JP2020201169A - Fuel assemblies and core of fast reactor - Google Patents

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Abstract

To provide a fuel assembly of a fast reactor capable of further reducing frequency of replacement of the fuel assembly loaded in a core.SOLUTION: A fuel assembly loaded in a core of a fast reactor has a plurality of fuel elements 2. The fuel element 2 includes: a liquid metal fuel region 7 in which liquid metal fuel 10 containing fuel parent material is present therein; a molten salt fuel region 6 that is disposed above the liquid metal fuel region 7 and in which molten salt fuel 9 containing fissile material and the fuel parent material is present; and a spent fuel region 11D that is located above the molten salt fuel region 6 and in which spent fuel 11 containing the fuel parent material is present. The liquid metal fuel region 7 comes into contact with the molten salt fuel region 6 and the molten salt fuel region 6 comes into contact with the spent fuel region 11D. The fuel parent material supplied from the molten salt fuel region 6 to the liquid metal fuel region 7, and from the spent fuel region 11D via the molten salt fuel region 6 to the liquid metal fuel region 7 is converted into fissile material in the liquid metal fuel region 7, and the converted fissile material is supplied to the molten salt fuel region 6.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高速炉の燃料集合体および高速炉の炉心に関する。 The present invention relates to a fuel assembly of a fast reactor and a core of a fast reactor.

高速炉は、原子炉容器内に炉心を配置ており、原子炉容器内には冷却材である液体金属、例えば、液体ナトリウム等が充填されている。この炉心には、核分裂性プルトニウム(例えば、239Pu)等の核分裂性物質および劣化ウラン(U)等の燃料親物質が被覆管に封入された複数の燃料要素を有する複数の燃料集合体が装荷される。具体的には、その燃料集合体は、複数の燃料要素、ラッパ管およびエントランスノズルを有する。エントランスノズルは複数の燃料要素の下端部を支持する。各燃料要素の外面には燃料要素に取り付けられたワイヤスペーサが巻き付けられており、燃料要素相互間は、このワイヤスペーサによって所定の間隔に保持される。ラッパ管はエントランスノズルによって支持された複数の燃料要素の束を取り囲んでいる。ラッパ管の下端部は、エントランスノズルに取り付けられる。ラッパ管の上端部には、燃料要素の上方に位置する冷却材流出部が形成される。 In a fast reactor, a core is arranged in a reactor vessel, and the reactor vessel is filled with a liquid metal as a coolant, for example, liquid sodium or the like. The core is loaded with multiple fuel assemblies having multiple fuel elements in which fissile materials such as fissile plutonium (eg, 239 Pu) and fuel parent materials such as depleted uranium (U) are encapsulated in cladding. Will be done. Specifically, the fuel assembly has a plurality of fuel elements, a trumpet pipe and an entrance nozzle. The entrance nozzle supports the lower ends of multiple fuel elements. A wire spacer attached to the fuel element is wound around the outer surface of each fuel element, and the wire spacers hold the fuel elements at a predetermined interval between the fuel elements. The trumpet tube surrounds a bundle of fuel elements supported by an entrance nozzle. The lower end of the trumpet tube is attached to the entrance nozzle. At the upper end of the trumpet pipe, a coolant outflow portion located above the fuel element is formed.

燃料要素に収納される核燃料物質としては、固体酸化物燃料および固体金属合金燃料が一般的に使用され、実績も豊富である。特開2018−71997号公報には、固体酸化物燃料であるウランとプルトニウムを混合した混合酸化物燃料(MOX燃料)を炉心燃料として用い、他の固体酸化物燃料であるウランとマイナーアクチニドを混合した他の混合酸化物燃料(MAOx燃料)を内部ブランケット燃料として用いた高速炉の炉心を記載している。 Solid oxide fuel and solid metal alloy fuel are generally used as the nuclear fuel material contained in the fuel element, and have abundant achievements. Japanese Patent Laying-Open No. 2018-71997 uses a mixed oxide fuel (MOX fuel) in which uranium and plutonium, which are solid oxide fuels, are mixed as a core fuel, and uranium, which is another solid oxide fuel, and minor actinide are mixed. The core of a fast reactor using the other mixed oxide fuel (MAOx fuel) as the internal blanket fuel is described.

しかし、核燃料物質として、液体金属合金および溶融塩のような液体燃料を使用する例も存在する。例えば、特開昭64−32189号公報には、プルトニウム(Pu)−ウラン(U)−ビスマス(Bi)合金等の液体金属燃料を被覆管内に封入し、核燃料物質を含まない溶融塩領域をその液体金属燃料領域の上方で被覆管内に配置した燃料要素が開示されている。また、特開2014−10022号公報には、トリウム(Th)および核分裂性物質(ウラン235(235U), プルトニウム239(239Pu)等)を含むフッ化物溶融塩を被覆管内に封入した燃料要素が開示されている。ただし、特開昭64−32189号公報および特開2014−10022号公報に記載されたこれらの燃料要素は、ブランケット燃料を有していない。 However, there are also examples of using liquid fuels such as liquid metal alloys and molten salts as nuclear fuel materials. For example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-32189, a liquid metal fuel such as a plutonium (Pu) -uranium (U) -bismus (Bi) alloy is sealed in a cladding tube, and a molten salt region containing no nuclear fuel material is defined. Fuel elements placed in cladding above the liquid metal fuel region are disclosed. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-10022 describes a fuel element in which a molten fluoride salt containing thorium (Th) and a fissile material (uranium 235 ( 235 U), plutonium 239 ( 239 Pu), etc.) is sealed in a cladding tube. Is disclosed. However, these fuel elements described in JP-A-64-32189 and JP-A-2014-10022 do not have blanket fuel.

特開2018−71997号公報JP-A-2018-71997 特開昭64−32189号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 64-32189 特開2014−10022号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-10022

高速炉の運転により、炉心燃料の主成分である核分裂性物質(239Pu等)は、核分裂反応(核燃料の燃焼)により消費される。一方、高速炉の炉心内の炉心燃料領域に存在する炉心燃料には、核分裂性物質以外に燃料親物質(238U等)も存在しており、炉心燃料に含まれる燃料親物質の中性子捕獲により核分裂性物質(239Pu等)が新たに生成される。また、炉心燃料領域の上部および下部または炉心燃料領域の周囲にブランケット領域が配置されている場合には、ブランケット領域内のブランケット燃料の主成分である燃料親物質(238U等)が炉心燃料領域から漏れてきた中性子を捕獲することにより、核分裂性物質(239Pu等)が生成される。 By operating a fast reactor, fissile materials ( 239 Pu, etc.), which are the main components of the core fuel, are consumed by the fission reaction (combustion of nuclear fuel). On the other hand, in the core fuel existing in the core fuel region in the core of a fast reactor, fuel parent material ( 238 U, etc.) also exists in addition to fissile material, and by capturing neutrons of the fuel parent material contained in the core fuel. Fissile material ( 239 Pu, etc.) is newly generated. When the blanket region is arranged above and below the core fuel region or around the core fuel region, the fuel parent material ( 238 U, etc.), which is the main component of the blanket fuel in the blanket region, is the core fuel region. Fissile material ( 239 Pu, etc.) is produced by capturing the neutrons leaking from the reactor.

ここで、ブランケット燃料とは、239Pu等の核分裂性物質をほとんど含まず、代わりに238U等の燃料親物質を多く含んだ核燃料である。燃料親物質(238U等)は、そのままでは高速炉の炉心内での核分裂に寄与しないが、中性子を捕獲する中性子捕獲反応により核分裂性物質(239Pu等)に変化することによって、高速炉の炉心内で核分裂に寄与する。 Here, the blanket fuel is a nuclear fuel that contains almost no fissile material such as 239 Pu and instead contains a large amount of fuel parent material such as 238 U. The fuel parent material ( 238 U, etc.) does not contribute to fission in the core of the fast reactor as it is, but it changes to a fissile material ( 239 Pu, etc.) by the neutron capture reaction that captures neutrons, so that the fast reactor Contributes to fission in the core.

高速炉における核分裂性物質の生成量の消費量に対する比は、しばしば転換比または増殖比と呼ばれる。ここでは、核分裂性物質である核分裂性Puについての転換比を以下の3通りに定義する。 The ratio of the amount of fissile material produced to the amount of consumption in a fast reactor is often referred to as the conversion ratio or growth ratio. Here, the conversion ratio for fissile Pu, which is a fissile material, is defined in the following three ways.

(1)炉心燃料の転換比
炉心燃料のPu生成量/炉心燃料のPu消費量
(2)ブランケット燃料の転換比
ブランケット燃料のPu生成量/炉心燃料のPu消費量
(3)炉心の転換比
炉心燃料の転換比とブランケット燃料の転換比の合計
一般に、高速炉では、炉心燃料の転換比<1であるが、ブランケット燃料の転換比を加えることにより、炉心全体で転換比≧1を実現すること(すなわち、燃料増殖)が可能である。この場合、核燃料の燃焼が進むと、ブランケット燃料を含めた炉心全体のPuの量は増加するが、炉心燃料に含まれるPuの量は次第に減少する。そのため、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体は、所定の燃焼期間(運転サイクル長)経過後に燃焼度0GWd/tの新しい燃料集合体と交換される。炉心の燃料経済性を向上させるためには、燃料集合体の交換頻度が少なくて済む長寿命の燃料集合体が必要とされる。
(1) Core fuel conversion ratio
Core fuel Pu production / Core fuel Pu consumption (2) Blanket fuel conversion ratio
Blanket fuel Pu production / Core fuel Pu consumption (3) Core conversion ratio
Total of core fuel conversion ratio and blanket fuel conversion ratio Generally, in a fast reactor, the core fuel conversion ratio <1, but by adding the blanket fuel conversion ratio, a conversion ratio ≥ 1 is achieved for the entire core. That (ie, fuel proliferation) is possible. In this case, as the combustion of the nuclear fuel progresses, the amount of Pu in the entire core including the blanket fuel increases, but the amount of Pu contained in the core fuel gradually decreases. Therefore, the fuel assembly loaded in the core of the fast reactor is replaced with a new fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t after a predetermined combustion period (operation cycle length) has elapsed. In order to improve the fuel economy of the core, a long-life fuel assembly that requires less frequent replacement of the fuel assembly is required.

また、ブランケット燃料で生成されたPuを再利用するためには、所定の燃焼期間経過後に高速炉の炉心から使用済燃料集合体として取り出された、炉心燃料及びブランケット燃料を含む燃料集合体を再処理施設に搬送し、再処理施設においてその使用済燃料集合体内の核燃料からPuを回収し、さらに、回収した核燃料を炉心燃料に加工するといった一連のリサイクル処理が必要となる。 Further, in order to reuse the Pu generated by the blanket fuel, the fuel assembly containing the core fuel and the blanket fuel, which is taken out as the spent fuel assembly from the core of the fast reactor after the elapse of a predetermined combustion period, is reprocessed. A series of recycling treatments such as transporting to a processing facility, recovering Pu from the nuclear fuel in the spent fuel assembly at the reprocessing facility, and processing the recovered nuclear fuel into core fuel are required.

特開昭64−32189号公報および特開2014−10022号公報に記載された各燃料要素は、ブランケット燃料を有していない。このため、それぞれの燃料要素を含む各燃料集合体を装荷した高速炉の炉心では、炉心燃料の転換比が1未満となるため、燃料交換を頻繁に行う必要がある。 Each fuel element described in JP-A-64-32189 and JP-A-2014-10022 does not have a blanket fuel. For this reason, in the core of a fast reactor loaded with each fuel assembly containing each fuel element, the conversion ratio of the core fuel is less than 1, and it is necessary to frequently change the fuel.

このため、発明者らは、燃料交換の頻度をさらに低減できる長寿命の燃料集合体の開発に取り組んだ。 For this reason, the inventors have worked on the development of a long-life fuel assembly that can further reduce the frequency of refueling.

本発明の目的は、炉心に装荷される燃料集合体の交換頻度をさらに低減できる高速炉の燃料集合体および高速炉の炉心を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel assembly of a fast reactor and a core of a fast reactor capable of further reducing the replacement frequency of the fuel assembly loaded in the core.

上記した目的を達成する本発明の特徴は、
複数の燃料要素を有し、
その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第1燃料領域、第1燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第2燃料領域、および第2燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第3燃料領域を有し、
第1燃料領域の上端が第2燃料領域の下端に接触しており、第2燃料領域の上端が第3燃料領域の下端に接触していることにある。
The features of the present invention that achieve the above-mentioned object are
Has multiple fuel elements
The fuel element is located above the first fuel region and the first fuel region where the liquid metal fuel containing the fuel parent material is present, and the second fuel region where the molten salt fuel containing the nuclear fissionable material and the fuel parent material is present. , And a third fuel region located above the second fuel region and in which the nuclear fuel material, including the fuel parent material, is present.
The upper end of the first fuel region is in contact with the lower end of the second fuel region, and the upper end of the second fuel region is in contact with the lower end of the third fuel region.

高速炉の運転中では、燃料要素において、第2燃料領域内の燃料親物質が、第2燃料領域から、この第2燃料領域の下方に配置されて第2燃料領域に接触する第1燃料領域に供給され、第1燃料領域において、第2燃料領域から供給された燃料親物質が核分裂性物質に変換され、第1燃料領域で変換により生成されたこの核分裂性物質が第1燃料領域から第2燃料領域に供給され、さらに、第3燃料領域内の核燃料物質に含まれる燃料親物質が第2燃料領域を経て第1燃料領域に供給されて第1燃料領域において核分裂性物質に変換され、この核分裂性物質も第1燃料領域から第2燃料領域に供給されるので、その燃料要素を有する燃料集合体の寿命がさらに長くなり、それだけ、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体の交換頻度がさらに低減される。 During operation of the high-speed furnace, in the fuel element, the fuel parent material in the second fuel region is arranged below the second fuel region from the second fuel region and comes into contact with the second fuel region. In the first fuel region, the fuel parent material supplied from the second fuel region is converted into a fissionable material, and this nuclear fissure material produced by the conversion in the first fuel region is converted from the first fuel region to the first fuel region. The fuel parent material supplied to the two fuel regions and further contained in the nuclear fuel material in the third fuel region is supplied to the first fuel region via the second fuel region and converted into a fissionable material in the first fuel region. Since this fissionable material is also supplied from the first fuel region to the second fuel region, the life of the fuel assembly having the fuel element is further extended, and the fuel assembly loaded in the core of the fast reactor is replaced accordingly. The frequency is further reduced.

上記した目的は、
複数の燃料要素を有し、
その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が混合されて充填された核燃料物質充填領域、およびその核燃料物質充填領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有し、
その核燃料物質充填領域の上端はその核燃料物質領域の下端に接触していることによっても達成できる。
The purpose mentioned above is
Has multiple fuel elements
The fuel element is arranged above the nuclear fuel material filling region, which is mixed and filled with liquid metal fuel containing the fuel parent material and the molten salt fuel containing the nuclear fission material and the fuel parent material, and the nuclear fuel material filling region. It has a nuclear fuel material area where nuclear fuel material including fuel parent material exists,
The upper end of the nuclear fuel material filling region can also be achieved by contacting the lower end of the nuclear fuel material region.

高速炉の運転が開始されて燃料要素内の核燃料物質充填領域に混合されて充填された、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料のそれぞれの燃料が溶融し、燃料要素内に、溶融した液体金属燃料が存在する第1燃料領域、およびこの第1燃料領域の上方に配置されて第1燃料領域に接触される、溶融した溶融塩燃料が存在する第2燃料領域が形成される。この結果、第2燃料領域内の燃料親物質が、第2燃料領域から、この第2燃料領域の下方に配置される第1燃料領域に供給され、第1燃料領域において、第2燃料領域から供給された燃料親物質が核分裂性物質に変換され、第1燃料領域で変換により生成されたこの核分裂性物質が第1燃料領域から第2燃料領域に供給され、さらに、核燃料物質領域内の核燃料物質に含まれる燃料親物質が第2燃料領域を経て第1燃料領域に供給されて第1燃料領域において核分裂性物質に変換され、この核分裂性物質も第1燃料領域から第2燃料領域に供給されるので、その燃料要素を有する燃料集合体の寿命がさらに長くなり、それだけ、高速炉の炉心に装荷された燃料集合体の交換頻度がさらに低減される。 The fuels of the liquid metal fuel containing the fuel parent material and the molten salt fuel containing the nuclear fission material and the fuel parent material, which are mixed and filled in the nuclear fuel material filling region in the fuel element when the operation of the high speed reactor is started, are respectively. Within the molten fuel element, there is a first fuel region in which the molten liquid metal fuel resides, and a molten molten salt fuel that is located above the first fuel region and is in contact with the first fuel region. A second fuel region is formed. As a result, the fuel parent material in the second fuel region is supplied from the second fuel region to the first fuel region arranged below the second fuel region, and in the first fuel region, from the second fuel region. The supplied fuel parent material is converted into a nuclear fissure material, and this nuclear fissure material produced by the conversion in the first fuel region is supplied from the first fuel region to the second fuel region, and further, the nuclear fuel in the nuclear fuel material region. The fuel parent material contained in the substance is supplied to the first fuel region via the second fuel region and converted into a fissionable substance in the first fuel region, and this nuclear fissure material is also supplied from the first fuel region to the second fuel region. Therefore, the life of the fuel assembly having the fuel element is further extended, and the replacement frequency of the fuel assembly loaded in the core of the fast reactor is further reduced accordingly.

燃料集合体における核燃料物質の補給方法の好ましい構成を以下に述べる。 The preferred configuration of the nuclear fuel material replenishment method in the fuel assembly is described below.

(A)複数の燃料要素を有し、その燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第1燃料領域、第1燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第2燃料領域、および第2燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第3燃料領域を有し、第1燃料領域の上端が第2燃料領域の下端に接触しており、第2燃料領域の上端が第3燃料領域の下端に接触している高速炉の燃料集合体における核燃料物質の補給方法であって、
第3領域における核燃料物質が消滅したとき、高速炉の炉心に装荷されている燃料集合体を原子炉容器の外に取り出し、
取り出した燃料集合体に含まれている燃料要素の被覆管の上端部を封鎖している上部端栓を取り外し、
その後、被覆管の上端から被覆管内に、燃料親物質を含む核燃料物質を補給して、第2燃料領域の上方に位置する第3燃料領域を形成し、
被覆管の上端を上部端栓によって封鎖する高速炉の燃料集合体における核燃料物質の補給方法。
(A) It has a plurality of fuel elements, and the fuel elements are arranged above the first fuel region and the first fuel region in which the liquid metal fuel containing the fuel parent material is present, and the fissionable substance and the fuel parent material are contained. It has a second fuel region in which the molten salt fuel containing the fuel is present, and a third fuel region in which the nuclear fuel material including the fuel parent material is present, which is located above the second fuel region, and the upper end of the first fuel region is the second. A method of replenishing nuclear fuel material in a fuel assembly of a fast reactor, which is in contact with the lower end of the fuel region and the upper end of the second fuel region is in contact with the lower end of the third fuel region.
When the nuclear fuel material in the third region disappears, the fuel assembly loaded in the core of the fast reactor is taken out of the reactor vessel and taken out.
Remove the upper end plug that is blocking the upper end of the cladding of the fuel element contained in the removed fuel assembly.
After that, the nuclear fuel material including the fuel parent material is replenished from the upper end of the cladding tube into the cladding tube to form a third fuel region located above the second fuel region.
A method of replenishing nuclear fuel material in a fuel assembly of a fast reactor in which the upper end of a cladding tube is closed by an upper end plug.

本発明によれば、炉心に装荷される燃料集合体の交換頻度をさらに低減することができる。 According to the present invention, the frequency of replacement of the fuel assembly loaded in the core can be further reduced.

本発明の好適な一実施例である実施例1の高速炉の燃料集合体に用いられる燃料要素の縦断面図である。It is a vertical sectional view of the fuel element used for the fuel assembly of the fast reactor of Example 1 which is a preferable example of this invention. 図1に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体の横断面図である。It is a cross-sectional view of the fuel assembly having a plurality of fuel elements shown in FIG. 図2に示す複数の燃料集合体が装荷された高速炉の炉心の斜視図である。It is a perspective view of the core of the fast reactor loaded with a plurality of fuel assemblies shown in FIG. 図3に示す高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the core of the fast reactor shown in FIG. 3 on the central axis. 図2に示す燃料集合体における核燃料物質の補給方法を示す説明図であり、(a)は高速炉の起動前における、燃料集合体に含まれる燃料要素の状態を、(b)はその燃料要素内で溶融塩燃料領域の上方に存在する使用済燃料がなくなった状態を、(c)は燃料要素の上部端栓を取り外して被覆管の上端から使用済燃料を被覆管内の補給する状態を、および(d)は使用済燃料の被覆管内への補給が終了した後に被覆管の上端を上部端栓で封鎖した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the replenishment method of the nuclear fuel material in the fuel assembly shown in FIG. 2, (a) is the state of the fuel element contained in the fuel assembly before the start of a fast reactor, (b) is the fuel element. In the state where the spent fuel existing above the molten salt fuel region is exhausted, (c) is a state in which the upper end plug of the fuel element is removed and the spent fuel is replenished in the cladding tube from the upper end of the cladding tube. (D) is an explanatory view showing a state in which the upper end of the cladding tube is closed with an upper end plug after the replenishment of the spent fuel into the cladding tube is completed. 本発明の好適な他の実施例である実施例2の、高速炉の燃焼度0GWd/tの燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the fuel element contained in the fuel assembly of the fast reactor with a burnup of 0 GWd / t of Example 2, which is another preferable embodiment of the present invention. 本発明の先願である特願2017−238372号の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the fuel element included in the fuel assembly of the fast reactor of Japanese Patent Application No. 2017-238372 which is the prior application of the present invention. 本発明の好適な他の実施例である実施例3の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the fuel element contained in the fuel assembly of the fast reactor of Example 3, which is another preferable Example of this invention. 図8に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体を装荷した高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of the core of a fast reactor loaded with a fuel assembly having a plurality of fuel elements shown in FIG. 8 on the central axis. 本発明の好適な他の実施例である実施例4の高速炉の炉心における、炉心燃料領域を取り囲むブランケット領域に装荷されたブランケット燃料集合体に含まれるブランケット燃料要素の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the blanket fuel element contained in the blanket fuel assembly loaded in the blanket region surrounding the core fuel region in the core of the fast reactor of Example 4, which is another preferred embodiment of the present invention. 図10に示される実施例4の高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the core of the fast reactor of Example 4 shown in FIG. 10 on the central axis. 本発明の好適な他の実施例である実施例5の高速炉の燃料集合体に含まれる燃料要素の縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the fuel element contained in the fuel assembly of the fast reactor of Example 5, which is another preferable Example of this invention. 図1に示す複数の燃料要素を有する燃料集合体が装荷された高速炉の炉心の、中心軸での縦断面図である。It is a vertical cross-sectional view of the core of a fast reactor loaded with a fuel assembly having a plurality of fuel elements shown in FIG. 1 on the central axis.

燃料交換の頻度を低減する寿命の長い燃料集合体は、特願2017−238372号により提案されている。この燃料集合体の概要を、図7を用いて以下に説明する。 A long-lived fuel assembly that reduces the frequency of refueling is proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372. An outline of this fuel assembly will be described below with reference to FIG.

特願2017−238372号により提案された燃焼度0GWd/tの燃料集合体は、図7に示す複数の燃料要素2Dの下端部をエントランスノズルによって支持し、エントランスノズルによって支持された複数の燃料要素2Dを筒状の構造物であるラッパ管で取り囲んで構成される。ラッパ管の下端部はエントランスノズルに取り付けられる。このような燃料集合体が、複数体、円柱状の高速炉の炉心に装荷され、円柱状の高速炉の炉心が形成される。 The fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372 supports the lower ends of the plurality of fuel elements 2D shown in FIG. 7 by the entrance nozzle, and the plurality of fuel elements supported by the entrance nozzle. It is configured by surrounding 2D with a trumpet tube, which is a tubular structure. The lower end of the trumpet tube is attached to the entrance nozzle. A plurality of such fuel assemblies are loaded into the core of a columnar fast reactor to form the core of a columnar fast reactor.

燃料要素2Dは、上端部が上部端栓4で封鎖されて下端部が下部端栓5で封鎖された被覆管3内に、下端から上端に向かって、液体金属燃料領域7及び溶融塩燃料領域6が配置される。溶融塩燃料領域6は液体金属燃料領域7の上方に配置される。被覆管3内で、溶融塩燃料領域6の上方には、ガスプレナム13が形成されている。溶融塩燃料9、例えば、PuCl,UCl,NaClおよびMgClが、燃焼度0GWd/tの状態で核分裂性物質(例えば、239Pu等)および燃料親物質(例えば、238U)を含み、溶融塩燃料領域6に充填される。液体金属燃料10、例えば、U−Bi合金が液体金属燃料領域7に充填される。その液体金属燃料10はブランケット燃料である。液体金属燃料10は、燃焼度0GWd/tの状態で、核分裂性物質を含まず、燃料親物質(例えば、238U)を含む。 The fuel element 2D has a liquid metal fuel region 7 and a molten salt fuel region from the lower end to the upper end in a cladding tube 3 whose upper end is closed by the upper end plug 4 and whose lower end is closed by the lower end plug 5. 6 is placed. The molten salt fuel region 6 is located above the liquid metal fuel region 7. In the cladding tube 3, a gas plenum 13 is formed above the molten salt fuel region 6. Molten salt fuel 9, such as PuCl 3 , UCl 3 , NaCl and MgCl 2 , contains fissile material (eg, 239 Pu, etc.) and fuel parent material (eg, 238 U) at a burnup of 0 GWd / t. The molten salt fuel region 6 is filled. The liquid metal fuel 10, for example, a U-Bi alloy is filled in the liquid metal fuel region 7. The liquid metal fuel 10 is a blanket fuel. The liquid metal fuel 10 does not contain fissile material and contains a fuel parent material (for example, 238 U) at a burnup of 0 GWd / t.

高速炉の運転時において、燃料要素2Dの溶融塩燃料領域6では、溶融塩燃料9の主成分である核分裂性物質の239Pu等は、自らの核分裂反応(すなわち、核燃料の燃焼)により消費される。さらに、溶融塩燃料9に含まれる燃料親物質である238Uが239Puの核分裂反応で発生した中性子を捕獲する中性子捕獲反応により、溶融塩燃料領域6では核分裂性物質(239Pu等)が新たに生成される。 During the operation of the fast reactor, in the molten salt fuel region 6 of the fuel element 2D, the fissile material 239 Pu, which is the main component of the molten salt fuel 9, is consumed by its own fission reaction (that is, combustion of nuclear fuel). To. Furthermore, due to the neutron capture reaction in which 238 U, which is the fuel parent substance contained in the molten salt fuel 9, captures the neutrons generated in the fission reaction of 239 Pu, fissile materials ( 239 Pu, etc.) are newly added in the molten salt fuel region 6. Is generated in.

さらに、燃料要素2Dの液体金属燃料領域7では、液体金属燃料10の主成分である燃料親物質の238Uが溶融塩燃料領域6から漏れてくる中性子を捕獲し、その中性子捕獲反応によって核分裂性物質(239Pu等)に核変換される。すなわち、燃料要素2Dの液体金属燃料領域7では、核分裂性物質(239Pu等)が生成される。 Further, in the liquid metal fuel region 7 of the fuel element 2D, 238 U, which is the main component of the liquid metal fuel 10, captures neutrons leaking from the molten salt fuel region 6, and the neutron capture reaction causes fissionability. It is nuclear-converted into a substance ( 239 Pu, etc.). That is, a fissile material ( 239 Pu or the like) is produced in the liquid metal fuel region 7 of the fuel element 2D.

ところで、溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7との境界では、溶融塩燃料9と液体金属燃料10が溶融状態で互いに接触するため、溶融塩燃料9と液体金属燃料10が接触した領域では、後述の式(2)に示す化学反応により、溶融塩燃料9に含まれる塩化物の238Uは金属の238Uとなり、液体金属燃料10に含まれる金属の239Puは、塩化物の239Puとなる。 By the way, at the boundary between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7, the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are in contact with each other in a molten state, so that in the region where the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are in contact with each other. , by a chemical reaction shown in equation (2) below, 238 U is 238 U next metal chloride contained in the molten salt fuel 9, 239 Pu of metal contained in the liquid metal fuel 10, chloride 239 Pu It becomes.

以上のようにして生成された塩化物の239Puは、液体金属燃料10よりも比重が小さく、逆に、金属の238Uは、溶融塩燃料9よりも比重が大きい。このため、塩化物の239Puは溶融塩燃料領域6に存在する炉心燃料である溶融塩燃料9内に拡散し、金属の238Uは液体金属燃料領域7内に存在するブランケット燃料である液体金属燃料10内に拡散する。 The chloride 239 Pu produced as described above has a lower specific gravity than the liquid metal fuel 10, and conversely, the metal 238 U has a higher specific gravity than the molten salt fuel 9. Therefore, 239 Pu of chloride diffuses into the molten salt fuel 9 which is the core fuel existing in the molten salt fuel region 6, and 238 U of the metal is the liquid metal which is the blanket fuel existing in the liquid metal fuel region 7. It diffuses into the fuel 10.

溶融塩燃料9と液体金属燃料10の境界で生じる式(2)の化学反応は、この化学反応に関わる各物質の濃度等が所定の平衡条件に達するまで継続して生じる。このため、式(2)の化学反応が継続する限り、燃料親物質である238Uが、溶融塩燃料(炉心燃料)9が存在する溶融塩燃料領域6から液体金属燃料(ブランケット燃料)10が存在する液体金属燃料領域7に継続して供給され、逆に、核分裂性物質である239Puが、液体金属燃料領域7から溶融塩燃料領域6に継続して供給される。 The chemical reaction of the formula (2) that occurs at the boundary between the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 continues until the concentration of each substance involved in this chemical reaction reaches a predetermined equilibrium condition. Therefore, as long as the chemical reaction of the formula (2) continues, the fuel parent substance 238 U will be the liquid metal fuel (blanket fuel) 10 from the molten salt fuel region 6 in which the molten salt fuel (core fuel) 9 is present. The existing liquid metal fuel region 7 is continuously supplied, and conversely, the fissile material 239 Pu is continuously supplied from the liquid metal fuel region 7 to the molten salt fuel region 6.

その結果、本実施例では、炉心の実効的な転換比は、下記の式(1)のようにブランケット燃料10の転換比の分だけ大きくなる。 As a result, in this embodiment, the effective conversion ratio of the core is increased by the conversion ratio of the blanket fuel 10 as shown in the following formula (1).

(炉心の実効的な転換比)
=(炉心燃料の転換比)+(ブランケット燃料の転換比) …(1)
液体金属燃料領域7及びこの領域7の上方に配置されて液体金属燃料領域7と接触する溶融塩燃料領域6を有する複数の燃料要素2Dを含み、高速炉の炉心に装荷される燃料集合体は、各燃料要素2D内の溶融塩燃料領域6において核分裂性物質である239Puが燃焼されるが、溶融塩燃料領域6から液体金属燃料領域7への238Uの供給、および液体金属燃料領域7から溶融塩燃料領域6への核分裂性物質である239Puの供給が継続して行われるため、溶融塩燃料領域6での239Pu等の核分裂性物質を長期に亘って燃焼させることができる。このため、特願2017−238372号により提案された、複数の燃料要素2Dを有する燃料集合体の交換頻度を、低減できる。その結果、複数の燃料要素2Dを有する燃料集合体を装荷した高速炉の炉心における燃料の経済性を大きく向上させることができる。
(Effective conversion ratio of core)
= (Conversion ratio of core fuel) + (Conversion ratio of blanket fuel)… (1)
The fuel assembly loaded into the core of the fast reactor comprises a plurality of fuel elements 2D having a liquid metal fuel region 7 and a molten salt fuel region 6 located above the liquid metal fuel region 7 and in contact with the liquid metal fuel region 7. , 239 Pu, which is a fissionable substance, is burned in the molten salt fuel region 6 in each fuel element 2D, but the supply of 238 U from the molten salt fuel region 6 to the liquid metal fuel region 7 and the liquid metal fuel region 7 Since 239 Pu, which is a nuclear fissionable substance, is continuously supplied to the molten salt fuel region 6, the nuclear fisible material such as 239 Pu in the molten salt fuel region 6 can be burned for a long period of time. Therefore, the replacement frequency of the fuel assembly having a plurality of fuel elements 2D proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372 can be reduced. As a result, the economic efficiency of fuel in the core of a fast reactor loaded with a fuel assembly having a plurality of fuel elements 2D can be greatly improved.

発明者らは、特願2017−238372号により提案された複数の燃料要素2Dを有する燃料集合体よりも交換頻度をさらに低減できる燃料集合体を実現するために、さらに、種々の検討を行った。この検討の結果、発明者らは、液体金属燃料領域の上方に液体金属燃料領域と接触する溶融塩燃料領域を配置し、燃料親物質を含む核燃料物質を、その溶融塩燃料領域と接触させて溶融塩燃料領域の上方に配置することによって、特願2017−238372号により提案された複数の燃料要素2Dを有する燃料集合体よりも交換頻度をさらに低減できることを見出した。 The inventors further conducted various studies in order to realize a fuel assembly capable of further reducing the replacement frequency as compared with the fuel assembly having a plurality of fuel elements 2D proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372. .. As a result of this study, the inventors placed a molten salt fuel region in contact with the liquid metal fuel region above the liquid metal fuel region, and brought the nuclear fuel material containing the fuel parent material into contact with the molten salt fuel region. It has been found that by arranging it above the molten salt fuel region, the replacement frequency can be further reduced as compared with the fuel assembly having a plurality of fuel elements 2D proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372.

溶融塩燃料領域と接触させて溶融塩燃料領域の上方に配置する、燃料親物質を含む核燃料物質として、使用済燃料、劣化ウラン及び天然ウランのいずれかが用いられる。 Any of spent fuel, depleted uranium, and natural uranium is used as the nuclear fuel material containing the fuel parent material, which is placed above the molten salt fuel region in contact with the molten salt fuel region.

上記した検討結果を反映した本発明の実施例を、以下に説明する。 Examples of the present invention reflecting the above-mentioned examination results will be described below.

本発明の好適な一実施例である実施例1の高速炉の燃料集合体を、図1および図2を用いて説明する。 The fuel assembly of the fast reactor of Example 1, which is a preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

本実施例の燃料集合体24は、外面にワイヤスペーサ(図示せず)が巻き付けられた複数の燃料要素2の束を、横断面が正六角形の筒状の構造物であるラッパ管14内に配置している。複数の燃料要素2は、ラッパ管14内で正三角形格子状に配置される。それぞれの燃料要素2の下端部は、エントランスノズル(図示せず)によって支持される。ラッパ管14の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う燃料要素2の相互間に所定幅の間隙が形成される。この間隙は、冷却材である液体金属が流れる冷却材通路である。 In the fuel assembly 24 of the present embodiment, a bundle of a plurality of fuel elements 2 around which a wire spacer (not shown) is wound on an outer surface is placed in a trumpet pipe 14 which is a tubular structure having a regular hexagonal cross section. It is arranged. The plurality of fuel elements 2 are arranged in an equilateral triangle lattice in the trumpet pipe 14. The lower end of each fuel element 2 is supported by an entrance nozzle (not shown). The lower end of the trumpet tube 14 is attached to the entrance nozzle. The wound wire spacers form a gap of a predetermined width between adjacent fuel elements 2. This gap is a coolant passage through which liquid metal, which is a coolant, flows.

燃料要素2は、図7に示された特願2017−238372号により提案された燃料集合体の燃料要素2Dと同様に、溶融塩燃料領域(第2燃料領域)6および液体金属燃料領域(第1燃料領域)7を、上部端栓4及び下部端栓5で封鎖された被覆管3内に配置している。溶融塩燃料領域6は、液体金属燃料領域7の上端に接触しており、液体金属燃料領域7の上方に配置される。溶融塩燃料領域6に充填された溶融塩燃料9は、例えば、PuCl,UCl,NaClおよびMgClであり、炉心燃料である。溶融塩燃料9は、燃焼度0GWd/tの燃料集合体24において、核分裂性物質(例えば、239Pu、241Pu等)および燃料親物質(例えば、238U)を含んでいる。液体金属燃料領域7に充填された液体金属燃料10は、例えば、U−Bi合金であり、ブランケット燃料である。この液体金属燃料10は、燃焼度0GWd/tの燃料集合体24において、核分裂性物質を含んでいなく、燃料親物質(例えば、238U)を含んでいる。 The fuel element 2 has a molten salt fuel region (second fuel region) 6 and a liquid metal fuel region (second fuel region), similar to the fuel element 2D of the fuel assembly proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372 shown in FIG. 1 Fuel region) 7 is arranged in a cladding tube 3 sealed by an upper end plug 4 and a lower end plug 5. The molten salt fuel region 6 is in contact with the upper end of the liquid metal fuel region 7 and is arranged above the liquid metal fuel region 7. The molten salt fuel 9 filled in the molten salt fuel region 6 is, for example, PuCl 3 , UCl 3 , NaCl and MgCl 2 , and is a core fuel. The molten salt fuel 9 contains a fissile material (eg, 239 Pu, 241 Pu, etc.) and a fuel parent material (eg, 238 U) in the fuel assembly 24 having a burnup of 0 GWd / t. The liquid metal fuel 10 filled in the liquid metal fuel region 7 is, for example, a U-Bi alloy and a blanket fuel. The liquid metal fuel 10 does not contain fissile material but contains a fuel parent material (for example, 238 U) in the fuel assembly 24 having a burnup of 0 GWd / t.

溶融塩燃料9と液体金属燃料10は、溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7の境界の位置で互いに接触している。 The molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are in contact with each other at the boundary positions between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7.

溶融塩燃料9であるPuCl,UCl,NaClおよびMgClの融点は、837℃である。例えば、NaClおよびMgClのモル比を5:5〜2:1の範囲にしてPuClおよびUClのそれぞれの濃度を下げることにより、PuCl,UCl,NaClおよびMgClの融点を500℃以下にすることもできる。PuCl,UCl,NaClおよびMgClのそれぞれの量を調節することにより、PuCl,UCl,NaClおよびMgClの融点を望ましい融点にすることができる。また、液体金属燃料10であるU−Bi合金の融点は880℃〜1200℃の範囲にあり、Biの割合を変えることによって880℃〜1200℃の範囲でU−Bi合金の融点を望ましい融点にすることができる。 The melting point of the molten salt fuels 9, PuCl 3 , UCl 3 , NaCl and MgCl 2 , is 837 ° C. For example, by lowering the respective concentrations of PuCl 3 and UCl 3 by setting the molar ratio of NaCl and MgCl 2 in the range of 5: 5 to 2 : 1, the melting points of PuCl 3 , UCl 3 , NaCl and MgCl 2 are set to 500 ° C. It can also be: PuCl 3, UCl 3, by adjusting the respective amounts of NaCl and MgCl 2, can be PuCl 3, UCl 3, preferably the melting point of the melting point of NaCl and MgCl 2. Further, the melting point of the U-Bi alloy, which is the liquid metal fuel 10, is in the range of 880 ° C. to 1200 ° C., and the melting point of the U-Bi alloy is set to the desired melting point in the range of 880 ° C. to 1200 ° C. by changing the ratio of Bi. can do.

燃料要素2は、燃料要素2Dと異なり、多数の貫通した孔が形成された支持部材(例えば、金網)12が溶融塩燃料領域6の上端の位置に配置されて被覆管3の内面に取り付けられ、さらに、被覆管3内で、燃料親物質(例えば、238U)を含む核燃料物質である使用済燃料11を含む使用済燃料領域(核燃料物質領域)(第3燃料領域)11Dをその支持部材12の上に形成している。使用済燃料11の比重が溶融塩燃料9および液体金属燃料10の比重よりも大きいので、支持部材12は、被覆管3内で、溶融塩燃料領域6の上方から下方に向かって使用済燃料11が落下しないように、使用済燃料11を支持している。ガスプレナム13が、被覆管3内で、使用済燃料領域11Dの上方に形成される。ガスプレナム13には、不活性ガスが充填される。 In the fuel element 2, unlike the fuel element 2D, a support member (for example, a wire net) 12 having a large number of through holes is arranged at the upper end position of the molten salt fuel region 6 and attached to the inner surface of the cladding tube 3. Further, in the cladding tube 3, the spent fuel region (nuclear fuel material region) (third fuel region) 11D including the spent fuel 11 which is the nuclear fuel material containing the fuel parent material (for example, 238 U) is supported by the cladding tube 3. It is formed on top of 12. Since the specific gravity of the spent fuel 11 is larger than the specific gravity of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10, the support member 12 is the spent fuel 11 in the cladding tube 3 from the upper side to the lower side of the molten salt fuel region 6. Supports the spent fuel 11 so that it does not fall. The gas plenum 13 is formed in the cladding 3 above the spent fuel region 11D. The gas plenum 13 is filled with an inert gas.

なお、使用済燃料11の替りに、燃料親物質を含む核燃料物質である天然ウランまたは劣化ウランを用いてもよい。天然ウランまたは劣化ウランを用いた場合には、天然ウランまたは劣化ウランも被覆管3内設けた支持部材12の上に充填される。 Instead of the spent fuel 11, natural uranium or depleted uranium, which is a nuclear fuel material containing a fuel parent substance, may be used. When natural uranium or depleted uranium is used, the natural uranium or depleted uranium is also filled on the support member 12 provided in the cladding tube 3.

燃焼度0GWd/tの燃料集合体24において、燃料要素2の被覆管3内の液体金属燃料領域7には、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料10が充填され、被覆管3内の溶融塩燃料領域6には、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料9が充填され、被覆管3内の使用済燃料領域11Dには、ペレット状の多数の固体の使用済燃料11が充填されている。使用済燃料11は、沸騰水型原子炉および加圧型原子炉等の軽水炉、および他の高速炉の炉心から取り出された使用済燃料集合体内の酸化物燃料である。 In the fuel assembly 24 having a burnup of 0 GWd / t, the liquid metal fuel region 7 in the cladding 3 of the fuel element 2 is filled with a large number of pellet-shaped solid liquid metal fuels 10 and melted in the cladding 3. The salt fuel region 6 is filled with a large number of pellet-shaped solid molten salt fuels 9, and the spent fuel region 11D in the cladding 3 is filled with a large number of pellet-shaped solid spent fuels 11. There is. The spent fuel 11 is an oxide fuel in a spent fuel assembly taken out from the cores of light water reactors such as boiling water reactors and pressurized water reactors, and other fast reactors.

燃料要素2内の液体金属燃料10、溶融塩燃料領域6および使用済燃料領域11Dが、核燃料物質充填領域8である。この核燃料物質充填領域8の軸方向の長さを燃料有効長という。燃料集合体24の燃料有効長は、燃料要素2の燃料有効長と同じである。炉心1に装荷された全ての燃料集合体24において、各燃料要素2内の液体金属燃料領域7と溶融塩燃料領域6の境界の、燃料有効長の下端からの位置は、同じ位置になっている。 The liquid metal fuel 10, the molten salt fuel region 6, and the spent fuel region 11D in the fuel element 2 are the nuclear fuel material filling region 8. The axial length of the nuclear fuel material filling region 8 is called the effective fuel length. The effective fuel length of the fuel assembly 24 is the same as the effective fuel length of the fuel element 2. In all the fuel assemblies 24 loaded in the core 1, the positions of the boundary between the liquid metal fuel region 7 and the molten salt fuel region 6 in each fuel element 2 from the lower end of the effective fuel length are the same. There is.

高速炉の原子炉容器(図示せず)内に配置された炉心1は、図3に示すように、複数の燃料要素2を含む複数の燃料集合体24を有する。図4に示す一点鎖線は、炉心1の中心軸を示す。図4は、炉心1の、中心軸での縦断面を示している。複数の燃料要素2を含む複数の燃料集合体24が装荷された炉心1は、軸方向において、下端から上端に向かって液体金属燃料層7B、溶融塩燃料層6Bおよび核燃料物質層11Aを形成している。液体金属燃料層7Bには、炉心1に装荷された各燃料集合体24に含まれる各燃料要素2内の液体金属燃料領域7が配置されており、液体金属燃料層7Bは、これらの燃料要素2内の液体金属燃料領域7によって形成される。溶融塩燃料層6Bには、炉心1に装荷された各燃料集合体24に含まれる各燃料要素2内の溶融塩燃料領域6が配置されており、溶融塩燃料層6Bは、これらの燃料要素2内の溶融塩燃料領域6によって形成される。核燃料物質層11Aには、炉心1に装荷された各燃料集合体24に含まれる各燃料要素2内の、燃料親物質を含む燃料物質である使用済燃料11が充填された使用済燃料領域(核燃料物質領域)11Dが配置されており、核燃料物質層11Aは、これらの燃料要素2内の使用済燃料領域11Dによって形成される。 The core 1 arranged in the reactor vessel (not shown) of a fast reactor has a plurality of fuel assemblies 24 including a plurality of fuel elements 2 as shown in FIG. The alternate long and short dash line shown in FIG. 4 indicates the central axis of the core 1. FIG. 4 shows a vertical cross section of the core 1 about the central axis. The core 1 loaded with a plurality of fuel assemblies 24 including the plurality of fuel elements 2 forms a liquid metal fuel layer 7B, a molten salt fuel layer 6B, and a nuclear fuel material layer 11A from the lower end to the upper end in the axial direction. ing. The liquid metal fuel layer 7B is arranged with a liquid metal fuel region 7 in each fuel element 2 included in each fuel assembly 24 loaded in the core 1, and the liquid metal fuel layer 7B is a fuel element thereof. It is formed by the liquid metal fuel region 7 in 2. The molten salt fuel layer 6B is arranged with a molten salt fuel region 6 in each fuel element 2 included in each fuel assembly 24 loaded in the core 1, and the molten salt fuel layer 6B is composed of these fuel elements. It is formed by the molten salt fuel region 6 in 2. The nuclear fuel material layer 11A is filled with spent fuel 11 which is a fuel material containing a fuel parent material in each fuel element 2 contained in each fuel assembly 24 loaded in the core 1 (a spent fuel region ( The nuclear fuel material region) 11D is arranged, and the nuclear fuel material layer 11A is formed by the spent fuel region 11D in these fuel elements 2.

炉心1内の一部の燃料集合体24は、燃焼度0GWd/tの燃料集合体である。高速炉の運転が開始される。原子炉容器内に存在する冷却材である液体金属(例えば、液体ナトリウム)が、燃料集合体24において、エントランスノズルからラッパ管内に供給され、燃料要素2の相互間に形成された冷却材通路内を上昇し、燃料集合体24の外部に放出される。 A part of the fuel assembly 24 in the core 1 is a fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t. The operation of the fast reactor is started. Liquid metal (for example, liquid sodium), which is a coolant existing in the reactor vessel, is supplied into the trumpet pipe from the entrance nozzle in the fuel assembly 24, and is formed in the coolant passage formed between the fuel elements 2. Is released to the outside of the fuel assembly 24.

高速炉の運転中において、燃料集合体24の各燃料要素2では、溶融塩燃料領域6内において、溶融塩燃料9の主成分である核分裂性物質の239Pu等は中性子の捕獲により核分裂し、熱を発生する。発生した熱は、燃料要素2相互間に形成された冷却材通路内を上昇する冷却材である液体金属に伝えられる。この液体金属は燃料要素2を冷却する。発生した熱によって温度が上昇した液体金属(冷却材)は、燃料集合体24の上端から原子炉容器内に放出される。その核分裂の進行によって、溶融塩燃料9に含まれる核分裂性物質の239Pu等は消費される。また、溶融塩燃料9に含まれる238Uが239Puの核分裂反応で発生した中性子を捕獲する中性子捕獲反応により、溶融塩燃料領域6では核分裂性物質(239Pu等)が新たに生成される。 During the operation of the fast reactor, in each fuel element 2 of the fuel assembly 24, in the molten salt fuel region 6, the fissile material 239 Pu, which is the main component of the molten salt fuel 9, fissiones due to the capture of neutrons. Generates heat. The generated heat is transferred to the liquid metal, which is a coolant that rises in the coolant passage formed between the fuel elements 2. This liquid metal cools the fuel element 2. The liquid metal (coolant) whose temperature has risen due to the generated heat is discharged into the reactor vessel from the upper end of the fuel assembly 24. As the fission progresses, 239 Pu and the like of the fissile material contained in the molten salt fuel 9 are consumed. Further, the neutron capture reaction to capture neutrons 238 U contained in the molten salt fuel 9 occurs in fission reaction 239 Pu, in molten salt fuel area 6 fissile material (239 Pu, etc.) are newly generated.

高速炉の運転が開始され、各燃料要素2内で239Pu等の核分裂性物質の核分裂が生じ、燃料要素2内の温度が溶融塩燃料9及び液体金属燃料10の融点よりも高くなったとき、溶融塩燃料9及び液体金属燃料10のそれぞれが溶融状態になる。このため、溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7の境界では、溶融した溶融塩燃料9と溶融した液体金属燃料10が接触する。溶融した溶融塩燃料9の比重は溶融した液体金属燃料10の比重よりも小さいため、被覆管3内において、溶融した溶融塩燃料9は溶融した液体金属燃料10の上方に位置することになる。 When the operation of the high-speed furnace is started, fission of a fissile material such as 239 Pu occurs in each fuel element 2, and the temperature in the fuel element 2 becomes higher than the melting point of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10. , The molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are each in a molten state. Therefore, at the boundary between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7, the molten molten salt fuel 9 and the molten liquid metal fuel 10 come into contact with each other. Since the specific gravity of the molten molten salt fuel 9 is smaller than the specific gravity of the molten liquid metal fuel 10, the molten molten salt fuel 9 is located above the molten liquid metal fuel 10 in the cladding tube 3.

さらに、燃料要素2の液体金属燃料領域7では、液体金属燃料10の主成分である燃料親物質の238Uが溶融塩燃料領域6から漏れてくる中性子を捕獲し、その中性子捕獲反応によって核分裂性物質(239Pu等)に核変換される。すなわち、燃料要素2の液体金属燃料領域7でも、核分裂性物質(239Pu等)が新たに生成される。 Further, in the liquid metal fuel region 7 of the fuel element 2, 238 U, which is the main component of the liquid metal fuel 10, captures neutrons leaking from the molten salt fuel region 6, and the neutron capture reaction causes fissionability. It is nuclear-converted into a substance ( 239 Pu, etc.). That is, fissile material ( 239 Pu, etc.) is newly generated also in the liquid metal fuel region 7 of the fuel element 2.

溶融塩燃料9と液体金属燃料10が溶融状態で互いに接触する溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7との境界付近では、下記の式(2)に示す化学反応により、溶融塩燃料9に含まれる塩化物の238Uは金属の238Uとなり、液体金属燃料10に含まれる金属の239Puは、塩化物の239Puとなる。 In the vicinity of the boundary between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7 where the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are in contact with each other in a molten state, the molten salt fuel 9 is produced by the chemical reaction represented by the following formula (2). 238 U is 238 U next metal chloride contained, 239 Pu of metal contained in the liquid metal fuel 10 becomes 239 Pu chloride.

Pu(金属)+UCl3(塩化物)→PuCl3(塩化物)+U(金属) …(2)
式(2)で示す化学反応が起きるのは、UとPuでは、Puのほうが塩素(Cl)に結合し易いからである。
Pu (metal) + UCl 3 (chloride) → PuCl 3 (chloride) + U (metal)… (2)
The chemical reaction represented by the formula (2) occurs because Pu is more likely to bind to chlorine (Cl) in U and Pu.

塩化物の239Puは液体金属燃料10よりも比重が小さく、金属の238Uは、溶融塩燃料9よりも比重が大きいため、塩化物の239Puは溶融塩燃料領域6内に拡散し、金属の238Uは液体金属燃料領域7内に拡散する。式(2)の化学反応が継続する限り、金属の238Uが液体金属燃料領域7に継続して供給され、塩化物の239Puが溶融塩燃料領域6に継続して供給される。 Since 239 Pu of chloride has a lower specific gravity than liquid metal fuel 10 and 238 U of metal has a higher specific gravity than molten salt fuel 9, 239 Pu of chloride diffuses into the molten salt fuel region 6 and the metal. 238 U diffuses into the liquid metal fuel region 7. As long as the chemical reaction of formula (2) continues, 238 U of metal is continuously supplied to the liquid metal fuel region 7, and 239 Pu of chloride is continuously supplied to the molten salt fuel region 6.

ところで、液体金属燃料領域7では、式(2)の化学反応の結果として、溶融塩燃料9と平衡する量の239Puが残る。そして、この液体金属燃料領域7内に残った239Puの核分裂反応や、わずかではあるが液体金属燃料領域7内の液体金属燃料10に含まれる238U等の核分裂反応も起きる。 By the way, in the liquid metal fuel region 7, as a result of the chemical reaction of the formula (2), an amount of 239 Pu that is in equilibrium with the molten salt fuel 9 remains. Then, a fission reaction of 239 Pu remaining in the liquid metal fuel region 7 and a fission reaction of 238 U and the like contained in the liquid metal fuel 10 in the liquid metal fuel region 7 to a small extent also occur.

各燃料要素2の液体金属燃料領域7内での核分裂反応により生成された核分裂生成核種(以下、FP(Fission Products)核種という)のうち、白金族FP核種を除く大部分のFP核種は、液体金属燃料領域7内の液体金属燃料10よりも比重が小さい。そのため、生成されたFP核種は、溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7の境界まで上昇し、さらに、溶融塩燃料領域6内の、液体金属燃料10と接触する溶融塩燃料9の溶融塩成分であるMgCl(塩化物)との間で、下記に示す式(3)で表される化学反応を起こしてFP塩の形態で溶融塩燃料領域6に拡散する。 Of the fission-producing nuclides (hereinafter referred to as FP (Fission Products) nuclides) generated by the fission reaction in the liquid metal fuel region 7 of each fuel element 2, most of the FP nuclides except the platinum group FP nuclides are liquid. The specific gravity is smaller than that of the liquid metal fuel 10 in the metal fuel region 7. Therefore, the generated FP nuclei rise to the boundary between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7, and further, the molten salt of the molten salt fuel 9 in the molten salt fuel region 6 that comes into contact with the liquid metal fuel 10. It causes a chemical reaction represented by the following formula (3) with MgCl 3 (chloride), which is a component, and diffuses into the molten salt fuel region 6 in the form of an FP salt.

FP(単体)+(3/2)MgCl3(塩化物)
→FPCl3(塩化物)+(3/2)Mg(金属) …(3)
つまり、使用済みの液体金属燃料10には、白金族FP核種を除き、FP核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みの液体金属燃料10からFP核種を回収する処理はほとんど不要となる、すなわち、使用済みの液体金属燃料10の再処理において、FP核種を分離するプロセスがほぼ不要となる。よって、使用済みの燃料集合体24の再処理工程が大幅に簡素化される。
FP (elemental substance) + (3/2) MgCl 3 (chloride)
→ FPCl 3 (chloride) + (3/2) Mg (metal)… (3)
That is, in the used liquid metal fuel 10, almost no FP nuclide remains except for the platinum group FP nuclide. Therefore, the process of recovering the FP nuclide from the used liquid metal fuel 10 is almost unnecessary, that is, the process of separating the FP nuclide is almost unnecessary in the reprocessing of the used liquid metal fuel 10. Therefore, the reprocessing process of the used fuel assembly 24 is greatly simplified.

本実施例の燃料集合体24では、各燃料要素2内に、溶融塩燃料領域6の上方に核燃料物質領域である、使用済燃料11を含む使用済燃料領域11Dが存在する。この使用済燃料領域11D内の使用済燃料11の作用を以下に説明する。 In the fuel assembly 24 of this embodiment, in each fuel element 2, there is a spent fuel region 11D including the spent fuel 11, which is a nuclear fuel material region, above the molten salt fuel region 6. The operation of the spent fuel 11 in the spent fuel region 11D will be described below.

高速炉の運転中では、溶融した溶融塩燃料9が、支持部材12の多数の貫通孔を通して支持部材12上の使用済燃料11と接触している。燃料要素2の溶融塩燃料領域6内のウラン濃度が高速炉の運転中に核反応により低下したとき、使用済燃料11は接触している溶融した溶融塩燃料9に溶け出す。このため、溶融塩燃料領域6内のウラン濃度が均一に保たれる。 During the operation of the fast reactor, the molten molten salt fuel 9 is in contact with the spent fuel 11 on the support member 12 through a large number of through holes in the support member 12. When the uranium concentration in the molten salt fuel region 6 of the fuel element 2 decreases due to a nuclear reaction during the operation of the fast reactor, the spent fuel 11 dissolves into the molten molten salt fuel 9 in contact with the fuel element 2. Therefore, the uranium concentration in the molten salt fuel region 6 is kept uniform.

溶融した溶融塩燃料9に溶け出した使用済燃料11に含まれている燃料親物質である238U(金属)は、その溶融塩燃料9が存在する溶融塩燃料領域6内に拡散する。溶融塩燃料領域6内に拡散した238U(金属)の一部は、溶融塩燃料領域6において中性子を捕獲して核分裂性物質である239Puに変換される。この239Puは溶融塩燃料領域6内で塩化物の239Puとなる。 The fuel parent substance 238 U (metal) contained in the spent fuel 11 dissolved in the molten molten salt fuel 9 diffuses into the molten salt fuel region 6 in which the molten salt fuel 9 exists. A part of 238 U (metal) diffused in the molten salt fuel region 6 captures neutrons in the molten salt fuel region 6 and is converted into a fissile material 239 Pu. This 239 Pu becomes 239 Pu of chloride in the molten salt fuel region 6.

また、溶融塩燃料領域6内に拡散した238U(金属)の大部分を占める238U(金属)の残りは、溶融塩燃料領域6内を238U(金属)のまま溶融した液体金属燃料10が存在する液体金属燃料領域7まで下降する。液体金属燃料領域7まで下降した238U(金属)は、液体金属燃料領域7において溶融塩燃料領域6から漏れてくる中性子を捕獲し、239Puに変換される。溶融塩燃料領域6と液体金属燃料領域7との境界付近では、前述の式(2)に示す化学反応により、支持部材12上の使用済燃料11から溶融塩燃料領域6内に拡散して液体金属燃料領域7まで下降した前述の238U(金属)から変換された239Puも、液体金属燃料領域7内で塩化物の239Puとなる。液体金属燃料領域7内で生成された塩化物の239Puは、液体金属燃料10よりも比重が小さいため、溶融塩燃料領域6内に拡散する。また、その化学反応により、溶融塩燃料9に含まれる塩化物の238Uは金属の238Uとなり、この238Uは液体金属燃料領域7内に拡散する。上記のように、液体金属燃料領域7内で、使用済燃料11に含まれている燃料親物質である238U(金属)から変換された239Puは、溶融塩燃料領域6に供給される。 Moreover, the rest, liquid metal fuel 10 to melt the molten salt fuel region 6 remain 238 U (metal) most occupy 238 U of 238 U diffused into the molten salt fuel region 6 (metal) (metal) Descends to the liquid metal fuel region 7 where The 238 U (metal) descending to the liquid metal fuel region 7 captures the neutrons leaking from the molten salt fuel region 6 in the liquid metal fuel region 7 and is converted into 239 Pu. In the vicinity of the boundary between the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7, the spent fuel 11 on the support member 12 diffuses into the molten salt fuel region 6 and is liquid by the chemical reaction represented by the above formula (2). The 239 Pu converted from the above-mentioned 238 U (metal) that has descended to the metal fuel region 7 also becomes 239 Pu of chloride in the liquid metal fuel region 7. Since 239 Pu of chloride produced in the liquid metal fuel region 7 has a lower specific gravity than that of the liquid metal fuel 10, it diffuses into the molten salt fuel region 6. Furthermore, due to its chemical reaction, 238 U of chloride contained in the molten salt fuel 9 238 U next to the metal, the 238 U diffuses into the liquid metal fuel region 7. As described above, in the liquid metal fuel region 7, 239 Pu converted from 238 U (metal), which is the fuel parent material contained in the spent fuel 11, is supplied to the molten salt fuel region 6.

燃焼度0GWd/tの燃料集合体24において、支持部材12上の使用済燃料11は、燃料親物質以外に、核分裂性Pu(239Pu等)およびマイナーアクチニド(以下、MAという)を含んでいる。MAとしては、237Np,241Am,242MAm,243Am,243Cm,244Cm,245Cmおよび246Cm等がある。溶融した溶融塩燃料9に溶け出した使用済燃料11に含まれている核分裂性PuおよびMAは、溶融塩燃料領域6内に拡散する。溶融塩燃料領域6内に拡散したその核分裂性Puは、溶融塩燃料領域6内で中性子を捕獲して核分裂する。この核分裂により、使用済燃料11に含まれる核分裂性Puも消費される。溶融塩燃料領域6内に拡散したそのMAも、中性子を捕獲して核分裂する。この核分裂により、使用済燃料11に含まれるMAも溶融塩燃料領域6内で消費され、やがて消滅する。溶融塩燃料領域6における核分裂性物質(239Pu等)の核分裂に伴って生成されたMAも、中性子を捕獲して核分裂し、消滅する。 In the fuel assembly 24 having a burnup of 0 GWd / t, the spent fuel 11 on the support member 12 contains fissile Pu ( 239 Pu, etc.) and minor actinides (hereinafter referred to as MA) in addition to the fuel parent material. .. MA includes 237 Np, 241 Am, 242 M Am, 243 Am, 243 Cm, 244 Cm, 245 Cm, 246 Cm and the like. The fissile Pu and MA contained in the spent fuel 11 dissolved in the molten molten salt fuel 9 diffuse into the molten salt fuel region 6. The fissile Pu diffused into the molten salt fuel region 6 captures neutrons and undergoes fission in the molten salt fuel region 6. This fission also consumes the fissile Pu contained in the spent fuel 11. The MA diffused into the molten salt fuel region 6 also captures neutrons and undergoes fission. Due to this nuclear fission, the MA contained in the spent fuel 11 is also consumed in the molten salt fuel region 6, and eventually disappears. MA generated by fission of fissile material ( 239 Pu, etc.) in the molten salt fuel region 6 also captures neutrons, undergoes fission, and disappears.

燃料要素2内の使用済燃料11が充填された使用済燃料領域11Dに存在する238Uの一部は、溶融塩燃料領域6から漏れてくる中性子を捕獲して239Puに変換される。この変換によって生じた239Puも、溶融した溶融塩燃料9に溶け出した使用済燃料11に含まれている。使用済燃料領域11Dで生成されたその239Puも、溶融塩燃料領域6内で中性子を捕獲して核分裂する。 A part of 238 U existing in the spent fuel region 11D filled with the spent fuel 11 in the fuel element 2 captures neutrons leaking from the molten salt fuel region 6 and is converted into 239 Pu. 239 Pu generated by this conversion is also contained in the spent fuel 11 dissolved in the molten molten salt fuel 9. The 239 Pu produced in the spent fuel region 11D also captures neutrons in the molten salt fuel region 6 and undergoes fission.

本実施例は、液体金属燃料10が存在する液体金属燃料領域7及びこの領域7の上方に配置されて液体金属燃料領域7と接触し、溶融塩燃料9が存在する溶融塩燃料領域6を有する複数の燃料要素2を含み、高速炉の炉心1に装荷される燃料集合体は、各燃料要素2内の溶融塩燃料領域6において核分裂性物質である239Puが燃焼されるが、溶融塩燃料領域6から液体金属燃料領域7への燃料親物質(例えば、238U)の供給、および液体金属燃料領域7から溶融塩燃料領域6への核分裂性物質である239Puの供給が継続して行われるため、溶融塩燃料領域6での239Pu等の核分裂性物質を長期に亘って燃焼させることができる。このため、高速炉の炉心1に装荷された本実施例の燃料集合体24は、特願2017−238372号により提案された、複数の燃料要素2Dを有する燃料集合体と同様に、交換頻度を低減することができる。 This embodiment has a liquid metal fuel region 7 in which the liquid metal fuel 10 exists and a molten salt fuel region 6 in contact with the liquid metal fuel region 7 arranged above the region 7 and in which the molten salt fuel 9 exists. In the fuel assembly containing a plurality of fuel elements 2 and loaded in the core 1 of the fast reactor, the molten salt fuel region 6 in each fuel element 2 burns 239 Pu, which is a nuclear fission material, but the molten salt fuel. The supply of the fuel parent material (for example, 238 U) from the region 6 to the liquid metal fuel region 7 and the supply of the nuclear fissure material 239 Pu from the liquid metal fuel region 7 to the molten salt fuel region 6 continue. Therefore, a nuclear fissionable substance such as 239 Pu in the molten salt fuel region 6 can be burned for a long period of time. Therefore, the fuel assembly 24 of the present embodiment loaded in the core 1 of the fast reactor has a replacement frequency similar to that of the fuel assembly having a plurality of fuel elements 2D proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372. It can be reduced.

本実施例の燃料集合体24では、液体金属燃料領域7内の液体金属燃料10、すなわち、ブランケット燃料を再処理することなく、高速炉の運転中において、液体金属燃料領域7内で燃料親物質(例えば、238U)から変換されて生成された核分裂性物質(例えば、239Pu)を溶融塩燃料領域6へ継続して供給することができ、溶融塩燃料領域6での核分裂性物質の核分裂が長期に亘って持続される。 In the fuel assembly 24 of the present embodiment, the liquid metal fuel 10 in the liquid metal fuel region 7, that is, the fuel parent material in the liquid metal fuel region 7 during the operation of the fast reactor without reprocessing the blanket fuel. The fissile material (eg, 239 Pu) converted from (eg, 238 U) can be continuously supplied to the molten salt fuel region 6, and the fissile material is fissioned in the molten salt fuel region 6. Is sustained for a long time.

本実施例では、燃料要素2内で溶融塩燃料領域6の上方に使用済燃料11が存在する使用済燃料領域11Dが形成されており、前述したように、その使用済燃料領域11D、溶融塩燃料領域6および液体金属燃料領域7のそれぞれにおいて、使用済燃料11に含まれる燃料親物質(例えば、238U)が中性子を捕獲して核分裂性物質(例えば、239Pu)に変換される。使用済燃料領域11D及び液体金属燃料領域7のそれぞれで使用済燃料11に含まれる燃料親物質(例えば、238U)から変換されたそれぞれの核分裂性物質(例えば、239Pu)は、溶融塩燃料領域6に供給され、溶融塩燃料領域6内で使用済燃料11に含まれる燃料親物質(例えば、238U)から変換された核分裂性物質(例えば、239Pu)と共に、溶融塩燃料領域6内での核分裂に貢献する。 In this embodiment, a spent fuel region 11D in which the spent fuel 11 exists above the molten salt fuel region 6 is formed in the fuel element 2, and as described above, the spent fuel region 11D and the molten salt are formed. In each of the fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7, the fuel parent material (for example, 238 U) contained in the spent fuel 11 captures neutrons and is converted into fissile material (for example, 239 Pu). Each fissionable material (eg, 239 Pu) converted from the fuel parent material (eg, 238 U) contained in the spent fuel 11 in the spent fuel region 11D and the liquid metal fuel region 7 is a molten salt fuel. In the molten salt fuel region 6 together with the fissile material (eg, 239 Pu) supplied to the region 6 and converted from the fuel parent material (eg, 238 U) contained in the spent fuel 11 in the molten salt fuel region 6. Contribute to nuclear fission in.

このように、本実施例の燃料集合体24では、使用済燃料11が存在する使用済燃料領域11Dを燃料要素2内に形成しているため、特願2017−238372号により提案されている燃料要素2Dを有する燃料集合体に比べて、燃料集合体24は、実質的に、その使用済燃料11に含まれる燃料親物質(例えば、238U)の量だけ、核分裂性物質(例えば、239Pu)の量を増大させることができる。このため、本実施例の燃料集合体24は、特願2017−238372号により提案されている燃料要素2Dを有する燃料集合体よりも寿命が長くなり、それだけ、燃料要素2Dを有する燃料集合体よりも交換頻度が低減される。本実施例は、高速炉の実効的な運転サイクルの長さを伸ばすことができる。燃料集合体24を装荷した高速炉の炉心1における燃料の経済性を、さらに向上させることができる。 As described above, in the fuel assembly 24 of the present embodiment, since the spent fuel region 11D in which the spent fuel 11 exists is formed in the fuel element 2, the fuel proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372 Compared to the fuel assembly having element 2D, the fuel assembly 24 is substantially as large as the amount of fuel parent material (eg, 238 U) contained in the spent fuel 11 as a fissile material (eg, 239 Pu). ) Can be increased. Therefore, the fuel assembly 24 of the present embodiment has a longer life than the fuel assembly having the fuel element 2D proposed by Japanese Patent Application No. 2017-238372, and therefore has a longer life than the fuel assembly having the fuel element 2D. The replacement frequency is also reduced. This embodiment can extend the length of the effective operating cycle of the fast reactor. The economic efficiency of fuel in the core 1 of the fast reactor loaded with the fuel assembly 24 can be further improved.

本実施例によれば、燃料集合体24に含まれる各燃料要素2内に使用済燃料11を充填しているため、この使用済燃料11の再処理を高速炉の運転中において燃料集合体24内で実施することができる。 According to this embodiment, since the spent fuel 11 is filled in each fuel element 2 included in the fuel assembly 24, the reprocessing of the spent fuel 11 is performed during the operation of the fast reactor. Can be carried out within.

本実施例の燃料集合体24において、核燃料物質、すなわち、使用済燃料を各燃料要素2内に補給することによって、燃料集合体24の寿命をさらに延ばすことができる。燃料集合体24における核燃料物質の補給方法を、図5を用いて具体的に説明する。図5において、(a)は高速炉の起動前における、燃焼度0GWd/tの燃料集合体24に含まれる燃料要素2の状態を示し、(b)はその燃料要素2内で溶融塩燃料領域6の上方に存在する使用済燃料11が消滅した状態を示し、(c)は燃料要素2の上部端栓4を取り外して被覆管3の上端から使用済燃料11を被覆管3内の補給する状態を示し、および(d)は使用済燃料11の被覆管3内への補給が終了した後に被覆管3の上端を上部端栓4で封鎖した状態を示している。 In the fuel assembly 24 of this embodiment, the life of the fuel assembly 24 can be further extended by replenishing the nuclear fuel material, that is, the spent fuel in each fuel element 2. The method of replenishing the nuclear fuel material in the fuel assembly 24 will be specifically described with reference to FIG. In FIG. 5, (a) shows the state of the fuel element 2 contained in the fuel assembly 24 having a combustion degree of 0 GWd / t before the start of the fast reactor, and (b) shows the molten salt fuel region in the fuel element 2. The state in which the spent fuel 11 existing above 6 has disappeared is shown, and in (c), the upper end plug 4 of the fuel element 2 is removed and the spent fuel 11 is replenished in the cladding 3 from the upper end of the cladding 3. The state is shown, and (d) shows the state in which the upper end of the cladding tube 3 is closed with the upper end plug 4 after the replenishment of the spent fuel 11 into the cladding tube 3 is completed.

図5(a)に示す高速炉の起動前における、燃焼度0GWd/tの燃料集合体24に含まれる燃料要素2では、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料10が液体金属燃料領域7に充填され、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料9が溶融塩燃料領域6に充填され、ペレット状の多数の固体の使用済燃料11が使用済燃料領域11Dに充填されている。溶融塩燃料9及び液体金属燃料10は有していない。 In the fuel element 2 included in the fuel assembly 24 having a burnup of 0 GWd / t before the start of the fast reactor shown in FIG. 5 (a), a large number of pellet-shaped solid liquid metal fuels 10 are placed in the liquid metal fuel region 7. A large number of pellet-shaped solid molten salt fuels 9 are filled in the molten salt fuel region 6, and a large number of pellet-shaped solid spent fuels 11 are filled in the spent fuel region 11D. It does not have the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10.

高速炉の運転が開始されて燃料要素2内の核燃料物質の温度が溶融塩燃料9及び液体金属燃料10の融点よりも高くなったとき、燃料要素2において溶融塩燃料9及び液体金属燃料10が溶融する。溶融塩燃料9及び液体金属燃料10が溶融しても、燃料要素2内での溶融塩燃料領域6および液体金属燃料領域7の配置は、図5(a)に示すように保たれる。高速炉の運転時間が経過すると、やがて、燃料集合体24の燃料要素2内に充填された使用済燃料11が溶融塩燃料領域6内の溶融塩燃料9に溶出することにより、その使用済燃料11が消滅する(図5(b)参照)。 When the operation of the high-speed furnace is started and the temperature of the nuclear fuel material in the fuel element 2 becomes higher than the melting point of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10, the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are charged in the fuel element 2. Melt. Even if the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are melted, the arrangement of the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7 in the fuel element 2 is maintained as shown in FIG. 5A. When the operating time of the high-speed furnace elapses, the spent fuel 11 filled in the fuel element 2 of the fuel assembly 24 is eluted into the molten salt fuel 9 in the molten salt fuel region 6, and the spent fuel is used. 11 disappears (see FIG. 5B).

燃料要素2内の使用済燃料11が消滅したとき、高速炉の運転が停止される。高速炉の炉心1に装荷されて燃料要素2内の使用済燃料11が消滅した燃料集合体24が、高速炉の原子炉容器の外部に取り出される。原子炉容器から取り出された燃料集合体24は、核燃料物質(例えば、使用済燃料11)の補給を実施する補給エリアまで搬送される。 When the spent fuel 11 in the fuel element 2 is exhausted, the operation of the fast reactor is stopped. The fuel assembly 24, which is loaded in the core 1 of the fast reactor and the spent fuel 11 in the fuel element 2 is extinguished, is taken out of the reactor vessel of the fast reactor. The fuel assembly 24 taken out of the reactor vessel is transported to a replenishment area where replenishment of nuclear fuel material (for example, spent fuel 11) is carried out.

この補給エリアでは、燃料集合体24の解体工程が実施される。この工程において、燃料集合体24のラッパ管がエントランスノズルから取り外され、各燃料要素2の下部端栓5がエントランスノズルから取り外される。燃料要素2の被覆管3の外面に巻き付けられたワイヤスペーサが取り外される。上部端栓4を被覆管3の上端部から取り外す。上部端栓4の取り外し後、被覆管3の上端部に開口が形成される(図5(c)参照)。 In this replenishment area, a dismantling step of the fuel assembly 24 is carried out. In this step, the trumpet pipe of the fuel assembly 24 is removed from the entrance nozzle, and the lower end plug 5 of each fuel element 2 is removed from the entrance nozzle. The wire spacer wound around the outer surface of the cladding tube 3 of the fuel element 2 is removed. The upper end plug 4 is removed from the upper end of the cladding tube 3. After removing the upper end plug 4, an opening is formed at the upper end of the cladding tube 3 (see FIG. 5C).

燃料集合体24の解体工程が終了した後に、被覆管3内への使用済燃料11の補給工程が実施される。すなわち、被覆管3の上端部に形成された開口から、ペレット状の多数の固体の使用済燃料11が被覆管3内に充填される。充填された使用済燃料11の所定数のペレットが、溶融塩燃料領域6の上方に位置する支持部材(例えば、金網)12の上に置かれる。上部端栓4が被覆管3の上端部に取り付けられ、被覆管3が密封される(図5(d)参照)。 After the dismantling step of the fuel assembly 24 is completed, the replenishment step of the spent fuel 11 into the cladding tube 3 is carried out. That is, a large number of pellet-shaped solid spent fuels 11 are filled into the cladding tube 3 from the opening formed at the upper end of the cladding tube 3. A predetermined number of pellets of the filled spent fuel 11 are placed on a support member (eg, wire mesh) 12 located above the molten salt fuel region 6. The upper end plug 4 is attached to the upper end of the cladding tube 3 and the cladding tube 3 is sealed (see FIG. 5D).

その後、補給エリアにおいて、燃料集合体24の再組み立て工程が実施される。すなわち、ワイヤスペーサの一端部が下部端栓5に取り付けられ、ワイヤスペーサが密封された被覆管3の外面にワイヤスペーサが巻き付けられて、ワイヤスペーサの他端部が上部端栓4に取り付けられる。各燃料要素2の下部端栓5がエントランスノズルに取り付けられ、燃料要素2の束がラッパ管内に挿入される。燃料要素2の束を取り囲むラッパ管の下端部がエントランスノズルに取り付けられる。 After that, a reassembly step of the fuel assembly 24 is carried out in the replenishment area. That is, one end of the wire spacer is attached to the lower end plug 5, the wire spacer is wound around the outer surface of the cladding tube 3 in which the wire spacer is sealed, and the other end of the wire spacer is attached to the upper end plug 4. The lower end plug 5 of each fuel element 2 is attached to the entrance nozzle, and the bundle of the fuel element 2 is inserted into the trumpet pipe. The lower end of the trumpet tube surrounding the bundle of fuel elements 2 is attached to the entrance nozzle.

燃料集合体24の解体工程、使用済燃料11の補給工程及び燃料集合体24の再組み立て工程は、補給エリア内の密封された領域で遠隔操作により行われる。 The disassembling step of the fuel assembly 24, the replenishing step of the spent fuel 11, and the reassembling step of the fuel assembly 24 are performed by remote control in a sealed area in the refueling area.

なお、使用済燃料11の替りに燃料親物質を含む核燃料物質である天然ウランまたは劣化ウランを用いた場合には、上記の使用済燃料11の補給工程(核燃料物質の補給工程)では、被覆管3の上端部に形成された開口から、ペレット状の多数の固体の天然ウランまたは劣化ウランが被覆管3内に充填される。 When natural uranium or depleted uranium, which is a nuclear fuel material containing a fuel parent substance, is used instead of the spent fuel 11, the cladding tube is used in the above-mentioned replenishment step of the spent fuel 11 (replenishment step of the nuclear fuel material). From the opening formed at the upper end of 3, a large number of pellet-shaped solid natural uranium or depleted uranium is filled into the cladding 3.

再組立てされた燃料集合体24は、高速炉の炉心1内に再度装荷される。そして、高速炉は、再起動される。再起動後、再装荷された燃料集合体24に含まれる各燃料要素2内の溶融塩燃料9及び液体金属燃料10は溶融する。燃料要素2内の補給された使用済燃料11が消滅するまで、燃料集合体24を炉心1に装荷した高速炉の運転が継続される。使用済燃料11を補給した燃料要素2を有する燃料集合体24の寿命はさらに伸び、燃料集合体24の交換頻度はさらに低減される。 The reassembled fuel assembly 24 is reloaded into the core 1 of the fast reactor. The fast reactor is then restarted. After the restart, the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 in each fuel element 2 contained in the reloaded fuel assembly 24 are melted. The operation of the fast reactor in which the fuel assembly 24 is loaded in the core 1 is continued until the replenished spent fuel 11 in the fuel element 2 is exhausted. The life of the fuel assembly 24 having the fuel element 2 replenished with the spent fuel 11 is further extended, and the replacement frequency of the fuel assembly 24 is further reduced.

本発明の好適な他の実施例である実施例2の高速炉の燃料集合体を、図6を用いて説明する。 The fuel assembly of the fast reactor of Example 2, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIG.

実施例2の燃料集合体は、図6に示す複数の燃料要素2Aを有する。燃料要素2Aでは、粒子状(または粉状)の溶融塩燃料9及び液体金属燃料10が、混合されて支持部材(例えば、金網)12よりも下方に充填される。燃料要素2Aの被覆管3内で、使用済燃料11が支持部材12の上方に充填される。燃料要素2Aにおいて、支持部材12よりも下方の、混合された粒子状(または粉状)の溶融塩燃料9及び液体金属燃料10が充填された領域を核燃料物質充填領域という。核燃料物質領域は使用済燃料11と接触している。
混合された被覆管3内における粒子状(または粉状)の溶融塩燃料9と粒子状(または粉状)の液体金属燃料10の混合割合は、実施例1の燃料集合体24の燃料要素2における溶融塩燃料領域6内の溶融塩燃料9と液体金属燃料領域7内の液体金属燃料10の割合と同じである。
The fuel assembly of Example 2 has a plurality of fuel elements 2A shown in FIG. In the fuel element 2A, the particulate (or powdery) molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are mixed and filled below the support member (for example, wire mesh) 12. The spent fuel 11 is filled above the support member 12 in the cladding 3 of the fuel element 2A. In the fuel element 2A, the region below the support member 12 filled with the mixed particulate (or powdery) molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 is referred to as a nuclear fuel material filling region. The nuclear fuel material area is in contact with the spent fuel 11.
The mixing ratio of the particulate (or powdery) molten salt fuel 9 and the particulate (or powdery) liquid metal fuel 10 in the mixed cladding 3 is the fuel element 2 of the fuel assembly 24 of Example 1. It is the same as the ratio of the molten salt fuel 9 in the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel 10 in the liquid metal fuel region 7 in the above.

燃料要素2Aを有する燃焼度0GWd/tの燃料集合体では、燃料要素2A内の粒子状(または粉状)の溶融塩燃料9及び粒子状(または粉状)の液体金属燃料10は溶融していない。その燃料集合体が高速炉の炉心に装荷された後、高速炉の運転が開始される。燃料要素2A内の溶融塩燃料9に含まれている核分裂性物質(239Pu等)の核分裂によって燃料要素2Aの温度が溶融塩燃料9及び液体金属燃料10のそれぞれの融点よりも上昇したとき、溶融塩燃料9及び液体金属燃料10が溶融し、溶融した溶融塩燃料9と溶融した液体金属燃料10が支持部材12よりも下方で分離される。この結果、実施例1の燃料集合体24の燃料要素2と同様に、燃料要素2A内に、溶融塩燃料9が存在する溶融塩燃料領域6および液体金属燃料10が存在する液体金属燃料領域7が形成され、溶融塩燃料領域6が液体金属燃料領域7と接触して液体金属燃料領域7の上方に形成される。 In a fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t having a fuel element 2A, the particulate (or powdery) molten salt fuel 9 and the particulate (or powdery) liquid metal fuel 10 in the fuel element 2A are melted. Absent. After the fuel assembly is loaded into the core of the fast reactor, the operation of the fast reactor is started. When the temperature of the fuel element 2A rises above the melting points of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 due to the nuclear fission of the nuclear fissionable substance (239Pu, etc.) contained in the molten salt fuel 9 in the fuel element 2A, the fuel element 2A melts. The salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 are melted, and the melted molten salt fuel 9 and the melted liquid metal fuel 10 are separated below the support member 12. As a result, similarly to the fuel element 2 of the fuel assembly 24 of the first embodiment, the molten salt fuel region 6 in which the molten salt fuel 9 exists and the liquid metal fuel region 7 in which the liquid metal fuel 10 exists in the fuel element 2A. Is formed, and the molten salt fuel region 6 comes into contact with the liquid metal fuel region 7 and is formed above the liquid metal fuel region 7.

燃料要素2Aを有する本実施例の燃料集合体は、実施例1で得られる各効果を得ることができる。 The fuel assembly of the present embodiment having the fuel element 2A can obtain each effect obtained in the first embodiment.

本発明の好適な他の実施例である実施例2の高速炉の燃料集合体を、図8および図9を用いて説明する。 The fuel assembly of the fast reactor of Example 2, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 8 and 9.

本実施例の燃料集合体は、図8に示す燃料要素2Bを複数本有する。燃料要素2Bは、実施例1で用いられる燃料要素2と、溶融塩燃料が存在する溶融塩燃料領域および液体金属燃料が存在する液体金属燃料領域が異なっているだけで、他の構成は燃料要素2と同じである。すなわち、燃料要素2Bは、溶融塩燃料9Aが存在する溶融塩燃料領域6Aおよび液体金属燃料10Aが存在する液体金属燃料領域7Aを有する。燃料要素2Bを有する、燃焼度0GWd/tの燃料集合体では、溶融塩燃料領域6Aに、高富化度の核分裂性Pu(例えば、239Pu)を含む溶融塩燃料9Aが存在し、液体金属燃料領域7Aに、低富化度の核分裂性Pu(例えば、239Pu)を含む液体金属燃料10Aが存在する。液体金属燃料10Aの核分裂性Puの富化度は、溶融塩燃料9Aの核分裂性Puの富化度よりも小さい。高富化度の核分裂性Puを含む溶融塩燃料9Aは、具体的には、PuCl,UCl,NaCl,MgClを含んでいる。低富化度の核分裂性Puを含む液体金属燃料10Aは、具体的には、Pu−U−Bi合金を含んでいる。本実施例の燃料要素2Bが実施例1の燃料要素2と大きく異なる点は、燃料要素2Bの液体金属燃料領域に核分裂性Pu(例えば、239Pu)が含まれていることである。 The fuel assembly of this embodiment has a plurality of fuel elements 2B shown in FIG. The fuel element 2B is different from the fuel element 2 used in the first embodiment only in the molten salt fuel region in which the molten salt fuel is present and the liquid metal fuel region in which the liquid metal fuel is present, and the other configurations are the fuel elements. Same as 2. That is, the fuel element 2B has a molten salt fuel region 6A in which the molten salt fuel 9A is present and a liquid metal fuel region 7A in which the liquid metal fuel 10A is present. In a fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t having a fuel element 2B, a molten salt fuel 9A containing a highly enriched fissile Pu (eg, 239 Pu) is present in the molten salt fuel region 6A, and is a liquid metal fuel. In region 7A is a liquid metal fuel 10A containing a low enrichment fissile Pu (eg, 239 Pu). The enrichment of the fissile Pu of the liquid metal fuel 10A is smaller than the enrichment of the fissile Pu of the molten salt fuel 9A. The molten salt fuel 9A containing a highly enriched fissile Pu specifically contains PuCl 3 , UCl 3 , NaCl, and MgCl 2 . The liquid metal fuel 10A containing a low-rich fissile Pu specifically contains a Pu-U-Bi alloy. The major difference between the fuel element 2B of the present embodiment and the fuel element 2 of the first embodiment is that the liquid metal fuel region of the fuel element 2B contains fissile Pu (for example, 239 Pu).

燃料要素2Bの溶融塩燃料領域6Aには、ペレット状の多数の固体の液体金属燃料10が充填され、被覆管3内の溶融塩燃料領域6には、ペレット状の多数の固体の溶融塩燃料9が充填され、被覆管3内の使用済燃料領域11Dには、ペレット状の多数の固体の使用済燃料11が充填されている。 The molten salt fuel region 6A of the fuel element 2B is filled with a large number of pellet-shaped solid liquid metal fuels 10, and the molten salt fuel region 6 in the cladding 3 is filled with a large number of pellet-shaped solid molten salt fuels. 9 is filled, and the spent fuel region 11D in the cladding tube 3 is filled with a large number of pellet-shaped solid spent fuel 11.

溶融塩燃料9Aにおける核分裂性Puの富化度は、実施例1の燃料集合体24に含まれる燃料要素2内の溶融塩燃料9における核分裂性Puの富化度と同じであってもよい。 The degree of enrichment of fissile Pu in the molten salt fuel 9A may be the same as the degree of enrichment of fissile Pu in the molten salt fuel 9 in the fuel element 2 contained in the fuel assembly 24 of Example 1.

本実施例の燃料要素2Bを有する複数の燃料集合体が装荷された高速炉の炉心1Aを、図9を用いて説明する。複数の燃料要素2Bを含む複数の燃料集合体が装荷された炉心1Aは、軸方向において、下端から上端に向かって液体金属燃料層7C、溶融塩燃料層6Cおよび核燃料物質層11Aを形成している。液体金属燃料層7Cには、炉心1Aに装荷された各燃料集合体に含まれる各燃料要素2B内の液体金属燃料領域7Aが配置されており、液体金属燃料層7Cは、これらの燃料要素2B内の液体金属燃料領域7Aによって形成される。溶融塩燃料層6Cには、炉心1Aに装荷された各燃料集合体に含まれる各燃料要素2B内の溶融塩燃料領域6Aが配置されており、溶融塩燃料層6Cは、これらの燃料要素2B内の溶融塩燃料領域6Aによって形成される。核燃料物質層11Aは、炉心1の核燃料物質層11Aと同じである。 The core 1A of a fast reactor loaded with a plurality of fuel assemblies having the fuel element 2B of this embodiment will be described with reference to FIG. A core 1A loaded with a plurality of fuel assemblies including a plurality of fuel elements 2B forms a liquid metal fuel layer 7C, a molten salt fuel layer 6C, and a nuclear fuel material layer 11A from the lower end to the upper end in the axial direction. There is. The liquid metal fuel layer 7C is arranged with a liquid metal fuel region 7A in each fuel element 2B included in each fuel assembly loaded in the core 1A, and the liquid metal fuel layer 7C is composed of these fuel elements 2B. It is formed by the liquid metal fuel region 7A inside. In the molten salt fuel layer 6C, a molten salt fuel region 6A in each fuel element 2B included in each fuel assembly loaded in the core 1A is arranged, and the molten salt fuel layer 6C is composed of these fuel elements 2B. It is formed by the molten salt fuel region 6A inside. The nuclear fuel material layer 11A is the same as the nuclear fuel material layer 11A of the core 1.

本実施例の燃料集合体でも、燃料要素2B内において、実施例1の燃料集合体24における燃料要素2のように、溶融塩燃料領域6Aにおいて239Puの核分裂反応が生じ、液体金属燃料領域7Aにおいて238Uの中性子捕獲反応により239Puが生成される。 Also in the fuel assembly of this embodiment, a fission reaction of 239 Pu occurs in the molten salt fuel region 6A in the fuel element 2B as in the fuel element 2 in the fuel assembly 24 of the first embodiment, and the liquid metal fuel region 7A At 238 U, a neutron capture reaction produces 239 Pu.

さらには、溶融塩燃料領域6Aと液体金属燃料領域7Aの境界付近では、実施例1と同様に、式(2)で表される化学反応が生じる。このため、この化学反応によって、燃料要素2B内においても、塩化物となった239Puが液体金属燃料領域7Aから溶融塩燃料領域6A内に拡散し、金属となった238Uが溶融塩燃料領域6Aから液体金属燃料領域7A内に拡散する。 Further, in the vicinity of the boundary between the molten salt fuel region 6A and the liquid metal fuel region 7A, a chemical reaction represented by the formula (2) occurs as in Example 1. Therefore, due to this chemical reaction, 239 Pu, which became chloride, diffused from the liquid metal fuel region 7A into the molten salt fuel region 6A even in the fuel element 2B, and 238 U, which became metal, became the molten salt fuel region. It diffuses from 6A into the liquid metal fuel region 7A.

燃料要素2B内で支持部材12の上に充填された使用済燃料11も、実施例1の燃料集合体24における燃料要素2内の使用済燃料11と同様に作用する。 The spent fuel 11 filled on the support member 12 in the fuel element 2B also operates in the same manner as the spent fuel 11 in the fuel element 2 in the fuel assembly 24 of the first embodiment.

本実施例は、実施例1で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、燃焼度0GWd/tの燃料集合体の燃料要素2Bにおいて、液体金属燃料領域7A内の液体金属燃料10Aが低富化度の核分裂性Puを含んでいるので、液体金属燃料領域7Aから溶融塩燃料領域6Aへの239Puの供給は、高速炉の運転開始後の早い時点で開始される。また、その供給される239Puの量は実施例1よりも多くなる。このため、本実施例における炉心の実効的な転換比は実施例1よりも大きくなる。 In this example, each effect produced in Example 1 can be obtained. Further, in this embodiment, in the fuel element 2B of the fuel assembly having a burnup of 0 GWd / t, the liquid metal fuel 10A in the liquid metal fuel region 7A contains a low-enrichment fissile Pu. The supply of 239 Pu from the fuel region 7A to the molten salt fuel region 6A is started early after the start of operation of the fast reactor. Moreover, the amount of 239 Pu supplied is larger than that in Example 1. Therefore, the effective conversion ratio of the core in this embodiment is larger than that in Example 1.

また、本実施例では、液体金属燃料領域7Aに存在する、低富化度の核分裂Puを含む液体金属燃料10Aの再処理では、239Puを液体金属燃料10Aに残したまま、白金族FP核種のような少種類のFP核種だけを除去すればよい。すなわち、液体金属燃料10Aは、再処理ではなく、精製すればよいので、リサイクル工程が大きく簡素化される。 Further, in this embodiment, in the retreatment of the liquid metal fuel 10A containing the fission Pu having a low enrichment degree existing in the liquid metal fuel region 7A, the platinum group FP nuclides while leaving 239 Pu in the liquid metal fuel 10A. It is only necessary to remove a small number of FP nuclides such as. That is, since the liquid metal fuel 10A may be refined instead of being reprocessed, the recycling process is greatly simplified.

本発明の好適な他の実施例である、実施例4の高速炉の炉心を、図10および図11を用いて説明する。 The core of the fast reactor of Example 4, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 10 and 11.

本実施例の高速炉の炉心である炉心1Bは、図11に示すように、中央領域21および中央領域21を取り囲む環状の外周領域22を有する。この外周領域22はブランケット領域である。中央領域21には、実施例1で用いられる複数の燃料集合体24が装荷され、外周領域22には、図10に示された複数のブランケット燃料要素16を有する複数のブランケット燃料集合体(図示せず)が装荷される。 As shown in FIG. 11, the core 1B, which is the core of the fast reactor of this embodiment, has a central region 21 and an annular outer peripheral region 22 surrounding the central region 21. The outer peripheral region 22 is a blanket region. The central region 21 is loaded with the plurality of fuel assemblies 24 used in the first embodiment, and the outer peripheral region 22 is a plurality of blanket fuel assemblies having the plurality of blanket fuel elements 16 shown in FIG. 10 (FIG. 10). (Not shown) is loaded.

ブランケット燃料集合体は、外面にワイヤスペーサ(図示せず)が巻き付けられた複数のブランケット燃料要素16の束を、図2のように、ラッパ管14内に配置している。複数のブランケット燃料要素16は、ラッパ管14内で正三角形格子状に配置される。それぞれのブランケット燃料要素16の下端部は、エントランスノズル(図示せず)によって支持される。ラッパ管14の下端部が、エントランスノズルに取り付けられる。巻き付けられたワイヤスペーサによって、隣り合う燃料要素2の相互間に、所定幅の間隙である、冷却材である液体金属が流れる冷却材通路が形成されるである。 In the blanket fuel assembly, a bundle of a plurality of blanket fuel elements 16 around which a wire spacer (not shown) is wound around an outer surface is arranged in a trumpet pipe 14 as shown in FIG. The plurality of blanket fuel elements 16 are arranged in an equilateral triangle lattice in the trumpet pipe 14. The lower end of each blanket fuel element 16 is supported by an entrance nozzle (not shown). The lower end of the trumpet tube 14 is attached to the entrance nozzle. The wound wire spacer forms a coolant passage through which the liquid metal, which is a coolant, flows, which is a gap having a predetermined width between the adjacent fuel elements 2.

ブランケット燃料要素16は、上部端栓4及び下部端栓5で上下端部が密封された被覆管3内に、溶融塩ブランケット燃料19が存在する溶融塩ブランケット燃料領域17および液体金属ブランケット燃料20が存在する液体金属ブランケット燃料領域18が形成される。溶融塩ブランケット燃料領域17は、液体金属ブランケット燃料領域18の上方に配置されており、液体金属ブランケット燃料領域18の上端に接触している。溶融塩ブランケット燃料19はUCl,NaClおよびMgClを含有する溶融塩ブランケット燃料である。液体金属ブランケット燃料20はU−Bi合金を含有する液体金属ブランケット燃料である。 In the blanket fuel element 16, the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel 20 in which the molten salt blanket fuel 19 is present are contained in a cladding tube 3 in which the upper and lower ends are sealed by the upper end plug 4 and the lower end plug 5. The existing liquid metal blanket fuel region 18 is formed. The molten salt blanket fuel region 17 is located above the liquid metal blanket fuel region 18 and is in contact with the upper end of the liquid metal blanket fuel region 18. The molten salt blanket fuel 19 is a molten salt blanket fuel containing UCl 3 , NaCl and MgCl 2 . The liquid metal blanket fuel 20 is a liquid metal blanket fuel containing a U-Bi alloy.

具体的には、ブランケット燃料要素16において、被覆管3内の溶融塩ブランケット燃料領域17には、ペレット状の多数の固体の溶融塩ブランケット燃料19が充填され、被覆管3内の液体金属ブランケット燃料領域18には、ペレット状の多数の固体の液体金属ブランケット燃料20が充填される。 Specifically, in the blanket fuel element 16, the molten salt blanket fuel region 17 in the cladding tube 3 is filled with a large number of pellet-shaped solid molten salt blanket fuels 19, and the liquid metal blanket fuel in the cladding tube 3 is filled. Region 18 is filled with a large number of pelletized solid liquid metal blanket fuels 20.

ブランケット燃料要素16では、溶融塩ブランケット燃料領域17および液体金属ブランケット燃料領域18が、核燃料物質充填領域8Aである。この核燃料物質充填領域8Aの軸方向の長さを燃料有効長という。ブランケット燃料要素16を有するブランケット燃料集合体の燃料有効長は、ブランケット燃料要素16の燃料有効長と同じである。炉心1Bに装荷された全てのブランケット燃料集合体において、各ブランケット燃料要素16内の溶融塩ブランケット燃料領域17と液体金属ブランケット燃料領域18の境界の、燃料有効長の下端からの位置は、同じ位置になっている。 In the blanket fuel element 16, the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18 are the nuclear fuel material filling regions 8A. The axial length of the nuclear fuel material filling region 8A is called the effective fuel length. The effective fuel length of the blanket fuel assembly having the blanket fuel element 16 is the same as the effective fuel length of the blanket fuel element 16. In all blanket fuel assemblies loaded in the core 1B, the positions of the boundaries between the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18 in each blanket fuel element 16 from the lower end of the effective fuel length are the same. It has become.

ブランケット燃料要素16を有する燃焼度0GWd/tのブランケット燃料集合体では、溶融塩ブランケット燃料領域17に充填される溶融塩ブランケット燃料19および液体金属ブランケット燃料領域18に充填される液体金属ブランケット燃料20は、共に、固体である。燃焼度0GWd/tの状態で、溶融塩ブランケット燃料19および液体金属ブランケット燃料20は、燃料親物質(238U等)を含んでいるが、核分裂性物質(239Pu等)を含んでいない。 In a 0 GWd / t burnup blanket fuel assembly having the blanket fuel element 16, the molten salt blanket fuel 19 filled in the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel 20 filled in the liquid metal blanket fuel region 18 are , Both are solid. At a burnup of 0 GWd / t, the molten salt blanket fuel 19 and the liquid metal blanket fuel 20 contain a fuel parent material ( 238 U, etc.) but no fissile material ( 239 Pu, etc.).

炉心1Bを有する高速炉の運転が開始されると、まず、中央領域21内に存在する燃料要素2の溶融塩燃料領域6内で、核分裂性物質(239Pu等)の核分裂反応が生じる。燃料集合体24の燃料要素2内の温度が、溶融塩燃料9及び液体金属燃料10の融点よりも高くなったとき、溶融塩燃料9及び液体金属燃料10のそれぞれが溶融状態になる。また、ブランケット燃料要素16内の温度が、溶融塩ブランケット燃料19および液体金属ブランケット燃料20の融点よりも高くなったとき、溶融塩ブランケット燃料19および液体金属ブランケット燃料20のそれぞれも溶融状態になる。 When the operation of the fast reactor having the core 1B is started, first, a fission reaction of a fissile material ( 239 Pu or the like) occurs in the molten salt fuel region 6 of the fuel element 2 existing in the central region 21. When the temperature in the fuel element 2 of the fuel assembly 24 becomes higher than the melting points of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10, each of the molten salt fuel 9 and the liquid metal fuel 10 is in a molten state. Further, when the temperature in the blanket fuel element 16 becomes higher than the melting points of the molten salt blanket fuel 19 and the liquid metal blanket fuel 20, each of the molten salt blanket fuel 19 and the liquid metal blanket fuel 20 is also in a molten state.

溶融塩ブランケット燃料領域17と液体金属ブランケット燃料領域18の境界では、溶融した溶融塩ブランケット燃料19と溶融した液体金属ブランケット燃料20が接触する。溶融した溶融塩ブランケット燃料19の比重は溶融した液体金属ブランケット燃料20の比重よりも小さいため、被覆管3内において、溶融した溶融塩ブランケット燃料19は溶融した液体金属ブランケット燃料20の上方に位置することになる。 At the boundary between the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18, the molten molten salt blanket fuel 19 and the molten liquid metal blanket fuel 20 come into contact with each other. Since the specific gravity of the molten molten salt blanket fuel 19 is smaller than the specific gravity of the molten liquid metal blanket fuel 20, the molten molten salt blanket fuel 19 is located above the molten liquid metal blanket fuel 20 in the cladding tube 3. It will be.

中央領域21に装荷された各燃料集合体24では、実施例1で述べたように、金属の238Uの溶融塩燃料領域6から液体金属燃料領域7への供給、塩化物の239Puの液体金属燃料領域7から溶融塩燃料領域6への供給が行われ、さらに、使用済燃料領域11D内の使用済燃料11に含まれる238Uの、使用済燃料領域11D、溶融塩燃料領域6および液体金属燃料領域7での239Puへの変換が行われる。 In each fuel assembly 24 loaded in the central region 21, as described in Example 1, the supply of 238 U of metal from the molten salt fuel region 6 to the liquid metal fuel region 7 and the liquid of 239 Pu of chloride Supply is performed from the metal fuel region 7 to the molten salt fuel region 6, and further, 238 U contained in the spent fuel 11 in the spent fuel region 11D, the spent fuel region 11D, the molten salt fuel region 6 and the liquid Conversion to 239 Pu takes place in the metal fuel region 7.

ブランケット燃料集合体の各ブランケット燃料要素16内においても、溶融塩ブランケット燃料領域17および液体金属ブランケット燃料領域18のそれぞれに存在する燃料親物質(238U等)も、燃料要素2の溶融塩燃料領域6から漏れてくる中性子を捕獲して、核分裂性物質(239Pu等)に核変換される。このようにして生成された核分裂性物質(239Pu等)は、溶融塩ブランケット燃料領域17および液体金属ブランケット燃料領域18内で核分裂することにより燃焼する。 Within each blanket fuel element 16 of the blanket fuel assembly, the fuel parent material ( 238 U, etc.) existing in each of the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18 is also the molten salt fuel region of the fuel element 2. The neutrons leaking from 6 are captured and converted into fissile material ( 239 Pu, etc.). The fissile material thus produced (such as 239 Pu) is burned by fission in the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18.

本実施例は、実施例1で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例では、炉心1Bが中央領域21を外周領域22で取り囲んでいるため、炉心1Bの全体の転換比は、中央領域21における炉心燃料(溶融塩燃料9)の転換比、中央領域21におけるブランケット燃料(液体金属燃料10)の転換比、および外周領域22における溶融塩ブランケット燃料19および液体金属ブランケット燃料20のそれぞれの転換比を合計したものとなる。 In this example, each effect produced in Example 1 can be obtained. Further, in this embodiment, since the core 1B surrounds the central region 21 with the outer peripheral region 22, the conversion ratio of the entire core 1B is the conversion ratio of the core fuel (molten salt fuel 9) in the central region 21 and the central region. It is the sum of the conversion ratios of the blanket fuel (liquid metal fuel 10) in 21 and the conversion ratios of the molten salt blanket fuel 19 and the liquid metal blanket fuel 20 in the outer peripheral region 22.

このため、本実施例では、実施例1に比べて炉心の実効的な転換比を大きく増大させることができ、さらには、燃料要素2を有する燃料集合体24を長寿命化させることができるので、高速炉の燃料経済性の向上させることができる。 Therefore, in this embodiment, the effective conversion ratio of the core can be greatly increased as compared with the first embodiment, and further, the life of the fuel assembly 24 having the fuel element 2 can be extended. , The fuel economy of fast reactors can be improved.

ブランケット燃料要素16でも、液体金属ブランケット燃料20における核分裂性物質(239Pu等)の核分裂反応により、多くの核分裂生成核種(FP核種)が生成される。これらのFP核種は、白金族FP核種を除き、液体金属ブランケット燃料20の比重よりも小さい。このため、白金族FP核種を除いたFP核種は、溶融塩ブランケット燃料領域17と液体金属ブランケット燃料領域18の境界まで上昇する。溶融塩ブランケット燃料領域17と液体金属ブランケット燃料領域18の境界まで上昇したFP核種は、溶融塩ブランケット燃料19との間で、式(3)で表された化学反応を生じ、FP塩となる。生成されたこのFP塩は、溶融塩ブランケット燃料領域17内に拡散していく。 Also in the blanket fuel element 16, many fission-producing nuclides (FP nuclides) are produced by the fission reaction of the fissile material ( 239 Pu, etc.) in the liquid metal blanket fuel 20. These FP nuclides, except for the platinum group FP nuclides, are smaller than the specific gravity of the liquid metal blanket fuel 20. Therefore, the FP nuclides excluding the platinum group FP nuclides rise to the boundary between the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18. The FP nuclei that have risen to the boundary between the molten salt blanket fuel region 17 and the liquid metal blanket fuel region 18 cause a chemical reaction represented by the formula (3) between the molten salt blanket fuel 19 and become an FP salt. The generated FP salt diffuses into the molten salt blanket fuel region 17.

したがって、使用済みの液体金属ブランケット燃料20には、白金族FP核種を除き、FP核種はほとんど残らないことになる。したがって、使用済みの液体金属ブランケット燃料20からFP核種を回収する処理は、ほとんど不要となるため、使用済みの液体金属ブランケット燃料20の再処理工程が大幅に簡素化されることとなる。 Therefore, in the used liquid metal blanket fuel 20, almost no FP nuclide remains except for the platinum group FP nuclide. Therefore, the process of recovering the FP nuclide from the used liquid metal blanket fuel 20 is almost unnecessary, and the reprocessing process of the used liquid metal blanket fuel 20 is greatly simplified.

本実施例の炉心1Bの中央領域21には、実施例1の燃料集合体24の替りに、実施例2の燃料要素2Aを有する燃料集合体、実施例3の燃料要素2Bを有する燃料集合体、および後述の実施例5の燃料要素2Cを有する燃料集合体のいずれかを装荷してもよい。 In the central region 21 of the core 1B of the present embodiment, instead of the fuel assembly 24 of the first embodiment, the fuel assembly having the fuel element 2A of the second embodiment and the fuel assembly having the fuel element 2B of the third embodiment are provided. , And any of the fuel assemblies having the fuel element 2C of Example 5 described below may be loaded.

本発明の好適な他の実施例である実施例5の高速炉の燃料集合体を、図12および図13を用いて説明する。 The fuel assembly of the fast reactor of Example 5, which is another preferred embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 12 and 13.

実施例5の燃料集合体は、図12に示す複数の燃料要素2Cを有する。燃料要素2Cは、実施例1の燃料集合体24に用いられる燃料要素2にFP核種を吸着する吸着材23を追加した構成を有する。この吸着材23は、燃料要素2Cの被覆管3の内面に設置されて使用済燃料領域11Dの上方に配置される。吸着材23は、具体的には、ガスプレナム13内に配置される。燃料要素2Cの他の構成は、燃料要素2と同じである。 The fuel assembly of Example 5 has a plurality of fuel elements 2C shown in FIG. The fuel element 2C has a configuration in which an adsorbent 23 for adsorbing FP nuclides is added to the fuel element 2 used for the fuel assembly 24 of the first embodiment. The adsorbent 23 is installed on the inner surface of the cladding tube 3 of the fuel element 2C and is arranged above the spent fuel region 11D. Specifically, the adsorbent 23 is arranged in the gas plenum 13. Other configurations of the fuel element 2C are the same as those of the fuel element 2.

複数の燃料要素2Cを有する燃料集合体が装荷された高速炉の炉心1Cは、図13に示すように、実施例1の燃料集合体24を装荷した高速炉の炉心1に吸着材層23Aを付加した構成を有する。炉心1Cの吸着材層23Aには、燃料集合体24に用いられる燃料要素2C内の吸着材23が配置されている。 As shown in FIG. 13, the core 1C of the fast reactor loaded with the fuel assembly having the plurality of fuel elements 2C has the adsorbent layer 23A in the core 1 of the fast reactor loaded with the fuel assembly 24 of the first embodiment. It has an added configuration. In the adsorbent layer 23A of the core 1C, the adsorbent 23 in the fuel element 2C used for the fuel assembly 24 is arranged.

複数の燃料要素2Cを有する燃料集合体が炉心に装荷された高速炉の運転が開始されると、燃料要素2C内では、実施例1における燃料集合体24の燃料要素2内で生じる、金属の238Uの溶融塩燃料領域6から液体金属燃料領域7への供給、塩化物の239Puの液体金属燃料領域7から溶融塩燃料領域6への供給が行われ、さらに、使用済燃料領域11D内の使用済燃料11に含まれる238Uの、使用済燃料領域11D、溶融塩燃料領域6および液体金属燃料領域7での239Puへの変換が行われる。 When the operation of the fast furnace in which the fuel assembly having the plurality of fuel elements 2C is loaded in the core is started, the metal of the metal generated in the fuel element 2 of the fuel assembly 24 in the first embodiment in the fuel element 2C. 238 U of molten salt fuel region 6 is supplied to the liquid metal fuel region 7, 239 Pu of chloride is supplied from the liquid metal fuel region 7 to the molten salt fuel region 6, and further, within the spent fuel region 11D. The 238 U contained in the spent fuel 11 of the above is converted to 239 Pu in the spent fuel region 11D, the molten salt fuel region 6 and the liquid metal fuel region 7.

239Puの核分裂反応で生じたCs等のFP核種は、溶融塩燃料領域6からガスプレナム13に達する。ガスプレナム13内のCs等のFP核種は、吸着材23に吸着され除去される。 FP nuclides such as Cs produced by the fission reaction of 239 Pu reach the gas plenum 13 from the molten salt fuel region 6. FP nuclides such as Cs in the gas plenum 13 are adsorbed and removed by the adsorbent 23.

本実施例で燃料要素2C内に設けられた吸着材23は、実施例2の燃料集合体に用いられる燃料要素2A、および実施例3の燃料集合体に用いられる燃料要素2Bのそれぞれに適用してもよい。 The adsorbent 23 provided in the fuel element 2C in this embodiment is applied to the fuel element 2A used for the fuel assembly of the second embodiment and the fuel element 2B used for the fuel assembly of the third embodiment, respectively. You may.

本実施例は実施例1で生じる各効果を得ることができる。さらに、本実施例は、燃料要素2C内で使用済燃料領域11Dの上方に吸着材23が配置されているため、239Puの核分裂反応で生じたCs等のFP核種を吸着材23で吸着し除去することができるので、被覆管3内の圧力上昇を抑制することができる。 In this example, each effect produced in Example 1 can be obtained. Further, in this embodiment, since the adsorbent 23 is arranged above the spent fuel region 11D in the fuel element 2C, the adsorbent 23 adsorbs FP nuclides such as Cs generated in the fission reaction of 239 Pu. Since it can be removed, the pressure increase in the cladding tube 3 can be suppressed.

1,1A,1B,1C…炉心、2,2A,2B,2C…燃料要素、3…被覆管、6,6A…溶融塩燃料領域、6B,6C…溶融塩燃料層、7,7A…液体金属燃料領域、7B,7C…液体金属燃料層、8,8A…核燃料物質充填領域、9,9A…溶融塩燃料、10,10A…液体金属燃料、11…使用済燃料、11A…核燃料物質層、11D…使用済燃料領域(核燃料物質領域)、12…支持部材、13…ガスプレナム、16…ブランケット燃料要素、17…溶融塩ブランケット燃料領域、18…液体金属ブランケット燃料領域、19…溶融塩ブランケット燃料、20…液体金属ブランケット燃料、21…中央領域、22…外周領域、23…吸着材、24…燃料集合体。 1,1A, 1B, 1C ... core, 2,2A, 2B, 2C ... fuel element, 3 ... cladding tube, 6,6A ... molten salt fuel region, 6B, 6C ... molten salt fuel layer, 7,7A ... liquid metal Fuel region, 7B, 7C ... Liquid metal fuel layer, 8,8A ... Nuclear fuel material filling region, 9,9A ... Molten salt fuel, 10,10A ... Liquid metal fuel, 11 ... Spent fuel, 11A ... Nuclear fuel material layer, 11D ... spent fuel region (nuclear fuel material region), 12 ... support member, 13 ... gas plenum, 16 ... blanket fuel element, 17 ... molten salt blanket fuel region, 18 ... liquid metal blanket fuel region, 19 ... molten salt blanket fuel, 20 ... Liquid metal blanket fuel, 21 ... Central region, 22 ... Outer region, 23 ... Adsorbent, 24 ... Fuel aggregate.

Claims (10)

複数の燃料要素を有し、
前記燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料が存在する第1燃料領域、前記第1燃料領域の上方に配置され、核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が存在する第2燃料領域、および前記第2燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する第3燃料領域を有し、
前記第1燃料領域の上端が前記第2燃料領域の下端に接触しており、前記第2燃料領域の上端が前記第3燃料領域の下端に接触していることを特徴とする高速炉の燃料集合体。
Has multiple fuel elements
The fuel element is arranged above the first fuel region and the first fuel region in which the liquid metal fuel containing the fuel parent material is present, and the second fuel in which the molten salt fuel containing the nuclear fissure material and the fuel parent material is present. It has a region and a third fuel region that is located above the second fuel region and in which the nuclear fuel material, including the fuel parent material, is present.
A fast reactor fuel characterized in that the upper end of the first fuel region is in contact with the lower end of the second fuel region and the upper end of the second fuel region is in contact with the lower end of the third fuel region. Aggregation.
前記第3燃料領域に存在する前記核燃料物質が、前記燃料要素内に設けられた、複数の貫通孔を有する支持部材上に存在する請求項1に記載の高速炉の燃料集合体。 The fuel assembly of a fast reactor according to claim 1, wherein the nuclear fuel material existing in the third fuel region exists on a support member having a plurality of through holes provided in the fuel element. 吸着材が、前記第3燃料領域よりも上方で前記燃料要素内に配置されている請求項1または2に記載の高速炉の燃料集合体。 The fuel assembly of a fast reactor according to claim 1 or 2, wherein the adsorbent is arranged in the fuel element above the third fuel region. 前記液体金属燃料が前記燃料親物質以外に核分裂性物質を含んでおり、
前記液体金属燃料に含まれる前記核分裂性物質の富化度が、前記溶融塩燃料に含まれる前記核分裂性物質の富化度よりも小さい請求項1ないし3のいずれか1項に記載の高速炉の燃料集合体。
The liquid metal fuel contains a fissile material in addition to the fuel parent material,
The fast reactor according to any one of claims 1 to 3, wherein the degree of enrichment of the fissile material contained in the liquid metal fuel is smaller than the degree of enrichment of the fissile material contained in the molten salt fuel. Fuel assembly.
前記第3燃料領域に存在する前記核燃料物質が、使用済燃料、天然ウラン及び劣化ウランのいずれかである請求項1ないし4のいずれか1項に記載の高速炉の燃料集合体。 The fuel assembly of a fast reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the nuclear fuel material existing in the third fuel region is any one of spent fuel, natural uranium and depleted uranium. 複数の燃料要素を有し、
前記燃料要素は、燃料親物質を含む液体金属燃料および核分裂性物質及び燃料親物質を含む溶融塩燃料が混合されて充填された核燃料物質充填領域、および前記核燃料物質充填領域の上方に配置され、燃料親物質を含む核燃料物質が存在する核燃料物質領域を有し、
前記核燃料物質充填領域の上端は前記核燃料物質領域の下端に接触していることを特徴とする高速炉の燃料集合体。
Has multiple fuel elements
The fuel element is arranged above the nuclear fuel material filling region and the nuclear fuel material filling region, which are mixed and filled with a liquid metal fuel containing a fuel parent material and a molten salt fuel containing a nuclear fission material and a fuel parent material. It has a nuclear fuel material area where nuclear fuel material including fuel parent material exists,
A fuel assembly of a fast reactor, characterized in that the upper end of the nuclear fuel material filling region is in contact with the lower end of the nuclear fuel material region.
前記核燃料物質領域に存在する前記核燃料物質が、前記燃料要素内に設けられた、複数の貫通孔を有する支持部材上に存在する請求項6に記載の高速炉の燃料集合体。 The fuel assembly of a fast reactor according to claim 6, wherein the nuclear fuel material existing in the nuclear fuel material region exists on a support member having a plurality of through holes provided in the fuel element. 吸着材が、前記核燃料物質領域よりも上方で前記燃料要素内に配置されている請求項6または7に記載の高速炉の燃料集合体。 The fuel assembly of a fast reactor according to claim 6 or 7, wherein the adsorbent is located in the fuel element above the nuclear fuel material region. 請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の複数の燃料集合体が装荷されたことを特徴とする高速炉の炉心。 A core of a fast reactor, characterized in that the plurality of fuel assemblies according to any one of claims 1 to 8 are loaded. 前記複数の前記燃料集合体が配置された中央領域、及び燃料親物質を含む液体金属ブランケット燃料が存在する第4燃料領域、及び前記第4燃料領域の上方に配置され、燃料親物質を含む溶融塩ブランケット燃料が存在する第5燃料領域を含む複数のブランケット燃料要素を有する複数のブランケット燃料集合体が配置されて、前記中央領域を取り囲む外周領域を有し、
前記第4領域の上端が前記第5燃料領域の下端に接触している請求項9に記載の高速炉の炉心。
A central region where the plurality of fuel aggregates are arranged, a fourth fuel region where a liquid metal blanket fuel containing a fuel parent material is present, and a melt which is arranged above the fourth fuel region and contains a fuel parent material. A plurality of blanket fuel assemblies having a plurality of blanket fuel elements including a fifth fuel region in which the salt blanket fuel is present are arranged and have an outer peripheral region surrounding the central region.
The core of a fast reactor according to claim 9, wherein the upper end of the fourth region is in contact with the lower end of the fifth fuel region.
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