions, that is, a region where the inner core fuel assembly is loaded and a region where the outer core fuel assembly is loaded is shown, but the present invention is not limited to this. . For example, the present invention can be applied even in the case of a one-region core or a core having three or more regions.

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。   Moreover, you may combine the characteristic of each embodiment. Furthermore, these embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

1…炉心、2…炉心支持板、3…コアキャッチャ、4…原子炉容器、5…炉心燃料集合体、5a…内側炉心燃料集合体、5b…外側炉心燃料集合体、7…径ブランケット燃料集合体、8…制御棒集合体、9…ラッパ管、10…燃料要素、11…上部ブランケット燃料領域、12…炉心燃料領域、13…下部ブランケット燃料領域、14…冷却材流路、15…冷却材、16…ハンドリングヘッド、17…エントランスノズル、18…冷却材流入口、19…反射体、20…被覆管、22…燃料、23…ギャップ、31…冷却材入口配管、32…冷却材出口配管、100…U無金属燃料炉心、101…炉心燃料集合体、101a…内側炉心燃料集合体、101b…外側炉心燃料集合体、102、103…炉心燃料集合体、110…U無金属燃料集合体、121…燃料要素、121a…TRU燃料、121b…被覆管、122…中性子スペクトル軟化要素、122a…中性子スペクトル軟化材、122b…被覆管、123…酸化物燃料要素、124…燃料要素、124a…混合燃料、124b…被覆管   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Core, 2 ... Core support plate, 3 ... Core catcher, 4 ... Reactor vessel, 5 ... Core fuel assembly, 5a ... Inner core fuel assembly, 5b ... Outer core fuel assembly, 7 ... Diameter blanket fuel assembly 8 ... control rod assembly, 9 ... trumpet tube, 10 ... fuel element, 11 ... upper blanket fuel region, 12 ... core fuel region, 13 ... lower blanket fuel region, 14 ... coolant flow path, 15 ... coolant , 16 ... Handling head, 17 ... Entrance nozzle, 18 ... Coolant inlet, 19 ... Reflector, 20 ... Cladding tube, 22 ... Fuel, 23 ... Gap, 31 ... Coolant inlet piping, 32 ... Coolant outlet piping, DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... U metalless fuel core, 101 ... Core fuel assembly, 101a ... Inner core fuel assembly, 101b ... Outer core fuel assembly, 102, 103 ... Core fuel assembly, 110 ... U metalless fuel assembly 121 ... Fuel element, 121a ... TRU fuel, 121b ... Cladding tube, 122 ... Neutron spectrum softening element, 122a ... Neutron spectrum softening material, 122b ... Cladding tube, 123 ... Oxide fuel element, 124 ... Fuel element, 124a ... Mixing Fuel, 124b ... cladding tube

Claims (7)

TRUをTRU以外の元素に変換する高速炉炉心に用いられる高速炉用燃料集合体であって、
再処理において分離されるTRUと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、
中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、
を備えることを特徴とする高速炉用燃料集合体。
A fuel assembly for a fast reactor used in a fast reactor core that converts TRU into an element other than TRU,
The TRU separated in the reprocessing and the base material that is substantially the remaining part, the fuel extending in a predetermined direction, and a cylindrical shape containing the fuel and extending in the same direction as the predetermined direction A plurality of fuel elements having a cladding tube closed;
A plurality of neutron spectrum softening elements having a neutron spectrum softening material for softening a neutron energy spectrum, and a cladding tube containing the neutron spectrum softening material and extending in the same direction as the predetermined direction and closed at both ends;
A cylindrical shape that accommodates the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, is provided radially outside the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, and extends along a longitudinal direction; A trumpet tube having openings at both ends;
A fuel assembly for a fast reactor, comprising:
前記TRUは、プルトニウム、ネプツニウム、アメリシウムおよびキュリウムの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の高速炉用燃料集合体。   2. The fast reactor fuel assembly according to claim 1, wherein the TRU includes at least one of plutonium, neptunium, americium, and curium. 前記燃料は、金属の形態のものを含むことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高速炉用燃料集合体。   The fuel assembly for a fast reactor according to claim 1 or 2, wherein the fuel includes a metal. 前記燃料は、酸化物を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。   The fuel assembly for a fast reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel contains an oxide. 前記燃料と前記中性子スペクトル軟化材とは同一の被覆管内に収納されていることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。   The fuel assembly for a fast reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the fuel and the neutron spectrum softening material are accommodated in the same cladding tube. 前記中性子スペクトル軟化材は、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素および水素化ジルコニウムの少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の高速炉用燃料集合体。   6. The fast reactor according to claim 1, wherein the neutron spectrum softening material includes at least one of beryllium oxide, lithium oxide, boron carbide, and zirconium hydride. Fuel assembly. 格子状に配列された複数の高速炉用燃料集合体を具備し、TRUをTRU以外の元素に変換する高速炉炉心であって、
前記高速炉用燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離されるTRUと、実質的に残部である母材とを有し、所定の方向に延びた燃料と、前記燃料を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管とを有する複数の燃料要素と、
中性子エネルギースペクトルを軟化させる中性子スペクトル軟化材と、前記中性子スペクトル軟化材を収納し前記所定の方向と同じ方向に延びて両端が閉止されている被覆管とを有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素を収納し、前記複数の燃料要素と前記複数の中性子スペクトル軟化要素の径方向外側に設けられて長手方向に沿って延びた筒状であって両端に開口を有するラッパ管と、
を備えることを特徴とする高速炉炉心。
A fast reactor core comprising a plurality of fast reactor fuel assemblies arranged in a grid and converting TRU to an element other than TRU,
Each of the fast reactor fuel assemblies is
The TRU separated in the reprocessing and the base material that is substantially the remaining part, the fuel extending in a predetermined direction, and a cylindrical shape containing the fuel and extending in the same direction as the predetermined direction A plurality of fuel elements having a cladding tube closed;
A plurality of neutron spectrum softening elements having a neutron spectrum softening material for softening a neutron energy spectrum, and a cladding tube containing the neutron spectrum softening material and extending in the same direction as the predetermined direction and closed at both ends;
A cylindrical shape that accommodates the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, is provided radially outside the plurality of fuel elements and the plurality of neutron spectrum softening elements, and extends along a longitudinal direction; A trumpet tube having openings at both ends;
A fast reactor core comprising:
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