JP2016085118A - 高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する炉心 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を低減することで、ボイド反応度の低減を可能とする高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する高速炉の炉心を提供する。【解決手段】燃料棒被覆管４内に核燃料物質を含む燃料ペレット１０を複数充填する燃料棒２を、複数本束ねてラッパ管７に収容し高速炉の炉心に装荷される燃料集合体１は、複数の燃料棒２の上部端栓３の上方に、ラッパ管７により画定されるナトリウムプレナム領域１２を備える。各燃料棒２は、複数の燃料ペレット１０により形成される燃料領域１１の上端部と上部端栓３との間に、燃料棒被覆管４により画定される上部ガスプレナム領域５を有する。そして上部ガスプレナム領域５に皿ばね８を配し、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を低減する。【選択図】図１

Description

本発明は、高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する炉心に係り、Ｎａボイド反応度を負とすることで、安全性の向上を可能とする高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する炉心に関する。

一般的に、高速増殖炉は、原子炉容器内に炉心を配置しており、冷却材である液体ナトリウムを原子炉容器内に充填している。その炉心に装荷される高速炉用燃料集合体は、プルトニウムを富化した劣化ウラン（^２３８Ｕ）を封入した複数の燃料棒、束ねられた複数の燃料棒を取り囲むラッパ管、これらの燃料棒の下端部、及び燃料棒の下方に位置する中性子遮蔽体を支持するエントランスノズル、及び燃料棒の上方に位置する冷却材流出部を有する。

高速増殖炉の炉心は、内側炉心領域及び内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域を有する炉心燃料領域、炉心燃料領域を取り囲むブランケット燃料領域、及びブランケット燃料領域を取り囲む中性子遮蔽体領域を有する。標準的な均質炉心の場合、外側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度は、内側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度よりも高くなっている。この結果、炉心の半径方向における出力分布が平坦化される。

一方、原子炉の使用済燃料の再処理で発生する高レベル放射性廃棄物（ＨＬＷ：Ｈｉｇｈ Ｌｅｖｅｌ Ｒａｄｉｏａｃｔｉｖｅ Ｗａｓｔｅ）のうち、マイナーアクチニド（ＭＡ：Ｍｉｎｏｒ Ａｃｔｉｎｉｄｅ）は長期間放射能を有しており、このＭＡをリサイクルして高速炉で核変換することによってＨＬＷの有害度を減らし、かつ減衰速度を増大することにより、地層処分場の負荷を減らし、環境負荷低減をはかる研究が行われている。ところが、ＭＡを炉心に装荷すると、炉の安全性に係るボイド反応度（冷却材である液体Ｎａの沸騰により印加される反応度）が増大する傾向にある。そこで、ボイド反応度を抑制する一つの有力な方策として、非特許文献１が提案されている。

非特許文献１には、Ｎａプレナム領域を燃料棒束の上に設けた燃料集合体の導入が記載されている。大型の炉心の燃料領域が正のボイド反応度をもつのに対して、Ｎａプレナム領域は負のボイド反応度をもつことから、冷却材流量喪失等の過渡事象時に、Ｎａプレナム領域のボイドにより炉心全体の実効的なボイド反応度を負にできる可能性がある。ボイド反応度のＮａプレナム領域構造材割合依存性が示されており、構造材割合が小さい程、ボイド反応度が小さくなる。

また、加圧水型原子炉（ＰＷＲ）に関するものであるものの、特許文献１に記載される技術が知られている。特許文献１では、燃料集合体を構成する各燃料棒の被覆管内において、上部端栓と最上部の燃料ペレット間に複数の皿ばねを配する構成が開示されている。複数の皿ばねにより、予備的に燃料ペレットに張力を付与することで、クリープ発生を防止するものである。

特開昭６２−３６９１号公報

Ｋ. Ｋａｗａｓｈｉｍａ, Ｋ. Ｆｕｊｉｍｕｒａ, ｅｔ ａｌ., "Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｄｅｓｉｇn ｏｆ ｔｈｅ Ａｘｉａｌｌｙ Ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｏｒｅ"， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏf ＦＲ‘９１， ｐｐ３．３−１， Ｋｙｏｔｏ， Ｊａｐａｎ， Ｏｃｔ．， （１９９１）．

非特許文献１には、ボイド反応度のＮａプレナム領域構造材割合依存性について開示されるものの、高速炉用燃料集合体を如何に構成すべきか具体的な開示は無い。特に、燃料集合体は、高速炉炉心に装荷するため輸送されるが、輸送時における燃料集合体を構成する燃料棒内の燃料ペレットに付加される振動については言及されていない。

また、特許文献１では、上部端栓と最上部の燃料ペレット間に、複数の皿ばねを配するものである。従って、上部端栓と最上部の燃料ペレット間に形成される空間が、その軸方向において拡がるという課題を有する。また、特許文献１は、ＰＷＲに関するものであるため、燃料集合体内において、燃料棒の上方に配されるＮａプレナム領域を備えていない。

そこで本発明は、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を低減することで、ボイド反応度の低減を可能とする高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する高速炉の炉心を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の高速炉用燃料集合体は、燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容し高速炉の炉心に装荷される燃料集合体であって、前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域と、前記上部ガスプレナム領域に配される皿ばねを有することを特徴とする。

また、本発明の高速炉用燃料集合体は、燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容し高速炉の炉心に装荷される燃料集合体であって、前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間であって、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域を有し、前記上部ガスプレナム領域の軸方向長さは、前記燃料ペレットの熱膨張量及び前記燃料棒被覆管の熱膨張量の差分に基づき定められることを特徴とする。

また、本発明の高速炉の炉心は、内側炉心領域と、前記内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域と、前記外側炉心領域を取り囲む径方向ブランケット領域と、前記径方向ブランケット領域を取り囲む中性子遮蔽体領域を有する高速炉の炉心であって、前記内側炉心領域及び外側炉心領域に装荷され、燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容する燃料集合体は、前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域と、前記上部ガスプレナム領域に配される皿ばねを有することを特徴とする。

本発明によれば、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を低減することで、ボイド反応度の低減を可能とする高速炉用燃料集合体及びそれを装荷する高速炉の炉心を提供できる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉用燃料集合体の縦断面図である。 図１に示す実施例１の高速炉用燃料集合体の縦断面図、及びそれを装荷する高速炉炉心の横断面図である。 図２に示す高速炉用燃料集合体を装荷する高速炉炉心の縦断面図であり、炉心中央から外周部までを示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉用燃料集合体の縦断面図、及びそれを装荷する高速炉炉心の横断面図である。 図４に示す高速炉用燃料集合体を装荷する高速炉炉心の縦断面であり、炉心中央から外周部までを示す図である。 上部ガスプレナム領域の長さとＮａボイド反応度との関係を示す図である。 本発明の他の実施例に係る実施例３の高速炉用燃料集合体を構成する燃料棒の縦断面図である。

本明細書において、「Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合」とは、高速炉用燃料集合体を構成する燃料棒の燃料領域より上部であって、上部端栓の上方に配されるＮａプレナム領域を含む領域における、構造材の体積割合をいう。すなわち、上部ガスプレナム領域、上部端栓及びＮａプレナム領域を含む領域における構造材の体積割合を意味する。上記構造材は、Ｎａプレナム領域を画定するラッパ管、上部端栓及び上部ガスプレナム領域を画定する燃料棒被覆管等である。

以下、図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る実施例１の高速炉用燃料集合体の縦断面図である。図１に示すように、高速炉用燃料集合体１は、横断面六角形状のラッパ管７内に、複数本の燃料棒２を束ねて収容し構成される。高速炉用燃料集合体１は、ステンレス鋼製（ＳＵＳ）のラッパ管７内であって、燃料棒２の上端部より上方に、Ｎａプレナム領域１２を有する。Ｎａプレナム領域１２は、ラッパ管７により画定される空間であり、この空間内に冷却材である流動Ｎａ（液体Ｎａ）のみを包含する。また、高速炉用燃料集合体１は、図１に示すラッパ管７の下方に、冷却材である液体Ｎａを複数の燃料棒２の間に通流するため、液体Ｎａを導入するエントランスノズル（図示せず）、及びラッパ管７の上方に、ハンドリングヘッド（図示せず）等を備える。また、隣接する燃料棒２同士の間隔は、燃料棒表面に巻き付けたワイヤースペーサ（図示せず）によって保持される。

燃料棒２は、ステンレス鋼製の燃料棒被覆管４内に、プルトニウム酸化物（ＰｕＯ₂）及び劣化ウランの酸化物（ＵＯ₂）を混合した混合酸化物（以下、ＭＯＸ（Ｍｉｘｅｄ Ｏｘｉｄｅ）燃料という）を焼結した燃料ペレット１０を複数個、軸方向に充填し封止し構成される。なお、燃料ペレット１０は、上記ＭＯＸ燃料に限らず、Ｐｕ等の核燃料を含むものが用いられる。また、燃料棒２は、その上下の端部に、それぞれ上部端栓３及び下部端栓９を配し、燃料棒被覆管４内を封止する。また、燃料棒２は、下部端栓９と複数の燃料ペレット１０にて形成される燃料領域１１の下端部との間に下部ガスプレナム領域６を備える。下部ガスプレナム領域６は、燃料棒被覆管４により画定される空間であり、燃料ペレット１０の核分裂により発生する、核分裂生成物（Ｆｉｓｓｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ：ＦＰ）のガスを空間内に保持する。なお、下部ガスプレナム領域６の長さは、燃料寿命中に発生する全てのＦＰガスを保持しつつ、ＦＰガスによる内圧に起因する燃料棒被覆管４の応力が設計制限以下となるように決めている。

図１中の領域Ａの拡大図に示すように、燃料棒２の上端部側には、上部端栓３と燃料領域１１との間に、上部ガスプレナム領域５が設けられている。上部ガスプレナム領域５は、燃料棒被覆管４により画定される空間であり、内部に、皿ばね８を配する。皿ばね８は、上端が上部端栓３の下面と当接し、下端が燃料領域１１を形成する最上部の燃料ペレット１０の上面（燃料領域１１の上端部）と当接する。これにより、高速炉用燃料集合体１の輸送あるいは搬送時において、皿ばね８の付勢力により燃料領域１１を形成する燃料ペレット１０の位置を保持する。

図２に、高速炉用燃料集合体１,１’の縦断面図、及びそれを装荷する高速炉炉心２１の横断面図を示す。図２の横断面図に示すように、高速炉炉心２１は、内側炉心領域２２、内側炉心領域２２を取り囲む外側炉心領域２３を有する炉心燃料領域、径方向ブランケット領域２４、及び中性子遮蔽体領域２５を有する。高速炉炉心２１の半径方向において、径方向ブランケット領域２４が炉心燃料領域を取り囲んで炉心燃料領域と隣り合っており、中性子遮蔽体領域２５が径方向ブランケット領域２４を取り囲んでいる。制御棒２６は、炭化ホウ素（Ｂ_４Ｃ）ペレットをステンレス製の被覆管に封入した複数の中性子吸収棒を有し、これらの中性子吸収棒を横断面六角形状のラッパ管に収容して構成される。制御棒２６は、主炉停止系及び後備炉停止系の独立した２系統の構成となっているが、図２ではこれらを区別せず記載している。

図２において、内側炉心領域２２に装荷する高速炉用燃料集合体１のＰｕ富化度よりも、外側炉心領域２３に装荷する高速炉用燃料集合体１’のＰｕ富化度を高くしている。高速炉用燃料集合体１及び１’は、図１に示す高速炉用燃料集合体１と形状は同一であるものの、高速炉用燃料集合体１’内の各燃料棒２’に充填される燃料ペレット１０’のＰｕ富化度を高くすることにより、高速炉炉心２１の半径方向の出力分布が平坦化される。

ここで、図３に、図２に示す高速炉用燃料集合体１，１’を装荷する高速炉炉心２１の炉心中央から外周部までの縦断面図を示す。図３では、高速炉炉心２１の中心軸Ｏ_２１に対し、軸対象に１／２炉心を図示している。図３に示すように、内側炉心領域２２に装荷される高速炉用燃料集合体１の燃料領域１１と、外側炉心領域２３に装荷される高速炉用燃料集合体１’の燃料領域１１’の軸（Ｏ_２１）方向長さは等しい。核分裂性物質であるＰｕの富化度（全重金属ＨＭ（Ｈｅａｖｙ ｍｅｔａｌ）の重量に対するＰｕの重量比）が、高速炉用燃料集合体１のＰｕ富化度より、高速炉用燃料集合体１’のＰｕ富化度を高く設定し、炉心の半径方向の出力が平坦化されている。

このように、本実施例のＮａプレナム領域１２を有する高速炉用燃料集合体１，１’を装荷する高速炉炉心２１では、万が一ポンプの故障等により冷却材である液体Ｎａの流量が低下する場合を想定すると、燃料棒２，２’の上端部付近の液体Ｎａの温度が最も上昇する。これによりＮａプレナム領域１２の冷却材である液体Ｎａの密度の低下、もしくはボイドの発生によって、燃料領域１１，１１’で発生した中性子が上方に漏れやすくなり、ボイド反応度を大幅に低減する効果を有する。

従来の高速炉では、炉心に装荷される燃料集合体内の燃料棒の下部に、本実施例の高速炉用燃料集合体１，１’と同様にガスプレナム領域を有する。そして、各燃料棒は、燃料ペレットの上端と上部端栓との間に、燃料集合体の搬送あるいは輸送時に燃料ペレットの位置を保持するためのコイルばねが配置されている。コイルばねが配される領域（上部ガスプレナム領域）の軸方向の長さは、１０ｃｍ程度である。上記コイルばねの機能は、燃料照射前の室温において、燃料搬送時に燃料ペレットを保持することである。

これに対し、本実施例の高速炉用燃料集合体１，１’では、上述のとおり上部ガスプレナム領域５内に、ステンレス鋼製の皿ばね８を配する構成としている。これは、皿ばね８は、高速炉用燃料集合体１，１’の輸送あるいは搬送時に、燃料ペレット１０の位置を保持するためのみに供され、高速炉の運転時においては特に必要とされるものでないことに着目したことによる。このように、皿ばね８により燃料ペレット１０に対し付勢力を付与する構成とすることで、上部ガスプレナム領域５の軸方向長さの低減が図られる。本実施例における上部ガスプレナム領域５の軸方向長さは、約２ｃｍとしている。

上述のとおり、Ｎａプレナム領域を有する高速炉用燃料集合体１，１’を装荷する高速炉のボイド反応度は、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合が小さい程小さくなる。Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合とは、上述のとおり、図１に示す、一点鎖線で囲まれた領域Ｂ、すなわち、上部ガスプレナム領域５、上部端栓３及びＮａプレナム領域１２を含む領域における構造材の体積割合を意味するものである。従って、本実施例では、Ｎａプレナム領域１２の上部ガスプレナム領域５の軸方向長さを、従来の約１０ｃｍから約２ｃｍに短縮（約１／５以下）し、構造材の体積割合を低減している。これにより、ボイド反応度が低減され、仮にスクラム失敗を想定して、それに伴う流量喪失過渡時（Ｕｎｐｒｏｔｅｃｔｅｄ Ｌｏｓｓ ｏｆ Ｆｌｏｗ：ＵＬＯＦ時）の安全性を向上できる。

本実施例によれば、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を低減することで、ボイド反応度を低減できる。また、ボイド反応度を低減できることから、万が一、スクラム失敗等の事象が生じた場合においても、高速炉の安全性を向上できる。

図４に、本発明の他の実施例に係る実施例２の高速炉用燃料集合体の縦断面図、及びそれを装荷する高速炉炉心の横断面図を示す。図１及び図２に示す構成要素と同一の構成要素に同一符号を付している。実施例１では、同一形状の高速炉用燃料集合体１、１’をそれぞれ高速炉炉心の内側炉心領域２２、外側炉心領域２３に装荷する構成とした。これに対し、本実施例では、内側炉心領域２２に装荷する高速炉用燃料集合体１ａと、外側炉心領域２３に装荷する高速炉用燃料集合体１ｂを異なる形状とした点が異なる。以下では、実施例１と重複する説明を省略する。

図４に示すように、高速炉炉心３１の内側炉心領域２２に装荷される、高速炉用燃料集合体１ａは、燃料棒２ａの燃料棒被覆管４内に充填される複数の燃料ペレット１０の軸方向略中央より下側に、劣化ウランを核燃料とする内部ブランケットペレット３２が配される。これにより燃料領域は、内部ブラケットペレット３２を境に、その上方に第１の燃料領域１１ａ、下方に第２の燃料領域１１ａ’に分割される。これら、第１の燃料領域１１ａ、内部ブランケットペレット３２及び第２の燃料領域１１ａ’の軸方向合計の長さは、上述の実施例１における燃料領域１１の軸方向長さより短い。なお、内部ブランケットペレット３２の配置位置は、上述のように、複数の燃料ペレット１０の軸方向略中央より下側とするのが望ましいが、必ずしもこれに限らず、複数の燃料ペレット１０の軸方向略中央に配する構成としても良い。

また、図４に示すように、高速炉炉心３１の外側炉心領域２３に装荷される、高速炉用燃料集合体１ｂは、上述の実施例１における燃料領域１１の軸方向長さよりも長い燃料領域１１ｂを有する。すなわち、高速炉用燃料集合体１ｂは、実施例１に示した燃料棒２に比し、燃料棒被覆管４内への燃料ペレット１０の充填数を増加させた燃料棒２ｂを収容する。

図５に、図４に示す高速炉用燃料集合体１ａ，１ｂを装荷する高速炉炉心３１の炉心中央から外周部までの縦断面図を示す。図５では、高速炉炉心３１の中心軸Ｏ_３１に対し、軸対象に１／２炉心を図示している。図５に示すように、高速炉炉心３１に装荷される高速炉用燃料集合体１ａに収容される燃料棒２ａの第１の燃料領域１１ａ及び第２の燃料領域１１ｂの間に、劣化ウランを燃料物質とする内部ブランケットペレット３２が設けられている。第１の燃料領域１１ａの軸（Ｏ_３１）方向長さは、第２の燃料領域１１ａ’の軸方向長さより長い。これら、第１の燃料領域１１ａ、内部ブランケットペレット３２及び第２の燃料領域１１ａ’の軸方向長さの合計は、実施例１の高速炉炉心２１に装荷される高速炉用燃料集合体１に収容される燃料棒２の燃料領域１１の軸方向長さより短い。また、外側炉心領域２３に装荷される高速炉用燃料集合体１ｂに収容される燃料棒２ｂの燃料領域１１ｂの軸方向の長さは、上記第１の燃料領域１１ａ、内部ブランケットペレット３２及び第２の燃料領域１１ｂの軸方向長さの合計よりも長い。

図５に示す高速炉炉心３１の内側炉心領域２２では、軸方向の略中央よりより下側に核分裂性物質であるＰｕ等を含まない領域（内部ブランケットペレット３２）を有することにより、出力が低く、そのためＰｕ等を含む第１の燃料領域１１ａの上端付近の中性子束が高い。従って、冷却材である液体Ｎａの沸騰を想定した場合に、第１の燃料領域１１ａ内の燃料ペレット１０からＮａプレナム領域１２に漏洩する中性子が増大することにより、実施例１の図３に示す高速炉炉心２１に比し、更にボイド反応度を低減することが可能となる。

図６は、上部ガスプレナム領域の長さとＮａボイド反応度との関係を示す図である。図６は、本実施例によるボイド反応度の低減効果を解析によって評価した図である。評価に用いた解析方法は以下の通りである。

一般的に、原子炉内の核反応は、中性子の空間、エネルギーの各領域における挙動を支配するボルツマンの輸送方程式に支配される。通常の高速炉の炉心計算では、上記輸送方程式を、中性子束（単位は１秒、１ｃｍ^２あたりの中性子の個数）流が中性子束分布の勾配に比例すると近似する拡散近似に基づく、中性子拡散方程式による解析コードを用いて実施されることが多い。更に、我が国の高速炉の設計計算では、Ｐｕを初めとする核燃料の同位体（^２３９Ｐｕ, ^２４０Ｐｕ，^２３８Ｕ，^２３７Ｎｐ，^２４１Ａｍ等）、原子炉の構造材（Ｆｅ等）、冷却材（^２３Ｎａ）等と中性子との反応確率である中性子断面積（単位は１／ｃｍ^２）等のデータを体系化した断面積ライブラリのうち、我が国で整備された最新のライブラリＪＥＮＤＬ−４．０に基づき、標準的な高速炉の中性子束のエネルギー分布を用いて、７０個のエネルギー群に離散化した高速炉用の７０群核データセットを使用する場合が多い。上記の高速炉を対象とした解析手法は、国内外の高速炉の臨界実験装置や、高速炉実機の臨界実験解析によって検証されている。

図４及び図５に示す炉心体系に対して、空間的には差分法で離散化し、また上記の核データセットに対応して７０群に離散化した、中性子拡散方程式を数値的に解いて、中性子束分布を求め、炉心を構成する多くの同位体核種の断面積を、それぞれの核種の個数密度を用いて平均化した断面積と、上記で求めた中性子束の積を空間的、エネルギー的に積分して、種々の核反応の反応率を計算する。図６では、高速炉炉心３１の上部ガスプレナム領域５の軸方向長さをパラメータとして、冷却材である液体Ｎａが通常運転時で沸騰していない場合と、万が一の冷却材流量喪失過渡（ＵＬＯＦ）事象を想定して、ラッパ管７内の液体Ｎａが沸騰した場合について、それぞれ、上述した中性子拡散方程式を解いて、沸騰前後の中性子実効増倍率を求め、その差異からボイド反応度を計算している。

横軸の上部ガスプレナム領域の長さ（ｃｍ）は、高速炉用燃料集合体１ａにおける、最上部に位置する燃料ペレット１０の上面（第１の燃料領域１１ａの上端部）と、上部端栓３の下面との間の軸方向距離を示す。また、縦軸のＮａボイド反応度（＄）は、本実施例の高速炉炉心３１において、内部ブランケットペレット３２を含む燃料領域（第１の燃料領域１１ａ、内部ブランケットペレット３２及び第２の燃料領域１１ｂを合わせた領域）及びＮａプレナム領域１２における、ラッパ管７の内側の冷却材である液体Ｎａが沸騰（ボイド化）した場合の、Ｎａボイド反応度（単位は＄(ドル)）を示す。

ここで、Ｎａボイド反応度の単位（＄）について説明する。核分裂で生じる中性子には、寿命が１０^−４[秒]オーダーの即発中性子と、核種によっては数十秒の遅発中性子の２種類がある。仮に原子炉が即発中性子のみで臨界になると、１０^−４[秒]オーダーの反応度、すなわち出力が変動するため、制御棒２６等の機械的な装置による反応度制御が困難となる。実際には、遅発中性子が存在するので、反応度変化が全中性子数に対する遅発中性子数の割合（これを実効遅発中性子割合と呼び、βｅｆｆと表記される）以下であれば、機械的な装置による制御が十分可能となる。丁度、実効遅発中性子割合（βｅｆｆ）となる反応度の変化を１ドル（＄）と呼び、反応度のスケールとしている。逆に制御棒誤引抜等による挿入反応度が１.０＄を超過すると、即発中性子のみで臨界超過となり、機械的な制御が追従できず、燃料破損などが発生する可能性が生じる。

図６に戻り、上述のように、従来の上部ガスプレナム領域の長さが約１０ｃｍの場合、Ｎａボイド反応度は、約１.３＄である。しかし、本実施例の高速炉用燃料集合体１ａでは、上部ガスプレナム領域の長さが約２ｃｍであり、Ｎａボイド反応度は、約０.３＄となる。従って、図６より、本実施例の高速炉用燃料集合体１ａを高速炉炉心３１に装荷することにより、従来と比較し、約１．０＄のＮａボイド反応度を低減できる。

本実施例によれば、実施例１と比較し、更にボイド反応度を低減することが可能となる。

また、本実施例によれば、燃料棒２ａの全長が、上述のとおり、従来と比較し約８ｃｍ短縮（上部ガスプレナム領域５の軸方向長さの短縮分）されており、炉心部の圧損を減少する副次的な効果も奏することができる。

図７に、本発明の他の実施例に係る実施例３の高速炉用燃料集合体を構成する燃料棒の縦断面図を示す。実施例１及び実施例２では、上部ガスプレナム領域５内に皿ばね８を配する構成としたのに対し、本実施例では、上部ガスプレナム領域５内に皿ばね８を配することなく、上部ガスプレナム領域５の軸方向長さを、更に短縮した点が異なる。図７において、実施例１及び実施例２と同様の構成要素に同一の符号を付している。

図７に示すように、高速炉用燃料集合体に複数本収容される燃料棒２ａは、上部端栓３の下面と、燃料領域１１を形成する最上部の燃料ペレット１０の上面（燃料領域１１の上端部）との間であって、燃料棒被覆管４により画定される空間である上部ガスプレナム領域５内に、如何なる構造材も配していない。

本実施例では、上部ガスプレナム領域５の軸方向長さＬを、ステンレス鋼製の燃料棒被覆管４及びＰｕ等の核燃料を含む燃料ペレット１０の熱膨張率の差を考慮し設定する。以下、具体的に、燃料ペレット１０の熱膨張及び燃料棒被覆管４の熱膨張について説明する。

Ｐｕ等の核燃料を含む複数の燃料ペレット１０により形成される燃料領域１１の長さを標準的な１００ｃｍとした場合、通常温度から定格出力状態までの温度変化に起因する熱膨張を考慮すると、燃料ペレット１０の熱膨張量は、
１０^−５［１／Ｋ］×１００［ｃｍ］×１０００［Ｋ］＝１［ｃｍ］であり、
燃料棒被覆管４の熱膨張量は、
１．７５×１０^−５［１／Ｋ］×１００［ｃｍ］×４５０［Ｋ］ ＝０．８［ｃｍ］である。従って、上部ガスプレナム領域５の軸方向長さＬを、０．２［ｃｍ］とすれば、燃料ペレット１０と燃料棒被覆管４の熱膨張に伴う伸び量（熱膨張量）の差分を吸収できる。

また、燃料領域１１を形成する最上部の燃料ペレット１０の上面（燃料領域１１の上端部）と上部端栓３の間の長さが０．２［ｃｍ］程度であれば、ラッパ管７内に燃料棒２ａを複数本収容する高速炉用燃料集合体の搬送あるいは輸送時において、仮に、燃料棒被覆管４内で燃料ペレット１０が上部端栓３の下面側へ移動し接触する事象が生じた場合であっても、その移動ストロークは０.２［ｃｍ］に制限される。従って、上部端栓３へ燃料ペレット１０が衝突したとしても、燃料ペレット１０の健全性は維持される。

従って、本実施例では、上部ガスプレナム領域５の軸方向長さを、実施例１および実施例２と比較して、約２ｃｍから０．２ｃｍに短縮化（１／１０）すると共に、上部ガスプレナム領域５内には、如何なる構造材も配さない構成とする。これによりＮａプレナム領域の構造材の体積割合を更に低減できる。

本実施例によれば、実施例１及び実施例２と比較し、Ｎａプレナム領域の構造材の体積割合を更に低減することができ、ボイド反応度を更に低減することが可能となる。

なお、本実施例の燃料棒２ａを、図２に示す高速炉炉心２１に装荷される高速炉用燃料集合体１、１’あるいは、図４に示す高速炉炉心３１に装荷される高速炉用燃料集合体１ａ，１ｂに適用することにより、ボイド反応度を低減可能な高速炉の炉心を実現することができる。

また、上述の実施例１及び実施例２において、上部ガスプレナム領域５に、ステンレス鋼製の皿ばね８を配する構成としたが、これに替えて、同様の機能を有していれば、竹の子ばねやスチール・ウール等を使用しても良い。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１，１’，１ａ，１ｂ，１ｃ…高速炉用燃料集合体
２，２’，２ａ…燃料棒
３…上部端栓
４…燃料棒被覆管
５…上部ガスプレナム領域
６…下部ガスプレナム領域
７…ラッパ管
８…皿ばね
９…下部端栓
１０,１０’,…燃料ペレット
１１，１１’，１１ｂ，１１ｃ…燃料領域
１１ａ…第１の燃料領域
１１ａ’…第２の燃料領域
１２…Ｎａプレナム領域
２１,３１…高速炉炉心
２２…内側炉心領域
２３…外側炉心領域
２４…径方向ブランケット領域
２５…中性子遮蔽体領域
２６…制御棒
３２…内部ブランケットペレット

Claims (9)

1. 燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容し高速炉の炉心に装荷される燃料集合体であって、
   前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、
   前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域と、前記上部ガスプレナム領域に配される皿ばねを有することを特徴とする高速炉用燃料集合体。
2. 請求項１に記載の高速炉用燃料集合体において、
   前記各燃料棒は、前記燃料領域の略中央より下側に、劣化ウランを核燃料とする内部ブランケットペレットを配することを特徴とする高速炉用燃料集合体。
3. 燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容し高速炉の炉心に装荷される燃料集合体であって、
   前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、
   前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域を有し、
   前記上部ガスプレナム領域の軸方向長さは、前記燃料ペレットの熱膨張量及び前記燃料棒被覆管の熱膨張量の差分に基づき設定されることを特徴とする高速炉用燃料集合体。
4. 請求項３に記載の高速炉用燃料集合体において、
   前記各燃料棒は、前記燃料領域の下端部と下部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される下部ガスプレナム領域を有することを特徴とする高速炉用燃料集合体。
5. 内側炉心領域と、前記内側炉心領域を取り囲む外側炉心領域と、前記外側炉心領域を取り囲む径方向ブランケット領域と、前記径方向ブランケット領域を取り囲む中性子遮蔽体領域を有する高速炉の炉心であって、
   前記内側炉心領域及び外側炉心領域に装荷され、燃料棒被覆管内に核燃料物質を含む燃料ペレットを複数充填する燃料棒を、複数本束ねてラッパ管に収容する燃料集合体は、
   前記複数の燃料棒の上部端栓の上方に、前記ラッパ管により画定されるナトリウムプレナム領域を備え、
   前記各燃料棒は、前記複数の燃料ペレットにより形成される燃料領域の上端部と前記上部端栓との間に、前記燃料棒被覆管により画定される上部ガスプレナム領域と、前記上部ガスプレナム領域に配される皿ばねを有することを特徴とする高速炉の炉心。
6. 請求項５に記載の高速炉の炉心において、
   前記内側炉心領域に装荷される燃料集合体に収容される前記各燃料棒の燃料領域の軸方向長さと、前記外側炉心領域に装荷される燃料集合体に収容される前記各燃料棒の燃料領域の軸方向長さが等しいことを特徴とする高速炉の炉心。
7. 請求項６に記載の高速炉の炉心において、
   前記外側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度は、前記内側炉心領域に装荷される燃料集合体のＰｕ富化度より高いことを特徴とする高速炉の炉心。
8. 請求項５に記載の高速炉の炉心において、
   前記外側炉心領域に装荷される燃料集合体に収容される前記各燃料棒の燃料領域の軸方向長さは、前記内側炉心領域に装荷される燃料集合体に収容される前記各燃料棒の燃料領域の軸方向長さよりも長いことを特徴とする高速炉の炉心。
9. 請求項８に記載の高速炉の炉心において、
   前記内側炉心領域に装荷される燃料集合体に収容される前記各燃料棒は、前記燃料領域の略中央より下側に、劣化ウランを核燃料とする内部ブランケットペレットを配することを特徴とする高速炉の炉心。

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