JP2016070743A - 高速中性子炉心、高速中性子原子炉および高速中性子炉心設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】減速材および中性子の吸収体を配する体系において、中性子吸収体の燃焼速度をさらに高める高速中性子炉心を提供する。【解決手段】高速中性子を利用する炉心は、核分裂性物質を含み中性子との反応により高速中性子を生成する燃料部と、流入する中性子のエネルギーを所定の低エネルギー領域まで低下させる中性子減速部と、流入する中性子を吸収する中性子吸収部と、を備える。燃料部と中性子減速部とは、中性子吸収部を挟むように配されている。所定の低エネルギー領域は、中性子吸収部の吸収断面積が所定の値以上となる中性子エネルギー領域であることでもよい。【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、高速中性子炉心、これを用いた高速中性子原子炉、および高速中性子炉心の設計方法に関する。

図２１は、従来の高速炉の炉心の構成例を示す平面図である。高速炉炉心１０３は、中央に配されて核分裂性物質を多く含む炉心燃料集合体１６と、さらに、その径方向外側に配されて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ブランケット燃料集合体１９を有する。炉心燃料集合体１６は、中央領域に配された内側炉心燃料集合体１７と、その径方向外側に配された外側炉心燃料集合体１８を有する。また、内側炉心燃料集合体１７が配列されている領域に互いに隣接することなく制御棒案内管２０が配されている。

図２１では、内側炉心燃料集合体１７は正六角形で表示し、外側炉心燃料集合体１８は六角形の中に丸、ブランケット燃料集合体１９は六角形の中に二重丸、制御棒案内管２０は六角形の中にＣを加えて表示している。

図２２は、従来の燃料集合体の構成を示す立断面図である。また、図２３は、図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線矢視水平断面図である。内側炉心燃料集合体１７および外側炉心燃料集合体１８のそれぞれは、図２２および図２３に示すように、筒状のラッパ管２４内に配設された複数の燃料要素２７を有する。

ラッパ管２４の下部には、炉心燃料集合体１６を図示しない炉心支持板に固定支持して冷却材の流路を構成するためのエントランスノズル２２が設けられている。エントランスノズル２２の側壁には、冷却材流入孔２１が穿設されている。ラッパ管２４の上部には、炉心燃料集合体１６を高速炉炉心１０３内に装荷あるいは高速炉炉心１０３から取り出す際の把持部となるハンドリングヘッド２５が設けられている。

冷却材流入孔２１から炉心燃料集合体下部に流れ出た冷却材１０は、エントランスノズル２２を通過し、熱の発生源である燃料要素２７に流入する。冷却材１０は、燃料要素２７で加熱された後に、ハンドリングヘッド２５の中央部にある冷却材流出孔２６から流出する。

図２４は、従来の燃料集合体の燃料要素の立断面図である。また、図２５は、図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線矢視水平断面図である。燃料要素２７は、図２４および図２５に示すように、燃料の中央部に核分裂性物質を多く含む炉心燃料２８を配置し、この炉心燃料２８の下部と上部に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下部ブランケット燃料２９と上部ブランケット燃料３０がそれぞれ配されている。これら燃料を被覆管３４に収納し、被覆管３４の下部を下部端栓３５で密封し、上部を上部端栓３６で密封した構造である。炉心燃料２８、下部ブランケット燃料２９および上部ブランケット燃料３０と、被覆管３４の間には、隙間が設けられており、酸化物燃料炉心の場合はこの隙間にはヘリウムガスが充填されている。また、被覆管３４内の下部ブランケット燃料２９の下方、および上部ブランケット燃料３０の上方には、燃料が燃焼することで排出されるガスを蓄積するための下部プレナム３２および上部プレナム３３がそれぞれ形成されている。

高速中性子を利用する原子炉において、燃焼反応度を低減することは、サイクル長さの延長による経済性向上、および、制御棒誤引き抜きの挿入反応度の低減による安全性向上に貢献する。ここで、燃焼反応度とは、運転サイクルの開始から終了までの間の燃料の燃焼に伴う反応度の変化である。

従来の原子炉では、プルトニウム（Ｐｕ）富化度を低くして、内部転換比を向上させ、燃焼反応度を小さくする方法がとられていた。この方法では、Ｐｕ同位体組成が変動すると、燃焼反応度も大きく変動することが知られている（たとえば、特許文献１参照)。

また、Ｐｕを含む超ウラン元素（ＴＲＵ）燃焼効率を向上させるためのウラン無し燃料の場合も燃焼反応度が大幅に増加する。このため、Ｐｕ同位体組成変動、あるいは、ウランの大小に依存しない方法が望まれる。なお、加速器駆動原子炉においても、燃焼反応度による加速器ビーム電流の上昇幅を抑えたいという要求もある。

このような要求を解決するため、高速中性子を利用する原子炉において、可燃性毒物を適用した設計例は数件ある（たとえば、特許文献２、非特許文献１および非特許文献２参照）。しかしながら、これらの設計例においては系統的な設計方法は示されていない。

特開２００８−２１６００９号公報 特開２００５−２４３４６号公報

Feasibility of Using Burnable Poisons for Reduction of Coolant Void Reactivity in LMR for TRU Transmutation(PHYSOR 2004) A STUDY ON BURNABLE ABSORBER FOR A FAST SUB-CRITICAL REACTOR HYPER(OECD/NEA 2001)

ところで、上述のような高速中性子を利用する原子炉において、可燃性毒物を適用する場合、中性子の吸収体を混入しただけでは、燃焼変換速度が遅いため、減速材を使って、中性子のエネルギーを高速から減速させて、変換速度を速める方法が知られている。

本発明の実施形態は、このような減速材および中性子の吸収体を配する体系において、中性子吸収体の燃焼速度をさらに高めることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本実施形態に係る高速中性子炉心は、核分裂性物質を含み中性子との反応により高速中性子を生成する燃料部と、流入する中性子のエネルギーを所定の低エネルギー領域まで低下させる中性子減速部と、流入する中性子を吸収する中性子吸収部と、を備え、前記燃料部と前記中性子減速部とは、前記中性子吸収部を挟むように配されていることを特徴とする。

また、本実施形態は、高速中性子を利用する高速中性子炉心と、前記高速中性子炉心を収納し、冷却手段によって冷却される原子炉冷却材を保有する原子炉容器と、を具備する高速中性子原子炉であって、前記高速中性子炉心は、核分裂性物質を含み中性子との反応により高速中性子を生成する燃料部と、流入する中性子のエネルギーを所定の低エネルギー領域まで低下させる中性子減速部と、流入する中性子を吸収する中性子吸収部と、を備え、前記燃料部と前記中性子減速部とは、前記中性子吸収部を挟むように配されていることを特徴とする。

また、本実施形態に係る高速中性子炉心設計方法は、中性子減速部の厚さを設定する減速部厚さ決定ステップと、中性子吸収部の材質、中性子吸収部の厚さを設定する吸収部設定ステップと、前記減速部厚さ決定ステップおよび前記吸収部設定ステップの後に、体系の中性子束分布を計算する中性子束計算ステップと、前記中性子束計算ステップの後に、前記吸収部設定ステップで設定された中性子吸収部の材質による中性子吸収断面積、前記中性子束計算ステップで得られた中性子束、および運転期間に基づいて、運転期間末期の中性子吸収部の残量を計算する吸収部残量計算ステップと、前記中性子吸収部の残量の初期の量に対する割合が規定値より小さいか否かを判定する判定ステップと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、減速材および中性子の吸収体を配する体系において、中性子吸収体の燃焼速度をさらに高めることが可能となる。

第１の実施形態に係る高速中性子原子炉の構成を示す立断面図である。 第１の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。 第１の実施形態に係る高速中性子炉心の可燃性毒物集合体の構成を示す立断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線矢視水平断面図である。 第１の実施形態に係る高速炉炉心の中性子減速材要素の立断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線矢視水平断面図である。 第１の実施形態に係る高速炉炉心の中性子吸収体要素の立断面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視水平断面図である。 可燃性毒物集合体を概念的に示した説明図である。 中性子吸収部の厚さの設定の説明図である。 中性子のエネルギースペクトルの変化の例を示すグラフである。 第１の実施形態に係る高速中性子炉心設計方法の手順を説明するフロー図である。 第１の実施形態に係る高速中性子炉心と従来の炉心の実効増倍率変化の例を説明するグラフである。 第２の実施形態に係る高速中性子炉心用の可燃性毒物集合体の構成を示す水平断面図である。 第３の実施形態に係る高速中性子炉心用の中性子減速材集合体と複数の第１の複合燃料集合体の組合せを示す水平断面図である。 第４の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。 第４の実施形態に係る高速中性子炉心の第２の複合燃料集合体の構成を示す水平断面図である。 第４の実施形態に係る高速中性子炉心の第２の複合燃料集合体の複合燃料要素を示す立断面図である。 第５の実施形態に係る高速中性子炉心の第２の複合燃料集合体の複合燃料要素の変形例を示す立断面図である。 第６の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。 従来の高速炉の炉心の構成例を示す平面図である。 従来の燃料集合体の構成を示す立断面図である。 図２２のＸＸＩＩＩ−ＸＸＩＩＩ線矢視水平断面図である。 従来の燃料集合体の燃料要素の立断面図である。 図２４のＸＸＶ−ＸＸＶ線矢視水平断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速中性子炉心、高速中性子原子炉および高速中性子炉心設計方法について説明する。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。なお、以下の説明において、炉心を構成する各要素は、それぞれが炉心に配された状態でそれぞれの上下関係等の姿勢を表現するものとする。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る高速中性子原子炉の構成を示す立断面図である。高速中性子原子炉１は、高速中性子炉心（以下、単に炉心という。）３と、炉心３を内包し底部を有し鉛直方向に延びる円筒状の原子炉容器２と、原子炉容器２の上部の開口を塞ぐように設けられた遮へいプラグ１１を有する。炉心３は、炉心支持板４により支持されている。

炉心３の上方には、遮へいプラグ１１に支持された炉心上部機構７が設けられている。炉心支持板４の下方には、炉心３への冷却材の流量配分機能を有する炉内構造物５、炉心溶融事故時に溶融燃料を保持するコアキャッチャ６が同じ原子炉容器２内に設けられている。炉心３は、後述する複数の炉心燃料集合体１６等を構成要素として形成されている。

遮へいプラグ１１の炉心３の上方には、制御棒駆動装置１５が設けられており、炉心３の制御棒案内管２０（図２）内に、図示しない制御棒を挿入可能に構成されている。また、冷却材入口配管８、冷却材出口配管９が原子炉容器２を気密に貫通し、その一部は、同様に原子炉容器２内に配されている。冷却材入口配管８から原子炉容器２内の下部空間に流れ出た冷却材１０は、上向きに方向を転じて炉内構造物５、炉心支持板４を通過し、熱の発生源である炉心３に流入する。冷却材１０は、炉心３で加熱された後に、原子炉容器２の外部で熱交換するために冷却材出口配管９から流出する。

なお、図１では、ループ型の原子炉の例を示したが、これには限定されない。たとえば、以下に述べる特徴をもつ炉心を有していれば、図示しない中間熱交換器を含む１次冷却系等が、炉心を収納する原子炉容器内に収納されるタンク型の原子炉の場合であっても、よい。

図２は、第１の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。炉心３は、全体が平面的にほぼ円形である。炉心３は、中央に複数の内側炉心燃料集合体１７が鉛直方向に延びて互いに平行に配列され全体として平面的にはほぼ円形をなしている。

内側炉心燃料集合体１７の径方向外側に内側炉心燃料集合体１７を取り巻くように、内側炉心燃料集合体１７と平行に外側炉心燃料集合体１８が２層をなして配列されている。さらに、その径方向外側に、外側炉心燃料集合体１８を取り巻くように、外側炉心燃料集合体１８と平行にブランケット燃料集合体１９がほぼ３層をなして配列されている。ここで、外側炉心燃料集合体１８およびブランケット燃料集合体１９の層数は例であって、それぞれ２層および３層の場合に限定されない。

内側炉心燃料集合体１７が配列されている領域には、複数本の制御棒案内管２０が互いに隣接することなく内側炉心燃料集合体１７と平行に配列されている。また、内側炉心燃料集合体１７が配列されている領域には、複数本の可燃性毒物（Ｂｕｒｎｂｌｅ Ｐｏｉｓｏｎ）集合体３７が互いに隣接することなく内側炉心燃料集合体１７と平行に炉心内の複数の局所に配列されている。

炉心燃料集合体１６、ブランケット燃料集合体１９、制御棒案内管２０、および可燃性毒物集合体３７の正六角柱の各側面は、これらの集合体のそれぞれが隣接する他の集合体の側面と平行に対向して互いに隣接している。

炉心燃料集合体１６のうち内側炉心燃料集合体１７は、図示しない複数の内側燃料要素と、これらを収納し外形が六角柱のラッパ管を有する。内側燃料要素は、鉛直方向下側から配された下部ブランケット燃料、炉心燃料および上部ブランケット燃料と、これらを収納する燃料部被覆管を有する。核分裂により中性子を生ずる部分（以下、燃料部と呼ぶ。）である炉心燃料はたとえば、核分裂性のプルトニウム（Ｐｕ）、ウラン（Ｕ）、マイナーアクチニド（Ｎｐ、Ａｍ、Ｃｍ）あるいはこれらの混合物を含む。

炉心燃料集合体１６のうち外側炉心燃料集合体１８も、同様に、図示しない複数の外側燃料要素とこれらを収納し外形が六角柱のラッパ管を有する。外側燃料要素の構成も内側燃料要素と同様に、鉛直方向下側から配された下部ブランケット燃料、炉心燃料および上部ブランケット燃料と、これらを収納する燃料部被覆管を有する。内側燃料要素の炉心燃料と、外側燃料要素の炉心燃料とは、Ｐｕの富化度あるいはＵの濃縮度、すなわち核分裂性物質の濃度を異にしている。

なお、図２では、２領域炉心の場合を示したがこれには限定されない。炉心領域の各所に可燃性毒物集合体３７が配されていれば、たとえば１領域あるいは３領域以上の場合であってもよい。

図３は、可燃性毒物集合体の構成を示す立断面図である。また、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視水平断面図である。可燃性毒物集合体３７は、互いに平行に配列され鉛直方向に延びた複数の中性子減速材要素３８および中性子吸収体要素３９と、これらを収納し鉛直方向に延びたラッパ管２４を有する。中性子減速材要素３８および中性子吸収体要素３９は、ラッパ管２４の内壁に取付けられた円板状の要素支持グリッド２３によりそれぞれの下部を支持されている。要素支持グリッド２３には、冷却材が通過できるように複数の流通孔が形成されている。

ラッパ管２４内では中性子減速材要素３８および中性子吸収体要素３９が平面的に三角配列に並んで収納されている。また、ラッパ管２４内では、中央に平面的にほぼ円形に中性子減速材要素３８が配されており、中性子吸収体要素３９が、中性子減速材要素３８の径方向外側を覆うように２層に配列されている。なお、２層には限定されない。

ラッパ管２４は、外形が六角柱の筒状である。ラッパ管２４の下部のエントランスノズル２２は、その下部が細径の円筒状に形成され、下端は閉止されている。円筒状の部分には側面に複数の冷却材流入孔２１が形成されている。ラッパ管２４の上端は開放され冷却材流出孔２６が形成されている。また、ラッパ管２４の上部には、上方からたとえば燃料交換機で取り扱うためのハンドリングヘッド２５が形成されている。冷却材１０は、エントランスノズル２２の冷却材流入孔２１から流入し、ラッパ管２４内を上昇し、中性子減速材要素３８および中性子吸収体要素３９の径方向外側を通過し、冷却材流出孔２６から上方に流出する。

図５は、中性子減速材要素の立断面図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視水平断面図である。中性子減速材要素３８は、中性子を減速する部分（以下、中性子減速部と呼ぶ。）である中性子減速材４０と、中性子減速材４０を収納する中性子減速部被覆管３４ａを有する。

中性子減速材４０は、中性子減速部被覆管３４ａの内壁に取付けられた円板状の支持板３１ａにより下端を支持されている。中性子減速部被覆管３４ａは上下が開放された円筒状であり、下端の開口は下部端栓３５ａにより閉止され、上端の開口は上部端栓３６ａにより閉止され、密閉空間が形成されている。密閉空間のうち、中性子減速材４０の下方には下部プレナム３２ａが、また、中性子減速材４０の上方には上部プレナム３３ａが形成されている。なお、中性子減速材は、液体、あるいは、紛体形状で中性子減速材要素に詰めても良い。

中性子減速材４０の材料は、水素、リチウム、ベリリウム、ホウ素、炭素を含む化合物（単体、酸化物、炭化物、水酸化物）のいずれか、あるいはこれらの組合せを含むものとする。例えば、水素化ジルコニウム、リチウム（Ｌｉ^６を濃縮）、酸化リチウム（Ｌｉ^６を濃縮）、水酸化リチウム（Ｌｉ^６を濃縮）、ベリリウム、酸化ベリリウム、黒鉛、炭化ホウ素（Ｂ^１１を濃縮）、炭化ケイ素等である。

図７は、中性子吸収体要素の立断面図である。また、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視水平断面図である。中性子吸収体要素３９は、中性子を吸収する部分（以下、中性子吸収部と呼ぶ。）である中性子吸収体４１と、中性子吸収体４１を収納する中性子吸収部被覆管３４ｂを有する。

中性子吸収体４１は、中性子吸収部被覆管３４ｂの内壁に取付けられた円板状の支持板３１ｂにより下端を支持されている。中性子吸収部被覆管３４ｂは上下が開放された円筒状であり、下端の開口は下部端栓３５ｂにより閉止され、上端の開口は上部端栓３６ｂにより閉止され、密閉空間が形成されている。密閉空間のうち、中性子吸収体４１の下方には下部プレナム３２ｂが、また、中性子吸収体４１の上方には上部プレナム３３ｂが形成されている。なお、中性子吸収体は、液体、あるいは、紛体形状で中性子吸収体要素に詰めても良い。

中性子吸収体４１の材料は、リチウム、ホウ素、インジウム、カドミウム、サマリウム、ガドリニウム、ハフニウム、ユウロピウムおよびエルビウムを含む化合物（単体、酸化物、炭化物、水酸化物）のいずれか、あるいはこれらの組合せを含むものとする。例えば、酸化リチウム（天然、あるいは、Ｌｉ^７を濃縮）、水酸化リチウム（天然、あるいは、Ｌｉ^７を濃縮）、炭化ホウ素（天然、あるいは、Ｂ^１０を濃縮）、酸化サマリウム、酸化ガドリニウム、酸化ユウロピウム、酸化エルビウム等である。

図９は、可燃性毒物集合体を概念的に示した説明図である。本実施形態に係る可燃性毒物集合体３７においては、図４で説明したように、中央に中性子減速部である中性子減速材要素３８が配され、その径方向外側に中性子吸収部である中性子吸収体要素３９が配されている。また可燃性毒物集合体３７の径方向外側には燃料部である内側炉心燃料集合体１７（図２参照）が配されている。

このように、中性子吸収部を挟んで、燃料部と中性子減速部が配されている基本的な構成において、中性子減速部の厚さＤ１と中性子吸収部の厚さＤ２、および中性子吸収部の材料の選定の方法を、以下に説明する。ここで、中性子減速部の厚さＤ１および中性子吸収部の厚さＤ２は、それぞれ、最も近い位置にある燃料部側からみた厚さである。なお、中性子減速部、中性子吸収部が中心から同心円状に配置されない場合の中性子減速部の径方向の厚さＤ１、中性子吸収部の厚さＤ２は、中性子吸収体要素３９、中性子減速材要素３８の配置に基づく等価的な値である。

換言すると、以下に説明する条件にて中性子減速部の径方向の等価的な厚さＤ１、中性子吸収部の等価的な厚さＤ２を定め、定まった厚さＤ１、Ｄ２に基づいて図４で示した可燃性毒物集合体３７内の中央に配置される中性子減速要素３８、およびその径方向外側に配置される中性子吸収体要素３９の具体的な配置を定めればよい。

まず、中性子減速部の厚さＤ１は、中性子減速部において高速中性子が所定のエネルギー領域まで減速されるという条件から決定する。ここで、中性子の吸収等の反応付断面積は、中性子のエネルギーが低いほど大きくなる。したがって、中性子吸収部によって中性子が有効に吸収されるためには、所定のエネルギー以下の領域である必要がある。以下、このエネルギー領域を、低エネルギー領域と呼ぶこととする。

中性子吸収が有効に行われる中性子の吸収断面積は、たとえば１００ｂａｒｎ（１ｂａｒｎ＝１０^−２４ｃｍ^２）程度以上である。この吸収断面積に対応する中性子のエネルギーはおおよそ１ｅＶ程度以下である。したがって、この場合は、低エネルギー領域は、１ｅＶ程度以下のエネルギー領域となる。

低エネルギー領域の中性子を中性子吸収部において有効に吸収させるためには、燃料部で発生した高速中性子を、中性子減速部で低エネルギー領域まで減速する必要がある。このためには、燃料部で発生した高速中性子を中性子減速部において十分に減速させるために、中性子減速部の厚さＤ１を確保することが有効である。

以上のことから、中性子減速部の厚さＤ１を、減速距離（ｓｌｏｗｉｎｇ−ｄｏｗｎ ｌｅｎｇｔｈ）より大きくする。すなわち、次の式（１）を条件としてＤ１を決定する。
Ｄ１＞√τ （１）
ここで、なお、τはフェルミ年齢、√τは減速距離である。

次に、中性子吸収部の厚さＤ２の設定方法を説明する。図１０は、中性子吸収部の厚さの設定の説明図である。図１０は、横軸は、中性子吸収部の中性子減速部に面している面からの距離である。中性子減速部に面した面から低エネルギー領域の中性子が中性子吸収部に流入する状態を考える。

縦軸は、中性子の中性子吸収部への吸収反応の反応率である。中性子吸収部の材料物質の中性子吸収断面積をσ_ａ、それぞれの位置における中性子束をΦとすれば、中性子吸収反応の反応率は、σ_ａΦである。なお、通常、反応率は各エネルギーにおける中性子吸収断面積と中性子束のエネルギー積分値として与えられるものである。

中性子吸収部の中性子減速部に面している面、すなわち図１０の左側から中性子が流入してくる。中性子のエネルギーが低ければ、低いほど、中性子は中性子吸収部に吸収されるため、図１０の右方向に移動するにしたがって低エネルギーの中性子の反応は減少し、高エネルギーの中性子の反応だけが残る形となり、実線のＡ曲線、すなわち中性子吸収反応曲線のように徐々に減少する。中性子の分布は、表面からの距離が離れると減少傾向が鈍ってくる。すなわち、中性子吸収部が厚くなるほど、中性子の反応量は減少するが、厚くしてもその効果は減少してくる。炉心の寸法は、たとえば径が大きくなれば、原子炉容器の径、原子炉容器の外側の遮へい構築物の径が大きくなる。この結果、原子炉施設全体の配置にも影響してくる。

したがって、中性子吸収部の厚さＤ２の設定に際しては、厚さの確保の効力が大きい範囲で厚さＤ２を確保することが有効である。中性子吸収反応率曲線Ａにおいて、中性子吸収部が中性子減速部に面する面（距離ゼロ）で最大傾斜となる。破線Ｂのようにこの傾斜を延長すると、中性子吸収反応率がゼロとなる距離Ｌが求められる。この距離Ｌは、中性子吸収部の吸収機能が有効に生かせる厚みの目安として有効である。したがって、Ｄ２は、Ｌ以上の厚みに設定する。

なお、中性子減速部の厚さＤ１および中性子吸収部の厚さＤ２は、燃料部からみた最短の部分の厚さとして設定してよい。

図１１は、中性子のエネルギースペクトルの変化の例を示すグラフである。燃料部では、核分裂により生じた中性子は、曲線Ｆで示すような１００ｋｅＶ前後でピークをもつ高速のスペクトルを有する。この高速中性子が、減速されていくにつれて、中性子のエネルギースペクトルは、曲線Ｍ１、曲線Ｍ２と変化し、曲線Ｍ３のようにほぼフラットで高速成分の少ない中性子エネルギースペクトルとなる。

図１２は、第１の実施形態に係る高速中性子炉心設計方法の手順を説明するフロー図である。まず、運転期間Ｔの条件を設定する（ステップＳ０１）。ここで、中性子吸収部は、運転期間Ｔが終了したときにその役割を終えるものとする。次に、中性子減速部の厚さＤ１を式（１）により決定する（ステップＳ０２）。

次に、中性子吸収部の材料物質、および中性子吸収部の厚さＤ２を設定する（ステップＳ０３）。ステップＳ０１ないしステップＳ０３で体系の条件が決まるので、この体系における中性子束Φの分布を計算する（ステップＳ０４）。

ステップＳ０４で中性子束Φの分布が計算されたら、運転期間Ｔの末期における中性子吸収材の残量の初期の量に対する割合ｒを次の式（２）によって計算する（ステップＳ０５）。
ｒ＝ｅ^{−σａΦＴ} （２）

次に、ステップＳ０５で得られた残量割合が規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ０６）。たとえば、規定値が１０％であるとすれば、次の式（３）となり、その結果、式（４）の条件となる。
ｒ＝ｅ^{−σａΦＴ}＜０．１ （３）
σ_ａΦＴ＞ｌｏｇ_ｅ１０ （４）
ここで、ｌｏｇ_ｅ１０は、１０の自然対数を示し、約２．３である。

すなわち、中性子束がΦ、運転期間がＴの場合、運転期間終了時に中性子吸収部の材料物質の残量を１／１０以下とするには、中性子吸収断面積σ_ａが、２．３／（ΦＴ）よりも大きい必要がある。

中性子吸収部の材料物質の残量が規定値よりも大きい（ステップＳ０６ ＮＯ）場合は、ステップＳ０３に戻り、中性子吸収部の材料物質の選定、中性子吸収部の厚さＤ２の設定を再度行い、ステップＳ０３以降を繰り返す。中性子吸収部の材料物質の残量が規定値よりも小さい（ステップＳ０６ ＹＥＳ）場合は、その時点での、中性子減速部の厚さＤ１、中性子吸収部の材料物質、中性子吸収部の厚さＤ２を用いて、体系を決定する。

図１３は、第１の実施形態に係る高速中性子炉心と従来の炉心の実効増倍率変化の例を説明するグラフである。グラフの横軸は、燃焼日数（日）であり、実際の運転日数を、定格出力の場合の日数に換算したものである。縦軸は、実効増倍率である。この場合の実効増倍率は、可燃性毒物（ＢＰ）が含まれている場合は、ＢＰの効果を含んでいる。

図１３に示すように、可燃性毒物を有さないＢＰ集合体無炉心の場合、破線のように燃料集合体の核分裂性物質の消費と核分裂による毒物の生成により、実効増倍率は単調に減少する。この結果、図示のように、燃焼期間前後の実効増倍率の差は、約０．０６である。

一方、ＢＰ集合体有炉心と表記された実線で示す本実施形態による高速中性子炉心の場合は、核燃料物質の消費による減少と、毒物質の消費による減少がうまくマッチして、おり、燃焼期間前後の実効増倍率の差は、約０．０２である。

燃焼反応度に換算すると、可燃性毒物を有さないＢＰ集合体無炉心の場合は、５．８％Δρ、可燃性毒物を有するＢＰ集合体有炉心の場合は、２．２％Δρであり、本実施形態においては、燃焼反応度が大幅に減少している。

この結果、制御棒が担うべき反応度価値についての負担が軽減され、図２で示す高速中性子炉心のように、制御棒集合体の本数の削減、あるいは、制御棒１本の反応度価値を減少させることにより、制御棒後引抜事故の条件の大幅な緩和を図ることができる。

［第２の実施形態］
図１４は、第２の実施形態に係る高速中性子炉心用の可燃性毒物集合体の構成を示す水平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態における可燃性毒物集合体３７ａは、第１の実施形態における可燃性毒物集合体３７と同様に、複数の中性子減速材要素３８および中性子吸収体要素３９を有する。

本実施形態における可燃性毒物集合体３７ａにおいては、水平断面の中央に中性子減速材要素３８、その径方向外側に中性子吸収体要素３９が配され、そのさらに径方向外側に中性子減速材要素３８と、中性子減速材要素３８と中性子吸収体要素３９が互いに交互に層状に配列されている。

本実施形態においては、中性子減速材要素３８のそれぞれの１層分が、Ｄ１の条件をそれぞれ満たすのではなく、１つの可燃性毒物集合体３７ａを径方向外側の燃料部から見て、複数の層の全体として等価的に、Ｄ１の条件を満たすようにすればよい。中性子吸収体要素３９についても同様に、複数の層全体として、Ｄ２の条件を満たすようにすればよい。

以上のように構成された本実施形態により、中性子エネルギーが低エネルギー領域まで低下する途中のエネルギー領域においても中性子吸収部での吸収を行うことができる。これは、特に共鳴吸収領域を利用できる効果がある。

［第３の実施形態］
図１５は、第３の実施形態に係る高速中性子炉心用の中性子減速材集合体と複数の第１の複合燃料集合体の組合せを示す水平断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形であるが、炉心３において、局所的に中性子減速部を配し、それぞれの中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置を、別の形で具体化したものである。

中性子減速部として、中性子減速材集合体４３が設けられている。中性子減速材集合体４３は、複数の中性子減速材要素３８を有する。

中性子減速材集合体４３の径方向の周囲には、６体の第１の複合燃料集合体４２が配されている。それぞれの第１の複合燃料集合体４２は、複数の基本燃料要素２７ａと複数の中性子吸収体要素３９を有する。中性子吸収体要素３９は、１つの辺に層状に配されている。また、６体の第１の複合燃料集合体４２は、それぞれの有する中性子吸収体要素３９が中性子減速材集合体４３と隣接するような向きに並べられている。

以上のような構成による本実施形態においては、局所的に配される中性子減速部として中性子減速材集合体４３、その周囲に配される中性子吸収部として６つの第１の複合燃料集合体４２のそれぞれの２層の中性子吸収体要素３９、およびその周囲に配される燃料部として第１の複合燃料集合体４２の残りの構成要素である基本燃料要素２７ａの形で、構成されている。基本燃料要素２７ａは燃料部とこれを内包する基本燃料部被覆管とを有する。なお、中性子吸収体要素３９は２層には限定されない。

以上のように構成された本実施形態により、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［第４の実施形態］
本第４の実施形態においては、中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置を、軸方向について実現している。

図１６は、第４の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。中央領域の内側炉心燃料集合体１７に代えて、第２の複合燃料集合体４４が配されている。なお、第２の複合燃料集合体４４を、すべての内側炉心燃料集合体１７および外側炉心燃料集合体１８に代えて設けることでもよい。

図１７は、第２の複合燃料集合体４４の構成を示す水平断面図である。第２の複合燃料集合体４４は、ラッパ管２４内に互いに平行に配列された複数の複合燃料要素４５および複数の基本燃料要素２７ａを有する。水平断面において、複合燃料要素４５は中心領域に配されている。複合燃料要素４５の径方向外側を囲むように基本燃料要素２７ａが配されている。なお、複合燃料要素４５を、すべての基本燃料要素２７ａに代えて設けることでもよい。

図１８は、第２の複合燃料集合体の複合燃料要素を示す立断面図である。第２の複合燃料集合体４４の中央領域に配された複合燃料要素４５は、中性子減速材４０、その上下に配された中性子吸収体４１、さらにその上下にインシュレータ４６を介して配された炉心燃料２８、およびこれらを収納する複合部被覆管４５ａを有する。下部に配された炉心燃料２８の下部には下部ブランケット２９が配されている。また、上部に配された炉心燃料２８の上部には上部ブランケット３０が配されている。下部ブランケット２９と下部端栓３５間には下部プレナム３２が形成されている。また、上部ブランケット３０と上部端栓３６間には上部プレナム３３が形成されている。

以上のように構成された本第４の実施形態においては、中性子減速部の厚さＤ１は、複合燃料要素４５における中性子減速材４０の軸方向の高さに対応する。また、中性子吸収部の厚さＤ２は、複合燃料要素４５における中性子吸収体４１の軸方向の高さに対応する。

以上のように、本第４の実施形態によって、中性子減速部の周囲に中性子吸収部、さらにその周囲に燃料部を配する基本的な配置の実現を、径方向のみならず、軸方向にも実現することによって、高速中性子炉心の構成要素の組合せの選択の幅を広げ、安全性の向上等の設計の柔軟性を向上させることができる。

［第５の実施形態］
図１９は、第５の実施形態に係る高速中性子炉心の第２の複合燃料集合体の複合燃料要素の変形例を示す立断面図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形である。

本第５の実施形態における第２の複合燃料集合体４４の複合燃料要素４５は、中性子減速材４０の上下に中性子吸収体４１が配され、さらにその上下に中性子減速材４０が配されるというように、中性子減速材４０と中性子吸収体４１が軸方向に交互に配されている。

このように中性子減速材４０と中性子吸収体４１を軸方向に交互に配することによって、第２の実施形態と同様に、中性子エネルギーが低エネルギー領域まで低下する途中のエネルギー領域においても中性子吸収部での吸収を行うことができ、共鳴吸収領域を利用できる効果がある。

［第６の実施形態］
図２０は、第６の実施形態に係る高速中性子炉心の構成を示す平面図である。本実施形態は、第４の実施形態の変形である。第４の実施形態においては、第２の複合燃料集合体４４を、中央領域の内側炉心燃料集合体に代えて配している。一方、本第６の実施形態においては、第２の複合燃料集合体４４を複数個所に分散させている。なお、分散させる範囲は、内側炉心燃料集合体１７の領域内には限定されない。たとえば、外側炉心燃料集合体１８の領域まで広がった範囲において分散配置してもよい。

このように構成された本実施形態は、高速中性子炉心の配置計画に多様性を提供し、選択の幅を広げ安全性の確保上の設計の柔軟性を向上することができる。

［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、高速中性子を利用する炉心として、高速炉の場合を例にとって示したが、高速炉に限定されない。たとえば、軸方向ブランケット、径方向ブランケット等のブランケットを設けない高速炉の炉心、あるいは減速材の量を制限して中性子スペクトルを高速側にシフトした低減速炉心とよばれる炉心、あるいは加速器駆動の原子炉の炉心などでもよい。

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。

１…高速中性子原子炉、２…原子炉容器、３…高速中性子炉心、４…炉心支持板、５…炉内構造物、６…コアキャッチャ、７…炉心上部機構、８…冷却材入口配管、９…冷却材出口配管、１０…冷却材、１１…遮へいプラグ、１５…制御棒駆動装置、１６…炉心燃料集合体，１７…内側炉心燃料集合体、１８…外側炉心燃料集合体、１９…ブランケット燃料集合体、２０…制御棒案内管、２１…冷却材流入孔、２２…エントランスノズル、２３…要素支持グリッド、２４…ラッパ管、２５…ハンドリングヘッド、２６…冷却材流出孔、２７…燃料要素、２７ａ…基本燃料要素、２８…炉心燃料、２９…下部ブランケット燃料、３０…上部ブランケット燃料、３１…支持板、３２、３２ａ、３２ｂ…下部プレナム、３３、３３ａ、３３ｂ…上部プレナム、３４…被覆管、３４ａ…中性子減速部被覆管、３４ｂ…中性子吸収部被覆管、３５…下部端栓、３６…上部端栓、３７、３７ａ…可燃性毒物集合体、３８…中性子減速材要素、３９…中性子吸収体要素、４０…中性子減速材、４１…中性子吸収体、４２…第１の複合燃料集合体、４３…中性子減速材集合体、４４…第２の複合燃料集合体、４５…複合燃料要素、４５ａ…複合部被覆管、４６…インシュレータ、１０３…高速炉炉心

Claims (10)

1. 核分裂性物質を含み中性子との反応により高速中性子を生成する燃料部と、
   流入する中性子のエネルギーを所定の低エネルギー領域まで低下させる中性子減速部と、
   流入する中性子を吸収する中性子吸収部と、
   を備え、
   前記燃料部と前記中性子減速部とは、前記中性子吸収部を挟むように配されていることを特徴とする高速中性子炉心。
2. 前記所定の低エネルギー領域は、前記中性子吸収部の吸収断面積が所定の値以上となる中性子エネルギー領域であることを特徴とする請求項１に記載の高速中性子炉心。
3. 前記中性子減速部の厚さＤ１は、減速距離√τよりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の高速中性子炉心。
4. 前記中性子吸収部の厚さＤ２は、当該中性子吸収部の中性子吸収反応率曲線において、前記中性子吸収反応率曲線の最大傾斜を与える当該中性子吸収部の前記中性子減速部に面する面における前記中性子吸収反応率曲線の傾斜を延長して中性子吸収反応率がゼロとなるまでの距離以上である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中性子炉心。
5. 前記中性子吸収部は、運転期間の終了時に中性子吸収部の残量の初期の量に対する割合が所定の値以下となるような条件を満たす材料が選定され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中性子炉心。
6. 前記条件は、次の式
   σ_ａΦＴ＜ｌｏｇ_ｅ１０
   （ただし、σ_ａは当該材料の中性子吸収断面積、Φは中性子束、Ｔは運転期間、ｌｏｇ_ｅ１０は１０の自然対数の値を示す。）
   で与えられることを特徴とする請求項５に記載の高速中性子炉心。
7. 鉛直方向に延びて互いに平行に配列され前記燃料部と当該燃料部を内包する燃料部被覆管とを有する複数の燃料要素を具備する複数の炉心燃料集合体と、
   前記中性子減速部と当該中性子減速部を内包する中性子減速部被覆管とを有する中性子減速材要素と、前記中性子吸収部と当該中性子吸収部を内包する中性子吸収部被覆管とを有する中性子吸収体要素と具備し、鉛直方向に延びて互いに平行に配列されかつ前記燃料集合体と互いに平行に配列された複数の可燃性毒物集合体と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の高速中性子炉心。
8. 前記燃料部と当該燃料部を内包する基本燃料部被覆管とを有する基本燃料要素と、
   前記中性子減速部と当該中性子減速部の上下に配された前記中性子吸収部とさらにその上下に配された燃料部と、当該中性子減速部と当該中性子吸収部と当該燃料部とを内包する複合部被覆管とを有する複合燃料要素と、
   を具備し、鉛直方向に延びて互いに平行に配列された複数の炉心燃料集合体を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の高速中性子炉心。
9. 高速中性子を利用する高速中性子炉心と、
   前記高速中性子炉心を収納し、冷却手段によって冷却される原子炉冷却材を保有する原子炉容器と、
   を具備する高速中性子原子炉であって、
   前記高速中性子炉心は、
   核分裂性物質を含み中性子との反応により高速中性子を生成する燃料部と、
   流入する中性子のエネルギーを所定の低エネルギー領域まで低下させる中性子減速部と、
   流入する中性子を吸収する中性子吸収部と、
   を備え、
   前記燃料部と前記中性子減速部とは、前記中性子吸収部を挟むように配されていることを特徴とする高速中性子原子炉。
10. 中性子減速部の厚さを設定する減速部厚さ決定ステップと、
    中性子吸収部の材質、中性子吸収部の厚さを設定する吸収部設定ステップと、
    前記減速部厚さ決定ステップおよび前記吸収部設定ステップの後に、体系の中性子束分布を計算する中性子束計算ステップと、
    前記中性子束計算ステップの後に、前記吸収部設定ステップで設定された中性子吸収部の材質による中性子吸収断面積、前記中性子束計算ステップで得られた中性子束、および運転期間に基づいて、運転期間末期の中性子吸収部の残量を計算する吸収部残量計算ステップと、
    前記中性子吸収部の残量の初期の量に対する割合が規定値より小さいか否かを判定する判定ステップと、
    を有することを特徴とする高速中性子炉心設計方法。

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