JP2016109585A - Fast reactor core and fast reactor - Google Patents

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光明 山岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To cope with a wide range of TRU compositions in which an MA ratio is different, flexibly, and perform nuclear transformation of MA.SOLUTION: A fast reactor core 100 of an embodiment comprises plural first fuel assemblies 110, and plural second fuel assemblies 120. Each of the first fuel assemblies 110 comprises plural forst fuel elements having a minor actinide which occupies a first ratio in transuranic element which is acquired as a result of separation in re-processing, and plural neutron spectrum softening elements having a neutron spectrum softening material. Each of the second fuel assemblies 120 comprises plural second fuel elements having a minor actinide which occupies a second ratio higher than the first ratio in transuranic element which is acquired as a result of separation in re-processing, and plural neutron spectrum softening elements having a neutron spectrum softening material.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明の実施形態は、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を有する高速炉に関する。   Embodiments described herein relate generally to a fast reactor core that converts a transuranium element (TRU) into an element other than TRU and a fast reactor having the same.

図21は、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。図21に示すように、炉心1は、核分裂性物質を多く含む炉心燃料集合体11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13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が挿入される制御棒案内管14等により構成されている。炉心燃料集合体11は、内側炉心燃料集合体11aおよび外側炉心燃料集合体11bから構成される。内側炉心燃料集合体11aおよび外側炉心燃料集合体11bの違いは、中性子漏洩が大きい炉心内の外側領域に装荷される外側炉心燃料集合体11bのPu(プルトニウム)富化度が高くなっていることである。   FIG. 21 is a horizontal sectional view schematically showing a configuration example of a core of a conventional fast reactor. As shown in FIG. 21, the core 1 includes a core fuel assembly 11 containing a lot of fissile material, a blanket fuel assembly 13 containing a large amount of a fissile parent material that is converted into a fissile material by neutron absorption, a neutron A control rod guide tube 14 into which a control rod containing a large amount of absorbing material and controlling the fission reaction is inserted. The core fuel assembly 11 includes an inner core fuel assembly 11a and an outer core fuel assembly 11b. The difference between the inner core fuel assembly 11a and the outer core fuel assembly 11b is that the Pu (plutonium) enrichment degree of the outer core fuel assembly 11b loaded in the outer region in the core where neutron leakage is large is high. It is.

図22は、従来の高速炉の炉心燃料集合体の構成例を示す立断面図である。また、図23は、その水平断面図である。炉心燃料集合体11には、互いに並列に配されて筒状の上下に延びたラッパ管24内に燃料要素22が多数装荷されている。燃料要素22は、たとえばステンレス鋼等の金属材料からなる被覆管32(図24)を有する。燃料要素22は、上部ブランケット燃料部29、炉心燃料部28、下部ブランケット燃料部27を有する。   FIG. 22 is an elevational sectional view showing a configuration example of a core fuel assembly of a conventional fast reactor. FIG. 23 is a horizontal sectional view thereof. A number of fuel elements 22 are loaded in the core fuel assembly 11 in a tubular tube 24 arranged in parallel and extending vertically. The fuel element 22 has a cladding tube 32 (FIG. 24) made of a metal material such as stainless steel. The fuel element 22 has an upper blanket fuel part 29, a core fuel part 28, and a lower blanket fuel part 27.

ラッパ管24の上部には、炉心燃料集合体11を炉心1へ装荷あるいは炉心1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。一方、ラッパ管24の下部には、炉心燃料集合体11を固定支持するためのエントランスノズル21が設けられている。このエントランスノズル21の側壁には、冷却材流入孔21aが穿設されている。冷却材流入孔21aから流入した冷却材は、炉心燃料集合体11を冷却した後に、最上部の冷却材流出孔26から流出する。   An upper portion of the trumpet tube 24 is provided with a handling head 25 that serves as a grip when the core fuel assembly 11 is loaded into the core 1 or taken out of the core 1. On the other hand, an entrance nozzle 21 for fixing and supporting the core fuel assembly 11 is provided below the trumpet tube 24. A coolant inflow hole 21 a is formed in the side wall of the entrance nozzle 21. The coolant flowing in from the coolant inflow hole 21 a flows out from the uppermost coolant outflow hole 26 after cooling the core fuel assembly 11.

図24は、従来の高速炉の燃料集合体の燃料要素の例を示す水平断面図である。燃料要素22は、図24に示すように、被覆管32内にプルトニウム(Pu)とウラン(U)の混合酸化物からなる燃料31が装填されている。燃料−被覆管の間にはギャップが存在する。   FIG. 24 is a horizontal sectional view showing an example of a fuel element of a fuel assembly of a conventional fast reactor. As shown in FIG. 24, in the fuel element 22, a fuel 31 made of a mixed oxide of plutonium (Pu) and uranium (U) is loaded in a cladding tube 32. There is a gap between the fuel and the cladding.

高速炉の炉心1を構成する炉心燃料およびブランケット燃料は、軽水炉(LWR)の使用済燃料再処理施設から抽出されるPuと、ウラン濃縮施設から副産物として生成される劣化ウランとから混合酸化物燃料が製造され、炉心で燃焼した後に、再利用に供される。   The core fuel and blanket fuel constituting the core 1 of the fast reactor are mixed oxide fuel from Pu extracted from the spent fuel reprocessing facility of the light water reactor (LWR) and depleted uranium produced as a by-product from the uranium enrichment facility Is manufactured and burned in the core before being reused.

使用済燃料の再処理廃棄物には、数万年以上のオーダに亘る半減期を有するマイナーアクチニド(MA)や数千年から数万年オーダの半減期を有する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がある。しかし、数万年のオーダに亘る半減期を有する点を考慮したHLWの処分、管理が課題である。   Spent fuel reprocessing wastes include minor actinides (MA) with half-lives on the order of tens of thousands of years and long half-life fission products (LLFP) with half-lives on the order of thousands to tens of thousands of years. ) Is included and is planned to be disposed of deep underground as high-level radioactive waste (HLW). However, the disposal and management of HLWs taking into account the fact that they have a half-life on the order of tens of thousands of years is an issue.

原子力の持続的利用のためには、HLWの処分問題は解決する必要があり、Puを含む超ウラン元素(TRU)を核分裂により燃焼し、消滅させる一方、LLFPは中性子核変換により安定あるいは短半減期核種に変換する検討が進められている。   In order to sustain the use of nuclear power, the HLW disposal problem needs to be resolved. While uranium elements (PRUs) containing Pu are burned and destroyed by fission, LLFP is stable or short-lived by neutron transmutation. Studies are underway to convert it to a phase nuclide.

TRU核変換の効率を大きく向上させるためにU無燃料炉心が提案されている。従来のTRUとUの混合物を燃料とする原子炉においては、Uから新たなTRUが生成するため、正味のTRU変換量は小さくなる。これに対してU無(ウラン無し)とすることにより、新たなTRUの生成はなくなり、大幅なTRU核変換効率の向上が達成される。ただし、それにより新たな課題も生じる。   In order to greatly improve the efficiency of TRU transmutation, a U fuel-free core has been proposed. In a conventional nuclear reactor that uses a mixture of TRU and U as fuel, since a new TRU is generated from U, the net TRU conversion amount is small. On the other hand, by eliminating U (no uranium), generation of new TRUs is eliminated, and a significant improvement in TRU transmutation efficiency is achieved. However, this also creates new challenges.

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U238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。従って、TRUだけのU無炉心ではドップラー効果に基づく負のフィードバック反応度が大幅に減少する。この解決のための検討例はあるが、効果の程度、あるいは実現性において十分とは言えない。   Generally, in the safety design of nuclear reactors, the Doppler effect is expected in which the rate of neutron absorption by the core fuel increases and the reactivity decreases as the prompt negative feedback reactivity associated with the core temperature rise. This Doppler effect is mainly due to an increase in the resonance absorption reaction due to U238 in the fuel. Therefore, a negative feedback reactivity based on the Doppler effect is greatly reduced in a U-core without TRU. Although there are examples for solving this problem, it cannot be said that the degree of the effect or the feasibility is sufficient.

TRU Burning Fast Reactor Cycle Using Uranium-free Metallic Fuel (ICAPP2014論文)TRU Burning Fast Reactor Cycle Using Uranium-free Metallic Fuel (ICAPP2014 paper) Arie et al.: “TRU Burning Fast Reactor Cycle Using Uranium-free Metallic Fuel”, Proceedings of ICAPP 2014,Charlotte, USA, April 6-9, 2014,Paper 14136Arie et al .: “TRU Burning Fast Reactor Cycle Using Uranium-free Metallic Fuel”, Proceedings of ICAPP 2014, Charlotte, USA, April 6-9, 2014, Paper 14136 N.Messaoudi and J.Tommasi: “Fast Burner Reactor Devoted to Minor Actinide Incineration”, Nuclear Technology, Vol.137, Feb.2002.N. Messaoudi and J. Tommasi: “Fast Burner Reactor Devoted to Minor Actinide Incineration”, Nuclear Technology, Vol.137, Feb.2002.

今後、軽水炉による発電を中心としつつも、高レベル廃棄物の問題を解決するため、MAを含むTRU燃焼を担う高速炉の導入を考えた場合、高速炉はできるだけ少数基の導入で多くのPuやMAを核変換できることが全体システムのコスト低減には望ましい。また、U/Puだけを回収してリサイクルする従来の再処理を高度化して、TRU全体を回収してリサイクルする新しい再処理システムが必要となる。ただし、そのような高速炉や再処理システムが実用化されるまでは、従来再処理システムによるU/Puのみの回収がなされ、MAは高レベル廃液へ移行すると考えられる。   In the future, in order to solve the problem of high-level waste while focusing on power generation using light water reactors, when considering the introduction of fast reactors responsible for TRU combustion including MA, fast reactors can be made by introducing as few Pu as possible. It is desirable to reduce the cost of the entire system. Also, a new reprocessing system that collects and recycles the entire TRU is required by upgrading the conventional reprocessing that collects and recycles only U / Pu. However, until such a fast reactor and reprocessing system are put into practical use, it is considered that only U / Pu is collected by the conventional reprocessing system, and MA moves to a high level waste liquid.

回収されたPuはMOX燃料を装荷する軽水炉で利用される可能性がある。従って、新しい再処理法によるTRUの回収のみならず、従来の再処理法による高レベル廃液中のTRUについても、再回収してリサイクルすることが高レベル廃棄物の問題を解決するために必要である。高レベル廃液に移行したTRUの組成は後述のように90%以上がMAであり、新しい再処理法により混合状態で取出されたTRUの組成(MA;20%以下)とは大きく異なる。よって、TRUを核変換する高速炉炉心として、MA割合の異なる幅広いTRU組成を装荷して核変換できる柔軟な能力が必要である。   The recovered Pu may be used in light water reactors loaded with MOX fuel. Therefore, it is necessary not only to recover TRU by the new reprocessing method but also to recover and recycle TRU in the high level waste liquid by the conventional reprocessing method in order to solve the problem of high level waste. is there. As will be described later, 90% or more of the composition of TRU transferred to the high-level waste liquid is MA, which is greatly different from the composition of TRU extracted in a mixed state by the new reprocessing method (MA; 20% or less). Therefore, as a fast reactor core for transmuting TRU, a flexible ability to transmutate by loading a wide range of TRU compositions with different MA ratios is required.

再処理技術として知られた例では、使用済燃料のTRUを混合状態で回収することを前提としており、TRU組成中のMAはたとえば13%程度と小さく、1GWeあたりのMA核変換量は、軽水炉約5基分である。   In an example known as a reprocessing technology, it is assumed that spent fuel TRU is recovered in a mixed state, and the MA in the TRU composition is as small as about 13%, for example, and the amount of MA transmutation per 1 GWe is light water reactor About 5 units.

また、他の例では、使用済燃料からのTRUをもとにして、MA割合を約25%に高めた組成を用いているため、1GWeあたりのMA核変換量は、同一出力の軽水炉約10数基分と相対的に大きいが、U無酸化物燃料の再処理の課題が解決されておらず、システムとしての実現性は見通せない。   In another example, a composition in which the MA ratio is increased to about 25% based on TRU from spent fuel is used, so that the amount of MA transmutation per 1 GWe is about 10 Although it is relatively large for several units, the problem of reprocessing U-oxide-free fuel has not been solved, and the feasibility as a system cannot be foreseen.

そこで、本発明の実施形態は、高速炉の炉心において、MA割合の異なる幅広いTRU組成に柔軟に対応しながらMAの核変換を行うことを目的とする。   Therefore, an embodiment of the present invention aims to perform transmutation of MA while flexibly supporting a wide range of TRU compositions having different MA ratios in the core of a fast reactor.

上述の目的を達成するため、本実施形態は、超ウラン元素を超ウラン元素以外の元素に変換する高速炉炉心であって、鉛直方向に延びて互いに平行に配列された複数の第1燃料集合体と、鉛直方向に延びて前記第1燃料集合体と平行に配列された複数の第2燃料集合体と、を備え、前記第1燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の第1の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第1燃料と、前記第1燃料を収納し鉛直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第1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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、を具備し、前記第2燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の前記第1の割合よりも高い第2の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第2燃料と、前記第2燃料を収納し鉛直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第2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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、を具備することを特徴とする。   In order to achieve the above-described object, the present embodiment is a fast reactor core that converts a transuranium element into an element other than the transuranium element, and a plurality of first fuel assemblies that extend in the vertical direction and are arranged in parallel to each other. And a plurality of second fuel assemblies that extend in the vertical direction and are arranged in parallel with the first fuel assemblies, and each of the first fuel assemblies is obtained as a result of separation in reprocessing. A first fuel having a minor actinide occupying a first ratio in the transuranium element, and a plurality of cladding tubes that contain the first fuel and extend in the vertical direction and are closed at both ends. A fuel element and a plurality of neutron spectrum softening elements having a cylindrical tube extending in the vertical direction and containing a cladding tube closed at both ends, containing a neutron spectrum softening material that softens the neutron energy spectrum, Each of the fuel assemblies contains a second fuel having a minor actinide occupying a second ratio higher than the first ratio in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and the second fuel And a plurality of second fuel elements having a cylindrical tube extending in the vertical direction and closed at both ends, and a cylindrical shape extending in the vertical direction containing a neutron spectrum softening material for softening the neutron energy spectrum And a plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding tube closed.

また、本実施形態は、高速炉炉心と、前記高速炉炉心を原子炉冷却材に浸漬した状態で収納する原子炉容器と、前記原子炉容器を格納する原子炉格納容器と、を備えた高速炉であって、前記高速炉炉心は、鉛直方向に延びて互いに平行に配列された複数の第1燃料集合体と、鉛直方向に延びて前記第1燃料集合体と平行に配列された複数の第2燃料集合体と、を備え、前記第1燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の第1の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第1燃料と、前記第1燃料を収納し鉛直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第1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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、を具備し、前記第2燃料集合体のそれぞれは、再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の前記第1の割合よりも高い第2の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第2燃料と、前記第2燃料を収納し鉛直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第2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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、を具備することを特徴とする。   The present embodiment also includes a fast reactor core, a reactor vessel that houses the fast reactor core immersed in a reactor coolant, and a reactor containment vessel that houses the reactor vessel. The fast reactor core includes a plurality of first fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel to each other, and a plurality of first fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel with the first fuel assemblies. A first fuel having a minor actinide occupying a first proportion of the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and a second fuel assembly, A plurality of first fuel elements having a cylindrical shape extending in the vertical direction and containing a first fuel element and a cladding tube closed at both ends, and a neutron spectrum softening material that softens the neutron energy spectrum are accommodated and extend in the vertical direction. Cylindrical at both ends A plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding that is stopped, wherein each of the second fuel assemblies is less than the first proportion in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing A plurality of second fuel elements having a second fuel having a minor actinide occupying a higher second ratio, and a cladding tube containing the second fuel and extending vertically and closed at both ends; And a plurality of neutron spectrum softening elements having a cylindrical tube extending in the vertical direction and having a cladding tube closed at both ends, containing a neutron spectrum softening material for softening the neutron energy spectrum.

本発明の実施形態によれば、高速炉の炉心において、MA割合の異なる幅広いTRU組成に柔軟に対応しながらMAの核変換を行うことができる。   According to the embodiment of the present invention, MA transmutation can be performed in a fast reactor core while flexibly supporting a wide range of TRU compositions having different MA ratios.

第1の本実施形態による高速炉の構成を示す立断面図である。It is an elevation sectional view showing the composition of the fast reactor according to the first embodiment. 第1の実施形態による高速炉炉心の構成を示す6分の1炉心の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of a 1/6 core showing the composition of the fast reactor core by a 1st embodiment. 第1の実施形態における第1燃料集合体の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of the 1st fuel assembly in a 1st embodiment. 第1の実施形態における第1燃料集合体の立断面図である。FIG. 3 is an elevational sectional view of a first fuel assembly in the first embodiment. 第1の実施形態における第1燃料集合体の第1燃料要素を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the 1st fuel element of the 1st fuel assembly in a 1st embodiment. 第1の実施形態における第1燃料集合体の第1燃料要素の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of a composition of TRU which is a main component of the 1st fuel element of the 1st fuel assembly in 1st Embodiment. 第1の実施形態における第1燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the neutron spectrum softening element of the first fuel assembly in the first embodiment. 第1の実施形態における第2燃料集合体の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of the 2nd fuel assembly in a 1st embodiment. 第1の実施形態における第2燃料集合体の立断面図である。FIG. 3 is an elevational sectional view of a second fuel assembly in the first embodiment. 第1の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the 2nd fuel element of the 2nd fuel assembly in a 1st embodiment. 第1の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the composition of TRU which is a main component of the 2nd fuel element of the 2nd fuel assembly in 1st Embodiment. 第1の実施形態と従来例との中性子スペクトル軟化要素によるドップラー係数への影響の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the influence on the Doppler coefficient by the neutron spectrum softening element of 1st Embodiment and a prior art example. 第1の実施形態と従来例との高速炉炉心での核変換量の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the transmutation amount in the fast reactor core of 1st Embodiment and a prior art example. 第1の実施形態に係る高速炉炉心と比較用炉心での燃焼欠損反応度の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the combustion defect reactivity in the fast reactor core which concerns on 1st Embodiment, and a comparative core. 第1の実施形態に係る高速炉炉心と比較用炉心でのNaボイド反応度の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the Na void reactivity in the fast reactor core which concerns on 1st Embodiment, and a comparative core. 第2の実施形態における第2燃料集合体の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of the 2nd fuel assembly in a 2nd embodiment. 第2の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view showing the 2nd fuel element of the 2nd fuel assembly in a 2nd embodiment. 第2の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。It is a table | surface which shows the example of the composition of TRU which is a main component of the 2nd fuel element of the 2nd fuel assembly in 2nd Embodiment. 第2の実施形態と従来例との高速炉炉心での核変換量の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the transmutation amount in the fast reactor core of 2nd Embodiment and a prior art example. 本実施形態に係る高速炉炉心と比較用炉心での燃焼欠損反応度の比較例を示すグラフである。It is a graph which shows the comparative example of the combustion defect reactivity in the fast reactor core which concerns on this embodiment, and a comparative core. 従来の高速炉の炉心の構成例を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view which shows the structural example of the core of the conventional fast reactor. 従来の高速炉の燃料集合体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 fuel assembly of a conventional fast reactor. 従来の高速炉の燃料集合体の構成例を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view which shows the structural example of the fuel assembly of the conventional fast reactor. 従来の高速炉の燃料集合体の燃料要素の例を示す水平断面図である。It is a horizontal sectional view which shows the example of the fuel element of the fuel assembly of the conventional fast reactor.

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の実施形態による高速炉の構成を示す立断面図である。高速炉200は、高速炉炉心100と、高速炉炉心100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4と、原子炉容器4の上部の開口を塞ぐように設けられた遮へいプラグ6、およびこれらを格納する原子炉格納容器10を有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is an elevational sectional view showing the configuration of the fast reactor according to the first embodiment. The fast reactor 200 is provided so as to close the fast reactor core 100, the cylindrical reactor vessel 4 that includes the fast reactor core 100 and has a bottom portion and extends in the vertical direction, and the upper opening of the reactor vessel 4. It has a shielding plug 6 and a reactor containment vessel 10 for storing them.

高速炉炉心100は、炉心支持板2に支持されている。高速炉炉心100は、後述する複数の第1燃料集合体110および第2燃料集合体120等のそれぞれの炉心部分を構成要素として形成されている。高速炉炉心100の上方の遮へいプラグ6上には、制御棒駆動機構5が設けられており、高速炉炉心100に図示しない制御棒を挿入可能に構成されている。原子炉容器4内で高速炉炉心100の冷却のために用いられる冷却材は、たとえば液体金属ナトリウムであって、冷却材入口配管8より原子炉容器4内に流入し、冷却材出口配管9より流出する。   The fast reactor core 100 is supported by the core support plate 2. The fast reactor core 100 is formed with respective core portions such as a plurality of first fuel assemblies 110 and second fuel assemblies 120 described later as constituent elements. A control rod drive mechanism 5 is provided on the shielding plug 6 above the fast reactor core 100 so that a control rod (not shown) can be inserted into the fast reactor core 100. The coolant used for cooling the fast reactor core 100 in the reactor vessel 4 is, for example, liquid metal sodium, which flows into the reactor vessel 4 from the coolant inlet pipe 8 and from the coolant outlet pipe 9. leak.

図2は、本実施形態による高速炉炉心の構成を示す6分の1炉心の水平断面図である。高速炉炉心100は、鉛直方向に互いに平行に配列された第1燃料集合体110、第2燃料集合体120、および制御棒案内管14から構成されており、その径方向外側に配列された遮へい体15を有する。制御棒案内管14は高速炉炉心100において、点在するように配置されている。図2の場合の高速炉炉心100の熱出力は、たとえば約700MWth、電気出力は約300MWeである。ただし、高速炉炉心100の大きさはこれに限定されず、これより小規模でもよい。また、これより大規模でもよい。   FIG. 2 is a horizontal sectional view of the 1/6 core showing the configuration of the fast reactor core according to the present embodiment. The fast reactor core 100 is composed of a first fuel assembly 110, a second fuel assembly 120, and a control rod guide tube 14 that are arranged in parallel to each other in the vertical direction. It has a body 15. The control rod guide tubes 14 are arranged to be scattered in the fast reactor core 100. The thermal power of the fast reactor core 100 in the case of FIG. 2 is, for example, about 700 MWth, and the electrical power is about 300 MWe. However, the size of the fast reactor core 100 is not limited to this, and may be smaller. It may be larger than this.

図3は、第1燃料集合体の水平断面図である。また、図4は、立断面図である。第1燃料集合体110は、互いに平行に三角配列に配置された第1燃料要素111および中性子スペクトル軟化要素112と、これらを収納するラッパ管113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112が配され、その周囲に第1燃料要素111と中性子スペクトル軟化要素112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113が設けられている。ラッパ管113内の第1燃料要素111および中性子スペクトル軟化要素112間の空間は、冷却材の流路となっている。   FIG. 3 is a horizontal sectional view of the first fuel assembly. FIG. 4 is an elevational sectional view. The first fuel assembly 110 includes a first fuel element 111 and a neutron spectrum softening element 112 which are arranged in a triangular arrangement in parallel with each other, and a trumpet tube 113 which houses them. One neutron spectrum softening element 112 is arranged at the center of the array, and annular arrays of the first fuel element 111 and the neutron spectrum softening element 112 are alternately arranged in the radial direction around the neutron spectrum softening element 112. A hexagonal tube-shaped trumpet tube 113 is provided radially outward of the final annular row. A space between the first fuel element 111 and the neutron spectrum softening element 112 in the trumpet 113 serves as a coolant flow path.

なお、図3では、中心の中性子スペクトル軟化要素112の周囲に、第1燃料要素111が4列、中性子スペクトル軟化要素112が4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、第1燃料要素111と中性子スペクトル軟化要素112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形態には限らない。たとえば、互いに平行する列内に第1燃料要素111と中性子スペクトル軟化要素112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113も正方形の筒状の場合であってもよい。   FIG. 3 shows a case where four rows of the first fuel elements 111 and four rows of the neutron spectrum softening elements 112 are alternately arranged around the central neutron spectrum softening element 112, but the present invention is not limited thereto. Not. The number of columns may be smaller or larger. Further, the arrangement method of the first fuel element 111 and the neutron spectrum softening element 112 is not limited to a form in which an annular row as shown in FIG. 3 is alternately repeated. For example, a method of alternately arranging the first fuel elements 111 and the neutron spectrum softening elements 112 in rows parallel to each other may be used. In addition, although the case of a triangular arrangement as a whole is shown, the arrangement may be a square lattice and the trumpet tube 113 may also be a square cylinder.

図4の立断面図に示すように、第1燃料集合体110は、炉心燃料部110aを有するが、従来の高速炉用の燃料集合体と異なりプルトニウム増殖のための上部ブランケットと下部ブランケットを有していない。   As shown in the elevation cross-sectional view of FIG. 4, the first fuel assembly 110 has a core fuel portion 110a, but unlike the conventional fast reactor fuel assembly, it has an upper blanket and a lower blanket for plutonium breeding. Not done.

図5は、第1燃料集合体の第1燃料要素を示す水平断面図である。第1燃料要素111は、鉛直方向に円柱状に延びた第1燃料111aと、第1燃料111aの径方向の外周に設けられた被覆管111bを有する。被覆管111bは、円筒状で両端が閉止されている。   FIG. 5 is a horizontal sectional view showing the first fuel element of the first fuel assembly. The first fuel element 111 includes a first fuel 111a extending in a columnar shape in the vertical direction, and a cladding tube 111b provided on the outer periphery in the radial direction of the first fuel 111a. The cladding tube 111b is cylindrical and closed at both ends.

第1燃料111aは、核燃料リサイクルプロセスにおいて、プルトニウム(Pu)、ネプツニウム(Np)、アメリシウム(Am)およびキュリウム(Cm)の一部または全部の元素が混合した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。母材としては、たとえばジルコニウム(Zr)、モリブデン(Mo)、ニオブ(Nb)、タングステン(W)などを用いることができる。なお、実際は、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。   The first fuel 111a is mainly composed of mixed TRU recovered in a state where a part or all of elements of plutonium (Pu), neptunium (Np), americium (Am) and curium (Cm) are mixed in the nuclear fuel recycling process. As a metal fuel having a base material that is substantially the remainder. As the base material, for example, zirconium (Zr), molybdenum (Mo), niobium (Nb), tungsten (W), or the like can be used. In practice, a small amount of U transferred to the collected mixed TRU is also included, but the effect on the effect of the present embodiment is small.

図6は、第1燃料集合体の第1燃料要素の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。第1燃料要素111に用いる混合TRUは、軽水炉から取り出した使用済燃料のTRU組成である。図6では、燃焼度33GWd/t、取り出し後10年冷却の場合の例を示している。PuがTRU中の87%と大部分を占めており、アクチノイドに属する超ウラン元素のうちPuを除いたMA(マイナーアクチニド)であるNp,Am,Cmの合計の組成割合は13%である。以下、軽水炉から取り出した使用済燃料のままでのTRU中に占めるMAの割合を、第1の割合と称する。   FIG. 6 is a table showing an example of the composition of TRU that is the main component of the first fuel element of the first fuel assembly. The mixed TRU used for the first fuel element 111 is the TRU composition of the spent fuel taken out from the light water reactor. FIG. 6 shows an example in which the burnup is 33 GWd / t and the cooling is performed for 10 years after taking out. Pu accounts for the majority of 87% of TRU, and the total composition ratio of Np, Am, Cm, which is MA (minor actinide) excluding Pu among the superuranium elements belonging to actinoids, is 13%. Hereinafter, the ratio of MA in the TRU with the spent fuel taken out from the light water reactor is referred to as a first ratio.

なお、以上示した例では、MAの全TRUに占める割合は約13%であるが、この値は、燃焼度および冷却期間等により変化する。しかしながら、現実的には、燃焼度および冷却期間等が変化しても、通常、軽水炉から取り出した使用済燃料のTRU組成に基づく場合は、MAの全TRUに占める第1の割合は20%以上となることはない。   In the example shown above, the ratio of MA to all TRUs is about 13%, but this value varies depending on the burnup and cooling period. However, in reality, even if the burnup, cooling period, etc. change, the first ratio of MA to all TRUs is usually 20% or more based on the TRU composition of spent fuel extracted from the light water reactor. It will never be.

図7は、第1燃料集合体の中性子スペクトル軟化要素を示す水平断面図である。中性子スペクトル軟化要素112は、鉛直方向に円柱状に延びた中性子スペクトル軟化材112aと、中性子スペクトル軟化材112aの径方向外周に設けられた被覆管112bを有する。被覆管112bは、鉛直方向に円筒状に延び、両端が閉止されている。   FIG. 7 is a horizontal sectional view showing the neutron spectrum softening element of the first fuel assembly. The neutron spectrum softening element 112 includes a neutron spectrum softening material 112a extending in a columnar shape in the vertical direction and a cladding tube 112b provided on the outer periphery in the radial direction of the neutron spectrum softening material 112a. The cladding tube 112b extends in a cylindrical shape in the vertical direction, and both ends are closed.

中性子スペクトル軟化材112a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、LiO、BC、BeO、ZrHなどがある。ここで、Liは同位体Li、Bは同位体11Bなどを主として含む。また、HやBeに比べると中性子の減速能力が低下するが、中性子スペクトル軟化材112aとして、炭素(C)をグラファイトやSiCの形態で使用してもよい。 Examples of the neutron spectrum softening material 112a include Li 2 O, B 4 C, BeO, and ZrH 2 that include elements having a small neutron capture cross section and a relatively small atomic number. Here, Li mainly includes the isotope 7 Li, B mainly includes the isotope 11 B, and the like. Further, although the neutron moderating ability is reduced as compared with H and Be, carbon (C) may be used in the form of graphite or SiC as the neutron spectrum softening material 112a.

なお、第1燃料111aおよび中性子スペクトル軟化材112aは円柱状で、被覆管111bおよび被覆管112b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 first fuel 111a and the neutron spectrum softening material 112a are cylindrical, and the cladding tube 111b and the cladding tube 112b are cylindrical. However, the present invention is not limited to this and may be a polygonal shape.

図8は、第1の実施形態における第2燃料集合体の水平断面図である。また、図9は、第2燃料集合体の立断面図である。第2燃料集合体120は、互いに平行に三角配列に配置された第2燃料要素121および中性子スペクトル軟化要素122と、第2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123を有する。中性子スペクトル軟化要素122は第1燃料集合体110の中性子スペクトル軟化要素112と同一のものでもよい。   FIG. 8 is a horizontal cross-sectional view of the second fuel assembly in the first embodiment. FIG. 9 is an elevational sectional view of the second fuel assembly. The second fuel assembly 120 includes a second fuel element 121 and a neutron spectrum softening element 122 arranged in a triangular arrangement parallel to each other, and a wrapper provided radially outside the second fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122. It has a tube 123. The neutron spectrum softening element 122 may be the same as the neutron spectrum softening element 112 of the first fuel assembly 110.

図9の立断面図に示すように、第2燃料集合体120は、第1燃料集合体110と同様に、炉心燃料部120aを有する。   As shown in the sectional elevation view of FIG. 9, the second fuel assembly 120 has a core fuel portion 120 a, similar to the first fuel assembly 110.

図10は、第2燃料集合体の第2燃料要素を示す水平断面図である。第2燃料要素121は、円柱状に延びた第2燃料121aと、第2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。第2燃料121aは、核燃料リサイクルプロセスにおいてPuを回収した残りの高レベル廃棄物からTRUを回収したものである。   FIG. 10 is a horizontal sectional view showing the second fuel element of the second fuel assembly. The second fuel element 121 includes a second fuel 121a extending in a columnar shape, and a cladding tube 121b provided around the radial direction of the second fuel 121a. The cladding tube 121b is cylindrical and has both ends closed. The second fuel 121a is obtained by recovering TRU from the remaining high-level waste from which Pu has been recovered in the nuclear fuel recycling process.

図11は、第1の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素121の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。Puを回収した残りであるので、Puは3%程度であり、97%をNp、AmおよびCmのマイナーアクチニドが占めている。このように、通常の再処理で回収するTRUではなく、MAに注目して採取したTRU中の濃度の高いMAの割合を、前記の第1の割合に対比させて第2の割合とも呼ぶこととする。すなわち本実施形態において、第2燃料要素121中の濃縮されたMAのTRUに対する第2の割合は、第1燃料要素111中のMAのTRUに対する第1の割合よりも高くなっている。なお、第2燃料要素121について、実質的に残部である母材を有する金属形態の金属燃料である点、母材としては、たとえばジルコニウム(Zr)を用いている点は、第1の燃料集合体の場合と同様である。   FIG. 11 is a table showing an example of the composition of TRU that is the main component of the second fuel element 121 of the second fuel assembly in the first embodiment. Since the remaining Pu is recovered, Pu is about 3%, and 97% is occupied by minor actinides of Np, Am, and Cm. Thus, instead of the TRU collected by normal reprocessing, the ratio of MA with high concentration in TRU collected focusing on MA is also referred to as the second ratio in contrast to the first ratio. And That is, in the present embodiment, the second ratio of the concentrated MA in the second fuel element 121 to the TRU is higher than the first ratio of the MA in the first fuel element 111 to the TRU. It should be noted that the second fuel element 121 is a metal fuel in the form of a metal having a base material that is substantially the remainder, and that, for example, zirconium (Zr) is used as the base material, the first fuel assembly The same as for the body.

以上のように構成された本実施形態においては、第1燃料集合体110の集合体本数は336体であり、第2燃料集合体120の集合体本数は91体である。この結果、両方の燃料集合体全体のTRU中のマイナーアクチニド重量割合、すなわち第2の割合は平均は約30%である。従って、第1燃料集合体110のみで炉心を構成する場合に比べて、マイナーアクチニド重量割合は約2.4倍となる。   In the present embodiment configured as described above, the number of assemblies of the first fuel assemblies 110 is 336, and the number of assemblies of the second fuel assemblies 120 is 91. As a result, the minor actinide weight fraction in the TRU for both fuel assemblies, ie, the second fraction, averages about 30%. Accordingly, the minor actinide weight ratio is about 2.4 times that in the case where the core is configured by only the first fuel assembly 110.

図12は、本実施形態と従来例との中性子スペクトル軟化要素によるドップラー係数への影響の比較例を示すグラフである。横軸の左側は中性子スペクトル軟化要素が無い場合、横軸の右側は中性子スペクトル軟化要素を有する本実施形態の場合を示す。また、縦軸は、中性子スペクトル軟化要素が無い場合を基準としたドップラー係数の絶対値の比(相対値)を示している。図12に示すように、中性子スペクトル要素を装荷することにより、ドップラー係数は大幅に増加し、中性子スペクトル軟化要素を装荷しない場合の2倍以上の絶対値のドップラー係数が得られている。   FIG. 12 is a graph showing a comparative example of the influence of the neutron spectrum softening element on the Doppler coefficient between this embodiment and the conventional example. The left side of the horizontal axis shows a case where there is no neutron spectrum softening element, and the right side of the horizontal axis shows the case of the present embodiment having a neutron spectrum softening element. The vertical axis represents the ratio (relative value) of absolute values of Doppler coefficients based on the case where there is no neutron spectrum softening element. As shown in FIG. 12, by loading the neutron spectral element, the Doppler coefficient is greatly increased, and a Doppler coefficient having an absolute value more than twice that obtained when the neutron spectral softening element is not loaded is obtained.

図13は、本実施形態と従来例との高速炉炉心での核変換量の比較例を示すグラフである。横軸の左側は本実施形態の場合であり、横軸の右側は比較用炉心の場合である。比較用炉心は、第1燃料集合体のみで炉心を構成した高速炉炉心の場合である。また、それぞれにおける3本の棒は、左からPu、MA、およびPuとMAの合計について示している。縦軸は、核変換量(kg/年)である。   FIG. 13 is a graph showing a comparative example of the amount of transmutation in the fast reactor core between the present embodiment and the conventional example. The left side of the horizontal axis is for the present embodiment, and the right side of the horizontal axis is for the comparative core. The comparative core is a case of a fast core in which the core is composed of only the first fuel assembly. In addition, the three bars in each indicate Pu, MA, and the sum of Pu and MA from the left. The vertical axis represents the nuclear transmutation amount (kg / year).

比較用炉心の場合、Puの核変換量は約200kg/年強、MAの核変換量は約30kg/年であるのに対して、本実施形態の高速炉炉心100では、Puの核変換量は約130kg/年、MAの核変換量は110kg/年である。合計値は、同程度である。このように、Puの核変換量は減少しているが、MAの核変換量は数倍に増大している。   In the case of the comparative core, the amount of Pu transmutation is about 200 kg / year and the amount of MA transmutation is about 30 kg / year, whereas in the fast core 100 of this embodiment, the Pu transmutation amount. Is about 130 kg / year and MA transmutation is 110 kg / year. The total value is comparable. Thus, although the amount of Pu transmutation is decreasing, the amount of MA transmutation is increasing several times.

本実施形態のMAの核変換量110kg/年を1GWeあたりに換算すると、約380kg/年/GWeとなり、大型軽水炉約19基からの使用済燃料中のMAを核変換することができる。これは、比較用炉心の核変換量である約100kg/年/GWeの約4倍のMA核変換量である。   When the amount of transmutation of 110 kg / year of MA in this embodiment is converted per 1 GWe, it becomes about 380 kg / year / GWe, and MA in spent fuel from about 19 large light water reactors can be transmuted. This is an MA transmutation amount that is about four times the transmutation amount of the comparative core, which is about 100 kg / year / GWe.

なお、Puの核変換量が減少しているのは、MAからPuへの変換の寄与が増加したためである。すなわち、MAのNpやAmから核変換によりPu238が生成するため、正味のプルトニウム核変換量が減少するためである。ただし、このPu238もリサイクルにより核分裂生成物へ核変換することができる。 The reason for the decrease in the amount of Pu transmutation is that the contribution of conversion from MA to Pu has increased. That is, because Pu 238 is generated from the Np or Am of MA by nuclear transformation, the net amount of plutonium nuclear transformation is reduced. However, this Pu 238 can also be transmuted to fission products by recycling.

図14は、本実施形態に係る高速炉炉心と比較用炉心での燃焼欠損反応度の比較例を示すグラフである。図14の横軸の左は本実施形態の場合、右は比較用炉心の場合を示す。比較用炉心は、第1燃料集合体のみで炉心を構成した高速炉炉心の場合である。縦軸は、燃焼欠損反応度(相対値)を示す。   FIG. 14 is a graph showing a comparative example of combustion deficiency reactivity in the fast reactor core and the comparative core according to the present embodiment. The left side of the horizontal axis in FIG. 14 shows the case of this embodiment, and the right side shows the case of the comparative core. The comparative core is a case of a fast core in which the core is composed of only the first fuel assembly. The vertical axis represents the combustion deficiency reactivity (relative value).

U無燃料を装荷した炉心では、核分裂性物質の生成がきわめて少ないため、ウランを含むU有(ウラン有り)燃料を装荷した炉心よりも、燃焼による反応度低下が大きい。すなわち、燃焼欠損反応度(単位時間あたり)が大きい。このため、運転サイクル長さは従来のU有炉心よりも半分程度と短い。   In the core loaded with U-free fuel, the generation of fissile material is extremely small, and therefore the reactivity decrease due to combustion is larger than in the core loaded with U-containing (with uranium) fuel containing uranium. That is, the combustion deficiency reactivity (per unit time) is large. For this reason, the operation cycle length is as short as about half that of the conventional U core.

本実施形態の高速炉炉心100では、MA装荷量が多く、この結果、前述のようにMAの核変換の結果Pu238の生成量が比較用炉心よりも多い。このPu238は核分裂性であるために、核分裂性物質の減少は比較用炉心より少なく燃焼欠損反応度が半分近くに低減される。この結果、運転サイクルを比較用炉心に比べて延長することが可能である。 In the fast reactor core 100 of the present embodiment, the amount of MA loaded is large, and as a result, the amount of Pu 238 generated as a result of MA transmutation is larger than that of the comparative core as described above. Since this Pu 238 is fissionable, the reduction of fissile material is less than that of the comparative core, and the combustion defect reactivity is reduced to almost half. As a result, the operation cycle can be extended as compared with the comparative core.

図15は、本実施形態の高速炉炉心と比較用炉心でのNaボイド反応度の比較例を示すグラフである。横軸の左側は本実施形態の場合、右側は第2の比較用炉心の場合を示す。縦軸は、Naボイド反応度(相対値)である。第2の比較用炉心は、本実施形態の炉心の形状で、第1燃料集合体110のTRU組成と第2燃料集合体120のTRU組成を集合体本数で荷重平均したTRU組成を有する、すなわちMA装荷量がほぼ同程度の一種類の燃料集合体を装荷した炉心である。   FIG. 15 is a graph showing a comparative example of the Na void reactivity in the fast reactor core and the comparative core of the present embodiment. The left side of the horizontal axis shows the case of this embodiment, and the right side shows the case of the second comparative core. The vertical axis represents Na void reactivity (relative value). The second comparative core has the TRU composition in which the TRU composition of the first fuel assembly 110 and the TRU composition of the second fuel assembly 120 are load-averaged by the number of assemblies in the shape of the core of the present embodiment. It is a reactor core loaded with one type of fuel assembly with approximately the same MA loading.

MA核種については、第1に、熱中性子から高速中性子まで広いエネルギー範囲で核分裂を起こすU235やPu239と異なり、U238と同様に核分裂は高エネルギーにおける閾値反応である。また、MA核種については、第2に、高エネルギー領域以外のエネルギー領域では中性子捕獲反応が大きい。 The MA nuclides, first, unlike U 235 and Pu 239 causing fission in a wide energy range from thermal neutrons to fast neutrons, fission like the U 238 is a threshold response at high energy. As for the MA nuclide, secondly, the neutron capture reaction is large in the energy region other than the high energy region.

Naがボイド状態になった場合には、中性子の減速効果が減少するため中性子のエネルギースペクトルは硬化、すなわち高いエネルギー側にシフトする。この結果、第1の効果によりMAの核分裂反応が増加するとともに、第2の効果により中性子捕獲反応が減少する。すなわち、正の反応度効果が大きい。これにより、MA装荷量が大きいほど、Naボイド反応度は正側に大きくなることが知られている。   When Na is in a void state, the neutron moderation effect is reduced, so that the energy spectrum of neutrons is hardened, that is, shifted to a higher energy side. As a result, the fission reaction of MA increases due to the first effect, and the neutron capture reaction decreases due to the second effect. That is, the positive reactivity effect is large. Thereby, it is known that the Na void reactivity increases to the positive side as the MA loading amount increases.

本実施形態の場合と第2の比較用炉心の場合について、Naボイド反応度を比較すると、本実施形態にて、第1燃料集合体110と第2燃料集合体120の両方がボイド状態となった時の反応度は第2の比較用炉心のボイド時の反応度よりもやや大きい。しかしながら、第1燃料集合体110のみがボイド状態となった場合の反応度のそれぞれは、第2の比較用炉心のボイド時の反応度よりもかなり小さいことがわかる。   When the Na void reactivity is compared between the case of this embodiment and the case of the second comparative core, in this embodiment, both the first fuel assembly 110 and the second fuel assembly 120 are in a void state. The reactivity at the time is slightly larger than the reactivity at the time of void of the second comparative core. However, it can be seen that the reactivity when only the first fuel assembly 110 is in the void state is considerably smaller than the reactivity when the second comparative core is voided.

本実施形態の高速炉炉心100の第2燃料集合体120では、燃焼初期においては、核分裂性物質はほとんど含まれないが、燃焼とともに核分裂性物質(主に前述のPu238)が増大するため出力が大きく上昇する。このため、種々の燃焼度の燃料が混在する平衡サイクルの炉心における第2燃料集合体120においては、それぞれの燃料の出力の差が大きくなる。この出力の差は冷却材出口温度の差につながる。このため、流量が異常に減少した事故においても、第2燃料集合体120の各部におけるNaのボイド化挙動には時間差が大きく生じる。このことは、Naボイド反応度の影響緩和の可能性を意味している。 In the second fuel assembly 120 of the fast reactor core 100 of the present embodiment, the fissile material is hardly contained in the early stage of combustion, but the output is increased because the fissile material (mainly, Pu 238 described above) increases with combustion. Will rise significantly. For this reason, in the 2nd fuel assembly 120 in the core of the equilibrium cycle in which the fuel of various burnups is mixed, the difference in the output of each fuel becomes large. This difference in output leads to a difference in coolant outlet temperature. For this reason, even in an accident in which the flow rate is abnormally decreased, a large time difference occurs in the voiding behavior of Na in each part of the second fuel assembly 120. This means the possibility of mitigating the influence of Na void reactivity.

以上のように、本実施形態に係る高速炉炉心100においては、MA割合の異なる幅広いTRU組成に柔軟に対応しながらMAの核変換量を増大することができる。   As described above, in the fast reactor core 100 according to the present embodiment, the amount of MA transmutation can be increased while flexibly supporting a wide range of TRU compositions having different MA ratios.

[第2の実施形態]
本実施形態は、第1の実施形態の変形である。本第2の実施形態においては、第2燃料集合体130が、第1の実施形態における第2燃料集合体120と異なる。
[Second Embodiment]
This embodiment is a modification of the first embodiment. In the second embodiment, the second fuel assembly 130 is different from the second fuel assembly 120 in the first embodiment.

図16は、第2燃料集合体の水平断面図である。第2燃料集合体130は、互いに平行に配列された第2燃料要素131と中性子スペクトル軟化要素122、およびこれらの径方向外周に設けられたラッパ管123を有する。ラッパ管123内の第2燃料要素131と中性子スペクトル軟化要素122の配列については、第1の実施形態に係る第2燃料集合体120内の第2燃料要素121と中性子スペクトル軟化要素122の配列と同様である。   FIG. 16 is a horizontal sectional view of the second fuel assembly. The second fuel assembly 130 includes a second fuel element 131 and a neutron spectrum softening element 122 arranged in parallel to each other, and a trumpet tube 123 provided on the outer periphery in the radial direction thereof. Regarding the arrangement of the second fuel element 131 and the neutron spectrum softening element 122 in the wrapper tube 123, the arrangement of the second fuel element 121 and the neutron spectrum softening element 122 in the second fuel assembly 120 according to the first embodiment It is the same.

図17は、第2燃料集合体の第2燃料要素を示す水平断面図である。第2燃料要素131は、円柱状に延びたTRU燃料131aと、TRU燃料131aの径方向周囲に設けられた被覆管131bを有する。被覆管131bは、円筒状で両端が閉止されている。   FIG. 17 is a horizontal sectional view showing the second fuel element of the second fuel assembly. The second fuel element 131 includes a TRU fuel 131a extending in a columnar shape, and a cladding tube 131b provided around the radial direction of the TRU fuel 131a. The cladding tube 131b is cylindrical and has both ends closed.

図18は、第2の実施形態における第2燃料集合体の第2燃料要素の主成分であるTRUの組成の例を示す表である。第2の燃料集合体130の第2燃料要素131のTRU組成は、核燃料再処理プロセスにより原子炉の使用済燃料に含まれる超ウラン元素を混合状態で回収した超ウラン元素と、核燃料再処理プロセスにより原子炉の使用済燃料に含まれるUとPuを回収した残成分から回収された超ウラン元素をそれぞれ、50:50にて混合した超ウラン元素である。   FIG. 18 is a table showing an example of the composition of TRU that is the main component of the second fuel element of the second fuel assembly in the second embodiment. The TRU composition of the second fuel element 131 of the second fuel assembly 130 includes the transuranium element recovered in a mixed state of the transuranium element contained in the spent fuel of the nuclear reactor by the nuclear fuel reprocessing process, and the nuclear fuel reprocessing process. Thus, the transuranium elements recovered from the remaining components obtained by recovering U and Pu contained in the spent fuel of the nuclear reactor are mixed at 50:50, respectively.

したがって、その組成は、図18に示すように、図6および図11に示す各MAの組成、すなわち第1の割合と第2の割合の平均となる。したがって、第1の実施例における第2燃料集合体120のTRU組成に比べると、Pu同位元素が増大する一方、濃縮されたMAの組成、すなわち第2の割合は減少して55%となっている。ただし、この場合でも、第1燃料集合体110におけるMAの割合(20%以下)に比べて十分に大きい。ここで、第1燃料集合体110と第の燃料集合体120の集合体本数はそれぞれ336体、91体であり第1の実施形態と同じである。   Therefore, as shown in FIG. 18, the composition is the composition of each MA shown in FIGS. 6 and 11, that is, the average of the first ratio and the second ratio. Therefore, compared to the TRU composition of the second fuel assembly 120 in the first embodiment, the Pu isotope increases, while the concentrated MA composition, that is, the second ratio decreases to 55%. Yes. However, even in this case, it is sufficiently larger than the proportion of MA (20% or less) in the first fuel assembly 110. Here, the number of assemblies of the first fuel assembly 110 and the first fuel assembly 120 is 336 and 91, respectively, which is the same as in the first embodiment.

本実施形態においては、この場合、両方の燃料集合体平均のTRU中のMA重量割合は約22%である。従って、第1燃料集合体110のみで炉心を構成する従来の場合よりも、MA重量割合は約1.7倍となる。   In this embodiment, in this case, the weight ratio of MA in the TRU of both fuel assemblies is about 22%. Therefore, the MA weight ratio is about 1.7 times that of the conventional case in which the core is configured by only the first fuel assembly 110.

図19は、本実施形態と従来例との高速炉炉心での核変換量の比較例を示すグラフである。横軸の左側は本実施形態の場合、横軸の右側は比較用炉心の場合である。比較用炉心は、図13に示す比較用炉心と同様に第1燃料集合体のみで炉心を構成した高速炉炉心の場合である。また、それぞれにおける3本の棒は、左からPu、MA、およびPuとMAの合計について示している。縦軸は、核変換量(kg/年)である。   FIG. 19 is a graph showing a comparative example of the amount of transmutation in the fast reactor core between the present embodiment and the conventional example. The left side of the horizontal axis is the case of this embodiment, and the right side of the horizontal axis is the case of the comparative core. The comparative core is a fast core in which the core is composed of only the first fuel assemblies as in the comparative core shown in FIG. In addition, the three bars in each indicate Pu, MA, and the sum of Pu and MA from the left. The vertical axis represents the nuclear transmutation amount (kg / year).

比較用炉心は、図13に示す第1の実施形態と同じく、Puの核変換量は約200kg/年強、MAの核変換量は約30kg/年であるのに対して、本実施形態の高速炉炉心100では、Puの核変換量は約200kg/年弱、MAの核変換量は約75kg/年である。合計値は、第1の実施形態と同程度である。   As in the first embodiment shown in FIG. 13, the comparative core is about 200 kg / year of Pu transmutation and about 30 kg / year of MA transmutation. In the fast reactor core 100, Pu transmutation is about 200 kg / year and MA transmutation is about 75 kg / year. The total value is about the same as in the first embodiment.

MAの核変換量を1GWeあたりに換算すれば、約250kg/年/GWeとなり、大型軽水炉約13基からの使用済燃料中のMAを核変換できる。   If the transmutation amount of MA is converted per 1 GWe, it is about 250 kg / year / GWe, and MA in spent fuel from about 13 large light water reactors can be transmuted.

図20は、本実施形態に係る高速炉炉心と比較用炉心での燃焼欠損反応度の比較例を示すグラフである。図20の横軸の左は本第2の実施形態の場合、右は比較用炉心の場合を示す。比較用炉心は、第1の実施形態における図14と同様に、第1燃料集合体のみで炉心を構成した高速炉炉心の場合である。縦軸は、燃焼欠損反応度(相対値)を示す。   FIG. 20 is a graph showing a comparative example of the combustion defect reactivity in the fast reactor core and the comparative core according to the present embodiment. The left side of the horizontal axis in FIG. 20 shows the case of the second embodiment, and the right side shows the case of the comparative core. The comparative core is the case of a fast core in which the core is constituted by only the first fuel assembly, as in FIG. 14 in the first embodiment. The vertical axis represents the combustion deficiency reactivity (relative value).

したがって、比較用炉心の場合は、燃焼欠損反応度(相対値)は、約5であるが、第1の実施形態の場合が約3であるのに対して、本第2の実施形態の場合は、比較用炉心の場合と第1の実施形態の場合の中間の約4に増加している。   Therefore, in the case of the comparative core, the combustion deficiency reactivity (relative value) is about 5, whereas in the case of the second embodiment, it is about 3 in the case of the first embodiment. Is increased to about 4 which is an intermediate between the case of the comparative core and the case of the first embodiment.

以上のように、本実施形態においては、第1の実施形態と従来の例との中間的な特性となっており、特に特異な状態とはならない。このように、MA割合の異なる幅広いTRU組成に柔軟に対応しながらMAの核変換を行うことができる。   As described above, the present embodiment has intermediate characteristics between the first embodiment and the conventional example, and does not have a particularly unique state. In this way, MA transmutation can be performed while flexibly supporting a wide range of TRU compositions with different MA ratios.

[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。
[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.

たとえば、実施形態では、金属燃料の場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、酸化物を含むことでもよい。また、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、および酸化ジルコニウムの少なくとも一つにより希釈されたものを有してもよい。さらに、窒化物燃料であってもよい。また、窒化アルミニウム、および窒化ケイ素の少なくとも一つにより希釈されたものを有してもよい。   For example, in the embodiment, the case of metal fuel has been described as an example, but the present invention is not limited to this. For example, an oxide may be included. Further, it may be diluted with at least one of magnesium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide. Further, nitride fuel may be used. Further, it may be diluted with at least one of aluminum nitride and silicon nitride.

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。   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.

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。   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、4…原子炉容器、5…制御棒駆動機構、6…遮へいプラグ、8…冷却材入口配管、9…冷却材出口配管、10…原子炉格納容器、11…炉心燃料集合体、11a…内側炉心燃料集合体、11b…外側炉心燃料集合体、13…径ブランケット燃料集合体、14…制御棒案内管、15…遮へい体、21…エントランスノズル、21a…冷却材流入孔、22…燃料要素、24…ラッパ管、25…ハンドリングヘッド、26…冷却材流出孔、27…下部ブランケット燃料部、28…炉心燃料部、29…上部ブランケット燃料部、31…燃料、32…被覆管、100…高速炉炉心、110…第1燃料集合体、110a…炉心燃料部、111…第1燃料要素、111a…第1燃料、111b…被覆管、112…中性子スペクトル軟化要素、112a…中性子スペクトル軟化材、112b…被覆管、113…ラッパ管、120…第2燃料集合体、120a…炉心燃料部、121…第2燃料要素、121a…第2燃料、121b…被覆管、122…中性子スペクトル軟化要素、123…ラッパ管、130…第2燃料集合体、131…第2燃料要素、131a…TRU燃料、131b…被覆管、200…高速炉   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Core, 2 ... Core support plate, 4 ... Reactor vessel, 5 ... Control rod drive mechanism, 6 ... Shield plug, 8 ... Coolant inlet piping, 9 ... Coolant outlet piping, 10 ... Reactor containment vessel, 11 ... core fuel assembly, 11a ... inner core fuel assembly, 11b ... outer core fuel assembly, 13 ... diameter blanket fuel assembly, 14 ... control rod guide tube, 15 ... shielding body, 21 ... entrance nozzle, 21a ... cooling Material inlet hole, 22 ... Fuel element, 24 ... Trumpet pipe, 25 ... Handling head, 26 ... Coolant outlet hole, 27 ... Lower blanket fuel part, 28 ... Core fuel part, 29 ... Upper blanket fuel part, 31 ... Fuel, 32 ... cladding tube, 100 ... fast reactor core, 110 ... first fuel assembly, 110a ... core fuel part, 111 ... first fuel element, 111a ... first fuel, 111b ... cladding tube, 112 ... neutron spectrum Softening element, 112a ... neutron spectrum softening material, 112b ... cladding tube, 113 ... trumpet tube, 120 ... second fuel assembly, 120a ... core fuel part, 121 ... second fuel element, 121a ... second fuel, 121b ... coating Tube 122, neutron spectrum softening element, 123 ... Trumpet tube, 130 ... Second fuel assembly, 131 ... Second fuel element, 131a ... TRU fuel, 131b ... Cladding tube, 200 ... Fast reactor

Claims (10)

超ウラン元素を超ウラン元素以外の元素に変換する高速炉炉心に用いる高速炉炉心であって、
鉛直方向に延びて互いに平行に配列された複数の第1燃料集合体と、
鉛直方向に延びて前記第1燃料集合体と平行に配列された複数の第2燃料集合体と、
を備え、
前記第1燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の第1の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第1燃料と、前記第1燃料を収納し鉛直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第1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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
を具備し、
前記第2燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の前記第1の割合よりも高い第2の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第2燃料と、前記第2燃料を収納し鉛直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第2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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
を具備することを特徴とする高速炉炉心。
A fast reactor core used in a fast reactor core that converts a transuranium element into an element other than the transuranium element,
A plurality of first fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel to each other;
A plurality of second fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel with the first fuel assemblies;
With
Each of the first fuel assemblies is
A first fuel having a minor actinide occupying a first ratio in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and a cylindrical shape containing the first fuel and extending in the vertical direction are closed at both ends. A plurality of first fuel elements having a cladding tube;
A plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding tube containing a neutron spectrum softening material that softens a neutron energy spectrum and extending vertically and closed at both ends;
Comprising
Each of the second fuel assemblies is
A second fuel having a minor actinide occupying a second ratio higher than the first ratio in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and a cylinder containing the second fuel and extending in the vertical direction A plurality of second fuel elements having a cladding tube closed at both ends,
A plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding tube containing a neutron spectrum softening material that softens a neutron energy spectrum and extending vertically and closed at both ends;
A fast reactor core characterized by comprising:
前記第2燃料は、再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中のプルトニウムの割合を減ずることにより得ることを特徴とする請求項1に記載の高速炉炉心。   The fast reactor core according to claim 1, wherein the second fuel is obtained by reducing a ratio of plutonium in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing. 前記第2の割合が20%重量率以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の高速炉炉心。   The fast reactor core according to claim 1, wherein the second ratio is 20% by weight or more. 前記超ウラン元素は、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ないし請求項3のいずれか一項に記載の高速炉炉心。   The fast reactor core according to any one of claims 1 to 3, wherein the transuranium element includes at least one of neptunium, americium, and curium. 前記第1燃料および前記第2燃料の少なくとも一方は、超ウラン元素がジルコニウム、モリブデン、ニオブ、タングステンの少なくとも一つにより希釈された金属形態のものを含む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炉心。   The at least one of the first fuel and the second fuel includes a metal form in which a transuranium element is diluted with at least one of zirconium, molybdenum, niobium, and tungsten. 5. The fast reactor core according to any one of 4 above. 前記第1燃料および前記第2燃料の少なくとも一方は、酸化物を含むことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の高速炉炉心。   5. The fast reactor core according to claim 1, wherein at least one of the first fuel and the second fuel contains an oxide. 6. 前記第1燃料および前記第2燃料の少なくとも一方は、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、および酸化ジルコニウムの少なくとも一つにより希釈されたものを有することを特徴とする請求項6に記載の高速炉炉心。   The fast reactor core according to claim 6, wherein at least one of the first fuel and the second fuel is diluted with at least one of magnesium oxide, aluminum oxide, and zirconium oxide. 前記第1燃料および前記第2燃料の少なくとも一方は、窒化物であり、窒化アルミニウム、および窒化ケイ素の少なくとも一つにより希釈されたものを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炉心。   5. The method according to claim 1, wherein at least one of the first fuel and the second fuel is a nitride, and is diluted with at least one of aluminum nitride and silicon nitride. A fast reactor core according to claim 1. 前記中性子スペクトル軟化材は、炭化ホウ素、炭化ケイ素、黒鉛、ベリリウム、ベリリア、酸化リチウム、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8のいずれか一項に記載の高速炉炉心。   9. The neutron spectrum softening material includes at least one of boron carbide, silicon carbide, graphite, beryllium, beryllia, lithium oxide, and zirconium hydride. The fast reactor core according to the item. 高速炉炉心と、
前記高速炉炉心を原子炉冷却材に浸漬した状態で収納する原子炉容器と、
前記原子炉容器を格納する原子炉格納容器と、
を備えた高速炉であって、
前記高速炉炉心は、
鉛直方向に延びて互いに平行に配列された複数の第1燃料集合体と、
鉛直方向に延びて前記第1燃料集合体と平行に配列された複数の第2燃料集合体と、
を備え、
前記第1燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の第1の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第1燃料と、前記第1燃料を収納し鉛直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第1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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
を具備し、
前記第2燃料集合体のそれぞれは、
再処理において分離された結果得られる超ウラン元素中の前記第1の割合よりも高い第2の割合を占めるマイナーアクチニドを有する第2燃料と、前記第2燃料を収納し鉛直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第2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を収納し鉛直方向に延びた筒状で両端が閉止されている被覆管を有する複数の中性子スペクトル軟化要素と、
を具備することを特徴とする高速炉。
A fast reactor core,
A reactor vessel that houses the fast reactor core immersed in a reactor coolant; and
A reactor containment vessel for housing the reactor vessel;
A fast reactor comprising
The fast reactor core is:
A plurality of first fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel to each other;
A plurality of second fuel assemblies extending in a vertical direction and arranged in parallel with the first fuel assemblies;
With
Each of the first fuel assemblies is
A first fuel having a minor actinide occupying a first ratio in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and a cylindrical shape containing the first fuel and extending in the vertical direction are closed at both ends. A plurality of first fuel elements having a cladding tube;
A plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding tube containing a neutron spectrum softening material that softens a neutron energy spectrum and extending vertically and closed at both ends;
Comprising
Each of the second fuel assemblies is
A second fuel having a minor actinide occupying a second ratio higher than the first ratio in the transuranium element obtained as a result of separation in reprocessing, and a cylinder containing the second fuel and extending in the vertical direction A plurality of second fuel elements having a cladding tube closed at both ends,
A plurality of neutron spectrum softening elements having a cladding tube containing a neutron spectrum softening material that softens a neutron energy spectrum and extending vertically and closed at both ends;
A fast reactor comprising:
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