JP2016535858A - 高速反応炉炉心の中性子物理的特性に関する不確定性条件下、炉心の未臨界度を保証する方法 - Google Patents

Abstract

不確定性条件下、高速反応炉炉心の未臨界度を保証する方法であって、方法は、反応炉炉心を組み立てた後、反応炉炉心の未臨界度の物理的測定を実施し、得られた特性値を設計値と比較すること；次に、得られた特性値と設定値との間に不一致がある場合、反応炉炉心の燃料部分レベルで、反応炉内に調節可能反応棒を設置することを含み、調節可能反応棒のホウ素Ｂ１０同位体濃縮度は、反応炉炉心の補償棒のホウ素−Ｂ１０同位体濃縮度よりも高いように選択される。技術的結果は、補償棒群の吸収要素の動作条件を向上させること、補償棒の大幅な移動の必要性をなくすこと、製造中に使用される技術の監視を単純にすること、及び反応炉の安全制御のためのアルゴリズムを単純にすることにある。【選択図】 図１

Description

本発明は、高速反応炉炉心の中性子物理的特性に関する不確定性条件下、原子炉内の調節可能反応棒を用いて炉心の未臨界度を保証する方法に関し、本発明は、高速中性子発電所で使用できる。

原子炉炉心を取り囲む反射材が、互いに対して回転可能であるように組付けたいくつかの要素から構成され、反射材を通る中性子自由行程の１つ又は複数の間隙サイズを変化させて炉心の反応度を制御する、原子炉制御方法が公知である（ＧＢ１１４８０９３（特許文献１）、Ｇ２１Ｃ７／２８、１９６９年）。

管型原子炉燃料サイクルを実施する方法は、燃料集合体の計画的な再配置及び取出し、制御・保護システム棒の計画的な移動、並びに更なる吸収材を部分燃焼させた燃料集合体と取り替える過程において、中性子吸収材を分散させた燃料集合体の載置により炉心を形成することによるものである。この方法では、全ての更なる吸収材を取り出した後の反応炉の動作中、完全に浸漬させた制御・保護システム棒の一部は、集束棒と取り替え、制御・保護システム棒の取出し前に載置したウラン−エルビウム燃料の初期濃縮度を上回る０．２から０．５％の初期Ｕ²³⁵濃縮度をもつウラン−エルビウム燃料を燃料として使用する（ＲＵ２２１８６１３（特許文献２）、Ｇ２１Ｃ７／０４、Ｇ２１Ｄ３／０８、２００３年）。

臨界集合体上に球状燃料要素を有する高温原子炉炉心の物理的特性を検査する方法が公知であり、この方法は、炉心を加熱器によって加熱し、ペブル内に特定の温度分散場をもたらし、次に、炉心及び反射材の位置及び寸法を、加熱器が生成した設定温度場と比較して変更することにあり、この変更は、炉心の周縁で、燃料要素を反射材材料ボールと部分的に取り替えること、及び反射材材料ボールを燃料要素と部分的に取り替えることによるものである（ＲＵ１８３１１７０（特許文献３）、Ｇ２１Ｃ１７／００、Ｇ２１Ｓ１／００、１９９５年）。

炉心に隣接する反射材の一部によって制御される未臨界原子力デバイスを構成する方法、及びその方法を実施する原子炉が公知である（特許ＲＵ２１６７４５６（特許文献４）、Ｇ２１Ｃ１／００、Ｇ２１Ｃ５／００、Ｇ２１Ｃ７／２８、５／２０／２００１年）。貫通路形状の空隙は、炉心、中性子減速材、核分裂性要素、反射材を有する原子炉の炉心内に作製され、反射材の一部は、可動である。このデバイスの設計により、高速反応炉に特徴的な中性子スペクトルを炉心内で維持することが可能になる一方で、レーザー要素空隙内に熱中性子スペクトルが得られる。得られた結果及び高出力通路型反応炉に対する公知の事実に基づき、こうした反応炉は、側部反射材の一部によって十分に制御できる未臨界反応炉ユニットに変換できることが明らかになっており、したがって、局所的な臨界質量が生成される可能性をなくし、正のボイド係数を負のボイド係数に転換する。

上記の類似物は、不確定性条件下、高速反応炉炉心の未臨界度を保証することを意図するものではなく、そのため、実際の特性値は、設計値からずれることになる。

現在、一部の高速中性子反応炉施設設計では、安全制御及び保護システム棒制御のアルゴリズムを使用して、燃焼度の反応許容範囲を補償し、中性子動力炉を制御しており、これらの設計によれば、炉心内に浸漬され燃焼度を補償する一部の棒は、制御システムから切り離される。他の棒は、臨界状態を維持し、動力を制御する。したがって、シム棒システム全体は、２つの群、即ち、キャンペーン中に反応度の変動を補償するが、シム棒群設備一式の自動制御に含まれない、切り離された棒の群、及び制御棒と共に設備一式の制御に関与する作動シム棒の群、に分割される。キャンペーンは、反応度の発生に対応する間隔（燃料補給間の間隔）で実施され、シム棒の１つ又は２つの群の効率に等しい。

本発明に最も近い類似物は、応答時間に対する厳密な要件のない「軽度の」制御棒を使用して高速反応炉炉心の未臨界度を保証する方法であり、これらの制御棒は、炉心境界付近の反射材モジュール内に置かれる。この方法は、反応度に対する小さな許容範囲及び効果を特徴とする炉心を有するＢＲＥＳＴ−ＯＤ−３００高速中性子反応炉設計内で試運転されており、炉心境界付近の反射材モジュール内に制御棒を置くことによって応答時間に対する厳密な要件のない「軽度の」制御棒を使用可能にしている（ｈｔｔｐ：／／ｔｅｃｈｎｉｃｓ．ｒｉｎ．ｒｕ／ｉｎｄｅｘ／？ａ＝３＆ｉｄ＝６１０（非特許文献１））。

この最も近い類似物の欠点は、炉心の物理的特性に関する実験データがないため、又はわずかな遅発中性子よりも小さい未臨界度許容範囲のために原子炉炉心の物理的特性値が不確定である場合、反応炉の設定燃料補給のための使用が制限されることであり、この類似物は、不確定性を補償するには十分ではなく、実際の性能が設計値からずれることになる。

ＧＢ１１４８０９３ ＲＵ２２１８６１３ ＲＵ１８３１１７０ 特許ＲＵ２１６７４５６

ｈｔｔｐ：／／ｔｅｃｈｎｉｃｓ．ｒｉｎ．ｒｕ／ｉｎｄｅｘ／？ａ＝３＆ｉｄ＝６１０

本発明により完成する課題は、少なくとも１％の緊急保護防備後のＲＰ炉心未臨界度に対する法的文書の要件に準拠させ、炉心の主要な物理的特性値の根拠の向上した正確さ、即ち、炉心燃料供給・制御・保護システム棒の重量の正確な決定を要求するニーズに基づくものである。

本課題は、いくつかの不確定性により実際の性能が設計値からずれることになるために完成させる必要があり、いくつかの不確定性とは、
−炉心要素及びＲＰ構成要素の製造工程の不確定性；
−基本的機能（有効倍率、制御・保護システム棒の「重量」、電力密度場）の計算誤差；
−定誤差；
−組織的誤差；
−系統的誤差
であり、炉心の中性子の物理的特性及び熱液圧特性の開発及び証明の際に考慮すべきものである。

従来技術は、反応炉に対する物理的実験のみにより、炉心燃料供給・保護システム棒の重量の決定の正確さを保証できることを開示している。

提案する方法は、高速反応炉炉心の中性子物理的特性に関する不確定性条件下、実験を行わずに、炉心の未臨界度を保証することを可能にする。このことは、本発明の新たな本質的特徴、即ち炉心側部反射材内の調節可能反応棒の取替えにより可能になり、（遅発中性子の割合以上の値による）未臨界度の許容範囲を増大し、この許容範囲は、不確定性により実際の特性値が設計値からずれたことを補償するのに十分であり、Ｂ１０ホウ素同位体を有する炉心シム棒の濃縮度は、炉心側部反射材内の調節可能反応棒の濃縮度よりも低い。

特許請求する方法の実施による技術的結果は、
−保守性の増大により、シム棒バンク（ＳＲ、ｓｈｉｍ ｒｏｄ ｂａｎｋ）の吸収材要素（ＡＥ、ａｂｓｏｒｂｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔ）がよりストレスの多い動作条件となることをなくし；
−シム棒の行程を増大させる必要性をなくして、製造中の制御工程を簡略化し；
−各特定の原子炉に対するＡＥを開発する必要性をなくし、全キャンペーンを通じて必要な未臨界の許容範囲、及び炉心のライフ・サイクル全体に必要な動作性を保証し；
−反応炉の安全制御アルゴリズムを簡略化する。

上記の技術的結果は、炉心燃料部分レベルで設置した、炉心反射材モジュールの細穴又は炉心反射材の細穴内の調節可能反応棒により達成され、Ｂ１０ホウ素同位体を有する炉心シム棒の濃縮度は、側部反射材内の調節可能反応棒の濃縮度よりも低い。

必要な場合、濃縮度が不十分な調節可能反応棒は、濃縮度が十分な調節可能反応棒又はその集合体と取り替え、一部の炉心反射材モジュールを、調節可能反応棒が所望の濃縮度をもつ取替え反射材モジュールと取り替えることによって設計未臨界度を保証する。

調節可能反応棒が利用可能であると、シム棒バンクのＡＥ動作条件を改善する。というのは、炉心側部反射材の調節可能反応棒は、機能の主な部分を実施し、炉心の実際の中性子物理的特性及び熱液圧特性が設計値からずれるのをなくすためである。したがって、反応炉の安全制御アルゴリズムが簡略化される。炉心側部反射材の燃料部分レベルにおける調節可能反応棒の濃縮度は、炉心のシム棒の濃縮度よりも高く、炉心側部反射材内の調節反応棒によってより「大まかな」調節が実施される。同時に、炉心の組立て、試運転及び動作中の設計値に近い炉心特性値は、棒がシム棒バンク内をより短く移動することによって保証される。

原子炉炉心の概略図である。

原子炉は、炉心反射材２によって囲まれる炉心１が置かれる容器（図では省く）を備える。炉心１は、棒状燃料要素（ＦＥ、ｆｕｅｌ ｅｌｅｍｅｎｔ）から構成した燃料集合体を備え、１つ又は複数の燃料集合体は、シム棒を備え、吸収材要素（ＡＥ）は、シム棒バンクを形成する。シム棒バンクの棒は、垂直変位可能である。

炉心反射材２は、個別の取替え可能モジュール（炉心反射材取替えモジュール）から構成できる。細穴は、炉心燃料部分のレベルで、調節可能反応棒のための炉心反射材２（図１）又は炉心反射材取替えモジュール内に作製する。炉心反射材２又はその個別モジュールは、調節可能反応棒を細穴内に挿入し、これらの細穴から取外し可能であるように設計できる。

Ｂ１０ホウ素同位体による炉心シム棒バンクの濃縮度は、炉心反射材モジュールに設置した調節可能反応棒３の濃縮度よりも低く選択される。

特許請求する方法に従って、工程の不確定性、主な機能（有効倍率、制御及び保護システム棒の「重量」、電力密度場）の計算値の誤差（定誤差、組織的誤差、系統的誤差）は、炉心１の組立て段階で以下のように補償される。

炉心１を組み立てた後、炉心未臨界度の物理的測定を公知の方法に従って実施し、得られた特性を設計値と比較する。

得られた値と設計値との間に不一致がある場合、設計未臨界度を保証する濃縮度を有する調節可能反応棒を燃料部分４のレベルで反応炉内に設置する。

調節可能反応棒を炉心の燃料部分レベルで設置した後、炉心未臨界度の更なる物理的測定を実施し、得られた値と設計値との間に再度不一致を発見した場合、調節可能反応棒を有する炉心反射材２モジュールの一部を、濃縮度が異なる調節可能反応棒を有する反射材取替えモジュールと取り替える。異なる濃縮度とは、即ち所望の設計未臨界値を得るのに必要且つ十分な濃縮度のことである。

更に、工程の不確定性、誤差は、炉心反射材モジュールを部分的に取り替えずに補償できる。この場合、調節可能反応棒は、反射材２又は反射材モジュール（複数可）の細穴に挿入されるか、或いは反射材２又は反射材モジュール（複数可）の細穴から取り出し、設定未臨界値を得るのを可能にするのに必要な濃縮度を有する調節可能反応棒と取り替える。

炉心の特性は、炉心の燃料集合体に設置した炉心シム棒のＡＥにより微調整される。

調節可能反応棒、及び調節可能反応棒を中に設置した側部反射材モジュールの数は、炉心の組立て中、炉心の許容可能な特性を確認するために、中性子の物理的測定を実施した後に決定する。

調節可能反応棒を使用すると、原子炉の動作中、より大きな許容範囲がもたらされる。というのは、シム棒バンクのＡＥが、試運転及び動作過程の両方の間、設計条件に近い条件下で動作する炉心特性を制御するためであり、このことは、シム棒のより短い移動により可能である。

例えば、特定の炉心設計に関して、Ｂ１０ホウ素同位体による調節可能反応棒の濃縮度は、４０〜５０％に達し得る炉心シム棒の濃縮度よりも高くすることができる（最大８０〜９０％）。他の場合には、Ｂ１０ホウ素同位体による炉心シム棒の濃縮度は、９０％に達することができ、この場合、調節可能棒の濃縮度は、９６％に達することができる。しかし、炉心シム棒及び調節可能棒の効率は、炉心内の濃縮度が９３％に達する棒の数により変化することになる。炉心内の棒の数が少なく、平均濃縮度が９３％を下回る場合、調節可能棒の濃縮度が高いほど、炉心シム棒及び調節可能棒の効率は高くなる。

１ 炉心
２ 反射材
３ 調節可能反応棒
４ 燃料部分

Claims (5)

1. 不確定性条件下、高速反応炉炉心の未臨界度を保証する方法であって、前記方法は、前記反応炉炉心を組み立てた後、前記反応炉炉心の未臨界度の物理的測定を実施し、得られた特性値を設計値と比較すること；次に、前記得られた特性値と前記設計値との間に不一致がある場合、前記反応炉炉心の燃料部分レベルで、前記反応炉に調節可能反応棒を設置することを含み、前記調節可能反応棒のホウ素Ｂ１０同位体濃縮度は、前記反応炉炉心の補償棒のホウ素−Ｂ１０同位体濃縮度よりも高いように選択される、方法。
2. 前記調節可能反応棒は、１つ、複数又は全ての炉心反射材モジュール内に位置し、前記調節可能反応棒は、前記調節可能反応棒を内部に設置した前記炉心反射材モジュールの設置により設置され、前記炉心反射材モジュールは、前記燃料部分レベルに位置する、請求項１に記載の方法。
3. 前記調節可能反応棒は、前記炉心反射材モジュールの細穴に挿入される、請求項１に記載の方法。
4. 前記炉心燃料部分レベルで前記調節可能反応棒を設置した後、前記炉心未臨界度の更なる物理的測定を実施し、得られた値と設計値との間に不一致がある場合、不十分な濃縮度をもつ調節可能反応棒を、設計未臨界値を保証する濃縮度をもつ調節可能反応棒と取り替える、請求項２に記載の方法であって、前記調節可能反応棒は、前記１つ又は複数の炉心反射材モジュールを取り出し、前記反射材モジュールを、必要な濃縮度の前記調節可能反応棒を有する前記反射材モジュールと取り替えることによって取り替えられる、方法。
5. 前記燃料部分レベルで前記調節可能反応棒を設置した後、前記炉心未臨界度の更なる物理的測定を実施し、得られた値と設計値との間に不一致がある場合、不十分な濃縮度をもつ調節可能反応棒を、設計未臨界値を保証する濃縮度をもつ調節可能反応棒と取り替える、請求項３に記載の方法であって、前記調節可能反応棒は、前記調節可能反応棒を前記細穴から取り出し、前記調節可能反応棒を、必要な濃縮度をもつ他の棒と取り替えることによって取り替えられる、方法。

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