JP2016080667A - 高速炉用燃料集合体および高速炉炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】炉心燃料への影響なしに炉心軸方向の漏えい中性子を利用した核変換を行う高速炉用燃料集合体および高速炉炉心を提供する。【解決手段】高速炉用燃料集合体７０は、複数の燃料要素４と、その径方向外側を覆い入口側にエントランスノズル９が形成されたラッパ管８と、燃料要素４を下方から支持する燃料支持部材５と、ラッパ管８内に収納され燃料支持部材５の下方に設けられた核分裂生成物核変換部１０とを有する。核分裂生成物核変換部１０は、ラッパ管８の内壁に接して中央流路１０ａの径方向外側の領域内で互いに間隔をあけて鉛直方向に形成された複数の貫通孔を有する中性子遮へい部材１４と、複数の貫通孔のそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔に挿入され長半減期核分裂生成物を含み鉛直方向に延びた核変換要素部材と、核変換要素部材を内蔵する核変換要素被覆管とを備えた複数の核分裂生成物核変換要素１１とを有する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、高速炉用燃料集合体およびこれを用いた高速炉炉心に関する。

使用済み燃料の再処理廃棄物は、数万年オーダーの半減期を有するアメリシウム（Ａｍ）、キュリウム（Ｃｍ）およびネプツニウム（Ｎｐ）などのマイナーアクチニド（ＭＡ）、および長半減期核分裂生成物（ＬＬＦＰ）を含んでおり、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。代表的なＬＬＦＰとしては、テクネチウム９９（Ｔｃ９９、半減期約２１万年）、ヨウ素１２９（Ｉ１２９、半減期約１６００万年）などが挙げられる。

プルトニウム（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は中性子核変換により安定な核種あるいは短半減期核種にする検討が進められている。

特開平７−３０６２８２号公報 特開２０１０−２６１９３０号公報

R. Fujita, etal:"An Application of Metal Fuel Cycle Technology Toward Self-consistent Nuclear Energy System (SCNES) Concept", Proc. Third International Symposium GENES-3, Tokyo, 1999.

ＬＬＦＰの核変換は基本的にＬＬＦＰによる中性子の捕獲により行われるため、たとえば、核分裂や増殖に用いられる中性子の一部をＬＬＦＰの中性子捕獲に利用する方法がある（特許文献１）。炉心内部での核変換は中性子束が高く変換効率が高いが、炉心性能への影響、すなわち、ＬＬＦＰの中性子捕獲による炉心反応度の低下、ＬＬＦＰや中性子減速部材の局所的な装荷による出力分布の歪などの影響がある。

また、核変換のための中性子の利用方法として、炉心内部中性子の利用と炉心から漏えいする中性子を利用する方法がある（特許文献２、非特許文献１）。炉心からの漏えい中性子の利用では中性子束が炉心部よりも低いために核変換率は低くなるが、炉心性能への悪影響は小さく抑えられる。炉心からの漏えい中性子の利用としては、径方向漏えい中性子の利用（特許文献２、非特許文献１）と軸方向漏えい中性子（非特許文献１）の利用とがある。

このなかで、軸方向漏えい中性子の利用による核変換の方が径方向漏えい中性子の利用の場合よりも変換効率を高くすることができる可能性がある。この理由として、高速炉は増殖性向上のため、燃料ピンを密に配置しており、圧力損失を低減する目的で、炉心高さは１ｍ前後と軽水炉（約３．７ｍ）よりも短くしており、炉心形状は扁平形状である。このため、炉心軸方向（上下方向）の中性子漏えいが径方向の漏えいよりも大きく、中性子束も高くなっている例が多い。

前述のように、軸方向漏えい中性子の核変換への利用の技術について議論がなされているが、そのための具体的な構成は示されていない。容易に考えられるのは、炉心燃料要素の被覆管の中の燃料ペレット（あるいは燃料棒）の上下にＬＬＦＰを含む物質や中性子減速部材を充填する構成である。

従来の燃料集合体では、核分裂性物質のプルトニウム（Ｐｕ）と親物質のウラン（Ｕ）の混合酸化物からなる炉心燃料を被覆管の中に充填した炉心燃料要素が支持部材により保持され、ラッパ管の内側に束ねられている。炉心燃料要素には上部にガスプレナムが配置され、その下は劣化ウランからなる上部ブランケット、さらにその下には炉心燃料、および下部ブランケットが配置されている。

冷却材は下部のエントランスノズルから流入し、下部中性子遮へい体の内側を通過したあと、炉心燃料要素を冷却し、上部中性子遮へい体の内側を通って燃料集合体の上部から排出される。ここで、たとえば、上部ブランケットおよび下部ブランケットの全部または一部にＬＬＦＰを含む物質を充填すればＬＬＦＰの核変換が可能となる。

しかしながら、燃料要素内に炉心燃料とＬＬＦＰを含む物質や中性子減速部材を同時に充填することは、製造時や再処理時の取り扱いを複雑化させる可能性があることと、物性や照射特性の異なる物質を同一の被覆管内に充填することは照射時の健全性を低下させる可能性がある。

以上のように、炉心軸方向の漏えい中性子を利用した核変換方法について、炉心燃料への影響を与えずに実施するための具体的な構造はこれまで提案されていない。

そこで、本発明の実施形態は、炉心燃料への影響を与えずに炉心軸方向の漏えい中性子を利用した核変換を可能とす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炉用燃料集合体は、互いに間隔をおいて並列に配置され鉛直方向に延びた複数の棒状の燃料要素と、前記複数の燃料要素全体の径方向外側を覆い、上部が冷却材の流出のために開放されて、入口側には冷却材の流入用のエントランスノズルが形成された筒状で前記鉛直方向に延びたラッパ管と、前記ラッパ管内に収納され、前記燃料要素を下方から支持する多孔平板状の燃料支持部材と、前記ラッパ管内に収納され、前記燃料支持部材の下方に設けられた核分裂生成物核変換部と、を備え、前記核分裂生成物核変換部は、前記ラッパ管の内壁に接して、中央に冷却材の中央流路が形成され前記中央流路の径方向外側の領域内で互いに間隔をあけて鉛直方向に形成された複数の貫通孔を有する中性子遮へい部材と、前記複数の貫通孔のそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔に挿入され、長半減期核分裂生成物を含み鉛直方向に延びた核変換要素部材と、当該核変換要素部材を内蔵し筒状で上端および下端が閉止されて密閉された核変換要素被覆管とを備えた複数の核分裂生成物核変換要素と、を有することを特徴とする。

また、本実施形態は、格子状に配列され鉛直方向に互いに平行に延びた複数の高速炉用燃料集合体を具備し、長半減期核分裂生成物を核変換させ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、互いに間隔をおいて並列に配置され鉛直方向に延びた複数の棒状の燃料要素と、前記複数の燃料要素全体の径方向外側を覆い、上部が冷却材の流出のために開放されて、入口側には冷却材の流入用のエントランスノズルが形成された筒状で前記鉛直方向に延びたラッパ管と、前記ラッパ管内に収納され、前記燃料要素を下方から支持する多孔平板状の燃料支持部材と、前記ラッパ管内に収納され、前記燃料支持部材の下方に設けられた核分裂生成物核変換部と、を備え、前記核分裂生成物核変換部は、前記ラッパ管の内壁に接して、中央に冷却材の中央流路が形成され前記中央流路の径方向外側の領域内で互いに間隔をあけて鉛直方向に形成された複数の貫通孔を有する中性子遮へい部材と、前記複数の貫通孔のそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔に挿入され、長半減期核分裂生成物を含み鉛直方向に延びた核変換要素部材と、当該核変換要素部材を内蔵し筒状で上端および下端が閉止されて密閉された核変換要素被覆管とを備えた複数の核分裂生成物核変換要素と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、炉心燃料への影響を与えずに炉心軸方向の漏えい中性子を利用した核変換が可能となる。

第１の実施形態に係る高速炉炉心の基本的な構成を示す水平部分断面図である。 第１の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の基本的な構成を示す立断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視水平断面図である。 図３の核分裂生成物核変換要素とその周辺を拡大して示す水平断面図である。 第２の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部の構成を示す部分立断面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線矢視横断面図である。 第２の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換要素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炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部の構成を示す部分縦断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ線矢視横断面図である。 第３の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換要素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炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部の構成を示す部分縦断面図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視横断面図である。 第４の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換要素の構成を示す水平断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る高速炉用燃料集合体および高速炉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。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る高速炉炉心１００の基本的な構成を示す水平部分断面図である。図１は、高速炉炉心１００の６分の１を示している。高速炉炉心１００は、互いに平行に配列されて鉛直方向に延びる高速炉用燃料集合体７０、炉停止用制御棒７５、調整用制御棒７６、および径方向遮へい体７７を有する。高速炉用燃料集合体７０、炉停止用制御棒７５、調整用制御棒７６、および径方向遮へい体７７はそれぞれ、六角柱の外形を有する。

高速炉炉心１００においては、複数の高速炉用燃料集合体７０が水平断面でほぼ円形に配列され、径方向外側に径方向遮へい体７７が配列されている。径方向遮へい体７７は、径方向からの中性子の漏えいを抑止する。炉停止用制御棒７５は、高速炉炉心１００を臨界未満に移行させるために高速炉炉心１００に挿入される。調整用制御棒７６は、通常運転中の反応度を調整するために挿入位置を制御される。

なお、図１では、炉心燃料集合体として、すべて本実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０を装荷している場合を示しているがこれに限定されない。すなわち、一部のみを本実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０とし、残りは、従来の燃料集合体、すなわち後述する核分裂生成物核変換部１０を有さず、通常の下部遮へい体を有する燃料集合体としてもよい。

図２は、第１の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の基本的な構成を示す立断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視水平断面図である。

高速炉用燃料集合体７０は、たがいに平行に配列されて鉛直方向に延びた複数の燃料要素４、燃料要素４の下端を支持する燃料支持部材５、燃料支持部材５の下方に設けられた核分裂生成物核変換部１０、燃料要素４の上部に設けられた上部中性子遮へい体７、およびこれらを収納し、鉛直方向に延びるラッパ管８を有する。燃料支持部材５には、燃料要素４のそれぞれを冷却するための冷却材が通過する複数の流路が形成されている。

燃料要素４は、核分裂性物質のＰｕと親物質のＵの混合酸化物燃料からなり鉛直方向に延びた炉心燃料１、炉心燃料１を収納し鉛直方向に延びて上下が密閉された円筒状の被覆管（図示せず）を有する。被覆管内の、炉心燃料１の下部には下部ブランケット２ａ、上部には上部ブランケット２ｂが配されている。上部ブランケット２ｂの上部は空間となっており、燃焼が進んだ場合に核分裂生成物ガス（ＦＰガス）によって被覆管内の内圧が過度に上昇するのを防止するためのガスプレナム３が形成されている。

核分裂生成物核変換部１０の中性子遮へい部材１４、および上部中性子遮へい体７は、燃料要素４で発生した中性子が、高速炉用燃料集合体７０の上方および下方に漏えいするのを抑制する。中性子遮へい部材１４および上部中性子遮へい体７は、鉄を主成分としており、鉄は主に非弾性散乱により高速中性子のエネルギーを低下させる。ニッケルを主成分とするＮｉ合金の場合も同様な効果が期待できる。

ラッパ管８は、六角柱の形状であり、下部は、円筒状で、側面に、燃料要素４を冷却する冷却材が流入するためのエントランスノズル９が形成されている。また、ラッパ管８の上端は開放されており、冷却材の流出開口となっている。

核分裂生成物核変換部１０は、中性子遮へい部材１４、および複数の核分裂生成物核変換要素１１を有する。中性子遮へい部材１４は、ラッパ管８の内壁に接して、中央に断面が六角形の冷却材の中央流路１０ａが形成されている。中性子遮へい部材１４は、図３に示すように６つのブロックに分割されている。なお、分割されずたとえば一体に形成されていることでもよい。

中性子遮へい部材１４には、たがいに間隔をあけて鉛直方向に複数の貫通孔１４ａ（図４）が形成されている。それぞれの貫通孔１４ａには、鉛直方向に延びた核分裂生成物核変換要素１１が、貫通孔１４ａのそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔１４ａに挿入されている。この間隔は、要素外側流路１４ｂ（図４）を形成する。

中性子遮へい部材１４および核分裂生成物核変換要素１１の下端は、下部支持部材１６に支持され、上端は、上部支持部材１７に支持されている。また、下部支持部材１６および上部支持部材１７には、それぞれ、要素外側流路１４ｂを流れる冷却材が通過する開口が形成されている。

図４は、図３の核分裂生成物核変換要素とその周辺を拡大して示す水平断面図である。複数の核分裂生成物核変換要素１１のそれぞれは、核変換要素部材１２およびこれを収納する核変換要素被覆管１３を有する。核変換要素部材１２は、長半減期核分裂生成物を含み、鉛直方向に延びている。核変換要素被覆管１３は、核変換要素部材１２を内蔵し、筒状で、上端および下端が閉止されて密閉されている。

以上の図１ないし図４によって説明した本実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０の具体的な仕様の例を、以下に列挙して示す。

（高速炉用燃料集合体７０の仕様）
ラッパ管８ 外対面幅：１６４ｍｍ、内対面幅：１５６ｍｍ
（ここで、対面幅は、六角柱の互いに対向する面間の寸法である。）
燃料要素４ 被覆管径：７．５ｍｍ、長さ：１００ｍｍ、１体当り本数：２７１
炉心燃料１：Ｐｕ−Ｕ−１０％Ｚｒ（金属燃料）
ブランケット２ａ、２ｂ：Ｕ−１０％Ｚｒ（劣化ウラン、金属燃料）
核分裂生成物核変換部１０
中性子遮へい部材１４
材質：オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
外対面幅：１５５ｍｍ、内対面幅：８０ｍｍ
軸方向長さ：２００ｍｍ、貫通孔１４ａ直径：１２ｍｍ
核分裂生成物核変換要素１１
核変換要素部材１２：Ｔｃ９９（棒状）
直径４ｍｍ、長さ２００ｍｍ、要素本数１８
核変換要素被覆管１３：直径：７ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ２００ｍｍ

なお、以上は、仕様の一例を示したものであり、これらの仕様に限定されるものではない。

次に、以上のように構成された本実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０および高速炉炉心１００の作用について説明する。

高速炉炉心１００においては、図示しない炉心支持板から、流量配分された冷却材が、高速炉用燃料集合体７０、炉停止用制御棒７５、調整用制御棒７６、および径方向遮へい体７７にそれぞれに流入する。

エントランスノズル９からラッパ管８の下部に流入した冷却材は、ラッパ管８内を上昇し、核分裂生成物核変換部１０の下部に到達する。冷却材の大部分は、核分裂生成物核変換部１０の中央に形成された中央流路１０ａ内を上昇する。また、一部は、それぞれの要素外側流路１４ｂ内を上昇する。中央流路１０ａおよび要素外側流路１４ｂから流出した冷却材は、燃料支持部材５の下方の空間に流入する。

こののち、冷却材は、燃料支持部材５を通過して燃料要素４の外側を上昇する。燃料要素４を冷却して温度が上昇した冷却材は、燃料要素４の上方に流出し、上部中性子遮へい体７の内側を通過した後に、ラッパ管８の上部の開口から高速炉用燃料集合体７０の上方に流出する。

核分裂生成物核変換部１０は、高速炉用の従来の燃料集合体の下部遮へい体が設けられている箇所に設けられている。また、筒状で、中央に中央流路１０ａが形成されている点でも従来と同様である。燃料要素４に流入する冷却材は、中央流路１０ａおよび複数の要素外側流路１４ｂを経由することになる。このため、燃料支持部材５の下方の空間に流入する冷却材の水平断面での流量分布は、中央流路１０ａのみでなく、その周辺からも流入することになる。

この結果、中央流路１０ａから燃料支持部材５の下方の空間への流入の際に拡流し圧力損失の増加に寄与する流量が減少する。また、中央流路１０ａのみでなく、その周辺からも流入することから、燃料支持部材５の下方空間へ流入する冷却材の流量分布はなだらかとなり好ましい方向となる。

核分裂生成物核変換部１０は、主に、中性子遮へい部材１４と核分裂生成物核変換要素１１とを有する。中性子遮へい部材１４は、従来と同様の遮へい部材であり、中性子の遮へい機能を有する。また、核分裂生成物核変換要素１１は中性子を捕獲するＴｃ９９を保有しており、同様に中性子の漏えいを抑制する機能を有する。

また、中性子遮へい部材１４と核分裂生成物核変換要素１１とのギャップである要素外側流路１４ｂの幅は、前記の仕様例では、貫通孔１４ａの直径が１２ｍｍと核変換要素被覆管１３の直径が７ｍｍとから２．５ｍｍであり、流路高さ２００ｍｍに対して約１〜２％である。したがって、この要素外側流路１４ｂから漏えいする中性子は、中央流路１０ａから漏えいする中性子に比べて十分に小さい。

燃料要素４において発生して下方に漏えいした中性子のうちエネルギーの高い高速中性子は、核分裂生成物核変換部１０の中性子遮へい部材１４を通過する過程において、中性子遮へい部材１４を構成する物質との非弾性散乱によりエネルギーを低減する。

エネルギーを低減した中性子は、漏えい中性子のうち元々エネルギーの低い中性子とともに、核分裂生成物核変換部１０の核分裂生成物核変換要素１１が有するＬＬＦＰであるＴｃ９９に捕獲される。これにより、軸方向に漏えいした中性子による効率的なＬＬＦＰ核変換が可能となる。前記の各部の仕様の場合、約３％／年の核変換率が得られる。ここで、核変換率は、中性子吸収により変換された原子数（１年あたり）を変換前の原子数で除した値である。

従来の高速炉用の燃料集合体に設けられている中性子遮へい体の一部の領域を利用するので、物量には大きな影響を与えないで核変換が可能となる。また、燃料要素とは物理的に分離して配置できるため、製造時や再処理時の取り扱いの複雑化を避け、物性や照射特性の異なる炉心燃料へ影響を与えずに核変換を行うことが可能となる。さらには、原理的にはすべての高速炉用燃料集合体にＬＬＦＰを装荷することができるため、炉心内への本集合体の装荷数を増すことで核変換の絶対量を増大することができる。

以上のように、本発明の実施形態によれば、炉心燃料への影響を与えずに炉心軸方向の漏えい中性子を利用した核変換が可能となる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部２０の構成を示す部分立断面図である。また、図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線矢視横断面図である。また、図７は、核分裂生成物核変換要素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核分裂生成物核変換部２０の核分裂生成物核変換要素２１は、核変換要素部材２２、および核変換要素被覆管２３を有する。核変換要素部材２２は、Ｔｃ９９と中性子減速物質ＢｅＯが体積比で１：３の割合で混合された混合体を有する。すなわち、核変換要素部材２２は、中性子減速部材であり、また第１の実施形態における核変換要素部材に相当する。

なお、中性子減速物質は、以下、ＢｅＯの場合を示すが、ＢｅＯには限定されない。たとえば、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、黒鉛、炭化ケイ素のいずれかを含むことでよい。

本第２の実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０の具体的な仕様の例として、第１の実施形態と異なる部分を以下に列挙して示す。

（高速炉用燃料集合体７０の仕様の核分裂生成物核変換部２０の部分）
核分裂生成物核変換部２０
中性子遮へい部材１４
材質：オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
外対面幅：１５５ｍｍ、内対面幅：８０ｍｍ
軸方向長さ：２００ｍｍ、貫通孔直径：１６ｍｍ
核分裂生成物核変換要素２１
核変換要素部材２２：Ｔｃ９９／減速物質ＢｅＯ（棒状）
Ｔｃ９９／ＢｅＯ混合比１：３
直径８ｍｍ、長さ２００ｍｍ、要素本数１８
核変換要素被覆管２３：直径：１１ｍｍ、厚さ１ｍｍ、長さ２００ｍｍ

核変換要素部材２２が、Ｔｃ９９と中性子減速物質ＢｅＯとの混合体であることにより、Ｔｃ９９の量を維持するために、核変換要素部材２２は、第１の実施形態の核変換要素部材１２の直径４ｍｍに対して、直径８ｍｍとなっている。また、これに対応するために、中性子遮へい部材１４に形成された貫通孔１４ａの直径も大きくなっている。

なお、以上は、仕様の一例を示したものであり、これらの仕様に限定されるものではない。

以上のように構成された本第２の実施形態においては、燃料要素４から下方に漏えいした中性子のうち、エネルギーの高い中性子は、中性子遮へい部材１４との相互作用である非弾性散乱によってそのエネルギーが低減する。また、核分裂生成物核変換要素２１中の減速部材であるＢｅＯとの弾性散乱によりさらに減速されエネルギーを低減する。

エネルギーを失った中性子は、漏えい中性子のうち元々エネルギーの低い中性子とともに、核分裂生成物核変換要素２１中のＬＬＦＰであるＴｃ９９に捕獲される。これにより、第１の実施形態よりもさらに効率的なＬＬＦＰ核変換が可能となる。前記の仕様の場合で、約４％／年の核変換率年が得られる。また、中性子遮へい体だけの構造に比べて、炉心外への漏えい中性子も、さらに抑制することができる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部の構成を示す部分縦断面図である。また、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線矢視横断面図である。また、図１０は、核分裂生成物核変換要素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３の実施形態に係る核分裂生成物核変換部３０の核分裂生成物核変換要素３１は、核変換要素部材３２、核変換要素部材３２を収納する核変換要素被覆管３３、環状減速部材３４、環状減速部材３４を収納する環状減速部材収納容器３５、および冷却管３６を有する。本第３の実施形態においては、核分裂生成物核変換部３０は、核変換要素被覆管１３の外側に形成された冷却材の流路である要素内流路３４ｂの外側に配された環状減速部材３４を有する。環状減速部材３４は、第２の実施形態と同様に、たとえば、酸化ベリリウム（ＢｅＯ）、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、黒鉛、炭化ケイ素のいずれかを含む。

環状減速部材３４は、筒状の形状である。したがって、環状減速部材３４を収納する環状減速部材収納容器３５も筒状の外形であり、径方向内側および外側の円筒および上下の閉止蓋を有する容器である。冷却管３６は、環状減速部材収納容器３５の径方向内側に設けられた管であり、核変換要素被覆管１３とともに、環状の要素内流路３４ｂを形成する。

本第３の実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０の具体的な仕様の例として、第１の実施形態と異なる部分を以下に列挙して示す。

（高速炉用燃料集合体７０の仕様の核分裂生成物核変換部３０の部分）
核分裂生成物核変換部３０
中性子遮へい部材１４
材質：オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
外対面幅：１５５ｍｍ、内対面幅：８０ｍｍ
軸方向長さ：２００ｍｍ、貫通孔直径：１６ｍｍ
核分裂生成物核変換要素３１
核変換要素部材３２：Ｔｃ９９（棒状）
直径４ｍｍ、長さ２００ｍｍ、要素本数１８
被覆管３３：直径：６ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍ、長さ２００ｍｍ
環状減速部
冷却管３６：外径／内径 １３ｍｍ／１０ｍｍ
環状減速部材３４：減速物質 ＢｅＯ
外径／内径 １７ｍｍ／１４ｍｍ
Ｔｃ９９／ＢｅＯ体積比 １：８
環状減速部材収納容器３５ 外径／内径 ２２ｍｍ／１２ｍｍ

核分裂生成物核変換部３０にはＬＬＦＰとしてＴｃ９９が被覆管３３内に充填されている。Ｔｃ９９とＢｅＯの体積比は１：８となっており、第２の実施形態での仕様例よりも中性子減速部材の体積の割合が大きい。これはＴｃ９９とＢｅＯが混合されていて実質的に均質である第２の実施形態とは異なり、本第３の実施形態では、Ｔｃ９９から離れて環状減速部材３４が配置されているためである。すなわち、同一の体積比とすると、減速部材の効果が小さくなるためである。

なお、以上は、仕様の一例を示したものであり、これらの仕様に限定されるものではない。

以上のように構成された本第３の実施形態においては、燃料要素４から下方に漏えいした中性子のうち、エネルギーの高い中性子は、中性子遮へい部材１４との相互作用である非弾性散乱によってそのエネルギーが低減する。また、核分裂生成物核変換要素３１中の減速部材であるＢｅＯとの弾性散乱により、さらに減速されエネルギーを低減する。

エネルギーを失った中性子は、漏えい中性子のうち元々エネルギーの低い中性子とともに、核分裂生成物核変換要素３１中のＬＬＦＰであるＴｃ９９に捕獲される。これにより、第２の実施形態と同様なＬＬＦＰ核変換が可能となる。前記の仕様の場合で、約４％ないし５％／年の核変換率年が得られる。また、中性子遮へい体だけの構造に比べて、炉心外への漏えい中性子も、第２の実施形態と同等に抑制することができる。

［第４の実施形態］
図１１は、第４の実施形態に係る高速炉用燃料集合体の核分裂生成物核変換部の構成を示す部分縦断面図である。図１２は、図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ線矢視横断面図である。また、図１３は、核分裂生成物核変換要素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４の実施形態における核分裂生成物核変換部４０は、中心孔の周囲からラッパ管８の内面までに、内側中性子遮へい部４４ａ、中性子減速部４５、および外側中性子遮へい部４４ｂの３つの領域が径方向に層状に配置されている。核分裂生成物核変換要素４１は、中性子減速部４５の領域内に、ほぼ周方向に互いに間隔をもって配されている。核分裂生成物核変換要素４１は、核変換要素部材４２、被覆管４３および収納容器４７を有する。

中性子減速部４５は、中性子減速部材が収納容器４６に収められ、層状の部分をなしている。

本第４の実施形態に係る高速炉用燃料集合体７０の具体的な仕様の例として、第１の実施形態と異なる部分を以下に列挙して示す。

（高速炉用燃料集合体７０の仕様の核分裂生成物核変換部４０の部分）
核分裂生成物核変換部４０
中性子遮へい部４４ａ、４４ｂ
材質：オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）
最外対面幅：１５５ｍｍ、最内対面幅：８０ｍｍ
軸方向長さ：２００ｍｍ
核分裂生成物核変換要素４１
核変換要素部材４２：Ｔｃ９９（棒状）
直径４ｍｍ、長さ２００ｍｍ、要素本数１８
被覆管４３：直径：６ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍ、長さ２００ｍｍ
中性子減速部４５
冷却管４７：外径／内径 １３ｍｍ／１０ｍｍ
中性子減速部４５：材質 ＢｅＯ
外対面幅／内対面幅 １３０ｍｍ／１０５ｍｍ
Ｔｃ９９／ＢｅＯ体積比 １：１２
収納容器４６：外対面幅／内対面幅 １３４ｍｍ／１０１ｍｍ

本第４の実施形態では、第３の実施形態とほぼ同様な作用と効果がある。さらに、本第４の実施形態では、中性子減速部材領域を広くとれるために、Ｔｃ９９に対する減速部材の比率を大きくでき、核変換効率は第３の実施形態よりも高くできる。すなわち、前記の仕様例の場合、約５％／年の核変換効率が得られる。同時に、中性子遮へい体だけの構造に比べて、炉心外への漏えい中性子を同等に抑えることができる。

［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、各実施形態では、核分裂生成物核変換部１０が燃料要素４の下方に設けられている場合を示したが、これには限定されない。核分裂生成物核変換部１０が燃料要素４の上方に設けられている場合であってもよい。特に、燃料要素のガスプレナム３が、炉心燃料１の下方に設けられている場合は、炉心燃料１で発生した中性子がガスプレナム３を経由せずに漏えいしてくる燃料要素４の上方に核分裂生成物核変換部１０を設けることが有効である。

また、各実施形態においては、炉心燃料としてＰｕ−Ｕ−Ｚｒの場合を示したがこれに限定されない。たとえば、ＴＲＵ（超ウラン元素）−Ｕ−Ｚｒ、ＰｕＯ_２−ＵＯ_２／ＴＲＵＯ_２−ＵＯ_２（混合酸化物燃料）や、ＴＲＵ−Ｚｒ（ＴＲＵ金属燃料）の場合でも同様な効果を得ることができる。

また、ＬＬＦＰとしてＴｃ９９の場合を例として示したが、Ｉ１２９など、他のＬＬＦＰを用いても、核変換効率は変わるが、同様な効果を得ることができる。

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…炉心燃料、２ａ…下部ブランケット、２ｂ…上部ブランケット、３…ガスプレナム、４…燃料要素、５…燃料支持部材、７…上部中性子遮へい体、８…ラッパ管、９…エントランスノズル、１０…核分裂生成物核変換部、１０ａ…中央流路、１１…核分裂生成物核変換要素、１２…核変換要素部材、１３…核変換要素被覆管、１４…中性子遮へい部材、１４ａ…貫通孔、１４ｂ…要素外側流路、１６…下部支持部材、１７…上部支持部材、２０…核分裂生成物核変換部、２１…核分裂生成物核変換要素、２２…核変換要素部材、２３…核変換要素被覆管、３０…核分裂生成物核変換部、３１…核分裂生成物核変換要素、３２…核変換要素部材、３３…被覆管、３４…環状減速部材、３４ｂ…要素内流路、３５…環状減速部材収納容器、３６…冷却管、４０…核分裂生成物核変換部、４１…核分裂生成物核変換要素、４２…核変換要素部材、４３…被覆管、４４ａ…内側中性子遮へい部、４４ｂ…外側中性子遮へい部、４５…中性子減速部、４６…収納容器、４７…冷却管、７０…高速炉用燃料集合体、７５…炉停止用制御棒、７６…調整用制御棒、７７…径方向遮へい体、１００…高速炉炉心

Claims (7)

1. 互いに間隔をおいて並列に配置され鉛直方向に延びた複数の棒状の燃料要素と、
   前記複数の燃料要素全体の径方向外側を覆い、上部が冷却材の流出のために開放されて、入口側には冷却材の流入用のエントランスノズルが形成された筒状で前記鉛直方向に延びたラッパ管と、
   前記ラッパ管内に収納され、前記燃料要素を下方から支持する多孔平板状の燃料支持部材と、
   前記ラッパ管内に収納され、前記燃料支持部材の下方に設けられた核分裂生成物核変換部と、
   を備え、
   前記核分裂生成物核変換部は、
   前記ラッパ管の内壁に接して、中央に冷却材の中央流路が形成され前記中央流路の径方向外側の領域内で互いに間隔をあけて鉛直方向に形成された複数の貫通孔を有する中性子遮へい部材と、
   前記複数の貫通孔のそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔に挿入され、長半減期核分裂生成物を含み鉛直方向に延びた核変換要素部材と、当該核変換要素部材を内蔵し筒状で上端および下端が閉止されて密閉された核変換要素被覆管とを備えた複数の核分裂生成物核変換要素と、
   を有することを特徴とする高速炉用燃料集合体。
2. 前記長半減期核分裂生成物は、テクネチウム９９またはヨウ素１２９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。
3. 前記中性子遮へい部材は、オーステナイト系ステンレス鋼またはニッケル合金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。
4. 前記核変換要素部材は、前記長半減期核分裂生成物と中性子減速物質との混合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。
5. 前記核分裂生成物核変換要素は、前記核変換要素被覆管の径方向外側に間隙を挟んで設けられた中性子減速物質を含む筒状の環状減速部材をさらに有す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。
6. 前記中性子減速物質は、酸化ベリリウム、酸化リチウム、炭化ホウ素、水素化ジルコニウム、黒鉛、炭化ケイ素のいずれかを含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の高速炉用燃料集合体。
7. 格子状に配列され鉛直方向に互いに平行に延びた複数の高速炉用燃料集合体を具備し、長半減期核分裂生成物を核変換させ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、
   互いに間隔をおいて並列に配置され鉛直方向に延びた複数の棒状の燃料要素と、
   前記複数の燃料要素全体の径方向外側を覆い、上部が冷却材の流出のために開放されて、入口側には冷却材の流入用のエントランスノズルが形成された筒状で前記鉛直方向に延びたラッパ管と、
   前記ラッパ管内に収納され、前記燃料要素を下方から支持する多孔平板状の燃料支持部材と、
   前記ラッパ管内に収納され、前記燃料支持部材の下方に設けられた核分裂生成物核変換部と、
   を備え、
   前記核分裂生成物核変換部は、
   前記ラッパ管の内壁に接して、中央に冷却材の中央流路が形成され前記中央流路の径方向外側の領域内で互いに間隔をあけて鉛直方向に形成された複数の貫通孔を有する中性子遮へい部材と、
   前記複数の貫通孔のそれぞれの内壁と間隔を空けてそれぞれの貫通孔に挿入され、長半減期核分裂生成物を含み鉛直方向に延びた核変換要素部材と、当該核変換要素部材を内蔵し筒状で上端および下端が閉止されて密閉された核変換要素被覆管とを備えた複数の核分裂生成物核変換要素と、
   を有することを特徴とする高速炉炉心。

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